一種車用渦輪增壓器管路密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳云飛 郭浪 武永吉

摘要：隨著汽車的發(fā)展，用車人更加懂車，對(duì)車輛靜音舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性有著更高的要求。汽車節(jié)能減排，更多的渦輪增壓車型得到了推廣，為了提升駕乘人員舒適感，增壓管消音器被更廣泛的使用。因此，渦輪增壓器、消音器、中冷器之間的連接方式課題就越來越多的被研究。渦輪增壓器管路內(nèi)外的溫度，管路內(nèi)部的變化的脈沖壓力，機(jī)艙內(nèi)部的振動(dòng)，管路內(nèi)部的油氣介質(zhì)，整車的排放要求提高，都要求有更加耐久并且可靠的密封裝置來實(shí)現(xiàn)管路接口密封。

關(guān)鍵詞：X型密封圈;過盈量分析;內(nèi)應(yīng)力云圖分析

0? 引言

渦輪增壓器在家用轎車上的更廣泛采用，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)特別是渦輪附近的溫度有了明顯升高，相比較同等級(jí)的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在渦輪增壓管附近溫度增加約30～50℃;另外增壓后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管氣體壓力變大，溫度升高，渦輪出口的高壓氣體溫度在130～220℃左右，壓力通常會(huì)在1.5～2.5bar，有的車型甚至?xí)哌_(dá)3bar以上。因此渦輪增壓器、消音器、中冷器之間的密封原件的耐溫性、耐久性就有了更高的要求。對(duì)于一個(gè)密封原件，我們需要重點(diǎn)考慮以下方面。首先，是零件基本結(jié)構(gòu)，密封方式選擇;其次，是材料選擇，需要耐寒、耐高溫，耐油氣;還有，密封件需要設(shè)計(jì)合適的壓縮量，保證公差帶的配合;最后，需要對(duì)密封件在工作狀態(tài)的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，避免密封件局部應(yīng)力過大導(dǎo)致提前失效。

本篇主要針對(duì)一款渦輪增壓消音器（圖1）快插結(jié)構(gòu)密封圈典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述，意在提供一種結(jié)構(gòu)化密封圈設(shè)計(jì)方法供參考。

1? 密封方式的選擇

針對(duì)渦輪增壓管路使用環(huán)境和介質(zhì)特點(diǎn)以及產(chǎn)品的安裝要求，特別是運(yùn)用在渦輪增壓器之后，中冷器之前，密封圈雙向都會(huì)承受壓力。 “O”型密封圈是依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏;“X”型密封圈可以將承受的系統(tǒng)壓力均勻傳遞，使其4個(gè)外側(cè)邊貼緊管路表面，承受的壓力越大其密封性能會(huì)更好。從這一點(diǎn)比較來看優(yōu)選“X”型密封圈，見圖2：X型密封圈安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

另外，針對(duì)本運(yùn)用，對(duì)比同內(nèi)、外徑尺寸、同硬度的FKM“O”型和“X”型密封圈快插安裝力及拆卸力（表1），研究表明“X”型密封圈快插安裝力及拆卸力更加接近要求值，優(yōu)先選擇 “X”型密封圈密封結(jié)構(gòu)。

2? 密封材料選擇

基于產(chǎn)品的使用環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品材料進(jìn)行了篩選。基材，使用氟橡膠密封圈，可長期耐高溫200℃，短期可耐溫225℃。如果對(duì)密封圈有安裝力、使用介質(zhì)、表面摩擦系數(shù)等特殊要求，可以在密封圈上進(jìn)行四氟乙烯的噴涂處理。結(jié)合國外對(duì)類似產(chǎn)品的使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)密封圈材料進(jìn)行如表2要求。

3? 密封圈壓縮量、尺寸鏈設(shè)計(jì)

3.1 密封過盈量分析

消音器快插接頭密封原理，主要是X型密封圈內(nèi)外密封面分別和陽接頭、陰接頭密封面過贏配合密封，利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)渦輪增壓管內(nèi)氣體壓力，使得X型密封圈對(duì)應(yīng)的唇邊更加貼合密封面，保證密封的有效性。其裝配示意圖見圖3。

過盈量計(jì)算公式：（密封件寬度-溝槽寬度）÷密封件寬度*100%，理論過盈量：

（3.5-2.75）÷3.5*100%=21.43%;

理論過盈量、最小過盈量、最大過盈量計(jì)算見表3。

3.2 外徑擠壓量分析

由于密封件屬于活塞桿式密封，即密封件初始安裝狀態(tài)為先裝入孔內(nèi)的溝槽，迫使外徑擠壓，最后才插入活塞桿，使其產(chǎn)生過盈干涉密封，故密封圈的內(nèi)徑的設(shè)計(jì)是參考初始狀態(tài)（未插入活塞桿）密封件外徑擠壓率來判斷的，其外徑干涉量見表4。

外徑擠壓干涉率計(jì)算公式：（密封件外徑 - 溝槽外徑）÷密封件外徑*100%。

理論外徑擠壓干涉率計(jì)算如下：

（52.5-51.5）÷52.5*100%=1.9%

4? 密封件在工作狀態(tài)的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析

密封圈材料、結(jié)構(gòu)、過盈量設(shè)計(jì)完成后，需要用計(jì)算機(jī)模擬密封圈在工作狀態(tài)下的受力情況，主要分析密封圈內(nèi)應(yīng)力以及過盈量表面接觸應(yīng)力。

應(yīng)用有限元分析軟件abaqus6.14，模擬橡膠材料不同過盈量下與溝槽接觸的應(yīng)力和應(yīng)變，用于對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并輔助改善設(shè)計(jì)。

對(duì)比項(xiàng)目如下：理論過盈量0.75mm，最大過盈量1.075mm。abaqus分析項(xiàng)目為應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力和溝槽接觸應(yīng)力，結(jié)果如下：

①理論過盈量下的分析，見表5。

②最大過盈量下的分析，見表6。

密封件的過盈量設(shè)計(jì)是確保產(chǎn)品密封的關(guān)鍵要素，而安裝擠壓、結(jié)構(gòu)優(yōu)化都是在確保密封前提下進(jìn)行完善的。密封件的材料是與實(shí)際應(yīng)用工況進(jìn)行匹配和選擇的，是否匹配還應(yīng)與相關(guān)實(shí)物測試為準(zhǔn)。最終方案的選擇以實(shí)際臺(tái)架測試效果為準(zhǔn)。

通常情況下過盈量設(shè)計(jì)：

①越大的過盈量，密封越可靠，干涉量大，安裝會(huì)困難，同時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)被壓縮就越大，內(nèi)應(yīng)力就越大，其應(yīng)力疲勞就越快，不利于長久使用。

②越小的過盈量，應(yīng)力疲勞越小，密封壽命越長久，然而與溝槽接觸的應(yīng)力越少，越容易出現(xiàn)介質(zhì)滲漏，故密封可靠性低。

故，密封過盈量需要考慮一個(gè)中間值，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)為8%-30%，然而不同材料下其力學(xué)性能不同，同樣過盈量下產(chǎn)生的接觸應(yīng)力是不同的，還需確定根據(jù)材料性能加以調(diào)整。

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