通過流體分析驗(yàn)證低摩擦力矩密封圈

為進(jìn)一步降低摩擦力矩和減少漏油，NTN開發(fā)了汽車變速器用帶V形潤滑槽密封圈，較常規(guī)密封圈摩擦力矩降低60%。

外徑為15~60 mm的多種樹脂密封圈在汽車變速器(自動變速器、無級變速器等)上使用。為實(shí)現(xiàn)汽車的低油耗，這些密封圈要求具有低摩擦力矩和低漏油性能。為響應(yīng)這一要求，NTN開發(fā)了帶V形潤滑槽的聚醚醚酮(PEEK)樹脂低摩擦力矩密封圈(圖1)，并開始批量生產(chǎn)。

圖1 低摩擦力矩密封圈

通過流體分析和試驗(yàn)來優(yōu)化V形潤滑槽的數(shù)量和形狀，進(jìn)一步降低低摩擦力矩密封圈的力矩。本文介紹了關(guān)于低摩擦力矩密封圈力矩降低的流體分析驗(yàn)證結(jié)果。

1、密封圈的功能和應(yīng)用

密封圈安裝在變速器的油壓回路內(nèi)相對運(yùn)動的軸與殼體之間，起到密封作用。當(dāng)密封圈滑動時(shí)，通過密封油的油壓將密封圈推向殼體內(nèi)表面和軸槽側(cè)壁上，并保持油壓回路內(nèi)部的壓力。

密封圈需要具有低摩擦力矩、低漏油性能和高耐磨性。當(dāng)摩擦力矩降低時(shí)，傳動效率提高，以實(shí)現(xiàn)更高的能源效率。減少漏油使油壓泵的效率更高，體積更小，從而使能源效率更高。為了保持低摩擦力矩和低漏油運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)長使用壽命，密封圈需要耐磨，同時(shí)防止密封圈滑動配合件的磨損。

帶矩形橫截面的NTN常規(guī)密封圈的應(yīng)用如圖2所示。由于密封圈與軸槽側(cè)壁的接觸面積小于密封圈與殼體內(nèi)表面的接觸面積，當(dāng)軸或殼體旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸槽側(cè)壁的滑動阻力較小，密封圈在軸槽側(cè)壁上滑動。密封圈與軸槽側(cè)壁是面接觸，因此漏油較少。

圖2 密封圈的應(yīng)用

2、低摩擦力矩密封圈

2.1 特征

通過在軸槽側(cè)壁上滑動的密封圈表面設(shè)置V形潤滑槽，實(shí)現(xiàn)低摩擦力矩密封圈的低摩擦力矩和低漏油。密封圈采用在 PEEK樹脂中加入特殊添加劑制成的 BEAREEPK5301材料，側(cè)面有注塑成型的V形潤滑槽，且對接臺階形狀復(fù)雜。通過對接臺階的復(fù)雜形狀減少對接臺階處的漏油。

與NTN常規(guī)產(chǎn)品相比，低摩擦力矩密封圈具有以下特征:

1）摩擦力矩降低達(dá)60%;

2）1/10的磨損率;

3）相當(dāng)?shù)牡吐┯托浴?/span>

2.2 潤滑槽形狀的比較

2.2.1摩擦力矩測量結(jié)果

具有不同潤滑槽形狀和無潤滑槽的3種密封圈對比見表1。試驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖3所示。通過安裝在軸槽上的2個(gè)密封圈之間的循環(huán)油施加油壓并旋轉(zhuǎn)殼體，從而實(shí)現(xiàn)摩擦力矩的測量。

表1 試驗(yàn)密封圈

注：密封圈外徑50 mm，厚度1.6 mm，寬度1.5 mm。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

油壓與摩擦力矩的關(guān)系如圖4所示。將測得的2個(gè)密封圈的摩擦力矩除以2得到1個(gè)密封圈的摩擦力矩。帶V形潤滑槽密封圈的摩擦力矩比無潤滑槽密封圈(NTN的常規(guī)產(chǎn)品)的低60%~70%，比帶方形潤滑槽密封圈的低20%。

2.2.2 流體分析結(jié)果

摩擦力矩降低的原因被認(rèn)為是V形潤滑槽的應(yīng)用減小了密封圈與軸槽側(cè)壁的接觸面積，改善了滑動表面的潤滑。2種形狀潤滑槽摩擦力矩的差異歸因于潤滑條件的不同。流體分析證實(shí)了這點(diǎn)。

1個(gè)潤滑槽流體區(qū)域模型的分析結(jié)果如圖5所示。采用V形潤滑槽時(shí)，由于流體動力效應(yīng)，潤滑槽一端的油膜壓力高。油膜壓力產(chǎn)生的軸向力與通過油壓將密封圈壓在軸槽側(cè)壁上的力方向相反，因此可減小油壓。還假設(shè)由于壓力差，油從潤滑槽端部流到潤滑槽之間的滑動表面，有助于降低摩擦力矩。另一方面，在V形潤滑槽中觀察到的高油膜壓力在方形潤滑槽中觀察不到。

圖4 油壓與摩擦力矩的關(guān)系

圖5 滑動表面的油膜壓力分布

3、通過優(yōu)化V形潤滑槽降低摩擦力矩的驗(yàn)證

3.1 流體分析條件

摩擦力矩測量結(jié)果和滑動表面的油膜壓力分布顯示，出現(xiàn)在V形潤滑槽端部的力與由于油膜壓力(油膜反作用力)導(dǎo)致摩擦力矩降低的力方向相反。油膜反作用力越大，摩擦力矩越低。因此，可認(rèn)為V形潤滑槽數(shù)量越多，寬度越寬，油膜反作用力越大。流體分析證實(shí)了這點(diǎn)。

分析用密封圈V形潤滑槽的長度、寬度、深度、角度以及間距的定義如圖6所示。密封圈尺寸為:外徑44 mm，厚度2 mm，寬度2.3 mm。基于流體分析對密封圈的1個(gè)V形潤滑槽的流體區(qū)域建模，并對由于流體動力效應(yīng)產(chǎn)生的油膜壓力進(jìn)行積分得到1個(gè)潤滑槽的油膜反作用力。將該力與槽數(shù)的乘積定義為1個(gè)密封圈的油膜反作用力，并進(jìn)行了不同條件的比較。需注意的是，與V形潤滑槽的油膜壓力相比，密封圈側(cè)面與軸槽側(cè)壁接觸區(qū)的油膜壓力非常小，可忽略不計(jì)。在分析中為便于計(jì)算，滑動表面的油膜厚度假定為恒定值5 μm。工作條件設(shè)定為：ATF壓力0.6 MPa，溫度20 ℃，轉(zhuǎn)速1 000r/min。

圖6 密封圈的分析(24個(gè)槽)

3.2 流體分析結(jié)果

3.2.1 V形潤滑槽的數(shù)量

通過對一側(cè)有12和24個(gè)V形潤滑槽的密封圈進(jìn)行流體分析，得到1個(gè)密封圈的油膜反作用力。V形潤滑槽的間距相同，12和24個(gè)槽的長度變化。槽的角度也相同，但12和24個(gè)槽的深度不同。

帶12和24個(gè)V形潤滑槽密封圈的油膜反作用力如圖7所示。正如所估計(jì)的，槽數(shù)越多，油膜反作用力越大。因此，槽數(shù)越多，摩擦力矩降低越多。

然而，當(dāng)槽數(shù)增加時(shí)，槽間的空格數(shù)也增加，這增加了密封圈側(cè)面與軸槽側(cè)壁的接觸面積，從而導(dǎo)致摩擦力矩升高。因此，應(yīng)有最優(yōu)槽數(shù)使摩擦力矩最小。為證實(shí)這點(diǎn)，制作了不同槽數(shù)的密封圈并測量摩擦力矩。密封圈尺寸為：外徑51 mm，厚度2.4 mm，寬度2.3 mm。一側(cè)槽數(shù)為12~30。槽間距、槽寬、槽角相同，因此槽長和槽深隨著槽數(shù)不同而不同。測量條件為：ATF壓力1 MPa，溫度80 ℃，轉(zhuǎn)速2 000 r/min。

圖7 槽數(shù)與油膜反作用力

槽數(shù)與摩擦力矩的關(guān)系如圖8所示。槽數(shù)由12向24增加時(shí)，摩擦力矩逐漸降低，但槽數(shù)為30時(shí)，摩擦力矩增大。測量結(jié)果與前述觀點(diǎn)一致，證明槽數(shù)存在最優(yōu)值。由于槽數(shù)受到設(shè)計(jì)和制造的限制，從而取決于外徑，因此，NTN低摩擦力矩密封圈按照外徑尺寸排列了最優(yōu)數(shù)量的V形潤滑槽。

圖8 槽數(shù)與摩擦力矩的關(guān)系

3.2.2 V形潤滑槽的寬度

通過對帶寬度為0.2~0.7 mm 的V形潤滑槽的密封圈進(jìn)行流體分析，得到油膜反作用力。密封圈一側(cè)的槽數(shù)為24，除槽寬外，其他尺寸都相同。

槽寬與油膜反作用力的關(guān)系如圖9所示。驗(yàn)證結(jié)果與估算結(jié)果一致，油膜反作用力隨著槽寬增加而增大，但過大的槽寬會導(dǎo)致漏油量增大。因此，必須針對每種情況確定槽寬，要考慮軸和殼體的尺寸、偏心率、密封圈和殼體的磨損量等。

圖9 槽寬與油膜反作用力的關(guān)系

3.2.3 V形潤滑槽的角度

基于4.2.1節(jié)中描述的一側(cè)有24個(gè)槽的密封圈，通過增大或減小V形潤滑槽的角度，采用流體分析得到油膜反作用力。槽間距、槽寬和槽長相同，只有槽角變化而導(dǎo)致的槽深不同。

槽角與油膜反作用力的關(guān)系如圖10所示。在試驗(yàn)的角度范圍內(nèi)，無論槽角如何，油膜反作用力幾乎相同。同樣地，槽深也沒有影響。這些結(jié)果表明在V形潤滑槽的設(shè)計(jì)中必須關(guān)注槽數(shù)，如果槽深和槽角在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，則不需要考慮。

圖10 槽角與油膜反作用力的關(guān)系

3.3 帶最優(yōu)V形潤滑槽密封圈的摩擦力矩

測量結(jié)果

基于上面的流體分析優(yōu)化了V形潤滑槽的數(shù)量和形狀。優(yōu)化后的帶24個(gè)V形潤滑槽密封圈與3.2節(jié)中討論的帶12個(gè)V形潤滑槽密封圈的摩擦力矩對比結(jié)果如圖11所示。優(yōu)化后的帶24個(gè)V形潤滑槽密封圈的摩擦力矩比帶12個(gè)槽的降低了10%~15%。測量中選用外徑45 mm、厚度2 mm、寬度2.4 mm的密封圈進(jìn)行比較。

圖11 油壓與摩擦力矩的關(guān)系

4、結(jié)束語

介紹了關(guān)于低摩擦力矩密封圈摩擦力矩降低的流體分析驗(yàn)證結(jié)果?；诹黧w分析和試驗(yàn)，優(yōu)化了V形潤滑槽的數(shù)量和形狀，進(jìn)一步降低了摩擦力矩。低摩擦力矩密封圈的采用進(jìn)展良好，因?yàn)槠淠茼憫?yīng)車輛低油耗的要求。未來將致力于進(jìn)一步降低摩擦力矩。

在許多領(lǐng)域?qū)δ茉葱实囊蟛粩嗵岣?，將采?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">流體分析等分析方法加快開發(fā)速度，提高樹脂滑動部件的性能。

（參考文獻(xiàn)略）

Verification of Torque Reduction for Low Torque Seal Ring by Fluid Analysis

來源：《NTN TECHNICAL REVIEW》

作者：Takuya ISHII等

翻譯：侯萬果

校對：曾獻(xiàn)智

整理、排版：軸承雜志社