基于LS-DYNA的穿缸電連接器3O形密封圈的設計

胡小青,董坤朋,西慶坤

(1.四川工程職業技術學院，四川德陽 618000；2.昆山瑞福祥汽車部件有限公司，江蘇昆山 215300)

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基于LS-DYNA的穿缸電連接器3O形密封圈的設計

胡小青1,董坤朋2,西慶坤1

(1.四川工程職業技術學院，四川德陽 618000；2.昆山瑞福祥汽車部件有限公司，江蘇昆山 215300)

摘要：穿缸電連接器應用于汽車雙離合自動變速箱，密封圈是穿缸電連接器密封的關鍵零件之一。從密封圈的材料選擇、關鍵尺寸確定、預壓力的極限值等幾個方面進行設計。采用LS-DYNA軟件對密封圈對配過程的應力分布及裝配力進行了CAE分析驗證，滿足設計要求。并對設計的3O形密封圈進行抗振動性、密封性、耐化學試劑性、耐高溫老化性能綜合實驗評估，實驗結果表明：設計的3O形密封圈滿足業界標準，性能可靠，能夠滿足工業化生產的需求。

關鍵詞：電連接器；3O形密封圈；LS-DYNA分析；綜合實驗

0引言

穿缸電連接器主要應用于電噴發動機或自動變速箱的控制部分，由安裝在絕緣體外殼內部的金屬接觸件之間相互配合接觸來實現其連接導通功能的，起到傳遞電流和信號的作用。由于苛刻的工作環境以及密封的要求，密封成為穿缸電連接器設計的技術挑戰點。穿缸連接器的密封技術影響到汽車的可靠性、安全性和環保性，在穿缸連接器中設置密封裝置和密封元件的作用是防止油液泄漏及外界塵埃和異物的侵入[1-2]。O形密封圈是汽車連接器中很常用的一種密封元件，其密封作用是通過安裝時的預壓力使密封圈變形來實現的。但由于它直接影響連接器的密封性能甚至使用的可能性，因此是穿缸連接器設計中關鍵的一個環節。作者所設計的3O形密封圈提供了最佳的密封效果，且裝配力也比O形圈結構要小得多。這種結構常被人們稱之為“蝙蝠形”結構，配以與3O形密封圈相配合裝配的塑膠體，達到IP69K防護等級的電連接器,可以阻止高壓水或高壓水霧的直接噴射。

13O形密封圈的材料選擇

文中的3O形密封圈是屬于徑向密封與軸向密封的相結合設計，提供了更加可靠的密封性能。由于密封圈在軸向方向也受到壓縮，消除了徑向的裝配間隙，再結合徑向密封設計，使電連接器的密封性能進一步提高。但要注意的是，設計電連接器的鎖合機構時要充分考慮鎖合后密封圈應能夠被壓縮。因為彈性體材料的性質決定了長期處于被壓縮的工作狀態下，其分子鏈結構會發生一定的變化，從而導致其強度、韌性發變化，密封性能發生衰減。彈性體的這種性能是由其化學組成、工作時間、溫度以及壓縮比決定的，性能的衰減會導致密封圈有效工作時間的減少以及密封性能的降低。圖1 提供了不同密封材料應力松馳的性能對比。

Momentive 高性能材料公司的Silopren LSR3376/50硅彈性體產品具有非常低的揮發水平，無需后固化。它被設計用來幫助汽車制造商實現電器連接密封, 可滿足日益嚴格的安全規范[3-4]。根據產品的實際應用環境及性能要求，選擇材料為 Momentive PSE 7540, 邵氏硬度HA40,硫化時間為240 ℃下4 h。所設計的塑膠殼體的尺寸如圖2所示，與密封圈配合的尺寸為φ(39±0.08) mm。根據客戶自動變速器缸體總體布置，推薦給客戶的穿缸孔尺寸為φ(44.2±0.05) mm。為保證在電連接器安裝過程中密封圈不會被劃傷，應特別注意孔加工時的表面粗糙度以及倒角、去毛刺等。這里定義表面粗糙度為Ra0.7 μm，并做倒角處理(如圖3所示)；對配孔加工時要有圓度的要求，以確保密封圓周圍各處所受預壓力相同。此外，塑殼和對配孔上方所設計的防轉機構防止電連接器在圓周方向轉動及對密封圈的磨損。

23O形密封圈關鍵尺寸的設計

設計計算如下：

設塑殼與穿缸孔半徑方向的間隙s：

s=[(44.2±0.05)-(39±0.08)]/2=2.6±0.065

塑殼配合圓周長：

Lh=Dh·π=(39±0.08)·π

取伸長率為8%(經驗數字), 密封圈周長為X：

(122.5-X)/X=0.08

計算得：X=113.43 mm

密封圈內直徑Ds=113.43/π=36 mm, 根據密封圈加工的工藝能力，定密封圈直徑規格為：φ(36±0.5) mm。

由以上可知：

塑膠殼體與密封圈配合位置直徑為：

Dh=(39±0.08)mm

自動變速器穿缸孔直徑為：Di=(44.2±0.05)mm

塑殼與自動變速器穿缸孔處的間隙:

smax=(Dimax-Dhmin)/2=(44.25-38.92)/2=2.67mm

smin=(Dimin-Dhmax)/2=(44.15-39.08)/2=2.54mm

塑殼周長為：

Lh=π·Dh=3.14×(39±0.08)

Lhmax=π·Dhmax=3.14×39.08=122.71 mm

Lhmin=π·Dhmin=3.14×38.92=122.21 mm

密封圈周長為：

Ls=π·Ds=3.14×(36±0.5)

Lsmax=3.14×36.5=114.61 mm

Lsmin=3.14×35.5=111.47 mm

密封圈伸長率的計算為：

Esmax=(Lhmax-Lsmin)/Lsmin×100%=10.08%

Esmin=(Lhmin-Lsmax)/Lsmax×100%=6.63%

密封圈安裝到塑殼后的厚度計算：

已知密封圈材料的泊松比為：ν= 0.5；密封圈的原始厚度為Dt，管裝后密封圈的厚度為Dg，則：

Dg=Dt·(1-ν·Es)

暫取密封圈厚度為(3.6 ±0.1) mm。

Dgmin=Dtmin·(1-ν·Esmax)=0.949 6×Dtmin=3.328

Dgmax=Dtmax·(1-ν·Esmin)=0.966 85×Dtmax=3.573

壓縮比為：C=(Dg-s)/s×100%

Cmax=(Dgmax-smin)/Dgmax×100%=28.9%

Cmin=(Dgmin-smax)/Dgmin×100%=22.3%

2.1伸長率、壓縮比驗算

O形密封圈的壓縮比、伸量率是設計時要考慮的2個重要要素[5]。由以上計算可知Esmax=10.08%(最大伸長率)，Esmin=6.63%(最小伸長率)。Cmax=28.9%(最大壓縮比)，Cmin= 22.3%(最小壓縮比)。根據密封圈設計經驗公式，伸長率需滿足5%～10%，壓縮比為15%～35%，因此設計初步滿足要求。進一步可以通過計算機輔助設計軟件進一步模擬電連接器裝配過程，來檢驗密封圈的配合性能。以上為徑向方向的密封設計。在此結構設計中，希望在徑向密封的基礎上，引入面密封，將密封圈設計成L形的截面，進一步提升密封的性能。

2.2軸向密封尺寸的設計

封墊的厚度。

計算得知：對配后間隙為1.7～2.0 mm，計算密封墊厚度X：

(X+2)/X=0.25

則:X=2.66 mm， 取X=2.6 mm。

由此試算結果，結合計算機輔助分析，求得對應尺寸公差。

2.3密封圈具體尺寸設計及三維建模

根據相關對配零件尺寸，求得密封圈的軸向尺寸，并且沿軸向取3道唇口。細部設計尺寸如圖5所示。

3LS-DYNA軟件分析驗證(CAE分析驗證)

LS-DYNA是世界最著名的通用顯式動力分析程序，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、動力沖擊問題，在工程應用領域被廣泛認可為最佳的分析軟件包。與實驗的無數次對比證實了其計算的可靠性[6-8]。作者根據對配缸體孔及連接器塑殼尺寸，構建計算機輔助分析模型，采用LS-DYNA軟件分析3O形密封圈在與缸體對配過程應力分布及裝配力，3O形密封圈設計CAE驗證見圖6?？芍捍私Y構設計在裝配過程中密封圈無扭曲、錯位等不良問題產生，應力分布集中在根部及密封圈干涉區域，有效提供了密封圈的預壓力。從裝配力的分析可以看出，由于密封圈的作用，裝配力呈遞增變化，這也是3O形密封圈的典型特點，可以有效地將裝配力分散，利于裝配。而最大裝配力出現在最高密封唇口的位置，滿足尺寸設計圖。

將密封圈樣品與穿缸電連接器裝配，共投入6個樣品進行振動及密封實驗(見圖7)，所有樣品全部通過試驗。

浸油狀態下的振動實驗：

實驗條件： 正弦振動和隨機振動各22 h，Z向, 溫度-40～+150 ℃；

實驗標準： ISO 16750-3, 4.1.2.2；

實驗要求：無油滲漏；

實驗結果：合格。

5結束語

穿缸電連接器應用于汽車雙離合自動變速箱，由于苛刻的工作環境以及密封的要求，密封成為穿缸電連接器設計的技術挑戰點。密封圈是穿缸電連接器密封的關鍵零件之一，結合自動變速器穿缸電連接器工作要求，從3O形密封圈的材料選擇、關鍵尺寸確定、預壓力的極限值等幾個方面進行研究。采用LS-DYNA軟件分析驗證了3O形密封圈對配過程的應力分布及裝配力滿足設計要求。并對設計的3O形密封圈進行抗振動性、密封性、耐化學試劑性、耐高溫老化性能綜合實驗評估，實驗結果表明：滿足業界標準，性能可靠，能夠滿足工業化生產的需求。

參考文獻:

【1】鐘澤南.汽車連接器的動態性能分析[D].北京:北京郵電大學,2015.

【2】王勇.O形密封圈在液壓機主缸中的使用探討[J].機床與液壓,2012,40(5): 160-161.

【3】錢伯章.Momentive高性能材料公司推出新的先進硅彈性體產品[J].世界橡膠工業,2015(3):8.

【4】楊彬.汽車發動機密封技術和密封材料的應用研究[D].長春:吉林大學，2011.

【5】崔宏英.O形密封圈的選用[J].煤,2007(S2): 117.

【6】包字波，胡斌.應用LS-DYNA進行汽車正面碰撞模擬分析[J].科技創新導報,2008(7):173-174.

【7】唐進元，劉欣，戴進.基于ANSYS/LS-DYNA的齒輪傳動線外嚙合沖擊研究[J].振動與沖擊,2007(9):40-41.

【8】吳廣發.基于LS-DYNA的汽車前縱梁碰撞吸能特性分析及其優化設計[D].鎮江:江蘇科技大學,2012.

Design of the 3O Sealing Ring of Wall-crossing Electrical Connector Based on LS-DYNA

HU Xiaoqing1, DONG Kunpeng2, XI Qingkun1

(1.Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China;2.Kunshan Ruifuxiang Auto Parts Co.,Ltd., Kunshan Jiangsu 215300, China)

Keywords:Electrical connector; 3O sealing ring; LS-DYNA analysis; Comprehensive experiment

Abstract:Wall-crossing electrical connector is widely applied to dual clutch transmission on vehicles; sealing ring is one of the critical components of wall-crossing electrical connectors. The sealing ring was designed from materials, critical dimensions and the critical magnitude of the pre-pressure. To meet the design criteria, LS-DYNA was used to conduct the CAE analysis on both the stress distribution and the assembly force in the process of distribution of the sealing ring. The comprehensive experimental evaluation was done on the designed 3O sealing ring. The evaluation included several items: vibration resistance, tightness, chemical resistance, and high-temperature aging resistance. The evaluation results show that the design is able to satisfy industry standards, be reliable, and meet the requirements of mass production.

收稿日期：2016-02-02

基金項目：四川省德陽市科技支撐項目(2015ZZ043)

作者簡介：胡小青(1980—)，女 ，碩士，副教授，研究方向為機械設計制造及自動化。E-mail:huxiaoqingyeli@163.com。

中圖分類號:TG249

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-052-04