氣缸密封結(jié)構(gòu)分析研究

宋楠，田沛

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

1 變速箱氣缸產(chǎn)品介紹

一套氣路可以簡單分為氣源、氣閥、氣缸，分別作為動力源、切換結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而氣缸作為一套氣路的最終環(huán)節(jié)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其是產(chǎn)品是否能正常工作的最終保證以及體現(xiàn)。在重型汽車變速箱上，同樣有多處氣缸產(chǎn)品的應(yīng)用，例如帶有副箱變速箱的副箱氣缸、變速箱取力器氣缸，助力器，鎖擋氣缸，AMT制動氣缸，AMT氣動操作的氣缸等等。

針對氣缸的工作形式，其也是多種多樣的。首先按活塞停止位置可以分為：雙位置氣缸、三位置氣缸和多位置氣缸；另外按氣源操作類型可分為：雙向氣操縱和單向氣操縱；按氣源形式可分為：加壓空氣和負(fù)壓方式；在變速箱產(chǎn)品上，

上述幾種類型的使用都是存在的。

另外在傳統(tǒng)的活塞、活塞桿密封方式之上，參考整車其他產(chǎn)品的密封方式（例如整車制動氣缸），橡膠膜片的方式也開始應(yīng)用于變速箱相關(guān)氣缸產(chǎn)品上。下面，我們將針對變速箱產(chǎn)品的使用情況，對傳統(tǒng)的O形圈密封、唇形密封圈、支撐環(huán)以及橡膠膜片密封進(jìn)行相關(guān)介紹。

2 針對操作方式的氣缸類型介紹

目前氣缸產(chǎn)品，主要的作用的活塞位置的切換，既然要切換，就需要有外力。目前來說無外乎兩種選擇，氣壓差和彈簧。首先說氣壓差，針對活塞，只要兩側(cè)有氣壓差，其壓力可以克服摩擦等阻力，就可以帶來活塞的運動，區(qū)別只是在活塞運動的速度等效果。而對于彈簧，根據(jù)其工作原理，其主要是一項回位作用，其壓縮仍需受到外力，如氣壓壓力。所以，根據(jù)這兩者結(jié)構(gòu)的選擇，氣缸結(jié)構(gòu)（或稱之動力源方式）無非兩種——雙向氣操縱、單向氣操縱（彈簧回位）。

3 氣缸密封結(jié)構(gòu)說明

針對密封結(jié)構(gòu)，介紹兩種典型的方式，分別是活塞密封和活塞桿密封，其主要區(qū)別就是在于密封區(qū)域的位置，如下圖所示。

圖1 活塞密封結(jié)構(gòu)

圖2 活塞桿密封

4 密封件結(jié)構(gòu)

針對活塞密封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其種類有很多種，像各種形狀的橡膠密封圈（O形圈、星形圈、矩形圈）、組合密封圈（帶限位的O形圈、帶金屬骨架的密封圈）等等。

然而這各種各樣的密封形式，就目前最常用的來說。O形密封圈，介于其安裝簡便、材料選擇范圍廣、模具結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢，這也是使用最為普遍的產(chǎn)品。同樣在目前國內(nèi)市場變速箱上，也是非常簡單、典型的應(yīng)用，其在產(chǎn)品設(shè)計成本上也較低。但是針對變速箱行業(yè)的發(fā)展，氣動、液動的應(yīng)用開始變得越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的O形圈適用性也越來越窄，部分在航空、液壓等專有行業(yè)的密封應(yīng)用開始逐步在變速箱產(chǎn)品上體現(xiàn)。

另外就其密封原理上來說，O形圈在設(shè)計之初，就要考慮其壓縮量，這就決定了其工作方式——擠壓型密封，依靠彈性體發(fā)生彈性變形，在密封面上造成接觸壓力，進(jìn)而隔絕兩側(cè)的流體。

而在目前國外變速箱產(chǎn)品上主要采用的并非O形密封圈的結(jié)構(gòu)，而是采用唇形密封的方式（如圖 3 所示），具體來說，種類也很多，有采用Y形圈、U形圈、整體式唇形密封、帶緩沖的密封等等(這里統(tǒng)稱為唇形密封)。就工作原理上來講，其不像O形圈的密封方式，而是依靠其張開的唇邊貼于密封副耦合面。其工作需要依靠活塞兩側(cè)的流體壓力的作用，唇形密封圈唇部受到周向壓縮，唇與密封面接觸變寬，同時接觸壓力增大，進(jìn)而保證產(chǎn)品密封性。

另外，根據(jù)相關(guān)有限元分析結(jié)果，唇形密封圈內(nèi)部的應(yīng)力分布比O形密封圈內(nèi)部的應(yīng)力分布明顯均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。鑒于此，在同樣的工況情況下，唇形密封圈的磨損情況要小于O形密封圈。

圖3 分體式唇形密封

圖4 組合式唇形密封

然而，介于傳統(tǒng)唇形密封的寬度及限位方式問題，圖 4結(jié)構(gòu)方案應(yīng)運而生，同樣是采用雙唇形密封的方式，區(qū)別在于將兩個密封圈組合在一起，密封圈采用中間的金屬凸起來限位。另外上述兩種結(jié)構(gòu)受限于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中限位問題。但是任何事物都有兩面性，組合式的缺點就在于活塞的限位方式不可以式周向外側(cè)。

5 支撐環(huán)的應(yīng)用

活塞的工況式比較多樣化的，針對活塞一些有較大偏載的環(huán)境下，密封圈會偏磨現(xiàn)象，這會降低密封圈的使用壽命，直接表現(xiàn)在漏氣等故障現(xiàn)象。此種情況下，就需要在密封件的基礎(chǔ)上增加一個支撐環(huán)，其目的是在活塞和活塞桿間提供導(dǎo)向和支撐作用，并吸收徑向載荷，避免偏載力由密封圈來承受，保證密封圈工作在一個較好的工況下。如圖5所示，就是在活塞提上增加了支撐環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖5 O形圈密封(帶支撐環(huán))

6 膜片式的氣缸產(chǎn)品

圖6 密封膜片式氣缸

以上幾種密封方式，活塞體基本均是棒料，氣缸體部分也為鑄造件，是目前較普遍的氣缸產(chǎn)品方案，唇形密封、支撐環(huán)的應(yīng)用均是在目前產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對整體的改動并不大。但是借鑒于整車其他氣動元件的應(yīng)用（例如制動系統(tǒng)的氣室），可以發(fā)現(xiàn)氣缸產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)不僅僅如此。以下介紹全新氣缸密封方式的在變速箱產(chǎn)品上的應(yīng)用，采用橡膠膜片的方式（圖6所示）。

氣缸產(chǎn)品的工作是通過控制氣孔A處的進(jìn)氣來控制密封膜片壓板的受力，進(jìn)而控制軸的運動。

首先，當(dāng)氣孔A未通入加壓的空氣時，氣缸體通過螺栓連接到了殼體上，密封膜片壓板B受到彈簧的彈力而有向左運動的趨 勢，進(jìn)而使壓板 A有向左運動的趨勢，而壓板A在左側(cè)在壓到殼體后，到達(dá)左極限位置，同樣軸處于左極限位置。

當(dāng)氣孔A通入加壓的空氣時，氣缸體通過螺栓連接到了殼體上，密封膜片外圈處受到氣缸體的壓緊，密封膜片壓板A收到加壓空氣的力，會開始克服彈簧的彈力而向右運動，進(jìn)而推動壓板B向右運動，直至壓板B右側(cè)碰到氣缸體，達(dá)到右極限位置，同時軸也運動到右極限位置。

針對其密封方式上，在氣缸體和殼體之間仍采用密封膜片的密封方式，通過螺栓連接來壓緊密封膜片，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)合面的端面密封。總的來說，其一個產(chǎn)品可以達(dá)到原有3處密封件的效果，大大簡化了整體的結(jié)構(gòu)和重量。

7 結(jié)論

本文通過對目前變速箱氣缸產(chǎn)品的分析，提出了唇形密封圈、支撐環(huán)以及膜片式氣缸產(chǎn)品的使用，首先直接為為相關(guān)設(shè)計人員提供了新的產(chǎn)品解決方案。另外一方面，帶來了一種新方案的思路，可以參考整車、甚至其他行業(yè)的案例應(yīng)用，擴(kuò)展到變速箱產(chǎn)品上。

相信隨著行業(yè)的發(fā)展，行業(yè)之間的融合也更加密切，行業(yè)之間的交叉應(yīng)用也將更加的豐富。