0 引言

新能源汽車作為中國戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)之一,已成為我國節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)振興和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵突破口^[1]。伴隨中國汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,客戶對新能源汽車的要求也水漲船高。這迫使各汽車生產(chǎn)廠商對汽車零部件的性能要求亦不斷提升,尤其是對連接器的密封防水性提出了更高的要求。新能源汽車連接器的工作環(huán)境相對惡劣,若密封性不好,則會直接影響車輛各電氣設(shè)備的信號傳輸和電氣連接,進(jìn)而影響電氣設(shè)備的工作穩(wěn)定性和可靠性。因此,對連接器密封性能的分析至關(guān)重要^[2]。

1 連接器的防水原理

1.1 連接器的應(yīng)用和工作原理

新能源汽車用連接器的作用相對簡單,即在內(nèi)部電路被阻斷或孤立不通處架起橋梁從而使電流流通。通過插頭護(hù)套和插座護(hù)套間的相互配合、對接,即可達(dá)到接通和導(dǎo)電的功能。為了滿足新能源汽車的工作環(huán)境要求,插頭護(hù)套和插座護(hù)套在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮護(hù)套內(nèi)端子能夠方便對接,更需兼顧使用時(shí)的防振功能。因此,插頭護(hù)套和插座護(hù)套間的尺寸配合相對復(fù)雜,配合尺寸的疊加誤差較大,無法單單通過護(hù)套間的配合實(shí)現(xiàn)防水。

1.2 連接器的防水密封原理

在護(hù)套配合間通常選用密封圈實(shí)現(xiàn)防水密封作用,其裝配方式如圖1所示。通過合理設(shè)計(jì)密封圈與護(hù)套間的過盈量來實(shí)現(xiàn)防水密封的效果。密封圈的變形填補(bǔ)了護(hù)套間的間隙,隔絕了外部氣體和水進(jìn)入,這要求密封圈具有一定的強(qiáng)度和硬度,并考慮到加工成本和工藝性,新能源汽車用連接器上的密封圈通常由硅橡膠(MVQ)或三元乙丙橡膠(EPDM)制成。

圖1 密封圈裝配示意

2 連接器防水密封設(shè)計(jì)方法

護(hù)套間是通過密封圈的變形來填補(bǔ),裝配完成后, 因受擠壓、截面產(chǎn)生的壓縮變形量用壓縮率表示。密封圈的設(shè)計(jì)主要是壓縮率的分析,以安裝在圓形連接器上的O型密封圈為例,其壓縮率的計(jì)算方式如下。

2.1密封圈配合中的各尺寸定義

密封圈裝配完成后如圖2所示,設(shè)密封圈安裝的軸和孔分別為D和d,密封圈槽的尺寸為D1。所選用的密封圈為D0(內(nèi)徑)Xd0,現(xiàn)需確定密封圈槽的尺寸D1。

圖2 密封圈和密封圈槽尺寸

密封圈安裝在密封圈槽之后,會有一定的拉伸量,密封圈直徑會變小,設(shè)變形后的直徑為d₁。根據(jù)體積不變定理,有下式:

式中:δ—密封圈過盈量,mm。

為簡化計(jì)算用D+δ-d₀代替D+δ-d₁從而計(jì)算出d1為:

由簡化公式2計(jì)算出的d₁值有一定的誤差,將d₁值帶回到公式2后得到更精確的解d₂:

以此類推,可計(jì)算出d3、d4……,所得值也越精確。通常,d₂值就已可達(dá)到精度要求。

則密封圈槽的直徑D₁為:

2.2 密封圈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

新能源汽車用連接器中的密封圈為典型的擠壓型密封,其擠壓變形過程如圖3所示:

圖3 密封圈壓縮示意圖

壓縮率ε的計(jì)算公式如下:

由公式3~6可求得壓縮率ε。

在密封圈裝入密封圈槽后均有一個(gè)預(yù)拉伸過程。為防止密封圈因預(yù)拉伸過大引起應(yīng)力松弛,影響使用壽命,設(shè)計(jì)完成后需對預(yù)拉伸進(jìn)行核算。預(yù)拉伸率y的計(jì)算方式如公式7所示:

經(jīng)過大量的實(shí)踐數(shù)據(jù),得到推薦采用的預(yù)拉伸率如表1所示。

表1 密封圈預(yù)拉伸率

尚有許多新能源汽車用連接器上的密封圈安裝位置為非圓,均可按體積相等原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 連接器的密封性能分析與測試

3.1 連接器密封性能分析

壓縮率是直接影響密封圈密封性能的因素^[5]。應(yīng)選擇合適的壓縮率,若過小可能會因預(yù)拉伸時(shí)密封圈截面尺寸減小而抵消掉部分壓縮量,壓縮率不足,無法使密封圈自鎖而引起密封失效;過大則不易進(jìn)行裝配,引起裝配后的過大接觸應(yīng)力使得表面的磨擦損傷加劇,亦或使得密封圈部分被扭曲而降低密封圈的密封性能和使用壽命。同時(shí),過大的壓縮率也會導(dǎo)致密封圈產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,使橡膠發(fā)生永久變形,再裝配時(shí)難以還原而導(dǎo)致密封失效。

根據(jù)上述計(jì)算可知,在其它條件確定時(shí),密封圈安裝后的壓縮率主要由過盈量δ決定。根據(jù)以前的資料查閱,確定過盈量δ的取值范圍為0.6~1.2mm,代入上述計(jì)算公式求得密封圈的壓縮率ε的范圍為15%~27%,比參考文獻(xiàn)3的結(jié)果稍大,遂進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 連接器密封性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)某型連接器護(hù)套間采用的密封圈安裝完成后的壓縮率為26.7%。將插頭和插座對插后旋轉(zhuǎn)至卡點(diǎn)位置處卡緊。此處的壓縮率較大,但裝配順利,密封圈未發(fā)生永久變形。

按《GB/T4208-2017 外殼防護(hù)等級(IP代碼)》標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)驗(yàn)要求,將對插樣品放入1m深的水中,并靜置30min。后將樣品取出,將護(hù)套拆開觀察內(nèi)部未發(fā)生滲水現(xiàn)象,故防水測試合格,防護(hù)等級可達(dá)到IP67要求。

4 結(jié)論

通過分析連接器的防水原理,根據(jù)體積不變定理推導(dǎo)出了密封圈各參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。根據(jù)公式對影響壓縮率的參數(shù)進(jìn)行了分析,并由此得出壓縮率對密封性能的影響。求出了新能源汽車用連接器上的密封圈壓縮率的推薦取值范圍為15%~27%。壓縮率取值較大時(shí)還應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸率的核算。并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,證明了所得結(jié)果可滿足防水等級IP67的設(shè)計(jì)要求。

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