C型切口的聚四氟乙烯活塞环在变速器中的设计与应用

冯经明，张庆丰

(特瑞堡密封系统(中国)有限公司，上海 201108)

0 前言

传统的燃油汽车一般由发动机、底盘、车身和电气设备4个部分组成。底盘包括传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统4部分。底盘作用是用来支承、安装汽车发动机及其各部件,接受发动机的动力，使汽车运动并能保证汽车能够按照驾驶员的操纵而正常行驶。而变速器作为传动系统的重要部分，按传动比的级数可分为有级式、无级式和综合式3种类型；按传动轴的数目可分为两轴式和三轴式；按操纵方式可分为手动变速器(MT)、无级变速器(CVT)、自动变速器(AT)、手自一体式变速器(AMT)、双离合器变速器(DCT)。

新能源汽车主要包括纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)。相比于燃油汽车，纯电动汽车的结构变化较大，电动机代替了传统的发动机，电池组代替了燃油，燃油汽车传统使用的变速器则由采用固定齿比的单速变速器(或称为固定齿比变速器)取代。固定齿比变速器由于体积小、结构简单，目前大多纯电动汽车上都采用了这一类型变速器；固定齿比变速器的缺点是随着电机转速的提高到额定转速，电机转速到达恒功率区间后，其扭矩会越来越小，这时电机再提速很困难，而且它的实际工作效率也越来越低。未来随着多齿比变速器技术的逐渐成熟，制造和研发成本逐步下降，多齿比变速器一定会代替固定齿比变速器，用在在越来越多的新能源汽车上。因为多齿比变速器对提高新能源汽车动力性能、延长续驶里程、降低整车成本和质量、提高乘驾舒适度等都有重要作用，新能源汽车采用多挡位自动变速器是大势所趋。

总之，不管是传统的燃油汽车还是新能源汽车，它们都离不开变速器。固定齿比变速器或许不需要本文的活塞环或环形密封件，但是环多齿比变速器一定需要。同时，对于未来的汽车变速器市场，透明市场研究公司(Transparency Market Research)的预测，到2025年，全球汽车变速器市场价值达532亿美元[1]；同时商业电报公司(Business Wire)也预测，全球自动变速器市场在2018—2024年内将会以6.5 %的复合年增长率增长；全球变速器的主要制造商是美国的伊顿公司(Eaton)、韩国现代岱摩斯公司(Hyundai Dymos)、德国的采尔孚公司(ZF)、大陆公司(Continental AG)和舍弗勒公司(Schaeffler AG)、意大利的马瑞利公司(Magneti Marelli)、日本捷特科株式会社(JATCO)和爱信精机(Aisin Seiki)等[2]；本土公司比如上汽集团、浙江万里扬、法士特公司等也在国内变速器市场占有一定份额。

现在人们提到的活塞环，一般均指燃油发动机里面铸铁或钢质的金属活塞环，金属活塞环是发动机内部的核心部件，与汽缸，活塞等一起完成燃油气体的密封。但是目前没有金属活塞环用在类似本案例的变速器上来起密封作用，而一般常用的是采用骨架油封，或者格莱圈与O型圈的组合密封。而特瑞堡公司有将C型切口的聚四氟乙烯活塞环用在石化、机床工业领域的成功应用；虽然行业不同，不过通过对比此前成功应用的工况和本文的变速器的工况，考虑尝试设计一款C型切口的聚四氟乙烯活塞环用在本文中。

1 活塞环的设计

本文涉及的客户是一家国内公司，他们需要用在该款变速器中的密封件的工况为：需要的密封件用在硬度为45HRC的金属活塞上，用来密封变速器里面的高压液压油；该密封件在工作时将处于高速旋转状态，最高转速可能达到6 000 r/min，最高压力为1 MPa，最低工作温度和最高工作温度分别为-40 ℃和125 ℃。密封件的安装沟槽尺寸如图1所示。

图1 密封件在变速器中的安装沟槽尺寸Fig.1 Assembling size of the seal in the transmission

1.1 活塞环材料及结构的选择

1.1.1活塞环材料的选择

本公司常见的密封材料是聚四氟乙烯。纯的聚四氟乙烯不适用于密封要求高的工况，因为纯的聚四氟乙烯密封件会出现冷流和蠕变等问题；同时，聚四氟乙烯材料的摩擦因数低，这降低了它与填充剂之间的相互作用，使得在物理混合物中可以微小地分离。由于以上原因，常见的作为聚四氟乙烯材料的填充剂有玻璃纤维、碳粉、碳纤维、青铜粉和二硫化钼[3]。

青铜粉是“最强”的填充材料，它与聚四氟乙烯构成的密封件能承受的最大压强可达70 MPa；青铜粉坚固耐用的颗粒能让密封件在静态和动态工况中有好的抗挤出能力，同时青铜粉填充剂提高了密封件的导热性，这能延长密封件的使用寿命；但是它仅限高压的直线运动，而且青铜粉构成的密封件在动态工况中需要充分润滑；

玻璃纤维作为填充剂的主要优点是能让密封件的耐磨性显著增加，具有动态功能的玻璃填充材料必须通过润滑液膜与对应表面分离，以便正常工作并避免过早磨损和划伤，它与聚四氟乙烯构成的密封件能承受的最大压强可达30 MPa，适合线性和旋转运动，但该类密封件需要润滑；

碳粉作为填充剂能增加密封件的硬度和抗挤出能力，以及磨损寿命，同时它能让密封件表面纹理变得光滑和紧密，这让该类密封件在有限润滑的流体和气体工况中拥有好的密封效果，它与聚四氟乙烯构成的密封件能承受的最大压强可达40 MPa；试验表明它非常适合在低粘度介质且对密封要求高的直线运动和旋转运动；不过由于碳粉填充剂相对柔软，在动态工况中时它适合配合表面硬度不高的场合；

碳纤维是一种相对较新的填充材料，它具有非常独特的特征，它能给密封件带来不均匀的微观表面纹理，起到微小的介质池的作用，容易在密封配合面形成润滑膜，所以它特别适合于旋转性能，它与聚四氟乙烯构成的密封件能承受的最大压强可达30 MPa；同时碳纤维填充剂组成的密封件适用于润滑性差的介质比如水基流体、自来水等。其缺点是它不适合密封气体；

二硫化钼填充剂能在不改变聚四氟乙烯摩擦性能的情况下提高耐磨性，这是因为二硫化钼在钢摩擦副表面能形成干润滑膜，能改善摩擦和磨损性能[4]，通常常它用作润滑添加剂，用于降低材料与其他填充剂的摩擦因数。

本文使用玻璃纤维、碳纤维和青铜粉这3种填充剂分别与聚四氟乙烯进行混料、压模、烧结后，加工出标准的斯特封2K型(Stepseal 2K)密封件进行磨损试验，工况为在60 ℃、30 MPa的的矿物油压力中，密封件以0.2 m/s的直线速度循环20万次后，再测量密封件径向尺寸(W值)的减少量，试验结果如图2所示。由图2可以看出，与玻璃纤维填充剂相比，以碳纤维作为填充剂的密封件有更好的耐磨能力。

图2 对比试验中不同材料的密封件的径向尺寸减少量Fig.2 Radial size reduction of seals made by various materials

通常情况，对于旋转运动的密封件来说，一般选择在基材聚四氟乙烯里面添加碳纤维或玻璃纤维。而当选择玻璃纤维填充的聚四氟乙烯作为密封件材料时，需要对与之配合的金属表面有很高的硬度值。而碳填充的聚四氟乙烯密封材料对与之配合的金属表面的硬度值不高，能适合较软的金属活塞，而且工作过程中其配合表面容易形成稳定的润滑薄膜，这有利于润滑和散热。在本案例中金属活塞的硬度不高，为45HRC，所以材料选用本公司的一种含有碳纤维填充的聚四氟乙烯材料，该材料最大承受压力可达30 MPa。

1.1.2活塞环结构的选择

一般来说，在密封系统中密封件的p·v值达到10 MPa·m/s就意味着该工况要求比较高；在本案例中，要求密封件工作时最高压力为1 MPa，最大的工作转速达6 000 r/min。所以该外径70 mm的密封件的最大转速为v=22 m/s；这样其最大的p·v值为：1 MPa×22 m/s=22 MPa·m/s，远大于10 MPa·m/s。由此可以看出，该工况条件比较苛刻，设计的密封件需要能满足这种高p·v值的要求。而在以往有高p·v值要求的应用中，一般采用骨架油封，或者格莱圈与O型圈的组合密封，而采用骨架油封或者组合密封，都需要专门安装工具来安装。

考虑到安装方便和工况条件苛刻，这里采用带切口的活塞环；根据历史案例的经验可选用带C型切口的活塞环[3]。而以往的成功案例数据表明，带C型切口的活塞环最大能承受的p·v值可达到30 MPa·m/s，能在-250～260 ℃的温度下安全工作；而且带切口的活塞环均不需要借助安装工具就能轻松安装到活塞上，这样也节约了安装成本。

1.2 活塞环的设计

根据图1和设计经验，初步取该活塞环在自然安装状态下的外径为φ70.1 mm，轴向宽度为2.3 mm，径向壁厚为2 mm。对于该活塞环的关键尺寸是C型切口的接触长度δ，接触长度δ由δ1和δ2这二段组成(如图4所示)。满足(1)式则意味着它在最低工作温度下，在C型切口处，活塞环不会被自己挤坏；在最高工作温度下，活塞环C型切口处始终处于接触状态故能一直起到密封作用。

δ≥kδ1+kδ2

(1)

式中δ1——低于室温25 ℃工作时，活塞环沿周向的收缩量

δ2——高于室温25 ℃工作时，活塞环沿周向的膨胀量

k——安全因数

同时，接触长度δ的长短和材料的热胀冷缩有密切关系：

δ=αLΔT

(2)

式中 ΔT——热变形下的工作温差

α——活塞环热膨胀系数

L——活塞环的周向原长度，mm

L=πD

(3)

将D=(70+65.8)/2=67.9 mm代入式(3)，可得L=213 mm；

对于本案例中的这种含有碳纤维填充的聚四氟乙烯材料，材料的实验数据表明，在-75 ～15 ℃，热膨胀系数α1=10-4mm/mm/(°)K；在15～5 ℃，α2=3×10-4mm/mm/(°)K；在25～125 ℃，α3=2×10-4mm/mm/(°)K。该活塞环的工作温度区间是-40～140 ℃，则有：ΔT1=15-(-40)=55 K，ΔT2=25-15=10 K，ΔT3=125-25=100 K，则(2)可以分解为：

δ1=α1LΔT1+α2LΔT2

(4)

δ2=α3LΔT3

(5)

分别将ΔT1、ΔT2、ΔT3、α1、α2、α3及L的值分别代入式(4)和(5)，可得：δ1=1.81 mm，δ2=4.26 mm，取安全因数k=1.65，代入式(1)，可得接触长度δ值为10.01 mm，因为C型切口是用成型刀冲压，刀具的长度一般是整数，故δ圆整为10 mm，即当接触长度δ是10 mm时，能保证该活塞环在工作温度区间内，切口处都一直处于接触状态，即起到密封作用。然后把上面初步确定的活塞环各尺寸，并结合工况输入，采用ABAQUS软件对活塞环进行初步动态应力分析(见图3)，得到最大内应力为1.9 MPa，C型切口处的接触应力约为1.4 MPa，远低于该材料的最大压缩强度3.9 MPa和拉伸强度24 MPa，活塞环接触力分布(见图4)显示，活塞环在外圆周侧，与沟槽接触的底面，以及切口叠加处的接触力分布较为均匀、合理。初步表明设计能满足要求；

(a)活塞环的内应力分析 (b)A-A处的接触应力分析图3 活塞环的应力分析Fig.3 Stress analysis of the piston ring

(a)活塞环外圆周接触力 (b)活塞环底面接触力 (c)活塞环切口处接触力图4 活塞环的接触力分析Fig.4 Contact fore of the piston ring

按照密封件低摩擦，易安装，高可靠性的设计原则，并综合考虑材料成型工艺，活塞环的尺寸公差进行多次调整后，确定的密封件所有尺寸和公差如图5所示。

图5 活塞环设计图Fig.5 Design sketch of the picton ring

2 测量活塞环的量规的设计

因为该活塞环带有C型切口，而切口处的接触长度对密封起重要作用，而在测量切口处各尺寸(特别是尺寸δ1和δ2)时，需要使用专用的量规；考虑到材料经济，选用常见的工具钢Cr2作为该量规的材料，加工后进行热处理。

对于量规的形状，设计了带凹槽的环形量规(见图6)，测量活塞环尺寸时，把活塞环均匀压装到量规的凹槽中，然后把它们一起放在投影仪上测量C型切口处的各尺寸。设计时使量规的凹槽径向宽度比活塞环的径向壁厚大0.02 mm，同时凹槽的深度比活塞环轴向长度小0.5 mm，并且在量规的二处设计了20 mm宽(和大拇指宽度大小差不多)的缺口，这样能容易压装和取出活塞环，还能保证不会影响到切口处各尺寸的测量精度。在考虑人机工程学的因素(比如量规太厚会加大质量而造成压装操作不适)，并经过操作人员的多次操作验证后，最终确定量规的尺寸和公差如下图6所示。

图6 量规的设计图Fig.6 Design sketch of the fauge

3 试验

客户把60个活塞环安装到专门设计的台架上进行试验，在4个月的泄漏试验后发现，当油温低于80 ℃时，泄漏量在可接受范围内，但是当油温超过80 ℃时，由于油的黏度变低，泄漏量增大，造成泄漏量超过允许值。根据客户的试验数据和结果，以及本人的设计经验，再用FEA软件分析，确定把该活塞环的径向壁厚增加0.08 mm能满足试验要求。此后客户采购了120个这种新的活塞环继续泄漏试验，试验结果满足要求，接着客户进行了寿命试验和其他试验，试验通过后，然后客户把装有该活塞环的变速器一起装配到试验车上进行整车路面试验，试验车在跑完5×104km要求路程后，汽车及各零部件运行良好。最后客户确认了该活塞环能用在此型号的变速器上。

4 结论

(1)使用C型切口的活塞环来代替骨架油封或组合密封,能够满足该款变速器的密封要求；

(2)变速器在传统的乘用车和商用车上必不可少，而且电动车和燃油车在未来10年还会同时存在，结合未来的汽车变速器市场需求的增加，所以此类带切口的活塞环对传统密封件的替代程度，能为新型变速器的开发起到推动作用。