根据市场反馈的发动机湿式油底壳漏机油现象，有针对性的对油底壳作了进一步的分析，经分析总结出，主要有油底壳安装面渗油和放油螺塞处漏油两类漏机油的失效模式，运用可靠性基本理论分析得到的改善措施，有效地避免了油底壳的渗油、漏油问题，从根源上杜绝了市场上油底壳漏油现象，从而提高了发动机的整机质量。
发动机湿式油底壳的漏油分析
黄财明1，王涛1，李伟飞1，卢振东1，王瑞平12

 
1引言
油底壳主要是收集和存储由发动机各摩擦表面流回的润滑油，同时也具备封闭曲轴箱、防止杂质进入曲轴箱内部、沉淀润滑油杂质、散去部分热量及防止润滑油氧化等功能。作为发动机润滑系统的一部分，根据其润滑方式的不同，可以将油底壳分为湿式油底壳和干式油底壳。湿式油底壳大多运用在普通民用汽车上，润滑方式有飞溅润滑和压力飞溅复合式润滑两种形式。其处于曲轴箱下半部利用机油泵吸取和曲轴扫起机油对发动机各摩擦表面进行润滑。而干式油底壳多为经常激烈驾驶的车型（特别是赛车和跑车）所使用。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http://www.ems86.com总第543期2014年第11期-----转载须注名来源因飞溅润滑的离心作用导致机油供给困难造成润滑不足的情况而制约着车辆性能，故干式油底壳只采用压力润滑，而机油泵尺寸和动力需求也相对较大且需另外设置储油罐。本课题主要针对普通民用汽车的湿式油底壳进行相关研究，对湿式油底壳在市场上出现漏机油现象的主要失效模式作进一步的调研。
2现状
随着汽车工业的发展，人们对汽车产品的要求也随之提高，汽车制造业的理念也在不断发生变化，但是细节一直是主导消费者对汽车产品的认识，大众的DSG事件并不能改变消费者整体对大众品牌的认可，可是奔驰的毒阻尼片便使得很多消费者对这个豪华品牌失去了信心。油底壳是汽车产品的一部分，其机油一般渗漏不会造成突发性的安全事故，但如果渗漏时间较长会造成润滑油油位过低而导致发动机磨损加剧，甚至可能有拉缸或轴瓦抱死等重大故障。为防止油底壳漏油的细节问题而影响整个汽车的品质，汽车制造商在开发阶段都加强了产品可靠性设计、稳定性试验及生产全过程的质量控制，依靠技术进步、管理的创新和标准完善来提高油底壳的质量。虽然通过模拟分析与大量实验研究的基础上作了改进[1] [2]，但油底壳还是有出现漏机油的现象。随着汽车逐步进入每家每户，汽车质量肯定是重中之重，所以彻底解决湿式油底壳渗漏问题刻不容缓。
3湿式油底壳的设计
湿式油底壳设计时主要考虑以下几点：
（1） 功能：储存润滑油，保证发动机的正常润滑；
（2） 尺寸：即发动机在整车上的有限空间，安装油底壳后不能与排气管、底盘、传动轴等汽车其它零部件产生干涉；
（3） 质量：不允许有任何的漏油、渗油现象出现；
（4） 强度：在降低整车重量的前提下，尽量减少整车振动所引起的噪声辐射；
（5） 成本：以最简单的方式，制造出满足发动机使用功能的油底壳，同时兼并批量生产的效率特性。
4湿式油底壳的制造
湿式油底壳的制造70%以上都是采用板材进行冲压而成型，只有少数油底壳运用铸铝件。众所周知冲压件是通过冲床（压力机）和模具对板材和型材施加外力，使之产生塑性变形或分离的成形加工方法，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）。冲压可加工出轮廓尺寸大、空间形状复杂、质量轻、形状和尺寸精度高的零件，可实现其它方法难于制造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件（以提高其刚性），且重复精度高、规格一致。一般经冲压成型的零件不再需要切削加工就能满足零件的使用功能，而且具有材料消耗少、生产效率高、劳动条件好、生产成本低等特点，普通小零件每分钟可生产数百件，易于实现机械化和自动化，但冲模制造复杂，通常采用复合模，尤其是多工位的级进模，故大多用于大批量生产之中[3]。但即使延伸率再好的材料，还是会有应力变形和回弹的存在。材料发生塑性变形后，其应力应变关系不是唯一的，而与加载路径和加载历史有关[4]。所以经冲压后的应力应变直接影响到油底壳安装面的平面度，一般都有0.1～0.3的偏差，所以发动机在安装油底壳的同时，都要通过打密封胶来避免此间隙所造成的渗油现象[5]。
5湿式油底壳的渗油、漏油分析
通过市场的反馈与调查，优化之前的油底壳通常有安装面渗油与放油螺塞处漏油两种现象。
5．1安装面渗油
因为油底壳安装采用螺栓紧固的方式，故油底壳螺栓安装孔处已经百分之百与发动机曲轴箱结合面被压紧，但螺栓安装孔与孔之间的位置，就不一定能实现百分之百的压紧，油底壳安装面与发动机曲轴箱结合面还存在着一定的间隙，所以只有通过打密封胶来提高油底壳的气密性及降低机油的渗透性。在装配时油底壳安装表面与曲轴箱安装表面被螺栓压紧后，多余的密封胶就被挤到油底壳的内、外两侧，堆积在油底壳的储胶槽上，并且还会起更进一步的密封效果。但如下图1所示，优化之前的油底壳安装面没有储胶槽的部位，密封胶就脱落下来，油底壳内部的胶则直接掉落在机油里面（正如下图2所示），这不仅降低了油底壳的密封效果，而且掉落下来的密封胶直接影响了机油的清洁度，形成了发动机润滑油道上的赌塞物，从而增加了发动机的故障率。
 
图1  优化之前油底壳安装面的储胶槽没有形成相互连接
 
图2 密封胶被挤开后内外两侧分配不均匀
5．2打密封胶工艺路线的误区
如下图3所示，根据常理推断，为了防止机油从油底壳里面往外漏，故密封胶则重点打在油底壳螺栓安装孔的内侧，以确保打胶的有效性。适得其反，正因为密封胶打在油底壳安装面的内侧，油底壳一经螺栓压紧后，绝大部分的密封胶都被挤到了油底壳安装面的内侧（如上图2所示），直接就造成了密封胶在油底壳安装面上布置不均匀的现象出现，这就是密封胶会掉入机油里的主要原因。而且还会产生密封胶有较大沟槽的存在（如下图4所示），直接为油底壳安装面渗油创造了有利条件。
 
图3 优化前的打胶工艺路线都是绕着螺栓安装孔的内侧进行
同时油底壳过于光滑的安装面也可能会产生安装面滑胶而造成胶接合不均匀，导致胶体冷却不一致使两安装面出现一定的间隙。当发动机伴随着整车在路面上颠簸形成了相应的强迫振动或密封胶老化以及热胀冷缩等应力变形状况出现时，不均匀的胶接合会使安装面的间隙不断增大，机油就会从两安装配合面与有密封胶沟槽的间隙处慢慢地渗漏出来。如下图4 所示：
 
图4  积聚在密封胶沟槽上的机油开始渗漏
而这些因素都是油底壳安装面渗油的主要原因。
5．3放油螺塞处漏油
 
图5  优化之前焊接螺母（三点焊接）结构
如上图5所示，优化之前焊接螺母的焊接方法则采用三个焊接点接触的焊接方式，经通过电流后形成点焊。一旦三个焊接点瞬间融化的时间不一致时，三个焊接点的焊接高度将不一致，直接影响放油螺塞的安装垂直度，导致放油螺塞的压紧面不能有效的与油底壳放油口保持平行配合，（因放油螺塞与焊接螺母的配合是螺纹配合，所以只要放油螺塞拧紧后，只跟焊接螺母保持垂直。）造成放油螺塞拧紧后与焊接螺母呈现密封假象，机油就会从三个焊接点的空隙处流向油底壳的放油口。同时，在高温条件下，紧固件的蠕变、油底壳结构产生热应力和热变形，也会使空隙增大而产生漏机油现象。同时紫铜垫片内径过小而且内孔没有倒角，与放油螺塞法兰面配合时，容易形成干涉，放油螺塞拧紧后不能与紫铜垫片形成平行面的有效压紧，故而又降低了放油螺塞的密封性。正如下图6 所示：
 
图6  优化之前放油螺塞与焊接螺母的配合状态
通过分析总结，优化之前的设计与装配有以下几点盲区：
（1） 油底壳的储胶槽没有形成有效的连接，在没有储胶槽的螺栓安装处，就很容易使密封胶掉入机油里；
（2） 油底壳打胶工艺路线不合理，直接造成大部分密封胶被挤压到油底壳的内侧；如下图7 所示：
  
图7  优化之前油底壳的打胶效果
（3） 油底壳光滑安装表面与曲轴箱光滑安装表面的结构所配合后的密封效果，使得密封胶接合不均匀；如下图8 所示：
  
图8  密封胶固化后的状态
（4） 放油螺塞配合的焊接螺母，设计结构不合理，容易产生放油螺塞拧紧时，不与油底壳放油口焊接面垂直，使得放油螺塞压紧面不能有效的进行密封；
（5） 打胶过多，形成浪费，直接增加发动机的制造成本。
6  改进措施
（1） 从新对油底壳储胶槽进行优化，将油底壳内部的储胶槽相互连接起来，形成具有圈形结构的储胶槽台阶，提高机油使用的安全性；如下图9、10所示：
 
图9  优化后的油底壳储胶槽
 
图10  优化后储胶槽的作用效果
（2） 减少打胶量（与优化前相比减半），克制密封胶产生有较大沟槽的几率，尽量避免机油摇晃、飞溅后积聚在固化后的密封胶沟槽内，降低渗油的概率；
（3） 对装配过程的保障性打胶工艺路线进行优化，将密封胶打在油底壳安装面的中心部位。不但能使多余密封胶均匀布置在油底壳安装面的两侧，而且还能在安装螺栓孔处形成密封圈结构的固化胶带，甚至还能防止安装螺栓的松动；如下图11、12所示：
 
图11  优化之后的打胶工艺路线
 
图12  密封胶固化在安装螺栓上
（4） 放宽曲轴箱安装表面与油底壳安装表面的粗糙度，并形成具有一定规律性的纹理（刀纹）。通过两者装配后，被挤压的密封胶就能形成如下强大的交叉型网纹密封带，存在于两配合安装面之间，而且布置均匀，最终实现最佳的密封效果。如下图13所示：
 
图13  优化之后具有网纹型的密封胶带
（5） 通过改善油底壳焊接螺母法兰面的焊接结构，来提高密封的保障性，将三点焊接结构改善为整圈型的焊接结构，确保焊接螺母平行接触及焊接，实现焊接螺母法兰面密封焊接的方法。如下图14所示：
 
图14  优化后的焊接螺母结构
（6）优化紫铜垫片结构，如下图15所示，将紫铜垫片外径改小的同时增大安装孔内径，以降低放油螺塞法兰面压紧紫铜垫片时的垫片强度，使得紫铜垫片能更好的面与面以及放油螺塞和油底壳之间的压紧配合，并且增加紫铜垫片安装孔内径的倒角，来避免放油螺塞拧紧后的干涉问题。
 
图15  优化前与优化后的紫铜垫片对比

7  效果验证
通过软件模拟和实际装配后油底壳进行的效果验证，其验证结果：
（1）如下图16所示，优化后密封胶挤压均匀，储胶槽相互连接，保证胶体密封效果良好和防止胶体脱落至油底壳内而掉入到机油里；
 
图16  优化后密封胶被挤压的效果
（2）如下图17所示，优化之前的密封胶与优化之后的密封胶被挤压的状态对比，油底壳安装面以及内外两侧都布置均匀，且大大减少了机油积聚在密封胶沟槽内的机油量，直观地说明了密封性的提高；
 
图17  优化前与优化后的密封胶对比
（3）如下图18所示，经两配合面装配后所形成的网纹型胶带密封区域，极大地增加了胶体的防渗性能，保证了油底壳的密封效果；
 
图18 优化后两配合面所形成的网纹型密封胶体
（4）如下图19所示，优化后的焊接螺母与放油螺塞形成了良好的拧紧（平行）配合效果，有效地避免了油底壳放油口漏油风险。
 
图19  优化后放油螺塞与焊接螺母的配合效果
（5）同上图19所示，经过紫铜垫片的结构改善，不但减少了压紧接触的面积，而且还提高了垫片的柔韧性，直接克服了放油螺塞拧紧后各个装配面之间所存在的配合间隙。
（6）通过减少打胶量，可将原来一台发动机的打胶量，供给现在两台发动机的密封使用，直接降低了发动机的制造成本。
8总结
在机械制造的过程当中，不是精度越高就意味着这个零件就越好，不是选用最好的材料就能制造出最优质的产品。作为生产制造部门而言，必须要根据这个产品的用途、功能以及使用环境等因素进行评判，而且需要结合现有的制造工艺、设备、材料、人员以及产品的使用量，综合来制定本产品的制造方案。作为机械工程师而言，也是必须具备的专业技术素养。在技术成熟的今天，发动机漏油、渗油的现象，虽然引发的故障体现不是那么的及时，但对发动机的使用寿命、整车的安全驾驶性能，都有着非常大的危害，对于我们汽车制造方，更是坚决不容忽视的，只要用心去研究，就没有解决不了的问题。因此本课题是通过对市场漏油的深入调查，以及对各种漏油、渗油的诊断分析和实际装配验证，来优化油底壳安装面与放油螺塞的结构，以提升油底壳的防漏、防渗性能为目的，最终实现了从根源上解决发动机的漏机油问题，为发动机润滑提供了最有效的保障[6]。
(作者单位：1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司)