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驱动桥漏油问题分析及对策

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  某车型研发在道路试验过程中,出现多次驱动桥漏油,有主动齿轮凸缘螺母漏油和轮边半轴油封漏油两种情况。产生漏油主要是制造及装配过程中存在不足造成的,本次从提升油封密封能力、结构优化、加工工艺优化等方面提出了改进措施,为今后新品开发提供了参考依据。

  1故障描述

  整车道路试验过程中出现2次主减速器凸缘法兰与后传动轴连接处有润滑油渗漏(见图1),渗出的润滑油随传动轴旋转,甩到桥壳、车架、排气尾管等周边零件上。出现7次后驱动桥轮边半轴油封漏油问题,其中左轮边渗漏5次,右轮边渗漏2次,失效里程在11000km到22000km之间。大部分失效出现在左侧轮边,初始仅轮边防尘罩局部出现油痕(见图2)。随着里程的累积,油痕逐步扩大,卡钳、制动盘及防尘罩等零部件上均有油痕(见图3),影响行车安全。

  图1凸缘法兰处油痕

  2失效件分析

  图4是驱动桥主减速器结构图,从故障件主减速器壳体上没有油迹,不是主动齿轮油封漏油,拆开故障件发现主动齿轮花键,凸缘法兰花键、窝孔及凸缘螺母内螺纹、大端面上都有润滑油(图5),初步判断润滑油通过凸缘法兰与外轴承接触面,进入到主动齿轮与凸缘法兰花键,再由凸缘螺母与凸缘法兰配合面、凸缘螺母与主动齿轮螺纹配合间隙泄漏到外部。

  图2初始失效

  图3油痕扩大

  图4主减速器结构

  图5失效部位拆解

  图示6为后驱动桥轮边结构示意图,从结构上可知,油痕的来源可能是轴承润滑脂、驱动桥内部齿轮润滑油,或者两者兼有。本案例中轴承所用润滑脂是蓝色,从渗漏过程跟踪情况来判断,可排除轴承润滑脂泄漏的可能性,因此轮边零件上的油痕来源最大可能是驱动桥内部的齿轮润滑油。

  从故障件拆解情况分析(图7),可以确定驱动桥轮边油痕来源于齿轮润滑油泄漏,是半轴油封密封失效导致的。由于轴承座与桥壳端面法兰之间密封涂有平面密封胶且密封面之间没有润滑油泄漏痕迹,可进一步判断润滑油泄漏途径是经过轮边外油封处向驱动桥外部泄漏的。导致油封密封失效的根本原因很多,需要对故障件进一步深入的分析。

  图6轮边结构

  图7故障件拆解

  3根本原因分析

  图8是针对主动齿轮凸缘螺母漏油问题设计的密封检测装置,根据主动齿轮相关尺寸,加工1件带进气孔的实心轴,替代主动齿轮与故障件外轴承、凸缘法兰及凸缘螺母组成密封装置,在实心轴上接好进气管,对密封装置通气,将密封装置放置水中(图9),观察密封1、密封面2及螺纹连接位置处气泡情况。试验证明密封平面1、密封平面2及螺纹连接位置均有气泡,说明主动齿轮凸缘螺母漏油位置密封不严密,其中密封面1是产生漏油的根本原因。

  图8密封检测装置

  针对驱动桥半轴油封漏油问题,且以左边漏油多进行了分析及研究。驱动桥所使用的半轴油封是国内某公司生产的油封,油封厂家设计人员多次到现场查看,进行分析均没有取得效果,后来我们从密封结构、半轴加工、及油封装配等方面进行分析并通过台架及整车验证,找到了根本原因。

  图9密封面冒气泡

  3.1半轴油封轴颈处划伤

  半轴是与油封唇口直接配合的运动件,其与油封唇口配合的轴颈表面质量直接影响到密封性能。故障件半轴与油封配合轴颈有划痕(见图10),用手触摸明显有割手的触感,图11、图12是故障件油封唇口状态,唇口沿直径方向不同位置处出现划伤及凹坑。为证明半轴轴颈上的划痕与油封唇口破损之间的关系,第一步用合格的油封只更换了故障件油封,结果整车只跑了2300公里再次出现漏油,油封唇口直径方向出现不同程度的损伤。重复更换油封,结果同样如此;第二步用金相砂纸处理半轴轴颈上的划痕,再更换合格的油封,这台车后续试验没有再出现漏油,半轴轴颈划伤是导致本次漏油的直接原因。

  图10半轴轴颈划痕

  图11油封唇口划伤

  图12油封唇口有凹坑

  3.2半轴轴颈表面微螺旋槽

  本文中驱动桥设计左、右轮边结构是一样的,为什么会出现左边失效的案例比较多?图13是汽车油封密封原理结构图,在密封原理中,保证油封唇口与半轴滑动接触面上齿轮油的流动是从大气侧流向油侧,是密封的基本要求之一。图14是半轴轴颈表面微螺旋槽检测图,用一根棉纱线吊5g左右的砝码放在半轴轴颈上,设备带动半轴按整车前进方向旋转,棉线沿半轴中心线朝轮边方向移动,试验说明半轴回转过程中螺旋槽会使齿轮油从油侧流向大气侧,此现象是左边漏油案例多的重要原因。

  图13汽车油封密封原理结构图

  图14半轴轴颈表面微螺旋槽检测

  4解决措施

  4.1优化凸缘螺母设计及螺纹涂密封胶

  图8密封检测装置中密封面1位置在整车实际使用过程中有相对滑动,随着车辆使用年限越久,容易出现不同程度的磨损,在此位置做改进难以起到良好的密封效果。

  本文中凸缘螺母漏油失效案例是通过优化凸缘螺母设计及在螺纹部位涂密封胶达到改善目的,图15是优化后的凸缘螺母,在凸缘螺母平面位置硫化丁晴橡胶,对凸缘螺母与法兰之间的接触平面起到很好的密封效果。

  图15凸缘螺母平面带硫化橡胶

  4.2优化轮边结构

  从生产现场调查,半轴制造过程、转运、轮边装配等过程均可能出现轴颈划伤,其中80%以上出现在轮边装配工位,从图6轮边结构图可知,轴承、ABS齿圈及卡簧与半轴之间的装配过程中都会经过半轴油封轴颈位置,轴承、ABS齿圈及卡簧内径与油封轴颈直径尺寸相差较小,极容易划伤油封轴颈,工艺上想了多种措施对油封轴颈进行保护,效果均不理想,问题仍反复出现。图16是优化后的轮边结构,油封改为与齿圈衬套配合。与原结构相比,弱化了轮边装配的影响,新结构只要管控好衬套质量,相对半轴来说,齿圈衬套的质量管控难度较低。

  图16优化后的轮边结构

  4.3优化半轴制造加工

  半轴生产厂家用2台磨床对半轴轴颈进行磨削,一台是老式的磨床,砂轮颗粒度80,另一台数控机床,砂轮颗粒度60。现场抽检两台磨床生产的半轴轴颈粗糙度都满足要求,对不同磨床加工的半轴各抽取10根进行是否有螺纹线检测,结果发现老式磨床生产的半轴都残存螺纹线。通过现场分析及工艺调试,发现砂轮颗粒度是关键影响因子,临时将数控机床用的砂轮改制用到老式磨床上,半轴轴颈螺纹线检测验收满足要求。优化措施对轮边结构进行了变更,因此对半轴制造加工的优化方案应用到齿圈衬套上。

  4.4油封带双向回流线

  优化油封设计,增加双向回流线(图17),提升油封的泵吸能力和抗异物、抗划伤能力,提高油封的耐久性。

  图17油封增加回流线

  5总结

  (1)凸缘螺母漏油属于平面和螺纹密封泄漏,平面位置硫化橡胶及螺纹部位涂密封胶都是工程领域中常解决此类泄漏常用的措施。

  (2)无论是机加工、成品转运及装配过程,高精度的半轴均有被磕碰划伤风险。一旦半轴油封轴颈被损坏后,油封与半轴油封轴颈无法封油。因此在密封结构设计过程中,要尽可能降低泄漏风险。

  (3)本案例油封轴颈表面微螺旋作用方向使齿轮油从油侧流向大气侧,与油封密封原理相违背,会加大泄漏风险。

  (4)带双向回流线油封,是利用流体动力学原理,在油封空气侧锥表面设置具有回流效应的沟槽或者凸起等回流线形式。回流线结构起着类似螺旋泵的作用,将油封唇口已泄漏到空气侧的齿轮油“泵回”油侧,试验证明其产生的回油率远高于普通油封。

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