一种驱动电机用矩形橡胶密封系统的设计方法

杨增

摘 要：本文以矩形橡胶密封圈和矩形密封槽的匹配设计作为研究对象，根据压缩率和填充率的范围要求，对矩形橡胶密封圈和密封槽尺寸进行匹配设计。同时，对于该密封系统在新能源汽车驱动电机环境的实际应用，在不同的环境温度时，对于不同的尺寸匹配结果，基于Ansys软件进行了热仿真，根据仿真结果发现，当环境温度在-40℃～160℃区间变化时，不同尺寸匹配情况下的压缩率和填充率都是随环境温度的升高而升高，但是依然满足密封系统的压缩率和填充率的范围要求。文章提出的根据压缩率和填充率范围要求，在温度变化的环境下，对矩形橡胶密封圈和矩形密封槽进行匹配设计，具有一定的工程指导意义。

关键词：矩形橡胶密封圈 矩形密封槽 高度方向的压缩率 填充率 密封性能 名义尺寸 极限尺寸

0 引言

在液冷驱动电机的结构设计中，为了让电机持续在一个良好的温度环境下运行，需要及时的将电机所发的热量带走。在使用冷却液流经电机的壳体对电机进行冷却的时候，通常会涉及到2个接触面的密封设计，其中橡胶密封圈和密封槽的尺寸匹配，是密封设计中的关键性问题之一。因此在降低成本，优化架构设计的同时，保证驱动电机在S9工作制下，应对不同的外部环境的时，保证密封系统冷却液工作压力和温度变化的多场耦合，依然能达到长期稳定的可靠密封，是对密封系统设计最大的考验，也是非常值得我们深入探讨的问题。

1 研究对象的基本信息

1.1 产品信息

本次研究旨在为客户开发一款使用标准乙二醇冷却液冷却的新能源电动车用驱动电机系统，如图1所示，三合一驱动电机系统由电机，逆变器，减速器组成。冷却液通过冷却液进口，环绕在电机壳体上循环流动的时候，与电机壳体进行热交换，在冷却液流出电机后，通过冷却液管道，流入车载热交换器进行热交换，从而使冷却液温度降低，之后流出热交换器，通过冷却液管道，再次流入电机壳体。这样，一个闭环的冷却系统就形成了。通过冷却液的循环流动，带走电机定子的铜线发出的热量，从而使驱动电机在一定的温度场下稳定运行，不至于由于电机过热而降低电机的性能。关于液冷电机的基本信息见表1，电机结构见图1.

1.2 关于密封圈的概念设计

根据本款电机密封系统需求，我们需要6个小的密封圈密封冷却液通道，此外，考虑到车载电机的工作环境，我们需要1个大密封圈对电机内部进行密封防护，防止车辆在涉水的时候，外部环境的水渗入到电机内部。这样7个密封圈同时安装在一个密封面上，会出线以下不利因素：

（1）预压组装的时候，7个密封圈不能确保正确的躺在密封槽中，有被挤压出密封槽的风险。

（2）7个密封圈对于电机来说增加了物料成本和组装成本。

（3）7个密封圈平躺布置，需要更大的安装空间，使得电机壳体变大变重，同样增加了物料成本。

综上所述，我们设计了一个组合密封圈，这样就能同时改善以上三个问题。同时，我们发现使用截面积为O型的橡胶密封圈，大小两个密封圈结合的部位结构复杂，无法保证能达到必须的密封性能，同时给密封圈的开模，以及生产制造，带来了一定的困难。这样，矩形橡胶密封圈组合就应运而生，如图2所示。

矩形密封圈的截面尺寸，也没有像O形圈一样有国标GB/T3452.1-2005推荐的尺寸。同时，由于密封面需要实现多个冷却液通道的密封，是非常复杂的流体密封结构，电机壳体的厚度和不规则的几何形状受到非常大的考验。综合以上信息后，在反复讨论和3D建模实践之后，我们设计了矩形橡胶密封圈的截面积尺寸为：高度Hs=2.65±0.08mm，宽度Ws=2.65±0.08mm. 后续将基于这种规格的密封圈组合做一序列的研究。

1.3 材料的选择

冷却系统计划的工作温度范围为-35℃～80℃，在S9工作制下，定子的温度范围为-35℃～150℃，由于热传导的有效性，与冷却液接触的壳体的温度要低于定子最高温度150℃，密封圈安装在壳体上，因此选择了EPDM（工作温度范围约-56℃～150℃）作为橡胶密封圈的材料。

2 密封槽的尺寸设计

在设计矩形密封槽时，应首先考虑矩形密封槽和密封圈的匹配关系[1]，这将直接关系到密封性能。（见图3）

在《真空设计手册》[4]中，只有O型橡胶密封圈对应的矩形密封槽的设计计算公式[1]，没有矩形密封圈对应的密封槽的设计计算方法。当然，这种设计方式可作参考。

在《机械设计手册》[5]中，更是没有有关矩形橡胶密封圈和矩形密封槽尺寸的设计计算公式。所以在这次驱动电机密封系统的实例设计中，根据自己的工作经验来设计矩形橡胶密封圈和矩形密封槽的名义尺寸。同时根据边界条件的定义，借助仿真工具，根据压缩率和填充率的范围要求，对环境温度影响下矩形橡胶密封圈和矩形密封槽尺寸进行匹配设计研究。

2.1 高度方向的压缩率

在密封状态下，密封圈与沟槽封底部和盖板之间的连续界面上的接触应力，大于冷却液系统的压力，才可以保证密封性能。

标准大气压下，20℃时，应用在既定场景下的密封圈系统设计，根据矩形橡胶密封圈的设计经验，高度方向的压缩率区间一般在在为8%～14%之间[3]。根据设计和工厂组装经验，极限情况下，压缩率最低不小于6%，最高不大于20%，压缩率的计算公式如下：

C为压缩率，Hs为矩形橡胶密封圈的高度，Hg为矩形密封槽的深度。当Hs=2.65±0.08mm，取8%进行计算，并圆整，得到最深的槽Hgmax=2.36mm，考虑制造加工的精度的有效率，带公差尺寸为Hg=2.33±0.03mm.

复算压缩率，不同尺寸和公差情况下，矩形橡胶密封圈匹配的矩形密封槽的压缩率为：

最大压缩率Cmax=8.2%

最小压缩率Cmin=12.1%

正常压缩率Cnol=16.1%

以上符合密封圈压缩率的设计要求。

2.2 填充率

根据行业经验，橡胶密封圈填充率一般在70%～90%之间。在工作状态下，密封圈应该尽量稳定的填充在密封槽中，才可以保证密封性能。最大不超过100%，否则密封系统有失效的风险。

标准大气压下，20℃时，应用在既定场景下的密封系统设计，考虑到设计安全裕量，初步选择填充率区间在为70%～90%之间，矩形橡胶密封圈，在弹性变形的情况下，截面积和体积保持不变。理论上，矩形密封圈和密封槽的填充率的计算公式如下：

F为填充率，Vs为密封圈的体积，Vg为密封槽的体积，Ss为密封圈的截面积，Sg为密封槽的截面积， Ls为密封圈长度，Lg为密封槽中心线长度，通常情况下，Ls=Lg。当Ws=2.65±0.08mm，Hs=2.65±0.08mm，取中值80%计算，并圆整，得到矩形密封槽宽度Wg=3.8mm，考虑制造加工的精度的有效率，带公差尺寸为Wg=3.8±0.03mm。

复算填充率，不同尺寸和公差情况下，矩形橡胶密封圈匹配的矩形密封槽的填充率为：

最大填充率Fmax=86.4%

最小填充率Fmin=79.5%

正常填充率Fnol=73.3%

以上符合压缩率的基本要求，而且有一定的安全裕量，具体应用的时候，可以结合应用的实际场景，对名义尺寸或者公差进行迭代设计。

3 温度影响下的压缩率和填充率

由于EPDM橡胶材料是典型的材料非线性与几何非线性材料，其本构关系是非常复杂的非线性函数，其受温度的影响会出现非线性的膨胀和收缩，而且EPDM橡胶材料的膨胀率远大于铝壳的膨胀率。在环境温度变化时，同样会影响其两大关键设计指标：高度方向的压缩率和填充率。

3.1 高度方向的压缩率

通过Ansys系统的Static Structural仿真模块[2]，在名义尺寸和极限尺寸下，在软件中设定温度从-40℃到160℃时，不同材料对应的膨胀率，再结合不同密封圈和密封槽的尺寸匹配，得出对应以下三种状态的不同压缩率折线图，如图4所示：

（1）名义尺寸压缩率。此时矩形橡胶密封圈和矩形密封槽都处于名义尺寸下，具体数值如下：

矩形橡胶密封圈尺寸Ws=2.65mm，Hs=2.65mm，矩形密封槽尺寸Wg=3.8mm，Hg=2.33mm。

（2）极限匹配尺寸A压缩率。此时取矩形橡胶密封圈尺寸上公差，匹配矩形密封槽尺寸下公差，具体数值如下：

矩形橡胶密封圈尺寸Ws=2.73mm，Hs=2.73mm，矩形密封槽尺寸Wg=3.77mm，Hg=2.3mm。

（3）极限匹配尺寸B压缩率。此时取矩形橡胶密封圈尺寸下公差，匹配矩形密封槽尺寸上公差，具体数值如下：

矩形橡胶密封圈尺寸Ws=2.57mm，Hs=2.57mm，矩形密封槽尺寸Wg=3.83mm，Hg=2.36mm。

根据计算的结果，总结如下：

（1）当环境温度在-40℃～160℃区间变化时，在三种不同尺寸匹配情况下，高度方向的压缩率随温度的升高而升高。

（2）对于三种不同尺寸的密封圈和密封槽匹配后，总的压缩率区间为7.3%～17.7%，满足极限压缩率的范围要求。

（3）可以对名义尺寸或公差进行适当调整进行迭代计算，找出设计边界。

3.2 填充率

同样通过Ansys系统的Static Structural仿真模块，在名义尺寸和极限尺寸下，在软件中设定温度从-40℃到160℃时，不同材料对应的膨胀率，再结合不同密封圈和密封槽的尺寸匹配，得出对应以下三种状态的不同压缩率折线图，如图5所示：

（1）名义尺寸填充率。此时矩形橡胶密封圈和矩形密封槽都处于名义尺寸下，具体数值如下：

矩形橡胶密封圈尺寸Ws=2.65mm，Hs=2.65mm，矩形密封槽尺寸Wg=3.8mm，Hg=2.33mm。

（2）极限匹配尺寸A填充率。此时取矩形橡胶密封圈尺寸上公差，匹配矩形密封槽尺寸下公差，具体数值如下：

矩形橡胶密封圈尺寸Ws=2.73mm，Hs=2.73mm，矩形密封槽尺寸Wg=3.77mm，Hg=2.3mm。

（3）极限匹配尺寸B填充率。此时取矩形橡胶密封圈尺寸下公差，匹配矩形密封槽尺寸上公差，具体数值如下：

矩形橡胶密封圈尺寸Ws=2.57mm，Hs=2.57mm，矩形密封槽尺寸Wg=3.83mm，Hg=2.36mm。

根据计算的结果，总结如下：

（1）当环境温度在-40℃～160℃区间变化时，在三种不同尺寸匹配情况下，填充率随温度的升高而升高。

（2）对于三种不同尺寸的密封圈和密封槽匹配后，总的填充率区间为71.5%～91%，满足极限压缩率的范围要求。

（3）填充率几乎已经处于设计边界，不建议调整名义尺寸和公差。

3.3 耐久试验和批量生产

该驱动电机的PTCE/HTOE的耐久实验和批量生产后的使用情况，电机没用因密封系统设计原因而导致的泄露现象。充分说明对于矩形橡胶密封圈和密封槽的匹配设计时，在密封系统冷却液工作压力和温度变化的多场耦合下，满足密封系统的压缩率和填充率的通常要求，完全可以满足密封设计性能要求。

4 总结

在电驱动系统的密封设计中，尽管矩形密封圈系统 没有规范的设计计算方式，但是矩形橡胶密封圈和密封槽的匹配设计的关键，仍然是密封系统高度方向的压缩率和填充率。同时温度对密封系统也有重要的影响。

未来，希望同样可以参照GB/T3452.1-2005《液压气动用O形橡胶密封圈》[5]，对矩形橡胶密封圈和矩形密封槽进行标准化，序列化，规范化（尽量使用国家标准的尺寸）。这样让使用者可以通过国家标准，轻松的选取需要的矩形橡胶密封圈规格，并且设计规范的矩形密封槽，使密封系统的性能达到产品的需求。

只有这样，才可以让它的互换性优势充分的表现出来，也为它在需要使用密封圈的水冷/油冷电机的汽车行业大规模应用，降低成本，打下坚实的基础。

总之，满足密封性能需求的密封系统设计，应该建立在矩形橡胶密封圈和矩形密封槽尺寸合理匹配的基础上。

参考文献：

[1] 王利鸣，等. 一种新型矩形密封槽设计[J].机械工程师，2008（4）：84-88.

[2] 何广德，等. 基于有限元分析的矩形橡胶密封圈密封性能研究[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2014（07）：35-39.

[3] 余鲁五.介绍一种静密封用密封件——矩形密封圈[J].流体传动与控制，2006（5）：44-46.

[4] 达道安.真空设计手册[M].北京：国防工业出版社，2004.

[5] 成大先.机械设计手册：第3卷[M].北京：化学工业出版社，2008.