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        一種整體式矩形密封環(huán)的裝配工藝研究

        2015-05-14 08:34:04魏濤劉道欽秦永武張營戈廣嶺
        機械工程師 2015年11期
        關(guān)鍵詞:動軸密封環(huán)限位

        魏濤, 劉道欽, 秦永武, 張營, 戈廣嶺

        (第一拖拉機股份有限公司,河南 洛陽 471001)

        0 引言

        目前,動力換擋變速箱已經(jīng)在拖拉機上得以應(yīng)用。動力換擋變速箱是指拖拉機在不中斷動力傳遞的情況下,采用電器控制液壓閥件來對液壓換擋離合器進行適時操縱,從而實現(xiàn)變速箱的換擋、換向。這種變速箱代表著當(dāng)今拖拉機產(chǎn)品的一個發(fā)展方向。動力換擋變速箱在工作過程中的關(guān)鍵是高壓供油系統(tǒng),而整個系統(tǒng)的關(guān)鍵在于油壓系統(tǒng)的密封。為了滿足動力換擋拖拉機中離合器總成的高效密封性,產(chǎn)品設(shè)計引入材料為VespelTP-8556(四甲酰亞胺模塑料)的整體式矩形密封環(huán)。

        1 VespelTP-8556(四甲酰亞胺模塑料)簡介

        Vespel Polyimide是杜邦所開發(fā)出來的全芳香族聚酰亞胺樹脂的粉末,其材料特點如下:1)耐熱性。長期使用溫度為288℃,短期工作溫度可達(dá)480℃,最低工作溫度可達(dá)-272℃;2)對荷重的變形。在50℃、14 MPa條件下是鐵弗龍 Teflon的1/70,尼龍的1/10。3)線性膨脹系數(shù) ka=3.3×10-6/℃。

        2 換向離合器合件密封結(jié)構(gòu)

        換向離合器合件密封結(jié)構(gòu)由整體矩形密封環(huán)、換向從動軸焊合件及換向從動軸前軸承蓋三種零件組成,如圖1所示。

        圖1

        3 整體式矩形密封環(huán)裝配工藝研究

        3.1 密封環(huán)裝配設(shè)計間隙計算

        1)換向從動軸焊合件密封槽兩端直徑為D±0.15,密封槽直徑為(D-3.6)±0.1;

        3.2 密封環(huán)裝配設(shè)計間隙

        1)整體密封環(huán)內(nèi)徑與從動軸焊合件密封槽兩端直徑過盈量為 D±0.15-(D-2.5)mm。

        2)整體密封環(huán)內(nèi)徑與從動軸焊合件密封槽過盈量為(D-2.5)-(D-3.6)±0.1=。

        3)整體式密封環(huán)裝配到位后,密封環(huán)超出從動軸焊合件槽兩端尺寸為(D+0.75)-D±0.15=0.75。

        4)整體式密封環(huán)與換向從動軸前軸承座過盈量為(D+0.75)-(D+0.75)mm。

        從上述產(chǎn)品設(shè)計的配合間隙看,直徑方向最大過盈量達(dá)2.5 mm,直徑方向最小間隙為0.1 mm;

        3.3 整體式矩形密封環(huán)裝配工藝試驗

        從整體密封環(huán)的材料性能看,普通水浴加熱根本無法滿足過盈量的裝配,只能通過油浴加熱法和脹套法的方式進行試驗,具體試驗如下:

        3.3.1 油浴加熱法

        油浴加熱就是用油作為加熱介質(zhì)進行加熱的一種手段,可以達(dá)到的溫度要高于水浴,根據(jù)所用的油種類不同而異,豆油一般在220℃左右。油浴加熱時,計算密封環(huán)與換向從動軸焊合件間隙,按式(1)計算軸承所需加熱溫度[2]:

        式中:t1為密封環(huán)所需加熱溫度,℃;i為配合間隙,mm;ka為密封環(huán)的線性膨脹系數(shù),ka=3.3×10-6/℃;d為換向從動軸的名義直徑,mm;t0為環(huán)境溫度,℃。

        經(jīng)過計算驗證油浴加熱法溫度過高,根本無法滿足加熱需要,因此采用油浴加熱法進行密封環(huán)的裝配無法實現(xiàn)。

        3.3.2 脹套法

        利用密封環(huán)本身的延伸性在受力的情況下使其在直徑方向產(chǎn)生彈性形變進行裝配。此種裝配工藝方案需要考慮如下問題:密封環(huán)在直徑方向上均勻受力,均勻形變。技術(shù)人員設(shè)計了脹套及軸向壓裝輔具,如圖2及圖3所示。上述兩種裝配工具使用方式為:將整體式密封環(huán)從脹套小的一端套入,使用軸向壓裝輔具輕輕推到密封環(huán)向脹套的最大徑方向移動,當(dāng)達(dá)到脹套最大徑位置時停止推動壓裝輔具,如圖4所示,使密封環(huán)在此處進行均勻形變。為了避免密封環(huán)在脹開過程中劃傷現(xiàn)象,脹套及軸向壓裝輔具材料設(shè)計為尼龍。

        通過上述密封環(huán)的脹開工藝,成功實現(xiàn)了密封環(huán)內(nèi)徑的變大,但由圖1得知,換向離合器合件密封結(jié)構(gòu)為兩道密封槽,屬于雙道密封結(jié)構(gòu),為了保證在密封環(huán)裝配時不會落入第一道密封槽致使第二件密封環(huán)無法裝配,技術(shù)人員設(shè)計了密封環(huán)導(dǎo)套如圖5所示,其使用方式是:密封環(huán)導(dǎo)套套到換向從動軸焊合件上,將脹開后的密封環(huán)套到密封環(huán)導(dǎo)套上,用軸向壓裝輔具推動密封環(huán)使其裝入換向從動軸焊合件的密封槽內(nèi),密封環(huán)裝配到位如圖6所示。

        圖3

        圖4

        圖5

        圖6

        密封環(huán)導(dǎo)套設(shè)計注意要點是:在保證能夠加工的基礎(chǔ)上,盡量減小導(dǎo)套的外徑,以避免密封環(huán)彈性形變太大,影響密封環(huán)性能,同樣為了保證密封環(huán)裝配過程中出現(xiàn)劃傷,密封環(huán)導(dǎo)套材料仍為尼龍。

        整體式密封環(huán)裝配到位后,因材料本身性能(耐熱性及線性膨脹系數(shù))影響,在短時間內(nèi)無法收縮至產(chǎn)品設(shè)計尺寸,致使無法進行下一步的換向從動軸前軸承蓋裝配,因此,本工藝試驗亟待解決的下一個問題是脹后密封環(huán)的收縮。

        3.3.3 整體式密封環(huán)的收縮工藝研究

        技術(shù)人員對裝配后的密封環(huán)尺寸進行測量及結(jié)合相配件設(shè)計尺寸進行分析,密封環(huán)收縮工藝要保證密封環(huán)在整個外徑上收縮平穩(wěn)、受力均勻,防止密封環(huán)在收縮時切圈,收縮過程應(yīng)簡單、方便。經(jīng)過技術(shù)人員的討論,密封環(huán)收縮需設(shè)計一套能夠解決上述問題的密封環(huán)收縮夾具(夾具結(jié)構(gòu)為分體式),設(shè)計完成了如圖7所示的密封環(huán)收縮裝配夾具總圖。

        在夾具零部件圖設(shè)計時,考慮了如下問題:

        1)密封環(huán)收縮。本夾具應(yīng)具備徑向尺寸的變化,即夾具至少涵蓋密封環(huán)經(jīng)過脹套法裝配后的最大尺寸及與密封環(huán)相配的換向從動軸前軸承蓋內(nèi)孔最小尺寸(避免后續(xù)軸承蓋裝配時劃傷密封環(huán)外徑),并且具有徑向尺寸變化功能。解決措施:設(shè)計如圖8所示收縮夾具本體,使其內(nèi)孔在張開及收縮時涵蓋上述尺寸,即密封環(huán)經(jīng)過脹套法裝配后的最大尺寸及換向從動軸前軸承蓋內(nèi)孔最小尺寸。

        2)本夾具應(yīng)存在密封環(huán)收縮時防切圈結(jié)構(gòu),即夾具本身不應(yīng)存在尖角、毛刺,同時在夾具收縮過程中不得擠傷密封環(huán)。解決措施:分體式收縮夾具以內(nèi)徑(比相配件尺寸大0.02 mm),以 45°為夾角的方向采用線切割方式進行加工(如圖8所示),同時分割后的夾具進行倒圓角處理,消除加工產(chǎn)生的尖角毛刺。分體式收縮夾具內(nèi)孔的粗糙度相對較高,應(yīng)在 Ra3.2 μm 以上,以保證密封環(huán)在壓緊收縮的最終時刻在密封環(huán)表面產(chǎn)生壓痕,影響后續(xù)總成的密封性。

        圖7 密封環(huán)收縮裝配夾具

        圖8

        圖9 限位結(jié)構(gòu)

        圖10

        圖11

        3)本夾具在兩種裝配態(tài)(直徑最大位置及最小位置)存在簡單實用限位結(jié)構(gòu)。解決措施:夾具設(shè)計了直徑限位結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)采用工字形式,當(dāng)限位結(jié)構(gòu)如圖9所示接觸時,夾具處于直徑最小位置,當(dāng)限位結(jié)構(gòu)如圖10所示接觸位置時,夾具處于直徑最小位置。

        4)本夾具應(yīng)在工作過程中滑動平穩(wěn),夾具在張開與收縮操作部分簡單實用,防止夾具在工作過程中上下位移問題。解決措施:滑動平穩(wěn)問題,在本體3的兩側(cè)開槽要求對稱性、直線度高并提高槽的粗糙度;采用旋轉(zhuǎn)手柄方式使夾具張開、收縮;對于夾具在工作中的上下移動問題,采用減小夾具自重,滿足單手操作即可,如圖7所示。

        3.3.4 整體式密封環(huán)的收縮夾具的使用方法

        逆時針方向旋轉(zhuǎn)壓緊螺釘11將收縮夾具合件3徹底打開,將密封環(huán)收縮裝置從上向下套到密封環(huán)上,順時針方向旋轉(zhuǎn)壓緊螺釘11將收縮夾具進行收縮,當(dāng)限位板7及限位板8接觸后,停止旋轉(zhuǎn)壓緊螺釘1,用手轉(zhuǎn)動密封環(huán)收縮裝置,使密封環(huán)受力均勻,收縮裝置保持此狀態(tài)2~3 min后,旋轉(zhuǎn)壓緊螺釘11將密封環(huán)裝配裝置從密封環(huán)上取下,完成密封環(huán)的收縮。收縮后的密封環(huán)如圖11所示。

        4 整體式密封環(huán)裝配工藝試驗小結(jié)

        利用密封環(huán)的彈性形變,通過脹套法和收縮夾具工藝方案,圓滿完成了動力換擋從動軸焊合件總成密封環(huán)的裝配,達(dá)到了以下效果:

        1)本密封環(huán)工藝不僅能夠有效地保證新型密封環(huán)均勻的收縮,還保證了新型密封環(huán)在收縮過程中不會產(chǎn)生任何劃傷及擠傷。

        2)本密封環(huán)工藝,最大限度地縮短了密封環(huán)裝配節(jié)拍,且裝配過程快捷安全可靠,省時省力高效。

        3)本密封環(huán)工藝,其結(jié)構(gòu)新穎,方法簡單易行,且易于實施,具有很好的使用價值。

        本裝配整體式矩形密封環(huán)的裝配工藝研究的成功,為整體式密封環(huán)的裝配尋求了一套新的裝配工藝。

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