波形弹簧在水封结构中的应用

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1、波形弹簧在水封结构中的应用盖茨胜地汽车水泵产品(烟台)有限责任公司孙国栋【摘要】对水封的工作原理、结构及使用要求进行了系统介绍，通过理论和试验分析说明波形弹簧水封较目前普遍采用的螺旋弹簧水封具有结构紧凑、弹力均匀稳定、追随性良好等优点，密封可靠性强。【关键词】水封波形弹簧摩擦副密封追随性水封是汽车水泵密封的关键零件，其依靠弹簧弹力和介质压力使摩擦副保持贴合，并相对滑动，从而防止介质泄露的机械装置（图1）。图1水封结构图1.传动座2.辅助密封圈3.旋转环4.静止环5.上弹簧座6.螺旋弹簧7.下弹簧座8.波纹管9.波纹管座水封通常由摩擦副（旋转环和静止环）、弹性元件（螺旋弹簧）和密封元件组成。其

2、中，摩擦副的作用是使密封面紧密贴合以防止介质泄露，它要求摩擦副具有良好的耐磨性，静止环可以轴向灵活地移动并且具有浮动性，以便自动补偿密封面磨损和起到缓冲作用。弹性元件主要起预紧、补偿和缓冲的作用，要求始终保持足够的弹性为摩擦副良好的贴合和静止环的追随性提供弹力。辅助密封起密封旋转环与轴承的间隙、静止环与壳体的间隙的作用，同时对震动和冲击起缓冲的作用。水封摩擦副贴合面是主要的密封面，是决定密封性能的关键。据统计，水封泄露大约有80％～95％是由摩擦副造成的。而摩擦副的材料选用、加工精度以及工作中静止环的追随性等是保证密封性能的关键。通常汽车水泵的设计要求水封工作高度尽可能低、摩擦副耐磨损且圆周

3、受力均匀、具有良好的追随性，而波形弹簧配置的水封恰好可以实现以上要求。波形弹簧是连续绕制的由若干波峰波谷交错构成的薄片环状弹性金属元件（图2），该产品具有安装空间小、弹性均匀、谐振频率高的特殊功能。图2波形弹簧目前，国内部分专业厂家已经开始尝试设计和生产波形弹簧配置的水封（图3），来逐步替代以往螺旋弹簧水封，以提高产品密封的可靠性。图3C12B水封波形弹簧水封的优点1、由于波形弹簧结构紧凑，水封工作高度低（一般A=7.1mm）。使之能够适应大多数的汽车水泵安装空间，通用性强；可远离叶轮周围的水流扰动区域，减少了水封的震动并且避免水泵运转时叶轮处产生气泡对水封散热的影响，改善了其工作环境；旋转

4、惯量降低，工作平稳性提高。2、螺旋弹簧与波形弹簧的对比压力模型显示波形弹簧的弹力沿圆周分布更均匀（图4）。水封受力均匀性提高，可减少石墨环的单边磨损，同时在发动机震动的情况下弹簧补偿能力可以提高大约30%。图4弹簧压力模型（左：螺旋弹簧右：波形弹簧）3、具有良好的追随性。提升了水封适应高转速的能力，通常设计转数可达8000～10000r/min；同时抗发动机系统震动能力有效地提高，经验表明公交车因车速经常变换，以往的螺旋弹簧水封泄露失效率很高，改进使用波形弹簧水封后，失效概率显著降低。水封弹簧谐振系统频率的理论计算:水封配置K值（N/m）M值(kg)频率（次/min）螺旋弹簧67500.01

5、158228波形弹簧100000.009110015计算公式：v={60×SQRT(K/m)}/2π说明：上述计算结果为弹簧谐振系统在无阻尼（理想状态）下的固有频率，在实际使用过程中存在介质压力、介质粘度和水封波纹管等因素综合作用的阻尼状态，其频率将有所降低。还存在发动机其他振动源，其方向、频率和振幅均未知，其对水封弹簧的频率有减小或增加的影响。4、由于波形弹簧的弹力均匀稳定并且追随性良好等优点，因此可以有效地减少水封的泄露。且可以使水封的弹簧比压大幅降低，有效地减小了摩擦副的磨损量，提高了水封的耐久性。台架试验对比数据;弹力（N）前200小时泄漏量（ml）1000小时总泄漏量（ml）磨损量

6、（mm/100h）圆柱弹簧水封40±85.321.30.0083波形弹簧水封28±82.610.20.007结语从理论分析和试验均表明，对提高水封工作的可靠性，波形弹簧远好于目前普遍采用的螺旋弹簧，市场发展前景良好。汽车水泵水封