一种车用涡轮增压器管路密封结构设计

陈云飞 郭浪 武永吉

摘要：随着汽车的发展，用车人更加懂车，对车辆静音舒适性、燃油经济性有着更高的要求。汽车节能减排，更多的涡轮增压车型得到了推广，为了提升驾乘人员舒适感，增压管消音器被更广泛的使用。因此，涡轮增压器、消音器、中冷器之间的连接方式课题就越来越多的被研究。涡轮增压器管路内外的温度，管路内部的变化的脉冲压力，机舱内部的振动，管路内部的油气介质，整车的排放要求提高，都要求有更加耐久并且可靠的密封装置来实现管路接口密封。

关键词：X型密封圈;过盈量分析;内应力云图分析

0  引言

涡轮增压器在家用轿车上的更广泛采用，汽车发动机舱内特别是涡轮附近的温度有了明显升高，相比较同等级的自然吸气发动机，在涡轮增压管附近温度增加约30～50℃;另外增压后的发动机进气管气体压力变大，温度升高，涡轮出口的高压气体温度在130～220℃左右，压力通常会在1.5～2.5bar，有的车型甚至会高达3bar以上。因此涡轮增压器、消音器、中冷器之间的密封原件的耐温性、耐久性就有了更高的要求。对于一个密封原件，我们需要重点考虑以下方面。首先，是零件基本结构，密封方式选择;其次，是材料选择，需要耐寒、耐高温，耐油气;还有，密封件需要设计合适的压缩量，保证公差带的配合;最后，需要对密封件在工作状态的应力云图进行分析，避免密封件局部应力过大导致提前失效。

本篇主要针对一款涡轮增压消音器（图1）快插结构密封圈典型结构设计方法进行阐述，意在提供一种结构化密封圈设计方法供参考。

1  密封方式的选择

针对涡轮增压管路使用环境和介质特点以及产品的安装要求，特别是运用在涡轮增压器之后，中冷器之前，密封圈双向都会承受压力。 “O”型密封圈是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏;“X”型密封圈可以将承受的系统压力均匀传递，使其4个外侧边贴紧管路表面，承受的压力越大其密封性能会更好。从这一点比较来看优选“X”型密封圈，见图2：X型密封圈安装结构示意图。

另外，针对本运用，对比同内、外径尺寸、同硬度的FKM“O”型和“X”型密封圈快插安装力及拆卸力（表1），研究表明“X”型密封圈快插安装力及拆卸力更加接近要求值，优先选择 “X”型密封圈密封结构。

2  密封材料选择

基于产品的使用环境，对产品材料进行了筛选。基材，使用氟橡胶密封圈，可长期耐高温200℃，短期可耐温225℃。如果对密封圈有安装力、使用介质、表面摩擦系数等特殊要求，可以在密封圈上进行四氟乙烯的喷涂处理。结合国外对类似产品的使用经验，对密封圈材料进行如表2要求。

3  密封圈压缩量、尺寸链设计

3.1 密封过盈量分析

消音器快插接頭密封原理，主要是X型密封圈内外密封面分别和阳接头、阴接头密封面过赢配合密封，利用发动机运行时涡轮增压管内气体压力，使得X型密封圈对应的唇边更加贴合密封面，保证密封的有效性。其装配示意图见图3。

过盈量计算公式：（密封件宽度-沟槽宽度）÷密封件宽度*100%，理论过盈量：

（3.5-2.75）÷3.5*100%=21.43%;

理论过盈量、最小过盈量、最大过盈量计算见表3。

3.2 外径挤压量分析

由于密封件属于活塞杆式密封，即密封件初始安装状态为先装入孔内的沟槽，迫使外径挤压，最后才插入活塞杆，使其产生过盈干涉密封，故密封圈的内径的设计是参考初始状态（未插入活塞杆）密封件外径挤压率来判断的，其外径干涉量见表4。

外径挤压干涉率计算公式：（密封件外径 - 沟槽外径）÷密封件外径*100%。

理论外径挤压干涉率计算如下：

（52.5-51.5）÷52.5*100%=1.9%

4  密封件在工作状态的应力云图进行分析

密封圈材料、结构、过盈量设计完成后，需要用计算机模拟密封圈在工作状态下的受力情况，主要分析密封圈内应力以及过盈量表面接触应力。

应用有限元分析软件abaqus6.14，模拟橡胶材料不同过盈量下与沟槽接触的应力和应变，用于对比不同结构的优缺点，并辅助改善设计。

对比项目如下：理论过盈量0.75mm，最大过盈量1.075mm。abaqus分析项目为应变下的结构内应力和沟槽接触应力，结果如下：

①理论过盈量下的分析，见表5。

②最大过盈量下的分析，见表6。

密封件的过盈量设计是确保产品密封的关键要素，而安装挤压、结构优化都是在确保密封前提下进行完善的。密封件的材料是与实际应用工况进行匹配和选择的，是否匹配还应与相关实物测试为准。最终方案的选择以实际台架测试效果为准。

通常情况下过盈量设计：

①越大的过盈量，密封越可靠，干涉量大，安装会困难，同时产品结构被压缩就越大，内应力就越大，其应力疲劳就越快，不利于长久使用。

②越小的过盈量，应力疲劳越小，密封寿命越长久，然而与沟槽接触的应力越少，越容易出现介质渗漏，故密封可靠性低。

故，密封过盈量需要考虑一个中间值，行业经验为8%-30%，然而不同材料下其力学性能不同，同样过盈量下产生的接触应力是不同的，还需确定根据材料性能加以调整。

参考文献：

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

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

[3]李红振，谢苏江，朱宗亮.基于ABAQUS的X型密封圈密封特性分析[J].煤矿机械，2015.