汽車空調接頭密封方式的研究和優化探討

趙鴻漢 楊冬冬 李絨珍

天津三電汽車空調有限公司 天津市 300380

1 引言

汽車空調系統的密封問題一直是行業內不斷研究的課題，當前主要采用壓板結構的徑向雙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部件和通O 型圈實現系統密封的作用。為降低成本，各空調廠商通常會將壓板接頭由機加工方式改為漲接方式，但是在汽車下線時易發生泄漏，而產生顧客抱怨，同時冷媒的泄漏對大氣也會產生一定的影響，相對低成本且能確保蒸發器與膨脹閥之間冷媒密封性成為研究課題。

2 壓板結構及密封方式介紹

當前汽車空調系統中普遍使用的是R134a 制冷劑，汽車空調各個系統部件的連接方式主要依靠壓板結構進行連接，尤其是蒸發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性使得空調系統的密封性一直是行業內的一個重要課題。當前汽車空調接口處的壓板結構主要以機加工的壓板為主，隨著低成本化趨勢及壓板加工技術與工藝的進步，壓板的結構形式也由機加工式逐漸改為管路漲接式結構。

空調系統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O 型圈兩側端面對O 型圈實現壓縮，達到適當的壓縮率后實現密封效果；該密封方式對壓板安裝時O 型圈受到的壓力要求比較高，當壓緊力不恰當時易將O 型密封圈壓壞或未達到適當壓縮率，而造成產生“微泄漏”。徑向密封的原理：通過O 型密封圈與相應接頭密封內圓柱面的過盈配合，實現O 型圈的適當壓縮率，達到密封的效果；其優點在于O 型圈的密封效果在一定程度內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致密封圈受損、密封圈處于扭曲狀態等產生“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]。

本文對蒸發器進出管與膨脹閥接口之間的壓板結構及密封性研究，蒸發器進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，結構圖1 所示。

圖1 蒸發器進出管壓板密封結構

目前蒸發器進出管壓板接頭通常采用兩種典型的結構，如圖2 所示。其中，結構a為機加工壓板接頭，壓板及接頭一體通過機加工成型；結構b 為漲接壓板接頭，通過管端旋壓成型后在壓板內漲接。

圖2 兩種典型壓板密封結構

機加工壓板接頭采用數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。機加工壓板采用的數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勢；但是相對的設備成本及加工成本高，導致壓板的成本增加，而且機加工壓板還需要增加一個釬焊的工序，也大增加了機加工壓板的成本。

漲接壓板接頭先是將管路部分使用旋壓設備將管端旋壓成型密封槽，然后通過漲接設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備攤銷成本較低，這種壓板結構具有較為顯著的成本優勢，因而該結構成為諸多空調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，致使該結構的密封性與機加工壓板結構密封性也存在較大差異。

3 機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構，對密封性產生影響的關鍵是尺寸的一致性。兩種壓板結構中影響產品密封特性的關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 壓板接頭的關鍵尺寸

為對比兩種加工方式產品尺寸過程能力，對兩種加工方式的壓板各抽取100 件，測量各零部件的關鍵尺寸，按統計學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計公差帶內的分布情況。對測量的數據進行統計分析，得出數據的統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]。通過對測量數據的分析發現，受加工工藝及設備精度的影響，漲接壓接頭板密封槽直徑和中心距的過程能力指數CPK值明顯低于機加工的壓板接頭，機加工壓板接頭的密封槽直徑和中心距的過程能力指數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CPK值分別為0.82 和1.03；漲接壓板接頭關鍵尺寸精確度相比機加工明顯降低，加工一致性較差，均不能滿足汽車行業對過程能力要求CPK ≥1.33 的標準要求；并且發現圖4 中在密封槽直徑數據分布大于規格上限USL部分，圖4 所示中心距大于規格上限USL 部分和小于規格下限LSL 部分均為尺寸超出設計公差的不良尺寸。

尺寸的一致性直接影響O型圈的壓縮率，適當的壓縮率是充分發揮O 型圈密封性能的關鍵。壓縮率過小導致冷媒系統泄漏，壓縮率過大會導致裝配困難、使用壽命縮短等問題[3]，兩種情況都會導致空調系統因密封性能差而導致的冷媒泄漏問題。

4 低成本的漲接方式泄漏性優化方案

根據以上分析不難看出，機加工壓板接頭結構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構，又會因為其過程能力低、尺寸一致性差而導致泄漏的發生。

為避免蒸發器壓板與膨脹閥直接因密封不足而導致泄漏問題，諸多空調廠家紛紛采用機加工壓板接頭的雙密封圈結構，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 型圈密封結構導致本體結構變得復雜、加工過程難度增加、總密封高度增加導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。該結構是在原漲接壓板接頭結構的基礎上，利用壓板與膨脹閥接口的倒角結構，增加一個輔助O 型圈，在倒角處形成一個輔助的密封帶，實現徑向密封與端面密封相結合的雙密封結構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。分別隨機抽取三種密封方式的產品：機加工壓板接頭結構、漲接壓板接頭結構和漲接壓板帶輔助O 型圈的產品各30 件產品，使用同一臺氦檢漏設備（設備廠家：愛發科東方真空（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）進行泄漏測試。檢測結果如圖9 所示，通過數據對比分析發現漲接壓板的冷媒泄漏量平均值為1.56g/年，且結果比較分散，同時發生一件產品泄漏量為2.3g/年，超出系統泄漏量的標準值2g/年的標準；機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，與機加工壓板泄漏量相當，且一致性比漲接壓板要好，與機加工相當。試驗結果說明，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致接頭處泄漏的問題，同時也兼顧了其工藝簡單的特點，與機加工壓板對比，可以在確保密封性的同時實現較為明顯的成本降低。

5 結語

成本降低、性能提升是汽車行業的兩大永恒主題，但往往在成本降低的過程中，會或多或少影響到產品的性能及質量。本文的研究過程中分析了兩種典型壓板接頭的加工特點、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，為密封結構成本降低活動中的密封性能保證提供參考和借鑒。