胡小青,董坤朋,西慶坤

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000；2.昆山瑞福祥汽車部件有限公司，江蘇昆山 215300)

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基于LS-DYNA的穿缸電連接器3O形密封圈的設(shè)計(jì)

胡小青1,董坤朋2,西慶坤1

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000；2.昆山瑞福祥汽車部件有限公司，江蘇昆山 215300)

摘要：穿缸電連接器應(yīng)用于汽車雙離合自動變速箱，密封圈是穿缸電連接器密封的關(guān)鍵零件之一。從密封圈的材料選擇、關(guān)鍵尺寸確定、預(yù)壓力的極限值等幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用LS-DYNA軟件對密封圈對配過程的應(yīng)力分布及裝配力進(jìn)行了CAE分析驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)要求。并對設(shè)計(jì)的3O形密封圈進(jìn)行抗振動性、密封性、耐化學(xué)試劑性、耐高溫老化性能綜合實(shí)驗(yàn)評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的3O形密封圈滿足業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，性能可靠，能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

關(guān)鍵詞：電連接器；3O形密封圈；LS-DYNA分析；綜合實(shí)驗(yàn)

0引言

穿缸電連接器主要應(yīng)用于電噴發(fā)動機(jī)或自動變速箱的控制部分，由安裝在絕緣體外殼內(nèi)部的金屬接觸件之間相互配合接觸來實(shí)現(xiàn)其連接導(dǎo)通功能的，起到傳遞電流和信號的作用。由于苛刻的工作環(huán)境以及密封的要求，密封成為穿缸電連接器設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)點(diǎn)。穿缸連接器的密封技術(shù)影響到汽車的可靠性、安全性和環(huán)保性，在穿缸連接器中設(shè)置密封裝置和密封元件的作用是防止油液泄漏及外界塵埃和異物的侵入[1-2]。O形密封圈是汽車連接器中很常用的一種密封元件，其密封作用是通過安裝時(shí)的預(yù)壓力使密封圈變形來實(shí)現(xiàn)的。但由于它直接影響連接器的密封性能甚至使用的可能性，因此是穿缸連接器設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。作者所設(shè)計(jì)的3O形密封圈提供了最佳的密封效果，且裝配力也比O形圈結(jié)構(gòu)要小得多。這種結(jié)構(gòu)常被人們稱之為“蝙蝠形”結(jié)構(gòu)，配以與3O形密封圈相配合裝配的塑膠體，達(dá)到IP69K防護(hù)等級的電連接器,可以阻止高壓水或高壓水霧的直接噴射。

13O形密封圈的材料選擇

文中的3O形密封圈是屬于徑向密封與軸向密封的相結(jié)合設(shè)計(jì)，提供了更加可靠的密封性能。由于密封圈在軸向方向也受到壓縮，消除了徑向的裝配間隙，再結(jié)合徑向密封設(shè)計(jì)，使電連接器的密封性能進(jìn)一步提高。但要注意的是，設(shè)計(jì)電連接器的鎖合機(jī)構(gòu)時(shí)要充分考慮鎖合后密封圈應(yīng)能夠被壓縮。因?yàn)閺椥泽w材料的性質(zhì)決定了長期處于被壓縮的工作狀態(tài)下，其分子鏈結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的變化，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度、韌性發(fā)變化，密封性能發(fā)生衰減。彈性體的這種性能是由其化學(xué)組成、工作時(shí)間、溫度以及壓縮比決定的，性能的衰減會導(dǎo)致密封圈有效工作時(shí)間的減少以及密封性能的降低。圖1 提供了不同密封材料應(yīng)力松馳的性能對比。

Momentive 高性能材料公司的Silopren LSR3376/50硅彈性體產(chǎn)品具有非常低的揮發(fā)水平，無需后固化。它被設(shè)計(jì)用來幫助汽車制造商實(shí)現(xiàn)電器連接密封, 可滿足日益嚴(yán)格的安全規(guī)范[3-4]。根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及性能要求，選擇材料為 Momentive PSE 7540, 邵氏硬度HA40,硫化時(shí)間為240 ℃下4 h。所設(shè)計(jì)的塑膠殼體的尺寸如圖2所示，與密封圈配合的尺寸為φ(39±0.08) mm。根據(jù)客戶自動變速器缸體總體布置，推薦給客戶的穿缸孔尺寸為φ(44.2±0.05) mm。為保證在電連接器安裝過程中密封圈不會被劃傷，應(yīng)特別注意孔加工時(shí)的表面粗糙度以及倒角、去毛刺等。這里定義表面粗糙度為Ra0.7 μm，并做倒角處理(如圖3所示)；對配孔加工時(shí)要有圓度的要求，以確保密封圓周圍各處所受預(yù)壓力相同。此外，塑殼和對配孔上方所設(shè)計(jì)的防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)防止電連接器在圓周方向轉(zhuǎn)動及對密封圈的磨損。

23O形密封圈關(guān)鍵尺寸的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

設(shè)塑殼與穿缸孔半徑方向的間隙s：

s=[(44.2±0.05)-(39±0.08)]/2=2.6±0.065

塑殼配合圓周長：

Lh=Dh·π=(39±0.08)·π

取伸長率為8%(經(jīng)驗(yàn)數(shù)字), 密封圈周長為X：

(122.5-X)/X=0.08

計(jì)算得：X=113.43 mm

密封圈內(nèi)直徑Ds=113.43/π=36 mm, 根據(jù)密封圈加工的工藝能力，定密封圈直徑規(guī)格為：φ(36±0.5) mm。

由以上可知：

塑膠殼體與密封圈配合位置直徑為：

Dh=(39±0.08)mm

自動變速器穿缸孔直徑為：Di=(44.2±0.05)mm

塑殼與自動變速器穿缸孔處的間隙:

smax=(Dimax-Dhmin)/2=(44.25-38.92)/2=2.67mm

smin=(Dimin-Dhmax)/2=(44.15-39.08)/2=2.54mm

塑殼周長為：

Lh=π·Dh=3.14×(39±0.08)

Lhmax=π·Dhmax=3.14×39.08=122.71 mm

Lhmin=π·Dhmin=3.14×38.92=122.21 mm

密封圈周長為：

Ls=π·Ds=3.14×(36±0.5)

Lsmax=3.14×36.5=114.61 mm

Lsmin=3.14×35.5=111.47 mm

密封圈伸長率的計(jì)算為：

Esmax=(Lhmax-Lsmin)/Lsmin×100%=10.08%

Esmin=(Lhmin-Lsmax)/Lsmax×100%=6.63%

密封圈安裝到塑殼后的厚度計(jì)算：

已知密封圈材料的泊松比為：ν= 0.5；密封圈的原始厚度為Dt，管裝后密封圈的厚度為Dg，則：

Dg=Dt·(1-ν·Es)

暫取密封圈厚度為(3.6 ±0.1) mm。

Dgmin=Dtmin·(1-ν·Esmax)=0.949 6×Dtmin=3.328

Dgmax=Dtmax·(1-ν·Esmin)=0.966 85×Dtmax=3.573

壓縮比為：C=(Dg-s)/s×100%

Cmax=(Dgmax-smin)/Dgmax×100%=28.9%

Cmin=(Dgmin-smax)/Dgmin×100%=22.3%

2.1伸長率、壓縮比驗(yàn)算

O形密封圈的壓縮比、伸量率是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的2個(gè)重要要素[5]。由以上計(jì)算可知Esmax=10.08%(最大伸長率)，Esmin=6.63%(最小伸長率)。Cmax=28.9%(最大壓縮比)，Cmin= 22.3%(最小壓縮比)。根據(jù)密封圈設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，伸長率需滿足5%～10%，壓縮比為15%～35%，因此設(shè)計(jì)初步滿足要求。進(jìn)一步可以通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)一步模擬電連接器裝配過程，來檢驗(yàn)密封圈的配合性能。以上為徑向方向的密封設(shè)計(jì)。在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，希望在徑向密封的基礎(chǔ)上，引入面密封，將密封圈設(shè)計(jì)成L形的截面，進(jìn)一步提升密封的性能。

2.2軸向密封尺寸的設(shè)計(jì)

封墊的厚度。

計(jì)算得知：對配后間隙為1.7～2.0 mm，計(jì)算密封墊厚度X：

(X+2)/X=0.25

則:X=2.66 mm， 取X=2.6 mm。

由此試算結(jié)果，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助分析，求得對應(yīng)尺寸公差。

2.3密封圈具體尺寸設(shè)計(jì)及三維建模

根據(jù)相關(guān)對配零件尺寸，求得密封圈的軸向尺寸，并且沿軸向取3道唇口。細(xì)部設(shè)計(jì)尺寸如圖5所示。

3LS-DYNA軟件分析驗(yàn)證(CAE分析驗(yàn)證)

LS-DYNA是世界最著名的通用顯式動力分析程序，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、動力沖擊問題，在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包。與實(shí)驗(yàn)的無數(shù)次對比證實(shí)了其計(jì)算的可靠性[6-8]。作者根據(jù)對配缸體孔及連接器塑殼尺寸，構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助分析模型，采用LS-DYNA軟件分析3O形密封圈在與缸體對配過程應(yīng)力分布及裝配力，3O形密封圈設(shè)計(jì)CAE驗(yàn)證見圖6。可知：此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在裝配過程中密封圈無扭曲、錯位等不良問題產(chǎn)生，應(yīng)力分布集中在根部及密封圈干涉區(qū)域，有效提供了密封圈的預(yù)壓力。從裝配力的分析可以看出，由于密封圈的作用，裝配力呈遞增變化，這也是3O形密封圈的典型特點(diǎn)，可以有效地將裝配力分散，利于裝配。而最大裝配力出現(xiàn)在最高密封唇口的位置，滿足尺寸設(shè)計(jì)圖。

將密封圈樣品與穿缸電連接器裝配，共投入6個(gè)樣品進(jìn)行振動及密封實(shí)驗(yàn)(見圖7)，所有樣品全部通過試驗(yàn)。

浸油狀態(tài)下的振動實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)條件： 正弦振動和隨機(jī)振動各22 h，Z向, 溫度-40～+150 ℃；

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)： ISO 16750-3, 4.1.2.2；

實(shí)驗(yàn)要求：無油滲漏；

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：合格。

5結(jié)束語

穿缸電連接器應(yīng)用于汽車雙離合自動變速箱，由于苛刻的工作環(huán)境以及密封的要求，密封成為穿缸電連接器設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)點(diǎn)。密封圈是穿缸電連接器密封的關(guān)鍵零件之一，結(jié)合自動變速器穿缸電連接器工作要求，從3O形密封圈的材料選擇、關(guān)鍵尺寸確定、預(yù)壓力的極限值等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。采用LS-DYNA軟件分析驗(yàn)證了3O形密封圈對配過程的應(yīng)力分布及裝配力滿足設(shè)計(jì)要求。并對設(shè)計(jì)的3O形密封圈進(jìn)行抗振動性、密封性、耐化學(xué)試劑性、耐高溫老化性能綜合實(shí)驗(yàn)評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：滿足業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，性能可靠，能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

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Design of the 3O Sealing Ring of Wall-crossing Electrical Connector Based on LS-DYNA

HU Xiaoqing1, DONG Kunpeng2, XI Qingkun1

(1.Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China;2.Kunshan Ruifuxiang Auto Parts Co.,Ltd., Kunshan Jiangsu 215300, China)

Keywords:Electrical connector; 3O sealing ring; LS-DYNA analysis; Comprehensive experiment

Abstract:Wall-crossing electrical connector is widely applied to dual clutch transmission on vehicles; sealing ring is one of the critical components of wall-crossing electrical connectors. The sealing ring was designed from materials, critical dimensions and the critical magnitude of the pre-pressure. To meet the design criteria, LS-DYNA was used to conduct the CAE analysis on both the stress distribution and the assembly force in the process of distribution of the sealing ring. The comprehensive experimental evaluation was done on the designed 3O sealing ring. The evaluation included several items: vibration resistance, tightness, chemical resistance, and high-temperature aging resistance. The evaluation results show that the design is able to satisfy industry standards, be reliable, and meet the requirements of mass production.

收稿日期：2016-02-02

基金項(xiàng)目：四川省德陽市科技支撐項(xiàng)目(2015ZZ043)

作者簡介：胡小青(1980—)，女 ，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化。E-mail:huxiaoqingyeli@163.com。

中圖分類號:TG249

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-052-04