CN102821989B - 一种密封系统的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种密封系统及其制造该密封系统的方法。该密封系统包括两种不同材料制成的密封唇，利用同时与所述两种不同材料形成牢固化学粘结的聚合材料将所述两种不同材料粘结在一起。此外，因该粘结仅发生在激活后，从而在激活前可进行精确的物理对齐调整。

Description

一种密封系统的装置和方法

技术领域

本发明涉及密封系统，在一些实施方式中本发明涉及具有双材料唇的密封，本发明还涉及所述两种唇材料的粘结。

背景技术

密封系统，比如唇形密封，用于汽车和工业旋转的应用中。在这些应用中，油泄漏和入侵污染应达到最小或尽可能消除。密封系统用在滚动元件轴承的应用中或用作一个独立的系统。在轻型车和卡车的应用中，该密封系统用在曲轴和传动装置以及轮毂装置上。在工业领域，密封系统用在传动装置上，或被包括在滚动元件轴承里，防止其受到污染物侵害。

传统意义上的唇形密封包括一个具有圆周形壁面的金属外壳，该壁面上粘附有由橡胶或聚合物制成的唇，该唇与旋转轴相接触。运转时，轴一般会有几度的偏差，需要通过该唇来调节或补偿。

该唇的紧紧贴牢旋转轴表面的能力对于阻止任何泄漏和污染物入侵非常关键。使该唇自如地在与轴的接触部位活动，却仍然保持一定的接触压力在其端部上，便可实现这一能力。

旋转式唇形密封对于机械零件的能量损耗和效率损失具有重要影响：对于滚动元件轴承来说，高达70%的摩擦份额是由该密封独自产生的。在汽车应用方面，据估计，CO2减少量的1-2%可能要归功于采用了更好的密封装置。

对于常用密封系统和具有特别用处的密封唇来说，依然有可以改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于公开一种密封系统，该系统允许唇在与轴接触的部位处灵活地移动，同时在端部仍然可以保持足够的接触力。

本发明的第一方面，提供了一种用在脂润滑和油润滑旋转应用中的低摩擦唇密封系统/密封唇，以防止在静态和动态工况下出现泄漏和入侵污染。优选的是，采用一种双材料唇以实现延长该密封应用的使用寿命并最大限度地减少摩擦。利用特别制作的聚合物材料实现所述唇的两种材料之间的粘合，通过紫外光（UV）、热量，和/或其它辐射使得该聚合物材料固化，正如在EP 1 900 759中所述的那样。

在优选实施方式中，优选的是，密封系统包括具有径向壁的金属外壳，该径向壁上连结有橡胶唇或聚合物唇，该唇相应地与旋转轴或其它适合的相对表面接触。运转时，轴和/或相反表面通常会存在某种程度的偏差，这需要通过所述唇进行调节或补偿。所述唇追随所述轴的表面或相反表面的能力对于阻止任何泄漏和/或污染物入侵是非常关键的。这是通过允许所述唇在与所述轴的接触部位处灵活自如地活动，同时在端部仍然保持足够的接触力来实现的。

所述唇保持与所述轴接触的能力对于材料的选择和所述唇的设计很重要，因为某种程度上的弹性或弹力是优选的。在旋转式唇密封应用中，所述唇的材料传统意义上是众多类型橡胶中的一种。在一些密封应用中，也用聚四氟乙烯（PTFE）。这种情况下，该唇被制成特别薄，而且这补偿了该材料的更高硬度。

在所述唇的端部处有摩擦和磨损，然而与为了维持在所述唇的端部处的接触力而优化的材料标准或属性相比，摩擦和磨损的减少需要不同的材料标准或属性。因此，从定义上来讲，采用单一材料的唇的密封系统的研发是折衷方案。结果就是使用单一材料的唇技术不可能使得在该端部处的接触力和摩擦减少量/耐磨性最大化。

为了克服这些限制，优选的是至少采用两种不同的材料比如材料A和材料B来制造该唇。优选的是，所述唇的主体或主要部分由材料A制成，所述唇的端部或外表面（比如接触面）由材料B制成。所选材料A可以确保所述唇具有良好的弹性且围绕所述轴的圆周有良好的接触。所选材料B可以提供低摩擦状态和良好的耐磨性。

因为在该密封系统的整个使用寿命中可以维持低摩擦接触，所以可能根据该润滑剂期望的运转温度和入侵性选择所述的两种不同材料。因此，根据本发明的另一方面，材料A和B可能取自由下列材料组成的某一组合：丙烯腈聚丁橡胶（NBR）、氢化丁腈橡胶（HNBR）、羧化丁腈橡胶（XNBR）、聚丙烯酸酯橡胶（ACM）、聚氨酯橡胶（PU）、基于偏二氟乙烯的共聚物和六氟丙烯（FKM）。通过选择合适的填充物或填充物系统和固化系统，可进一步优化这些材料的配方。

除了在旋转式唇形密封技术中作为标准选择的人造橡胶材料之外，本方法可能会使用新的材料组合，比如聚四氟乙烯（PTEF）、聚酰胺（PA）、热塑硫化橡胶（TPV）和热塑人造橡胶（TPE）。

为了在该密封的整个寿命中确保可靠及有效的粘结，优选的是使用一种有效的粘附促进剂将材料A和材料B粘结在一起。一种合适的基于聚合物更确切地说是二烯化合物的粘附促进剂的描述可参看EP 1 900 759。在本发明中，所述粘合剂由起始原料制成，该原料包括至少两个双结合物，激活所述结合物以使它们参与聚合反应，并且其中所述双结合物充分地靠拢在一起的，从而确保环化聚合反应的发生。

采用辐射源如紫外光（UV）或热辐射可触发环化聚合反应。此项技术不同于通常的紫外光（UV）固化系统，比如丙烯酸酯和异丁烯酸酯，因为在某些情况下，这些聚合物的使用会限制在最终产品中可以获得的某些属性。与丙烯酸酯和异丁烯酸酯相比，所述聚合材料相当程度上允许获得不同的属性，比如说与金属表面的附着力、低成本、易衍生和处理速度。由于这些原因，它们特别适合于诸如通常用在旋转式唇形密封中的橡胶和聚合技术。

本发明的另一方面提供了一种密封系统以及粘结该密封系统不同部件的方法。由于仅在通过诸如紫外（UV）辐射激活之后才开始粘结，所以可以避免或最小化昂贵的机械对齐调整。

已经证明了采用传统的胶水粘结密封橡胶的试验是很困难的。粘结两种不同的材料可以是极其困难的，这是因为某些粘结剂具有有限的强度，而其它粘结剂在遭遇低温时又易于弱化甚至被破坏。

本发明中所述的双材料技术能够最大限度地减少摩擦，前提是对于所述唇的（接触）表面选择一种最合适的材料，其是独立于唇的主体部分的材料的。所选材料确保运转时所述唇能够紧紧贴在相对表面上并且在该唇的端部处维持良好的接触状态。

对于所述接触面来说选择低摩擦材料可降低运转时所述唇的温度，并确保所述密封系统的寿命更长。

在粘附促进剂的作用下，在用于接触面（唇端部）的材料和用于唇的主体的材料之间可以获得强力粘结，其中，粘附力促进剂采用EP 1 900 759中描述的聚合材料。

诸如在EP 1 900 759中所述的聚合材料的使用使得该唇及其接触面的材料组合的范围变宽了。对于橡胶密封材料来说，此项技术也使得对于所要使用的表面和唇来说可采用不同的固化系统。对于聚四氟乙烯（PTEF）密封来说，这样的技术勿需预处理该表面和等离子腐蚀。

根据本发明的教导粘结的不同的唇材料可能以任何一种期望的方式而结合在一起。

附图说明

下面，参照附图详细解释本发明。

图1示出根据本发明教导的代表性的密封系统。

具体实施方式

根据下面优选实施方式的一种密封系统可以没有限制地应用在汽车和工业旋转应用中，在这些应用中要求低摩擦，油泄漏和入侵污染应尽可能达到最小或消除。这样的密封系统可用于滚动元件轴承应用中或用作一个独立的系统。在轻型车和卡车的应用中，该密封系统可用在曲轴和传动装置以及轮毂装置上。在工业领域，与单一材料制成的密封唇相比，本发明的双材料密封系统可用在传动装置上或被包括在滚动元件轴承中，以防止其受到污染物侵害，并将润滑剂留在轴承里以及减少摩擦，而且本发明的双材料密封系统也可以优选地用在条件恶劣的环境中。

下面结合图1描述典型的实施例。

图1示出根据本教导的密封系统100的当前优选应用。该密封系统包括具有径向壁的金属外壳110，在该径向壁上连结有由橡胶或聚合物制成的唇120、125，并且使用过程中其与旋转轴或相对表面130相接触。运转时，轴或反作用面130一般会有某种程度的偏差，这需要由该唇来调节或补偿。该唇跟随所述旋转轴的表面的能力对于阻止任何泄漏和污染物入侵是非常关键的。这是通过允许该唇在与所轴的接触部位处易于活动，同时仍然在端部125上保持一定的接触压力来实现的。

该唇保持与所述轴接触的能力对于所述材料的选择和所述唇的设计通常是重要的。在旋转式唇形密封应用中，该唇的材料通常是不同类型的橡胶。

所述唇的端部会有摩擦和磨损，然而，二者的减少需要不同的材料标准，不同于为了维持接触压力而优化的标准。因此，从定义上来讲，由单一唇材料组成的密封系统的使用是一种折衷。结果就是使用单一材料的唇技术不可能使得摩擦减少量和耐磨性达到最大。

为了克服这些限制，优选的是，唇至少包括两种材料A和B。该唇的主体120或主要部分由材料A制成，该唇的端部125或外表面（接触面）由材料B制成。所选材料A可以确保该唇的良好弹性和围绕所述轴的圆周的良好接触状态。材料B被选择成当与相对表面130滑动接触时提供较低的摩擦系数并且提供良好的耐磨性。

主体材料与表面材料：因为在该密封系统的整个使用寿命中可优选地维持低摩擦接触，所以根据该润滑剂期望的运转温度和入侵性优选地选择所述两种不同材料（A和B）。因此，材料A和B可分别从下列材料中选取：丙烯腈聚丁橡胶（NBR）、氢化丁腈橡胶（HNBR）、羧化丁腈橡胶（XNBR）、聚丙烯酸酯橡胶（ACM）、聚氨酯橡胶（PU）、基于偏二氟乙烯的共聚物和六氟丙烯（FKM）。通过选择合适的一种或多种填充物或者另外的添加剂以及固化系统，可进一步优化这些材料的配方。

除了在旋转式唇形密封技术中作为标准选择的人造橡胶材料之外，本教导也包括使用新的材料组合，比如聚四氟乙烯（PTEF）、聚酰胺（PA）、热塑硫化橡胶（TPV）和热塑人造橡胶（TPE）的一种或多种。

在根据本教导的密封中使用聚四氟乙烯（PTEF）作为材料B时，没有必要将唇部分做得极其薄。相反的，对于摩擦和磨损可以对形状和厚度进行优化，即使使用该材料的较高硬度。

实例（数量以克计算）

（1）丙烯腈-丁二烯密封

170°C加压硫化10分钟

（2）氟橡胶密封

在170°C加压硫化10分钟

二次硫化8小时+16小时在230°C

（3）丙烯酸酯密封

粘结该两种材料：为了获得长使用寿命，尤其是在非常恶劣的环境下，材料A和材料B之间的良好粘结对该密封系统的成功运转是必不可少的。橡胶与其它材料交联耦合发生硫化时，它们的自然粘结还是不充分的。除此之外，当聚四氟乙烯（PTEF）、聚酰胺（PA）、热塑硫化橡胶（TPV）和热塑人造橡胶（TPE）被选择用作材料A和B时，这种方法是不能使用的。

为了确保该密封系统在其整个使用寿命中的有效粘结，一种如EP 1900 759中所述的基于聚合材料的粘附促进剂用于将材料A和材料B粘结在一起。

如EP 1 900 759中所述，通过增加特定的化学功能，可制作出该两个粘结物之间的聚合材料，该功能可促进与特定基板的反应和耦合。因此，可增加该聚合材料的第一化学功能用以产生与材料A的化学粘结，而用同样的方法增加第二化学功能用以产生与材料B的化学粘结。通过这种方式，在材料A表面和材料B表面之间形成强力和永久结合。这些技术的运用允许强力结合应用在所述表面之间并且对于该密封系统来说允许使用多种材料的组合。

采用辐射源如紫外光（UV）或热辐射可触发环化聚合反应。此项技术不同于通常的紫外光（UV）固化系统，比如丙烯酸酯和异丁烯酸酯，因为在某些情况下，这些聚合物的使用会限制在最终产品中可以获得的某些属性。与丙烯酸酯和异丁烯酸酯相比，显著的是所述技术允许获得不同的属性，比如说与金属表面的附着力、低成本、易衍生和处理速度。由于这些原因，它们特别适合于比如通常用在旋转式唇形密封中的橡胶和聚合技术。

总之，优选的是，密封唇包括两种不同的材料，它们通过聚合材料而被粘在一起，所述聚合材料与该两种材料同时形成牢固的化学粘结。此外，因该粘结或粘合仅发生在激活后，从而在激活前可进行精确的物理位置对齐调整。

EP 1 900 759及其对应的US 6,559,261中的内容以引用的方式全部并入本文中。需要明确指出的是，EP 1 900 759中[0007]段提到的粘性混合物和[0013]段提到的光引发剂（photoinitiators）以引用的方式并入本文中，其文本与US 6,559,261中的第1栏、第53行至第2栏、第38行和第3栏、第18行至第4栏、第10行对应。

本发明不受上述实施方式限制，可在所属权利要求的范围内有所变化。

附图标记列表：

图1显示的是本发明具有代表性的应用：

100密封系统，唇形密封

110金属外壳

120唇的主体

125唇的端部

130相对表面，比如轴或支承部件

Claims (6)

1.一种密封系统，包括唇，其特征在于，该唇包括两种具有不同属性的材料，所述两种材料通过聚合剂粘结在一起，该聚合剂包括多种化学粘结剂，至少一种化学粘结剂对应每种材料，

在激活时所述多种粘结剂会参与聚合反应并形成充分地粘结在一起的多种化学粘结，从而确保环化聚合反应的发生，其特征还在于所述激活是由紫外光(UV)或热辐射触发的。

2.一种粘结密封系统的唇的第一材料和第二材料的方法，所述第一材料包括第一表面，所述第二材料包括第二表面，其特征在于，该方法包括下列步骤：

-将聚合剂施加至待粘结的一个或两个表面上，

-机械调整待粘结的第一和第二表面；

-通过紫外光(UV)或热辐射激活环化聚合反应。

3.一种密封，其包括：

通过聚合剂将第一材料与第二材料进行粘结，所述第一材料和第二材料具有不同的属性，对所述聚合剂进行环化聚合反应。

4.如权利要求3所述的密封，其中，所述第一材料构成该密封的主要部分，所述第二材料构成该密封的接触表面。

5.一种制作密封的方法，其包括：

-将聚合剂至少施加到第一材料和第二材料的至少其中一个表面上，

-机械调整待粘结的第一材料和第二材料；

-至少采用紫外光(UV)或热辐射之一作用于聚合剂从而激活环化聚合反应。

6.如权利要求5中所述的方法，其中，所述聚合剂至少包括一个二烯功能群组。