CN102918289A - 密封组件及用于形成密封组件的方法 - Google Patents

Abstract

一种密封组件（52）和形成密封组件（52）的方法提供了在使用期间具有减小的应变的密封体（56），因而增加了使用寿命。该密封体（56）可以在某些参数如高度与厚度的比值和偏移距离与高度的比值的范围内形成，已经发现上述范围减少了应变。附加地或可供选择地，密封体（56）可以通过在轴向上使密封体的内段相对于密封体的外段移位而从初始构型改变成预加应变的构型，这也减少了应变。

Description

密封组件及用于形成密封组件的方法

技术领域

本发明总体上涉及在柔性接头上使用的密封组件和用于形成这类密封组件的方法。

背景技术

柔性接头在各种设备例如机械中，以便连接可以彼此相对移动的部件。一类柔性接头是球形接头，其中通过具有安装于其中的轴颈的半球形轴承将两个部件连接用于复合运动。可以在轴颈的两侧设置一对环形密封组件，以便保护接头免受碎片的影响或免受环境损坏。

当在某些应用中、例如在环境可能包括高浓度粉尘和碎屑的非公路机械上使用接头时，密封可能特别有利。例如，矿用载重卡车可以使用四联杆悬架来将后桥连接到车架上。在每个联杆的相对端处可以使用球形接头来连接到车架或桥壳上，而每个球形接头又可以使用两个密封组件来密封轴颈。因此，四联杆悬架可以包括16个密封组件，其中每个密封组件都用来承受在通常大型矿用载车卡车的运行期间所经历的潜在的大的变形，同时保护轴颈免受环境影响。

在运行期间，联杆可以枢转以便允许桥壳相对于车架移动。联杆的枢转可能引起绕每个接头的轴颈销的相对旋转运动和横向于该旋转运动的枢转运动。密封组件在横向枢转运动期间变形，这可能缩短密封组件的使用寿命。常规密封组件通常包括一对内、外挡圈，在它们之间具有沿径向延伸的弹性体密封件。这种密封构型当暴露于机械运行期间所经历的枢转运动之下时未显示出令人满意的使用寿命。

某些常规密封组件试图通过在径向上锻造密封件来减少运行期间所经历的应变量。径向锻造通常包括将密封件的外表面向内压缩以便给密封件预加应变。尽管径向锻造可以在运行期间有效地减少某些密封应变，但这种应变减少可能不足以满足密封件可能经历相当大变形的某些应用，并要求制造期间的至少一个额外步骤，且费用过高。

发明内容

按照本发明的某些方面，提供了一种用于在第一部件和第二部件之间进行密封的密封组件，该密封组件具有连结到第一部件上并限定密封组件轴线的内表面，和连结到第二部件上的外表面，该内表面限定内接触面，该外表面限定外接触面。密封体在内表面和外表面之间延伸，该密封体包括从内表面向外延伸的体部内段、从外表面向内延伸的体部外段和在体部内段与体部外段之间延伸的体部中心段，该密封体限定大致S形的横截面。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，密封体具有初始构型，在该初始构型中内接触面与外接触面间隔开一初始偏移距离I，其中该初始偏移距离I为约3mm至22mm。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，密封体限定一等于内表面和外表面之间的径向距离的高度H以及一等于体部中心段的平均厚度的厚度T，其中该密封体的高度与厚度的比值H/T为约3-9。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，高度与厚度的比值H/T为约5-8。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，密封体的厚度T为约6mm至19mm。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，偏移距离I为约5mm至16mm。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，用于在第一部件和第二部件之间进行密封的密封组件包括连结到第一部件上并限定密封组件轴线的内表面，连结到第二部件上的外表面和在内表面与外表面之间延伸的密封体，该密封体包括从内表面向外延伸的体部内段、从外表面向内延伸的体部外段以及在体部内段和体部外段之间延伸的体部中心段，该密封体限定大致S形的横街面。密封体限定一高度H，该高度等于内表面和外表面之间的径向距离，体部内段包括基准点A，该密封体具有初始构型和安装好的构型，其中体部内段在轴向上相对于体部外段偏移，以使基准点A在初始构型和安装好的构型之间位移一偏移距离O。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，密封体还具有偏移距离与高度的比值O/H，其中偏移距离与高度的比值为约0.05-0.4。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，偏移距离与高度的比值O/H为约0.1-0.3。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，偏移距离与高度的比值O/H为约0.2。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，提供一种连接接头，该连接接头具有连结到第一部件上的销—该销限定中心轴线、连结到销上并限定旋转中心的衬套和第二部件。密封组件在第一部件和第二部件之间密封并包括连结到第一部件上的内表面、连结到第二部件上的外表面和在内表面与外表面之间延伸的密封体，该密封体包括从内表面向外延伸的体部内段、从外表面向内延伸的体部外段和在体部内段与体部外段之间延伸的体部中心段，密封体限定大致S形的横截面。该密封体限定与内表面和外表面之间的径向距离相等的高度H。体部中心段限定一基本上位于体部中心段的几何中心点处的形心（质心）C，该形心C沿着与销的中心轴线相交的角度基准线L设置，该角度基准线L相对于销的中心轴线成一角度α设置。该形心C还位于距销的中心轴线径向距离Y处。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，角度α为约51°-61°。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，高度与径向距离的比值H/Y为约0.4。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，角度α为约56°。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，密封体限定一与体部中心段的平均厚度相等的厚度T，其中该厚度T为约6-19mm。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，密封体限定一与体部中心段的平均厚度相等的厚度T，其中该密封体具有约3-9的高度与厚度的比值H/T。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，提供形成用于在第一部件和第二部件之间密封的密封组件的方法，包括用弹性材料模制密封件以使其具有初始构型，该密封件具有连结到第一部件上并限定密封组件轴线的内表面、连结到第二部件的外表面、从内表面向外延伸的体部内段、从外表面向内延伸的体部外段和在体部内段与体部外段之间延伸的体部中心段。体部外段、体部内段和体部中心段具有大致S形的构型，其中在初始构型中内表面沿着密封组件轴线相对于外表面设在第一轴向位置处。该方法还包括通过使内表面在轴向上沿着密封组件轴线相对于外表面位移到第二轴位置来将密封件置于预加应变的构型，其中第二轴向位置从第一轴向位置偏离一偏移距离O。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，偏移距离O为约3-22mm。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，偏移距离O处于正轴向方向。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，偏移距离O处于负轴向方向。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，偏移距离O为约11mm。

在本发明的可以与这些方面的任何方面结合的另一方面，密封体限定一等于体部中心段的平均厚度的厚度T，其中该厚度T为约6-19mm。

附图说明

图1是包括本文所公开的密封组件的矿用载重卡车的侧视图。

图2是连结到图1的载重卡车的车架上的四联杆悬架的透视图。

图3是在图2的四联杆悬架中使用的联杆的端部的横截面侧视图，其中示出球形接头和密封组件。

图4A是处于初始构型的密封组件一部分的放大侧视图。

图4B是图4A的密封组件处于预加应变构型的放大侧视图。

具体实施方式

图1示出机械如非公路载重卡车10。该机械10可以具有任何合适的构型，并可以包括车架12和机具例如枢转式安装到车架12上的装载材料的倾斜式车身14。任选的操作者驾驶室16可以安装在车架12的前部并处于动力系统封罩如发动机罩18的上方。可以将一个或更多动力源如涡轮机、发动机、电池组、燃料电池或电容器（未示出）容纳在发动机罩18内，以便给多个车轮19提供动力，所述车轮将载重卡车支承在地面上。后桥20可以连结到车轮19上并与车轮19一起旋转，且可以用动力源驱动。

后桥20可以由悬挂在车架12上的桥壳22承载。任选地且如图2中最佳示出的，桥壳22可以通过包括4个联杆24的四联杆悬架连结到车架上。每个联杆24都包括枢转式连结到车架12上的第一端和枢转式连结到桥壳22上的第二端。该四联杆悬架允许后桥20相对于车架12垂直地和旋转式移动（及有限量的侧向运动），而减小在机械的运行期间可以传送到车架12的弯曲应力和扭应力的量。

例如在一种连结方法中，可以将机械联杆如球形接头连结到每个联杆24的每个端部上。设置在联杆24的一端上的球形接头可以将该联杆24接合到车架12上，而设置在联杆24的另一相对端上的球形接头可以将联杆24接合到桥壳上。如图3中最佳示出的，球形接头26可以包括销28，该销28在形成于车架12或桥壳22中的一对侧向托架30（为清楚起见，在图3中用虚线示出）之间延伸并由所述侧向托架30承载。接头26还包括具有外座圈34和内滚珠36的球面轴承组件32。座圈34和滚珠36分别具有配合球面轴承表面38、40，它们具有用标号42表示的公用回转中心。座圈34可以是对开式或两部件式结构，以使有利于滚珠36的安装。座圈34安装在联杆24内所形成的孔洞44中。座圈34可以用任何常规手段如一对安装在其每侧上的开口环46保持在该孔洞44内。

滚珠36具有内柱形支承表面48，该柱形支承表面容纳所述销并且可旋转和可往复式安装联杆24，以用于围绕销28的中心轴线50进行旋转运动并沿着该中心轴线50进行非常有限的轴向运动。旋转运动也可以在配对的球形表面38、40之间发生，然而所述球形表面通常提供联杆24相对于托架30绕表面的中心42的枢转运动。

设有一对环形密封组件52以用于密封接头26内的润滑剂。每个密封组件52都安装在联杆24和销28之间并处于球面轴承组件32的两侧之一上，以便在其运行期间持续地密封接头26。如图3中最佳示出的，每个密封组件52都包括外安装环54、体部56和内安装环58。整个体部56可以具有坚韧、耐磨、弹性材料的整体构型。例如，体部56可以用合适的弹性体例如氯丁橡胶、聚氨酯、腈或天然橡胶形成。外、内安装环54、58可以由钢构成。

发明人已经发现，该密封组件构型和用于形成密封组件的方法在使用期间显著减少了密封体56中的应变，因而增加了使用寿命。图4A和4B提供了密封体56的上半部的放大剖视图。密封体56包括大致柱形的内表面70，该内表面围绕密封组件轴线72延伸并连结到内安装环58上（图3）。密封体56还包括连结到外安装环54上的大致柱形的外表面74。内表面70包括内接触面71，外表面74包括外接触面75。内、外接触面71、75构造成当安装时与球形接头26的部分接合。环形体内段76从内表面70向外延伸，环形体外段78从外表面74向内延伸。体部中心段80在体部内段76和体部外段78之间延伸。密封体56总体具有“S”形构型。

S形密封体56可以具有初始构型，该初始构型使之能在运行期间减少应变，而仍然足够保护和密封球形接头26免受碎片影响。基于试验和分析，发明人已经发现，密封体56可以模制成初始构型，其中内接触面71与外接触面75间隔开一初始偏移距离“I”。建模和分析表明，初始偏移距离“I”可以为约3-22mm。该初始偏移距离“I”可以沿任一轴向方向。也就是说，初始偏移距离“I”可以在负轴向方向上（如图4B中所示向右）或在正轴向方向上（如图4B中所示向左）。图4A中所示的密封体56具有处于负轴向方向的初始偏移距离“I”。除了上述初始偏移距离“I”的范围之外，初始偏移距离“I”可以是约5-16mm。更近一步，初始偏移距离“I”可以是约11mm。

附加地或替代性地，处于初始构型的密封体56可以具有一密封厚度，该密封厚度的大小与密封横截面高度成比例以便减小应变而保持足够的密封。如图3中最佳示出的，密封高度“H”是内表面70和外表面74之间的径向距离。因此，高度“H”是密封体56在部件之间延伸横过的跨度。图3还示出密封体56的腹部厚度“T”。腹部厚度“T”基本上等于体部中心段80的平均厚度。发明人已发现，高度与厚度的比值H/T约为3-9的密封体可提供足够的灵活性以便允许球形接头26运动而同时保护接头免受碎片影响并减小密封体56内的应变。在某些实施例中，高度与厚度的比值H/T为约5-8。

附加地或替代性地，S形密封体56可以通过将它从初始构型修改成在运行期间进一步减轻应变的安装构型来预加应变。在图4A中，密封体56示出为处于初始构型，该初始构型可以是密封体56初始形成或模制的形状。在示例性实施例的初始构型中，内表面70相对于外表面74沿着密封组件轴线72设在第一轴向位置处。然后可以将密封体56置于图4B中所示的预加应变构型。在示例性的预加应变构型中，内表面70在轴向上相对于外表面74向左移动，如通过将基准点A的初始位置P1（图4A）与基准点A的偏移位置P2（图4B）进行比较可以很容易明白的。位置P1和P2之间的轴向距离限定偏移距离“O”。如图4B中的箭头所示，如图所示的内表面70的向左运动是正位移，而向右运动是负位移。密封体高度H与偏移距离O的比值可以选择以便减少密封体56中的应变。更准确地说，在某些实施例中，高度与偏移距离的比值H/O可以为约0.05-0.4。在另一些实施例中，高度与偏移距离的比值H/O可以为约0.1-0.3。在又一些实施例中，高度与偏移距离的比例H/O为约0.2。偏移距离O可以是在正轴向方向上（图4B中向左）或在负轴向方向上（图4B中向右）。

在装配接头26期间，可以将密封体56置于预加应变构型中。更准确地说，在密封体56处于初始构型且附接外、内安装环54、58的情况下，可以使内安装环58侧向移动直至它接合内表面止挡件如滚珠36的侧部。然后可以使外环54滑动成与外表面止挡件如在联杆24中形成的沉孔45（图3）接合。沉孔45可以加工成一定尺寸以便于与外环54压配合。

发明人还确定了在运行期间产生具有较少应变的S形密封体56的另一种关系。这种关系利用密封体56相对于滚珠中心42的相对位置和密封体56的高度H。为了确认密封体56相对于滚珠中心42的位置，在图3中提供有角度基准线“L”，该角度基准线从滚珠中心42延伸到基本上位于密封体中心段80的几何中心点处的形心“C”。该角度基准线L与穿过中心42延伸的中心轴线50形成角度α，该角度大致指示密封体56相对于中心42的位置。此外，将密封体56的径向距离“Y”定义为从中心轴线50到形心C的径向距离。按照某些实施例，发明人发现，角度α应为约51°至61°，高度与径向距离的比值H/Y应为约0.4。在另一实施例中，角度α可以是约56°，而将高度与径向距离的比值H/Y保持为约0.4。此外，密封体56的厚度T也可选择成使高度与厚度的比值H/T为约5至8，如上所述。

工业适用性

一般地，上面所公开的密封组件可以用来保护活动接头。活动接头可以用来连接各自不同类型的设备和/或机械上所用的部件。例如，密封组件可以用来保护非公路载重卡车的球形接头。此处所公开的密封组件可以提供在运行期间延长的使用寿命。

下面提供适合于大型载重卡车应用的示例性实施例的详细情况。示例性密封体可以在正或负的轴向方向上具有约56mm的高度H，约6-19mm的厚度T和约3-22mm的偏移距离O。此外，密封体可以相对于滚珠中心定位成具有约56°的角度α和约130mm的径向距离Y。因此，示例性的密封体落入上述高度与厚度的比值H/T、偏离距离与高度的比值O/H和高度与径向距离的比值及角度α的范围内。

对上述一些示例性的大型载重卡车密封体进行了有限元分析（FEA）。根据分析，具有上述规格的大型载重卡车密封体证明足够的灵活性、足以保护免受碎片影响并且在运行期间减少应变。

此外，针对具有约56mm的高度H的密封体分析了不同的偏移距离O。FEA表明，轴向位移在密封体中产生预应变，该预应变更好的抵消运行期间所遇到的应变，因而降低了密封体中产生的应力水平。分析表明，在提供有利的预应变的两个轴向方向上的轴向位移为约3-22mm。

用变动的偏移距离O分析具有多个不同厚度T的密封体。更准确地说，在任意轴向方向上偏移距离在约3-22mm的范围内之下分析了具有从6mm到19mm的厚度T的密封体。令人惊奇地确定，对于每个给定的厚度T，应变通过大致相同的偏移距离O减至最小。根据分析，约3-22mm的偏移距离O是有利的。在另一些实施例中，约5-16mm的偏移距离O是有利的。更进一步，约11mm的偏移距离O对每个厚度T都提供有利的应变减小。而且，一般发现应变随着厚度T减小而降低。在大型载重卡车应用中，已确定，约10-15mm的厚度T提供足够的应变减小，而保持足够的厚充以保护免受在典型的越野条件下遇到的碎片的影响。

在FEA期间，针对两个极端的密封体条件估算应变。更准确地说，在其中分别将外表面旋转高于水平面约6°以及将外表面旋转低于水平面约6°的正、负倾斜条件下分析密封体的模型。然后确定和分析密封体中产生的应变。

Claims (15)

1.一种连接接头（26），包括：

连结到第一部件上的销（28），该销（28）限定中心轴线（50）；

连结到该销（28）上并限定旋转中心的衬套；

第二部件；

用于在第一部件和第二部件之间密封的密封组件（52），该密封组件（52）包括：

连结到第一部件上的内表面（70）；

连结到第二部件上的外表面（74）；

在内表面（70）和外表面（74）之间延伸的密封体（56），该密封体（56）包括从内表面（70）向外延伸的体部内段（76）、从外表面（74）向内延伸的体部外段（78）以及在体部内段（76）和体部外段（78）之间延伸的体部中心段（80），该密封体（56）限定整体为S形的横截面；

该密封体（56）限定一高度H，该高度等于该内表面（70）和该外表面（74）之间的径向距离；

该体部中心段（80）限定一基本上位于体部中心段（80）的几何中心点处的形心C，该形心C沿着与销（28）的中心轴线（50）相交的角度基准线L设置，该角度基准线L相对于该销（28）的中心轴线（50）以角度α设置；和

该形心C还位于与销（28）的中心轴线（50）相距径向距离Y处；

其中，角度α为约51°-61°，高度与径向距离的比值H/Y为约0.4。

2.如权利要求1所述的连接接头（26），其中，角度α为约56°。

3.如权利要求1所述的连接接头（26），其中，该密封体（56）限定一厚度T，该厚度T等于体部中心段（80）的平均厚度，其中该厚度T为约6-19mm。

4.如权利要求1所述的连接接头（26），其中，该密封体（56）限定一厚度T，该厚度T等于体部中心段（80）的平均厚度，其中该密封体（56）具有约为3-9的高度与厚度的比值H/T。

5.用于在第一部件和第二部件之间密封的密封组件（52），包括：

连结到第一部件上并限定密封组件轴线（72）的内表面（70）；

连结到第二部件上的外表面（74）；

在内表面（70）和外表面（74）之间延伸的密封体（56），该密封体（56）包括从内表面（70）向外延伸的体部内段（76）、从外表面（74）向内延伸的体部外段（78）和在该体部内段（76）与该体部外段（78）之间延伸的体部中心段（80），该密封体（56）限定整体为S形的横截面；

该密封体（56）限定一高度H，该高度H等于内表面（70）和外表面（74）之间的径向距离；

该体部内段（76）包括基准点A；

该密封体（56）具有初始构型和安装后的构型，其中，该体部内段（76）在轴向上相对于体部外段（78）偏移，以使基准点A在初始构型和安装后的构型之间移动一偏移距离O；和

该密封体（56）具有偏移距离与高度的比值O/H，其中，该偏移距离与高度的比值O/H为0.05-0.4。

6.如权利要求5所述的密封组件（52），其中，偏移距离与高度的比值O/H为约0.1-0.3。

7.如权利要求5所述的密封组件（52），其中，偏移距离与高度的比值O/H为约0.2。

8.如权利要求5所述的密封组件（52），其中，偏移距离O处于正轴向方向上。

9.如权利要求5所述的密封组件（52），其中，偏移距离O处于负轴向方向上。

10.一种形成用于在第一部件和第二部件之间密封的密封组件（52）的方法，该方法包括：

用弹性材料模制密封体（56）以使之具有初始构型，该密封体（56）包括：

连结到第一部件上并限定密封组件轴线（72）的内表面（70）；

连结到第二部件上的外表面（74）；

从内表面（70）向外延伸的体部内段（76）；

从外表面（74）向内延伸的体部外段（78）；和

在体部内段（76）和体部外段（78）之间延伸的体部中心段（80）；

其中，该体部外段（78）、体部中心段（80）和体部内段（76）具有整体为S形的构型，和

其中，在初始构型中该内表面（70）沿着密封组件轴线（72）相对于外表面（74）设置在第一轴向位置处；和

通过使内表面（70）在轴向上沿着密封组件轴线（72）相对于外表面（74）移动到第二轴向位置来将该密封体（56）置于预加应变的构型，其中该第二轴向位置从第一轴向位置偏离一偏移距离O。

11.如权利要求10所述的方法，其中，该偏移距离O为约3-22mm。

12.如权利要求10所述的方法，其中，该偏移距离O处于正轴向方向上。

13.如权利要求10所述的方法，其中，该偏移距离O处于负轴向方向上。

14.如权利要求10所述的方法，其中，该偏移距离O为约11mm。

15.如权利要求10所述的方法，其中，该密封体（56）限定一厚度T，该厚度T等于该体部中心段（80）的平均厚度，其中该厚度T为约6-19mm。

Images