气缸密封结构分析研究

宋楠，田沛

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710077）

1 变速箱气缸产品介绍

一套气路可以简单分为气源、气阀、气缸，分别作为动力源、切换结构、执行机构，而气缸作为一套气路的最终环节——执行机构，其是产品是否能正常工作的最终保证以及体现。在重型汽车变速箱上，同样有多处气缸产品的应用，例如带有副箱变速箱的副箱气缸、变速箱取力器气缸，助力器，锁挡气缸，AMT制动气缸，AMT气动操作的气缸等等。

针对气缸的工作形式，其也是多种多样的。首先按活塞停止位置可以分为：双位置气缸、三位置气缸和多位置气缸；另外按气源操作类型可分为：双向气操纵和单向气操纵；按气源形式可分为：加压空气和负压方式；在变速箱产品上，

上述几种类型的使用都是存在的。

另外在传统的活塞、活塞杆密封方式之上，参考整车其他产品的密封方式（例如整车制动气缸），橡胶膜片的方式也开始应用于变速箱相关气缸产品上。下面，我们将针对变速箱产品的使用情况，对传统的O形圈密封、唇形密封圈、支撑环以及橡胶膜片密封进行相关介绍。

2 针对操作方式的气缸类型介绍

目前气缸产品，主要的作用的活塞位置的切换，既然要切换，就需要有外力。目前来说无外乎两种选择，气压差和弹簧。首先说气压差，针对活塞，只要两侧有气压差，其压力可以克服摩擦等阻力，就可以带来活塞的运动，区别只是在活塞运动的速度等效果。而对于弹簧，根据其工作原理，其主要是一项回位作用，其压缩仍需受到外力，如气压压力。所以，根据这两者结构的选择，气缸结构（或称之动力源方式）无非两种——双向气操纵、单向气操纵（弹簧回位）。

3 气缸密封结构说明

针对密封结构，介绍两种典型的方式，分别是活塞密封和活塞杆密封，其主要区别就是在于密封区域的位置，如下图所示。

图1 活塞密封结构

图2 活塞杆密封

4 密封件结构

针对活塞密封产品结构，其种类有很多种，像各种形状的橡胶密封圈（O形圈、星形圈、矩形圈）、组合密封圈（带限位的O形圈、带金属骨架的密封圈）等等。

然而这各种各样的密封形式，就目前最常用的来说。O形密封圈，介于其安装简便、材料选择范围广、模具结构简单、成本低等优势，这也是使用最为普遍的产品。同样在目前国内市场变速箱上，也是非常简单、典型的应用，其在产品设计成本上也较低。但是针对变速箱行业的发展，气动、液动的应用开始变得越来越严格，传统的O形圈适用性也越来越窄，部分在航空、液压等专有行业的密封应用开始逐步在变速箱产品上体现。

另外就其密封原理上来说，O形圈在设计之初，就要考虑其压缩量，这就决定了其工作方式——挤压型密封，依靠弹性体发生弹性变形，在密封面上造成接触压力，进而隔绝两侧的流体。

而在目前国外变速箱产品上主要采用的并非O形密封圈的结构，而是采用唇形密封的方式（如图 3 所示），具体来说，种类也很多，有采用Y形圈、U形圈、整体式唇形密封、带缓冲的密封等等(这里统称为唇形密封)。就工作原理上来讲，其不像O形圈的密封方式，而是依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面。其工作需要依靠活塞两侧的流体压力的作用，唇形密封圈唇部受到周向压缩，唇与密封面接触变宽，同时接触压力增大，进而保证产品密封性。

另外，根据相关有限元分析结果，唇形密封圈内部的应力分布比O形密封圈内部的应力分布明显均匀，应力集中现象不明显。鉴于此，在同样的工况情况下，唇形密封圈的磨损情况要小于O形密封圈。

图3 分体式唇形密封

图4 组合式唇形密封

然而，介于传统唇形密封的宽度及限位方式问题，图 4结构方案应运而生，同样是采用双唇形密封的方式，区别在于将两个密封圈组合在一起，密封圈采用中间的金属凸起来限位。另外上述两种结构受限于产品结构设计中限位问题。但是任何事物都有两面性，组合式的缺点就在于活塞的限位方式不可以式周向外侧。

5 支撑环的应用

活塞的工况式比较多样化的，针对活塞一些有较大偏载的环境下，密封圈会偏磨现象，这会降低密封圈的使用寿命，直接表现在漏气等故障现象。此种情况下，就需要在密封件的基础上增加一个支撑环，其目的是在活塞和活塞杆间提供导向和支撑作用，并吸收径向载荷，避免偏载力由密封圈来承受，保证密封圈工作在一个较好的工况下。如图5所示，就是在活塞提上增加了支撑环结构。

图5 O形圈密封(带支撑环)

6 膜片式的气缸产品

图6 密封膜片式气缸

以上几种密封方式，活塞体基本均是棒料，气缸体部分也为铸造件，是目前较普遍的气缸产品方案，唇形密封、支撑环的应用均是在目前产品的基础上，对整体的改动并不大。但是借鉴于整车其他气动元件的应用（例如制动系统的气室），可以发现气缸产品的密封结构不仅仅如此。以下介绍全新气缸密封方式的在变速箱产品上的应用，采用橡胶膜片的方式（图6所示）。

气缸产品的工作是通过控制气孔A处的进气来控制密封膜片压板的受力，进而控制轴的运动。

首先，当气孔A未通入加压的空气时，气缸体通过螺栓连接到了壳体上，密封膜片压板B受到弹簧的弹力而有向左运动的趋 势，进而使压板 A有向左运动的趋势，而压板A在左侧在压到壳体后，到达左极限位置，同样轴处于左极限位置。

当气孔A通入加压的空气时，气缸体通过螺栓连接到了壳体上，密封膜片外圈处受到气缸体的压紧，密封膜片压板A收到加压空气的力，会开始克服弹簧的弹力而向右运动，进而推动压板B向右运动，直至压板B右侧碰到气缸体，达到右极限位置，同时轴也运动到右极限位置。

针对其密封方式上，在气缸体和壳体之间仍采用密封膜片的密封方式，通过螺栓连接来压紧密封膜片，进而进行结合面的端面密封。总的来说，其一个产品可以达到原有3处密封件的效果，大大简化了整体的结构和重量。

7 结论

本文通过对目前变速箱气缸产品的分析，提出了唇形密封圈、支撑环以及膜片式气缸产品的使用，首先直接为为相关设计人员提供了新的产品解决方案。另外一方面，带来了一种新方案的思路，可以参考整车、甚至其他行业的案例应用，扩展到变速箱产品上。

相信随着行业的发展，行业之间的融合也更加密切，行业之间的交叉应用也将更加的丰富。