汽車空調(diào)接頭密封方式的研究和優(yōu)化探討

趙鴻漢 楊冬冬 李絨珍

天津三電汽車空調(diào)有限公司 天津市 300380

1 引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)的密封問題一直是行業(yè)內(nèi)不斷研究的課題，當(dāng)前主要采用壓板結(jié)構(gòu)的徑向雙O 型圈密封的方式以滿足其較高的泄漏性要求。在連接處，管路壓板接頭起著連接不同系統(tǒng)部件和通O 型圈實現(xiàn)系統(tǒng)密封的作用。為降低成本，各空調(diào)廠商通常會將壓板接頭由機(jī)加工方式改為漲接方式，但是在汽車下線時易發(fā)生泄漏，而產(chǎn)生顧客抱怨，同時冷媒的泄漏對大氣也會產(chǎn)生一定的影響，相對低成本且能確保蒸發(fā)器與膨脹閥之間冷媒密封性成為研究課題。

2 壓板結(jié)構(gòu)及密封方式介紹

當(dāng)前汽車空調(diào)系統(tǒng)中普遍使用的是R134a 制冷劑，汽車空調(diào)各個系統(tǒng)部件的連接方式主要依靠壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，尤其是蒸發(fā)器與膨脹閥之間的連接。密封接口多、及R134a 的高滲透性與高揮發(fā)性使得空調(diào)系統(tǒng)的密封性一直是行業(yè)內(nèi)的一個重要課題。當(dāng)前汽車空調(diào)接口處的壓板結(jié)構(gòu)主要以機(jī)加工的壓板為主，隨著低成本化趨勢及壓板加工技術(shù)與工藝的進(jìn)步，壓板的結(jié)構(gòu)形式也由機(jī)加工式逐漸改為管路漲接式結(jié)構(gòu)。

空調(diào)系統(tǒng)管路連接密封方式基本分為：端面密封、徑向單密封及徑向雙密封等密封方式等[1]。端面密封的原理：通過壓板螺栓的扭矩來實現(xiàn)O 型圈兩側(cè)端面對O 型圈實現(xiàn)壓縮，達(dá)到適當(dāng)?shù)膲嚎s率后實現(xiàn)密封效果；該密封方式對壓板安裝時O 型圈受到的壓力要求比較高，當(dāng)壓緊力不恰當(dāng)時易將O 型密封圈壓壞或未達(dá)到適當(dāng)壓縮率，而造成產(chǎn)生“微泄漏”。徑向密封的原理：通過O 型密封圈與相應(yīng)接頭密封內(nèi)圓柱面的過盈配合，實現(xiàn)O 型圈的適當(dāng)壓縮率，達(dá)到密封的效果；其優(yōu)點(diǎn)在于O 型圈的密封效果在一定程度內(nèi)不受壓板螺栓擰緊程度的影響，對安裝過程要求較低。但其缺點(diǎn)是對密封面之間的同軸度、粗糙度和潔凈度要求比較高，在裝配時容易因擠壓導(dǎo)致密封圈受損、密封圈處于扭曲狀態(tài)等產(chǎn)生“微泄漏”。雙徑向密封與單徑向密封的密封原理基本相同，只是多一個徑向密封圈[1]。

本文對蒸發(fā)器進(jìn)出管與膨脹閥接口之間的壓板結(jié)構(gòu)及密封性研究，蒸發(fā)器進(jìn)出管壓板接頭通過螺栓與膨脹閥連接固定，采用O型圈徑向單密封方案，結(jié)構(gòu)圖1 所示。

圖1 蒸發(fā)器進(jìn)出管壓板密封結(jié)構(gòu)

目前蒸發(fā)器進(jìn)出管壓板接頭通常采用兩種典型的結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。其中，結(jié)構(gòu)a為機(jī)加工壓板接頭，壓板及接頭一體通過機(jī)加工成型；結(jié)構(gòu)b 為漲接壓板接頭，通過管端旋壓成型后在壓板內(nèi)漲接。

圖2 兩種典型壓板密封結(jié)構(gòu)

機(jī)加工壓板接頭采用數(shù)控加工中心一次加工完成兩個密封槽，通過釬焊的方式與管路連接。機(jī)加工壓板采用的數(shù)控加工中心具有過程能力高、一次成型、加工精度高及一致性好等優(yōu)勢；但是相對的設(shè)備成本及加工成本高，導(dǎo)致壓板的成本增加，而且機(jī)加工壓板還需要增加一個釬焊的工序，也大增加了機(jī)加工壓板的成本。

漲接壓板接頭先是將管路部分使用旋壓設(shè)備將管端旋壓成型密封槽，然后通過漲接設(shè)備將兩根管路與壓板通過漲接方式連接成為一體；因其工藝過程簡單且使用設(shè)備攤銷成本較低，這種壓板結(jié)構(gòu)具有較為顯著的成本優(yōu)勢，因而該結(jié)構(gòu)成為諸多空調(diào)廠家的一個低成本方案。但其漲接過程控制能力與加工中心相比較低，致使該結(jié)構(gòu)的密封性與機(jī)加工壓板結(jié)構(gòu)密封性也存在較大差異。

3 機(jī)加工壓板接頭與漲接壓板接頭尺寸過程能力對比

無論哪一種壓板接頭結(jié)構(gòu)，對密封性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵是尺寸的一致性。兩種壓板結(jié)構(gòu)中影響產(chǎn)品密封特性的關(guān)鍵尺寸為密封槽直徑φa 和φb，接頭中心距c，如圖3 所示。

圖3 壓板接頭的關(guān)鍵尺寸

為對比兩種加工方式產(chǎn)品尺寸過程能力，對兩種加工方式的壓板各抽取100 件，測量各零部件的關(guān)鍵尺寸，按統(tǒng)計學(xué)的方法計算并研究密封尺寸的特性分布曲線[2]，如圖4 和圖5，該曲線反映了壓板尺寸在設(shè)計公差帶內(nèi)的分布情況。對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布特性和過程能力特性

圖4 密封槽直徑a過程能力特性

圖5 密封槽中心距c過程能力特性

CPK 值[2]。通過對測量數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，受加工工藝及設(shè)備精度的影響，漲接壓接頭板密封槽直徑和中心距的過程能力指數(shù)CPK值明顯低于機(jī)加工的壓板接頭，機(jī)加工壓板接頭的密封槽直徑和中心距的過程能力指數(shù)CPK 值分別為3.24 和2.98；漲接壓板接頭的密封槽直徑和中心距的過程能力指數(shù)CPK值分別為0.82 和1.03；漲接壓板接頭關(guān)鍵尺寸精確度相比機(jī)加工明顯降低，加工一致性較差，均不能滿足汽車行業(yè)對過程能力要求CPK ≥1.33 的標(biāo)準(zhǔn)要求；并且發(fā)現(xiàn)圖4 中在密封槽直徑數(shù)據(jù)分布大于規(guī)格上限USL部分，圖4 所示中心距大于規(guī)格上限USL 部分和小于規(guī)格下限LSL 部分均為尺寸超出設(shè)計公差的不良尺寸。

尺寸的一致性直接影響O型圈的壓縮率，適當(dāng)?shù)膲嚎s率是充分發(fā)揮O 型圈密封性能的關(guān)鍵。壓縮率過小導(dǎo)致冷媒系統(tǒng)泄漏，壓縮率過大會導(dǎo)致裝配困難、使用壽命縮短等問題[3]，兩種情況都會導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)因密封性能差而導(dǎo)致的冷媒泄漏問題。

4 低成本的漲接方式泄漏性優(yōu)化方案

根據(jù)以上分析不難看出，機(jī)加工壓板接頭結(jié)構(gòu)因尺寸一致性好具有更好的密封性能，但因成本較高，在低成本化過程中，如果僅簡單直接使用漲接壓板接頭結(jié)構(gòu)，又會因為其過程能力低、尺寸一致性差而導(dǎo)致泄漏的發(fā)生。

為避免蒸發(fā)器壓板與膨脹閥直接因密封不足而導(dǎo)致泄漏問題，諸多空調(diào)廠家紛紛采用機(jī)加工壓板接頭的雙密封圈結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這樣雖然提升了此處的密封性能，但因徑向雙O 型圈密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致本體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、加工過程難度增加、總密封高度增加導(dǎo)致對接的膨脹閥尺寸也要增加、甚至還需要對整車管路布局產(chǎn)生影響，所以該方案雖然能夠很好提升密封性能但也大大增加了總的改善成本。

圖6 雙密封的改善方案

為彌補(bǔ)漲接壓板密封性能不足的問題，提升漲接壓板的密封性能，本文提出使用雙O 型圈密封的方案，如圖7 及圖8 所示。該結(jié)構(gòu)是在原漲接壓板接頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用壓板與膨脹閥接口的倒角結(jié)構(gòu)，增加一個輔助O 型圈，在倒角處形成一個輔助的密封帶，實現(xiàn)徑向密封與端面密封相結(jié)合的雙密封結(jié)構(gòu)提高接頭的密封性能；這種密封方式的采用，雖然增加了一套輔助O 型圈，但輔助O 型圈的成本要顯著低于機(jī)加工壓板與漲接壓板的價格差，同時能夠確保密封性能。

圖7 輔助O型圈的改善設(shè)計方案

圖8 輔助O型圈的改善方案實物圖

首先采用對比試驗的方法驗證其對冷媒R134a 的密封性能。分別隨機(jī)抽取三種密封方式的產(chǎn)品：機(jī)加工壓板接頭結(jié)構(gòu)、漲接壓板接頭結(jié)構(gòu)和漲接壓板帶輔助O 型圈的產(chǎn)品各30 件產(chǎn)品，使用同一臺氦檢漏設(shè)備（設(shè)備廠家：愛發(fā)科東方真空（成都）有限公司，型號：ALTCD-22HP，精 度：1.0x10-10Pa·m3/s，折算冷媒R134a 年泄漏量為0.02g/年）進(jìn)行泄漏測試。檢測結(jié)果如圖9 所示，通過數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)漲接壓板的冷媒泄漏量平均值為1.56g/年，且結(jié)果比較分散，同時發(fā)生一件產(chǎn)品泄漏量為2.3g/年，超出系統(tǒng)泄漏量的標(biāo)準(zhǔn)值2g/年的標(biāo)準(zhǔn)；機(jī)加工壓板冷媒泄漏量平均值為0.72g/年，漲接壓板帶輔助O 型圈的冷媒泄漏量平均值為0.75g/年，與機(jī)加工壓板泄漏量相當(dāng)，且一致性比漲接壓板要好，與機(jī)加工相當(dāng)。試驗結(jié)果說明，漲接壓板接頭增加輔助O 型圈的方案可以有效提升接頭處密封性能。

圖9 三種密封方式壓板泄漏量對比

輔助O 型圈的方案解決了漲接壓板密封尺寸過程能力不足導(dǎo)致接頭處泄漏的問題，同時也兼顧了其工藝簡單的特點(diǎn)，與機(jī)加工壓板對比，可以在確保密封性的同時實現(xiàn)較為明顯的成本降低。

5 結(jié)語

成本降低、性能提升是汽車行業(yè)的兩大永恒主題，但往往在成本降低的過程中，會或多或少影響到產(chǎn)品的性能及質(zhì)量。本文的研究過程中分析了兩種典型壓板接頭的加工特點(diǎn)、加工尺寸分布特性和對密封性能的影響，提出并驗證了一種輔助O 型圈的密封方案，在兼顧成本的同時，解決了漲接壓板密封方式引起的密封性能降低和冷媒泄漏的問題，為密封結(jié)構(gòu)成本降低活動中的密封性能保證提供參考和借鑒。