楊增
摘 要:本文以矩形橡膠密封圈和矩形密封槽的匹配設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象,根據(jù)壓縮率和填充率的范圍要求,對(duì)矩形橡膠密封圈和密封槽尺寸進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。同時(shí),對(duì)于該密封系統(tǒng)在新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用,在不同的環(huán)境溫度時(shí),對(duì)于不同的尺寸匹配結(jié)果,基于Ansys軟件進(jìn)行了熱仿真,根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境溫度在-40℃~160℃區(qū)間變化時(shí),不同尺寸匹配情況下的壓縮率和填充率都是隨環(huán)境溫度的升高而升高,但是依然滿足密封系統(tǒng)的壓縮率和填充率的范圍要求。文章提出的根據(jù)壓縮率和填充率范圍要求,在溫度變化的環(huán)境下,對(duì)矩形橡膠密封圈和矩形密封槽進(jìn)行匹配設(shè)計(jì),具有一定的工程指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:矩形橡膠密封圈 矩形密封槽 高度方向的壓縮率 填充率 密封性能 名義尺寸 極限尺寸
0 引言
在液冷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為了讓電機(jī)持續(xù)在一個(gè)良好的溫度環(huán)境下運(yùn)行,需要及時(shí)的將電機(jī)所發(fā)的熱量帶走。在使用冷卻液流經(jīng)電機(jī)的殼體對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻的時(shí)候,通常會(huì)涉及到2個(gè)接觸面的密封設(shè)計(jì),其中橡膠密封圈和密封槽的尺寸匹配,是密封設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性問(wèn)題之一。因此在降低成本,優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí),保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)在S9工作制下,應(yīng)對(duì)不同的外部環(huán)境的時(shí),保證密封系統(tǒng)冷卻液工作壓力和溫度變化的多場(chǎng)耦合,依然能達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的可靠密封,是對(duì)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大的考驗(yàn),也是非常值得我們深入探討的問(wèn)題。
1 研究對(duì)象的基本信息
1.1 產(chǎn)品信息
本次研究旨在為客戶開(kāi)發(fā)一款使用標(biāo)準(zhǔn)乙二醇冷卻液冷卻的新能源電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng),如圖1所示,三合一驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)由電機(jī),逆變器,減速器組成。冷卻液通過(guò)冷卻液進(jìn)口,環(huán)繞在電機(jī)殼體上循環(huán)流動(dòng)的時(shí)候,與電機(jī)殼體進(jìn)行熱交換,在冷卻液流出電機(jī)后,通過(guò)冷卻液管道,流入車載熱交換器進(jìn)行熱交換,從而使冷卻液溫度降低,之后流出熱交換器,通過(guò)冷卻液管道,再次流入電機(jī)殼體。這樣,一個(gè)閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)就形成了。通過(guò)冷卻液的循環(huán)流動(dòng),帶走電機(jī)定子的銅線發(fā)出的熱量,從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在一定的溫度場(chǎng)下穩(wěn)定運(yùn)行,不至于由于電機(jī)過(guò)熱而降低電機(jī)的性能。關(guān)于液冷電機(jī)的基本信息見(jiàn)表1,電機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.
1.2 關(guān)于密封圈的概念設(shè)計(jì)
根據(jù)本款電機(jī)密封系統(tǒng)需求,我們需要6個(gè)小的密封圈密封冷卻液通道,此外,考慮到車載電機(jī)的工作環(huán)境,我們需要1個(gè)大密封圈對(duì)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行密封防護(hù),防止車輛在涉水的時(shí)候,外部環(huán)境的水滲入到電機(jī)內(nèi)部。這樣7個(gè)密封圈同時(shí)安裝在一個(gè)密封面上,會(huì)出線以下不利因素:
(1)預(yù)壓組裝的時(shí)候,7個(gè)密封圈不能確保正確的躺在密封槽中,有被擠壓出密封槽的風(fēng)險(xiǎn)。
(2)7個(gè)密封圈對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)增加了物料成本和組裝成本。
(3)7個(gè)密封圈平躺布置,需要更大的安裝空間,使得電機(jī)殼體變大變重,同樣增加了物料成本。
綜上所述,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)組合密封圈,這樣就能同時(shí)改善以上三個(gè)問(wèn)題。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)使用截面積為O型的橡膠密封圈,大小兩個(gè)密封圈結(jié)合的部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無(wú)法保證能達(dá)到必須的密封性能,同時(shí)給密封圈的開(kāi)模,以及生產(chǎn)制造,帶來(lái)了一定的困難。這樣,矩形橡膠密封圈組合就應(yīng)運(yùn)而生,如圖2所示。
矩形密封圈的截面尺寸,也沒(méi)有像O形圈一樣有國(guó)標(biāo)GB/T3452.1-2005推薦的尺寸。同時(shí),由于密封面需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)冷卻液通道的密封,是非常復(fù)雜的流體密封結(jié)構(gòu),電機(jī)殼體的厚度和不規(guī)則的幾何形狀受到非常大的考驗(yàn)。綜合以上信息后,在反復(fù)討論和3D建模實(shí)踐之后,我們?cè)O(shè)計(jì)了矩形橡膠密封圈的截面積尺寸為:高度Hs=2.65±0.08mm,寬度Ws=2.65±0.08mm. 后續(xù)將基于這種規(guī)格的密封圈組合做一序列的研究。
1.3 材料的選擇
冷卻系統(tǒng)計(jì)劃的工作溫度范圍為-35℃~80℃,在S9工作制下,定子的溫度范圍為-35℃~150℃,由于熱傳導(dǎo)的有效性,與冷卻液接觸的殼體的溫度要低于定子最高溫度150℃,密封圈安裝在殼體上,因此選擇了EPDM(工作溫度范圍約-56℃~150℃)作為橡膠密封圈的材料。
2 密封槽的尺寸設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)矩形密封槽時(shí),應(yīng)首先考慮矩形密封槽和密封圈的匹配關(guān)系[1],這將直接關(guān)系到密封性能。(見(jiàn)圖3)
在《真空設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]中,只有O型橡膠密封圈對(duì)應(yīng)的矩形密封槽的設(shè)計(jì)計(jì)算公式[1],沒(méi)有矩形密封圈對(duì)應(yīng)的密封槽的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。當(dāng)然,這種設(shè)計(jì)方式可作參考。
在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]中,更是沒(méi)有有關(guān)矩形橡膠密封圈和矩形密封槽尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。所以在這次驅(qū)動(dòng)電機(jī)密封系統(tǒng)的實(shí)例設(shè)計(jì)中,根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)矩形橡膠密封圈和矩形密封槽的名義尺寸。同時(shí)根據(jù)邊界條件的定義,借助仿真工具,根據(jù)壓縮率和填充率的范圍要求,對(duì)環(huán)境溫度影響下矩形橡膠密封圈和矩形密封槽尺寸進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)研究。
2.1 高度方向的壓縮率
在密封狀態(tài)下,密封圈與溝槽封底部和蓋板之間的連續(xù)界面上的接觸應(yīng)力,大于冷卻液系統(tǒng)的壓力,才可以保證密封性能。
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,20℃時(shí),應(yīng)用在既定場(chǎng)景下的密封圈系統(tǒng)設(shè)計(jì),根據(jù)矩形橡膠密封圈的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),高度方向的壓縮率區(qū)間一般在在為8%~14%之間[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)和工廠組裝經(jīng)驗(yàn),極限情況下,壓縮率最低不小于6%,最高不大于20%,壓縮率的計(jì)算公式如下:
C為壓縮率,Hs為矩形橡膠密封圈的高度,Hg為矩形密封槽的深度。當(dāng)Hs=2.65±0.08mm,取8%進(jìn)行計(jì)算,并圓整,得到最深的槽Hgmax=2.36mm,考慮制造加工的精度的有效率,帶公差尺寸為Hg=2.33±0.03mm.
復(fù)算壓縮率,不同尺寸和公差情況下,矩形橡膠密封圈匹配的矩形密封槽的壓縮率為:
最大壓縮率Cmax=8.2%
最小壓縮率Cmin=12.1%
正常壓縮率Cnol=16.1%
以上符合密封圈壓縮率的設(shè)計(jì)要求。
2.2 填充率
根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn),橡膠密封圈填充率一般在70%~90%之間。在工作狀態(tài)下,密封圈應(yīng)該盡量穩(wěn)定的填充在密封槽中,才可以保證密封性能。最大不超過(guò)100%,否則密封系統(tǒng)有失效的風(fēng)險(xiǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,20℃時(shí),應(yīng)用在既定場(chǎng)景下的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì),考慮到設(shè)計(jì)安全裕量,初步選擇填充率區(qū)間在為70%~90%之間,矩形橡膠密封圈,在彈性變形的情況下,截面積和體積保持不變。理論上,矩形密封圈和密封槽的填充率的計(jì)算公式如下:
F為填充率,Vs為密封圈的體積,Vg為密封槽的體積,Ss為密封圈的截面積,Sg為密封槽的截面積, Ls為密封圈長(zhǎng)度,Lg為密封槽中心線長(zhǎng)度,通常情況下,Ls=Lg。當(dāng)Ws=2.65±0.08mm,Hs=2.65±0.08mm,取中值80%計(jì)算,并圓整,得到矩形密封槽寬度Wg=3.8mm,考慮制造加工的精度的有效率,帶公差尺寸為Wg=3.8±0.03mm。
復(fù)算填充率,不同尺寸和公差情況下,矩形橡膠密封圈匹配的矩形密封槽的填充率為:
最大填充率Fmax=86.4%
最小填充率Fmin=79.5%
正常填充率Fnol=73.3%
以上符合壓縮率的基本要求,而且有一定的安全裕量,具體應(yīng)用的時(shí)候,可以結(jié)合應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)景,對(duì)名義尺寸或者公差進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。
3 溫度影響下的壓縮率和填充率
由于EPDM橡膠材料是典型的材料非線性與幾何非線性材料,其本構(gòu)關(guān)系是非常復(fù)雜的非線性函數(shù),其受溫度的影響會(huì)出現(xiàn)非線性的膨脹和收縮,而且EPDM橡膠材料的膨脹率遠(yuǎn)大于鋁殼的膨脹率。在環(huán)境溫度變化時(shí),同樣會(huì)影響其兩大關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo):高度方向的壓縮率和填充率。
3.1 高度方向的壓縮率
通過(guò)Ansys系統(tǒng)的Static Structural仿真模塊[2],在名義尺寸和極限尺寸下,在軟件中設(shè)定溫度從-40℃到160℃時(shí),不同材料對(duì)應(yīng)的膨脹率,再結(jié)合不同密封圈和密封槽的尺寸匹配,得出對(duì)應(yīng)以下三種狀態(tài)的不同壓縮率折線圖,如圖4所示:
(1)名義尺寸壓縮率。此時(shí)矩形橡膠密封圈和矩形密封槽都處于名義尺寸下,具體數(shù)值如下:
矩形橡膠密封圈尺寸Ws=2.65mm,Hs=2.65mm,矩形密封槽尺寸Wg=3.8mm,Hg=2.33mm。
(2)極限匹配尺寸A壓縮率。此時(shí)取矩形橡膠密封圈尺寸上公差,匹配矩形密封槽尺寸下公差,具體數(shù)值如下:
矩形橡膠密封圈尺寸Ws=2.73mm,Hs=2.73mm,矩形密封槽尺寸Wg=3.77mm,Hg=2.3mm。
(3)極限匹配尺寸B壓縮率。此時(shí)取矩形橡膠密封圈尺寸下公差,匹配矩形密封槽尺寸上公差,具體數(shù)值如下:
矩形橡膠密封圈尺寸Ws=2.57mm,Hs=2.57mm,矩形密封槽尺寸Wg=3.83mm,Hg=2.36mm。
根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,總結(jié)如下:
(1)當(dāng)環(huán)境溫度在-40℃~160℃區(qū)間變化時(shí),在三種不同尺寸匹配情況下,高度方向的壓縮率隨溫度的升高而升高。
(2)對(duì)于三種不同尺寸的密封圈和密封槽匹配后,總的壓縮率區(qū)間為7.3%~17.7%,滿足極限壓縮率的范圍要求。
(3)可以對(duì)名義尺寸或公差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整進(jìn)行迭代計(jì)算,找出設(shè)計(jì)邊界。
3.2 填充率
同樣通過(guò)Ansys系統(tǒng)的Static Structural仿真模塊,在名義尺寸和極限尺寸下,在軟件中設(shè)定溫度從-40℃到160℃時(shí),不同材料對(duì)應(yīng)的膨脹率,再結(jié)合不同密封圈和密封槽的尺寸匹配,得出對(duì)應(yīng)以下三種狀態(tài)的不同壓縮率折線圖,如圖5所示:
(1)名義尺寸填充率。此時(shí)矩形橡膠密封圈和矩形密封槽都處于名義尺寸下,具體數(shù)值如下:
矩形橡膠密封圈尺寸Ws=2.65mm,Hs=2.65mm,矩形密封槽尺寸Wg=3.8mm,Hg=2.33mm。
(2)極限匹配尺寸A填充率。此時(shí)取矩形橡膠密封圈尺寸上公差,匹配矩形密封槽尺寸下公差,具體數(shù)值如下:
矩形橡膠密封圈尺寸Ws=2.73mm,Hs=2.73mm,矩形密封槽尺寸Wg=3.77mm,Hg=2.3mm。
(3)極限匹配尺寸B填充率。此時(shí)取矩形橡膠密封圈尺寸下公差,匹配矩形密封槽尺寸上公差,具體數(shù)值如下:
矩形橡膠密封圈尺寸Ws=2.57mm,Hs=2.57mm,矩形密封槽尺寸Wg=3.83mm,Hg=2.36mm。
根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,總結(jié)如下:
(1)當(dāng)環(huán)境溫度在-40℃~160℃區(qū)間變化時(shí),在三種不同尺寸匹配情況下,填充率隨溫度的升高而升高。
(2)對(duì)于三種不同尺寸的密封圈和密封槽匹配后,總的填充率區(qū)間為71.5%~91%,滿足極限壓縮率的范圍要求。
(3)填充率幾乎已經(jīng)處于設(shè)計(jì)邊界,不建議調(diào)整名義尺寸和公差。
3.3 耐久試驗(yàn)和批量生產(chǎn)
該驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PTCE/HTOE的耐久實(shí)驗(yàn)和批量生產(chǎn)后的使用情況,電機(jī)沒(méi)用因密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)原因而導(dǎo)致的泄露現(xiàn)象。充分說(shuō)明對(duì)于矩形橡膠密封圈和密封槽的匹配設(shè)計(jì)時(shí),在密封系統(tǒng)冷卻液工作壓力和溫度變化的多場(chǎng)耦合下,滿足密封系統(tǒng)的壓縮率和填充率的通常要求,完全可以滿足密封設(shè)計(jì)性能要求。
4 總結(jié)
在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的密封設(shè)計(jì)中,盡管矩形密封圈系統(tǒng) 沒(méi)有規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算方式,但是矩形橡膠密封圈和密封槽的匹配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,仍然是密封系統(tǒng)高度方向的壓縮率和填充率。同時(shí)溫度對(duì)密封系統(tǒng)也有重要的影響。
未來(lái),希望同樣可以參照GB/T3452.1-2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈》[5],對(duì)矩形橡膠密封圈和矩形密封槽進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,序列化,規(guī)范化(盡量使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的尺寸)。這樣讓使用者可以通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),輕松的選取需要的矩形橡膠密封圈規(guī)格,并且設(shè)計(jì)規(guī)范的矩形密封槽,使密封系統(tǒng)的性能達(dá)到產(chǎn)品的需求。
只有這樣,才可以讓它的互換性優(yōu)勢(shì)充分的表現(xiàn)出來(lái),也為它在需要使用密封圈的水冷/油冷電機(jī)的汽車行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用,降低成本,打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
總之,滿足密封性能需求的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)該建立在矩形橡膠密封圈和矩形密封槽尺寸合理匹配的基礎(chǔ)上。
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