随着内燃机工业的不断发展,发动机上的各类部件向高压、高温、高速发展,对强化程度、使用寿命和可靠性要求越来越高。其所使用的油封尤其是旋转轴油封应能承受高低温、高线速度、大负荷等工况条件,并具有摩擦阻力小、耐磨损、使用寿命长和密封可靠等特点。本研究以取代传统橡胶油封的复合聚四氟乙烯油封为研究对象,对其密封结构、填充聚四氟乙烯配方和工艺进行改进,目的是最终研制出高性能油封产品并实现产业化生产,减小对进口产品的依赖。在综合国内外已有相关文献研究成果基础上,本论文的主要内容和研究方法包括如下五个方面:(1)分析油封材料的力学性能和磨损机理。对比在室温和高温下不同填料的聚四氟乙烯复合材料的摩擦系数和耐磨性,研究同时考虑了载荷、速度和摩擦形式等工况对材料的摩擦系数和磨损率的影响,并分析摩擦副对磨面的磨损机理。由此确定碳纤维填充聚四氟乙烯作为适合汽车曲轴工况的油封材料。(2)建立油封结构的非线性有限元模型,分析不同结构的油封与轴过盈配合时的接触压应力分布和变形情况,由密封面之间的油液泄漏量公式优选油封结构。油封结构的有限元分析具有几何非线性、材料非线性和接触非线性,在有限元计算中创建两个分析步,分别在刚体参考点的Y轴方向上设置平移量和转动量,模拟油封安装到曲轴后、曲轴高速转动时的受力情况。根据密封面上接触压应力上升段与下降段的最大梯度计算泄漏量,并由雷诺方程判断密封间隙的结构形状。结果表明,合理设计的油封结构,其接触压应力上升段与压应力下降段的最大梯度应相差不大、接触应力曲线平缓且呈扁平形分布。(3)推导带螺旋槽PTFE油封的密封系数,优化设计油封的结构参数。根据螺旋回流槽油封的流量平衡原理,把润滑油在螺旋槽内的泵送量和泄漏量看成具有相对运动的两壁面之间的缝隙层流流动,推导出表征油封密封能力的螺旋槽密封系数是以螺旋槽相对宽度、相对深度和螺旋角为设计变量的数学表达式,为油封的设计提供了理论依据。把油封的螺旋槽车削至唇口内缘,调节油压,测量泵送量和泄漏量平衡时的临界转速来验证密封系数公式。(4)研究不同的烧结工艺对碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料的应力松弛、拉伸和压缩等性能的影响,改善油封的弹性和提高其密封性能,并通过油封台架试验得到验证。结果表明,油封唇片的烧结工艺直接影响油封的径向力、回复性、跟随性等密封性能。采用340℃水冷工艺制造的油封与轴的跟随性优于采用340℃风冷工艺和一般烧结法制造的两种油封,即使弹性模量等力学性能不如由一般烧结法制造的油封,但能提高其与旋转轴的跟随性,减小泄漏率。(5)在发动机的实验台架上检验油封在发动机的装配质量和耐久性。根据汽车发动机可靠性试验方法,发动机在3000r/min和6000r/min的转速下全负荷下运转,PTFE油封在整个试验期间不出现任何渗漏现象,磨损程度在技术要求的范围内,能满足发动机强化实验要求。