一種車用渦輪增壓器管路密封結構設計

陳云飛 郭浪 武永吉

摘要：隨著汽車的發展，用車人更加懂車，對車輛靜音舒適性、燃油經濟性有著更高的要求。汽車節能減排，更多的渦輪增壓車型得到了推廣，為了提升駕乘人員舒適感，增壓管消音器被更廣泛的使用。因此，渦輪增壓器、消音器、中冷器之間的連接方式課題就越來越多的被研究。渦輪增壓器管路內外的溫度，管路內部的變化的脈沖壓力，機艙內部的振動，管路內部的油氣介質，整車的排放要求提高，都要求有更加耐久并且可靠的密封裝置來實現管路接口密封。

關鍵詞：X型密封圈;過盈量分析;內應力云圖分析

0? 引言

渦輪增壓器在家用轎車上的更廣泛采用，汽車發動機艙內特別是渦輪附近的溫度有了明顯升高，相比較同等級的自然吸氣發動機，在渦輪增壓管附近溫度增加約30～50℃;另外增壓后的發動機進氣管氣體壓力變大，溫度升高，渦輪出口的高壓氣體溫度在130～220℃左右，壓力通常會在1.5～2.5bar，有的車型甚至會高達3bar以上。因此渦輪增壓器、消音器、中冷器之間的密封原件的耐溫性、耐久性就有了更高的要求。對于一個密封原件，我們需要重點考慮以下方面。首先，是零件基本結構，密封方式選擇;其次，是材料選擇，需要耐寒、耐高溫，耐油氣;還有，密封件需要設計合適的壓縮量，保證公差帶的配合;最后，需要對密封件在工作狀態的應力云圖進行分析，避免密封件局部應力過大導致提前失效。

本篇主要針對一款渦輪增壓消音器（圖1）快插結構密封圈典型結構設計方法進行闡述，意在提供一種結構化密封圈設計方法供參考。

1? 密封方式的選擇

針對渦輪增壓管路使用環境和介質特點以及產品的安裝要求，特別是運用在渦輪增壓器之后，中冷器之前，密封圈雙向都會承受壓力。 “O”型密封圈是依靠密封件發生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質的內壓，則不發生泄漏，反之則發生泄漏;“X”型密封圈可以將承受的系統壓力均勻傳遞，使其4個外側邊貼緊管路表面，承受的壓力越大其密封性能會更好。從這一點比較來看優選“X”型密封圈，見圖2：X型密封圈安裝結構示意圖。

另外，針對本運用，對比同內、外徑尺寸、同硬度的FKM“O”型和“X”型密封圈快插安裝力及拆卸力（表1），研究表明“X”型密封圈快插安裝力及拆卸力更加接近要求值，優先選擇 “X”型密封圈密封結構。

2? 密封材料選擇

基于產品的使用環境，對產品材料進行了篩選。基材，使用氟橡膠密封圈，可長期耐高溫200℃，短期可耐溫225℃。如果對密封圈有安裝力、使用介質、表面摩擦系數等特殊要求，可以在密封圈上進行四氟乙烯的噴涂處理。結合國外對類似產品的使用經驗，對密封圈材料進行如表2要求。

3? 密封圈壓縮量、尺寸鏈設計

3.1 密封過盈量分析

消音器快插接頭密封原理，主要是X型密封圈內外密封面分別和陽接頭、陰接頭密封面過贏配合密封，利用發動機運行時渦輪增壓管內氣體壓力，使得X型密封圈對應的唇邊更加貼合密封面，保證密封的有效性。其裝配示意圖見圖3。

過盈量計算公式：（密封件寬度-溝槽寬度）÷密封件寬度*100%，理論過盈量：

（3.5-2.75）÷3.5*100%=21.43%;

理論過盈量、最小過盈量、最大過盈量計算見表3。

3.2 外徑擠壓量分析

由于密封件屬于活塞桿式密封，即密封件初始安裝狀態為先裝入孔內的溝槽，迫使外徑擠壓，最后才插入活塞桿，使其產生過盈干涉密封，故密封圈的內徑的設計是參考初始狀態（未插入活塞桿）密封件外徑擠壓率來判斷的，其外徑干涉量見表4。

外徑擠壓干涉率計算公式：（密封件外徑 - 溝槽外徑）÷密封件外徑*100%。

理論外徑擠壓干涉率計算如下：

（52.5-51.5）÷52.5*100%=1.9%

4? 密封件在工作狀態的應力云圖進行分析

密封圈材料、結構、過盈量設計完成后，需要用計算機模擬密封圈在工作狀態下的受力情況，主要分析密封圈內應力以及過盈量表面接觸應力。

應用有限元分析軟件abaqus6.14，模擬橡膠材料不同過盈量下與溝槽接觸的應力和應變，用于對比不同結構的優缺點，并輔助改善設計。

對比項目如下：理論過盈量0.75mm，最大過盈量1.075mm。abaqus分析項目為應變下的結構內應力和溝槽接觸應力，結果如下：

①理論過盈量下的分析，見表5。

②最大過盈量下的分析，見表6。

密封件的過盈量設計是確保產品密封的關鍵要素，而安裝擠壓、結構優化都是在確保密封前提下進行完善的。密封件的材料是與實際應用工況進行匹配和選擇的，是否匹配還應與相關實物測試為準。最終方案的選擇以實際臺架測試效果為準。

通常情況下過盈量設計：

①越大的過盈量，密封越可靠，干涉量大，安裝會困難，同時產品結構被壓縮就越大，內應力就越大，其應力疲勞就越快，不利于長久使用。

②越小的過盈量，應力疲勞越小，密封壽命越長久，然而與溝槽接觸的應力越少，越容易出現介質滲漏，故密封可靠性低。

故，密封過盈量需要考慮一個中間值，行業經驗為8%-30%，然而不同材料下其力學性能不同，同樣過盈量下產生的接觸應力是不同的，還需確定根據材料性能加以調整。

參考文獻：

[1]GMW16189 January 2014.Sealings in Turbo Charger Applications.

[2]GMW15408 January 2014.Turbo charge hoses with high temperature resistance.

[3]李紅振，謝蘇江，朱宗亮.基于ABAQUS的X型密封圈密封特性分析[J].煤礦機械，2015.