馮經(jīng)明，張慶豐

(特瑞堡密封系統(tǒng)(中國)有限公司，上海 201108)

0 前言

傳統(tǒng)的燃油汽車一般由發(fā)動機、底盤、車身和電氣設備4個部分組成。底盤包括傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)4部分。底盤作用是用來支承、安裝汽車發(fā)動機及其各部件,接受發(fā)動機的動力，使汽車運動并能保證汽車能夠按照駕駛員的操縱而正常行駛。而變速器作為傳動系統(tǒng)的重要部分，按傳動比的級數(shù)可分為有級式、無級式和綜合式3種類型；按傳動軸的數(shù)目可分為兩軸式和三軸式；按操縱方式可分為手動變速器(MT)、無級變速器(CVT)、自動變速器(AT)、手自一體式變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)。

新能源汽車主要包括純電動汽車(BEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)。相比于燃油汽車，純電動汽車的結構變化較大，電動機代替了傳統(tǒng)的發(fā)動機，電池組代替了燃油，燃油汽車傳統(tǒng)使用的變速器則由采用固定齒比的單速變速器(或稱為固定齒比變速器)取代。固定齒比變速器由于體積小、結構簡單，目前大多純電動汽車上都采用了這一類型變速器；固定齒比變速器的缺點是隨著電機轉(zhuǎn)速的提高到額定轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速到達恒功率區(qū)間后，其扭矩會越來越小，這時電機再提速很困難，而且它的實際工作效率也越來越低。未來隨著多齒比變速器技術的逐漸成熟，制造和研發(fā)成本逐步下降，多齒比變速器一定會代替固定齒比變速器，用在在越來越多的新能源汽車上。因為多齒比變速器對提高新能源汽車動力性能、延長續(xù)駛里程、降低整車成本和質(zhì)量、提高乘駕舒適度等都有重要作用，新能源汽車采用多擋位自動變速器是大勢所趨。

總之，不管是傳統(tǒng)的燃油汽車還是新能源汽車，它們都離不開變速器。固定齒比變速器或許不需要本文的活塞環(huán)或環(huán)形密封件，但是環(huán)多齒比變速器一定需要。同時，對于未來的汽車變速器市場，透明市場研究公司(Transparency Market Research)的預測，到2025年，全球汽車變速器市場價值達532億美元[1]；同時商業(yè)電報公司(Business Wire)也預測，全球自動變速器市場在2018—2024年內(nèi)將會以6.5 %的復合年增長率增長；全球變速器的主要制造商是美國的伊頓公司(Eaton)、韓國現(xiàn)代岱摩斯公司(Hyundai Dymos)、德國的采爾孚公司(ZF)、大陸公司(Continental AG)和舍弗勒公司(Schaeffler AG)、意大利的馬瑞利公司(Magneti Marelli)、日本捷特科株式會社(JATCO)和愛信精機(Aisin Seiki)等[2]；本土公司比如上汽集團、浙江萬里揚、法士特公司等也在國內(nèi)變速器市場占有一定份額。

現(xiàn)在人們提到的活塞環(huán)，一般均指燃油發(fā)動機里面鑄鐵或鋼質(zhì)的金屬活塞環(huán)，金屬活塞環(huán)是發(fā)動機內(nèi)部的核心部件，與汽缸，活塞等一起完成燃油氣體的密封。但是目前沒有金屬活塞環(huán)用在類似本案例的變速器上來起密封作用，而一般常用的是采用骨架油封，或者格萊圈與O型圈的組合密封。而特瑞堡公司有將C型切口的聚四氟乙烯活塞環(huán)用在石化、機床工業(yè)領域的成功應用；雖然行業(yè)不同，不過通過對比此前成功應用的工況和本文的變速器的工況，考慮嘗試設計一款C型切口的聚四氟乙烯活塞環(huán)用在本文中。

1 活塞環(huán)的設計

本文涉及的客戶是一家國內(nèi)公司，他們需要用在該款變速器中的密封件的工況為：需要的密封件用在硬度為45HRC的金屬活塞上，用來密封變速器里面的高壓液壓油；該密封件在工作時將處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，最高轉(zhuǎn)速可能達到6 000 r/min，最高壓力為1 MPa，最低工作溫度和最高工作溫度分別為-40 ℃和125 ℃。密封件的安裝溝槽尺寸如圖1所示。

圖1 密封件在變速器中的安裝溝槽尺寸Fig.1 Assembling size of the seal in the transmission

1.1 活塞環(huán)材料及結構的選擇

1.1.1活塞環(huán)材料的選擇

本公司常見的密封材料是聚四氟乙烯。純的聚四氟乙烯不適用于密封要求高的工況，因為純的聚四氟乙烯密封件會出現(xiàn)冷流和蠕變等問題；同時，聚四氟乙烯材料的摩擦因數(shù)低，這降低了它與填充劑之間的相互作用，使得在物理混合物中可以微小地分離。由于以上原因，常見的作為聚四氟乙烯材料的填充劑有玻璃纖維、碳粉、碳纖維、青銅粉和二硫化鉬[3]。

青銅粉是“最強”的填充材料，它與聚四氟乙烯構成的密封件能承受的最大壓強可達70 MPa；青銅粉堅固耐用的顆粒能讓密封件在靜態(tài)和動態(tài)工況中有好的抗擠出能力，同時青銅粉填充劑提高了密封件的導熱性，這能延長密封件的使用壽命；但是它僅限高壓的直線運動，而且青銅粉構成的密封件在動態(tài)工況中需要充分潤滑；

玻璃纖維作為填充劑的主要優(yōu)點是能讓密封件的耐磨性顯著增加，具有動態(tài)功能的玻璃填充材料必須通過潤滑液膜與對應表面分離，以便正常工作并避免過早磨損和劃傷，它與聚四氟乙烯構成的密封件能承受的最大壓強可達30 MPa，適合線性和旋轉(zhuǎn)運動，但該類密封件需要潤滑；

碳粉作為填充劑能增加密封件的硬度和抗擠出能力，以及磨損壽命，同時它能讓密封件表面紋理變得光滑和緊密，這讓該類密封件在有限潤滑的流體和氣體工況中擁有好的密封效果，它與聚四氟乙烯構成的密封件能承受的最大壓強可達40 MPa；試驗表明它非常適合在低粘度介質(zhì)且對密封要求高的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動；不過由于碳粉填充劑相對柔軟，在動態(tài)工況中時它適合配合表面硬度不高的場合；

碳纖維是一種相對較新的填充材料，它具有非常獨特的特征，它能給密封件帶來不均勻的微觀表面紋理，起到微小的介質(zhì)池的作用，容易在密封配合面形成潤滑膜，所以它特別適合于旋轉(zhuǎn)性能，它與聚四氟乙烯構成的密封件能承受的最大壓強可達30 MPa；同時碳纖維填充劑組成的密封件適用于潤滑性差的介質(zhì)比如水基流體、自來水等。其缺點是它不適合密封氣體；

二硫化鉬填充劑能在不改變聚四氟乙烯摩擦性能的情況下提高耐磨性，這是因為二硫化鉬在鋼摩擦副表面能形成干潤滑膜，能改善摩擦和磨損性能[4]，通常常它用作潤滑添加劑，用于降低材料與其他填充劑的摩擦因數(shù)。

本文使用玻璃纖維、碳纖維和青銅粉這3種填充劑分別與聚四氟乙烯進行混料、壓模、燒結后，加工出標準的斯特封2K型(Stepseal 2K)密封件進行磨損試驗，工況為在60 ℃、30 MPa的的礦物油壓力中，密封件以0.2 m/s的直線速度循環(huán)20萬次后，再測量密封件徑向尺寸(W值)的減少量，試驗結果如圖2所示。由圖2可以看出，與玻璃纖維填充劑相比，以碳纖維作為填充劑的密封件有更好的耐磨能力。

圖2 對比試驗中不同材料的密封件的徑向尺寸減少量Fig.2 Radial size reduction of seals made by various materials

通常情況，對于旋轉(zhuǎn)運動的密封件來說，一般選擇在基材聚四氟乙烯里面添加碳纖維或玻璃纖維。而當選擇玻璃纖維填充的聚四氟乙烯作為密封件材料時，需要對與之配合的金屬表面有很高的硬度值。而碳填充的聚四氟乙烯密封材料對與之配合的金屬表面的硬度值不高，能適合較軟的金屬活塞，而且工作過程中其配合表面容易形成穩(wěn)定的潤滑薄膜，這有利于潤滑和散熱。在本案例中金屬活塞的硬度不高，為45HRC，所以材料選用本公司的一種含有碳纖維填充的聚四氟乙烯材料，該材料最大承受壓力可達30 MPa。

1.1.2活塞環(huán)結構的選擇

一般來說，在密封系統(tǒng)中密封件的p·v值達到10 MPa·m/s就意味著該工況要求比較高；在本案例中，要求密封件工作時最高壓力為1 MPa，最大的工作轉(zhuǎn)速達6 000 r/min。所以該外徑70 mm的密封件的最大轉(zhuǎn)速為v=22 m/s；這樣其最大的p·v值為：1 MPa×22 m/s=22 MPa·m/s，遠大于10 MPa·m/s。由此可以看出，該工況條件比較苛刻，設計的密封件需要能滿足這種高p·v值的要求。而在以往有高p·v值要求的應用中，一般采用骨架油封，或者格萊圈與O型圈的組合密封，而采用骨架油封或者組合密封，都需要專門安裝工具來安裝。

考慮到安裝方便和工況條件苛刻，這里采用帶切口的活塞環(huán)；根據(jù)歷史案例的經(jīng)驗可選用帶C型切口的活塞環(huán)[3]。而以往的成功案例數(shù)據(jù)表明，帶C型切口的活塞環(huán)最大能承受的p·v值可達到30 MPa·m/s，能在-250～260 ℃的溫度下安全工作；而且?guī)锌诘幕钊h(huán)均不需要借助安裝工具就能輕松安裝到活塞上，這樣也節(jié)約了安裝成本。

1.2 活塞環(huán)的設計

根據(jù)圖1和設計經(jīng)驗，初步取該活塞環(huán)在自然安裝狀態(tài)下的外徑為φ70.1 mm，軸向?qū)挾葹?.3 mm，徑向壁厚為2 mm。對于該活塞環(huán)的關鍵尺寸是C型切口的接觸長度δ，接觸長度δ由δ1和δ2這二段組成(如圖4所示)。滿足(1)式則意味著它在最低工作溫度下，在C型切口處，活塞環(huán)不會被自己擠壞；在最高工作溫度下，活塞環(huán)C型切口處始終處于接觸狀態(tài)故能一直起到密封作用。

δ≥kδ1+kδ2

(1)

式中δ1——低于室溫25 ℃工作時，活塞環(huán)沿周向的收縮量

δ2——高于室溫25 ℃工作時，活塞環(huán)沿周向的膨脹量

k——安全因數(shù)

同時，接觸長度δ的長短和材料的熱脹冷縮有密切關系：

δ=αLΔT

(2)

式中 ΔT——熱變形下的工作溫差

α——活塞環(huán)熱膨脹系數(shù)

L——活塞環(huán)的周向原長度，mm

L=πD

(3)

將D=(70+65.8)/2=67.9 mm代入式(3)，可得L=213 mm；

對于本案例中的這種含有碳纖維填充的聚四氟乙烯材料，材料的實驗數(shù)據(jù)表明，在-75 ～15 ℃，熱膨脹系數(shù)α1=10-4mm/mm/(°)K；在15～5 ℃，α2=3×10-4mm/mm/(°)K；在25～125 ℃，α3=2×10-4mm/mm/(°)K。該活塞環(huán)的工作溫度區(qū)間是-40～140 ℃，則有：ΔT1=15-(-40)=55 K，ΔT2=25-15=10 K，ΔT3=125-25=100 K，則(2)可以分解為：

δ1=α1LΔT1+α2LΔT2

(4)

δ2=α3LΔT3

(5)

分別將ΔT1、ΔT2、ΔT3、α1、α2、α3及L的值分別代入式(4)和(5)，可得：δ1=1.81 mm，δ2=4.26 mm，取安全因數(shù)k=1.65，代入式(1)，可得接觸長度δ值為10.01 mm，因為C型切口是用成型刀沖壓，刀具的長度一般是整數(shù)，故δ圓整為10 mm，即當接觸長度δ是10 mm時，能保證該活塞環(huán)在工作溫度區(qū)間內(nèi)，切口處都一直處于接觸狀態(tài)，即起到密封作用。然后把上面初步確定的活塞環(huán)各尺寸，并結合工況輸入，采用ABAQUS軟件對活塞環(huán)進行初步動態(tài)應力分析(見圖3)，得到最大內(nèi)應力為1.9 MPa，C型切口處的接觸應力約為1.4 MPa，遠低于該材料的最大壓縮強度3.9 MPa和拉伸強度24 MPa，活塞環(huán)接觸力分布(見圖4)顯示，活塞環(huán)在外圓周側，與溝槽接觸的底面，以及切口疊加處的接觸力分布較為均勻、合理。初步表明設計能滿足要求；

(a)活塞環(huán)的內(nèi)應力分析 (b)A-A處的接觸應力分析圖3 活塞環(huán)的應力分析Fig.3 Stress analysis of the piston ring

(a)活塞環(huán)外圓周接觸力 (b)活塞環(huán)底面接觸力 (c)活塞環(huán)切口處接觸力圖4 活塞環(huán)的接觸力分析Fig.4 Contact fore of the piston ring

按照密封件低摩擦，易安裝，高可靠性的設計原則，并綜合考慮材料成型工藝，活塞環(huán)的尺寸公差進行多次調(diào)整后，確定的密封件所有尺寸和公差如圖5所示。

圖5 活塞環(huán)設計圖Fig.5 Design sketch of the picton ring

2 測量活塞環(huán)的量規(guī)的設計

因為該活塞環(huán)帶有C型切口，而切口處的接觸長度對密封起重要作用，而在測量切口處各尺寸(特別是尺寸δ1和δ2)時，需要使用專用的量規(guī)；考慮到材料經(jīng)濟，選用常見的工具鋼Cr2作為該量規(guī)的材料，加工后進行熱處理。

對于量規(guī)的形狀，設計了帶凹槽的環(huán)形量規(guī)(見圖6)，測量活塞環(huán)尺寸時，把活塞環(huán)均勻壓裝到量規(guī)的凹槽中，然后把它們一起放在投影儀上測量C型切口處的各尺寸。設計時使量規(guī)的凹槽徑向?qū)挾缺然钊h(huán)的徑向壁厚大0.02 mm，同時凹槽的深度比活塞環(huán)軸向長度小0.5 mm，并且在量規(guī)的二處設計了20 mm寬(和大拇指寬度大小差不多)的缺口，這樣能容易壓裝和取出活塞環(huán)，還能保證不會影響到切口處各尺寸的測量精度。在考慮人機工程學的因素(比如量規(guī)太厚會加大質(zhì)量而造成壓裝操作不適)，并經(jīng)過操作人員的多次操作驗證后，最終確定量規(guī)的尺寸和公差如下圖6所示。

圖6 量規(guī)的設計圖Fig.6 Design sketch of the fauge

3 試驗

客戶把60個活塞環(huán)安裝到專門設計的臺架上進行試驗，在4個月的泄漏試驗后發(fā)現(xiàn)，當油溫低于80 ℃時，泄漏量在可接受范圍內(nèi)，但是當油溫超過80 ℃時，由于油的黏度變低，泄漏量增大，造成泄漏量超過允許值。根據(jù)客戶的試驗數(shù)據(jù)和結果，以及本人的設計經(jīng)驗，再用FEA軟件分析，確定把該活塞環(huán)的徑向壁厚增加0.08 mm能滿足試驗要求。此后客戶采購了120個這種新的活塞環(huán)繼續(xù)泄漏試驗，試驗結果滿足要求，接著客戶進行了壽命試驗和其他試驗，試驗通過后，然后客戶把裝有該活塞環(huán)的變速器一起裝配到試驗車上進行整車路面試驗，試驗車在跑完5×104km要求路程后，汽車及各零部件運行良好。最后客戶確認了該活塞環(huán)能用在此型號的變速器上。

4 結論

(1)使用C型切口的活塞環(huán)來代替骨架油封或組合密封,能夠滿足該款變速器的密封要求；

(2)變速器在傳統(tǒng)的乘用車和商用車上必不可少，而且電動車和燃油車在未來10年還會同時存在，結合未來的汽車變速器市場需求的增加，所以此類帶切口的活塞環(huán)對傳統(tǒng)密封件的替代程度，能為新型變速器的開發(fā)起到推動作用。