CN107061744A - 弹簧加能气缸衬套密封件 - Google Patents

Abstract

提供了一种密封组件，其包含弹簧构件和密封构件，弹簧构件包括两个臂部，这两个臂部大体上以平行于密封组件的圆柱形轴线的方向延伸，并汇聚形成挠曲点，密封构件至少部分地将弹簧构件包封在内，并包括：第一密封结构，以及轴向地和径向地毗邻弹簧构件的挠曲点而布置的第二密封结构，以及弹性材料，其包括由丙烯和四氟乙烯的共聚物制成的5型耐碱氟弹性体。

Description

弹簧加能气缸衬套密封件

技术领域

本发明大体上涉及弹簧加能密封件。更具体地，本发明涉及用于对燃烧发动机等的气缸衬套或套管进行密封的弹簧加能密封件。

背景技术

内燃机通常使用密封件来防止液体和气体从发动机的各种部件中泄漏。一个应用包括使用密封件来防止在发动机中气缸的气缸衬套周围循环的冷却剂的泄漏。该密封件通常布置在发动机的气缸衬套和气缸体之间的凹槽内。

本领域的技术人员可能认识到，由于这种密封件可能经受极端温度(包括热和冷)，以及密封件随着时间的推移而暴露于腐蚀媒介(比如排气和冷却剂)，导致该环境可能特别恶劣。这样可能会导致密封件失效，并需要更换密封件，从而导致发动机停机和不希望的成本。

此外，大缸径重型发动机在发动机重新组装和大修之间需要具有较长的使用寿命，这是更换这种密封件的最佳时间，而不会产生刚刚提及的不希望的成本。目前的弹性衬套密封件可能无法总是满足这种应用所需的使用寿命和温度要求。同样，目前用于这种密封件的材料可能无法抵抗它们可能会受到的所有流体的化学侵蚀。因此，密封件可能会失效，而且在预定维护之前无法保持不必要的密封力(这是不希望的)。

因此，最好是研发出一种用于这种应用的密封件，其比还未设计出的密封件更加稳固。

发明内容

提供一种密封组件，其限定了开孔，该开孔限定了纵向轴线以及垂直于该纵向轴线的径向方向。密封组件包含弹簧构件和密封构件，密封构件将弹簧构件至少部分地包封在内，并包括在与纵向轴线以及垂直于纵向轴线的径向方向均平行的平面内延伸的周界，且该周界限定了第一轴向末端和第二轴向末端，以及包括平行于纵向轴线延伸的第一密封表面，以及包括轴向地布置在第一和第二轴向末端之间的密封结构，该密封结构被布置成与上述方向完全相反，且其朝向背离沿着在径向方向上垂直于纵向轴线的方向的所述第一密封表面的朝向。

提供了一种密封组件，其包括大体上环形的圆柱形构型，该圆柱形构型限定了开孔，其限定了圆柱形轴线和径向方向。密封组件包含弹簧构件和密封构件，弹簧构件包括两个臂部，其大体上以平行于圆柱形轴线的方向延伸，并汇聚形成挠曲点，密封构件至少部分地将弹簧构件包封在内，并包括：第一密封结构，以及轴向地和径向地毗邻弹簧构件的挠曲点而布置且朝向与第一密封结构沿着径向方向的朝向完全相反的第二密封结构，以及弹性材料，其包括由丙烯和四氟乙烯的共聚物制成的5型耐碱氟弹性体。

提供一种发动机组件，其包含发动机缸体，其包括镗孔、布置在镗孔内并限定出环形凹槽的气缸衬套，以及布置在环形凹槽内以限定圆柱形轴线和径向方向的密封组件，密封组件包括弹簧构件，其包括两个臂部，所述两个臂部大体上以平行于圆柱形轴线的方向延伸，并汇聚形成挠曲点，以及密封构件，其至少部分地将弹簧构件包封在内，且包括：第一密封结构，以及轴向地和径向地毗邻弹簧构件的挠曲点而布置的第二密封结构，其朝向与第一密封结构沿径向方向的朝向完全相反，以及弹性材料，其包括由丙烯和四氟乙烯的共聚物制成的5型耐碱氟弹性体。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的密封组件的透视图。

图2是图1中的密封组件沿线2-2所取的截面图。

图3是图2的截面的前视图，示出了可构造和组装密封组件的方式。

图4是发动机组件的透视图，其包括截面，示出了可采用图1的密封组件的气缸衬套和发动机缸体之间的界面。

图5是图4的发动机组件的截面的放大前视图，示出了围绕气缸衬套的周界而布置的环形凹槽内设置的图1的密封组件，其密封在衬套和发动机缸体之间，以防冷却剂泄漏流到密封件下面设置的凹槽内，以及发动机缸体的镗孔周界的周围，以及衬套周界的周围。

具体实施方式

在将要讨论的一些实施例中，新的气缸套管密封组件被设置成采用金属弹簧来帮助恢复弹性松弛所致的密封力损失。因此，密封组件在最严寒温度下通常将密封良好。此外，密封构件所选的材料包括由丙烯和四氟乙烯的共聚物制成的5型耐碱氟弹性体。该材料能够抵抗与所有类型的碱性发动机冷却剂相关联的化学侵蚀。

参见图1和图2，示出了密封组件100，其包括根据本发明的一个实施例的大体上环形的圆柱形构型。密封组件100限定了开孔102，其限定了圆柱形轴线A和径向方向R。此外，密封组件100包含弹簧构件104，其包括两个臂部106、106'，这两个臂部大体上以平行于圆柱形轴线A的方向延伸，并汇聚形成挠曲点108。密封构件110被布置成将弹簧构件104包封在内，并包括第一密封结构112和第二密封结构114，第二密封结构114轴向地和径向地毗邻弹簧构件104的挠曲点108而被布置，并与沿径向方向R的第一密封结构112完全相反。挠曲点108相对于第二密封结构114的相对布置是指第二密封结构114通过弹簧构件104而被径向地向外偏置，且在旨在通过第二密封结构提供密封的位置处使密封力局部最大化。

尽管本实施例具有环形的圆柱形构型，但是其它实施例可以具有其它构型。例如，环形构型可以是多边形等。在这种实施例中，圆柱形轴线A将被纵向轴线A'代替，且径向方向R将被垂直于纵向轴线A'的另一个方向R'代替。

任一实施例的密封结构可以具有本领域已知的或将要设计的任何构型，比如边缘或唇缘、平坦表面等。对于本实施例，第一密封结构112是内密封表面116，其在轴向方向上基本上平坦，并平行于圆柱形轴线A而延伸。第一密封结构112可以可选择地配备其它表面结构，比如以轴向或周向方向延伸的起伏部。同样，第二密封结构114是第二密封表面，也被称为外密封表面118，其基本上平坦，并平行于圆柱形轴线A而延伸。也就是说，第一密封结构的朝向平行于纵向轴线或圆柱形轴线A。可以构想，由于外密封表面在沿圆柱形轴线的方向上的长度相对较短，因此其可以被唇缘或边缘代替。所谓的内密封表面116是因为它朝向圆柱形轴线A的方向，而所谓的外密封表面118是因为它背离圆柱形轴线A的方向。

如图2和图3中最佳所示，密封构件110包括以截面示出的周界120，其在限定了第一轴向末端122和第二轴向末端124的轴向平面AP内延伸。密封构件110进一步包含至少一个过渡表面126，其沿密封构件110的周界120被插入到第一密封结构112和第二密封结构114之间。特别地，对于本实施例，密封构件110包含至少两个过渡表面126、128，它们被插入到第一密封结构112和第二密封结构114之间。对于本实施例，过渡表面以不间断的方式彼此相连并与第一和第二密封结构相连，但对于其它实施例而言可能并非这种情况。连接到第一密封结构112的过渡表面126是接合部130，而连接到第二密封结构114的过渡表面128是倾斜表面132。可以使用其它过渡表面。应该注意，表面之间可以存在非常小的弧形部或接合部，以防出现在讨论过渡表面以及将它们连接到密封结构上时本文所忽略的尖角，因为它们基本上表示一个表面与另一个表面的汇聚。

如本文随后参照图4和图5所示，这些表面126、128便于将密封组件100组装到包括气缸衬套和发动机缸体的发动机组件中。第二密封结构114被布置成沿圆柱形轴线A与轴向末端122、124基本上等距。对于其它实施例而言可能不是这种情况。

如上所述以及如参照图2和图3最佳所示，弹簧构件104的臂部106、106'基本上以平行于圆柱形轴线A的方向延伸，因为它们与该方向形成的锐角α小于它们与径向方向R形成的锐角β。这些锐角可以根据需要或期望而改变，但对于某些实施例，锐角α的范围可以是从10到20度。弹簧构件104的臂部106、106'包含平坦表面152，其汇聚形成大体上V形构型134。对于本实施例，这样形成了尖角136，然而可以构想，在其它实施例中臂部之间可能存在接合部，使得挠曲点108和尖角136均弯曲。另外，臂部106、106'的自由端138、138'被布置成沿平行于轴线A的方向毗邻相对的轴向末端122、124。臂部106、106'可以完全平直，比如具有平坦表面152，或者可以具有起伏部、弯曲等，只要它们形成基本上平直的扫掠方向即可。也就是说，可以从自由端138到尖角136或者挠曲点108画出基本上平直的线，这些线形成彼此互相不平行的角度。换句话说，角度β不能是90度。

此外，如图3中最佳所示，密封组件100限定了径向平面RP，其平行于径向方向R且垂直于圆柱形轴线A，且密封组件100围绕径向平面RP基本上对称。这样使得密封组件100围绕径向方向R旋转180度，并且如下描述依然被组装到发动机缸体组件中。对于其它实施例而言可能不是这种情况。此外，图2和图3中所示的截面在围绕密封组件的整个周界上是一致的。也就是说，通过完全围绕圆柱形轴线A而转动图2和图3的截面，可以形成密封组件。对于其它实施例而言可能不是这种情况。

更加详细地关注图3，该图示出了可对密封组件100进行组装的方式，以及如何用密封构件110对弹簧构件104进行包封。首先，两件一套的密封构件110被设置成包括保持构件140和插塞142，保持构件140具有保持在弹簧构件104上，并将弹簧构件104的外表面进行覆盖的保持结构，插塞142填充孔隙144、并覆盖弹簧构件104的内表面。保持构件140的保持结构包括底切部，其提供了突出部146、146'，弹簧构件104的端部138、138'可以卡扣在突出部146、146'内。另一个底切部也可以配备突出部148、148'，其使得插塞142的互补表面150、150'被卡扣到位。然后，插塞142可以被粘结到保持构件140上。各种部件的构型以及它们的连接方法可以变化。图3中公开的具体结构仅作为实例。

或者，可以将材料倾倒或喷射到孔隙内，并进行硬化、固化，或粘结到保持构件和/或弹簧构件上。在一些实施例中，孔隙将不被填充。在这种实施例中，第一密封结构112从密封组件100的一个轴向末端124到另一个轴向末端122将被中断，并将具有沿圆柱形轴线A的更短长度，这与第二密封结构114类似。另外，截面的周界120将是开放的而不是闭合的。因此，密封构件将仅仅部分地包封弹簧构件。

对于本文所述的各个实施例，弹簧构件包含金属合金，且密封构件包含弹性体。其它材料也可以用于弹簧构件和密封构件，只要它们具有使密封组件在预期应用中发挥作用的期望特征即可。

可以用于弹簧构件的材料的示例性清单包括但不限于金属、金属合金、钢合金、不锈钢、陶瓷、铸造叶片合金、冷成形超级合金等。

可以用于密封构件的材料的示例性清单包括但不限于FEP(氟化乙烯丙烯)、PFA(全氟烷氧基)、PTFE(聚四氟乙烯)、ETFE(乙烯四氟乙烯)、PE(聚乙烯)、ETCFE(乙烯-三氟氯乙烯共聚物)、聚氨酯、由丙烯和四氟乙烯的共聚物制成的5型耐碱氟弹性体、过氧化物固化的氟碳、乙烯-丙烯共聚物、氢化丁二烯-丙烯腈共聚物等。

工业实用性

图1和图2的密封组件100适合与许多工业应用结合使用。图4和图5中示出了一个这种应用，其包括将密封组件放置到发动机缸体内安装的气缸套管的凹槽内，以帮助形成发动机组件。发动机可以与已经安装到一个或多个气缸衬套内的密封组件一起出售。或者，密封组件可以作为替换件进行出售，以用于在现场对发动机进行维护。密封组件还可以由最终用户进行制造和/或组装等。

密封组件可以用任何合适的方式进行制造，包括采用注塑工艺等将密封构件模塑到弹簧构件上。或者，密封构件可以分为两件，并围绕弹簧构件进行组装，比如先前参照图3所示和所述。在一些实施例中，密封构件和弹簧构件可以被加工、组装，然后被另一种材料覆盖，以包封弹簧构件。在一些实施例中，弹簧构件可以购买或者定制等。在又一些其它实施例中，密封组件的内部可以限定孔隙，其保持开放或者用插塞填充。

返回参看图1和图2，示出了密封组件100的外径OD和内径ID。对于一些实施例，比如相对于图4和图5示出的那些，外径OD和内径ID的示例性尺寸分别为186.28mm和184.71mm。同样，如图2和图3中最佳所示，密封组件100限定了沿圆柱形轴线A测量的长度L。对于一些实施例，比如图4和图5中所示的那些，示例性的尺寸是5.82mm。当然，这些尺寸可以根据应用按照需要或期望而变化。

图4示出了发动机组件200，其包括发动机缸体202，发动机缸体202包括V8构型，其中当从前部观察发动机组件200时，每侧上的4个气缸204形成V形形状。每个气缸204均包括气缸衬套206，其被发动机缸体202中形成的一系列凹槽208围绕，提供了围绕气缸衬套206的周界210的水冷套，以便在燃烧循环重复进行而导致热量积聚时对气缸204进行冷却。尽管在图3中并未明确示出，但在图4中示出，凹槽212被布置成围绕气缸衬套206的周界210接近凸缘214处，凸缘214被配置成保持密封组件100，旨在防止在气缸衬套206周围循环通过密封件100的冷却剂发生泄漏，其中泄漏可能渗透到发动机的其它零件中从而造成问题。密封组件100可以沿圆柱形轴线A被布置在水冷套的任一侧上，以防止任一方向上的泄漏。密封组件的位置和构型可以根据需要或期望以及发动机缸体的构型(包括气缸的数目和朝向)而改变。

图5是图3的发动机组件200的截面的放大前视图，示出了围绕气缸衬套206的周界210而布置的环形凹槽212内设置的图1的密封组件100，其将衬套206和发动机缸体202之间进行密封，以防冷却剂泄漏流到密封组件100下面设置的凹槽208内，以及发动机缸体202的镗孔218周界216的周围，以及衬套周界的周围。安装之后，密封件必须保持与发动机缸体气缸镗孔和衬套凹槽内径紧密接触。密封压缩的量可以根据应用，考虑组装所需的力以及必要的密封力而改变，以防由于系统冷却剂压力而发生任何泄漏。通常，密封压缩被设计成基于体积而在10％到30％的范围内。

更仔细地观察图5，可以理解如何将密封组件100和气缸衬套206组装在一起，然后如何将其放置到发动机缸体202的镗孔218内。首先，沿着气缸衬套206的周界210滑动(步骤300)密封组件100，直至其接触较大的引入表面220(其部分地形成脊部222，还部分地形成密封组件保持凹槽212)，从而将密封组件100组装到气缸衬套206上。凹槽212在一侧上被脊部222限定，而在另一侧上被气缸衬套206的凸缘214限定。由于密封组件100接触引入表面220，因此随着密封组件100沿着圆柱形轴线A的继续向上移动，导致密封组件100膨胀，使得其可以越过脊部222并掉落到保持凹槽212内，从而提供了机械效益。

将密封组件向下移动(步骤302)而拆除密封组件时，会被脊部222上的倾斜表面224阻碍，倾斜表面224具有比引入表面220更陡的角度。这样使得密封组件100的拆除比安装更难，有助于防止无意中拆除。当然，如果提供足够的力，则可以完成密封组件的拆除。在许多实施例中，密封组件100继续向上移动(步骤300)，直至其撞击到凸缘214上。

一旦密封组件100被安装到凹槽212内，气缸衬套206和密封组件100就形成子组件。然后，两者一起向下移动(步骤304)到发动机缸体202的适当的镗孔218内。尽管图5中未示出，但本领域的技术人员可以认识到，密封组件100和发动机缸体202的镗孔218的拐角或突出部226最终会接触。此接触施压于密封组件100的过渡表面126、128上，并逐渐导致弹簧构件104径向地向内移动，始终在向外的径向方向上提供密封力。该力持续，并在其外密封表面118接触到发动机缸体202的镗孔218的周界216时达到最大。对弹簧构件进行压缩所需的力还可以使密封组件100向上移动，直至其撞击甚至轻轻压靠气缸衬套206的凸缘214为止。气缸衬套206的这种向下移动持续到凸缘214接触发动机缸体202的顶表面为止。通过反向实施这些步骤可以实现拆卸。

尽管本文所述的大多数实施例均为气缸衬套应用，但其它发动机和工业应用与本文所述的密封组件的使用相兼容，因此在本发明的范围之内。

应该认识到，前面的描述提供了所公开的设计和功能的实例。然而，可以构想本发明的其它实施方式可能在细节上不同于前述实例。所有对本发明或其实例的引用旨在提及特定实例在该点被讨论，并不旨在暗示对本发明的范围进行更一般的任何限制。关于某些特征的差别和贬低的所有语言旨在表示缺乏对这些特征的偏好，但并非将这些完全排除在本发明的范围之外，另有指示时除外。

除非本文另有指示，否则本文中数值范围的叙述仅仅用作一种速记方法来分别引述落入范围内的各单独数值，并且各单独数值如同在本文中被分别引述一样被包含在说明书内。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的前提下，可以对本文所述的装置和组装方法的实施例进行各种修改和变型。通过考虑本文所公开的各个实施例的说明书和实践，本领域的技术人员将了解本发明的其它实施例。例如，某些设备的构造和功能可能不同于本文所述的那些，且任何方法的某些步骤可以被忽略，以不同于已经特别提及的顺序进行实施，或者在一些情况下被同时或分步进行实施。此外，可以对各个实施例的某些方面或特征进行变型或修改，以形成进一步的实施例，且各个实施例的特征和方面可以添加到或替换为其它实施例的其它特征或方面，以提供更进一步的实施例。

因此，本发明包括适用的法律所允许的所附权利要求书中列举的主题的所有修改和等同物。此外，所有可能变型中的上述元素的任意组合被包括在本发明中，本文另有指示或者在与上下文明显矛盾时除外。

Claims (10)

1.一种密封组件，其包括大体上环形的圆柱形构型，所述圆柱形构型限定了开孔，所述开孔限定了圆柱形轴线和径向方向，所述密封组件包括：

弹簧构件，其包括两个臂部，所述两个臂部大体上以平行于所述圆柱形轴线的方向延伸，并汇聚形成挠曲点；以及

密封构件，其至少部分地将所述弹簧构件包封在内，并包括：

第一密封结构；

第二密封结构，所述第二密封结构轴向地和径向地毗邻所述弹簧构件的所述挠曲点而布置，且其朝向与沿所述径向方向的所述第一密封结构的朝向完全相反；以及

弹性材料，其包括由丙烯和四氟乙烯制成的5型耐碱氟弹性体。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述第一密封结构是内密封表面，其基本上是平坦的，且平行于所述圆柱形轴线而延伸。

3.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述第二密封结构是第二密封表面，其是外密封表面，基本上是平坦的，且平行于所述圆柱形轴线而延伸。

4.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述密封构件包括在限定了第一轴向末端和第二轴向末端的轴向平面内延伸的周界，所述密封构件进一步包括至少一个过渡表面，其沿所述密封构件的所述周界被插入到所述第一密封结构和所述第二密封结构之间。

5.根据权利要求4所述的密封组件，其进一步包括至少两个过渡表面，所述至少两个过渡表面被插入到所述第一密封结构和所述第二密封结构之间，其中所述过渡表面以不间断的方式彼此相连并与所述第一和第二密封结构相连，且连接到所述第一密封结构的所述过渡表面是接合部，而连接到所述第二密封结构的所述过渡表面是倾斜表面。

6.根据权利要求5所述的密封组件，其中所述第二密封结构被布置成沿所述圆柱形轴线与所述轴向末端基本上等距。

7.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述弹簧构件的所述臂部包括平坦表面，其汇聚形成大体上V形构型。

8.根据权利要求7所述的密封组件，其中所述臂部的所述平坦表面汇聚形成尖角。

9.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述弹簧构件包括金属合金，且所述密封构件包括弹性体。

10.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述密封组件限定了径向平面，其平行于所述径向方向并垂直于所述圆柱形轴线，且所述密封组件围绕所述径向平面基本上对称。