如何设计防水产品

产品设计中的防护综合指南

没有比让水渗入产品更快的方法来损坏敏感的电子设备或通过腐蚀破坏机械装置了。从消费电子产品到工业机械，防水都是一项基本的设计技能，它不仅能提高产品的耐用性和可靠性，还能保护产品免受灰尘和碎片等其他环境因素的影响。本指南为机械工程师提供了设计防水产品的全面概述，内容包括 IP 等级系统、O 型圈密封、垫圈设计以及可纳入产品设计实践的可行最佳实践。

了解 IP 分级系统

国际保护（IP 或入口保护）评级系统对针对固体物体和液体提供的保护程度进行分类。它由两个数字组成，其中第一个数字表示对固体的防护，第二个数字表示对液体的防护。例如，IP67 级设备具有防尘功能 （6），可承受浸入深达 1 米的水中 30 分钟 （7）。

下面的表格列举了各个 IP 等级。该表提供了 IP 等级系统的清晰明细，第一位数字表示对固体的防护等级，第二位数字表示对液体的防护等级。说明栏提供了每个等级的简要说明，详细介绍了针对各类固体和液体的防护等级。在本文中，我们将重点介绍 IPX4 至 IPXK，它们代表了设计中不断提高的防水等级。

设计 O 形圈密封件

无处不在的 O 形圈是密封应用中应用最广泛的机械设计模式。

O 形圈为密封接头防止泄漏提供了一种可靠且经济高效的解决方案。了解 O 形圈设计原理对于机械工程师来说至关重要，因为它们的特性很好，有大量的设计信息随时可用，它们的生产成本低廉，并且设计可扩展到各种几何形状。如果您从这篇文章中学到一件事，我希望它是 O 形圈设计。

O 形圈设计的基本原则

O 形圈是一类特殊的垫圈，通常具有圆形横截面。它们有标准直径，或者您可以在线轴上购买 O 形圈材料以制作定制长度。O 形圈的设计依赖于一些基本原则来确保它们在密封应用中的有效性。这些原则对于实现防止两个部件之间液体或气体泄漏的预期性能至关重要。以下是 O 形圈设计的基本原则：

1. 密封几何形状：密封件的几何形状有两个主要组成部分，即压盖设计和 O 形圈的尺寸和配合。

2. 压盖设计：O 形圈密封压盖是 O 形圈所在的凹槽或通道。压盖的几何形状决定了 O 形圈在安装过程中的压缩程度。

它还在密封件上产生压差时，在 O 形圈上建立约束（边界条件）。

除了压盖几何形状外，考虑与 O 形圈接触的局部表面光洁度也很重要。随着密封压力的增加，降低表面粗糙度的重要性成为驱动设计的约束因素。

1. 尺寸和适合： 正确的 O 形圈尺寸对于有效密封至关重要。这包括内径（以确保与硬件紧密配合）和横截面直径（以确保足够的压缩而不会过度变形）。最棘手的考虑因素之一是当标准 O 形圈周长与压盖的有效长度不匹配时。一般来说，使用尺寸过小的 O 形圈是可以的，只要您考虑到由于拉伸而导致的横截面积的整体减少（记住泊松比！派克 O 形圈手册中有一个部分，其中包含将相对拉伸与横截面直径减小联系起来的图表。

2. 材料选择：

• 弹性和硬度：硬度（以邵氏 A 单位测量）会影响密封件与配合表面的贴合能力。材料必须具有足够的弹性以允许压缩，但又足够坚硬以在压力下保持密封。请记住，达到 IPX7（及更低）是一种非常低的压力密封应用。对于这些应用，您将需要考虑硬度计系列的较软端，尤其是在处理塑料外壳时。在具有兼容产品外壳（例如手机）的低压应用中，主要设计挑战不是处理高压，而是确保密封件在较宽的温度范围内可靠运行，同时还要考虑制造公差和施加的负载。这是您应该熟悉的图表，以便您开始建立对邵氏硬度范围的直观理解。

压缩永久变形：压缩永久变形定义为材料在指定时间和温度下施加压缩位移后的永久变形。具有低压缩永久变形的材料能够在长时间的压缩变形后返回或弹回其原始（未变形）形状。随着时间的推移，压缩永久变形程度高的材料往往会失去密封预紧力，这使得它们在作条件和施加的压力发生变化时更容易失效。始终考虑压缩永久变形，尤其是在处理入口保护应用中使用的低硬度密封件时。

• 膨胀：某些材料在积水时体积可能会膨胀。这种体积增加通常与硬度降低和密封件预紧力的变化有关。有时，这可以补偿由压缩永久变形引起的密封性能下降。

• 兼容性：O 形圈材料的选择至关重要，因为它必须与 O 形圈运行的环境（温度、化学品和压力）兼容。常见材料包括丁腈橡胶、丁腈橡胶 （NBR）、氟橡胶 （FKM）、硅橡胶 （VMQ）、氟橡胶和三元乙丙橡胶 （EPDM）。在本文中，我们主要关注水和空气密封，因此兼容性通常不是问题。

3. 工作环境：

• 压力范围：在大多数防水应用中，O 形圈密封件必须承受的压差相对较低。O 形圈可以在 5000+ psi 的压力环境中轻松可靠地运行（相比之下，通常与 IP68 级产品相关的 10 米水或 14.2 psi）。在许多情况下，您将设计出您不想太多预紧的密封件。低压密封的艺术和科学涉及思考如何使用相对柔顺的部件在低预载荷下获得可靠的密封性能。这与液压应用中的高压密封设计形成鲜明对比，因为在组装时具有极硬的法兰以提供 O 形圈压缩。

一般来说，随着压差的增加，O 形圈材料的硬度也应该增加。这有助于防止 O 形圈在负载下挤压。然而，对于低压密封件，最关键的设计挑战是在相对较低的夹紧载荷下确保整个密封件有足够的预载荷。密封法兰处缺乏局部刚度会影响密封性能。同样，由于组件的强度和刚度，可能很难实现较大的 % 压缩。当制造公差扩大或变化时，这会使设计容易失效！

温度范围：O 形圈材料必须能够承受应用环境的最低和最高温度而不会降解。请务必考虑温度范围的热端和冷端与体积、硬度和压缩永久变形的变化。Challenger 爆炸是低温下 O 形圈性能下降的经典案例。

• 动态和静态应用：动态应用（有运动，例如活塞或杆）和静态应用（没有运动，例如法兰）的设计考虑因素各不相同。动态应用可能需要具有较高耐磨性的材料和具有较低额定压力的密封件。派克 O 形圈手册有一个很棒的部分，回顾了动态密封的设计注意事项，在本文的其余部分，我们将在很大程度上忽略这些因素，因为绝大多数产品防水都涉及两个或多个外壳组件之间的静态密封。

4. 安装注意事项：由于 O 形圈密封件在组装时需要部件变形，因此在组装过程中存在很大的损坏风险。在设计用于组装的密封件时，应考虑以下项目。

1. 润滑：除了提高密封性能外，使用 O 形圈润滑脂，可以防止在安装过程中和整个密封件使用寿命期间因摩擦和磨损而造成的损坏。请记住，润滑剂必须与 O 形圈材料和被密封的介质兼容。

2. 清洁表面：如果压盖和密封表面不干净且无毛刺，则低硬度密封件很容易被切割和损坏。虽然密封件上的小切口可能不会破坏低压密封性能，但在 IP68+ 应用中，组装过程中的表面质量变得至关重要。

这些原则包含了各种各样的约束，但我们可以将其归结为一个简单的目标。您希望确保您设计的密封件能够在最恶劣的作环境中可靠地处理其使用寿命期间预期的峰值压力，以及最不利的允许制造公差和材料性能。

径向 O 形圈密封设计

当密封表面平行于 O 形圈的轴线时，例如轴与其外壳之间的密封，使用径向 O 形圈密封件。压盖可以加工到外壳中，使压盖底板接触 O 形圈的外径，也可以加工到轴中，使压盖底板接触 O 形圈的内径。

当 O 形圈受到严重挤压时，径向 O 形圈密封件可能特别难以组装。轴和轴承座必须与已安装的 O 形圈一起推在一起，这可能会导致 O 形圈的剪切和挤压。对于相对低压的防水应用，我喜欢以尽可能低的 O 形圈压缩为目标，这样我就可以可靠地摆脱这种压力，以避免组装困难。

轴向 O 形圈密封设计

当密封表面垂直于 O 形圈的轴线时，例如外壳的两个翻盖式密封之间的密封，使用轴向 O 形圈密封件。压盖可以根据装配顺序和维护问题加工成任一外壳。

在轴向密封件中，O 形圈压缩是通过紧固件（或面之间的其他夹紧方式）施加的载荷的直接函数。这使您可以对密封件预紧力进行大量控制，但也可能导致各种器件的性能变化更大。就像在传统的垫片设计中一样，由于紧固件引起的载荷分布不均匀，轴向 O 形圈密封件会在外壳组件中引起弯曲载荷。然后，外壳组件的挠度会导致整个密封件长度上的预载荷变化和密封性能下降。

专业提示：轴向密封件中的一种有用技术是加工燕尾榫压盖几何形状。这允许 O 形圈被捕获在压盖中，从而防止在维护过程中意外拆卸。请务必考虑需要多少凹槽体积来支持 O 形圈变形作为压缩百分比的函数。

设计垫片密封件

垫片用于各种产品和应用，但消费电子产品提供了示范性设计示例。Apple Watch 的 iFixit 拆解具有强大的入口保护功能，可在扬声器格栅上显示垫圈。

什么是垫片？

垫片是由密封材料夹紧（有时是永久变形）形成的一类通用轴向密封。为了产品防水应用，大多数垫片都使用薄片橡胶材料设计，或者在注塑成型部件上使用包覆成型橡胶。基本设计原则适用于这两种方法，因此在讨论特定于应用程序的建议之前，我们将首先讨论一般概念。

它们是如何工作的？

垫圈的工作原理是对密封材料施加夹紧载荷。这种密封材料在局部被压缩，在相对的部件之间形成一个或多个密封面。垫片具有沿平面或复杂 3D 曲面的密封面（更常见于密封具有复杂分型线的注塑成型零部件的垫片）。

垫片预紧力控制

有效的垫片设计是关于确保沿垫片面的相对均匀的压力分布。减压的局部区域实际上是可能产生泄漏的“薄弱点”。

作为设计师，您应该尝试围绕外壳组件的刚度以及它们的相对（局部）柔度如何影响密封预紧力建立自己的直觉。使用我们的示例外壳，我们可以突出显示由于紧固件之间的载荷路径而可能影响垫圈上的压力分布的区域。

关键因素是确定那些可能导致垫片预紧力降低的部件刚度降低的区域。随着压差的增加，这些区域会失效。当然，您可以为此构建自己的直觉，或者您可以运行有限元分析。

• 材料选择： 垫片材料因应用而异，从橡胶到金属。必须考虑可压缩性、耐温性和化学相容性等因素。

• 表面光洁度： 实现光滑平坦的配合表面对于垫片密封至关重要。表面粗糙和缺陷会导致泄漏。可能需要机械加工或磨削才能达到所需的表面光洁度。

湿垫片和RTV

最常用的垫片类型之一是 RTV（室温硫化硅胶）。这是一种“湿垫圈”，这意味着它像粘合剂一样应用，但在负载下会固定到位。这是一个很好的示例视频，展示了后差速器垫片的 RTV 应用。一般来说，由于 RTV 在被挤压到最终尺寸后就地硫化，因此它最适合相对低压的密封应用。拆卸起来很麻烦，所以不要认为它是经常维修的物品或消费电子产品的可行解决方案。也就是说，它很容易，并且可以防止灰尘、碎屑和水进入关键的机器组件接口。

最佳实践和其他

管理密封件预紧力和压力分布

我想强调一些关于密封压力控制的快速设计技巧。对于许多低压密封件，使用软硬度材料，并且可提供有限的夹紧力。以下是一些控制密封压力的技术。

• 减少或修改接触面积以增加压力

在表面几何形状中添加脊或其他变化有助于局部增加密封压力。

• 通过硬挡块减轻垫圈损坏

如果软垫片过度压缩，它们可能会损坏，从而影响密封。考虑使用硬挡块来限制垫圈的允许压缩位移。

处理内部压力变化

请记住，对于密封器件，由于温度变化引起的内部压力变化可能是主要的设计约束。不要忽视这一点！内部气压的降低会增加密封件之间的压差，从而导致摄入水。

当心 O 形圈的局部变形

对于使用 O 形圈的轴向外壳，您需要注意 O 形圈槽的路径。极紧的角落会增加 O 形圈的应力。请记住，O 形圈中产生的任何轴向或弯曲应力都会改变横截面积，从而影响密封性能。

温度和硬度计是关联的

理查德·费曼 （Richard Feynman） 出色地展示了温度波动对 O 形圈硬度、弹性、回弹率和压缩永久变形的影响。永远记住，要针对您允许的最坏工作条件进行设计，包括寒冷天气。

灌封和保形涂层

请记住，空气中含有大部分物质，包括在制造过程中密封在产品内部的空气。在设计防水产品时，请考虑压力和温度的变化如何导致这种被困的水分在敏感电子设备上凝结。保形涂层和灌封是防止少量冷凝水干扰电子设备或随着时间的推移造成腐蚀的简单而可靠的方法。

包覆成型垫片

包覆成型不仅仅是为了美观。考虑如何使用包覆成型橡胶（例如 TPS-SEBS）作为功能性垫圈。除了组装成本外，这种方法的一个优点是减少了泄漏路径。包覆成型有效地粘合了其中一个密封界面，从而减少了需要通过垫圈预紧力密封的总表面积。

关于测试重要性的说明

FEA 对于橡胶等非线性材料的大变形非常具有挑战性。仅通过分析来设计密封件是一个非常冒险的提议。如果您想确保设计中可靠的密封性能，您应该考虑对各种设备进行非常严格的测试。它的成本很高，但不如产品故障、返工和退货那么昂贵。

了解邵氏硬度和杨氏模量

密封件设计中最难的部分之一是确定密封件的有效刚度和目标压缩 %。一般来说，邵氏硬度和杨氏模量之间存在相关性。在实践中，这可能很难确定，通常必须通过实验来确定。您可以在下面找到显示这种关系的图表。

橡胶和弹性体具有非线性和粘弹性行为，这通常非常奇怪且设计具有挑战性，因此请进行彻底测试！

结论

设计防水产品的能力 80% 是科学，20% 是艺术，但这就是为什么它既有价值又有趣。作为一名工程师，您应该了解如何设计径向和轴向 O 形圈密封件、各种几何形状和应用中的垫圈，并全面了解弹性材料以及如何在产品设计中应用它们。材料性能和公差通常是密封件设计中的 X 因素，因此请务必实施保守且能代表实际使用情况的分析和测试。如果你能管理所有这些，你最终会得到一个可靠的防水设计。