關于某活塞密封中活塞安裝困難問題的改進

張亞楠

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關于某活塞密封中活塞安裝困難問題的改進

張亞楠

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章對活塞密封中活塞安裝困難問題進行原因分析，識別問題的要因和次因并提出解決方案，為后期同類型設計提供參考依據。

活塞密封；活塞；安裝困難

1 概述

在變速箱設計過程中，為防止變速箱內部油液泄露以及滿足變速箱內部對清潔度的要求，防止外界灰塵、水等進入，需對變速箱內外連接處做密封處理。密封的方式和種類有很多，對于徑向靜密封而言，活塞密封是一種常見的方式。本文以某活塞密封中活塞在活塞缸上安裝困難問題為例，對活塞密封中可能出現的安裝困難問題進行原因分析，并提出改進。

2 問題描述

在開發某款變速器項目中用到了活塞密封，在首批樣件試裝過程中發現活塞（帶O型圈）在活塞桿上安裝十分困難，正常手動裝配中無法將其裝配到位。

3 原因分析及驗證

3.1 原因分析

根據現場試裝狀態，對活塞安裝困難問題進行FAT分析，得到共計8個末端因子，如下圖：

圖1 FAT圖

1）零部件質量（①-③）：O型圈尺寸、溝槽尺寸、活塞缸尺寸的大小直接影響到過盈量的大小，過盈量越大，活塞桿對活塞缸的反向作用力越大，摩擦力越大，壓裝力也越大；活塞缸的粗糙度越大，摩擦力越大，壓裝力越大；

2）O型圈密封過盈量（④）：過盈量越大，O型圈對活塞缸的反向作用力越大，進而使摩擦力越大，壓裝力也越大；

3）活塞安裝導向角（⑤）：O型圈與活塞孔的配合為過盈配合，在保證一定壓縮量的情況下，應使安裝簡單，O型圈無切邊。導向角的作用即是為了裝配時，帶有O型圈的活塞能輕松插入活塞缸中，且不發生切邊，導向角的設計直接影響到壓裝力的大小，此為要因；

4）活塞缸表面粗糙度、活塞缸及O型圈材質（⑥-⑦）：活塞缸表面粗糙度、活塞缸及O型圈材質的選擇影響到兩者之間的摩擦系數，摩擦系數越大，摩擦力越大，壓裝力也越大；

5）O型圈硬度（⑧）：O型圈硬度越大，相同過盈量下O型圈對活塞缸的反向作用力越大，導致壓裝力越大。

3.2 要因驗證

1）尺寸檢測（①-③）

根據產品供應商的檢測報告，O型圈尺寸、溝槽尺寸、活塞缸尺寸及表面粗糙度均滿足圖紙要求；對關鍵尺寸進行復檢，檢測結果合格。故排除導致插件無法安裝的原因是零部件質量問題。

2）尺寸校核（④、⑥）

（1）O型圈密封尺寸校核

根據GB/T 3452.3-2005，對活塞密封尺寸進行校核，確保密封功能的有效性。

活塞密封O型圈預拉伸率y%：

活塞密封時，所選用的O型圈內徑d1，溝槽槽底直徑d3，則預拉伸率：y%=(d3-d1)/d1×100%，計算得，最大預拉伸率為3.59%，最小預拉伸率為0.23%，對比國標中推薦值0≤y%≤6%，預拉伸率滿足國標要求。

壓縮率x%：

已知溝槽深度t，O型圈截面直徑d2，則壓縮率：x%=(1-t/d2)×100%，計算得，最大壓縮率為20.83%，最小壓縮率為14.26%，對比國標中推薦的11.5%～27.5%，滿足國標要求。

填充率：

已知溝槽體積為Vh，O型圈體積為VO，則填充率為VO/Vh×100%，計算得，最大填充率為77.55%，最小填充率為61.85%，根據國標中O型圈材料體積溶脹值為15%來計算，得填充率上限值為87%，故填充率滿足國標要求。

根據校核結果，該處活塞密封尺寸滿足密封要求。

（2）過盈量計算

根據經驗，在滿足密封要求的前提下，過盈量越小壓裝力越小，越容易裝配。已知O型圈內徑d1，截面直徑d2，溝槽槽底直徑d3，活塞缸內徑d5，求得此活塞密封過盈量為3.4%。與另一款已成熟應用的活塞密封進行類比，計算得其過盈量為4.2%，其過盈量更大且未出現安裝困難問題，因此過盈量大不是導致該活塞密封安裝困難的原因。

（3）粗糙度

活塞缸表面粗糙度設計值為Ra1.6，查GB/T 3452.3- 2005可知，在一般精度要求的密封場合中，靜密封配合表面粗糙度要求一般為Ra1.6，故活塞缸表面粗糙度滿足密封設計要求。

3）插件孔處增加導向角（⑤）

（1）理論分析

前期設計中活塞缸上未增加導向角設計，此為插件安裝困難問題要因。

因O型圈與活塞缸為過盈配合，O型圈在活塞桿上的外徑大于活塞缸內徑，如圖3，若無導向角結構，O型圈與活塞缸棱邊相切，使O型圈僅受豎直方向反向作用力FN，該力與壓裝力F平衡，使O型圈不能被壓入缸內。當F增大到一定程度時，O型圈發生切邊，此時O型圈被破壞，已失效。如圖4，若增加導向角結構，O型圈與導向角斜面相切，此時O型圈受到垂直于導向角斜面的反向作用力FN，該力在徑向的分力使O型圈產生徑向壓縮變形，且θ越小，相同壓裝力作用下FN沿徑向的分力越大，O型圈徑向壓縮變形越容易，O型圈外徑減小，從而被壓入活塞缸中。

圖2 無導向角

圖3 有導向角

（2）實物驗證

實物驗證共分三個階段，第一階段采用手工打磨導向角，打磨角度較小，且導向角表面較粗糙，對其進行裝配驗證，發現插件安裝困難問題依然存在。

第二階段采用輔助工具進行擴角，修整后導向角增大，但導向角尺寸公差較大，同軸度、表面粗糙度均未達到要求。對其進行裝配驗證發現，裝配仍然十分困難，但相較于整改之前，稍有改觀，拆卸后發現O型圈有切邊現象。

第三階段采用機加工設備將其準確定位后擴充導向角，且導向角滿足倒角為1.5×30°，圓角R2，表面粗糙度Ra3.2 。取2個整改后的樣件進行裝配驗證，分別測量三組數據，結果如下：

表1 壓裝力檢測數據

6次測量結果，壓裝力較穩定，均值為130.5N，最大值＜140N。反復拆裝后，未發現O型圈變型和破裂，滿足設計要求。由此可見，導向角的角度、高度、表面粗糙度、圓角及加工質量等，均對活塞壓裝有直接影響。

4）活塞缸及O型圈材質（⑦）

活塞缸及O型圈的材質主要影響摩擦系數的大小，活塞缸材料6061，O型圈材料為AEM，皆為較常用的材料，鑒于材料的選擇所受局限性較大不易更改，且該因素并非要因，故暫未對材料進行變更。

5）O型圈硬度（⑧）

O型圈硬度越大，O型圈抗擠壓變形能力越強，安裝越困難。該款產品活塞及活塞密封圈電子油泵線束插件及O型圈均為成熟產品，已大量投入使用，且經過生產反復驗證均無此問題，故O型圈硬度不是造成插件安裝困難的要因。

4 總結

由以上分析可知，造成活塞（含密封圈）安裝困難的主要原因是活塞缸未設計導向角結構。前期在其它產品開發過程中也遇到過類似問題，可見導向角的設計對于活塞密封安裝的重要性。GB/T 3452.3-2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈溝槽尺寸和設計計算準則》中給定了導向角的參考尺寸，設計時可作為借鑒。根據經驗，導向角設計時應滿足①最大開口直徑大于O型圈變形后的外徑，便于裝配；②倒向角處設計圓角結構，防止切邊和安裝困難；③保證活塞缸及導向角的表面粗糙度；④導向角越小，壓裝力越小，可視情況調整導向角大小，活塞密封導向角一般為15°～20°。

在活塞密封的設計中，為避免出現活塞安裝困難的問題，應正確設計安裝導向角的結構，此外還應正確選擇O型圈及配合件的材料、O型圈硬度、過盈量、加工精度等。只有在前期做好設計，考慮全面，規避問題，才能避免后續問題發生。

[1] 成大先,王德夫,姜勇,等.機械設計手冊[M].北京.化學工業出版社.2009 .

[2] 劉鴻文,林建興,曹曼玲,等.材料力學[M].高等教育出版社,2011.

[3] 王財生,秦瑤,安琦.機械密封O型橡膠密封圈力學行為的有限元分析[J].華東理工大學學報,2013.39（6）:761-767.

[4] 高鈺,吳波,等.機械密封橡膠O型圈密封性能的有限元分析[J].四川大學學報,2011.43（5）:234-239.

Improvement on the problem of difficult piston installation in a piston seal

Zhang Yanan

（Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper analyzes the cause of the difficult installation of the piston in the piston seal.It’s intended to identify the main and secondary causes of the problems,and then puts forward the solutions.It will provide reference for the later design of the same type.

piston seal; piston; installation difficulty

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1671-7988(2018)22-114-03

TK46

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張亞楠，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.040