聂辉,林强,李统刚,张强,郭亮
(四川永贵科技有限公司新能源研究院,绵阳 621000)
摘要:根据新能源汽车连接器的防水密封原理,应用体积不变原理推导出了密封圈各尺寸的设计方法。确定了影响密封圈密封性能的关键因素为压缩率,并进行分析,通过实验验证分析结果。
关键词:新能源汽车;连接器;密封圈;压缩率;密封性能
Analysis on sealability of the new energy vehicle connector
Abstract :According to the principle of waterproof sealing of new energy vehicle connectors,by applying the principle of volume invariance,the design method of each size of the sealing ring is derived.The key factor that determines the sealing performance of the seal is the compression ratio and analysis it,finally verify the results by experiment.
Key words: new energy vehicle;connector;seal ring;compression ratio;sealability
0 引言
新能源汽车作为中国战略性的新兴产业之一,已成为我国节能减排、经济振兴和产业结构转变的关键突破口[1]。伴随中国汽车行业的迅猛发展,客户对新能源汽车的要求也水涨船高。这迫使各汽车生产厂商对汽车零部件的性能要求亦不断提升,尤其是对连接器的密封防水性提出了更高的要求。新能源汽车连接器的工作环境相对恶劣,若密封性不好,则会直接影响车辆各电气设备的信号传输和电气连接,进而影响电气设备的工作稳定性和可靠性。因此,对连接器密封性能的分析至关重要[2]。
1 连接器的防水原理
1.1 连接器的应用和工作原理
新能源汽车用连接器的作用相对简单,即在内部电路被阻断或孤立不通处架起桥梁从而使电流流通。通过插头护套和插座护套间的相互配合、对接,即可达到接通和导电的功能。为了满足新能源汽车的工作环境要求,插头护套和插座护套在设计时不仅要考虑护套内端子能够方便对接,更需兼顾使用时的防振功能。因此,插头护套和插座护套间的尺寸配合相对复杂,配合尺寸的叠加误差较大,无法单单通过护套间的配合实现防水。
1.2 连接器的防水密封原理
在护套配合间通常选用密封圈实现防水密封作用,其装配方式如图1所示。通过合理设计密封圈与护套间的过盈量来实现防水密封的效果。密封圈的变形填补了护套间的间隙,隔绝了外部气体和水进入,这要求密封圈具有一定的强度和硬度,并考虑到加工成本和工艺性,新能源汽车用连接器上的密封圈通常由硅橡胶(MVQ)或三元乙丙橡胶(EPDM)制成。
图1 密封圈装配示意
2 连接器防水密封设计方法
护套间是通过密封圈的变形来填补,装配完成后, 因受挤压、截面产生的压缩变形量用压缩率表示。密封圈的设计主要是压缩率的分析,以安装在圆形连接器上的O型密封圈为例,其压缩率的计算方式如下。
2.1密封圈配合中的各尺寸定义
密封圈装配完成后如图2所示,设密封圈安装的轴和孔分别为D和d,密封圈槽的尺寸为D1。所选用的密封圈为D0(内径)Xd0,现需确定密封圈槽的尺寸D1。
图2 密封圈和密封圈槽尺寸
密封圈安装在密封圈槽之后,会有一定的拉伸量,密封圈直径会变小,设变形后的直径为d1。根据体积不变定理,有下式:
式中:δ—密封圈过盈量,mm。
为简化计算用D+δ-d0代替D+δ-d1从而计算出d1为:
由简化公式2计算出的d1值有一定的误差,将d1值带回到公式2后得到更精确的解d2:
以此类推,可计算出d3、d4……,所得值也越精确。通常,d2值就已可达到精度要求。
则密封圈槽的直径D1为:
2.2 密封圈设计的关键点
新能源汽车用连接器中的密封圈为典型的挤压型密封,其挤压变形过程如图3所示:
图3 密封圈压缩示意图
压缩率ε的计算公式如下:
由公式3~6可求得压缩率ε。
在密封圈装入密封圈槽后均有一个预拉伸过程。为防止密封圈因预拉伸过大引起应力松弛,影响使用寿命,设计完成后需对预拉伸进行核算。预拉伸率y的计算方式如公式7所示:
经过大量的实践数据,得到推荐采用的预拉伸率如表1所示。
表1 密封圈预拉伸率
尚有许多新能源汽车用连接器上的密封圈安装位置为非圆,均可按体积相等原理进行设计计算。
3 连接器的密封性能分析与测试
3.1 连接器密封性能分析
压缩率是直接影响密封圈密封性能的因素[5]。应选择合适的压缩率,若过小可能会因预拉伸时密封圈截面尺寸减小而抵消掉部分压缩量,压缩率不足,无法使密封圈自锁而引起密封失效;过大则不易进行装配,引起装配后的过大接触应力使得表面的磨擦损伤加剧,亦或使得密封圈部分被扭曲而降低密封圈的密封性能和使用寿命。同时,过大的压缩率也会导致密封圈产生较大内应力,使橡胶发生永久变形,再装配时难以还原而导致密封失效。
根据上述计算可知,在其它条件确定时,密封圈安装后的压缩率主要由过盈量δ决定。根据以前的资料查阅,确定过盈量δ的取值范围为0.6~1.2mm,代入上述计算公式求得密封圈的压缩率ε的范围为15%~27%,比参考文献3的结果稍大,遂进行试验验证。
3.2 连接器密封性能实验验证
设某型连接器护套间采用的密封圈安装完成后的压缩率为26.7%。将插头和插座对插后旋转至卡点位置处卡紧。此处的压缩率较大,但装配顺利,密封圈未发生永久变形。
按《GB/T4208-2017 外壳防护等级(IP代码)》标准中的实验要求,将对插样品放入1m深的水中,并静置30min。后将样品取出,将护套拆开观察内部未发生渗水现象,故防水测试合格,防护等级可达到IP67要求。
4 结论
通过分析连接器的防水原理,根据体积不变定理推导出了密封圈各参数的设计计算公式。根据公式对影响压缩率的参数进行了分析,并由此得出压缩率对密封性能的影响。求出了新能源汽车用连接器上的密封圈压缩率的推荐取值范围为15%~27%。压缩率取值较大时还应进行预拉伸率的核算。并进行试验验证,证明了所得结果可满足防水等级IP67的设计要求。
参考文献
[1]唐葆君,刘江鹏.中国新能源汽车产业发展展望[J].北京理工大学学报(社会科学版),2015,17(2):1-6.
[2]李强,王彦波,王文玲,王大然.汽车密封性连接器中密封圈的设计方法[J].汽车电器,2010(12):10-12.
[3]卢黎明.“O”形密封圈压缩率的应用分析[J].中国设备工程,2003(04):57.
[4]陈占清,詹永麒,朱昌明.压缩率对O形橡胶密封圈密封性能的影响[J].流体传动与控制,2007(02):46-48.
[5]卢黎明.“O”形密封圈压缩率的应用分析[J].中国设备工程,2003(04):57.
(来源:电车资源EV江湖 四川永贵)
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