动密封环密封和强度性能的研究与分析.pdf

202023年第16 期动密封环密封和强度性能的研究与分析膜材金莹莹，韩韦橙，宋宏利（上海飞龙新能源汽车部件有限公司，上海手2 0 1112)摘要：本文对某项目汽车热管理控制阀的动密封环进行了密封性能和强度性能的分析计算，并分别对比了过盈量和骨架材料对动密封环密封性能和强度性能的影响。结果表明，在一定范围内，过盈量越大，密封环的密封性能越好，但密封环的应力也会越大；塑料骨架比金属骨架具有更好的密封性能，但塑料材料强度性能比金属材料的低。因此对于动密封机构，需要综合考虑密封和强度两种性能，使两种性能都满足要求。这对类似的橡胶密封结构的设计具有一定的参考意义。关键词：动密封环；橡胶；密封；有限元分析；热管理控制阀中图分类号：U461.2Research and Analysis on Seal and Strength Performance of Dynamic Seal Ring(Shanghai Feilong New Energy Auto Components Co.,Ltd,Shanghai 201112)Abstract:This paper carries out the seal and strength performance of the vehicle TCV dynamic seal ring.The influ-ences of the precompression and the frame material on the seal and strength performance of the dynamic seal were com-pared respectively.It is shown that,in a certain range,larger the precompression,better the seal performance,but largerthe stress.At the same time,plastic frame of the dynamic seal ring has better seal performance than steel frame,butplastic has lower strength performance than steel.So,for the dynamic seal ring,seal and strength performances shouldbe considered both in the design.This paper provides reference value?for similar rubber seal structure design.Key words:Dynamic Seal Ring;Rubber;Seal;FEA;TCV0引言随着新能源汽车的快速发展，汽车安全性、续航里程等越来越受到人们的重视，因此对汽车热管理系统进行研究具有重要意义1。汽车热管理系统是整车系统的重要组成部分，它从整车角度统筹汽车发动机、空调、电池、电机等相关部件，运用热力学原理有效解决整车热相关问题，使得各功能模块处于最佳温度工况区间，提高整车经济性和动力性，保证车辆安全行驶2 。热管理控制阀是热管理系统中的关键部件，它可以实现对系统冷却液流量的灵活控制，可根据发动机转速和负荷来调整冷却液温度，实现节油减排的目的。动密封机构是热管理控制阀的核心零部件，动密封机构通过与控制阀的球体相互配合，能够控制发动机冷却系统各个回路的通断。密封性能的好坏直接影响对管路流量的控制。因此，对动密封机构密封性能的研究具有很重要的工程意义。本文对动密封环的密封性能进行了有限元仿真和研究，分析了各个影响因素对动密封环密封性能和强度性能的影响,对类似的橡胶密封结构的设计提供了一定的参考意义。1动密封环橡胶的材料特性橡胶是一种比较特殊的材料，可看作各向同性，同时体积近似不可压缩，具有其他材料所没有的高弹性3。不同于金属材料，橡胶在较小的外力下就会使它产生很大的变形，而外力除去以后，又基本上能恢复原来的形状，因此橡胶又被称为超弹性材料4。作者简介：金莹莹（19 8 6 一），女，山东省聊城市，汉族，中级工程师，硕士学位，研究方向为结构强度和优化仿真。文献标识码：AJin Ying-ying,Han Cheng,Song Hong-li密封机构图2.1动密封机构的三维模型骨架橡胶图2.2 动密封环三维模型及其截面结构简图文章编号：16 7 4-9 57 X(2023)16-0020-03杂特性，仿真分析时不能用弹性模量和泊松比的理论来进行描述，而用应变势能来表示5通过对橡胶进行力学性能试验，得到橡胶的单轴拉伸、双轴拉伸和平面拉伸三种试验数据。将得到的试验数据和最常用的Mooney-Rivlin橡胶本构模型6 进行拟合，来最终确定仿真分析中的橡胶的材料参数。2动密封机构有限元模型的建立2.1动密封机构的工作原理热管理控制阀的动密封机构的三维模型如图2.1所示，动密封环三维模型及其截面结构简图如图2.2 所示。水管阀球橡胶作为一种超弹性材料，应力应变具有非线性的复内燃机与配件动密封环主要由以下三部分组成：和PTFE之间采用粘接的方式来模拟。接触类型采用罚1)骨架：骨架一般由塑料或金属材料制成，主要起到函数法,摩擦系数设为0.1。支撑的作用。不考虑阀球的转动，将动密封方式看作静密封的密封2)橡胶：主要由三元乙丙橡胶（简称EPDM)材料制方式，其工作工程可以分为两部分：第一步，水管和动密封成,包裹在骨架的外面,通过与水管之间的过盈装配，使之环之间的过盈装配；第二步，水管内的液体对动密封环的产生变形和支撑力，从而实现水管和动密封环之间（水管压力作用。为了仿真模拟动密封环的工作过程，可进行如侧）的密封、以及动密封环和阀球之间（阀球侧)的密封。下处理：首先，动密封环不动，将水管往上移动一个过盈量3)膜材：在阀球侧的橡胶外面添加一层PTFE膜材，大小,使水管和动密封环刚刚接触。然后,给水管指定一PTFE膜材具有一定的自润滑性和耐磨性,能够实现与阀个位移，大小等于过盈量，用来模拟水管和动密封环之间球更好的密封，同时能够减小与阀球之间的摩擦。的过盈装配。最后，在动密封环上方施加来自水管内的液控制阀的输出齿轮在电子执行器的电机作用下发出体的压力，大小为0.15MPa，用来模拟流体对动密封环的动力扭矩，输出齿轮通过与阀轴啮合，带动阀轴一起转动，压力作用。而阀轴与阀球注塑一体式的结构，又使得阀球和阀轴一起对密封机构的密封分析，主要关注三个量：接触压力转动。水管与动密封环之间采用过盈装配，使动密封环紧CPRESS、密封宽度和VonMises应力，其中密封宽度是指紧贴在阀球上，从而实现水管和动密封环之间的密封，以接触压力大于水管内液体压力0.15MPa以上的接触长及动密封环和阀球之间的密封。本文中只研究阀球静止度。通过接触压力和密封宽度，可以判断结构的密封性能时的密封性能，不考虑阀球转动的情况。是否良好。接触压力需要大于水管内的液体压力，否则产2.2有限元模型的建立品会发生漏水的现象。同时接触宽度越宽，表明结构的密动密封环是轴对称结构，受力也是轴对称的，因此为封性能越好。通过VonMises应力，则可以判断结构是否了提高计算效率和仿真精度，对动密封环进行密封性能分在材料的安全强度范围之内。析时，将动密封机构简化为二维轴对称模型。由于动密封3计算结果与分析机构是重点研究对象，因此将水管和阀球在远离密封机构3.1不同过盈量下的接触压力、密封宽度和应力分布的地方进行切割，建模时将切割面进行全约束。动密封机水管和动密封环之间是过盈装配，过盈量的大小对接构的二维轴对称有限元模型如图2.3所示。触压力和应力分布都有影响。本节分析了不同过盈量对动密封环的接触压力、密封宽度和应力的影响。图3.1为不同过盈量下的接触压力分布云图，表3.1为不同过盈量下的最大接触压力和密封宽度，由图3.1和表3.1可以看出,随着过盈量增大，左右水管侧和阀球侧的最大接触压力都逐渐增大，阀球侧和右水管侧的密封宽度（接触压力0.15MPa)也逐渐增大，,左水管侧(左)的密封宽度(接触压力 0.15MPa)几乎不发生变化。工程上，一般要求密封宽度至少大于0.15mm。过盈量0.2 mm时，阀球侧的密封宽度只有0.0 8 mm，因此过盈量0.2 mm无法满足密图2.3动密封机构的二维轴对称有限元模型封要求，在设计时需要考虑增大过盈量。由于是轴对称模型，划分网格的单元类型采用表3.1不同过盈量下的最大接触压力和密封宽度CAX4RH轴对称单元，网格平均长度为0.1mm。为了提最大接触压力MPa高仿真精度和计算收敛性，对于变形较大且应力集中分布密封分析1的地方进行网格局部加密处理。划分网格之后的模型中左2.5共有节点1319 4个、单元12 7 44个。水管侧在本分析模型中，橡胶为三元乙丙橡胶（简称EP-DM)，邵氏硬度6 5,其材料参数由EPDM拉伸试验数据和Mooney-Rivlin橡胶本构模型拟合后得到。骨架的材料为钢，弹性模量为2 10 GPa，泊松比为0.3，密度为7 8 50 kg/m,屈服强度为2 0 5MPa。膜材的材料为PTFE,弹性模量为8 8 0 MPa，泊松比为0.35，密度为2 18 0 kg/m，抗拉强度为47 MPa。水管和阀球的材料分别为PPA十GF35和PPS+GF65，由于水管和阀球的弹性模量远远大于EPDM的弹性模量，因此把水管和阀球作为刚体进行处理。动密封机构中，水管和橡胶之间、以及膜材和阀球之间的接触属于面面接触，在轴对称仿真模型中，表现为线线之间的接触。由于动密封环橡胶和骨架之间、橡胶和PTFE之间没有相对滑动,因此建模时，橡胶和骨架、橡胶21密封宽度mm(接压力 0.15MPa)过盈量过盈量过盈量过盈量过盈量过盈量0.2mm0.3mm0.4mm0.2mm0.3mm0.4mm3.34.3右3.3阀球侧5.0图3.2 为不同过盈量下动密封环的VonMises应力云图，由图3.2 可以看出，不同过盈量下，橡胶、骨架和膜件的最大应力发生的区域是一样的。橡胶的最大应力出现在结构凸起处，此处容易发生应力集中。骨架上的最大应力发生在骨架与橡胶的接触面上，这里的应力来自于橡胶上应力的传递。膜件的最大应力发生在膜件与阀球的接触区域。随着过盈量逐渐增大，橡胶、骨架和膜件的应力都逐渐增大，但都在各自材料强度允许的范围之内，因此三种过盈量下的动密封环都可以满足强度性能。2.274.45.67.412.22.180.430.530.080.182.230.710.1822ntourPlotCPRESS-CO4.977E+001.500E:011.313E-011.125E:019.375E-027.500E-025.625E-023.750E-021.875E-02-0.00-400Max=4.977E400PART-1-152028Min=0.000E+00PART-1-1397442023年第16 期ontourPlotCPRESS-Contact pressure(Sealaraba)t pressure(Scalarvalue)-7.356E4001.500E:011.313E.011.125E-019.375E-027.500E-025.625E-023.750E-021.875E-020.00E-00PART-1-152028Max=7.356E+00=0.000EPART-1-139745CPRESS-CitourPlotmtact pressure(Scalarvalue)1.223E+011.500E-011.313E-011.125E-019.375E-027.500E-025.625E-023.750E-021.875E-020.0E+00Max=1.223E+01PART-1-1520280.000E+PART-1-139744005.0MPaa)过盈量0.2 mm的接触压力ContourPlot2.1MPaS-StresscomponentsiPMises)Simple Average2.609E+011.900E+001.65E+001.430E+001.195E+009.597E-017.246E-014.896E-012.545E-011.943E-02NoresuMax=2.609E+01PART-1-139718in=1.943E-02PART-1-130407.4MPab)过盈量0.3mm的接触压力图3.1不同过盈量下接触压力云图Contour Plor3.3MPaS-Stess components IP(Mises)Simple Average3.814E+011.900E+001.66E4001.433E+001.199E+009.654E-017.317E-014.981E-012.644-013.076E-02NoresultMax=3.814E+01PART-1-139718Min=3.076E-02PART-1-13983912.2MPac)过盈量0.4mm的接触压力Contour PlotS-sStess components IP(Mises)Simple Averago5.629E-011.900E4001.667E+001.433E+00-9.670E-011.200E+007.337E-015.005E-013.390E-022.672E-01NotesuMax=5.629E+01PART-1-139719PART-1-130839Min=3.398E-024.6MPa26.1MPaa)过盈量0.2 mm的应力3.2不同骨架材料下的接触压力和应力分布为了实现减重，有时候工程上会考虑把金属骨架用塑料骨架来代替。本节中，将骨架材料由金属钢换成强度和耐热性都比较高的塑料材料PA66十GF30（弹性模量为7.5GPa，泊松比为0.35，密度为136 0 kg/m，抗拉强度为135MPa），过盈量设为0.3mm，对比不同骨架材料对动密封环的接触压力、密封宽度和应力的影响。CPRESS-Contact pressure(Scalaralue)Contour Plot1.44E4011.125E-011.500E-011.313E-019.375E-027.500E-025.625E-023.750E-021.875E-020.00+00Max=1.4E401PART-1-152028Min=0.000E+00PART-1-139745图3.3塑料骨架下的VonMises接触压力云图和应力云图表3.2 不同骨架材料下的最大接触压力和密封宽度密封宽度mm最大接触压力MPa(接触压力 0.15MPa)密封分析2金属骨架 塑料骨架金属骨架塑料骨架左3.3水管侧右4.4阀球侧7.4将金属骨架替换为塑料骨架后的接触压力云图和应力云图如图3.3所示，为金属骨架动密封环和塑料骨架动密封环的最大接触压力和密封宽度的对比如表3.2 所示。由图3.1b）、图3.3a)和表3.2 可知,在相同的过盈量下，金属骨架和塑料骨架的最大接触压力都出现在阀球侧（膜材和阀球接触的地方）,但是塑料骨架对应的最大接触压力比金属骨架对应的最大接触压力要大50%；对于水管侧的最大接触压力，塑料骨架比金属骨架的略有降低，但都大于产品内部的7.2MPa14.4MPaa)接触压力38.1MPab)过盈量0.3mm的应力图3.2 不同过盈量下VonMises应力云图液体压力。相同的过盈量下，金属骨架和塑料骨架的最小密封宽度都出现在阀球侧，大小相等，都是0.18 mm。由图3.2 b）、图3.3b)可知，在相同过盈量下，金属骨架替换为塑料骨架后，膜件的应力由13.1MPa增大到21.7MPa,但仍在强度合理范围内。4结论1)在一定范围内，过盈量越大，动密封环的最大接触Contour PlotS-Stresscomponents IPMises)Simple ArerageL2.171E-013.417E-003.900E4002.935E4002.452E+001.970E+001.487E+001.005E-00二3.9 3E-025.224E-01NorealtMax=2.171E+01PART-1-139834Mn=3.993E-02PART-1-1398393.03.514.413.1MPa2.3MPa压力越大，密封宽度基本上也呈增大趋势，动密封环各部20.2MPa件的应力也逐渐增大，这表明过盈量越大，动密封机构的密封性能越优，但同时需要考虑各部件的应力是否在强度的安全范围之内。2)塑料材料具有硬度低、刚度低等特点，因此塑料骨架比金属骨架具有更好的密封性能，但同时，与金属材料相比，塑料材料的强度性能偏低，因此需要综合考虑密封和强度两种性能同时满足。21.7MPa本文暂不考虑阀球转动因素的影响,将动密封机构看b)应力作静密封机构,研究了它的密封性能和强度性能，同时对比了过盈量和骨架材料分别对两种性能的影响，为工程设计提供了一定的参考价值。参考文献：1王从飞，曹锋，李明佳，殷翔，宋昱龙,何雅玲.碳中和背景下新能源汽车热管理系统研究现状及发展趋势J.2.183.730.530.440.180.1856.3MPac)过盈量0.4mm的应力科学通报，2 0 2 1,6 6(32)：4112-412 8.2李夔宁，邝锡金，荣正壁，李京苑，谢翌.电动汽车热管理系统的研究现状及展望J.制冷与空调，2 0 2 0 年0 5期.3陈思，徐熹，杨怀刚，曾庆强.基于Abaqus的橡胶密封垫对比分析J.计算机辅助工程，2 0 13，2 2（s2）：16 6-16 9.4付治存.有限元技术在汽车密封条结构优化设计中的应用J.汽车零部件，2 0 15，9（11）：2 7-32.5尚付成，饶建华，沈钦凤，何逢春.超高液压下O形橡胶密封圈的有限元分析J.液压与气动，2 0 10（1）：6 7-7 0.6 王伟，邓涛，赵树高.橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定J.特种橡胶制品，2 0 0 4，2 5（4）：8-10.18.8MPa