C型切口的聚四氟乙烯活塞環(huán)在變速器中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馮經(jīng)明，張慶豐

(特瑞堡密封系統(tǒng)(中國(guó))有限公司，上海 201108)

0 前言

傳統(tǒng)的燃油汽車一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身和電氣設(shè)備4個(gè)部分組成。底盤包括傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)4部分。底盤作用是用來支承、安裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其各部件,接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，使汽車運(yùn)動(dòng)并能保證汽車能夠按照駕駛員的操縱而正常行駛。而變速器作為傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部分，按傳動(dòng)比的級(jí)數(shù)可分為有級(jí)式、無級(jí)式和綜合式3種類型；按傳動(dòng)軸的數(shù)目可分為兩軸式和三軸式；按操縱方式可分為手動(dòng)變速器(MT)、無級(jí)變速器(CVT)、自動(dòng)變速器(AT)、手自一體式變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)。

新能源汽車主要包括純電動(dòng)汽車(BEV)、混合動(dòng)力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)。相比于燃油汽車，純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)變化較大，電動(dòng)機(jī)代替了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，電池組代替了燃油，燃油汽車傳統(tǒng)使用的變速器則由采用固定齒比的單速變速器(或稱為固定齒比變速器)取代。固定齒比變速器由于體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前大多純電動(dòng)汽車上都采用了這一類型變速器；固定齒比變速器的缺點(diǎn)是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高到額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)恒功率區(qū)間后，其扭矩會(huì)越來越小，這時(shí)電機(jī)再提速很困難，而且它的實(shí)際工作效率也越來越低。未來隨著多齒比變速器技術(shù)的逐漸成熟，制造和研發(fā)成本逐步下降，多齒比變速器一定會(huì)代替固定齒比變速器，用在在越來越多的新能源汽車上。因?yàn)槎帻X比變速器對(duì)提高新能源汽車動(dòng)力性能、延長(zhǎng)續(xù)駛里程、降低整車成本和質(zhì)量、提高乘駕舒適度等都有重要作用，新能源汽車采用多擋位自動(dòng)變速器是大勢(shì)所趨。

總之，不管是傳統(tǒng)的燃油汽車還是新能源汽車，它們都離不開變速器。固定齒比變速器或許不需要本文的活塞環(huán)或環(huán)形密封件，但是環(huán)多齒比變速器一定需要。同時(shí)，對(duì)于未來的汽車變速器市場(chǎng)，透明市場(chǎng)研究公司(Transparency Market Research)的預(yù)測(cè)，到2025年，全球汽車變速器市場(chǎng)價(jià)值達(dá)532億美元[1]；同時(shí)商業(yè)電報(bào)公司(Business Wire)也預(yù)測(cè)，全球自動(dòng)變速器市場(chǎng)在2018—2024年內(nèi)將會(huì)以6.5 %的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)；全球變速器的主要制造商是美國(guó)的伊頓公司(Eaton)、韓國(guó)現(xiàn)代岱摩斯公司(Hyundai Dymos)、德國(guó)的采爾孚公司(ZF)、大陸公司(Continental AG)和舍弗勒公司(Schaeffler AG)、意大利的馬瑞利公司(Magneti Marelli)、日本捷特科株式會(huì)社(JATCO)和愛信精機(jī)(Aisin Seiki)等[2]；本土公司比如上汽集團(tuán)、浙江萬里揚(yáng)、法士特公司等也在國(guó)內(nèi)變速器市場(chǎng)占有一定份額。

現(xiàn)在人們提到的活塞環(huán)，一般均指燃油發(fā)動(dòng)機(jī)里面鑄鐵或鋼質(zhì)的金屬活塞環(huán)，金屬活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的核心部件，與汽缸，活塞等一起完成燃油氣體的密封。但是目前沒有金屬活塞環(huán)用在類似本案例的變速器上來起密封作用，而一般常用的是采用骨架油封，或者格萊圈與O型圈的組合密封。而特瑞堡公司有將C型切口的聚四氟乙烯活塞環(huán)用在石化、機(jī)床工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用；雖然行業(yè)不同，不過通過對(duì)比此前成功應(yīng)用的工況和本文的變速器的工況，考慮嘗試設(shè)計(jì)一款C型切口的聚四氟乙烯活塞環(huán)用在本文中。

1 活塞環(huán)的設(shè)計(jì)

本文涉及的客戶是一家國(guó)內(nèi)公司，他們需要用在該款變速器中的密封件的工況為：需要的密封件用在硬度為45HRC的金屬活塞上，用來密封變速器里面的高壓液壓油；該密封件在工作時(shí)將處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，最高轉(zhuǎn)速可能達(dá)到6 000 r/min，最高壓力為1 MPa，最低工作溫度和最高工作溫度分別為-40 ℃和125 ℃。密封件的安裝溝槽尺寸如圖1所示。

圖1 密封件在變速器中的安裝溝槽尺寸Fig.1 Assembling size of the seal in the transmission

1.1 活塞環(huán)材料及結(jié)構(gòu)的選擇

1.1.1活塞環(huán)材料的選擇

本公司常見的密封材料是聚四氟乙烯。純的聚四氟乙烯不適用于密封要求高的工況，因?yàn)榧兊木鬯姆蚁┟芊饧?huì)出現(xiàn)冷流和蠕變等問題；同時(shí)，聚四氟乙烯材料的摩擦因數(shù)低，這降低了它與填充劑之間的相互作用，使得在物理混合物中可以微小地分離。由于以上原因，常見的作為聚四氟乙烯材料的填充劑有玻璃纖維、碳粉、碳纖維、青銅粉和二硫化鉬[3]。

青銅粉是“最強(qiáng)”的填充材料，它與聚四氟乙烯構(gòu)成的密封件能承受的最大壓強(qiáng)可達(dá)70 MPa；青銅粉堅(jiān)固耐用的顆粒能讓密封件在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工況中有好的抗擠出能力，同時(shí)青銅粉填充劑提高了密封件的導(dǎo)熱性，這能延長(zhǎng)密封件的使用壽命；但是它僅限高壓的直線運(yùn)動(dòng)，而且青銅粉構(gòu)成的密封件在動(dòng)態(tài)工況中需要充分潤(rùn)滑；

玻璃纖維作為填充劑的主要優(yōu)點(diǎn)是能讓密封件的耐磨性顯著增加，具有動(dòng)態(tài)功能的玻璃填充材料必須通過潤(rùn)滑液膜與對(duì)應(yīng)表面分離，以便正常工作并避免過早磨損和劃傷，它與聚四氟乙烯構(gòu)成的密封件能承受的最大壓強(qiáng)可達(dá)30 MPa，適合線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但該類密封件需要潤(rùn)滑；

碳粉作為填充劑能增加密封件的硬度和抗擠出能力，以及磨損壽命，同時(shí)它能讓密封件表面紋理變得光滑和緊密，這讓該類密封件在有限潤(rùn)滑的流體和氣體工況中擁有好的密封效果，它與聚四氟乙烯構(gòu)成的密封件能承受的最大壓強(qiáng)可達(dá)40 MPa；試驗(yàn)表明它非常適合在低粘度介質(zhì)且對(duì)密封要求高的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；不過由于碳粉填充劑相對(duì)柔軟，在動(dòng)態(tài)工況中時(shí)它適合配合表面硬度不高的場(chǎng)合；

碳纖維是一種相對(duì)較新的填充材料，它具有非常獨(dú)特的特征，它能給密封件帶來不均勻的微觀表面紋理，起到微小的介質(zhì)池的作用，容易在密封配合面形成潤(rùn)滑膜，所以它特別適合于旋轉(zhuǎn)性能，它與聚四氟乙烯構(gòu)成的密封件能承受的最大壓強(qiáng)可達(dá)30 MPa；同時(shí)碳纖維填充劑組成的密封件適用于潤(rùn)滑性差的介質(zhì)比如水基流體、自來水等。其缺點(diǎn)是它不適合密封氣體；

二硫化鉬填充劑能在不改變聚四氟乙烯摩擦性能的情況下提高耐磨性，這是因?yàn)槎蚧f在鋼摩擦副表面能形成干潤(rùn)滑膜，能改善摩擦和磨損性能[4]，通常常它用作潤(rùn)滑添加劑，用于降低材料與其他填充劑的摩擦因數(shù)。

本文使用玻璃纖維、碳纖維和青銅粉這3種填充劑分別與聚四氟乙烯進(jìn)行混料、壓模、燒結(jié)后，加工出標(biāo)準(zhǔn)的斯特封2K型(Stepseal 2K)密封件進(jìn)行磨損試驗(yàn)，工況為在60 ℃、30 MPa的的礦物油壓力中，密封件以0.2 m/s的直線速度循環(huán)20萬次后，再測(cè)量密封件徑向尺寸(W值)的減少量，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，與玻璃纖維填充劑相比，以碳纖維作為填充劑的密封件有更好的耐磨能力。

圖2 對(duì)比試驗(yàn)中不同材料的密封件的徑向尺寸減少量Fig.2 Radial size reduction of seals made by various materials

通常情況，對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的密封件來說，一般選擇在基材聚四氟乙烯里面添加碳纖維或玻璃纖維。而當(dāng)選擇玻璃纖維填充的聚四氟乙烯作為密封件材料時(shí)，需要對(duì)與之配合的金屬表面有很高的硬度值。而碳填充的聚四氟乙烯密封材料對(duì)與之配合的金屬表面的硬度值不高，能適合較軟的金屬活塞，而且工作過程中其配合表面容易形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑薄膜，這有利于潤(rùn)滑和散熱。在本案例中金屬活塞的硬度不高，為45HRC，所以材料選用本公司的一種含有碳纖維填充的聚四氟乙烯材料，該材料最大承受壓力可達(dá)30 MPa。

1.1.2活塞環(huán)結(jié)構(gòu)的選擇

一般來說，在密封系統(tǒng)中密封件的p·v值達(dá)到10 MPa·m/s就意味著該工況要求比較高；在本案例中，要求密封件工作時(shí)最高壓力為1 MPa，最大的工作轉(zhuǎn)速達(dá)6 000 r/min。所以該外徑70 mm的密封件的最大轉(zhuǎn)速為v=22 m/s；這樣其最大的p·v值為：1 MPa×22 m/s=22 MPa·m/s，遠(yuǎn)大于10 MPa·m/s。由此可以看出，該工況條件比較苛刻，設(shè)計(jì)的密封件需要能滿足這種高p·v值的要求。而在以往有高p·v值要求的應(yīng)用中，一般采用骨架油封，或者格萊圈與O型圈的組合密封，而采用骨架油封或者組合密封，都需要專門安裝工具來安裝。

考慮到安裝方便和工況條件苛刻，這里采用帶切口的活塞環(huán)；根據(jù)歷史案例的經(jīng)驗(yàn)可選用帶C型切口的活塞環(huán)[3]。而以往的成功案例數(shù)據(jù)表明，帶C型切口的活塞環(huán)最大能承受的p·v值可達(dá)到30 MPa·m/s，能在-250～260 ℃的溫度下安全工作；而且?guī)锌诘幕钊h(huán)均不需要借助安裝工具就能輕松安裝到活塞上，這樣也節(jié)約了安裝成本。

1.2 活塞環(huán)的設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步取該活塞環(huán)在自然安裝狀態(tài)下的外徑為φ70.1 mm，軸向?qū)挾葹?.3 mm，徑向壁厚為2 mm。對(duì)于該活塞環(huán)的關(guān)鍵尺寸是C型切口的接觸長(zhǎng)度δ，接觸長(zhǎng)度δ由δ1和δ2這二段組成(如圖4所示)。滿足(1)式則意味著它在最低工作溫度下，在C型切口處，活塞環(huán)不會(huì)被自己擠壞；在最高工作溫度下，活塞環(huán)C型切口處始終處于接觸狀態(tài)故能一直起到密封作用。

δ≥kδ1+kδ2

(1)

式中δ1——低于室溫25 ℃工作時(shí)，活塞環(huán)沿周向的收縮量

δ2——高于室溫25 ℃工作時(shí)，活塞環(huán)沿周向的膨脹量

k——安全因數(shù)

同時(shí)，接觸長(zhǎng)度δ的長(zhǎng)短和材料的熱脹冷縮有密切關(guān)系：

δ=αLΔT

(2)

式中 ΔT——熱變形下的工作溫差

α——活塞環(huán)熱膨脹系數(shù)

L——活塞環(huán)的周向原長(zhǎng)度，mm

L=πD

(3)

將D=(70+65.8)/2=67.9 mm代入式(3)，可得L=213 mm；

對(duì)于本案例中的這種含有碳纖維填充的聚四氟乙烯材料，材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在-75 ～15 ℃，熱膨脹系數(shù)α1=10-4mm/mm/(°)K；在15～5 ℃，α2=3×10-4mm/mm/(°)K；在25～125 ℃，α3=2×10-4mm/mm/(°)K。該活塞環(huán)的工作溫度區(qū)間是-40～140 ℃，則有：ΔT1=15-(-40)=55 K，ΔT2=25-15=10 K，ΔT3=125-25=100 K，則(2)可以分解為：

δ1=α1LΔT1+α2LΔT2

(4)

δ2=α3LΔT3

(5)

分別將ΔT1、ΔT2、ΔT3、α1、α2、α3及L的值分別代入式(4)和(5)，可得：δ1=1.81 mm，δ2=4.26 mm，取安全因數(shù)k=1.65，代入式(1)，可得接觸長(zhǎng)度δ值為10.01 mm，因?yàn)镃型切口是用成型刀沖壓，刀具的長(zhǎng)度一般是整數(shù)，故δ圓整為10 mm，即當(dāng)接觸長(zhǎng)度δ是10 mm時(shí)，能保證該活塞環(huán)在工作溫度區(qū)間內(nèi)，切口處都一直處于接觸狀態(tài)，即起到密封作用。然后把上面初步確定的活塞環(huán)各尺寸，并結(jié)合工況輸入，采用ABAQUS軟件對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行初步動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析(見圖3)，得到最大內(nèi)應(yīng)力為1.9 MPa，C型切口處的接觸應(yīng)力約為1.4 MPa，遠(yuǎn)低于該材料的最大壓縮強(qiáng)度3.9 MPa和拉伸強(qiáng)度24 MPa，活塞環(huán)接觸力分布(見圖4)顯示，活塞環(huán)在外圓周側(cè)，與溝槽接觸的底面，以及切口疊加處的接觸力分布較為均勻、合理。初步表明設(shè)計(jì)能滿足要求；

(a)活塞環(huán)的內(nèi)應(yīng)力分析 (b)A-A處的接觸應(yīng)力分析圖3 活塞環(huán)的應(yīng)力分析Fig.3 Stress analysis of the piston ring

(a)活塞環(huán)外圓周接觸力 (b)活塞環(huán)底面接觸力 (c)活塞環(huán)切口處接觸力圖4 活塞環(huán)的接觸力分析Fig.4 Contact fore of the piston ring

按照密封件低摩擦，易安裝，高可靠性的設(shè)計(jì)原則，并綜合考慮材料成型工藝，活塞環(huán)的尺寸公差進(jìn)行多次調(diào)整后，確定的密封件所有尺寸和公差如圖5所示。

圖5 活塞環(huán)設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design sketch of the picton ring

2 測(cè)量活塞環(huán)的量規(guī)的設(shè)計(jì)

因?yàn)樵摶钊h(huán)帶有C型切口，而切口處的接觸長(zhǎng)度對(duì)密封起重要作用，而在測(cè)量切口處各尺寸(特別是尺寸δ1和δ2)時(shí)，需要使用專用的量規(guī)；考慮到材料經(jīng)濟(jì)，選用常見的工具鋼Cr2作為該量規(guī)的材料，加工后進(jìn)行熱處理。

對(duì)于量規(guī)的形狀，設(shè)計(jì)了帶凹槽的環(huán)形量規(guī)(見圖6)，測(cè)量活塞環(huán)尺寸時(shí)，把活塞環(huán)均勻壓裝到量規(guī)的凹槽中，然后把它們一起放在投影儀上測(cè)量C型切口處的各尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)使量規(guī)的凹槽徑向?qū)挾缺然钊h(huán)的徑向壁厚大0.02 mm，同時(shí)凹槽的深度比活塞環(huán)軸向長(zhǎng)度小0.5 mm，并且在量規(guī)的二處設(shè)計(jì)了20 mm寬(和大拇指寬度大小差不多)的缺口，這樣能容易壓裝和取出活塞環(huán)，還能保證不會(huì)影響到切口處各尺寸的測(cè)量精度。在考慮人機(jī)工程學(xué)的因素(比如量規(guī)太厚會(huì)加大質(zhì)量而造成壓裝操作不適)，并經(jīng)過操作人員的多次操作驗(yàn)證后，最終確定量規(guī)的尺寸和公差如下圖6所示。

圖6 量規(guī)的設(shè)計(jì)圖Fig.6 Design sketch of the fauge

3 試驗(yàn)

客戶把60個(gè)活塞環(huán)安裝到專門設(shè)計(jì)的臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，在4個(gè)月的泄漏試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油溫低于80 ℃時(shí)，泄漏量在可接受范圍內(nèi)，但是當(dāng)油溫超過80 ℃時(shí)，由于油的黏度變低，泄漏量增大，造成泄漏量超過允許值。根據(jù)客戶的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，以及本人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，再用FEA軟件分析，確定把該活塞環(huán)的徑向壁厚增加0.08 mm能滿足試驗(yàn)要求。此后客戶采購(gòu)了120個(gè)這種新的活塞環(huán)繼續(xù)泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，接著客戶進(jìn)行了壽命試驗(yàn)和其他試驗(yàn)，試驗(yàn)通過后，然后客戶把裝有該活塞環(huán)的變速器一起裝配到試驗(yàn)車上進(jìn)行整車路面試驗(yàn)，試驗(yàn)車在跑完5×104km要求路程后，汽車及各零部件運(yùn)行良好。最后客戶確認(rèn)了該活塞環(huán)能用在此型號(hào)的變速器上。

4 結(jié)論

(1)使用C型切口的活塞環(huán)來代替骨架油封或組合密封,能夠滿足該款變速器的密封要求；

(2)變速器在傳統(tǒng)的乘用車和商用車上必不可少，而且電動(dòng)車和燃油車在未來10年還會(huì)同時(shí)存在，結(jié)合未來的汽車變速器市場(chǎng)需求的增加，所以此類帶切口的活塞環(huán)對(duì)傳統(tǒng)密封件的替代程度，能為新型變速器的開發(fā)起到推動(dòng)作用。