CN105697788B - 轴向轴密封部 - Google Patents
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Abstract
一种用于将轴(11)相对于壳体密封的轴向轴密封部(10)包括加强部(14)和密封元件(15)，所述密封元件(15)连接至所述加强部(14)且具有密封唇(16)，所述密封唇形成为用于密封与运动限制元件(25)之间的相互作用，所述运动限制元件连接至所述轴(11)且沿径向延伸，其中，在装配状态下，仅在所述密封唇(16)的端部(18)与径向的所述运动限制元件(25)之间存在密封接触，其特征在于，多个沟道(34；54)布置在所述密封唇(16)的面向所述运动限制元件(25)的一侧且位于所述密封唇的周边上，或者布置在所述运动限制元件(25)的运动限制面(27)上且位于所述运动限制元件的周边上，当所述轴(11)转动时，在所述沟道内逐步建立压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将轴相对于壳体密封的轴向轴密封部。
背景技术
对于更加严格的排放法规，存在对以更小摩擦来密封曲轴的轴密封部的恒定需求。同时，必须确保轴密封部相对于在操作期间出现在发动机中的真空和过压的充分稳定性；例如，在现代的汽油发动机中，在曲轴箱中能够出现显著的真空。在过去，使用在摩擦方面受到优化的径向轴密封部来密封曲轴，其中，通过具有合适的几何形状的密封唇(sealinglip)来实现压力稳定性。然而，利用径向轴密封部所能够实现的摩擦减小受到限制。
DE 102011114349A1公开了一种用于密封曲轴的机械密封部。这种机械密封部通常具有非常小的摩擦，但由相当大量的单独零件构成，需要很大的安装空间且相对昂贵。
DE 10334896A1的图5示出了一种轴向轴密封部。在该轴密封部的情况下，通过三个切向密封元件(特别地，切向防尘密封部、切向缓冲密封部和密封圈)来实现可靠密封，但是以增大摩擦为代价。
根据EP 2749796A1的轴向轴密封部也具有防尘唇，该防尘唇以密封的方式在轴向长度上支撑在夹圈(race)上，且该防尘唇确实实现了不透过灰尘的充分水平，但是又带来增大的摩擦。此外，密封元件仅针对真空具有低稳定性，因为密封唇在发动机侧真空的情况下由于其与加强部的连接附近的脆弱性而从夹圈回折，于是完全失去密封功能。
文献US 4928979公开了根据权利要求1的前序部分的轴密封部。
发明内容
本发明的目的在于提出一种通过简单产品设计能够实现减小的摩擦、充分的压力稳定性和在所有工作状态下对曲轴可靠密封的轴向轴密封部。
本发明首先基于这样的知识：在轴向密封的帮助下，通过利用离心力，能够根本上以较小摩擦实现密封。在轴向轴密封部的情况下，与常规的径向轴密封部相比，因此能够在不影响密封功能的情况下将密封唇的压力调节为较低。此外，已经知晓，在所有工作状态下相对于液体的曲轴密封能够借助于密封唇来实现，即，不需要用于相切地紧靠夹圈或轴上的其它辅助密封部。在装配状态下，仅在密封唇的端部区域与径向的运动限制面之间存在密封接触，这对根据本发明的密封效果而言完全足够。根据本发明，密封接触的减少导致轴密封部的总摩擦的减小。
由于离心力的支持，仅需要小的压力将密封唇压在运动限制元件上。
根据本发明，多个沟道布置在密封唇的面向运动限制元件的一侧且位于密封唇的周边上，或可替代地地布置在运动限制面上，当轴转动时，在沟道内逐步建立压力。沟道的功能在于积累空气，通过切向流(slipstream)，积累的空气由于运动限制元件处的阻曳流而循环流动，且由于离心力而被向外推出，以此方式，在沟道内逐步建立压力。当轴转动时，由于这样的压力累积，唇与运动限制元件的接触力减小，直至形成替代液体摩擦的气体摩擦，由此产生明显减小的摩擦。由此被增压的气体将液体推出接触区域并将它推回到壳体(发动机、齿轮箱等)中。
优选地，沟道向外变细，这支持向外流动的空气在沟道内逐步建立压力以实现气体摩擦。特别地，这能够通过合适的布置和成型来实现。这些沟道有利地布置成相对于径向方向倾斜，其中，相对于径向方向的倾斜的优选范围是45°至89°。此外，这些沟道之间的区段有利地向外变细且/或向内为圆角，以便在特别有利的实施例中在沟道之间形成翼轮廓。
合适的设计以及与加强部的连接有利地抵消由壳体中的压力波动造成的对密封元件的损害。这能够有利地通过整体上U形的密封唇来实现。优选地，密封唇具有从其自由端开始朝着轴延伸的区段和与该朝着轴延伸的区段连接且以远离轴的方式延伸的区段。已经表明，这样的设计特别是密封唇的以远离轴的方式延伸的区段抵消在壳体中的压力波动特别是真空的情况下密封唇的不受控回退。优选地，为此，以远离轴的方式延伸的区段的长度至少为朝着轴延伸的区段的长度的一半。
此外，能够设置有布置在密封元件周围的环形螺旋弹簧，环形螺旋弹簧特别提高相对于壳体中的真空的稳定性。与常规的径向轴密封部的环形螺旋弹簧(其中，弹簧在将密封唇压在运动限制面上的方向上起作用且因此与密封方向平行)相反，该环形螺旋弹簧的实质作用方向垂直于将密封唇压在运动限制面上的方向，且因此垂直于密封方向。优选地，环形螺旋弹簧能够在停止的发动机的情况下布置在密封元件的周围而未预加载荷(preloading)。仅当壳体中出现显著的真空的情况下，密封唇被沿径向向外拉动，且因此实现与环形螺旋弹簧的有效接触，环形螺旋弹簧的弹性膨胀以及与之相关的回程力抵消了密封唇沿径向向外的进一步位移。
附图说明
下面参照附图并通过优选实施例来说明本发明。其中：
图1是根据本发明的轴向轴密封部的横截面图；
图2是限制元件的接触区域的一部分的顶视图；
图3是本发明的一个实施例中的密封唇的接触区域的一部分的顶视图；
图4至图6是本发明的又一实施例中的轴向轴密封部的横截面图；且
图7至图8是本发明的替代实施例中的类似于图3或图2的视图。
具体实施方式
用于对在机动车辆的内燃发动机或齿轮箱的壳体13上的开口12中被引导的轴11(特别是曲轴)进行密封的轴向轴密封部10包括加强部14和密封元件15，其中，加强部14特别地为圆形且特别地由金属或塑料制成，且密封元件15硫化在加强部14上且由弹性体制成。密封元件15包括密封唇16、非接触式防污唇20和连接部17，其中，防污唇20位于轴密封部10的外界侧22，且密封元件15通过连接部17连接到加强部14。密封元件15有利地以单件或以单个生产步骤制造。
密封唇16形成为用于在装配状态下密封与沿径向延伸的运动限制元件25之间的相互作用，且为此有利地在轴向上主要沿朝着运动限制元件25的方向延伸。运动限制元件25与轴11稳固地连接。密封唇16包括密封部或端部18，在安装状态下，端部18在接触区域19中在轴向长度a上平坦地支撑在运动限制元件25上。在装配状态下，密封唇16以漏斗状的方式朝着待被密封的空间21鼓胀。密封唇16在唇端部18处终止，唇端部18沿径向向外以平角与转动的运动限制面27对齐。唇的端部18以圆形周边或圆形区域的形式相切地接触转动的运动限制元件25。用于使夹圈24的运动限制元件25或锥形延伸部28湿润的液体由于离心力而被向外旋离，且通过密封唇16的圆形接触而免于沿径向向内穿过液体空间21。从图1明显看出，在装配状态下，轴密封部10与用于轴11的固定结构24的单一接触是密封唇16的端部18与运动限制元件25的接触。能够通过密封唇16与常规的非接触式防污唇20的组合来实现轴11的在所有操作状态下都可靠的既防液体又防尘的密封。
由于离心力的支持，仅需要小的压力将密封唇16压在运动限制元件25上。以此方式，能够实现轴密封部10的非常小的摩擦，且该摩擦低至空气摩擦。
为确保相对于待被密封的空间21中的压力波动(特别是，相对于真空)所需要的压力稳定性，密封唇16具有合适的设计以及与加强部14的连接。详细地，密封唇16首先在装配状态下从接触区域19开始在朝着轴11的方向上延伸，直至它到达与轴11相距最短距离的点30。从点30开始，密封唇16再次以远离轴11的方式延伸。密封唇16的以远离轴11的方式延伸的区段32的长度L2有利地等于密封唇16的以朝着轴11的方式延伸的区段31的长度L1的至少50％，更优选至少60％，甚至更优选至少70％。在提高相对于待被密封的空间21中的真空所需要的稳定性方面，密封唇16的以远离轴11的方式延伸的区段32特别有效。密封唇16的两个区段31、32之间的在区段31、32的中心以及最接近轴的点30处测量的角度α在装配状态下的有利范围是40°至100°，优选40°至80°，更优选40°至70°。从图1明显看出，密封唇16优选在整体上为U形。
在示出的实施例中，运动限制元件25有利地由夹圈24形成，夹圈24与轴向管路部26一起卷绕在轴11上。可替代地，运动限制元件25能够由本身作为径向法兰的轴11形成。与不可移动的连接部17相反，密封唇16是密封元件15的自由或可移动部件。
运动限制元件25或运动限制面27有利地配备在具有图2所示的传送螺旋沟槽29的唇接触区域19，传送螺旋沟槽29支持返回到液体室21的传送效果。可替代地，运动限制面27能够被设计为不具有这样的结构。
在根据图3的实施例中，密封唇16在接触区域19内具有位于密封唇16周边的多个凸起33，凸起33在密封唇16的表面上突出或突起。因此，在凸起33之间形成沟道34，这些沟道34具有径向分量。在轴11转动的情况下，空气35在运动限制元件25上沿径向向外被旋离(见图1)且因此被推入沟道34中(见图3)，由此逐步建立压力，该压力使密封唇16紧靠运动限制元件25的接触力减小，直至形成代替液体摩擦的气体摩擦。以此方式，能够实现轴密封部10明显的摩擦减小。凸起33有利地等角距离地分布在密封唇16的周边上。凸起33之间的角分度优选等于至多10°，更优选至多5°，例如2°。相应地，凸起33的数量有利地等于至少36个，优选至少72个，例如180个。
从图3明显看出，凸起33按照沟道34向外变细的方式形成。由于这样的特征，能够实现在沟道34内逐步建立的压力。
同理，凸起33和/或沟道34有利地相对于各自半径倾斜，即，有利地除了径向分量以外还具有非径向分量。由于非径向分量，沟道34与纯粹径向的沟道相比能够有利地大幅变长。参见图3，倾斜的角度β的有利范围是45°至89°。凸起33和/或沟道34的非径向分量因此有利地大于径向分量。
凸起33的最大高度优选范围为0.01至0.1mm，更优选0.02至0.06mm，更优选0.03至0.05mm。凸起33的高度能够优选沿径向向外降低，使得沟道34的高度也优选沿径向向外降低。由于这样的特征，也同样能够实现在沟道34内逐步建立的压力。凸起33能够有利地沿径向向外变细(如图3所示)且/或能够向内为圆角。整体上，凸起33有利地在俯视图中具有翼轮廓。
在针对生产有利的设计中，沟道34也能够以凹槽的形式直接一体化在密封唇16中。在这种情况下，沟道34之间的区段33不被设计为凸起而是密封面19的一部分，使得能够有利地省略凸起的生产。
在根据图4的实施例中，在密封唇16的背对着运动限制元件25的一侧，优选在密封唇16的区段31与区段32之间布置有位于密封元件15周围的环形螺旋弹簧36。环形螺旋弹簧36与常规的径向轴密封部的环形螺旋弹簧在特征上的差异在于，轴密封部10的(轴向)密封方向以垂直于环形螺旋弹簧36的(径向)效果的方式定向。根据图4的环形螺旋弹簧36因此不会导致将密封唇16压在运动限制元件25上的压力的增大，且因此也不会导致轴密封部10的摩擦的增大。更确切地说，环形螺旋弹簧36的功能在于提高轴密封部10特别是相对于待被密封的空间21的真空所需要的压力稳定性。因此，根据图4的实施例在具有特别是真空或大的压力波动的发动机的情况下是优选的。环形螺旋弹簧36在停止的或小压力的发动机的情况下优选地布置在密封元件15的周围而没有预加载荷。环形螺旋弹簧36在这方面也不同于常规的径向轴密封部的环形螺旋弹簧。
在根据图5的替代实施例中，作为环形螺旋弹簧36的替代，设置有由合适的材料制成的外部加强部37，外部加强部37具有与图5的环形螺旋弹簧36相同的功能。除了外部加强部37以外或作为外部加强部37的替代，还能够在区域38内，即在密封唇16的另一侧设置有内部加强部，该内部加强部在相对于待被密封的空间21的真空方面特别有效。
在根据图6的又一个实施例中，密封唇16在其自由端43且在其背对运动限制元件25的一侧具有周边弱化部39，以便于接触区域18从运动限制元件25的抬升且因此便于至空气摩擦的转变。根据图6的实施例也能够与根据图4和图5的实施例组合。根据图2和/或图3的实施例能与根据图4、图5和/或图6的任一实施例组合。
在根据图7的实施例(作为图3的实施例的替代)中，凸起53不位于密封唇16上而是位于运动限制元件25上并位于运动限制面27的区域内。凸起53的设计和倾斜角度β、形成在凸起53之间的沟道54的形状和功能以及空气35的流向与根据图3的密封唇上的布置相同。在本实施例中，如图8所示，接触区域19内的密封唇16能够有利地包括传送结构49。可替代地，接触区域19内的密封唇16能够被设计为不具有这样的结构。
在相对于生产有利的设计中，沟道54也能够以凹槽的形式直接一体化在运动限制元件25中。在这种情况下，沟道54之间的区段53不被设计为凸起而是运动限制面27的一部分，以便能够有利地省略凸起的生产。
根据图7和/或图8的实施例能与根据图4、图5和/或图6的任一实施例组合。
Claims (13)
1.一种用于将轴(11)相对于壳体密封的轴向轴密封部(10)，其包括加强部(14)和密封元件(15)，所述密封元件(15)连接至所述加强部(14)且具有密封唇(16)，所述密封唇形成为用于密封与运动限制元件(25)之间的相互作用，所述运动限制元件连接至所述轴(11)且沿径向延伸，其中，在装配状态下，仅在所述密封唇(16)的端部(18)与径向的所述运动限制元件(25)之间存在密封接触，其特征在于，多个沟道(34；54)布置在所述密封唇(16)的面向所述运动限制元件(25)的一侧且位于所述密封唇的周边上，或者布置在所述运动限制元件(25)的运动限制面(27)上且位于所述运动限制元件的周边上，当所述轴(11)转动时，在所述沟道内逐步建立压力，
所述密封唇(16)具有从所述密封唇(16)的自由端(43)开始朝着所述轴(11)延伸的区段(31)以及与朝着所述轴(11)延伸的所述区段(31)连接且以远离所述轴(11)的方式延伸的区段(32)。
2.根据权利要求1所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述沟道(34；54)向外变细。
3.根据权利要求1或2所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述沟道(34；54)和/或所述沟道(34；54)之间的区段(33；53)布置成相对于径向方向以角度β倾斜。
4.根据权利要求3所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述倾斜角度β的范围是45°至89°。
5.根据权利要求1或2所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述沟道(34；54)之间的区段(33；53)向外变细且/或向内为圆角。
6.根据权利要求1或2所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述沟道(34；54)的最大深度的范围是0.01mm至0.1mm。
7.根据权利要求1或2所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述沟道(34；54)的深度向外降低。
8.根据权利要求1或2所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述密封唇(16)在整体上为U形。
9.根据权利要求1所述的轴向轴密封部，其特征在于，以远离所述轴(11)的方式延伸的所述区段(32)的长度至少为朝着所述轴(11)延伸的所述区段(31)的长度的一半。
10.根据权利要求1或9所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述密封唇(16)的上述两个区段(31，32)之间的角度α在装配状态下的范围是40°至100°。
11.根据权利要求1或2所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述密封唇(16)具有位于所述密封唇的自由端(43)上且位于所述密封唇的背对所述运动限制元件(25)的一侧上的周边弱化部(39)。
12.根据权利要求1或2所述的轴向轴密封部，其特征在于，设置有环形螺旋弹簧(36)，所述环形螺旋弹簧布置在所述密封元件(15)的周围且以垂直于密封方向的方式起作用。
13.根据权利要求12所述的轴向轴密封部，其特征在于，所述环形螺旋弹簧(36)在停止的发动机的情况下布置在所述密封元件(15)的周围而没有预加载荷。
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