汽车散热器设计-橡胶密封设计

引言：
在机械液压传动密封结构中，橡胶密封特别是 O 型圈结构是应用最广泛的， 其设计也成熟到仅需查找 手册既能完成。而汽车散热器的橡胶密封结构，是在 近些年之前，出现塑料水室与散热器芯部（主片）进 行机械装配的密封要求产生的，现在，铝散热器广泛 采用这种结构， 因此借用成熟的液压传动密封技术是 很自然的。但是汽车散热器与液压传动的密封结构、 工作状态及生产工艺都相差很大。 汽车散热器橡胶密封结构设计不合理，会过早引 起产品泄漏， 以及在密封压装中难以控制压缩量而产 生装配尺寸超差，甚至因此反复修改模具。目前，汽 车散热器橡胶密封还没有一种相应的分析计算方法。 依然采用传统设计手段，主要是比照成熟产品的结 构，然后试验确定，缺少系统的实质性设计（计算） 内容。如此，必然使新产品开发周期长、投入大、密 封性能低。 我们从液压传动密封技术中，可借鉴于散热器密 封的东西很少。例如橡胶密封重要参数“压缩率” ， 在液压传动密封设计中仅给出经验范围值， 缺少准确 的验证与依据； 对于橡胶的压缩永久变形问题及解决 方法更少有涉及， 已不适应日益精工细作的汽车工业 要求。 本文试图对散热器密封结构、 O 型圈在实际压缩 过程中的“力－变形”性能、压装后影响因素—压缩 永久变形以及生产中的压装工艺尺寸控制等等， 做深 入一步的分析。找到影响密封性能的主要因素，简化 约束条件，用数学方式来描述问题求解设计参数，以 便于进行方案优化设计。 下文以汽车散热器最常用的橡胶密封， 即塑料水 室与主片密封为主，材料为三元乙丙（EPDM ） ，其 截面为 O 型结构作为研究对象。
力 Po≈1.5 倍的图纸压力。 例如，图纸要求密封试验压力为 250kPa，选 取设计密封压力：250kPa×1.4=350kPa ，既： Po=350kPa 3.2.2 查找理想压缩量 H1 根据输入的 Po=350(kPa)，在图（2）的曲线中 查到理想压缩量： H1=0. 85 3.2.3 计算补偿压缩量 H 根据公式（3） ，补偿的压缩量： H = H1 (1+d ) （选永久变形率 d=0.5 ） 带入数值后： H =1.27 如果考虑到 “2.2” 提出的零件加工误差补偿量 （选取 0.1） ： H = 1.27 + 0.1 取整后： H ＝ 1.4 因为 h = D－H h= 2.1 根据式（2） ： ，代入 D = 3.5，所以：
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缩高度 h 。为便于解决问题，可做如下条件假设： 3.1.1 橡胶压缩前后的体积不变 因为橡胶密封的弹性力基于其大分子链的分 子键旋转，而产生的变形力。就是说“压缩量” 实际应准确称为“变形量” ，其整体的体积变化甚 微（但出于习惯，我们仍然使用“压缩量”一词） 。 如果不考虑温度等微小因素的影响，假设： 橡胶密封压缩前后的体积不变，只是形状发 生了变化。 3.1.2 橡胶压缩前后的截面积不变 目前热交换器的橡胶密封结构多数是在一个 “环”形沟槽中，在压装中长度是不变的，所以 橡胶密封件的密封周长是不变的。 因此可以从 “体 积不变”中剔除长度变化的因素，进一步假设： 橡胶密封压缩前后的截面积不变（参照图 1） 。 这样 O 型圈在压缩中宽度 Wr 与压缩高度 h 的关系可以简化为二元函数： Wr＝f(h) 代入 O 型圈直径 D 整理后：
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负荷为 10kN ， 时， 负荷为 5.9kN ； 如果η＝60%时， 此时压力上升徒增，而压缩变形增量减缓，这对 于扣紧 O 型圈的主片非常不利。
为密封设计曲线，因为它是压缩过程中的“力-变 形”曲线，而密封设计需要压缩后“弹起”过程 中的“力-变形”曲线，它应在压缩曲线的下方， 这就是橡胶的“永久变形”(或称“残余变形”)。 在大众的标准 PV_3307 中， 规定压缩永久变形率 d≤60%（材料 EPDM 22h/150℃） ，可以看到它将
D = O 形圈在自由状态下的截面直径 。 h = O 形圈压缩时的截面高度(简称为“压缩
高度”)。
H = D-h ，O 形圈在压缩过程中的压缩量。
在液压传动静密封设计中，橡胶 O 型圈通常 选取 10%～30% 的压缩率。 但是液压传动密封与散
以看到过大的压缩率，产生在 O 型圈上 的预压力 非常大。当η＝40%时,负荷为 2.9kN ；当η＝50%
Po=250kPa ,从理论上说就达到密封了。实际上在
设计中所取值远大于此，使用效果是较好的。由 此可以说图 2 的曲线与实际应用还有很大的差别， 主要的影响因素如下： 2.2 零件加工误差等影响 冲压的主片（沟槽处） 、注塑的水室（裙部） 和模压的 O 型圈，尺寸形状误差都比较大，它们 的加工精度远不能与机加工艺轴孔配合相比，主 片沟槽宽度在加工后的尺寸多是正偏差。虽然存 在多种原因误差，但都在公差之内，是可控制因 素。因此要在选定压缩量 H 上加上一个补偿量（+ 0.1～0.2mm） ，就可以解决这一问题。 2.3 橡胶压缩永久变形 影响橡胶密封的最大因素，是橡胶的压缩与 弹起时“力-变形”曲线的不一致（不重复）性。 图（2）压力-变形曲线，准确的说是不能作
1 汽车散热器橡胶密封的工作状态
1.1 散热器橡胶密封的基本原理 近代车用散热器，大多数采用铝材芯部（主 片）再装配塑料水室，其间用橡胶垫密封（图 1） ：
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热器密封有不同的工作状态如下（表 1） ：
表1 液压传动与散热器密封的不同状态 液压传动 汽车散热器 O 型圈在主片沟槽、水 室外缘中间被主片包 裹压紧 冲压成型的主片、注塑 轴孔密封副的配合 精度很高。密封直 径（周长）较小。 成型的水室公差和压 装设备的精度都相对 很大。密封周长也大得 多。 密封副受到脉动介质 密封状 态 静止、旋转或往复 运动中密封压力介 质 压力的作用，使密封空 间发生大小变化，O 型 圈需要高弹性变形来 保持密封所需的接触 压力。
产生一个很大的失效压缩量。 永久变形率 d 的定义如下：
d
材料：EPDM 邵氏硬度：60 直径：3.5mm
h0 h 2 100 h0 h1
h0 = 橡胶样块的起始厚度 h2 = 橡胶样块去负荷之后的厚度 h1 = 橡胶样块压缩到 50%的厚度
图 2： O 型密封圈压力－变形试验曲线
Po - Pw ≥ 0
式中：
(1)
目前在散热器设计中也通常选取 15%-30%的 压缩率，这个值的选取（包括液压传动）还没有 找到确定的理论依据。从上表中可以看到散热器 橡胶密封无论是结构、密封周长和工作状态等情 况都与液压传动相差很大。现在的设计无论从密
Po = O 型圈作用于密封副的接触压力（kPa） 。 Pw = 被密封的冷却液压力(kPa)。
4 结论
本文针对散热器主片与水室间的橡胶密封结 构， 从分析散热器橡胶密封结构入手， 取得橡胶 O 型圈的性能曲线（试验数据集） ，找出主要影响因 素—压缩永久变形，并对其进行补偿设计，建立 各相关因素的数学关系。此设计在多次产品开发 中经过数次修改，使设计参数与检测结果的误差 达到了要求，已经取代了开发阶段（关于橡胶密
H = H1×( 1+ d )
H = 补偿的压缩量 H1 = 理想压缩量（无永久变形） d = 永久变形率（%）
(3)
用于图(2)中的 O 型圈,检测的永久变形率为 26% ，在使用中，一般选取选取 d ≈ 2×检测值。
3.密封设计、计算
3.1. 条件假设 橡胶 O 型圈在压缩过程中， 形状发生的变化 是较难描述的，我们主要关注的是压缩量 H 和压
对于公式（2） ：
η= (D-h)/D
×100
(%)
由于 h 不变，压缩率仍然是不变的 当：R1=1.2 Wh = 4.9 上面我们通过选择、计算，完成了几个重要参 数的设计： 压缩率η＝ 40 % 压缩量 H=1.4 压缩高度 h = 2.1
Rm) H = 橡胶压缩量(mm)
Wr
D2
h( 4h 4

(4)
η＝ 40 %
计算的结果为： 压缩量 H =1.4 压缩高度 h =2.1 压缩率 η＝ 40 %
Wr = O 型圈压缩时的截面宽度 D = O 形圈在自由状态下的截面直径 h= O 形圈压缩时的截面高度（压缩高度）
3.2 计算压缩量 3.2.1 输入散热器设计密封压力 Po(kPa） 为了增加产品的可靠性，选取设计的密封压
1.2
压缩率的取值问题 压缩率表示 O 型圈在使用中的压缩变形比率
封性能或尺寸精度要求，都不允许在 15%－30%这 样一个较大范围内随意取值，但其中哪一点处的 压缩率值是合理的？ (%) (2)
，其表达式如下: （η）
η= (D-h)/D
式中：
×100
2. O 型圈在密封中的性能
2.1 橡胶压力-变形曲线 下（图 2）是为某主机厂配套的散热器 O 型 密封圈，在拉压试验机上做的压力-变形曲线。可
（ 设计密封压力 Po= 350 kPa ） 3.3 工艺性设计－保证压装高度 h 的精度 上述设计的 O 型圈压缩，是图（1）的形状，
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这是非常理想的状态，却制造不出来。实际生产 中，密封压装机很难保证这样的形状，因此不但 保证不了设计的压缩量，且直接影响到水室上面 的安装尺寸要求。 虽然压装机按照设计的压缩高度 h， 可以装配 高度限位块。但这种工艺在主片被弯曲扣紧时， 因为没有凹模支撑，主片的弯曲点就不准确，使 压装高度 h 很不稳定。这是工艺决定的，无法调 的很准。 如果我们把图 1 结构稍微改动如下图：
根据已选定的压装高度 h ,转而计算出 O 型圈充满 沟槽的主片宽度, 既 Wh = Wr ，有下式：
Wh
1 D2 2 2 (1 )( 1 2 ) R R h 4 4
Wh = 主片沟槽宽度 R1= 主片沟槽外 R 角半径 R2 = 主片沟槽内 R 角半径
（5）
如果密封压力 Pw＝250kPa ，按公式(1)，从 曲线上可以查到： 压缩量 H＝0.67, η＝19.2% ，