CN103732955A - 一种具有增强弹性的密封元件的流体动压式密封 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包括具有外部(36)和内部(38)的PTFE密封部件(34)的流体动压式轴封总成。该外部附着于一环形载体(16)。该内部是自由的并且包括至少一个与旋转轴或承磨衬套直接运行接触的流体动压式凹槽(42)。在该内部和外部之间形成了一密封部件的中间部(40)。该中间部变薄并且包括一个或更多环形波形(44)，该波形在那里形成以提高内部相对于外部的弹性。该密封总成可包括一个或多个排除器特征。橡胶外壳围绕着载体的一部分模塑。优选地，一个或多个环形波形(44)在橡胶模塑过程中用压印操作形成。

Description

一种具有增强弹性的密封元件的流体动压式密封

技术领域

本发明大致涉及一种流体动压式密封，更具体地涉及一种具有改进的弹性的密封元件的形成。

背景技术

流体动压式密封常用作外壳和旋转轴之间的交界面，它穿过外壳延伸以容纳油、水或其它流体并防渗漏。这些类型的密封有时也称为径向轴封。流体动压式密封常见的应用包括发动机曲轴，传动轴，和各种各样的工业应用。

流体动压式密封典型地包括一与旋转轴直接接触的弹性体部件。在一些径向轴封的种类中，这个弹性体部件是用聚四氟乙烯（PTFE）类材料制造。当然，也可能存在其他合适的可选材料。尽管旋转轴和密封的载体结构之间不同心，该PTFE弹性体密封部件被设计成在使用中变形以便增强该密封与旋转轴保持连续、密切接触的可能性。

本领域中存在具有PTFE密封部件的流体动压式密封的许多示例。例如，2001年1月2号授权的Toth等的第6,168,164号美国专利描述了一种具有PTFE元件的包括特别成形的流体动压式凹槽的流体动压式密封。第6,168,164号美国专利的整体内容通过引用合并于此并且以此为依据。现有技术中的流体动压式密封的另一个示例可见于2006年9月5号授权的Toth等的第7,100,924号美国专利。第7,100,924号美国专利的整体内容通过引用合并于此并且以此为依据。该第7,100,924号专利描述了一种PTFE流体动压式密封元件，在一个实施例中，该流体动压式密封元件包括用于增强的密封元件的弹性的一体形成的活动的铰链部分。该引用描述了这些应用中长期以来对密封弹性的需要。第6,336,638号美国专利中示出了一个进一步的示例，该专利中连续的敞开的凹槽的螺旋被压印入普通厚度的中间部分和内部区域密封部件中。

虽然在上述记述的至少一些专利中示出的流体动压式密封构造取得了商业成功，仍然具有持续的需要去提高密封构造以便它的功能更有效率。待提高的特别关心的三个领域涉及密封元件的弹性，污物排除以及漏气试验。在流体动压式密封的一些应用中，例如在发动机曲轴应用中，新组装的发动机是采用空气压力作为质量控制措施检漏的。尽管根据现有技术设计（像以上所述的那些）的流体动压式密封在使用中功能完善，它们并不总是很好的适应了那些较新的检漏的方法，在该方法中发动机组是用空气加压的。一些现有技术流体动压式密封的巨大的敞开凹槽并不是很好的适应那些较新的检漏方法。该密封部件的巨大的敞开的凹槽已被认定为能引起检漏失败。据此，有需要提供一种改进的流体动压式密封，该流体动压式密封在正常操作中功能良好，并且也适用于在发动机组中保持压缩空气，例如，在检漏程序中。而且，具有连续的巨大的敞开的凹槽螺旋（像第6,336,638号美国专利中所示）的密封元件有一个问题，即外部的污垢和灰尘在轴处的密封唇交界面下方被吸入，使得污垢进入油腔并且磨损（wear）轴。

发明内容

本发明提供了一种围绕旋转轴以约束流体从密封的一侧移动到另一侧的流体动压式轴封总成。该总成包含一大致环形的载体和一安装于该载体上的环形密封部件。该密封部件在自由状态下从该载体径向向内延伸。该密封部件具有邻近该载体的外部，和内部，以及位于该内部和外部之间的中间部。该外部可通过中间的橡胶层与该载体结合或直接与该载体接触用以在载体处固定地锚固该密封。该密封部件的内部形成动态的密封表面用以直接在面面接触下配合旋转轴。该密封表面具有邻近该密封部件的中间部的至少一个小的，优选为封闭的流体动压式凹槽。该密封部件包括至少一个在其中间部内形成的环形波形并且配置为相对径向向外的部分增加该密封部件的弹性。

在密封部件的中间部形成的环形波形在该元件的中间区域提供了改进的弹性，从而提高了它的密封效率，而无须将其延伸入接触轴的密封部件的内部区域。因此，对外部存在的污垢或灰尘的吸入效应被最小化。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造流体动压式轴封总成的方法。步骤包括成形一大致环形的载体以及形成一环形密封部件。该密封部件包括一具有厚度的外部，一具有厚度的内部，以及一位于该内部和该外部之间的中间部。该形成步骤进一步包括在密封部件的内部切割一螺旋的流体动压式凹槽。该密封部件的外部安装于该载体中。该形成步骤还包括在机械操作中将该中间部变薄至小于该内部和该外部的各厚度，并且进而在中间部压印至少一个环形波形以增加该密封部件的弹性。

附图说明

结合以下详细的说明和附图，本发明的这些和其他特征以及优点将更易于理解，其中：

图1是根据本发明的支撑于外壳中并且包括流体动压式轴封的旋转轴的示意图；

图2是根据本发明的流体动压式密封的示意图；

图3是大致沿着图2的线3-3的剖面图；

图4是类似图3的剖面图，但是示出了一可选的实施例，其中排除器部件包括一毡制品元件或一泡沫制品元件；

图5是根据本发明第一个可选实施例并且示为形成于轴上的流体动压式密封的剖面图；

图6是根据本发明第二个可选实施例的部分成形的密封元件的放大的剖面图；

图7是设置为与旋转轴一起操作并且引入图6的第二个可选密封元件的流体动压式轴封的剖面图，但是示出的是完全成形的密封元件；

图8是根据第三个可选实施例的流体动压式轴封总成的一部分的剖面图，该实施例描绘了与可选的承磨衬套直接接触并且与金属载体的内面结合的主PTFE元件；

图9是示出了本发明第四个可选实施例的剖面图；以及

图10是本发明的第五个可选实施例的剖面图。

具体实施方式

参阅附图，其中类似的数字表示贯穿于多幅附图中类似或相应的部分，根据本发明的一个实施例的流体动压式轴封在图1-3中大致用数字10表示。在图1中，该轴封总成10示为安装于一典型的外壳12中，比如，可包含发动机曲轴，传动装置，或者其他机械部件。旋转轴14穿过该外壳12以及轴封总成10的中心。该流体动压式轴封10的目的是约束流体的迁移，比如油，油脂，水或者从密封10的一侧到另一侧的类似物。以此方式，轴封10可有效包含位于外壳12内的润滑油，同时排除灰尘和其它碎屑使其不能进入外壳12。

图2示出了作为大致环形元件的密封总成10。图3是大致沿着图2中的线3-3的该密封总成10的剖面图。具体地参阅图3，该密封总成10示为包括一大致环形的载体16，在一个实施例中该载体由刚性的、金属材料制成，比如钢铁。该载体16包括一环形外壁18和一环形内壁20。该内壁20与外壁18同心设置。两个壁18，20通过一环形桥部分22连接在一起。如图10所示，该内壁和外壁可被调整为以下所述的单壁特征。该载体16可进一步包括一从该内壁20径向向内延伸的环形凸缘24。

该载体16优选地被包覆入一围绕外壁18的大部分延伸并且填满了内壁20和外壁18之间空间的橡胶外壳26中。该橡胶外壳26也可大体完全包覆该凸缘24。橡胶与金属的结合（在本案例中结合外壳26与载体16）是通过在模塑工艺中将橡胶机械地且/或化学地固定于金属载体16上的过程。在该过程中，在该载体16适当地去除油污并且涂覆任何必须的粘合剂后，该金属载体16被插入一铸模腔中并且使用型心撑销（未示）从其悬垂以使得橡胶围绕金属部分流动。孔洞28出现在型心撑销在模塑过程中被使用的地方。该密封总成10优选地包括一从该载体16径向向内延伸的排除器部件。在该实施例中，该排除器部件包含一对悬臂式的橡胶唇30，32，该橡胶唇由形成外壳26的相同的橡胶一体成型。这些排除器唇30，32有助于阻止灰尘和其他污染物穿过外壳12从而可能污染密封总成10另一侧的润滑油或者其他液体。该排除器特征30，32优选地，尽管非必要地，接近该载体16的凸缘24并且通过该载体16的凸缘24支撑。摩擦增强的肋条29可选择地形成于围绕外壁18的最外边的外壳26的部分以增加与外壳12的抓持。

图4示出了图3所示的密封总成10的轻微变型，其中，一个排除器唇30被替换为毡或泡沫类型排除器部件30’。在具有更高防尘要求的应用中，这一点是可预期的。

该轴封总成10进一步包括一大致用34表示的环形密封部件。在优选的实施例中，该密封部件34是由聚合物材料制作的板或者薄片的形式，优选地采用可从管坯切割的聚四氟乙烯（PTFE）化合物。薄片材料中可添加填充剂以特定地使密封适应它的预期用途。合适的填充剂材料可包括玻璃纤维，二硫化钼，石墨以及青铜。密封部件34的其他组成可根据应用而选择。

如图2和图3所示，该环形密封部件34在自由状态下可从载体16径向向内延伸。该密封部件34的外部36邻近该载体。该密封部件34的内部38占据了该密封部件34径向最里面的区域并且适合于与旋转轴14面面接触。该密封部件34的中间部40位于该内部38和该外部36之间。如图3最优所示，该外部36通过与橡胶外壳26结合直接锚固于该载体16。然而，非结合的布置对于本领域的技术人员来说也是可以理解的，其中该密封部件34与该载体16机械夹紧。

内部38包括至少一个流体动压式辅助工具（hydrodynamic aid）以引导油或其它内含的液体至所需的方向。该流体动压式辅助工具优选为封闭类型，由切割为螺旋样式的类似于以上引用的第6,168,164和7,100,924号美国专利所述的凹槽或孔道42代表。该流体动压式凹槽42终止于密封部件34的中间部40附近。

该密封部件34的中间部40优选地通过机械操作变薄使得它产生的厚度小于内部38和外部36的厚度。换句话说，当该薄片初始从如上所述的PTFE材料坯体切割时，凹槽通过机器加工于该坯体的中间部40的面上以通过切割工具的使用产生减小的厚度。在此之后，至少一个环形波形44形成于变薄的中间部分40以便增加弹性并且减少该密封部件34的弯曲力，尤其是该内部38相对于该外部36的弯曲。当指定多个波形时，它们彼此同中心的设置。一个或更多的波形44优选地在橡胶模塑过程中通过压模操作形成，但是其它制造技术也可用于生成这类特有的特征。该一个或更多的环形波形44，与它的变薄的部分结合，创造了具有相应地改进的密封能力的高弹性的该密封部件34的中间部40，包括在密封和轴之间需要减少轴载荷的应用中。包括结合的机械制造的以及压印的中间部40的密封部件34还以改进的方式增加了该密封总成10响应轴14动态跳动以及静态孔轴未对准条件的能力。当密封部件34认为活块（loose-state）状态时，或者该密封元件34连结到外壳16上时，或者在随后的操作中，均可形成该压印的波形44。

如图3所示，该至少一个波形44包括一凸起的变形和密封部件34相对一侧的互补的凹陷变形。在示出的实施例中，当仅采用一个波形44时，该凸起的变形和该流体动压式凹槽42位于密封部件的同侧以提高弯曲能力。

图5示出了本发明的第一个可选实施例，其中类似或相应的部分通过增加100的类似附图标记进行标示。在该示例中，密封部件134包括在中间部分140的多个同心的环形波形144。该实施例中另一个变化可见于该密封部件134相对于载体116的连接配置。在该示例中，密封部件134采用相对于载体116充当铰链的弹性体146的一部分连接。该弹性体146的部分是橡胶外壳126一体成型的一部分。进一步，排除器唇130在轴向与垂直面（图中未示出）接触。

图6和图7中示出了第二个可选实施例，其中类似的或相应的部分通过增加200的类似附图标记进行标示。除了此处的密封部件234形成有一体的防尘片（dust flap）248以外，该密封总成210的第二个可选实施例类似于图5中所示的第一个可选实施例110。该防尘片248位于流体动压式凹槽242和中间部240之间。图6示出了中间部240变薄之后而环形波形244形成之前的中间状态的该密封部件234。

图8描绘了本发明的第三个可选实施例，其中类似的或相应的部分通过增加300的附图标记标示。在该例中示出承磨衬套350，该承磨衬套常用于轴（图中未示出）的工作面具有表面光洁度的问题时。图9示出了该密封总成的第四个可选实施例。类似的或相应的部分通过增加400的一致的附图标记标示。图8和图9中示出的实施例可以作为变化的示例彼此比较，这些变化可设计在波形344，444的位置和数量上以作为一种调节密封弹性以及与承磨衬套350，450相对位置（或者当不采用承磨衬套的情况下相对于旋转轴）的手段。后模塑的橡胶外壳326，426的接触密封部件334，434的特殊位置以及更具体地它相对于中间部340，440终止的位置可根据应用以及所需的操作性能进行变化。

图10示出了另一种，即本发明的第五个可选实施例。正如之前的示例，在该第五个实施例中类似的或相应的特征通过增加500的类似附图标记进行标示。此处，载体壁被调整为单一的环形外壁518因此省略了之前描述的内壁和桥的特征。该环形凸缘524直接从外壁518延伸。该示例示出了仅一种方式，该载体构造在该方式中可不脱离本发明的精神而进行变化。本段中的该密封部件534的功能与上述示例中描述的密封部件基本相同。本领域的技术人员应该理解，不同实施例的元件和特征可以彼此混合并且调整以创造新的设计。

前述的发明根据相关法律标准已作了描述，因此该描述作为示例而非本质上的限制。根据已公开的实施例而进行的变化和修改对本领域人员而言是明显的，并且落入本发明的范围。

Claims (20)

1.一种围绕旋转轴以约束流体移动的流体动压式轴封总成，其特征在于，所述总成包括：

一大致环形的载体；

一安装于所述载体上并且在自由状态下从所述载体径向向内延伸的环形密封部件；所述密封部件具有邻近所述载体的外部，内部，以及位于所述内部和所述外部之间的中间部；所述外部与所述载体锚固；所述内部形成动态的密封表面用以直接在面面接触下配合旋转轴；所述密封表面具有至少一个终止于所述密封部件的径向中点的流体动压式凹槽；以及

所述密封部件包括在所述中间部形成的以及配置为相对于径向外部增加所述密封部件弹性的至少一个环形波形。

2.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述密封部件的所述中间部具有小于所述内部和所述外部厚度的厚度。

3.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述密封部件的所述中间部在机械操作中变薄并且所述至少一个波形在随后的压印操作中形成。

4.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述至少一个波形具有互补的凹陷和凸起变形。

5.根据权利要求4所述的轴封总成，其特征在于，所述凸起变形以及所述流体动压式凹槽位于所述密封部件的同一侧。

6.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述至少一个波形包含多个同心设置的环形波形。

7.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述流体动压式凹槽是通过螺旋形地切割所述密封表面而机械形成的。

8.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述密封部件由填充的PTFE材料制造。

9.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述密封部件包括位于所述流体动压式凹槽和所述至少一个波形之间的一体的防尘片。

10.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述载体由至少一种金属材料或塑料材料制造。

11.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述载体包括一环形外壁和一与所述外壁同心的环形内壁，以及连接所述外壁和所述内壁的环形桥部分。

12.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，所述载体包括一外壁和一相对于所述外壁径向向内延伸的环形凸缘。

13.根据权利要求12所述的轴封总成，其特征在于，所述载体包括覆盖所述外壁至少一部分和所述环形凸缘的橡胶外壳。

14.根据权利要求13所述的轴封总成，其特征在于，所述密封部件的所述外部与所述载体的所述橡胶外壳直接结合。

15.根据权利要求1所述的轴封总成，其特征在于，进一步包括至少一个从所述载体径向向内延伸的排除器部件。

16.根据权利要求15所述的轴封总成，其特征在于，所述排除器部件具有至少一个悬臂式的橡胶唇。

17.根据权利要求16所述的轴封总成，其特征在于，所述排除器部件包括邻近所述橡胶唇的环形非橡胶元件。

18.根据权利要求15所述的轴封总成，其特征在于，所述载体包括一环形凸缘，并且其中所述排除器部件与所述载体的所述环形凸缘直接接触。

19.一种流体动压式轴封总成，其特征在于，包括：

一载体；所述载体由刚性的、金属材料形成；所述载体具有大致环形的配置；所述载体包括一环形的外壁；所述载体包括相对于所述外部径向向内延伸的环形凸缘；所述载体包括覆盖所述外壁的至少一部分和所述环形凸缘的橡胶外壳；

从所述载体径向向内延伸的至少一个排除器部件；所述排除器部件具有至少一个悬臂式的橡胶唇；所述排除器部件与所述载体的所述环形凸缘直接接触；

安装于所述载体上并且在自由状态下从所述载体径向向内延伸的一环形PTFE密封部件；所述密封部件具有一邻近所述载体的外部，一内部，以及位于所述内部和所述外部之间的中间部；所述外部与所述载体的所述橡胶外壳直接结合配合；所述内部是弹性的以使旋转轴与该内部面面接触建立动态密封表面；所述密封表面具有至少一个切入的螺旋形的流体动压式凹槽，该流体动压式凹槽终止于所述PTFE密封部件的所述中间部附近；以及

所述PTFE密封部件包括至少一个在所述中间部内形成的压印的环形波形；所述波形具有互补的凹陷和凸起变形；所述密封部件的所述中间部的厚度小于所述内部和所述外部的厚度。

20.一种制造围绕旋转轴以约束流体迁移的流体动压式轴封总成的方法；其特征在于，所述方法包含以下步骤：

成形一大致环形的载体；

形成一环形密封部件；所述密封部件包括一具有厚度的外部，一具有厚度的内部，以及一设置于所述内部和所述外部之间的中间部；所述形成步骤包括在密封部件的内部切割一螺旋的流体动压式凹槽；

将所述密封部件的外部安装于所述载体上；以及

所述形成步骤包括在机械操作中将所述中间部变薄至小于所述内部和所述外部的各厚度，并且进而在所述中间部压印至少一个环形波形以增加所述中间部相对于所述内部和所述外部的弹性。

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