張亞楠

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關(guān)于某活塞密封中活塞安裝困難問題的改進(jìn)

張亞楠

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章對(duì)活塞密封中活塞安裝困難問題進(jìn)行原因分析，識(shí)別問題的要因和次因并提出解決方案，為后期同類型設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

活塞密封；活塞；安裝困難

1 概述

在變速箱設(shè)計(jì)過程中，為防止變速箱內(nèi)部油液泄露以及滿足變速箱內(nèi)部對(duì)清潔度的要求，防止外界灰塵、水等進(jìn)入，需對(duì)變速箱內(nèi)外連接處做密封處理。密封的方式和種類有很多，對(duì)于徑向靜密封而言，活塞密封是一種常見的方式。本文以某活塞密封中活塞在活塞缸上安裝困難問題為例，對(duì)活塞密封中可能出現(xiàn)的安裝困難問題進(jìn)行原因分析，并提出改進(jìn)。

2 問題描述

在開發(fā)某款變速器項(xiàng)目中用到了活塞密封，在首批樣件試裝過程中發(fā)現(xiàn)活塞（帶O型圈）在活塞桿上安裝十分困難，正常手動(dòng)裝配中無法將其裝配到位。

3 原因分析及驗(yàn)證

3.1 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試裝狀態(tài)，對(duì)活塞安裝困難問題進(jìn)行FAT分析，得到共計(jì)8個(gè)末端因子，如下圖：

圖1 FAT圖

1）零部件質(zhì)量（①-③）：O型圈尺寸、溝槽尺寸、活塞缸尺寸的大小直接影響到過盈量的大小，過盈量越大，活塞桿對(duì)活塞缸的反向作用力越大，摩擦力越大，壓裝力也越大；活塞缸的粗糙度越大，摩擦力越大，壓裝力越大；

2）O型圈密封過盈量（④）：過盈量越大，O型圈對(duì)活塞缸的反向作用力越大，進(jìn)而使摩擦力越大，壓裝力也越大；

3）活塞安裝導(dǎo)向角（⑤）：O型圈與活塞孔的配合為過盈配合，在保證一定壓縮量的情況下，應(yīng)使安裝簡單，O型圈無切邊。導(dǎo)向角的作用即是為了裝配時(shí)，帶有O型圈的活塞能輕松插入活塞缸中，且不發(fā)生切邊，導(dǎo)向角的設(shè)計(jì)直接影響到壓裝力的大小，此為要因；

4）活塞缸表面粗糙度、活塞缸及O型圈材質(zhì)（⑥-⑦）：活塞缸表面粗糙度、活塞缸及O型圈材質(zhì)的選擇影響到兩者之間的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)越大，摩擦力越大，壓裝力也越大；

5）O型圈硬度（⑧）：O型圈硬度越大，相同過盈量下O型圈對(duì)活塞缸的反向作用力越大，導(dǎo)致壓裝力越大。

3.2 要因驗(yàn)證

1）尺寸檢測(cè)（①-③）

根據(jù)產(chǎn)品供應(yīng)商的檢測(cè)報(bào)告，O型圈尺寸、溝槽尺寸、活塞缸尺寸及表面粗糙度均滿足圖紙要求；對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行復(fù)檢，檢測(cè)結(jié)果合格。故排除導(dǎo)致插件無法安裝的原因是零部件質(zhì)量問題。

2）尺寸校核（④、⑥）

（1）O型圈密封尺寸校核

根據(jù)GB/T 3452.3-2005，對(duì)活塞密封尺寸進(jìn)行校核，確保密封功能的有效性。

活塞密封O型圈預(yù)拉伸率y%：

活塞密封時(shí)，所選用的O型圈內(nèi)徑d1，溝槽槽底直徑d3，則預(yù)拉伸率：y%=(d3-d1)/d1×100%，計(jì)算得，最大預(yù)拉伸率為3.59%，最小預(yù)拉伸率為0.23%，對(duì)比國標(biāo)中推薦值0≤y%≤6%，預(yù)拉伸率滿足國標(biāo)要求。

壓縮率x%：

已知溝槽深度t，O型圈截面直徑d2，則壓縮率：x%=(1-t/d2)×100%，計(jì)算得，最大壓縮率為20.83%，最小壓縮率為14.26%，對(duì)比國標(biāo)中推薦的11.5%～27.5%，滿足國標(biāo)要求。

填充率：

已知溝槽體積為Vh，O型圈體積為VO，則填充率為VO/Vh×100%，計(jì)算得，最大填充率為77.55%，最小填充率為61.85%，根據(jù)國標(biāo)中O型圈材料體積溶脹值為15%來計(jì)算，得填充率上限值為87%，故填充率滿足國標(biāo)要求。

根據(jù)校核結(jié)果，該處活塞密封尺寸滿足密封要求。

（2）過盈量計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在滿足密封要求的前提下，過盈量越小壓裝力越小，越容易裝配。已知O型圈內(nèi)徑d1，截面直徑d2，溝槽槽底直徑d3，活塞缸內(nèi)徑d5，求得此活塞密封過盈量為3.4%。與另一款已成熟應(yīng)用的活塞密封進(jìn)行類比，計(jì)算得其過盈量為4.2%，其過盈量更大且未出現(xiàn)安裝困難問題，因此過盈量大不是導(dǎo)致該活塞密封安裝困難的原因。

（3）粗糙度

活塞缸表面粗糙度設(shè)計(jì)值為Ra1.6，查GB/T 3452.3- 2005可知，在一般精度要求的密封場(chǎng)合中，靜密封配合表面粗糙度要求一般為Ra1.6，故活塞缸表面粗糙度滿足密封設(shè)計(jì)要求。

3）插件孔處增加導(dǎo)向角（⑤）

（1）理論分析

前期設(shè)計(jì)中活塞缸上未增加導(dǎo)向角設(shè)計(jì)，此為插件安裝困難問題要因。

因O型圈與活塞缸為過盈配合，O型圈在活塞桿上的外徑大于活塞缸內(nèi)徑，如圖3，若無導(dǎo)向角結(jié)構(gòu)，O型圈與活塞缸棱邊相切，使O型圈僅受豎直方向反向作用力FN，該力與壓裝力F平衡，使O型圈不能被壓入缸內(nèi)。當(dāng)F增大到一定程度時(shí)，O型圈發(fā)生切邊，此時(shí)O型圈被破壞，已失效。如圖4，若增加導(dǎo)向角結(jié)構(gòu)，O型圈與導(dǎo)向角斜面相切，此時(shí)O型圈受到垂直于導(dǎo)向角斜面的反向作用力FN，該力在徑向的分力使O型圈產(chǎn)生徑向壓縮變形，且θ越小，相同壓裝力作用下FN沿徑向的分力越大，O型圈徑向壓縮變形越容易，O型圈外徑減小，從而被壓入活塞缸中。

圖2 無導(dǎo)向角

圖3 有導(dǎo)向角

（2）實(shí)物驗(yàn)證

實(shí)物驗(yàn)證共分三個(gè)階段，第一階段采用手工打磨導(dǎo)向角，打磨角度較小，且導(dǎo)向角表面較粗糙，對(duì)其進(jìn)行裝配驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)插件安裝困難問題依然存在。

第二階段采用輔助工具進(jìn)行擴(kuò)角，修整后導(dǎo)向角增大，但導(dǎo)向角尺寸公差較大，同軸度、表面粗糙度均未達(dá)到要求。對(duì)其進(jìn)行裝配驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，裝配仍然十分困難，但相較于整改之前，稍有改觀，拆卸后發(fā)現(xiàn)O型圈有切邊現(xiàn)象。

第三階段采用機(jī)加工設(shè)備將其準(zhǔn)確定位后擴(kuò)充導(dǎo)向角，且導(dǎo)向角滿足倒角為1.5×30°，圓角R2，表面粗糙度Ra3.2 。取2個(gè)整改后的樣件進(jìn)行裝配驗(yàn)證，分別測(cè)量三組數(shù)據(jù)，結(jié)果如下：

表1 壓裝力檢測(cè)數(shù)據(jù)

6次測(cè)量結(jié)果，壓裝力較穩(wěn)定，均值為130.5N，最大值＜140N。反復(fù)拆裝后，未發(fā)現(xiàn)O型圈變型和破裂，滿足設(shè)計(jì)要求。由此可見，導(dǎo)向角的角度、高度、表面粗糙度、圓角及加工質(zhì)量等，均對(duì)活塞壓裝有直接影響。

4）活塞缸及O型圈材質(zhì)（⑦）

活塞缸及O型圈的材質(zhì)主要影響摩擦系數(shù)的大小，活塞缸材料6061，O型圈材料為AEM，皆為較常用的材料，鑒于材料的選擇所受局限性較大不易更改，且該因素并非要因，故暫未對(duì)材料進(jìn)行變更。

5）O型圈硬度（⑧）

O型圈硬度越大，O型圈抗擠壓變形能力越強(qiáng)，安裝越困難。該款產(chǎn)品活塞及活塞密封圈電子油泵線束插件及O型圈均為成熟產(chǎn)品，已大量投入使用，且經(jīng)過生產(chǎn)反復(fù)驗(yàn)證均無此問題，故O型圈硬度不是造成插件安裝困難的要因。

4 總結(jié)

由以上分析可知，造成活塞（含密封圈）安裝困難的主要原因是活塞缸未設(shè)計(jì)導(dǎo)向角結(jié)構(gòu)。前期在其它產(chǎn)品開發(fā)過程中也遇到過類似問題，可見導(dǎo)向角的設(shè)計(jì)對(duì)于活塞密封安裝的重要性。GB/T 3452.3-2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈溝槽尺寸和設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則》中給定了導(dǎo)向角的參考尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)可作為借鑒。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)向角設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足①最大開口直徑大于O型圈變形后的外徑，便于裝配；②倒向角處設(shè)計(jì)圓角結(jié)構(gòu)，防止切邊和安裝困難；③保證活塞缸及導(dǎo)向角的表面粗糙度；④導(dǎo)向角越小，壓裝力越小，可視情況調(diào)整導(dǎo)向角大小，活塞密封導(dǎo)向角一般為15°～20°。

在活塞密封的設(shè)計(jì)中，為避免出現(xiàn)活塞安裝困難的問題，應(yīng)正確設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)向角的結(jié)構(gòu)，此外還應(yīng)正確選擇O型圈及配合件的材料、O型圈硬度、過盈量、加工精度等。只有在前期做好設(shè)計(jì)，考慮全面，規(guī)避問題，才能避免后續(xù)問題發(fā)生。

[1] 成大先,王德夫,姜勇,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2009 .

[2] 劉鴻文,林建興,曹曼玲,等.材料力學(xué)[M].高等教育出版社,2011.

[3] 王財(cái)生,秦瑤,安琦.機(jī)械密封O型橡膠密封圈力學(xué)行為的有限元分析[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013.39（6）:761-767.

[4] 高鈺,吳波,等.機(jī)械密封橡膠O型圈密封性能的有限元分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào),2011.43（5）:234-239.

Improvement on the problem of difficult piston installation in a piston seal

Zhang Yanan

（Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper analyzes the cause of the difficult installation of the piston in the piston seal.It’s intended to identify the main and secondary causes of the problems,and then puts forward the solutions.It will provide reference for the later design of the same type.

piston seal; piston; installation difficulty

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1671-7988(2018)22-114-03

TK46

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1671-7988(2018)22-114-03

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張亞楠，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.040