CN102818030A - 径向轴密封装置 - Google Patents

Abstract

径向轴密封装置，用以在轴与容纳轴的静置构件之间的环形腔内高压侧和低压侧之间密封，径向轴密封装置旋转对称构造且与轴同轴布置，包括：由非弹性合成材料制成的第一密封圈，第一密封圈在其内周边区域中朝低压侧方向向前拱曲且形成贴靠在轴上的第一密封唇；间隔环，间隔环关于第一密封圈朝低压侧方向沿轴向错开布置，具有面朝高压侧的第一端面和面朝低压侧的第二端面；弹性的成型件，成型件在其外周边区域中贴靠在间隔环的第二端面上及在其内周边区域中朝高压侧方向向前拱曲且贴靠在第一密封唇上，在间隔环、成型件与必要时第一密封唇之间形成空腔，空腔能以高压侧上压力或以控制压力加载，使得由于压力加载第一密封唇可通过成型件被压紧到轴上。

Description

径向轴密封装置

技术领域

本发明涉及一种径向轴密封装置，用以在轴与容纳轴的静置构件之间的环形腔内在高压侧与低压侧之间进行密封，其中，所述径向轴密封装置旋转对称地构造而且与该轴同轴地布置。

背景技术

在大量技术应用中，旋转的轴必须在其穿通部的区域中通过静置的构件加以密封，以便防止流体介质不期望地从静置构件的一侧越到另一侧。于是，当两侧存在不同压力的情况下，也就是说，当在高压侧与低压侧之间必须进行密封时，为此目的所使用的径向轴密封装置尤其必须满足特别高的要求。这涉及到径向轴密封装置例如在涡轮机、发动机或变速器中的应用，其中，以压力加载的介质可以是液态的，也可以是气态的。

径向轴密封装置的最简单的构造形式包括带有贴靠在轴上的密封唇的密封圈，密封唇朝高压侧方向向前拱起。这个密封唇到轴上的加压通过以存在的介质的直接压力加载来进行，也就是说，推压力伴随着在两侧之间的压差而升高。在很高的压力下以及尤其在轴的转速同样很高的情况下，产生的摩擦热量会导致磨损加大，并且进而导致密封装置失效，具体而言，是由于对密封圈的材料和压力加载的介质（例如油的焦化）的热超负荷导致失效。

为了避免在高压下过度强烈地加压密封装置的问题，按照现有技术使用所谓的卸压式径向轴密封圈。这个密封圈具有带相对较小密封面的密封唇，其中，密封唇这样构造，即：密封唇对轴的径向加压尽可能与压力状况无关。但为了确保足够的加压，在此需要通过弹性元件（通常通过用弹性体材料制的O形圈）对密封唇的预紧，其中，这又是具有缺陷的：这种额定的预紧即使在轴的转速很低或静止时也很高，这导致轴由于很高的静摩擦而突然起动。同样有问题的是对密封唇的摩擦，这种摩擦在相应的运行条件下导致高的热负荷进而还有对密封装置的强烈磨损。

基于所提到的缺陷，公知的径向轴密封装置针对在高压和高转速的应用（例如在内燃机的废气涡轮增压器中）不足够耐磨，或者说具有过高的摩擦。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是，提出一种具有小摩擦和高耐磨强度的经改良的径向轴密封装置。

按照本发明，该任务在开头所提及类型的径向轴密封装置中以如下方式解决，即：所述径向轴密封装置包括：

（ⅰ）由非弹性合成材料制成的第一密封圈，该第一密封圈在其内周边的区域中朝低压侧方向向前拱曲并且形成贴靠在轴上的第一密封唇，

（ⅱ）间隔环，所述间隔环关于第一密封圈朝低压侧方向轴向错开地布置，所述间隔环具有面朝高压侧的第一端面和面朝低压侧的第二端面，以及

（ⅲ）弹性的成型件，所述弹性的成型件在其外周边的区域中贴靠在间隔环的第二端面上，以及在其内周边的区域中朝高压侧方向向前拱曲，并且贴靠在第一密封唇上，

其中，在间隔环、弹性成型件和必要时第一密封唇之间形成了空腔，所述空腔可被以在高压侧上的压力或控制压力来加载，使得基于该压力加载，第一密封唇可以通过弹性的成型件被压紧到轴上。

在按本发明的径向轴密封装置中，对第一密封唇以存在于高压侧上的压力进行压力加载，或以相应的控制压力进行压力加载，以便对直接处在轴与第一密封唇之间的压力进行补偿，从而尽可能与在两个侧面之间的各个压差无关地实现第一密封唇到轴上的、基本上保持相同的加压。在此特别有利的是，处在空腔中的补偿压力通过第一成型件至少部分间接地传递到第一密封唇上，并且进而可以均匀地分布在密封唇的较大的区域上。在此情况下，不会导致在弹性成型件与第一密封唇之间的摩擦，从而避免在这个区域中额外的热量产生。

弹性的成型件可以呈环形地构造，该成型件具有限定外周边的外边缘区域和限定内周边的内边缘区域。能被以压力加载的空腔在这种情况下通过将弹性成型件的内边缘区域贴靠在第一密封唇上而沿轴的方向得到密封。

但特别优选的是，弹性的成型件具有：贴靠在间隔环的第一端面上的第一边缘区域；和贴靠在间隔环的第二端面上的第二边缘区域；以及将这两个边缘区域连接起来的中部区域，该中部区域贴靠在第一密封唇上，其中，在间隔环与弹性成型件的中部区域之间构成空腔。弹性的成型件在这种情况下具有大致U形的横截面，其中，弯曲的中部区域面朝轴，并且限定了弹性的成型件的内周边。这种实施方式具有的重要优点在于，空腔沿第一密封唇的方向或沿轴的方向通过弹性的成型件密闭地密封，并且防止了用于压力加载的介质（典型地为高压侧的介质）挤出。

通过弹性的成型件的中部区域的面积大小，在空腔内一定的压力下产生的、传递到密封唇上的推压力能被这样匹配，即：第一密封唇的总共产生的加压都处在一个预先设置的、对径向轴密封装置的相应使用目的而言最佳的区域中。

在按本发明的径向轴密封装置中，在高压侧和低压侧上的介质可以是相同的或不同的。当径向轴密封装置例如用于对在废气涡轮增压器的压缩机侧上的轴进行密封时，高压侧上的介质是经压缩的增压空气，低压侧上的介质则为油。

优选的是，弹性的成型件的第一边缘区域被力配合地保持在第一密封圈与间隔环的第一端面之间。弹性的成型件还附加地与第一密封圈和/或间隔环的第一端面粘接。

在按本发明的另一种优选的实施方式中，径向轴密封装置还包括由非弹性的合成材料制成的第二密封圈，第二密封圈关于间隔环朝低压侧方向在轴向上错开地布置，其中，第二密封圈在其内周边区域中朝高压侧方向向前拱曲，并且形成了贴靠在第一密封圈的第一密封唇上的第二密封唇。即：两个被间隔环分开的密封圈在其内周边区域中朝着各自不同的密封圈向前拱曲，从而使两个密封唇相叠，并且仅第一密封唇贴靠在轴上。第一密封唇和第二密封唇根据径向轴密封装置的尺寸设定而可以例如沿朝轴向延伸的至少为1mm的区域叠合。通过设置两个相叠的密封唇，弹性的成型件可以比在仅设一个密封唇的情况下更佳地屏蔽在轴上产生的摩擦热量，其中，所述弹性的成型件的中部区域在这种情况下既贴靠在第一密封唇上也贴靠在第二密封唇上。

弹性的成型件的第二边缘区域优选力配合地保持在第二密封圈与间隔环的第二端面之间。与第一边缘区域的情形类似，在此也可以附加地设置有粘接部。

两个密封圈的外部区域、也就是说背对轴的区域有利地相互平行地布置在垂直于轴分布的平面中。但所述外部区域也能处在截锥的壳面上，其中，密封圈沿其外周边相互间具有最大间距，并且这个间距在径向朝内变小。相同的情况也适用于弹性的成型件的第一边缘区域和第二边缘区域以及适用于间隔环的第一端面和第二端面。

按本发明的径向轴密封装置的组成部件可以直接布置在容纳轴的静置构件上，并且被这个构件的一个或多个组件加以保持。但明显优选的是，径向轴密封装置还包括壳体，该壳体将第一密封圈、间隔环、弹性的成型件与必要时第二密封圈相互紧合。通过这样的壳体，径向轴密封装置形成了如下紧凑的单元，该单元可以构造得更为简单和可靠。

壳体优选径向朝外以及轴向既朝着高压侧又朝着低压侧闭合。由此，壳体的唯一敞开的区域是径向轴密封装置的内周边，其中，这个内周边由贴靠在轴上的第一密封唇来限定。壳体的面朝高压侧的轴向侧面沿着其内周边优选朝着低压侧方向弯折或向前拱曲，并且因而形成了用于第一密封圈的第一密封唇的支撑部。这也相应地适用于壳体的面朝低压侧的轴向侧面，这个轴向侧面可以形成用于必要时设置的第二密封圈的第二密封唇的支撑部。

壳体可以单件式或多件式地构造，其中，按本发明的径向轴密封装置的组装通过多件式壳体得到简化。有利的是，壳体两件式地构造，其中，第一壳体部分形成径向外侧和壳体的轴向侧面，并且第二壳体部分则形成另一个轴向侧面。两个壳体部分可以例如通过卷边相互连接，或通过其他公知的连接技术（如焊接、螺栓连接或粘接）而相互连接。

壳体可以尤其由金属的材料或由合成材料制成，其中，优选是金属材料。按本发明的径向轴密封装置的间隔环也优选有利地由金属制成，其中，在此也可以另选地使用合成材料。

按照本发明，构造于间隔环与弹性的成型件的中部区域之间的空腔能被以在高压侧上的压力或以控制压力加载。通过使用控制压力，第一密封唇到轴上的加压被特别精确地而且与在高压侧上的压力无关地加以调整。另一方面，本发明的这种实施方式也与相对较高的费用相联系。

以高压侧上对空腔的压力加载可以明显更为简单地实现并且通过如上所述地选择面积比例同样实现了第一密封唇当高压侧上的压力变化时受到尽可能保持相同的加压。为了对空腔进行压力加载，有利地设置有在高压侧与空腔之间的流体连接件。

流体连接件优选包括至少一个穿过弹性的成型件的第一边缘区域、穿过第一密封圈和穿过径向轴密封装置的壳体的钻孔。可以设多个钻孔，这些钻孔分布在径向轴密封装置的圆周上，但原则上一个钻孔也已足够，因为空腔连续地沿着径向轴密封装置的整个圆周延伸（基本上呈外部削平的环面的形式）。

在一种优选的实施方式中，至少一个钻孔汇入朝间隔环的环形槽，环形槽朝着空腔敞开。因为环形槽沿间隔环的整个圆周延伸，所以钻孔可以在径向轴密封装置组装后设置在沿圆周的任意部位上。

用来构成第一密封圈和必要时第二密封圈的非弹性的合成材料优选包括含氟聚合物，尤其是均聚的PTFE（聚四氟乙烯）或TFE（四氟乙烯）共聚物。这些含氟聚合物的长处在于很低的摩擦系数以及很高的耐热性。在此特别优选的是，含氟聚合物与减小磨损的填充材料（例如二硫化钼或石墨）的复合物。一个或多个密封圈可以通过去掉材料的方法（例如车削）而被制造成所期望的形状，作为备选，这种形状（尤其为密封唇的向前拱曲部）也通过紧接着的改型（冲制）来实现。在后一种方法中，由于所谓的记忆效应获得了密封唇有利的初始应力。

一个或多个密封唇可以通过壳体与弹性的成型件和间隔环相紧合，也就是说仅力配合地被保持或附加地被粘接或被预热。在使用可熔融加工的TFE共聚物（例如PFA或

）时，密封圈也可以被注塑到壳体上。

一个或多个密封圈优选具有在约0.2mm至约1.5mm范围内的厚度。

按本发明的径向轴密封装置的弹性的成型件优选由弹性体来形成，尤其通过平面材料的改型来形成，通过压铸或通过颗粒的烧结来形成。

一种优选的弹性体尤其是氟橡胶，其具有较高的耐热性。但也可以使用其它的弹性体，如丁苯橡胶、硅橡胶，或（为了压铸）使用热塑性弹性体（例如聚氨酯）。弹性的成型件的热学或机械的稳定性也可以例如通过弹性体的纤维增强而提高。

弹性的成型件优选具有约50μm至约200μm的厚度，其中，对此指的是，成型件的垂直于其平面式的延伸的厚度。通过弹性的成型件的厚度，但也通过弹性体的选择，可以使在空腔内的压力经由弹性的成型件传递到第一密封圈的第一密封唇上的过程也能在相对较宽的范围内得到匹配。

按本发明的径向轴装置可以使用在本文开头也已述及的不同的领域中，即例如使用在涡轮机、发动机或变速器中。本发明的一个特别的方面涉及径向轴密封装置在内燃机的废气涡轮增压器中的应用，尤其是用在其压缩机侧。

附图说明

本发明的所述以及其他的优点参考附图结合下面所述的实施例得到详细说明。附图中详细地示出的是：

图1示出按本发明的径向轴密封装置的第一实施例的示意性横截面图；

图2是按本发明的径向轴密封装置的第二实施例的示意性横截面图；以及

图3是按本发明的径向轴密封装置的第三实施例的示意性横截面图。

具体实施方式

图1示意性示出了按本发明的径向轴密封装置10的第一实施例的径向横截面。径向轴密封装置10布置在轴14与容纳轴14的静置构件16之间的环形腔12内，并且用于在高压侧18与低压侧20之间进行密封。轴14和静置构件16可以例如是废气涡轮增压器的部件。

径向轴密封装置10包括带有第一壳体部分24和第二壳体部分26的壳体22，其中，第一壳体部分24形成径向的外侧和壳体22的其中一个轴向侧，第二壳体部分26则形成壳体22的另一个轴向侧。壳体部分24和26通过卷边28相互连接。

在壳体22内部布置有间隔环30、弹性的成型件32、第一密封圈34和第二密封圈36，其中，径向轴密封装置10的所有组成部件都通过壳体22相互紧合。弹性的成型件32由弹性体（例如氟橡胶）制成。

弹性的成型件32具有U形的横截面，其具有：第一边缘区域38，该第一边缘区域38力配合地保持在第一密封圈34与间隔环30的第一端面42之间；第二边缘区域40，该第二边缘区域40力配合地保持在第二密封圈36与间隔环30的第二端面44之间，以及弯曲的中部区域46，该中部区域46朝着轴14的方向定向。在间隔环30与弹性的成型件32的中部区域46之间形成了空腔48，该空腔48基本上具有外部削平的环面的形状。

第一密封圈34在其内周边的区域内朝着低压侧20的方向向前拱曲，并且形成了贴靠在轴14上的第一密封唇50。在第一密封唇50与轴14之间的接触面表现为在径向轴密封装置10中的唯一动态的密封面。第二密封圈36在其内周边的区域中朝着高压侧18的方向向前拱曲，并且形成了第二密封唇52，第二密封唇52贴靠在第一密封圈34的第一密封唇50上并且与第一密封唇50相叠。

第一密封圈34和第二密封圈36由非弹性的合成材料构成，例如由PTFE或TFE共聚物或由相应的复合物构成。密封圈34和36可以通过材料切削的加工、通过改型或通过压铸来制造。

间隔环30具有朝着空腔48敞开的环形槽54。钻孔56通过第一壳体部分24、第一密封圈34和弹性的成型件32的第一边缘区域38汇入这个环形槽54，并且在高压侧18与空腔48之间形成了流体连接件，从而空腔48能被以在高压侧18上的压力来加载。这个压力通过弹性的成型件32的中部区域46以及通过第二密封唇52传递到第一密封唇50上，从而使第一密封唇50被以如下的力压紧到轴14上，这个力表现为高压侧18的直接在第一密封唇50与轴14之间施加的压力的反作用力。通过这种压力补偿，可以尽可能与在高压侧18与低压侧20之间的压差无关地伴随有较小的均匀的摩擦地维持在动态的密封面上的基本上恒定的加压。

通过避免了由于第一密封唇50在轴14上的过高的加压而引起的过量摩擦热，以及通过弹性的成型件32借助两个密封唇50和52的热屏蔽，可以明显减少对各个组成部件的热损伤，从而使径向轴密封装置10整体上具有很高的耐磨性。

图2示意性示出了按本发明的径向轴密封装置的第二实施例的径向横截面。径向轴密封装置60的结构除了接下来说明的差别外均相应于按图1的第一实施例，其中，相同的或彼此对应的元件分别以同样的附图标记来标注。

径向轴密封装置60包括仅唯一具备密封唇50的密封圈34。由于没有第二密封圈，弹性的成型件32的第二边缘区域40直接力配合地保持在间隔环30与第二壳体部分26之间。

在这种情况下，弹性的成型件32的中部区域46基本上沿着整个密封唇50直接贴靠在密封唇上，而在其间没有第二密封唇。

对空腔48以高压侧18的压力通过钻孔56加载以及至密封唇50的力传递按与图1的第一实施例相同的原理起作用。但弹性的成型件32的热屏蔽由于没有第二密封唇而略低。

图3示出了按本发明的径向轴密封装置70的第三实施例的径向横截面。它的结构除了下文所述的差别外，都与按图2的第二实施例对应，其中，相同的或彼此对应的元件分别以同样的附图标记来标注。

在径向轴密封装置70中，弹性的成型件32不具有U形的横截面，而是基本上呈环形地构造，成型件32具有：外边缘区域40，该外边缘区域40相应于按前两个实施例的第二边缘区域40并且力配合地保持在间隔环30与第二壳体部分26之间；内边缘区域46，该内边缘区域46朝着高压侧18的方向向前拱曲，并且贴靠在第一密封圈34的第一密封唇50上。

可以通过钻孔56以高压侧18上的压力来加载的空腔48在径向轴密封装置70中一方面通过间隔环30限定边界，另一方面则通过相互贴靠的内边缘区域46和第一密封唇50限定边界。通过弹性的成型件32的内边缘区域46基于压力加载而至第一密封唇50上的压紧同时促成了对空腔48朝轴14方向的密封。

附图标记列表

10径向轴密封装置

12环形腔

14轴

16静置构件

18高压侧

20低压侧

22壳体

24第一壳体部分

26第二壳体部分

28卷边

30间隔环

32弹性的成型件

34第一密封圈

36第二密封圈

38第一边缘区域

40第二边缘区域

42第一端面

44第二端面

46中部区域

48空腔

50第一密封唇

52第二密封唇

54环形槽

56钻孔

60径向轴密封装置

70径向轴密封装置

Claims (17)

1.径向轴密封装置（10；60；70），用以在轴（14）和容纳所述轴（14）的静置构件（16）之间的环形腔（12）内在高压侧（18）与低压侧（20）之间进行密封，其中，所述径向轴密封装置（10；60；70）旋转对称地构造并且与所述轴（14）同轴地布置，所述径向轴密封装置（10；60；70）包括：

（ⅰ）由非弹性合成材料制成的第一密封圈（34），所述第一密封圈（34）在所述第一密封圈（34）的内周边的区域中朝所述低压侧（20）方向向前拱曲并且形成贴靠在所述轴（14）上的第一密封唇（50），

（ⅱ）间隔环（30），所述间隔环（30）关于所述第一密封圈（34）朝所述低压侧（20）方向沿轴向错开地布置，所述间隔环（30）具有面朝所述高压侧（18）的第一端面（42）和面朝所述低压侧（20）的第二端面（44），以及

（ⅲ）弹性的成型件（32），所述弹性的成型件（32）在所述弹性的成型件（32）的外周边的区域（40）中贴靠在所述间隔环（30）的第二端面（44）上，以及在所述成型件（32）的内周边的区域（46）中朝所述高压侧（18）方向向前拱曲，并且贴靠在所述第一密封唇（50）上，

其中，在所述间隔环（30）、所述弹性的成型件（32）与必要时所述第一密封唇（50）之间形成了空腔（48），所述空腔（48）能以在所述高压侧（18）上的压力或以控制压力来加载，使得由于压力加载，所述第一密封唇（50）能通过所述弹性的成型件（32）被压紧到所述轴（14）上。

2.按权利要求1所述的径向轴密封装置（10；60），其中，所述弹性的成型件（32）具有：贴靠在所述间隔环（30）的第一端面（42）上的第一边缘区域（38）；贴靠在所述间隔环（30）的第二端面（44）上的第二边缘区域（40）；以及将两个边缘区域（38、40）连接起来的、贴靠在所述第一密封唇（50）上的中部区域（46），并且其中，在所述间隔环（30）与所述弹性的成型件（32）的中部区域（46）之间构成所述空腔（48）。

3.按权利要求2所述的径向轴密封装置（10；60），其中，所述弹性的成型件（32）的第一边缘区域（38）力配合地保持在所述第一密封圈（34）与所述间隔环（30）的第一端面（42）之间。

4.按权利要求2或3所述的径向轴密封装置（10），所述径向轴密封装置（10）还包括：由非弹性的合成材料制成的第二密封圈（36），所述第二密封圈（36）关于所述间隔环（30）朝所述低压侧（20）的方向沿轴向错开地布置，其中，所述第二密封圈（36）在所述第二密封圈（36）的内周边的区域中朝所述高压侧（18）的方向向前拱曲，并且形成了贴靠在所述第一密封圈（34）的第一密封唇（50）上的第二密封唇（52）。

5.按权利要求4所述的径向轴密封装置（10），其中，所述第一密封唇（34）和所述第二密封唇（36）沿在轴向延伸的、为至少1mm的区域叠合。

6.按权利要求4或5所述的径向轴密封装置（10），其中，所述弹性的成型件（32）的第二边缘区域（40）力配合地保持在所述第二密封圈（36）与所述间隔环的第二端面（44）之间。

7.按前述权利要求之一所述的径向轴密封装置（10；60；70），所述径向轴密封装置（10；60；70）还包括壳体（22），所述壳体（22）将所述第一密封圈（34）、所述间隔环（30）、所述弹性的成型件（32）和必要时所述第二密封圈（36）相互紧合。

8.按权利要求7所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，所述壳体（22）径向向外而且在轴向既朝向所述高压侧（18）又朝向所述低压侧（20）闭合。

9.按权利要求7或8所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，所述壳体（22）被单件式或多件式地构造。

10.按前述权利要求之一所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，为了对所述空腔（48）进行压力加载，设置有在所述高压侧（18）与所述空腔（48）之间的流体连接件。

11.按权利要求10所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，所述流体连接件包括至少一个穿过所述弹性的成型件（32）的第一边缘区域（38）、穿过所述第一密封圈（34）和穿过所述壳体（22）的钻孔（56）。

12.按权利要求10或11所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，至少一个所述钻孔（56）汇入所述间隔环（30）的环形槽（54）中，所述环形槽（54）朝着所述空腔（48）敞开。

13.按前述权利要求之一所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，非弹性的合成材料包括含氟聚合物，尤其是均聚物的聚四氟乙烯或四氟乙烯共聚物或它们的复合物。

14.按前述权利要求之一所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，一个或多个所述密封圈（34、36）具有在约0.2mm至约1.5mm范围内的厚度。

15.按前述权利要求之一所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，所述弹性的成型件（32）由弹性体形成，尤其通过平面材料的改型来形成、通过压铸或通过颗粒的烧结来形成。

16.按前述权利要求之一所述的径向轴密封装置（10；60；70），其中，所述弹性的成型件（32）具有约50μm至约200μm的厚度。

17.按前述权利要求之一所述的径向轴密封装置（10；60；70）在内燃机的废气涡轮增压器中的用途，尤其在所述废气涡轮增压器的压缩机侧上的用途。

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