一種整體式矩形密封環(huán)的裝配工藝研究

魏濤， 劉道欽， 秦永武， 張營， 戈廣嶺

（第一拖拉機(jī)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(jī)上得以應(yīng)用。動力換擋變速箱是指拖拉機(jī)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(jìn)行適時(shí)操縱，從而實(shí)現(xiàn)變速箱的換擋、換向。這種變速箱代表著當(dāng)今拖拉機(jī)產(chǎn)品的一個(gè)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(gè)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(jī)中離合器總成的高效密封性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)間隙計(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)

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(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)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(jìn)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(shí)，計(jì)算密封環(huán)與換向從動軸焊合件間隙，按式（1）計(jì)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(jì)算驗(yàn)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(jìn)行密封環(huán)的裝配無法實(shí)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(jìn)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(jì)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(shí)停止推動壓裝輔具，如圖4所示，使密封環(huán)在此處進(jìn)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(jì)為尼龍。

通過上述密封環(huán)的脹開工藝，成功實(shí)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(shí)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(jì)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(jì)注意要點(diǎn)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(shí)間內(nèi)無法收縮至產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸，致使無法進(jìn)行下一步的換向從動軸前軸承蓋裝配，因此，本工藝試驗(yàn)亟待解決的下一個(gè)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(jìn)行測量及結(jié)合相配件設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行分析，密封環(huán)收縮工藝要保證密封環(huán)在整個(gè)外徑上收縮平穩(wěn)、受力均勻，防止密封環(huán)在收縮時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)時(shí)，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(shí)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(jì)如圖8所示收縮夾具本體，使其內(nèi)孔在張開及收縮時(shí)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(shí)防切圈結(jié)構(gòu)，即夾具本身不應(yīng)存在尖角、毛刺，同時(shí)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(jìn)行加工（如圖8所示），同時(shí)分割后的夾具進(jìn)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(shí)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(shí)用限位結(jié)構(gòu)。解決措施：夾具設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)壓緊螺釘11將收縮夾具進(jìn)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(yàn)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(shí)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(shí)施，具有很好的使用價(jià)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。