CN110173318A - 一种密封装置及密封构造 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支承弹簧力的凸缘具有高的耐久性的密封装置。密封装置具备弹性环和用于加强所述弹性环而固着于所述弹性环的刚性环。弹性环具备往复运动的棒体的外周面能够滑动地接触的唇。刚性环具备配置于棒体的导向件的端部的径向外侧的圆筒部和从圆筒部的、与唇相反的一侧的端部向径向外侧扩展的凸缘。凸缘在轴线方向上，在与唇相反的一侧具有平坦面。平坦面位于与轴线方向垂直的平面内。或者，在轴线方向上，平坦面的外缘比平坦面的内缘更远离刚性环圆筒部，且外缘和内缘在轴线方向上的距离为0.1mm以下。

Description

一种密封装置及密封构造

技术领域

本发明涉及一种密封装置及密封构造。

背景技术

在用于汽车、船舶、农机等的汽油发动机、柴油发动机等内燃机的进气端口及排气端口分别配置有进气门及排气门。各气门具有气门杆和引导气门杆在轴线方向能够进行往复运动的气门杆导向件。为了限制发动机油侵入气门杆和气门杆导向件之间的间隙，使用气门杆密封(密封装置)。气门杆密封容许周围的发动机油流入气门杆和气门杆导向件之间的间隙，对气门杆和气门杆导向件进行润滑。但是，为了降低或防止发动机油导致的白烟的产生，削减发动机油的消耗，气门杆密封适当地抑制发动机油流入气门杆和气门杆导向件之间的间隙的流入量。

已知通过上述的间隙，内燃机的燃烧室的高压力施加到气门杆密封。尤其对设于排气端口的气门杆密封施加了排气工序中的高压力。

专利文献1公开了具备由弹性体形成的部分和金属环的气门杆密封。形成于金属环的一端的凸缘起到弹簧护圈部的作用。对气门杆施以总是向上方向的力的螺旋弹簧的端部与弹簧护圈部接触。由于弹簧护圈部被螺旋弹簧施加反作用力，所以认为即便被施加了上述那样的高压力，也能够抑制气门杆密封从气门杆导向件脱离。

发明所要解决的技术问题

期望支承弹簧的力的所述的凸缘具有高耐久性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-257401号公报

发明内容

鉴于此，本发明提供一种支承弹簧的力的凸缘具有高耐久性的密封装置及密封构造。

本发明的某一方面提供一种密封装置，其对具有圆筒形部分的棒体和引导所述棒体在所述棒体的轴线方向能够进行往复运动的圆筒状的导向件进行密封，其具备由弹性材料形成的弹性环和用于加强所述弹性环而固着于所述弹性环、由刚性材料形成的刚性环。所述弹性环具备所述棒体的外周面能够滑动地接触的唇，所述刚性环具备配置于所述导向件的端部的径向外侧的圆筒部和从所述圆筒部的与所述唇相反的一侧的端部向径向外侧扩展的凸缘。所述凸缘在所述轴线方向上，在与所述唇相反的一侧具有平坦面，所述平坦面位于与所述轴线方向垂直的平面内，或者，在所述轴线方向上，所述平坦面的外缘比所述平坦面的内缘更远离所述圆筒部，且所述外缘和所述内缘之间的在所述轴线方向上的距离为0.1mm以下。

在该方案中，作为支承弹簧力的弹簧护圈或弹簧座可以使用凸缘。在凸缘的平坦面位于与棒体的轴线方向垂直的平面内的情况下，凸缘的平坦面与相对于轴线方向垂直的支承体的支承平面全面地接触，因弹簧的反作用力而在刚性环上产生的应力较小。因此，凸缘具有很高的耐久性。即便在轴线方向上平坦面的外缘比平坦面的内缘更远离圆筒部的情况下，只要外缘和内缘之间的轴线方向上的距离在0.1mm以下，则因弹簧的反作用力而在刚性环上产生的拉伸应力也较小。因此，凸缘具有很高的耐久性。

本发明的某一方面提供一种密封构造，其具备：圆筒状的导向件，其引导具有圆筒形部分的棒体在所述棒体的轴线方向能够进行往复运动；支承体，其安装所述导向件；以及密封装置，其覆盖所述导向件的端部。所述密封装置具备由弹性材料形成的弹性环和用于加强所述弹性环而固着于所述弹性环、由刚性材料形成的刚性环。所述弹性环具备所述棒体的外周面能够滑动地接触的唇，所述刚性环具备配置于所述导向件的端部的径向外侧的圆筒部和从所述圆筒部的与所述唇相反的一侧的端部向径向外侧扩展的凸缘。所述凸缘在所述轴线方向上，在与所述唇相反的一侧具有平坦面，所述平坦面的外缘与所述支承体的支承平面接触，所述平坦面的内缘和所述支承平面之间的所述轴线方向上的距离为0.1mm以下。

在该方案中，作为支承弹簧力的弹簧护圈或弹簧座可以使用凸缘。在凸缘的平坦面的外缘与支承体的平面接触的状态下，只要平坦面的内缘和支承平面之间的在轴线方向上的距离在0.1mm以下，则因弹簧的反作用力而在刚性环上产生的拉伸应力就很小。因此，凸缘具有高耐久性。

附图说明

图1是使用本发明一实施方式的密封构造的内燃机的局部剖视图；

图2是表示一实施方式的密封构造的局部剖视图；

图3是表示一实施方式的刚性环的凸缘平坦面的非优选角度的图；

图4是表示一实施方式的刚性环的凸缘平坦面的优选角度的图；

图5是表示一实施方式的刚性环的凸缘平坦面的优选角度的图；

图6是表示图3的刚性环的应力分布的图；

图7是表示图5的刚性环的应力分布的图；

图8是表示变形例的刚性环的凸缘平坦面的非优选角度的图；

图9是表示变形例的刚性环的凸缘平坦面的优选角度的图；

图10是表示变形例的刚性环的凸缘平坦面的优选角度的图；

图11是表示其它变形例的刚性环的凸缘平坦面的非优选角度的图；

图12是表示变形例的刚性环的凸缘平坦面的优选角度的图；

图13是表示变形例的刚性环的凸缘平坦面的优选角度的图；

图14是表示变形例的密封构造的局部剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

如图1所示，使用本发明一实施方式的密封构造的内燃机1具备气缸盖2。气缸盖2配置于气缸(未图示)的上方。在气缸的内部可往复运动地配置有活塞(未图示)。气缸盖2、气缸以及活塞划分出燃烧室4。在气缸盖2上形成有进气端口6和排气端口8，在进气端口6和排气端口8分别配置有进气门10和排气门12。

进气门10和排气门12分别具有圆筒形的气门杆(棒体)14和安装于气门杆14的下端的气门头16。各气门可以在气门杆14的轴线方向上进行往复运动，伴随往复运动，气门头16开闭端口6或8。在气缸盖2上固定有引导各气门杆14的往复运动的圆筒状的气门杆导向件(导向件)18，在气门杆导向件18插入有气门杆14。

在各气门杆14的上端安装有凸轮从动件20。安装于凸轮轴22的凸轮24与凸轮从动件20的上表面接触。

另外，在各气门杆14的上端安装有弹簧座26。在弹簧座26和形成于气缸盖2的弹簧座28之间，以压缩状态配置有螺旋弹簧29。螺旋弹簧29的弹性恢复力向总是将气门杆14顶向上方的方向。

在上述结构中，当通过凸轮轴22的旋转，凸轮24克服螺旋弹簧29的弹性恢复力而下推凸轮从动件20时，气门杆14下降，端口6或8被打开。当通过凸轮轴22的旋转，凸轮24下推凸轮从动件20的力减小时，通过螺旋弹簧29的弹性恢复力，气门杆14上升，端口6或8被关闭。

气门杆导向件18的端部及气门杆14的中央部由气门杆密封(密封装置)30覆盖。气门杆密封30容许周围的油室32的发动机油流入气门杆14和气门杆导向件18之间的间隙(图2及图3的间隙Ga)，对气门杆14和气门杆导向件18进行润滑。但是，为了降低或防止发动机油导致的白烟的产生，削减发动机油的消耗，气门杆密封30适当地抑制发动机油流向气门杆14和气门杆导向件18之间的间隙的流入量。

参照图2，进一步详细说明具有气门杆密封30和气门杆导向件18的密封构造。图2表示与气门杆14及气门杆导向件18接触的使用状态下的气门杆密封30。气门杆密封30及气门杆导向件18具有圆筒状的形状，但图2中仅显示出它们的左侧部分。

气门杆导向件18的内周面与气门杆14的外周面隔开间隙Ga配置。燃烧室4的高压力(下称“背压”)，通过间隙Ga，施加到气门杆密封30。特别是，对设于排气端口8的气门杆密封30被施加排气工序中的高背压。

气门杆密封30为具有弹性环34和刚性环36的二重构造。弹性环34由弹性材料(例如弹性体)形成。刚性环36由刚性材料(例如金属)形成，紧密附着于弹性环34，对弹性环34进行加强。

弹性环34具备弹性环圆筒部38、内侧圆环部40、及连结圆环部42。弹性环圆筒部38配置于气门杆导向件18的端部的径向外侧，且在弹性环圆筒部38以过盈配合方式嵌入气门杆导向件18。因此，弹性环圆筒部38的内周面与气门杆导向件18的外周面接触。内侧圆环部40配置于弹性环圆筒部38的上方，具有比弹性环圆筒部38更小的外径及内径。连结圆环部42将弹性环圆筒部38的上端和内侧圆环部40连结。

在内侧圆环部40上形成有主唇44、背压唇46和多个突起48。气门杆14的外周面与主唇44和背压唇46可滑动地接触。主唇44主要以不会使油室32的发动机油过剩地朝气门杆导向件18流入的方式设置。背压唇46以如下方式设置，接受通过气门杆14和气门杆导向件18之间的间隙Ga对气门杆密封30施加的背压，使主唇44不会因过剩的背压而过度地发生变形。多个突起48以包围气门杆14的方式沿周向间隔地配置。这些突起48以如下方式设置，在将气门杆密封30安装于气门杆导向件18的情况下，即使气门杆密封30相对于气门杆14偏心，主唇44和背压唇46也能够以大致均等的接触压与气门杆14的全周(整个圆周)接触。

如图2所示，与气门杆14接触时，主唇44和背压唇46变形，遍及全周与气门杆14的外周面接触。但是，为了向气门杆14和气门杆导向件18之间的间隙Ga供给适量的发动机油，在主唇44和气门杆14的外周面之间设有微小的间隙(未图示)，且在背压唇46和气门杆14的外周面之间也设有微小的间隙(未图示)。

虽然不是不可或缺，但在内侧圆环部40的周围也可以卷绕环状螺旋弹簧(GarterSpring)50。在该实施方式中，在内侧圆环部40的外周面形成有承接环状螺旋弹簧50的周槽52。环状螺旋弹簧50将主唇44及突起48朝向内侧按压，提高主唇44及突起48相对于气门杆14的接触压。

刚性环36具备刚性环圆筒部54、圆环部56及凸缘58。刚性环圆筒部54配置于弹性环34的弹性环圆筒部38的径向外侧，且固定于弹性环圆筒部38的外周面。因此，弹性环34的弹性环圆筒部38被刚性环36的刚性环圆筒部54遍及全周包围，限制了朝向半径方向的移动或膨胀。

圆环部56从刚性环圆筒部54的、主唇44一侧的端部向径向内侧扩展。圆环部56固定于弹性环34的内侧圆环部40及连结圆环部42。

凸缘58是从刚性环圆筒部54的、与主唇44相反的一侧(以下简称“主唇44相反侧”)的端部向径向外侧扩展的圆板。凸缘58作为上述螺旋弹簧29的下端部接触的弹簧护圈或弹簧座使用。凸缘58在气门杆导向件18的轴线方向上具有位于主唇44一侧的弹簧接触面60和位于与主唇44相反侧的平坦面62。

螺旋弹簧29的下端部与凸缘58的弹簧接触面60接触。虽未图示，在弹簧接触面60上也可以形成用于抑制螺旋弹簧29在其轴线方向旋转的旋转止动件(例如，突起)。虽未图示，在弹簧接触面60也可以形成承接螺旋弹簧29的下端部的凹部。

在实施方式中，弹簧接触面60与平坦面62平行。但是，弹簧接触面60也可以相对于平坦面62倾斜。

凸缘58的平坦面62与安装有气门杆导向件18的气缸盖(支承体)2的弹簧座(支承平面)28接触，并被弹簧座28支承。在实施方式中，气缸盖2的弹簧座28是相对于气门杆14的轴线方向垂直的平面。

从螺旋弹簧29总是对凸缘58施加反作用力，因此，气门杆密封30整体总是被向下按压。因此，即使通过气门杆14和气门杆导向件18之间的间隙Ga对气门杆密封30施加高的背压，气门杆密封30也不易从气门杆导向件18脱离。这样，凸缘58在作为弹簧护圈或弹簧座起作用的同时，还作为气门杆密封30的止脱件起作用。

参照图3～图5说明刚性环36的凸缘58的平坦面62的优选角度。图3～图5中示出了从螺旋弹簧29施加的反作用力P，但下述凸缘58的平坦面62的角度的说明是以不对刚性环36施加力的状态为前提。

图3所示的凸缘58的平坦面62与刚性环圆筒部54以锐角相交。在气门杆14的轴线方向上，平坦面62的外缘62A比平坦面62的内缘62B更接近刚性环圆筒部54。平坦面62的内缘62B与弹簧座28接触，但外缘62A不与弹簧座28接触。因此，在刚性环36上产生由螺旋弹簧29的反作用力P引起的较大的应力。因此，图3所示的例子为非优选例。

图4所示的凸缘58的平坦面62与刚性环圆筒部54呈直角相交。在气门杆14的轴线方向上，平坦面62的外缘62A和刚性环圆筒部54的距离与平坦面62的内缘62B和刚性环圆筒部54的距离相等。平坦面62既包含外缘62A还包含内缘62B，全面地与弹簧座28接触。因此，因螺旋弹簧29的反作用力P而在刚性环36上产生的应力小。因此，图4所示的例子为优选例。

图5所示的凸缘58的平坦面62与刚性环圆筒部54以钝角相交。在气门杆14的轴线方向上，平坦面62的外缘62A比平坦面62的内缘62B更远离刚性环圆筒部54。平坦面62的外缘62A与弹簧座28接触，但内缘62B不与弹簧座28接触。因此，螺旋弹簧29的反作用力P引起的大应力可能产生在刚性环36上。但是，外缘62A和内缘62B在气门杆14的轴线方向上的距离X在0.1mm以下的情况下，图5所示的例子也是优选例。以下，说明其理由。

图6表示具有呈如图3所示的角度的凸缘58的刚性环36的应力分布。图7是表示具有呈如图5所示的角度且距离X为0.1mm的凸缘58的刚性环36的应力分布的图。应力分布通过FEM(有限元法)分析进行计算。刚性环36由冷轧钢板制造，假定厚度t为6mm，凸缘58的长度x为4.25mm，刚性环36的弯曲部分(连结刚性环圆筒部54和凸缘58的部分)的内侧的曲率半径r为0.5mm。

图6及图7中，T1表示拉伸应力最高的区域，T2表示拉伸应力第二高的区域，T3表示拉伸应力第三高的区域。C1表示压缩应力最高的区域。

如图6所示，在具有与刚性环圆筒部54以锐角相交的平坦面62的刚性环36上，在刚性环36的弯曲部分(连结刚性环圆筒部54和凸缘58的部分)的内侧产生大的拉伸应力。这是因为以平坦面62的内缘62B为支点施加螺旋弹簧29的反作用力P，所以弯曲部分的内侧被拉伸。

另一方面，如图7所示，在具有与刚性环圆筒部54以钝角相交的平坦面62的刚性环36上，在刚性环36的弯曲部分的外侧产生很大的拉伸应力。另外，在刚性环36的弯曲部分的内侧产生大的压缩应力。这是因为以平坦面62的外缘62A为支点施加螺旋弹簧29的反作用力P，所以弯曲部分的外侧被拉伸，相应地，弯曲部分的内侧被压缩。但是，在距离X为0.1mm的图7的分析结果中，未出现拉伸应力最高的区域T1。

在一般的金属中，压缩强度比拉伸强度强。因此，在图5的例子中，认为在距离X为0.1mm以下情况下，凸缘58具有高耐久性。

如上所述，确认了图3的例子是非优选的。另外，在图5的例子中，认为在气门杆导向件18的轴线方向上的外缘62A与内缘62B的距离X在0.1mm以下的情况下是优选的。换言之，在图5的例子中，认为在平坦面62的内缘62B和弹簧座28之间的、在气门杆14的轴线方向上的距离X在0.1mm以下的情况下是优选的。

在实施方式中，虽然气缸盖2的弹簧座28相对于气门杆14的轴线方向垂直，但也可以考虑弹簧座28相对于气门杆14的轴线方向不垂直的实施方式。图8～图13表示变形例。图8～图13中示出了由螺旋弹簧29施加的反作用力P，但对下述凸缘58的平坦面62的角度的说明以不对刚性环36施加力的状态为前提。

在图8～图10的变形例中，气缸盖2的弹簧座28和气门杆14的轴线方向形成的角为钝角。

图8所示的凸缘58的平坦面62的内缘62B与弹簧座28接触，但外缘62A不与弹簧座28接触。因此，螺旋弹簧29的反作用力P引起的大拉伸应力在刚性环36上产生。因此，图8所示的例子非优选例。

图9所示的凸缘58的平坦面62既包含外缘62A又包含内缘62B，全面地与弹簧座28接触。因此，因螺旋弹簧29的反作用力P而在刚性环36上产生的应力小。因此，图9所示的例子优选。

图10所示的凸缘58的平坦面62的外缘62A与弹簧座28接触，但内缘62B不与弹簧座28接触。但是，鉴于上述的理论，在平坦面62的内缘62B和弹簧座28之间的、气门杆14的轴线方向上的距离X为0.1mm以下的情况下，图10所示的例子为优选例。

在图11～图13的变形例中，气缸盖2的弹簧座28和气门杆14的轴线方向形成的角为锐角。

图11所示的凸缘58的平坦面62的内缘62B与弹簧座28接触，但外缘62A不与弹簧座28接触。因此，螺旋弹簧29的反作用力P引起的大拉伸应力在刚性环36上产生。因此，图11所示的例子非优选。

图12所示的凸缘58的平坦面62既包含外缘62A又包含内缘62B，全面地与弹簧座28接触。因此，因螺旋弹簧29的反作用力P而在刚性环36上产生的应力小。因此，图12所示的例子是优选例。

图13所示的凸缘58的平坦面62的外缘62A与弹簧座28接触，但内缘62B不与弹簧座28接触。但是，鉴于上述的理论，在平坦面62的内缘62B和弹簧座28之间的、在气门杆14的轴线方向上的距离X为0.1mm以下情况下，图13所示的例子是优选例。

其它变形例

以上说明了本发明的实施方式及变形例，但上述的说明不限定本发明，在本发明的技术范围内，考虑包含构成要素的删除、追加、置换的各种变形例。

例如，在上述的实施方式中，刚性环36的刚性环圆筒部54不与气门杆导向件18直接接触，气门杆导向件18被嵌入弹性环34的弹性环圆筒部38，刚性环圆筒部54限制弹性环圆筒部38。但是，如图14所示，对于具有短的弹性环圆筒部38的气门杆密封30而言，也可以在刚性环圆筒部54嵌入气门杆导向件18。

在上述的实施方式中，密封装置是将气门杆14和气门杆导向件18密封的气门杆密封30。但是，本发明也可以适用于将活塞式的燃料泵的活塞(可往复运动的棒体)和活塞导向件密封的密封装置。

弹性环34的弹性环圆筒部38的内周面也可以通过摩擦系数小且比弹性体硬的树脂材料进行涂布，使得更加容易地向弹性环圆筒部38嵌入气门杆导向件18。作为这种树脂材料，例如有聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)。

也可以将弹性环34的主唇44、背压唇46及突起48的至少任一个用这种树脂材料进行涂布，以降低它们的磨损。

附图标记说明

2 气缸盖(支承体)

14 气门杆(棒体)

18 气门杆导向件(导向件)

28 弹簧座(支承平面)

30 气门杆密封(密封装置)

32 油室

34 弹性环

36 刚性环

44 主唇

46 背压唇

54 刚性环圆筒部

58 凸缘

60 弹簧接触面

62 平坦面

62A 外缘

62B 内缘

Claims (2)

1.一种密封装置，其对具有圆筒形部分的棒体和引导所述棒体在所述棒体的轴线方向能够进行往复运动的圆筒状的导向件进行密封，其特征在于，

所述密封装置具备：由弹性材料形成的弹性环；和用于加强所述弹性环而固着于所述弹性环、由刚性材料形成的刚性环，

所述弹性环具备：所述棒体的外周面能够滑动地接触的唇，

所述刚性环具备：配置于所述导向件的端部的径向外侧的圆筒部；和从所述圆筒部的、与所述唇相反的一侧的端部向径向外侧扩展而成的凸缘，

在所述轴线方向上，所述凸缘在与所述唇相反的一侧具有平坦面，

所述平坦面位于与所述轴线方向垂直的平面内，或者，

在所述轴线方向上，所述平坦面的外缘比所述平坦面的内缘更加远离所述圆筒部，且所述外缘和所述内缘之间的在所述轴线方向上的距离为0.1mm以下。

2.一种密封构造，其特征在于，具备：

圆筒状的导向件，其引导具有圆筒形部分的棒体在所述棒体的轴线方向能够进行往复运动；

支承体，其安装所述导向件；以及

密封装置，其覆盖所述导向件的端部，

其中，所述密封装置具备：由弹性材料形成的弹性环；和用于加强所述弹性环而固着于所述弹性环、由刚性材料形成的刚性环，

所述弹性环具备：所述棒体的外周面能够滑动地接触的唇，

所述刚性环具备：配置于所述导向件的端部的径向外侧的圆筒部；和从所述圆筒部的、与所述唇相反的一侧的端部向径向外侧扩展的凸缘，

在所述轴线方向上，所述凸缘在与所述唇相反的一侧具有平坦面，

所述平坦面的外缘与所述支承体的支承平面接触，

所述平坦面的内缘和所述支承平面之间的在所述轴线方向上的距离为0.1mm以下。