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一种车用涡轮增压器管路密封结构设计
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陈云飞郭浪武永吉
摘要:随着汽车的发展,用车人更加懂车,对车辆静音舒适性、燃油经济性有着更高的要求。汽车节能减排,更多的涡轮增压车型得到了推广,为了提升驾乘人员舒适感,增压管消音器被更广泛的使用。因此,涡轮增压器、消音器、中冷器之间的连接方式课题就越来越多的被研究。涡轮增压器管路内外的温度,管路内部的变化的脉冲压力,机舱内部的振动,管路内部的油气介质,整车的排放要求提高,都要求有更加耐久并且可靠的密封装置来实现管路接口密封。
关键词:X型密封圈;过盈量分析;内应力云图分析
0?引言
涡轮增压器在家用轿车上的更广泛采用,汽车发动机舱内特别是涡轮附近的温度有了明显升高,相比较同等级的自然吸气发动机,在涡轮增压管附近温度增加约30~50℃;另外增压后的发动机进气管气体压力变大,温度升高,涡轮出口的高压气体温度在130~220℃左右,压力通常会在1.5~2.5bar,有的车型甚至会高达3bar以上。因此涡轮增压器、消音器、中冷器之间的密封原件的耐温性、耐久性就有了更高的要求。对于一个密封原件,我们需要重点考虑以下方面。首先,是零件基本结构,密封方式选择;其次,是材料选择,需要耐寒、耐高温,耐油气;还有,密封件需要设计合适的压缩量,保证公差带的配合;最后,需要对密封件在工作状态的应力云图进行分析,避免密封件局部应力过大导致提前失效。
本篇主要针对一款涡轮增压消音器(图1)快插结构密封圈典型结构设计方法进行阐述,意在提供一种结构化密封圈设计方法供参考。
1?密封方式的选择
针对涡轮增压管路使用环境和介质特点以及产品的安装要求,特别是运用在涡轮增压器之后,中冷器之前,密封圈双向都会承受压力。“O”型密封圈是依靠密封件发生弹性变形,在密封接触面上造成接触压力,接触压力大于被密封介质的内压,则不发生泄漏,反之则发生泄漏;“X”型密封圈可以将承受的系统压力均匀传递,使其4个外侧边贴紧管路表面,承受的压力越大其密封性能会更好。从这一点比较来看优选“X”型密封圈,见图2:X型密封圈安装结构示意图。
另外,针对本运用,对比同内、外径尺寸、同硬度的FKM“O”型和“X”型密封圈快插安装力及拆卸力(表1),研究表明“X”型密封圈快插安装力及拆卸力更加接近要求值,优先选择“X”型密封圈密封结构。
2?密封材料选择
基于产品的使用环境,对产品材料进行了筛选。基材,使用氟橡胶密封圈,可长期耐高温200℃,短期可耐温225℃。如果对密封圈有安装力、使用介质、表面摩擦系数等特殊要求,可以在密封圈上进行四氟乙烯的喷涂处理。结合国外对类似产品的使用经验,对密封圈材料进行如表2要求。
3?密封圈压缩量、尺寸链设计
3.1密封过盈量分析
消音器快插接頭密封原理,主要是X型密封圈内外密封面分别和阳接头、阴接头密封面过赢配合密封,利用发动机运行时涡轮增压管内气体压力,使得X型密封圈对应的唇边更加贴合密封面,保证密封的有效性。其装配示意图见图3。
过盈量计算公式:(密封件宽度-沟槽宽度)÷密封件宽度*100%,理论过盈量:
(3.5-2.75)÷3.5*100%=21.43%;
理论过盈量、最小过盈量、最大过盈量计算见表3。
3.2外径挤压量分析
由于密封件属于活塞杆式密封,即密封件初始安装状态为先装入孔内的沟槽,迫使外径挤压,最后才插入活塞杆,使其产生过盈干涉密封,故密封圈的内径的设计是参考初始状态(未插入活塞杆)密封件外径挤压率来判断的,其外径干涉量见表4。
外径挤压干涉率计算公式:(密封件外径-沟槽外径)÷密封件外径*100%。
理论外径挤压干涉率计算如下:
(52.5-51.5)÷52.5*100%=1.9%
4?密封件在工作状态的应力云图进行分析
密封圈材料、结构、过盈量设计完成后,需要用计算机模拟密封圈在工作状态下的受力情况,主要分析密封圈内应力以及过盈量表面接触应力。
应用有限元分析软件abaqus6.14,模拟橡胶材料不同过盈量下与沟槽接触的应力和应变,用于对比不同结构的优缺点,并辅助改善设计。
对比项目如下:理论过盈量0.75mm,最大过盈量1.075mm。abaqus分析项目为应变下的结构内应力和沟槽接触应力,结果如下:
①理论过盈量下的分析,见表5。
②最大过盈量下的分析,见表6。
密封件的过盈量设计是确保产品密封的关键要素,而安装挤压、结构优化都是在确必威体育官网网址封前提下进行完善的。密封件的材料是与实际应用工况进行匹配和选择的,是否匹配还应与相关实物测试为准。最终方案的选择以实际台架测试效果为准。
通常情况下过盈量设计:
①越大的过盈量,密封越可靠,干涉量大,安装会困难,同时产品结构被压缩就越大,内应力就越大,其应力疲劳就越快,不利于长久使用。
②越小的过盈量,应力疲劳越小,密封
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