机油滤清器端面密封低温漏油的研究

刘红玉

摘要：本文主要针对在冬季“高寒地区”冷启动过程中出现机油滤清器端面密封漏油的问题，从漏油的机理，模拟低温冷启动故障再现、原因分析并改进、改进后再进行试验。即从法兰盘结构、拧紧力矩、胶圈的性能要求、低温试验方法等方面进行研究，并固化，供类似产品借鉴。

关键词：低温冷启动、TR10、压缩率

一、前言

某旋装滤机油滤清器安装在某主机1.5T发动机上，在冬季“高寒地区”出现因低温冷启动过程中出现在基座和端面处发生漏油现象，车辆正常运转后，漏油现象消失。

二、产品现状

2021年冬季在“高寒地区”连续出现20例发动机机油滤清器漏油现象。出现的均为东北地区，故障发生时当地气温-28℃～-40℃。故障里程：66～1290km，均为首保车辆。

机油滤清器工作原理：机油正常工作时如黑色箭头油路，机油从法兰盘进油孔进入，经滤层过滤后从法兰盘出油孔出油。在滤层上下游压力差大于旁通阀开启压力时，直接进入旁通阀不经过滤层，进入下游，防止下游发生干磨。

三、低温冷启动漏油的机理分析

冷启动机油流向及胶圈泄漏机理分析：机油泵将机油输送到滤清机油口处，在冷启动过程中瞬间输入高压力P（该P值高于滤清器设计输入值）。

高压力P需要完全经过滤层，超过限定值时，打开旁通阀进行泄油，在泄油过程中，法兰盘在油压P的作用下（基座、接头、法兰固定），滤清器壳体、滤芯部分发生轴向位移，导致封圈处密封圈压缩量变小，抗压能力降低引起瞬间泄漏。当系统压力变小正常稳定后，该处的密封圈能够承受正常工作压力，压缩量恢复正常不再泄漏。密封圈在环境温度很低的时候存在低温脆性，温度越低弹性越差，对密封面的面压越小，越不利于密封。当热车后，发动机机油温度升高，滤清器密封圈因环境温度升高恢复弹性，对密封面的面压恢复到正常水平，密封性能恢复，就不再渗油了。通常滤清器低温渗漏情况在-35℃以下时比较常见，这是由于滤清器密封圈选用的橡胶材料耐低温性能不是太好导致的。

四、故障再现

4.1常温脉冲及静压试验

按照正常图纸要求的气密检测和静压检测产品，在不同气压下进行测试，是否存在泄漏现象，是否满足图纸要求，其中气密性检测在6BAR气压下，保养3min；静压试验在20BAR压力下， 保压3min，经测试产品的结构及密封性满足要求。

4.2按照国标ISO4548-5试验方法进行冷启动模拟试验

  根据JB/T5088.1-2018的试验标准（为了加严试验条件我们选择重型B类），ISO4548-5试验方法进行，现将产品注入5W-30的机油并将产品和油箱放入-40℃/45℃，调整电机转速2800转，点动进行30S启动电机，30S关闭电机，进行5个循坏，查看密封圈是否有泄漏。

试验结果：机油滤清器端面与基座结合面无泄漏现象。

原因分析：在启动机油泵的同时，一次点动，温度就会上升，机油粘度下降，胶圈发生回弹，未发生泄漏，连续五次之后，系统压力也会降低，油不会从机油滤清器端面处漏出。

4.3采用低温静压观察产品是否泄漏

将产品用25N.m的力矩拧紧，放入不同温度的低温箱内，充满机油冷冻8H，，在10bar的油压下，观测产品是否泄漏。

试验结果：产品在-40℃时，无泄漏，在温度为-45℃时，发生泄漏。是由于机油5W-30在-30—40℃时，机油呈粘稠状，会导致产品内部压力瞬间变大，导致泄漏。

五、泄漏的原因

     端面密封材料基本性能包括三部分，一是密封圈的力学性能，即压缩回弹力，二是胶圈的压缩量，即受力矩和摩擦力的影响，使胶圈与基座表面形成压紧密封。三是胶圈的密封性能，即对胶圈随温度的变化对压紧力的影响。满足上述三种条件，保证滤清器的端面密封。

5.1拧紧力矩的要求

    压紧密封是靠旋转力矩来对胶圈进行压缩，从而产生压缩力。拧紧力矩越大，端面对胶圈的压缩力越大，胶圈的压缩量越大，越不容易泄漏，压缩量=B-C。行业上推荐胶圈的压缩量在15%-30%，只要满足此压缩量，就不会产生泄露。同时拧紧力矩又会受粗糙度的影响，粗糙度越大，拧紧力矩越大。反之，胶圈的粗糙度越小，拧紧力矩越小。所以胶圈的压缩量的大小同时受力矩和表面粗糙度的影响。粗糙度可以通过涂油，来降低其粗糙度。

    选取图纸规定初始拧紧力矩，通过涂油和不涂油的方式，验证胶圈的压缩量大小是否满足要求。安装力矩要求25±2N·m。

试验数据分析如下：

5.1.1机滤装配前需涂油，涂油量多、少对机滤密封圈压缩率有影响

不涂油情况下验证，力矩21N.m时，机滤旋转角度/压缩率为240°/14%，不符合设计要求（角度270°～360°（3/4圈～1圈），压缩率15%～35%）；

5.1.2安装力矩≥23N·m ，对应密封圈压缩率基本无变化，对应的最小压缩率为18%，旋转角度270°，满足设计要求。

   根据分析结果，产品在25N.m的拧紧力矩下，压缩率满足设计要求。

5.2密封圈的低温性能

密封圈在低环境温度时存在低温脆性，温度越低弹性越差，对密封面的面压越小，越不利于密封。当热车后，发动机机油温度迅速升高，滤清器密封圈因环境温度升高恢复弹性，对密封面的面压恢复到正常水平，密封性能恢复，就不再渗油了。我们需要研究胶圈低温多少度的情况下，是可以满足低温性能要求的。

选取现有使用的丁晴橡胶，分别在环境温度为-30℃、-35℃、-40℃、-45℃，拧紧力矩为25N.m静压试验条件为冷冻8h，在在15bar的压力下，保压3min。观测产品是否满足低温静压要求。

分析结论：此密封圈在低于-35℃是不能满足低温性能的，市场上可能会产生泄漏。

低温环境是考验橡胶制品的一项重要的因素。在低温环境下，由于橡胶的玻璃化转变和结晶，会使橡胶在低温环境中失去原有特征，导致硬度增加、应力松弛、弹性消失等，从而降低其工作能力。尤其是在航空液压、燃油和润滑油密封系统中，必须采用具备优良弹性的橡胶，特别是要求低温下密封。一般来说，橡胶在低温下的密封性能依赖它的低温回弹性及变形性质。

目前公司针对胶圈的低温性能，只有设计输入-40℃，低温脆性的要求，对于胶圈的回缩无要求。

六、分析改进

 由于产品工作环境处于-40℃～120℃，因此密封圈要求能够在-40℃正常工作，所以选择材料应选用密封圈的材料也在此环境下，密封圈仍有一定的回弹力。因此不能仅局限于密封圈的低温脆性，同时应该满足TR低温回缩的要求。聚合物玻璃态与高弹态之间的转变称为玻璃化转变，其对应的转变温度为玻璃化转变温度（Tg），橡胶材料的冲击吸收功随温度降低而减小，当试验温度低于韧脆临界转变温度时，冲击吸收功明显下降，橡胶材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性，对应的温度为该橡胶材料的脆性温度。按照GB/T7758《硫化橡胶低温性能的测定温度回缩法（TR试验）》，在室温下将硫化胶拉伸至规定长度，迅速冷冻，使硫化胶失去弹性，然后以均匀的速率升高温度，使其弹性恢复，10%回缩率对应的温度称为TR10。

脆性温度和TR10都可以表征橡胶材料的低温性能。Tg和TR10侧重的是橡胶材料在低温下的弹性。对于密封气体、油脂、液体油等的橡胶制品，Tg和TR10可以作为评价其产品质量的指标。汽车刹车胶管、输水胶管、输油胶管、真空胶管等在实际使用过程中会受到不同方向的力的作用，如果密封圈低温性能差，密封圈在低温下受力后会发生断裂，造成产品失效，脆性温度可以用来表征这类产品用材料的低温性能。用温度回缩试验（TR回弹），可以得到TR10，快速评价橡胶在低温下密封性能、粘弹和结晶特性。

为保证密封圈能够在-40℃保证密封性，需要橡胶材料在-40℃满足TR10的要求，检测实测结果，及低温实验结果如下：

材料状态	TR10技术要求	检测结果温度	TR10判定结果	-40℃低温静压
改进前	≤-40℃	-31.8℃	不合格	泄漏
材料1	≤-40℃	-37.9℃	不合格	合格
材料2	≤-40℃	-45.3℃	合格	合格
材料3	≤-40℃	-48.2℃	合格	合格
材料4	≤-40℃	-47.5	合格	合格

试验结论：从上述试验可以看出，改进前的材料在TR10试验和低温经验都无法满足要求，改进后的材料1TR10试验不合格，但低温静压试验合格，材料2、材料3、材料4均满足要求，结合材料成本考虑，最终选择材料4。

七、结束语

     机油滤清器及冷却器的矩形密封尺寸基本标准化，因此对于密封件，重点关注材质的性能及其使用环境。通常滤清器上使用的密封圈材质是丁晴橡胶，目前有些主机厂因车型出口需要，要求温度范围在-40-135C，以我公司丁晴橡胶为例，温度达到-40℃～135℃基本没有问题。所以丁晴橡胶完全可以满足滤清器上使用要求。但是由于滤清器的工作介质通常为汽油或者柴油，它们对材料的腐蚀性要求高于其他矿物质油，尤其是在高温下会使材料在吸收介质而产生膨胀的同时，又会使材料产生分解，从而引起材料失效。另外，在选择丁晴橡胶材时，对材料低温性能的要求，往往被人们忽视。事实上，滤清器密封件的低温性能也是一个关键指标，若密封圈低温性能不合格，在冬季低温情况下，密封圈开始变硬，弹性恢复能力降低或失去，就会导致密封面结合处泄露，尤其是在车辆启动时，由于发动机的振动，泄露情况尤为明显。

因此，避免密封圈导致泄露的有效措施是了解产品的使用环境，选择恰当的材料，以及加强生产过程中的控制，同时增加低温TR10低温要求。

参考文献

[1] JB/T5088.1.  内燃机 旋装式机油滤清器 第1部分 技术条件

[2] GB/T8243.5. 内燃机全流式机油滤清器试验方法 第5部分 冷起动模拟和液压脉冲耐久试验

[3]李国建. 内燃机滤清器 [M].内燃机编委会，2004.9.

[4]秦大同.机械设计手册[M].北京：化工工业出版社，2011.1.

[5]王恭亭.设计基础标准手册[M].上海：上海柴油机厂，1992.

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