基于LS-DYNA的穿缸电连接器3O形密封圈的设计

胡小青,董坤朋,西庆坤

(1.四川工程职业技术学院，四川德阳 618000；2.昆山瑞福祥汽车部件有限公司，江苏昆山 215300)



基于LS-DYNA的穿缸电连接器3O形密封圈的设计

胡小青1,董坤朋2,西庆坤1

(1.四川工程职业技术学院，四川德阳 618000；2.昆山瑞福祥汽车部件有限公司，江苏昆山 215300)

摘要：穿缸电连接器应用于汽车双离合自动变速箱，密封圈是穿缸电连接器密封的关键零件之一。从密封圈的材料选择、关键尺寸确定、预压力的极限值等几个方面进行设计。采用LS-DYNA软件对密封圈对配过程的应力分布及装配力进行了CAE分析验证，满足设计要求。并对设计的3O形密封圈进行抗振动性、密封性、耐化学试剂性、耐高温老化性能综合实验评估，实验结果表明：设计的3O形密封圈满足业界标准，性能可靠，能够满足工业化生产的需求。

关键词：电连接器；3O形密封圈；LS-DYNA分析；综合实验

0引言

穿缸电连接器主要应用于电喷发动机或自动变速箱的控制部分，由安装在绝缘体外壳内部的金属接触件之间相互配合接触来实现其连接导通功能的，起到传递电流和信号的作用。由于苛刻的工作环境以及密封的要求，密封成为穿缸电连接器设计的技术挑战点。穿缸连接器的密封技术影响到汽车的可靠性、安全性和环保性，在穿缸连接器中设置密封装置和密封元件的作用是防止油液泄漏及外界尘埃和异物的侵入[1-2]。O形密封圈是汽车连接器中很常用的一种密封元件，其密封作用是通过安装时的预压力使密封圈变形来实现的。但由于它直接影响连接器的密封性能甚至使用的可能性，因此是穿缸连接器设计中关键的一个环节。作者所设计的3O形密封圈提供了最佳的密封效果，且装配力也比O形圈结构要小得多。这种结构常被人们称之为“蝙蝠形”结构，配以与3O形密封圈相配合装配的塑胶体，达到IP69K防护等级的电连接器,可以阻止高压水或高压水雾的直接喷射。

13O形密封圈的材料选择

文中的3O形密封圈是属于径向密封与轴向密封的相结合设计，提供了更加可靠的密封性能。由于密封圈在轴向方向也受到压缩，消除了径向的装配间隙，再结合径向密封设计，使电连接器的密封性能进一步提高。但要注意的是，设计电连接器的锁合机构时要充分考虑锁合后密封圈应能够被压缩。因为弹性体材料的性质决定了长期处于被压缩的工作状态下，其分子链结构会发生一定的变化，从而导致其强度、韧性发变化，密封性能发生衰减。弹性体的这种性能是由其化学组成、工作时间、温度以及压缩比决定的，性能的衰减会导致密封圈有效工作时间的减少以及密封性能的降低。图1 提供了不同密封材料应力松驰的性能对比。

Momentive 高性能材料公司的Silopren LSR3376/50硅弹性体产品具有非常低的挥发水平，无需后固化。它被设计用来帮助汽车制造商实现电器连接密封, 可满足日益严格的安全规范[3-4]。根据产品的实际应用环境及性能要求，选择材料为 Momentive PSE 7540, 邵氏硬度HA40,硫化时间为240 ℃下4 h。所设计的塑胶壳体的尺寸如图2所示，与密封圈配合的尺寸为φ(39±0.08) mm。根据客户自动变速器缸体总体布置，推荐给客户的穿缸孔尺寸为φ(44.2±0.05) mm。为保证在电连接器安装过程中密封圈不会被划伤，应特别注意孔加工时的表面粗糙度以及倒角、去毛刺等。这里定义表面粗糙度为Ra0.7 μm，并做倒角处理(如图3所示)；对配孔加工时要有圆度的要求，以确保密封圆周围各处所受预压力相同。此外，塑壳和对配孔上方所设计的防转机构防止电连接器在圆周方向转动及对密封圈的磨损。

23O形密封圈关键尺寸的设计

设计计算如下：

设塑壳与穿缸孔半径方向的间隙s：

s=[(44.2±0.05)-(39±0.08)]/2=2.6±0.065

塑壳配合圆周长：

Lh=Dh·π=(39±0.08)·π

取伸长率为8%(经验数字), 密封圈周长为X：

(122.5-X)/X=0.08

计算得：X=113.43 mm

密封圈内直径Ds=113.43/π=36 mm, 根据密封圈加工的工艺能力，定密封圈直径规格为：φ(36±0.5) mm。

由以上可知：

塑胶壳体与密封圈配合位置直径为：

Dh=(39±0.08)mm

自动变速器穿缸孔直径为：Di=(44.2±0.05)mm

塑壳与自动变速器穿缸孔处的间隙:

smax=(Dimax-Dhmin)/2=(44.25-38.92)/2=2.67mm

smin=(Dimin-Dhmax)/2=(44.15-39.08)/2=2.54mm

塑壳周长为：

Lh=π·Dh=3.14×(39±0.08)

Lhmax=π·Dhmax=3.14×39.08=122.71 mm

Lhmin=π·Dhmin=3.14×38.92=122.21 mm

密封圈周长为：

Ls=π·Ds=3.14×(36±0.5)

Lsmax=3.14×36.5=114.61 mm

Lsmin=3.14×35.5=111.47 mm

密封圈伸长率的计算为：

Esmax=(Lhmax-Lsmin)/Lsmin×100%=10.08%

Esmin=(Lhmin-Lsmax)/Lsmax×100%=6.63%

密封圈安装到塑壳后的厚度计算：

已知密封圈材料的泊松比为：ν= 0.5；密封圈的原始厚度为Dt，管装后密封圈的厚度为Dg，则：

Dg=Dt·(1-ν·Es)

暂取密封圈厚度为(3.6 ±0.1) mm。

Dgmin=Dtmin·(1-ν·Esmax)=0.949 6×Dtmin=3.328

Dgmax=Dtmax·(1-ν·Esmin)=0.966 85×Dtmax=3.573

压缩比为：C=(Dg-s)/s×100%

Cmax=(Dgmax-smin)/Dgmax×100%=28.9%

Cmin=(Dgmin-smax)/Dgmin×100%=22.3%

2.1伸长率、压缩比验算

O形密封圈的压缩比、伸量率是设计时要考虑的2个重要要素[5]。由以上计算可知Esmax=10.08%(最大伸长率)，Esmin=6.63%(最小伸长率)。Cmax=28.9%(最大压缩比)，Cmin= 22.3%(最小压缩比)。根据密封圈设计经验公式，伸长率需满足5%～10%，压缩比为15%～35%，因此设计初步满足要求。进一步可以通过计算机辅助设计软件进一步模拟电连接器装配过程，来检验密封圈的配合性能。以上为径向方向的密封设计。在此结构设计中，希望在径向密封的基础上，引入面密封，将密封圈设计成L形的截面，进一步提升密封的性能。

2.2轴向密封尺寸的设计

封垫的厚度。

计算得知：对配后间隙为1.7～2.0 mm，计算密封垫厚度X：

(X+2)/X=0.25

则:X=2.66 mm， 取X=2.6 mm。

由此试算结果，结合计算机辅助分析，求得对应尺寸公差。

2.3密封圈具体尺寸设计及三维建模

根据相关对配零件尺寸，求得密封圈的轴向尺寸，并且沿轴向取3道唇口。细部设计尺寸如图5所示。

3LS-DYNA软件分析验证(CAE分析验证)

LS-DYNA是世界最著名的通用显式动力分析程序，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、动力冲击问题，在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性[6-8]。作者根据对配缸体孔及连接器塑壳尺寸，构建计算机辅助分析模型，采用LS-DYNA软件分析3O形密封圈在与缸体对配过程应力分布及装配力，3O形密封圈设计CAE验证见图6。可知：此结构设计在装配过程中密封圈无扭曲、错位等不良问题产生，应力分布集中在根部及密封圈干涉区域，有效提供了密封圈的预压力。从装配力的分析可以看出，由于密封圈的作用，装配力呈递增变化，这也是3O形密封圈的典型特点，可以有效地将装配力分散，利于装配。而最大装配力出现在最高密封唇口的位置，满足尺寸设计图。

将密封圈样品与穿缸电连接器装配，共投入6个样品进行振动及密封实验(见图7)，所有样品全部通过试验。

浸油状态下的振动实验：

实验条件： 正弦振动和随机振动各22 h，Z向, 温度-40～+150 ℃；

实验标准： ISO 16750-3, 4.1.2.2；

实验要求：无油渗漏；

实验结果：合格。

5结束语

穿缸电连接器应用于汽车双离合自动变速箱，由于苛刻的工作环境以及密封的要求，密封成为穿缸电连接器设计的技术挑战点。密封圈是穿缸电连接器密封的关键零件之一，结合自动变速器穿缸电连接器工作要求，从3O形密封圈的材料选择、关键尺寸确定、预压力的极限值等几个方面进行研究。采用LS-DYNA软件分析验证了3O形密封圈对配过程的应力分布及装配力满足设计要求。并对设计的3O形密封圈进行抗振动性、密封性、耐化学试剂性、耐高温老化性能综合实验评估，实验结果表明：满足业界标准，性能可靠，能够满足工业化生产的需求。

参考文献:

【1】钟泽南.汽车连接器的动态性能分析[D].北京:北京邮电大学,2015.

【2】王勇.O形密封圈在液压机主缸中的使用探讨[J].机床与液压,2012,40(5): 160-161.

【3】钱伯章.Momentive高性能材料公司推出新的先进硅弹性体产品[J].世界橡胶工业,2015(3):8.

【4】杨彬.汽车发动机密封技术和密封材料的应用研究[D].长春:吉林大学，2011.

【5】崔宏英.O形密封圈的选用[J].煤,2007(S2): 117.

【6】包字波，胡斌.应用LS-DYNA进行汽车正面碰撞模拟分析[J].科技创新导报,2008(7):173-174.

【7】唐进元，刘欣，戴进.基于ANSYS/LS-DYNA的齿轮传动线外啮合冲击研究[J].振动与冲击,2007(9):40-41.

【8】吴广发.基于LS-DYNA的汽车前纵梁碰撞吸能特性分析及其优化设计[D].镇江:江苏科技大学,2012.

Design of the 3O Sealing Ring of Wall-crossing Electrical Connector Based on LS-DYNA

HU Xiaoqing1, DONG Kunpeng2, XI Qingkun1

(1.Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China;2.Kunshan Ruifuxiang Auto Parts Co.,Ltd., Kunshan Jiangsu 215300, China)

Keywords:Electrical connector; 3O sealing ring; LS-DYNA analysis; Comprehensive experiment

Abstract:Wall-crossing electrical connector is widely applied to dual clutch transmission on vehicles; sealing ring is one of the critical components of wall-crossing electrical connectors. The sealing ring was designed from materials, critical dimensions and the critical magnitude of the pre-pressure. To meet the design criteria, LS-DYNA was used to conduct the CAE analysis on both the stress distribution and the assembly force in the process of distribution of the sealing ring. The comprehensive experimental evaluation was done on the designed 3O sealing ring. The evaluation included several items: vibration resistance, tightness, chemical resistance, and high-temperature aging resistance. The evaluation results show that the design is able to satisfy industry standards, be reliable, and meet the requirements of mass production.

收稿日期：2016-02-02

基金项目：四川省德阳市科技支撑项目(2015ZZ043)

作者简介：胡小青(1980—)，女 ，硕士，副教授，研究方向为机械设计制造及自动化。E-mail:huxiaoqingyeli@163.com。

中图分类号:TG249

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)04-052-04