标准结构篇：2）O型橡胶密封圈

本章目的：设计出符合行业要求的O型橡胶密封圈，不必再为一而再，再而三的测试漏水而烦恼。

1.前言

O型橡胶密封圈，简称O型圈，是密封圈的一种，也是最有代表性的标准结构件。顾名思义，它的目的在于密封。密封设计目标是可靠性目标的一部份。

相对于其他的密封件，O型圈的好处有：

1）适用的范围广泛

机械各子行业，从玩具类到航空航天，及其多种密封形式：静态密封、动态密封等，都能采用O型圈。（虽然针对某些特殊情况，可以有更好的密封方法，如矩形密封圈针对静态密封的一部分情况）因为其运用的历史较长，质量稳定性有一定的保障（FMEA的频度判断准则看看），特别是高要求的IP68，IP69K的防水防尘等级，这种传统的密封方式的可靠性远超其他的密封方式。而且能避开大多数的专利要求。

2）制造安装要求简单。

现有的行业制造技术完全能够满足密封圈的制作，而且花费不高。质量稳定性也好，不像超声波焊接类的密封结构，常常和昂贵的仪器有关，焊接的质量不能得到保障。

O 型密封圈的质量是防止系统中因气体和液体的密封失效而造成产品“跑、冒、滴、漏”现象的关键因素。所以在苛刻的实验要求下，对密封圈的设计也越来越严谨。但很多工程师或公司却没有意识到这种变化，O型圈的设计也是采用一种随便的态度。比如：测试漏水就把O型圈加粗一些，或挑选几个测试合格的产品，把问题拖到量产上去。对设计而言，这是一种错误的解决问题的方法。（本质并不能解决问题就是了）

实际上，O型圈是一种非常成熟的结构，只要按照标准结果的设计方法，不盲目去创新（不是说创新不好），也不随意的对待，是很容易达到实验要求的，哪怕这些要求很苛刻。

具体方法如下。

2.O型橡胶密封圈设计流程

密封圈的结构可以算是典型的标准特征了，所以按照总章的流程设计即可。

1）设计要求的明确与分析；（针对事物的问题所在）

2）对症选用合适标准和文档资料；

3）照章办事；

4）专业化的表现；

5）特征优化：书面形式的上升空间；

6）平时的积累，为第二步做准备。

2.1 设计要求的明确与分析（针对事物的问题所在）

机械也有很多的子行业，各个行业对O型橡胶密封圈的要求是非常不一样的。

如温度要求，家用电器一般为-20°C~120°C,而车用一般为-40°C~140°C，单就低温相差20°C就能淘汰一大批材料。其他的比如车用对冷冻液的耐腐蚀性，医用材料的特殊安全要求等，都必须注意。

所以了解自身所处的行业环境，明确密封圈的设计要求，是做好设计的第一步。

一般对O型橡胶密封圈的设计要求有：

1）介质类型：也就是腐蚀方面的要求；

2）工作温度：这是材料选择的一个重要依据；

3）压力范围：密封腔体内压力，外压力。这部分要仔细读读实验的要求。

4）密封等级要求（IP？）：IP65的要求当然和IP68不一样，这些实验条件会直接影响O型圈的性能参数；

5）材料要求（Rosh，Reach等）；

6）内部清洁度；

7）寿命；

8）尺寸与重量（特别是尺寸的要求）；

9）防振与防摔（一般影响较少）；

10）安装要求；

11）成本（高低端材料成本数十倍差值）；

这个只是作者粗略写出的要求，依据行业的不同，仍有可能增加要求。

密封设计必须满足需求规格书和测试的要求。

若有需求规格书，规格书中必定有对上述要求的详细规定。所以设计之前规格书的解读是非常重要的（虽然常常被从业者忽视）。

若是自行设计或没有规格书，需要根据国家行业要求收集相关的测试标准，这时产品注重质量的话会反而更加麻烦，但可以参考同行业有实力公司的规格书。

 

设计要求得到的方法具体做法详见：

①高阶篇：4.1）QFDI（客户需求转换为设计要求）

了解自身所处的行业环境，明确密封设计要求，是做好设计的第一步。

2.2 对症选用合适标准和文档资料

密封圈标准的选用流程分两步

2.2.1 选用合适结构的密封圈

对比标杆产品，选用合适的密封圈。如果是自行设计，以O型圈为上。这里切记自性心爆棚，随意选用矩形密封圈、x型圈等，有利有弊的。

理由详见：

①高阶篇：1）竞品（标杆产品）的拆解和分析benchmarking；

②高阶篇：4.2.3）DFMEA现有设计：预防控制与探测控制；

 

其实写到这一步作者就会想，如果是软件行业的话，其实工作已经做完了。因为设计要求已经明确，只要把设计要求输入，软件会从数据库中自动删选并调用合适的模块。那么，以后的工作可以说结束了。但我们在机械，没有合适的工业辅助设计软件一直是作者的遗憾。

2.2.2 选用此种密封圈对应的标准

密封圈的标准是在太多了，国标、行标，企标，都有。作者建议选用时各个标准都要研读，然后依据供应商的企标设计（好的密封圈供应商都有严格的企业标准）。因为从严格程度来说一般是企标≥行标≥国标，这是标准制定的规范，当然需要结构设计师都通读标准，再得出结论。

有些特殊的行业或公司对密封圈更有严格的要求。如作者就知道某家供应商对其牌号的EPDM密封圈做过针对性的试验，得出更加严格的O型圈压缩率要求。

这个也是需要遵循的标准。

2.3 照章办事

2.3.1 耐心解读标准

一份密封圈的标准能多达到40~50页，这很需要耐心和专业素养。而且作者刚刚就阐述了，需要解读很多份这种标准。

作者会提供一些比较好的资料，可以多看看。

就作者而言，比较重要的内容有：

1）O型圈的技术参数:到底选择哪种材质，哪类的O型圈，是否需要挡圈，来源于此。

2）O型圈的压缩率和填充率计算。

3）O型圈沟槽设计。

4）安装建议。

5）挡圈等。

如果有时间，作者建议完整读一遍国标GB3452，这样对O型圈会有一个比较好的理解。

2.3.2 作图

1）材质：材质的牌号，技术要求中可以提交更加具体的要求，比如制定厂家（一般不会这么干）；

2）邵氏硬度：合适的硬度和压缩率才是密封的好选择。

选用O形圈时一定要考虑橡胶的硬度,对于一般使用场合,通常我们推荐使用硬度为70度,因为在70度时材料便可以获得较佳的综合性能。

对于在高压环境中使用时,一般的70度材质比较容易挤出。但是采用硬度超过邵氏85度在动态环境中会很少获得成功,因为硬度髙的材料不容易跟随密封表面(如缸体壁)的粗糙度或变形。利用低硬度的O形圈的耐磨性和抗髙压的挡圈,就能获得非常好的密封性能。

一般会给出：邵氏70度，±4°的公差。（这个可以再询问一下特定的供应商确认）

3）尺寸与公差：O型圈的尺寸必须和沟槽的尺寸配套，公差要符合制作工艺-模压的要求，不要提出过分的公差，那样合格率会大大降低的。

4）O 形圈接触面的光洁度：这里指沟槽的表面的粗糙度。请标注在对应开沟槽的零件图纸上

在压力作用下,弹性体将贴紧不规则的密封表面。对气体或液体密封的紧配合静密封,密封表面应满足一些基本的要求。密封表面上不得有开槽、划痕、凹坑、同心或螺旋状的加工痕迹。对于动密封,配合面的粗糙度要求更高。按照DIN4768/和IS01302标准中对表面粗糙度的定义,对沟槽各个表面的粗糙度要求推荐如下表：

5）安装要求：

可以写在装配图的技术要求中。

很多O型圈的装配图纸都忽略安装的技术要求，其实安装的要求真的蛮多的。

如:

①基本要求；

②手工安装；

③安装通过螺纹，花键等；

④自动化安装；

⑤安装倒角的设计；

⑥表面粗糙度的选择；

⑦挤出极限与间隙等。

可以看一下作者给出的资料，选出合理的技术要求并标注在对应的图纸。

6）存放

(1)O 形圈应避免存放在阳光直射、潮湿及空气不流通的地方，以防止 O 形圈加速老化，存放 O 形圈的适宜温度为 0-20℃，适宜的空气湿度为 70％以上。另外，还应避免辐射、烟雾、昆虫、啮齿类生物、灰尘、砂粒、机械损伤等破坏。
(2)O 形圈存放处必须距热源 1 米以上，不允许同酸、碱、溶剂及油脂等液体、气体接触。存放时不允许使用任何产生臭氧的装置。
(3)不允许受压、拉伸或其他变形形式，不允许用细绳，铁丝等将制品穿栓悬挂起来。
(4)O形圈一般用塑料袋装，有效保管期为 2-3 年。

这些可以标注在O型圈的图纸上。

7）测试等要求:

需要解读对应的实验要求，并选取合理的要求标注在O型圈图纸上。

 

这些都是要在图纸上表现。规范的图纸是实力的体现。

作者后期会放上一张自己绘制的O型圈图纸，这里先保留吧，因为太花时间了。

2.3.3 计算书

O型圈就至少有压缩率，填充率，沟槽圆角，周长压缩 4项要求受到公差的影响，所以计算书是十分重要的。

1）压缩率

不同的测试要求对压缩率的要求是不一样的，车用的比较严格（一般在20%~30%），消费类电子产品的要求就很宽松。这时，就需要合理选择对应的标准了。比较严密的压缩率选择的例子如下图：

2）填充率

O型圈的截面积不能超过沟槽的截面积，并且，一般为了保准热胀冷缩的裕度，一般取65%~90%（不过作者找不到对应的标准了）

3）沟槽圆角

沟槽圆角也是会影响O型圈的安装和密封，底部圆角Re不能太大，不能超过直径的20%（标准作者一时间也找不到了，但一般沟槽设计时候就会有要求）

4）周长压缩

见对应资料吧。但周长压缩这一点很难做要求，特别是车用，因为车用测试会有内压，外压，真空三种，所以常常周长压缩没办法选取对应的标准。

常用的计算书如下图，作者会在资料中给出。

2.4.专业化的表现

1）O型橡胶密封圈和其装配图图纸；

2）计算书；

上述的计算表格就是作者自制的，远不敢称完善，如果比这个还差就要三思了。

审计评审时请检查这两份东西。

2.5 特征优化：书面形式的上升空间；

以书面形式表达密封圈的优化设计方法，可以写在计算书中。

密封圈的优化方向有：

1）材料的更换：如普通的EPDM和最好几个牌号的NBR及HNBR的成本可达数十倍差值，所以在可靠性要求允许的前提下，采用低成本的材料一直是设计师的课题。

2）公差的放宽：同样，橡胶的压缩率、填充率等要求一直限制了密封圈工艺的公差要求。但采用大的公差能有效提高密封圈的合格率，减少成本。这是个对立的话题，怎么做呢？

作者提供一种方法:提高密封圈横截面的理论直径（就是选取较大直径的O型圈）。至于为什么这样就可以放宽公差，请读者自己思考。

3）工艺的更新优化：其实从DFA的要求来看，减少零件数量是有效优化产品的方法。所以，在公司工艺能力允许的情况下，可以采用超声波焊接等工艺代替密封圈。

2.6 平时的积累，为第二步做准备

理由见对症设计总章节吧，这里就不阐述了。

3.密封圈常用损坏情况

这里追加3种密封圈损坏的情况，其他的可见作者给出的资料。

记住，O型圈的设计不是漏水增加直径就行了的，因为有压坏的可能。O型圈的设计也是不能随便对待的。

1）过度压缩

描述:密封件接触表面呈平面变形,并可能伴随裂纹。
造成原因:设计不合理:没有考虑到材料由于热量及化学介质引起的变形,或由于压力过大引起。
解决方法:沟槽的设计应考虑到材料由于温度及化学介质引起的变形。

2）挤出

描述:密封件有粗糙破损的边缘,一般通常在压力低的一侧。
造成原因:间隙过大;压力过大;材料硬度或弹性太低;沟槽空间太小;间隙尺寸不规则;沟槽边角过于锋利;密封件尺寸不合适。
解决方法:降低间隙尺寸,选用更高硬度或弹性的材料,合理的沟槽设计。

3）永久压缩变形

描述:密封件接触表面呈现平面永久变形。
造成原因:压力过大;温度过高;材料没有完成硫化处理;材料本身永久变形率过高;材料在化学介质中过度膨胀。
解决方法:选择低变形率的材料;合适的沟槽设计;确认材料与介质相容。

4.后话

密封圈一般是小东西，却是可靠性设计实力最直接的体现。

希望读者读了这个篇章之后有所帮助，能一次性设计出不漏水的产品。而不需要在一堆样品中通宵测试并苦苦挑选不漏水的样品，那叫忙的不人道，真心。

5.O型橡胶密封圈章节对应的资料

原本作者分享一些资料，是想做些互动。

也想要更好的沟通和多一些朋友。

可以去关注作者的微信公众号：mdmodule；

作者的邮箱：zjc9915@qq.com，可以写一些长感想，作者一般会回。

下面是本章对应的网盘资料，很多都是作者用心做和花钱买的，值得想要的人一看。

链接：https://pan.baidu.com/s/1zOkArxrfKXdS2bxSTZqULg 密码：bqq7