悬挂油封座圈热装于平衡轴的最合理加热温度实验研究

悬挂油封座圈热装于平衡轴的最合理加热温度实验研究

余锐军，时少鹏，李丽丽，周洪凤，王坤

山东蓬翔汽车有限公司 山东省烟台市 265600

摘要:汽车悬挂油封座圈与悬挂平衡轴配合方式为过盈配合，常规采用对油封座圈加热，使其内径尺寸增大相应需求量，然后套装于平衡轴，针对悬挂油封座圈加热装配于平衡轴时，由于油封座圈加热温度太低导致无法顺利装配或者加热温度太高而导致烧坏油封唇口、产生较大轴间间隙等问题，通过对油封座圈加热后内径尺寸变化量和油封极限耐热温度的实验研究，本文揭示了重卡悬挂油封座圈热装于平衡轴的最合理加热温度，既能顺利将油封座圈装于平衡轴，又能避免烧坏油封唇口和装配后由于热胀冷缩原理产生的轴向间隙，进而避免后期车辆运行过程中轴承游隙放大且降低其使用寿命。

关键词：合理温度；装配；烧坏；使用寿命

中图分类号： 文献标志码：

0 前言

在汽车制造行业中，通常依靠轴与孔的过盈值，装配后使零件表面间产生弹性压力，从而获得紧固的联接。零部件通过此联接是一种常见的结构——过盈配合，例如轴承、衬套、油封、油封座圈等高速旋转件或者与高速旋转件相关的零部件均采用过盈配合的连接方式，该结构简单，能承受较大的轴向力、扭矩及动载荷，装配后此配合的同轴度高、连接可靠性以及制造成本较低。然而，对于过盈量小的静配合在常温下压装配合，它的操作方便简单，动作迅速，是最常用的一种方法。但是对于过盈量较大的配合零部件在装配过程中，一般采用冷装、热装和机械压装的方式进行装配。悬挂作为整车上连接车架与车桥的重要载体，油封座圈装配精度的高低直接影响到油封及轴承寿命，且关系到整个悬挂系统的密封性，油封座圈若装配不到位，则油封可能无法与油封座圈正确着位，导致密封失效，且整车运行过程中会导致轴承游隙放大，降低轴承寿命。本文主要对过盈配合结构中的热装工艺装配方法进行分析研究，找到悬挂油封座圈与平衡轴热装工艺装配方法中最为合理的加热温度，确保在该温度范围内油封座圈无过热引起的实效变形和保证油封座圈的装配精度达到理论设计要求。

众所周知，油封是用来封油的机械元件，它将传动部件中需要润滑的部件与出力部件隔离，不至于让润滑油渗漏。凡是运转体箱内有液体润滑油而又与外部相连接的部位都需要油封。

骨架油封是油封的典型代表，一般说的油封即指的是骨架油封，广泛应用于航空、汽车、船舶、家电、工程机械等行业。油封的作用一般就是将传动部件中需要润滑的部件与转动部件隔离，不至于让润滑油渗漏。骨架就如同混凝土构件里面的钢筋，起到加强的作用，并使油封能保持形状及张力。

骨架油封主要由油封体、加强骨架和自紧螺旋弹簧等组成。通常，在自由状态下的骨架油封，其内径比轴径小，即具有一定的“过盈量”。因此，当油封装入油封座和轴上之后，油封刃口的压力和自紧螺旋弹簧的收缩力对轴产生一定的径向紧力，经过一段时间运行后，该压力会迅速减小乃至消失，因而，加上弹簧可以随时补偿油封自紧力。

油封的常用材料有：丁腈橡胶，氟橡胶，硅橡胶，丙烯酸酯橡胶，聚氨酯，聚四氟乙烯等。本次研究主要研究氟橡胶材料骨架油封。

1. 理论计算

国内常规重卡悬挂油封座圈与平衡轴配合公差：

表1 常见轴径及过盈量

根据表1配合公差计算油封座圈理论加热温度

理论计算公式： ，式中：

—— 加热温度，单位℃ ；

—— 过盈量，单位为mm，计算取0.08；

—— 热装配间隙，单位mm，轴径为120时，选取0.1；

—— 线膨胀系数，单位为 / ℃，选取11；

—— 结合直径，单位mm，选取120；

t —— 环境温度，单位为℃ ，选取20；

即： =（0.08mm+0.1mm）÷（11×10^-6×120mm）+20℃

≈156℃

根据以上理论计算公式计算结果约为156℃。

油封材料分析：

1. 油封为氟橡胶材料，其最大耐热温度为180℃；

2. 油封骨架的材料为碳钢，其回火温度为400℃；

综上所述，如果将油封座圈加热至156℃左右，既不会将油封烫伤，也不至于导致油封座圈金属金相组织发生变化而使其性能改变，可以根据此理论计算结果进行下一步实验。

二、实验设计

机械行业内过盈配合装配方法的热装工艺可采用的加热方法有电阻、辐射、电磁感应、油介质加热等方法。根据油封座圈的形状及现场装配条件，我们选取电磁感应加热的方式进行加热，设备功率设定为10KW。由于加热设备的功率在本实验中也是至关重要的，并不是说功率越大、加热效率越高就越好，由于热量传导和热变形是需要一定的时间，我们应当在满足生产节拍的情况下尽量选择小功率的加热设备对工件进行加热，这样更加有利于工件均匀热变形，不至于让油封座圈受热不均匀而变成椭圆形。再者，加热设备功率太大，会导致局部温度太高，使油封座圈退火，由于导热需要时间，若局部温度过高时其他部位温度还没传递到，这是坚决不允许的。从成本角度考虑，用最小的能源投入获取所需要的变形量，而且，在装配后冷却的过程中也具有较大意义。

本次实验选取内径为φ120mm的油封座圈，2个为一组，放在电磁感应加热器进行加热，加热器采用温控模式，定值加热到160℃，测量加热后的内径变化量，并记录加热完成后每间隔5s的温度变化。

如图1，以平衡轴轴径为φ120为例，其过盈量为-0.081~-0.019，采用电磁感应加热器对座圈内孔进行加热，加热后的内径变化量及冷却后温度随时间的变化见表2。

图1 电磁感应器加热

表2油封座圈加热后的内径变化量及冷却后的温度变化

三 装配工艺设计

1. 吊装大支架，将大支架平稳的套装于平衡轴，大支架套装到平衡轴连接位置，不允许有间隙。

2. 取O型圈，将O型圈套装于平衡轴且紧靠大支架，位置如图2所示。

3. 将油封座圈加热至160℃后，由于热胀的缘故，油封座圈内孔胀大，可以轻松的套装于平衡轴，油封座圈与大支架接触面无间隙。（油封座加热到设定温度后要尽快套装于大支架，以免由于操作场地温度原因温度降低，影响装配性能。）

4. 用0.02-1mm塞尺测量油封座圈与大支架平面之间的间隙，若测量间隙小于0.03mm，则继续装配轴承内圈。

5. 取轴承内圈，将内圈的大端面朝向大支架方向，将轴承内圈套装于平衡轴，保证装配到位，装配位置、轴承安装方向如图2。

6. 吊取平衡轴壳及油封合件，将平衡轴壳及油封合件平稳的套装于平衡轴，如图2。

图2 装配图

4实验结果分析

1. 将油封座圈加热至160℃后，进行内径尺寸的测量，发现内径尺寸变化量基本稳定在+0.19-0.21mm之间，与理论计算值相符；

2. 油封座圈加热至160℃后，然后进行冷却20s，测温，温度变化＜3℃，进行内径尺寸的测量，油封座圈内径变化微小。由此可判断冷却20s后油封座圈内径变化微小，不影响装配；

3. 根据现场装配流水线观察计时，操作者每次装配加热后的油封座圈需要时间大约10s左右，在10s内，油封座圈内径尺寸变化微小，油封座温度变化微小。因此从温度、油封座内径尺寸变化量等角度考虑，油封座圈加热至160℃可满足装配需求。

4. 加热后的油封座圈装配及冷却后分别用塞尺测量油封座圈与平衡轴台阶面之间的间隙，其间隙均小于0.02mm，行业内普遍认可间隙值小于0.03mm为装配到位，所以实验中的加热温度合理可靠。

5. 经过大批量的装配试验，在实际的生产中，没有必要将加热温度精准控制在160℃，可设定在155-170℃之间，既能满足装配需求，又不会损坏油封。

6. 讲过充足的理论设计及现场应用选择，选用10KW的电磁感应加热器对油封座圈加热，有利于油封座圈热变形，是合理的。

5 结论

1. 采用热装工艺方式，将原来的过盈配合通过加热产生零部件膨胀，从而轻松装配的方式来装配悬挂油封座圈，省时省力，操作方便，装配精度高，适合流水线作业。

2. 所选电磁感应加热器的功率应当与油封座圈相匹配，不宜太大或者太小。电磁感应加热器的功率太大容易产生过加热，造成内部油封的变形。若电磁感应加热器的功率太小，会造成加热时间较长，不满足现场的操作节拍，造成时间的浪费。

3. 所研究的悬挂油封座圈热装于平衡轴的最佳加热温度已成功应用于某重卡车桥生产企业，生产过程中效果显著，质量一致性良好，具有非常好的行业推广前景。

4. 该实验研究方法可应用于同类型的孔轴配合装配提供了可行的研究方法。

参考文献：

1. 王慧，王芳，徐志鑫，普加绍。金属轴单端受热膨胀变形与温度关系的初探。大学物理实验[年（卷）期]2012（025）006.

2. 张宽，侯军。轴承热装加热温度分析。机械工程师[年（卷）期]2012（000）010.

3. 徐菁平。热装工艺分析及方法。起重机[年（卷）期]2000（000）001.