波形密封圈设计及密封性能分析

杜艳平 袁琦

【摘  要】本文主要阐述波形密封圈的设计思路。基于大型商用有限元分析软件ABAQUS对点火线圈连接器波形密封圈的密封性能进行仿真，分析密封圈密封面处的接触压力、Mises应力与保持力。仿真计算结果证明该密封圈满足密封性、强度与防脱性设计要求，通过实验也可验证有限元分析的正确性，为无实物密封件的设计验证提供解决办法。

【关键词】连接器；波形密封圈；接触压力；Mises应力

中图分类号：U463.64    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）04-0047-03

【Abstract】This paper describes the design thought of corrugated seal ring.The sealing performance of the ignition coil connector was simulated based on the commercial finite element analysis software ABAQUS.And the contact pressure at the sealing surface，Mises stress and holding power were analyzed. The simulation results show that the sealing ring meets the design requirements of sealing，strength and anti-stripping. The correctness of the finite element analysis is also verified by the experiment，which provides a solution for the design verification of the no physical seal.

【Key words】connector；corrugated sealing ring；contact pressure；Mises stress

点火线圈连接器安装在发动机舱，其工作环境恶劣，要求密封等级S2，因此密封圈在不同温度下满足强度要求和具有良好的密封性是保证连接器长期正常工作的必要条件。该密封圈使用的材料为MQ（硅橡胶），其特点是使用温度范围广，特别是在高温环境下，硅橡胶仍能保持一定的延展性、柔韧性，且力学性能没有明显的变化，非常契合该连接系统的使用环境。密封圈设计是否合理从以下3个方面判断：一是密封面上的最大接触压力应大于内部介质压力，这是实现密封的前提；二是密封圈在安装压缩状态下的等效应力不得大于橡胶材料的许用应力，保证密封圈不发生破损与龟裂；三是密封圈在护套上有一定的保持力，使其不易脱落。

1  设计

波形密封圈的设计需要考虑护套尺寸、原材料、径向压缩率、填充率、预变性、拉伸伸长率等因素，护套与密封圈示意如图1所示。压缩率可由公式（1）表示。压缩率是影响密封性的重要因素，压缩量过小會产生泄漏，压缩量过大会引起密封件的撕裂。填充率是密封圈的体积与密封槽体积之比，可由公式（2）表示。填充率过大，会导致插拔力偏大，加剧永久变形；填充率过小会导致密封圈随着振动而来回移动，会加速磨损，降低使用寿命。当密封圈预装到护套上时，为了防止其脱落，需要一定的拉伸伸长率，但拉伸伸长率不宜过大，否则会导致不易装配，甚至出现泄漏。拉伸伸长率可由公式（3）表示。

2  有限元分析

密封件的密封行为是极为复杂的非线性行为（包括几何非线性、接触非线性和材料非线性），其接触压力及应力计算十分困难，有限元分析使密封圈的接触压力、应力与脱落力的计算成为可能。针对密封件密封性能问题，武汉科技大学的蒋国璋、陈少华、谢良喜、李公法通过有限元分析软件，分析并计算了旋转轴直径、O形圈截面直径、O形圈内圆周压缩率等结构参数，也对密封面最大接触压力和范·米塞斯应力的影响进行了计算和分析[1]；广东机电职业技术学院汽车学院的郝伟通过有限元分析对密封垫密封面处的接触压力、Von Mises应力与脱落力进行计算[2]；重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室的马洋洋、雷刚、胡强松和刘奔奇对不同温度下的密封胶条进行热应力计算分析，得到橡胶密封胶条在不同温度下的Von Mises应力、压缩率、接触应力和接触宽度[3]。本文通过单轴拉伸、平面拉伸和双轴拉伸试验拟合出橡胶材料的Mooney-Rivlin模型，采用ABAQUS软件建立密封圈的有限元模型，研究了连接器对配前后密封圈接触面接触压力、Mises应力及保持力。

2.1  本构模型

仿真模拟前提/假设：①橡胶材料不可压缩且为各向同性；②剪切变形服从胡克定律，在反向拉锁或压缩叠加剪切也遵循胡克定律。

目前用有限元方法分析橡胶变形及应力时，其材料模型一般是Mooney-Rivlin模型或Yeoh模型，其中前者适用于应变小于100％（拉伸）和30％（压缩）的中小变形分析，而Yeoh模型适用于大变形分析[4]，在连接系统中，密封垫和密封圈的变形都很小，因此采用Mooney-Rivlin模型。其简化函数表达式为：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3）（4）

式中：W——应变能密度；I1和I2——分别为第一、第二应变张量不变量；C10和C01——分别为模型材料系数。

2.2  有限元模型建立

在建立有限元模型时需要注意以下几点。

1）3D模型：由于密封圈的结构和受力都是对称的，因此本分析采用1/4模型进行分析，从而节约计算成本，提高分析效率。

2）材料属性：将橡胶材料的单轴拉伸试验、双轴拉伸曲线及平面拉伸试验的名义应力应变曲线输入ABAQUS中得出：C10=0.1065、C01=0.0922。

3）网格划分：对于不可压缩的超弹性材料应该使用六面体一阶杂交单元C3D8H。

2.3  有限元分析结果

在连接器未对配前，密封圈的弹性应变云图如图2所示，此时的应变达到42.62％；密封圈的接触应力云图如图3所示，密封圈内圈筋上中间部分接触应力为0，此时尚不具备密封作用；密封圈的Mises应力云图如图4所示，此时的最大应力0.586MPa，小于材料的单轴拉伸强度1.057MPa；密封圈的状态如图5所示，密封圈内筋有少许变形；图6为密封圈的初始位置，而图7为密封圈保持力1.01N时的位置，相较于其初始位置下边位置不变，仅上边位置有变形发生，可判定为保持力在1.01N时，其位置不变，即未配合的连接器密封件保持力合格。

在连接器对配后，密封圈的弹性应变云图如图8所示，最大应变达到75.12％；密封圈的接触应力云图如图9所示，密封圈内圈和外圈筋上均有接触应力，且接触应力大于0.048MPa的试验压强，满足密封性能要求；密封圈的Mises应力云图如图10所示，最大应力1.053MPa小于其单轴拉伸的拉伸强度1.057MPa，不会发生撕裂等破坏；密封圈的状态如图11所示，连接器配合后，密封圈内筋几乎被压平，外筋也由原来的圆弧被压成平面，内外圈的接触面积增大，保证了密封圈的密封效果。

3  试验

按照汽车电线束和电气设备用连接器第1部分定义、试验方法和一般性能要求[5]中的密封性试验标准进行试验（图12），调整压力使之能提供48kPa的压力，当达到规定压力时，观察样品至少15s，无气泡产生；调整压力，使之能提供-48kPa的压力，达到规定压力时，观察样品至少15s，无气泡产生。

4  结论

以某发动机点火线圈连接器密封圈为研究对象，详细阐述了密封圈的密封性的分析过程，表明密封圈满足橡胶材料使用要求与产品的密封要求。有限元仿真计算可在无实物的情况下进行验证，可大大减少密封件的开发中样件试制与试验次数，降低开发成本并缩短研发周期。

参考文献：

[1] 蒋国璋，陈少华，谢良喜，等. O形旋转密封圈的密封性能有限元分析[J]. 机械设计与制造，2014（6）：178-181.

[2] 郝伟. 发动机点火线圈密封垫密封性试验与计算研究[J]. 现代制造工程，2015（10）：133-137.

[3] 馬洋洋，雷刚，胡强松，等. 基于ABAQUS的变截面橡胶密封条热应力与密封性分析[J]. 润滑与密封，2019，44（11）：112-116.

[4] 黄建龙，解广娟，刘正伟. 基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析[J]. 橡胶工业，2008，55（8）：467-471.

[5] QC/T 1067，汽车电线束和电气设备用连接器第1部分定义、试验方法和一般性能要求[S].

（编辑  凌  波）