汽车弹簧缸的密封性仿真与测试研究

吴红梅

（杭州职业技术学院信息工程学院，浙江 杭州 310018）

汽车弹簧缸的密封性仿真与测试研究

吴红梅

（杭州职业技术学院信息工程学院，浙江 杭州 310018）

由于汽车弹簧缸长期制动造成的气密性衰减，很难动态分析不同摩擦系数的密封圈对腔压泄露的影响。因此，该文利用双参数Mooney-Rivlin分析法，建立汽车弹簧缸的腔体密封性失效模型。该模型能根据密封圈的摩擦系数，动态计算出弹簧缸的气体泄漏量，通过腔压和泄漏量的比较，判断出密封圈是否失效。利用汽车弹簧缸气密性检测仪对某型弹簧缸进行测试，实验结果表明，当摩擦系数≤0.1时，密封圈应力分布最佳，腔体泄漏量＜5kPa；当摩擦系数＞0.1时，密封圈应力集中而产生气密性失效，腔体泄漏量超过5kPa。失效模型的仿真结果与试验结果相同，该失效模型正确有效。

弹簧缸；密封性测试；失效模型；有限元仿真；疲劳试验

0　引　言

作为载重汽车气制动系统的施力部件，弹簧缸的密封圈主要用于消除气体泄露，保证弹簧缸有效的力输出。密封圈良好的密封性为制动轮毂提供合适的制动效果。因此，密封圈一旦失效，弹簧缸会因漏气而导致制动不足［1］。因此，建立弹簧缸密封圈密封性失效模型，能够有效地预测和判断弹簧缸的性能状态，防止其失效的发生。

目前，针对气制动系统中使用的密封圈，国内外较为常用的密封性失效分析方法，主要有试验和模型仿真两种主要手段。试验法主要包括疲劳寿命预测和裂纹扩展预测［2-3］两种途径，这两种途径需要通过大量的实验获得密封圈的S/N曲线、平均寿命和损伤程度等先验信息才能进行失效预测，显然不太适合工程上的批量失效检测。另外，模型仿真法是通过建立研究对象之间的参数化实车模型来实现对研究对象失效模拟的一种手段［4］。由于该方法无需先验信息，且为全参数化仿真，因此能较好地应用于失效检测。

由于汽车弹簧缸在制动过程中的气密性衰减，工程上很难动态分析出不同摩擦系数的密封圈对腔压泄露的影响。因此，需要根据弹簧缸的工作机理，研究其气密性衰减特性；利用双参数Mooney-Rivlin分析法，对弹簧缸建立全参数化的腔体密封性失效模型。通过改变密封圈的摩擦系数来模拟气密性失效，模拟不同摩擦系数下的密封圈应力分布与应力水平；动态评估出不同摩擦系数的密封圈对腔压泄漏量的影响，计算出密封圈失效的临界值。

1　密封圈的失效建模

根据弹簧缸工作机理和结构特征，其密封圈采用径向活塞的形式密封，与周边连接件的机械接触关系如图1所示。密封圈安装在连接件的沟槽内，受到弹簧缸活塞导管的预压力P0作用，产生弹性变形而实现自密封。随着驻车腔的腔压P的升高，密封圈在高压气体作用下从高压侧向低压侧移动挤压沟槽侧壁，使连接件和活塞导管之间的密封间隙r得到填充，从而加强密封。

此时，密封压力由初始的活塞导管施加的预压力，变为气体和导管间的接触压力而达到最大，即Pm［5-6］，则有：

其中，材料泊松比ν=0.480～0.490；P为弹簧缸的腔体内压。

另外，在活塞导管以速度U运动过程中，为防止密封圈被挤出沟槽而破坏密封性，密封圈必须有足够的压缩率和拉伸率。由预压力P0和初始压缩率β0，密封圈的弹性模量E满足［7-8］：

其中，g（f，β0）为初始压缩率β0与作用在密封圈上的摩擦力f之间的正比例关系。将式（2）代入到式（1）得：

显然，最大接触压力不小于弹簧缸的腔压时，才能保证腔体密封，即P0≥P，则式（3）进一步化简为

其中，f=μFN，FN为密封圈与活塞导管之间的接触力，μ为摩擦系数。由于FN仅与装配尺寸有关，因此，FN和β0在工作过程中设为定值，使P仅与摩擦系数μ有关。

图1　弹簧缸及其密封圈的工作模型

显然，要保证腔体密封，式（4）即为密封圈的失效模型。一旦获知密封圈摩擦系数μ，即可由式（4）的模型判断弹簧缸是否漏气。

活塞导管与密封圈的频繁摩擦，增加了其与连接件之间的摩擦系数，逐渐导致其应力的集中。由于与密封圈接触的其他连接件均为铸铁，因此可以忽略其他密封件的磨损以简化模型。当密封圈的摩擦系数增加到使其应力集中而变形时，密封圈失效而导致弹簧缸的腔体漏气。因此，根据式（4）的弹簧缸气密性失效模型，能有效分析密封圈摩擦系数的改变对弹簧缸气密性的影响。

2　有限元仿真分析

采用双参数Mooney-Rivlin超弹性模型分析法，对上述弹簧缸密封性失效模型建立ANSYS Workbench仿真模型。双参数Mooney-Rivlin模型［9-10］可以表示为

式中：C10、C01——Mooney-Rivlin常数，表征密封圈的材料力学特性；

I1、I2——第1、第2 Green应变常量。

根据第四强度理论［10］，若保证密封圈不失效，其材料的应力σ必须小于其许用应力［σ］，即：

由式（6）可以看出，等效应力越大，密封圈越容易变形失效，弹簧缸泄露量也越大。

3　仿真实验与结果分析

仿真实验的对象为某型载重车辆的弹簧缸；实验是根据双参数Mooney-Rivlin分析法建立的弹簧缸密封性失效模型，将式（6）作为弹簧缸泄露的评估依据，通过有限元仿真分析，模拟不同摩擦系数的密封圈对弹簧缸泄漏量的影响。

根据该型载重车辆的弹簧缸尺寸，密封圈在连接件中的密封间隙r=0.2mm。为了便于实验仿真，将密封圈的摩擦系数μ分别设定为0.02，0.05，0.10，0.15，0.20，0.24，以模拟弹簧缸不同使用寿命下的摩擦系数。仿真得到的等效应力如图2所示。

显然，活塞导管与密封圈接触部位的等效应力值最大；另外，随着摩擦系数的增大，最大等效应力的分布区域逐渐减小，而应力值逐渐增大。这表明，随着密封圈工作时间的增加，出现了应力集中；同时，摩擦系数的增大会增加活塞导管的往复阻力，使其表面产生褶皱而加快失效。最终，密封圈会因塑性变形而失效，造成腔压泄露而破坏密封性。

利用相同的分析方法，对不同摩擦系数下的密封圈进行5次重复仿真实验，绘制出等效应力的曲线图，如图3所示。

可以看出，当μ＜0.1时，等效应力值逐渐降低；当μ＞0.1时，最大等效应力值随着摩擦系数的增大而增加；在μ=0.1时，得到最小应力值为1.01 MPa；而当μ=0.24时，最大等效应力值为2.76 MPa，此时密封圈出现应力集中而产生了塑性变形失效，弹簧缸出现腔体泄露。

图2　不同摩擦系数下的等效应力图

为了验证仿真模型的正确性，本文利用汽车弹簧缸气密性检测仪对上述型号的弹簧缸进行了气密性测试。

弹簧缸气密性检仪主要由工控PC机、气路系统，数据采集系统、伺服加载系统、支承系统组成。其中，数据采集系统主要由多功能数据采集卡、压力传感器、位移传感器以及信号调理电路组成；伺服加载系统主要包括气缸、气动马达和伺服电机，用于提供试验动力；支承系统主要由弹簧缸夹具、制动杆和被测弹簧缸组成，用于模拟实车制动环境。试验时，通过对被测弹簧缸的连续加载，模拟其频繁的制动效果，利用压力传感器实时检测弹簧缸的腔压。

测试过程为：弹簧缸通过夹具安装在支承系统上，控制其对模拟制动系统进行连续加/卸载，测试每次加/卸载过程中的内腔压力，并记录其最大值、最小值及二者的差值，该差值即为密封腔的泄漏量。一旦泄漏量超过5kPa即为失效［11］，测试结果如表1所示。

由表结果可知，密封圈的摩擦系数μ在［0.02，0.10］之间时，弹簧缸的泄漏量均＜5kPa，表明此时弹簧缸密封性能合格。当其摩擦系数μ＞0.1时，弹簧缸泄漏量超过5kPa，并且随着密封圈摩擦系数的增大，泄漏量呈现逐渐增大的趋势，说明弹簧缸因密封圈的失效而发生密封性失效。上述结论与弹簧缸气密性检测仪的仿真结果完全吻合。显然，本文构建的弹簧缸密封性失效模型的仿真结果准确有效。因此，对既要实现密封性，又要执行往复运动的弹簧缸而言，其密封圈的最佳摩擦系数为0.1。

图3　不同摩擦系数下的等效应力曲线图

表1　不同摩擦系数下的泄漏量

4　结束语

1）利用本文构建的弹簧缸密封性失效模型，对其进行不同摩擦系数下的失效分析。分析结果表明，当μ＜0.1时，密封圈的等效应力值随着摩擦系数的增大而减小；当μ＞0.1时，密封圈的等效应力值随着摩擦系数增大而急剧增大，弹簧缸泄漏量超过5kPa；在μ=0.1时，获得最小应力值为1.01 MPa；而当μ=0.24时，密封圈的最大等效应力为2.76MPa，此时密封圈出现应力集中而产生了塑性变形，弹簧缸腔压降低幅度超过5kPa。

2）利用弹簧缸气密性检仪对同型号的弹簧进行气密性测试。测试结果表明，密封圈的摩擦系数在［0.02，0.10］之间时，弹簧缸的泄漏量均＜5 kPa，表明弹簧缸密封性能合格；当摩擦系数μ＞0.1时，弹簧缸泄漏量超过5kPa，并随着密封圈的摩擦系数的增大，泄漏量逐渐增大。说明弹簧缸因密封圈的失效而发生密封性失效。该结论与本文构建模型的仿真结果完全吻合。显然，本文构建的弹簧缸密封性失效模型能够准确分析弹簧缸的气体泄漏量，这一技术能为汽车弹簧缸的失效预测提供可靠的技术指导。

3）弹簧缸密封效果的产生，得益于密封圈与活塞导管、连接件沟槽之间的过盈配合。而本文仅考虑了产生主要形变作用的密封圈的磨损，忽略了活塞导管和连接件沟槽等刚性材料的微小形变。因此，在后续工作中，可以重点分析上述刚性材料的磨损对弹簧缸气密性的影响。

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［11］制动气室性能要求及台架试验方法：QCT 790—2007［S］.北京：中国标准出版社，2007.

（编辑：李妮）

Numerical simulation on sealing test model of brake chamber

WU Hongmei
（College of Information Engineering，Hangzhou Vocational and Technical College，Hangzhou 310018，China）

Due to the attenuation of air impermeability，the gas leakiness of a brake chamber cannot be dynamically analyzed by its friction coefficient.Therefore，a sealing model of brake chamber is proposed based on the double parameters Mooney-Rivlin algorithm and the Von-Mises stress distribute model.The leakage rate，solved by this sealing model under different friction coefficient，isusedforevaluatingsealingfailureofbrakechamber.Besides，thesealing performance of a brake chamber is detected by a sealing tester of brake chamber to verify this sealing model.The experimental result shows that the leakage is less than 5 kPa when μ≤0.1 and the stress distribution of the seal ring is optimal.However，the leakage is greater than 5 kPa when μ＞0.1 by reason of the seal ring failure.It indicates that the sealing model of brake chamber is valid.

brake chamber；sealing test；failure model；finite element simulation analysis；fatigue test

A

1674-5124（2016）07-0141-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.029

2016-01-16；

2016-02-12

吴红梅（1981-），女，浙江金华市人，讲师，硕士，研究方向为机电工程、应用电子技术。