3种典型汽车橡胶密封圈的应用研究

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  介绍了橡胶密封圈在汽车上的使用现状。以3种典型橡胶密封圈为例,分析了这类产品在汽车上应用的常见质量问题;从橡胶密封圈的材料选择,工艺过程,设计、安装和使用等方面提出了改进措施,并有针对性地探讨了提高橡胶密封圈质量的方法。

1、橡胶密封圈在汽车上的使用现状

  现代汽车工业对密封件提出了越来越高的要求(如体积小、耐高温/高压、有出色的物理/化学性能等),密封性能是评价汽车质量的一个重要指标。密封圈密封是汽车静密封的一种重要形式,汽车上使用的密封圈有100~400个,这些密封圈广泛用于发动机及附件系统、传动系统、转向系统、制动系统等大总成以及泵、阀等小总成,起到密封汽车内部的液体和气体并防止外界雨水和灰尘侵入的作用。由于密封介质,密封结构,密封压力,密封部位温度,密封轴或沟槽等对偶面的材质、光洁度和平整度的不同,密封圈的结构设计和所用材料也各不相同。各类汽车用橡胶密封圈在工作时需要承受高温、低温、压力和各种腐蚀介质(如高温混合气体、各类油脂、制动液和冷却液等)的作用,这对橡胶材料和密封结构都是严峻考验。

  在汽车使用过程中,常常遇到因密封圈失效而造成的“漏气”、“漏水”、“漏油”等三漏问题,严重时会导致制动失效,转向卡死,燃油泄漏、燃烧等重大安全问题,严重影响车辆的正常使用和司乘人员的生命财产安全。因此,必须对橡胶密封圈的质量予以高度重视。

2、制动缸密封圈

  2.1、失效原因

  制动缸一般有2~4个密封圈,其中第1活塞密封圈又称主皮碗,是最重要的密封圈。主皮碗一旦失效,将导致空气进入制动缸、制动液泄漏、制动液变质或缸体锈蚀等问题,从而使制动力明显降低,甚至出现制动失灵的情况。制动缸活塞密封圈的失效原因有以下几方面。

  a.材料选择错误。

  b.材料配方不合理。

  c.结构设计不合理。

  d.安装错误。

  e.制动系统运动偏差等。

  目前,汽车用制动液多数采用非石油基制动液DOT3或者DOT4,那么对非石油基制动液耐受性好、使用温度范围广、耐老化性优良的三元乙丙橡胶(EPDM)就成为制动缸密封圈最合适的材料。如果选用耐石油基油脂的丁腈橡胶和氯丁橡胶等材料,就会出现橡胶老化、密封圈尺寸变化等现象,并因此导致密封失效。

  2.2、制动主缸密封圈的材料和结构

  2.2.1、材料

  橡胶材料配方应保证其具有良好的抗压缩永久变形性能和合理的硬度。一般设计主缸密封圈的邵尔A硬度为72~82,太软会造成密封唇的强度和刚性不足,在活塞运动过程中产生渗漏;太硬会造成橡胶弹性降低、回弹性差,同样会导致渗漏。

  2.2.2、结构

  制动主缸活塞密封圈一般设计为Y型或U型皮碗结构,以配合活塞的运动(图1)。主密封唇与配合密封面应有一定过盈,过盈过小影响密封,过大影响活塞运动。在密封圈生产过程中,不允许在主、副密封唇处分模,以免影响密封性能;密封圈不允许有缺胶、杂质、流痕、飞边和毛刺等缺陷。

制动缸主皮碗

图1 制动缸主皮碗

  活塞表面必须光滑,活塞端部应有一定倒角,无尖角和毛刺,否则容易在密封圈安装和使用过程中划伤密封圈。配合面主缸内壁也必须光滑,并经过表面处理,表面无锈蚀、凸起和凹陷等,以免密封圈磨损或密封不良。

  2.3、制动缸密封圈的安装和使用注意事项

  2.3.1、安装

  一般采用专用工装和设备安装皮碗型密封圈,防止密封圈密封唇口在安装过程中发生皱褶、开裂或翻转,从而导致密封失效;安装前应在安装面和密封圈唇口涂一些油脂润滑,以方便装配。

  2.3.2、使用注意事项

  应注意制动系统运动偏差积累容易造成密封圈偏磨、导致渗漏的问题。为此,应在安装制动缸时检查第1活塞、第2活塞和弹簧等运动部件的垂直度和同心度,避免出现偏差;还要检查制动踏板、推杆和制动缸的运动轨迹是否合理,防止制动缸活塞运动时,受积累偏差影响,密封圈运动偏离主轴线、产生歪斜,导致密封失效。

  总之,只有合理地选材、配方、设计、制造、安装和使用,才能保证密封圈的质量和密封效果。制动系统还有一些密封圈(如制动管路密封圈、制动器密封圈和轮缸密封圈等),都对保证密封性能起到至关重要的作用,因此必须特别关注制动系统密封圈的性能和使用状况,避免密封失效造成制动失效,影响整车性能。

3、发动机缸套密封圈

  3.1、发动机缸套密封圈的作用

  发动机的循环运转包括进气、压缩、高温爆发和废气排放等过程,因此发动机的密封就要考虑到高温、高压、高功率和耐介质性等方面的要求。目前,发动机的设计正向质量轻、体积小、功率大和环保型方向发展,导致密封点多、密封空间狭小和温度高等问题,给密封材料提出了更高的要求。水冷发动机湿缸套使用1~3道密封圈用来密封冷却液。密封圈位于支承密封带与座孔配合处,虽然其主要作用是密封冷却液,但由于高压油气经常窜入,因此要求材料既耐油又耐冷却液。

  3.2、发动机阻水密封圈的材料

  缸套密封圈也称阻水圈(图2)。如果采用2~3道密封,则下面1~2道采用硅橡胶封冷却液,上面一道采用氟橡胶封油同时封冷却液是比较合理的。如果采用一道密封,则推荐采用氟橡胶密封圈。虽然耐油硅橡胶也能满足使用要求,但是一旦密封部位渗入油气,长时间会导致硅橡胶软化、开裂,失去密封功能。一旦密封圈失效,冷却液就会进入气缸,稀释润滑油,导致拉缸现象;活塞与气缸套摩擦后会产生异常高温,使缸套表面出现过度磨损,发生拉毛、划痕、擦伤、裂纹甚至出现咬死等恶性事故。

气缸套阻水圈

图2 气缸套阻水圈

  3.3、其它发动机密封圈

  与缸套密封圈相同,气门室罩盖密封圈和进气管密封圈等发动机密封圈也采用氟橡胶或者硅橡胶,在设计橡胶材料的配方和生产工艺时,应使之具有良好的耐高温性能、抗压缩永久变形性能和耐介质性能。优良的密封对发动机正常发挥功能非常重要,这促进了耐高温橡胶密封圈的广泛应用。

4、轮毂密封圈

  4.1、轮毂密封圈的作用

  载货车如果采用轮边行星齿轮减速装置,则需使用轮毂密封圈。轮毂密封圈(图3)是汽车上最大的密封圈,直径甚至达到300 mm以上,线径一般超过5 mm。轮毂密封圈用于密封润滑脂。

  4.2、轮毂密封圈的设计

  轮毂橡胶密封圈采用O形圈。O形圈是一种压缩性密封圈,结构简单、成本低廉、使用方便、有良好的密封性,且密封性不受运动方向的影响,使用范围很宽。由于轮毂密封圈直径非常大,因此O形密封圈的设计应综合考虑密封圈的装配拉伸率和压缩率,同时考虑拉伸或压缩过程中的截面增大、减小或变形等,还要考虑橡胶材料耐介质膨胀率、压缩永久变形性能、硬度、耐热或耐寒后尺寸和硬度的变化情况等。O形圈装配时最大预拉伸率不得>8%(O形圈被拉伸时截面会减小,预拉伸率为4%时,截面直径减小量约为3%),设计O形密封圈时应按照所使用橡胶特性和密封圈使用条件全面考虑各种影响因素,否则就容易出现质量问题。

轮毂密封圈

图3 轮毂密封圈

  4.3、轮毂密封圈的材料选择

  轮毂密封圈用于密封油脂,必须选用耐油性能比较好的橡胶,如丁腈橡胶、氟橡胶和丙烯酸酯橡胶等。轮毂密封圈的安装部位接近制动摩擦片,频繁制动产生的高温通过轮毂传递到密封圈,有时可能超过120 ℃。因此,普通丁腈橡胶在使用过程中经常会出现橡胶老化损坏的现象。如果车辆用于矿区、山区或路况比较差的地区,轮毂密封圈应采用耐高温的氟橡胶才能满足使用要求。

  4.4、轮毂密封圈的生产工艺

  轮毂密封圈的直径大,生产制造难度也比较大,因此密封圈的工艺控制就显得非常重要,从材料配方、混炼、过滤到模压硫化成型、修边、检查包装,每一步都要进行严格的质量控制,否则就容易出现质量问题。

  大型密封圈的修边工艺与小型密封圈的修边工艺不同。大型密封圈无法采用冷冻等修边方法,所以设计模具时应考虑尽可能减少飞边的生。如果采用手工修边,修边工艺与工人操作熟练度、刀具锋利程度等都有关系,应特别注意检查每个产品,防止飞边过大和修边过度造成的密封失效。

  密封圈的分模非常重要,分模线选取不合理会严重影响密封效果,一般提倡45°角分模,但大型密封圈45°角分模模具的开发相对复杂;如果采取90°分模,则分模线处的修边处理必须非常小心,以免影响密封效果。

  4.5、轮毂密封圈的装配

  装配环节尤其重要。橡胶密封圈硬度比较低,安装时应避免扭曲、划伤、磨损和磕碰,必须安装到位。应检查安装配合金属件外表面是否有飞边、毛刺、尖角、凸起和凹痕等,以免划伤或啃噬密封圈(图4),密封圈被啃噬后将造成密封不良。密封圈使用时应避免被异物损伤、接触异常介质、使用环境温度和压力异常等。

密封圈被啃噬

图4 密封圈被啃噬

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