一種驅(qū)動電機用矩形橡膠密封系統(tǒng)的設計方法

楊增

摘 要：本文以矩形橡膠密封圈和矩形密封槽的匹配設計作為研究對象，根據(jù)壓縮率和填充率的范圍要求，對矩形橡膠密封圈和密封槽尺寸進行匹配設計。同時，對于該密封系統(tǒng)在新能源汽車驅(qū)動電機環(huán)境的實際應用，在不同的環(huán)境溫度時，對于不同的尺寸匹配結(jié)果，基于Ansys軟件進行了熱仿真，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度在-40℃～160℃區(qū)間變化時，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，對矩形橡膠密封圈和矩形密封槽進行匹配設計，具有一定的工程指導意義。

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)動電機的結(jié)構(gòu)設計中，為了讓電機持續(xù)在一個良好的溫度環(huán)境下運行，需要及時的將電機所發(fā)的熱量帶走。在使用冷卻液流經(jīng)電機的殼體對電機進行冷卻的時候，通常會涉及到2個接觸面的密封設計，其中橡膠密封圈和密封槽的尺寸匹配，是密封設計中的關(guān)鍵性問題之一。因此在降低成本，優(yōu)化架構(gòu)設計的同時，保證驅(qū)動電機在S9工作制下，應對不同的外部環(huán)境的時，保證密封系統(tǒng)冷卻液工作壓力和溫度變化的多場耦合，依然能達到長期穩(wěn)定的可靠密封，是對密封系統(tǒng)設計最大的考驗，也是非常值得我們深入探討的問題。

1 研究對象的基本信息

1.1 產(chǎn)品信息

本次研究旨在為客戶開發(fā)一款使用標準乙二醇冷卻液冷卻的新能源電動車用驅(qū)動電機系統(tǒng)，如圖1所示，三合一驅(qū)動電機系統(tǒng)由電機，逆變器，減速器組成。冷卻液通過冷卻液進口，環(huán)繞在電機殼體上循環(huán)流動的時候，與電機殼體進行熱交換，在冷卻液流出電機后，通過冷卻液管道，流入車載熱交換器進行熱交換，從而使冷卻液溫度降低，之后流出熱交換器，通過冷卻液管道，再次流入電機殼體。這樣，一個閉環(huán)的冷卻系統(tǒng)就形成了。通過冷卻液的循環(huán)流動，帶走電機定子的銅線發(fā)出的熱量，從而使驅(qū)動電機在一定的溫度場下穩(wěn)定運行，不至于由于電機過熱而降低電機的性能。關(guān)于液冷電機的基本信息見表1，電機結(jié)構(gòu)見圖1.

1.2 關(guān)于密封圈的概念設計

根據(jù)本款電機密封系統(tǒng)需求，我們需要6個小的密封圈密封冷卻液通道，此外，考慮到車載電機的工作環(huán)境，我們需要1個大密封圈對電機內(nèi)部進行密封防護，防止車輛在涉水的時候，外部環(huán)境的水滲入到電機內(nèi)部。這樣7個密封圈同時安裝在一個密封面上，會出線以下不利因素：

（1）預壓組裝的時候，7個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險。

（2）7個密封圈對于電機來說增加了物料成本和組裝成本。

（3）7個密封圈平躺布置，需要更大的安裝空間，使得電機殼體變大變重，同樣增加了物料成本。

綜上所述，我們設計了一個組合密封圈，這樣就能同時改善以上三個問題。同時，我們發(fā)現(xiàn)使用截面積為O型的橡膠密封圈，大小兩個密封圈結(jié)合的部位結(jié)構(gòu)復雜，無法保證能達到必須的密封性能，同時給密封圈的開模，以及生產(chǎn)制造，帶來了一定的困難。這樣，矩形橡膠密封圈組合就應運而生，如圖2所示。

矩形密封圈的截面尺寸，也沒有像O形圈一樣有國標GB/T3452.1-2005推薦的尺寸。同時，由于密封面需要實現(xiàn)多個冷卻液通道的密封，是非常復雜的流體密封結(jié)構(gòu)，電機殼體的厚度和不規(guī)則的幾何形狀受到非常大的考驗。綜合以上信息后，在反復討論和3D建模實踐之后，我們設計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 密封槽的尺寸設計

在設計矩形密封槽時，應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。（見圖3）

在《真空設計手冊》[4]中，只有O型橡膠密封圈對應的矩形密封槽的設計計算公式[1]，沒有矩形密封圈對應的密封槽的設計計算方法。當然，這種設計方式可作參考。

在《機械設計手冊》[5]中，更是沒有有關(guān)矩形橡膠密封圈和矩形密封槽尺寸的設計計算公式。所以在這次驅(qū)動電機密封系統(tǒng)的實例設計中，根據(jù)自己的工作經(jīng)驗來設計矩形橡膠密封圈和矩形密封槽的名義尺寸。同時根據(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，對環(huán)境溫度影響下矩形橡膠密封圈和矩形密封槽尺寸進行匹配設計研究。

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)界面上的接觸應力，大于冷卻液系統(tǒng)的壓力，才可以保證密封性能。

標準大氣壓下，20℃時，應用在既定場景下的密封圈系統(tǒng)設計，根據(jù)矩形橡膠密封圈的設計經(jīng)驗，高度方向的壓縮率區(qū)間一般在在為8%～14%之間[3]。根據(jù)設計和工廠組裝經(jīng)驗，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Hs=2.65±0.08mm，取8%進行計算，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計要求。

2.2 填充率

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，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100%，否則密封系統(tǒng)有失效的風險。

標準大氣壓下，20℃時，應用在既定場景下的密封系統(tǒng)設計，考慮到設計安全裕量，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為密封圈長度，Lg為密封槽中心線長度，通常情況下，Ls=Lg。當Ws=2.65±0.08mm，Hs=2.65±0.08mm，取中值80%計算，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，具體應用的時候，可以結(jié)合應用的實際場景，對名義尺寸或者公差進行迭代設計。

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)系是非常復雜的非線性函數(shù)，其受溫度的影響會出現(xiàn)非線性的膨脹和收縮，而且EPDM橡膠材料的膨脹率遠大于鋁殼的膨脹率。在環(huán)境溫度變化時，同樣會影響其兩大關(guān)鍵設計指標：高度方向的壓縮率和填充率。

3.1 高度方向的壓縮率

通過Ansys系統(tǒng)的Static Structural仿真模塊[2]，在名義尺寸和極限尺寸下，在軟件中設定溫度從-40℃到160℃時，不同材料對應的膨脹率，再結(jié)合不同密封圈和密封槽的尺寸匹配，得出對應以下三種狀態(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)計算的結(jié)果，總結(jié)如下：

（1）當環(huán)境溫度在-40℃～160℃區(qū)間變化時，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）可以對名義尺寸或公差進行適當調(diào)整進行迭代計算，找出設計邊界。

3.2 填充率

同樣通過Ansys系統(tǒng)的Static Structural仿真模塊，在名義尺寸和極限尺寸下，在軟件中設定溫度從-40℃到160℃時，不同材料對應的膨脹率，再結(jié)合不同密封圈和密封槽的尺寸匹配，得出對應以下三種狀態(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)計算的結(jié)果，總結(jié)如下：

（1）當環(huán)境溫度在-40℃～160℃區(qū)間變化時，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)處于設計邊界，不建議調(diào)整名義尺寸和公差。

3.3 耐久試驗和批量生產(chǎn)

該驅(qū)動電機的PTCE/HTOE的耐久實驗和批量生產(chǎn)后的使用情況，電機沒用因密封系統(tǒng)設計原因而導致的泄露現(xiàn)象。充分說明對于矩形橡膠密封圈和密封槽的匹配設計時，在密封系統(tǒng)冷卻液工作壓力和溫度變化的多場耦合下，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計性能要求。

4 總結(jié)

在電驅(qū)動系統(tǒng)的密封設計中，盡管矩形密封圈系統(tǒng) 沒有規(guī)范的設計計算方式，但是矩形橡膠密封圈和密封槽的匹配設計的關(guān)鍵，仍然是密封系統(tǒng)高度方向的壓縮率和填充率。同時溫度對密封系統(tǒng)也有重要的影響。

未來，希望同樣可以參照GB/T3452.1-2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈》[5]，對矩形橡膠密封圈和矩形密封槽進行標準化，序列化，規(guī)范化（盡量使用國家標準的尺寸）。這樣讓使用者可以通過國家標準，輕松的選取需要的矩形橡膠密封圈規(guī)格，并且設計規(guī)范的矩形密封槽，使密封系統(tǒng)的性能達到產(chǎn)品的需求。

只有這樣，才可以讓它的互換性優(yōu)勢充分的表現(xiàn)出來，也為它在需要使用密封圈的水冷/油冷電機的汽車行業(yè)大規(guī)模應用，降低成本，打下堅實的基礎(chǔ)。

總之，滿足密封性能需求的密封系統(tǒng)設計，應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。

參考文獻：

[1] 王利鳴，等. 一種新型矩形密封槽設計[J].機械工程師，2008（4）：84-88.

[2] 何廣德，等. 基于有限元分析的矩形橡膠密封圈密封性能研究[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2014（07）：35-39.

[3] 余魯五.介紹一種靜密封用密封件——矩形密封圈[J].流體傳動與控制，2006（5）：44-46.

[4] 達道安.真空設計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[5] 成大先.機械設計手冊：第3卷[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.