新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)高轉(zhuǎn)速油封應(yīng)用現(xiàn)狀
2020-02-28 搞電驅(qū)動系統(tǒng)的工程師可能都碰到過選高速油封這件事兒，大多數(shù)人的想法是選個標(biāo)準(zhǔn)款的油封，或者能夠借用其他電驅(qū)動系統(tǒng)上的成熟應(yīng)用產(chǎn)品。這是很合理的想法，因為油封這種產(chǎn)品在發(fā)動機、變速箱、油泵等系統(tǒng)中用的很多，也很成熟。譬如NOK的TC型標(biāo)準(zhǔn)油封，因為太過經(jīng)典，幾乎已經(jīng)成為油封的代名詞。
（NOK的TC型骨架油封幾乎是油封的代名詞）
在新能源汽車發(fā)展的早期，就有一些車型使用TC型標(biāo)準(zhǔn)油封作為電驅(qū)動輸入軸油封，而隨著應(yīng)用要求的提升，TC型油封幾乎已經(jīng)被其他類型的油封取代。
目前，應(yīng)用于電驅(qū)動高速輸入軸的油封基本可以分為橡膠骨架油封和特氟龍（PTFE）油封兩大類。
1.橡膠骨架油封（有彈簧）
泛使用的仍然是橡膠骨架彈簧油封，橡膠材料通常選用氟橡膠或丙烯酸酯橡膠，因為它們都具有較好的耐熱性和耐油性，非常適合電驅(qū)動系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)的工況。
在這類橡膠油封中，的型式是HTC型。H表示Helix（英文意思是螺旋），HTC的意思就是在TC型油封的基礎(chǔ)上加了螺旋線。
（NOK的HTC型油封應(yīng)用十分廣泛）
螺旋線在油封設(shè)計中又叫回油線，它的出現(xiàn)大概是在20世紀70年代左右。通過在油封密封唇靠近空氣側(cè)添加一定數(shù)量、形狀、角度的細小突筋，它們可以將從密封唇向外泄露的流體通過螺旋泵吸作用返回油側(cè)?；赜途€的出現(xiàn)，使旋轉(zhuǎn)密封的可靠性大大增加，因此在發(fā)動機和變速箱上，HTC型油封得到了廣泛應(yīng)用。
（1972年的美國介紹了回油線設(shè)計，號:3633927）
從傳統(tǒng)的燃油車到新能源電動汽車，發(fā)動機和變速箱的應(yīng)用工況與電機和減速器的應(yīng)用工況有著諸多相似之處，因此HTC型油封理所當(dāng)然地被“借用”到了電驅(qū)動系統(tǒng)中。
考慮到電機高轉(zhuǎn)速帶來的摩擦熱量和減速器的貧油潤滑方式，油封制造商基于降低扭矩和摩擦的目標(biāo)對HTC型油封進行了相應(yīng)的改進設(shè)計，已知的包括：
將密封唇長度變短，使腰厚化，以抑制追隨延遲。同時減小彈簧抱緊力，以減少高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦。
（許多油封制造商都對傳統(tǒng)的唇形進行了改進，來源：科德寶）
通過新橡膠材料（新型氟橡膠、丙烯酸酯橡膠）的開發(fā)或唇口添加特氟龍（PTFE）材料涂層降低扭矩。
（NOK采用新型材料和PTFE涂層降低扭矩，來源：NOK）
這些改進，將HTC型油封的許用圓周速度（線速度）提升到了38m/s左右，突破了TC型標(biāo)準(zhǔn)油封的極限。
（標(biāo)準(zhǔn)油封的許用線速度，來源：NOK）
注：圓周速度，又稱線速度，是指一個點做圓周運動時每秒通過的距離，通常用m/s來表示，是油封應(yīng)用的核心指標(biāo)。計算公式為：
（其中，d是軸的直徑，單位mm，n為轉(zhuǎn)速，單位rpm）
由于電驅(qū)動系統(tǒng)電機峰值轉(zhuǎn)速普遍在10000~16000rpm之間，對應(yīng)線速度一般在18~35m/s，因此HTC型油封已經(jīng)可以滿足主流應(yīng)用。市面上在售的新能源汽車中，80%以上的電驅(qū)動高轉(zhuǎn)速油封用的是HTC型。
然而，電驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用HTC型油封有一個問題：電機和發(fā)動機不同，需要雙向旋轉(zhuǎn)來完成前進和倒退的功能，因此油封必須能夠滿足雙向密封。而HTC型油封盡管可以設(shè)計成雙向回油線型式，回油效果卻會比單向回油線差，雙向回油線HTC型油封許用線速度通常會降至30m/s以下。
（NOK雙向回油線設(shè)計，號USA1）
所以在應(yīng)用HTC型油封時，應(yīng)該視情況選擇單向還是雙向回油線。
線速度超過30m/s，應(yīng)用位置的旋轉(zhuǎn)方向固定，通常采用單向回油線的HTC型油封，因為單向回油線也可以耐受一定速度（10m/s以內(nèi)）的反轉(zhuǎn)。
線速度不超過30m/s，反向轉(zhuǎn)速較高，應(yīng)用位置的旋轉(zhuǎn)方向不固定，通常采用雙向回油線的HTC型油封。
2.橡膠骨架油封（無彈黃）
顯然，HTC型油封是目前電驅(qū)動高轉(zhuǎn)速密封應(yīng)用的主力產(chǎn)品。然而，在更低摩擦、更高追隨、更高線速度的需求下，無彈簧的低摩擦橡膠骨架油封也得到應(yīng)用，材料依然是氟橡膠和丙烯酸酯橡膠為主。
（各種無彈黃低摩擦油封，來源：互聯(lián)網(wǎng)）
這種油封其實早已用在發(fā)動機密封上，因其改善扭矩和減少摩擦的特性，也被引入電驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用。在2019年上海車展上，奧迪展出了eTron的電驅(qū)動系統(tǒng)，讓大眾看到了這種油封的實際應(yīng)用。
（奧迪eTron的電驅(qū)動高速油封，來源：2019上海車展）
這種油封的特點是，低摩擦，單向旋轉(zhuǎn)許用線速度高（Max.45m/s），良好的動態(tài)偏心追隨性，但劣勢是不耐反轉(zhuǎn)，通常只能滿足1500rpm以下3min以內(nèi)的反轉(zhuǎn)需求。
為什么不耐反轉(zhuǎn)？因為它的密封唇不是標(biāo)準(zhǔn)油封的設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)油封的唇形設(shè)計即使沒有回油線也自帶泵吸回油功能，而這種唇形是靠螺旋槽實現(xiàn)泵吸功能。螺旋槽與回油線不一樣，它是單向通道，因此這種類型的油封只能適用于單向高速旋轉(zhuǎn)的工況。
（標(biāo)準(zhǔn)油封的泵吸試驗，來源：NOK）
3.特氟龍（PTFE）油封
PTFE材料具備很多優(yōu)點，包括出色的化學(xué)物質(zhì)兼容性（幾乎和所有油品都兼容），-40~250℃的高低溫范圍，低摩擦系數(shù)，自潤滑能力……從20世紀90年代開始，PTFE油封就已應(yīng)用于發(fā)動機曲軸密封，用以降低扭矩，提高系統(tǒng)效率。
PTFE油封種類很多，應(yīng)用于汽車發(fā)動機上的主要是帶螺旋槽的骨架油封。
PTFE油封的密封機理主要有兩點：
?。?）PTFE材料的記憶效應(yīng)和過盈配合
當(dāng)PTFE唇口與軸過盈配合時，變形的PTFE材料會試圖恢復(fù)其在制造過程中的成型形狀，利用這一特性可以給抱軸的密封唇提供必要的徑向負載，相當(dāng)于橡膠彈簧油封中的彈簧抱緊力。
（2）螺旋槽的泵吸作用
通過螺旋槽的泵吸作用將試圖泄漏出去的流體泵回油側(cè)，這與上文介紹的不帶彈簧的低摩擦橡膠骨架油封一樣，只是密封唇材料換成了PTFE。
帶螺旋槽的PTFE許用線速度可以達到50~60m/s。
然而，在現(xiàn)有的電驅(qū)動系統(tǒng)中很難發(fā)現(xiàn)PTFE油封的身影，這是為什么？發(fā)動機上用的好好的，PTFE材料本身又給力，許用線速度比橡膠骨架油封高了很多，為什么就是沒有實際應(yīng)用？
問題還是在耐反轉(zhuǎn)能力：因為螺旋槽的單向泵吸特性，它不耐反轉(zhuǎn)！而國內(nèi)《QC/T1022-2015純電動乘用車用減速器總成技術(shù)條件》中的動態(tài)密封測試標(biāo)準(zhǔn)，對油封反轉(zhuǎn)能力有著較為苛刻的要求——正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的30%！這個指標(biāo)讓能力很優(yōu)秀的PTFE油封也無處施展自己的才華。
（業(yè)內(nèi)熟知的QC/T1022動態(tài)密封試驗標(biāo)準(zhǔn)，電驅(qū)動界的旗幟，油封制造商的夢魘）
針對這種情況，油封制造商在螺旋槽的設(shè)計上做了改進，主要是調(diào)整螺旋角的設(shè)計或者取消角度，使其適用于雙向旋轉(zhuǎn)的工況。但這樣做會大大降低PTFE油封的泵吸能力，因為沒有螺旋泵吸作用的PTFE油封只能依靠記憶效應(yīng)與過盈配合進行密封，許用線速度一般會降至30m/s左右。而在這個區(qū)間內(nèi)，橡膠骨架油封足以勝任。
（特瑞堡PTFE油封，帶螺旋槽結(jié)構(gòu)來源：特瑞堡）
未來趨勢
未來油封的應(yīng)用趨勢與電機高速化、電機冷卻方式等相關(guān)，考慮到電驅(qū)動制造商對成本的控制，未來電機的轉(zhuǎn)速也會受到限制。因此，橡膠骨架油封在較長一段時間內(nèi)應(yīng)該仍然是主流應(yīng)用。
針對40m/s以上的超高速應(yīng)用場景，油封制造商的改進和創(chuàng)新重點在油封材料和螺旋線的設(shè)計上。譬如用配方更優(yōu)異的橡膠材料代替普通的氟橡膠和丙烯酸酯橡膠，在無彈黃橡膠油封和PTFE油封上設(shè)計耐雙向旋轉(zhuǎn)的回油線。
（KACO的材料與回油線改進方案來源：KACO）
小結(jié)：新能源電驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)密封仍然是以橡膠骨架油封為主流方案，新型高轉(zhuǎn)速油封的開發(fā)仍面臨許多挑戰(zhàn)，畢竟突破傳統(tǒng)的經(jīng)典方案并不容易，油封的應(yīng)用也與軸孔加工、潤滑油、潤滑方式等環(huán)境因素密切相關(guān)。當(dāng)然，電驅(qū)動高轉(zhuǎn)速油封的最終形態(tài)如何，還是取決于未來新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展。
（來源：天空之城1900）
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