密封設(shè)計(jì)的優(yōu)化和評(píng)估

來源：?作者：?2021-06-16 10:45

前言

電動(dòng)汽車的快速普及的過程中，也伴隨出現(xiàn)了很多起安全事故，和傳統(tǒng)汽車不同的是，整車充滿電氣件的電動(dòng)汽車對(duì)電器件的密封要求比較嚴(yán)格，根據(jù)整車的應(yīng)用部位不同，目前最低的要求也是IP67，對(duì)于電連接當(dāng)中起到連接的關(guān)鍵器件，連接器的密封要求尤為如此；我們傳統(tǒng)意義上對(duì)于連接的密封設(shè)計(jì)大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算再加試驗(yàn)驗(yàn)證求索，通過多年的經(jīng)驗(yàn)積累一些關(guān)鍵的參數(shù)數(shù)據(jù)不斷的迭代產(chǎn)品，無論是矩形的環(huán)島密封還是圓形的O型密封等亦是如此；

今天peggy老師給我們從另外一個(gè)角度帶來了新的方式驗(yàn)證，通過仿真的方式在前期研發(fā)時(shí)就進(jìn)行參數(shù)的校核來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最大程度的可靠性，同時(shí)最大程度的降低相關(guān)前期驗(yàn)證所要花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用，當(dāng)然這個(gè)前提時(shí)企業(yè)已經(jīng)通過此方式反復(fù)實(shí)踐測(cè)試已經(jīng)積累了自己的數(shù)據(jù)庫，這種數(shù)據(jù)庫完全可以滿足不同的產(chǎn)品開發(fā)迭代而快速可靠的設(shè)計(jì)密封參數(shù)；

密封設(shè)計(jì)的優(yōu)化和評(píng)估?

摘要：現(xiàn)在高壓大電流連接器因?yàn)閼?yīng)用環(huán)境的惡劣，防水防塵功能算是基本的標(biāo)準(zhǔn)要求。要求低一點(diǎn)有IP65、IP67,要求高一點(diǎn)則需要達(dá)到IP68、IP6K9K；如何在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中保證密封性能，且保證長(zhǎng)期使用或長(zhǎng)期環(huán)境測(cè)試后，依舊能保持對(duì)應(yīng)的密封等級(jí)，是目前的密封設(shè)計(jì)難題。本文采用仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，找出了一條密封設(shè)計(jì)優(yōu)化和評(píng)估方法，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，為可靠的密封設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：密封，防水，老化

1 密封設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀：

傳統(tǒng)的密封設(shè)計(jì)方法有打膠水，超聲，二次注塑，注塑鑲件和采用密封件。由于高壓大電流連接器普遍有在環(huán)境測(cè)試（熱老化、熱沖擊、溫濕循環(huán)和振動(dòng)）后，防水防塵功能依舊保持原來標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)苛要求，故打膠水，超聲、二次注塑這種受時(shí)間和溫度影響嚴(yán)重的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基本都不能滿足此類要求。在高壓大電流連接器的防水設(shè)計(jì)中，普遍采用的是橡膠類密封圈進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)可靠性問題，目前高壓大電流連接的密封設(shè)計(jì)基本都是選用異形橡膠。傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的密封性能評(píng)估方法主要針對(duì)的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的O型圈，已經(jīng)無法滿足復(fù)雜多變的異形橡膠情況，簡(jiǎn)而言之，就是無法采用之前的方法進(jìn)行密封圈密封效果的評(píng)估，目前大部分廠家設(shè)計(jì)都是靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)密封圈設(shè)計(jì)，費(fèi)時(shí)費(fèi)事費(fèi)錢。

2.密封的標(biāo)準(zhǔn)要求：?

關(guān)于防水要求，IEC60529中詳細(xì)規(guī)定了各個(gè)級(jí)別的防護(hù)等級(jí)具體要求。高壓大電流連接器，最基本的防水要求是IP65，一般的要求是IP67，延伸的要求有IP68和IP6K9K。

其中，IP65針對(duì)防水的要求是低壓力型的噴射，IP67要求的是一米水深下為時(shí)半個(gè)小時(shí)的浸泡，而IP68針對(duì)的是更深的水深、更長(zhǎng)的浸泡時(shí)間，具體的標(biāo)準(zhǔn)主要由使用方根據(jù)自身的使用環(huán)境來確定，目前有一米水深24小時(shí)或48小時(shí)。

圖5 IP66 高壓力噴射的測(cè)試具體要求

3.密封的理論知識(shí)：

根據(jù)大概的壓強(qiáng)計(jì)算公式，依據(jù)IP65的測(cè)試要求，可知噴嘴噴出的水壓強(qiáng)大概0.022~0.065MPA，基本跟沐浴用的噴淋系統(tǒng)壓力相差無幾。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的距離：實(shí)驗(yàn)樣品距離噴嘴大約2.5米時(shí)，壓力已經(jīng)損失到在1Kpa以內(nèi)。而IP66中的高壓力型噴射防水，噴嘴噴出的水壓強(qiáng)大概1.43~4.2MPA，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的距離，壓力已經(jīng)損失到在10Kpa以內(nèi)。

IP65的低壓力型噴射防水要求比較好滿足，IP66的高壓力型噴射壓力接近1米水深的壓強(qiáng)，但是噴射持續(xù)的時(shí)間只有1分鐘，這個(gè)測(cè)試要求，相對(duì)于IP67中的要求在一米水深下持續(xù)半個(gè)小時(shí)的浸泡來說（理論計(jì)算出的壓強(qiáng)為9.8Kpa），已經(jīng)是較低的要求。

我們?cè)谶M(jìn)行對(duì)應(yīng)的密封設(shè)計(jì)時(shí)，要想滿足最低IP67的防水要求，理論上，必須形成接觸部分壓強(qiáng)大于9.8Kpa且具有一定長(zhǎng)度的密封面。當(dāng)接觸壓強(qiáng)較大時(shí)，可以適當(dāng)減少接觸端面長(zhǎng)度尺寸；當(dāng)接觸壓強(qiáng)較低時(shí)，需要適當(dāng)增加接觸端面的長(zhǎng)度，以保證產(chǎn)品能經(jīng)受住半小時(shí)甚至48小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間浸泡。

如何定義具體的壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)和端面長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，我們可以結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行一定的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。當(dāng)具備一定的經(jīng)驗(yàn)累積時(shí)，我們就在密封設(shè)計(jì)之初，就能保證產(chǎn)品滿足具體的防水等級(jí)要求。

4.密封的仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)例：

在一個(gè)復(fù)合路徑的上下面配合密封案例中，上下兩個(gè)零件都是鋁合金，中間采用硅橡膠或FKM材料做密封處理。此密封件的端面為直徑2.2mm圓形，截取此端面作為分析模型。并分析兩種種工況，其一，單純受壓0.5mm時(shí)；其二，左側(cè)受氣壓0.05Mpa氣壓的情況下。

我們需要得到的結(jié)果包括三方面：其一，上下面的接觸壓強(qiáng)；其二，上下面的接觸長(zhǎng)度；其三，橡膠件的最大應(yīng)力。

橡膠件的最大應(yīng)力與老化后能否保持密封性能息息相關(guān)，其具體能承受的壓縮率跟具體的橡膠材料類型相關(guān)。

依據(jù)此方法，我們仿真了多種端面形狀的密封圈，最終選擇在3號(hào)方案。此方案在保證一定的接觸壓強(qiáng)和接觸面積情況下，其內(nèi)部的應(yīng)力值最小，產(chǎn)生的過變形較小，可滿足在長(zhǎng)期熱老化或使用后的防水功能。

最終，打樣后的測(cè)試結(jié)果如仿真預(yù)測(cè)，3號(hào)方案在155度500個(gè)小時(shí)的熱老化后，防水功能依然滿足IP67等級(jí)。

除了此簡(jiǎn)單的案例外，此評(píng)估方法還可應(yīng)用在其他復(fù)雜的密封設(shè)計(jì)中。如下圖11~14所示。

5 總結(jié)：

此仿真方法經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與實(shí)驗(yàn)的一致性很好。只是需要注意的是，密封對(duì)象的不同會(huì)有不同的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

大部分密封件采用的材料為橡膠，橡膠為超彈性體，硬度較軟。相對(duì)于金屬和玻纖含量較高的塑料來說，密封過程中，密封件自身變形占變形的絕對(duì)主體。這種情況下，我們可以忽略掉外部零部件的變形。

而相對(duì)于軟皮線纜和較軟的塑料來說，就需要考慮線纜和塑料的變形問題。尤其在長(zhǎng)期使用后，雙方的永久變形可能性都很大，這時(shí)，我們做密封件的設(shè)計(jì)就需要多方面考量。既要考慮橡膠件本身的變形、接觸壓強(qiáng)，壓力，還需要考慮對(duì)配部分的材料性能。

至于在具體的使用情況下，需要采用何種的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，就很需要設(shè)計(jì)或仿真人員的技術(shù)功底。