新能源汽车连接器的密封性能分析，连接器上的密封圈通常由硅橡胶(MVQ)或三元乙丙橡胶(EPDM)制成

0 引言

新能源汽车作为中国战略性的新兴产业之一,已成为我国节能减排、经济振兴和产业结构转变的关键突破口^[1]。伴随中国汽车行业的迅猛发展,客户对新能源汽车的要求也水涨船高。这迫使各汽车生产厂商对汽车零部件的性能要求亦不断提升,尤其是对连接器的密封防水性提出了更高的要求。新能源汽车连接器的工作环境相对恶劣,若密封性不好,则会直接影响车辆各电气设备的信号传输和电气连接,进而影响电气设备的工作稳定性和可靠性。因此,对连接器密封性能的分析至关重要^[2]。

1 连接器的防水原理

1.1 连接器的应用和工作原理

新能源汽车用连接器的作用相对简单,即在内部电路被阻断或孤立不通处架起桥梁从而使电流流通。通过插头护套和插座护套间的相互配合、对接,即可达到接通和导电的功能。为了满足新能源汽车的工作环境要求,插头护套和插座护套在设计时不仅要考虑护套内端子能够方便对接,更需兼顾使用时的防振功能。因此,插头护套和插座护套间的尺寸配合相对复杂,配合尺寸的叠加误差较大,无法单单通过护套间的配合实现防水。

1.2 连接器的防水密封原理

在护套配合间通常选用密封圈实现防水密封作用,其装配方式如图1所示。通过合理设计密封圈与护套间的过盈量来实现防水密封的效果。密封圈的变形填补了护套间的间隙,隔绝了外部气体和水进入,这要求密封圈具有一定的强度和硬度,并考虑到加工成本和工艺性,新能源汽车用连接器上的密封圈通常由硅橡胶(MVQ)或三元乙丙橡胶(EPDM)制成。

图1 密封圈装配示意

2 连接器防水密封设计方法

护套间是通过密封圈的变形来填补,装配完成后, 因受挤压、截面产生的压缩变形量用压缩率表示。密封圈的设计主要是压缩率的分析,以安装在圆形连接器上的O型密封圈为例,其压缩率的计算方式如下。

2.1密封圈配合中的各尺寸定义

密封圈装配完成后如图2所示,设密封圈安装的轴和孔分别为D和d,密封圈槽的尺寸为D1。所选用的密封圈为D0(内径)Xd0,现需确定密封圈槽的尺寸D1。

图2 密封圈和密封圈槽尺寸

密封圈安装在密封圈槽之后,会有一定的拉伸量,密封圈直径会变小,设变形后的直径为d₁。根据体积不变定理,有下式:

式中:δ—密封圈过盈量,mm。

为简化计算用D+δ-d₀代替D+δ-d₁从而计算出d1为:

由简化公式2计算出的d₁值有一定的误差,将d₁值带回到公式2后得到更精确的解d₂:

以此类推,可计算出d3、d4……,所得值也越精确。通常,d₂值就已可达到精度要求。

则密封圈槽的直径D₁为:

2.2 密封圈设计的关键点

新能源汽车用连接器中的密封圈为典型的挤压型密封,其挤压变形过程如图3所示:

图3 密封圈压缩示意图

压缩率ε的计算公式如下:

由公式3~6可求得压缩率ε。

在密封圈装入密封圈槽后均有一个预拉伸过程。为防止密封圈因预拉伸过大引起应力松弛,影响使用寿命,设计完成后需对预拉伸进行核算。预拉伸率y的计算方式如公式7所示:

经过大量的实践数据,得到推荐采用的预拉伸率如表1所示。

表1 密封圈预拉伸率

尚有许多新能源汽车用连接器上的密封圈安装位置为非圆,均可按体积相等原理进行设计计算。

3 连接器的密封性能分析与测试

3.1 连接器密封性能分析

压缩率是直接影响密封圈密封性能的因素^[5]。应选择合适的压缩率,若过小可能会因预拉伸时密封圈截面尺寸减小而抵消掉部分压缩量,压缩率不足,无法使密封圈自锁而引起密封失效;过大则不易进行装配,引起装配后的过大接触应力使得表面的磨擦损伤加剧,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寿命。同时,过大的压缩率也会导致密封圈产生较大内应力,使橡胶发生永久变形,再装配时难以还原而导致密封失效。

根据上述计算可知,在其它条件确定时,密封圈安装后的压缩率主要由过盈量δ决定。根据以前的资料查阅,确定过盈量δ的取值范围为0.6~1.2mm,代入上述计算公式求得密封圈的压缩率ε的范围为15%~27%,比参考文献3的结果稍大,遂进行试验验证。

3.2 连接器密封性能实验验证

设某型连接器护套间采用的密封圈安装完成后的压缩率为26.7%。将插头和插座对插后旋转至卡点位置处卡紧。此处的压缩率较大,但装配顺利,密封圈未发生永久变形。

按《GB/T4208-2017 外壳防护等级(IP代码)》标准中的实验要求,将对插样品放入1m深的水中,并静置30min。后将样品取出,将护套拆开观察内部未发生渗水现象,故防水测试合格,防护等级可达到IP67要求。

4 结论

通过分析连接器的防水原理,根据体积不变定理推导出了密封圈各参数的设计计算公式。根据公式对影响压缩率的参数进行了分析,并由此得出压缩率对密封性能的影响。求出了新能源汽车用连接器上的密封圈压缩率的推荐取值范围为15%~27%。压缩率取值较大时还应进行预拉伸率的核算。并进行试验验证,证明了所得结果可满足防水等级IP67的设计要求。

文章转载自网络：http://www.evpartner.com/news/4/detail-40210.html，版权归原作者所有。