CN117062993A - 密封组合件和包括此类组合件的滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

一种密封组合件(10)，其包括固定元件(11)、可旋转元件(12)和密封部件(13)。第一唇缘(15b)包括在所述第一唇缘的末端处的环形平滑区。所述第一唇缘和第二唇缘各自包括在朝向滑动表面定向的面上的不规则区。所述组合件包括润滑脂，所述润滑脂为具有大于或等于百分之5的分油程度的润滑脂。

Description

密封组合件和包括此类组合件的滚动轴承
技术领域
本发明涉及密封组合件。
背景技术
更具体地，本发明涉及一种密封组合件，其包括：
固定元件，
可旋转元件，其预期可相对于固定元件围绕旋转轴线(X)旋转，以及
密封部件，其包括：刚性环形框架，其一体地安装在固定元件和可旋转元件中的一个上；以及密封件，其由弹性材料制成且与固定元件和可旋转元件中的另一个元件的滑动表面接触，
密封件包括第一唇缘和第二唇缘，所述第一唇缘和所述第二唇缘两者从环形框架朝向滑动表面延伸，
第一唇缘和第二唇缘以及滑动表面限定至少部分地填充有润滑脂的内部体积。
这种类型的组合件的实例是已知的。
此类密封组合件例如在轴承中使用，且例如在汽车车轮轴承中使用。此密封组合件尤其使得有可能在轴承内部包含润滑流体以便确保轴承以低摩擦操作。
不利的是，此密封组合件有助于增加摩擦，即旋转摩擦力矩。此现象是旋转期间的机械能损失的一部分。为减少这些损失，正寻求允许维持密封件的低摩擦解决方案。
专利EP 2687761描述了此类密封组合件的实例，其中唇缘具有介于1.0μm与3.0μmRa之间的凹部和凸部，并且其中使用低粘度润滑脂，所述润滑脂具有基础油，所述基础油具有在40℃下介于10mm2/s与40mm2/s之间的运动粘度。
发明内容
本发明涉及这种类型的密封组合件，且具体地，所述密封组合件经改进以便减少摩擦力矩，同时维持极佳密封。
为此目的，密封组合件的特征在于
第一唇缘包括在第一唇缘的末端处且在朝向滑动表面定向的面上的环形平滑区，所述平滑区适合于确保沿着围绕旋转轴线的第一唇缘的整个圆周与滑动表面连续接触，
第一唇缘和第二唇缘各自包括朝向滑动表面定向的面上的不规则区，并且
润滑脂为具有大于或等于百分之5的分油程度(degree of bleeding)的润滑脂。
由于这些布置，首先确保通过密封组合件进行的极良好密封，且尤其确保防止装置的内部与外部之间的润滑油的泄漏的极佳静态密封，以及可旋转元件相对于固定元件的旋转期间的极佳动态密封。
其次，与现有技术的解决方案相比，确保摩擦力矩减少。第一唇缘与第二唇缘之间的体积中所含的高分油润滑脂确保所述唇缘在滑动表面上的无摩擦滑动。具体地，不规则区极大地减少了滑动表面上的摩擦。
技术特性的此组合允许减少摩擦力矩，而无密封组合件中的密封损失，这对于这种类型的密封组合件装置为至关重要的。
在密封组合件的各种实施例中，还有可能使用以下布置中的一个或多个：
根据一个方面，润滑脂具有大于或等于百分之6的分油程度。
根据一个方面，润滑脂包括基础油，所述基础油在40℃的温度下具有介于7mm2/s与20mm2/s之间的运动粘度。
根据一个方面，不规则区具有介于3.5μm与5μm之间的算术平均粗糙度。
根据一个方面，第一唇缘和/或第二唇缘具有适合于在滑动表面上施加介于0.1MPa与2MPa之间的压力的柔性，密封部件安装在所述滑动表面上。
根据一个方面，环形平滑区具有介于0.05mm与0.2mm之间的宽度。
根据一个方面，不规则区是通过激光机械加工或通过对用于产生密封部件的模具的对应表面的电火花腐蚀而获得的。
根据一个方面，第一唇缘从环形框架朝向滑动表面轴向延伸，并且第二唇缘从环形框架朝向滑动表面轴向延伸。
根据一个方面，所述组合件进一步包括与所述另一个元件成一体的环形环，滑动表面形成在所述环形环上。
本发明还涉及一种滚动轴承，其包括根据上述特征所述的密封组合件，以及滚动主体，其布置在轴承空间中，以便允许可旋转元件相对于固定元件围绕旋转轴线的相对旋转。
附图说明
本发明的其它特征和优点将参考附图根据以下对作为非限制性实例给出的其实施例中的一个的描述而变得显而易见。
在图中：
-图1是根据本公开的第一实施例的密封组合件的横截面；
-图1A是图1的一部分的放大视图；
-图2是根据本公开的第二实施例的密封组合件的横截面；
-图3是根据图1或图2的包括密封组合件的滚动轴承；
-图4a是展示根据图1或图2的密封组合件的密封唇缘的照片；
-图4b是图4a的唇缘的轮廓；以及
-图5是表示根据现有技术且根据本公开的密封组合件的摩擦力矩随干涉距离而变化的曲线图。
在各图中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。
具体实施方式
图1展示密封组合件10的第一实施例，所述密封组合件包括：
-固定元件11，
-可旋转元件12，其可相对于固定元件围绕旋转轴线X旋转，以及
-密封部件13，其包括刚性环形框架14和与框架成一体的密封件15，所述密封件15由弹性材料制成且与滑动表面16滑动接触。
具体地，固定元件11可为外部元件，即距旋转轴线X最远，即位于可旋转元件12周围，所述可旋转元件则为内部元件。这是当使用作为旋转轴的可旋转元件12时的情况(图1)。
反之，固定元件11可为内部元件，即距旋转轴线X最近，即位于可旋转元件内部，所述可旋转元件则为外部元件。
为简化说明，我们将考虑框架14连接到外部固定元件11，并且滑动表面16连接到另一个元件，即内部可旋转元件12，但是，当然，其它用途也适合于本公开的密封组合件。
密封件15包括：
-附接部分15a，其例如通过包覆模制到所述框架14上且有利地使用先前已涂布在框架的所述表面上的粘合剂而固定到框架14的至少一个表面，以及
-第一唇缘15b，其例如从环形框架14延伸到滑动表面16，以便在一个唇缘末端15b*处与滑动表面16的第一部分接触，以及
-第二唇缘15c，其例如从环形框架14径向延伸到滑动表面16，以便在一个唇缘末端15c*处与滑动表面16的第二部分接触。
第一唇缘15b、第二唇缘15c和滑动表面16形成具有体积V的闭合且密封的环形空腔，在密封组合件10制造时或在所述密封组合件安装在装置中时可将润滑脂G引入到所述环形空腔中。
在图1的实施例中，滑动表面16形成在环形环17上，所述环形环与其它元件(可旋转元件12)成一体。此环是例如金属零件。其位于可旋转元件12与密封件15之间。密封件15的唇缘末端15b*与此环的表面滑动接触，所述环随着可旋转元件12一起旋转。
在图2的实施例中，滑动表面16是可旋转元件12的一体部分，尤其是可旋转元件12的外部圆柱形表面12a的一体部分。滑动表面16对应于圆柱形表面12a的环形部分。滑动表面部分16对应于密封部件13定位(在纵向位置中)，使得密封件15的唇缘末端15b*与滑动表面16接触。
如图2中所展示，密封件15可包括多于两个密封唇缘。在图2中，所述密封件包括两个密封唇缘，但密封件15可包括两个、三个、四个或更多个密封唇缘。因此，在图2中，第一唇缘15b、第二唇缘15c和滑动表面16形成具有体积V1的第一闭合且密封的环形空腔。第二唇缘15c、第三唇缘15d和滑动表面16形成具有体积V2的第二闭合且密封的环形空腔。所述环形空腔(V、V2)中的每一个可包含在密封组合件10制造时或在所述密封组合件安装在装置中时引入的所述润滑脂。
返回到图1中的第一实施例，环形环17与可旋转元件12成一体。其位于可旋转元件12与密封件15之间。密封件15的唇缘末端15b*与此环17的至少一个表面滑动接触，所述环随可旋转元件12一起旋转。
在此第一实施例中，环形环17更具体地包括：
-圆柱部分17a，其经安装以与可旋转元件12成一体，例如通过紧密地装配到所述可旋转元件12的圆柱形表面12a上，以及
-凸缘部分17b，其相对于旋转轴线X从所述圆柱部分17a的一个末端径向延伸。
密封件15则包括从环形框架14轴向延伸到凸缘部分17b的第一唇缘15b，以及从环形框架14轴向延伸到圆柱部分17a的第二唇缘15c。
因此，滑动表面16在此是固定到可旋转元件12的环形环17的一体部分。例如，滑动表面16对应于导向框架14的环形环17的外表面的全部或部分。
滑动表面16包括例如：
-在环形环17的圆柱部分17a上的第一部分，所述第一部分在旋转轴线X的纵向方向上并且对应于(面向)第二唇缘15c沿着长度c1延伸，以及
-在环形环17的凸缘部分17b上的第二部分，所述第二部分在基本上垂直于旋转轴线X的纵向方向的方向上并且对应于(面向)第二唇缘15c沿着长度c2延伸。
因此，第一唇缘15b的末端15b*和第二唇缘15c的末端15c*与滑动表面16滑动接触。
在图1和图2中，参考I对应于将通过密封组合件10密封的产品的内侧；此内侧能够包含待储存的油或润滑脂。参考E对应于产品的外侧，即也可能受到流体和/或粉尘侵袭的外部环境，所述密封组合件也对其提供保护。
根据本公开，密封组合件10进一步包括以下特征：
-第一唇缘15b包括在第一唇缘15b的末端15b*处且在第一唇缘15b的朝向滑动表面定向的面上的环形平滑区ZL，所述平滑区ZL适合于确保沿着围绕旋转轴线X的第一唇缘15b的整个圆周与所述滑动表面16连续接触，
-第一唇缘15b和第二唇缘15c各自包括朝向滑动表面定向的面上的不规则区ZB，并且
-润滑脂G为具有大于或等于百分之5的分油程度的润滑脂。
图1A是图1的第一唇缘15b的放大视图，示意性地表示第一唇缘15b的朝向滑动表面16定向的面，并且包括从第一唇缘的末端15b*开始，平滑区ZL，然后是不规则区ZB。
图4a展示第一唇缘15b的朝向滑动表面16定向的面的扩大末端15b*的照片。此照片的极暗的下部部分对应于自由空间；第一唇缘15b处于此照片的上部部分中，其中浮雕呈各种灰色阴影。
图4b展示图4b的唇缘的轮廓。此轮廓对应于在相对于旋转轴线径向延伸的平面中的唇缘的截面视图。
将在图4a的照片中观察到平滑区ZL，其是在第一唇缘15b的末端15b*处的连续条带并且沿着第一唇缘15b的整个圆周延伸。平滑区ZL还可被称为“不含凸块”。因此，平滑区ZL确保沿着第一唇缘15b的整个圆周的连续接触。因此，第一唇缘15b具有良好密封，并且在静态位置期间或在动态操作(旋转元件12的旋转)期间，包封在环形空腔内的润滑脂或流体保持在此空腔中。
平滑或不含凸块区ZL具有介于0.05mm与0.2mm之间的平滑宽度LL。举例来说，平滑宽度介于0.1mm与0.2mm之间。
任选地，密封件13的第二唇缘15c或任何其它唇缘可包括此类平滑或不含凸块区。
任选地，第一唇缘15b或任何其它唇缘可包括若干个这种类型的平滑区。
在此照片中，还可看到朝向滑动表面定向的面的不规则区ZB。不规则区ZB是包括许多凸块的区，所述凸块具有例如不规则形状。这些凸块是例如从唇缘向外延伸的突起部，并且具有凸形状，即与凹部相对。这些凸块还可为具有可变直径的半球形突起。不规则区ZB在技术术语中还可被称为“点画(stippling)”。
不规则区ZB具有例如介于3.5μm与5μm之间的算术平均粗糙度Ra。
不规则区ZB在朝向滑动表面定向的面之上延伸，不规则区宽度可取决于唇缘的大小，并且例如介于1mm与2mm之间，或1mm与4mm之间。此不规则区宽度可尤其适合于覆盖当处于其安装位置时唇缘与滑动表面16之间的接触区域。
不规则区ZB是例如通过激光机械加工或通过对适合于产生/形成密封部件13的模具的对应表面的电火花腐蚀而获得的。模具的此对应表面的形状是具有唇缘的朝向滑动表面定向的面的形状的负空间。
因此，在唇缘的预期朝向滑动表面定向的面上的不规则区ZB中存在额外厚度。换句话说，模具的对应于不规则区ZB的对应表面是凹入表面或负空间表面。相反地，平滑区ZL相对于唇缘的预期朝向滑动表面定向的面后移，即相对于放置在轮廓的截平面内的不规则区上的外部线后移。
用于产生模具的对应表面的其它过程是可能的：模具或模具的一部分的3D打印、插入件到模具中的添加等。
密封件13的唇缘在安装位置中弯曲，如图1和图2中所展示，这确保这些唇缘(15b、15c、15d)的末端与滑动表面16之间的接触。由于唇缘的此曲率，平滑区ZL和不规则区ZB与滑动表面16接触。不规则区ZB将一定量的润滑脂截留在凸块或突起部与滑动表面16之间的空隙中。这确保以比现有技术的密封组合件中更低的摩擦力矩发生滑动。
另外，滑动表面上的密封唇缘的曲率对应于干涉距离Di。对于滑动表面上的简单接触，干涉距离Di是零，即唇缘不具有曲率。唇缘被压向滑动表面的程度越大，即所述唇缘的曲率越大，干涉距离Di就增加。
第一唇缘15b和/或第二唇缘15c具有适合于在产品上的安装位置中在滑动表面16上施加介于0.1MPa与2MPa之间的压力的柔性，即适合于针对安装密封组合件10所定义的标称干涉距离的柔性。
润滑脂主要由基础油构成，所述基础油包含增稠剂和添加剂以加强润滑脂的性质。润滑脂稠度取决于增稠剂的类型和浓度，并且取决于操作温度。
润滑脂的分油是其在预定条件下，且更具体地在静置时与基础油分离的倾向。举例来说，在标准IP 121/75的方法中，将一定量的润滑脂放置在具有呈240型锥体形式的底部筛网(61μm网格)的容器中；在40℃的温度下并且在42小时或168小时的持续时间内，测量因超过100g的负载的作用与润滑脂分离的基础油的质量。
分油程度则是分离的基础油的质量与初始地放置在容器中的润滑脂的质量的比率；此比率可因此表达为百分比。
存在具有不同程序的其它分油测量标准。举例来说，在ASTM D1742标准的方法中，将一定量的润滑脂放置在具有底部75μm网格或筛的容器中；在25℃的温度下并且在24小时的持续时间内，测量在超过1.72kPa的加压空气下与润滑脂分离的基础油的质量。所属领域的技术人员将能够基于其经验建立这些标准之间的等效性。
根据本公开的用于密封组合件10中的润滑脂G是高分油润滑脂。“高分油”应理解为意味着比一般在根据现有技术的密封组合件的唇缘之间使用的润滑脂高得多的分油水平。事实上，通常需要具有此类润滑脂的低分油值，以便避免在密封组合件的静态和动态操作期间润滑脂的性质随时间推移的劣化。
更具体地，根据上文所列举的IP 121/75标准，润滑脂G为例如具有大于或等于百分之5的分油程度的润滑脂。借助于此分油程度，密封组合件10的润滑脂G在其动态旋转操作期间与适合量的基础油分离，此油能够朝向不规则区ZB流动，以便减少滑动表面16上的密封件15的摩擦力矩。
测试将允许例如使润滑脂G的性质和例如其分油程度适应于不规则区ZB的特征(形状)，并且还适应于产品和密封组合件10的技术规格。
在一些情况下，需要例如具有拥有大于或等于百分之6或甚至百分之8的分油程度的润滑脂G。接着减少滑动表面16上的密封件15的摩擦力矩。
为获得此类高分油程度(这在动态密封组合件应用中不常见，特别地对于轴承而言不常见)，润滑脂G具有例如低运动粘度的基础油。实际上，此运动粘度越低，分油程度就越高。另外，润滑脂G包括具有高稠度的增稠剂，也被称为“润滑脂皂”。此稠度越高，分油程度就越高。
举例来说，在润滑脂G中使用的基础油在40℃的温度下具有介于7mm2/s与20mm2/s之间的运动粘度。
具有高分油程度的润滑脂G的此选择与机械领域中的常见选择相反。此选择允许其更适合于来自密封组合件10的唇缘15b、15c的低接触压力。这使得有可能减少摩擦力矩。
图5示出以下各者的摩擦力矩C随干涉距离Di而变化的一些曲线：
-根据现有技术的第一密封组合件J1，即不具有平滑区ZL、不具有不规则区ZB且不具有高分油润滑脂G；以及
-根据本公开的第二密封组合件J2，即具有上文所提及的技术特征。
第二密封组合件J2的摩擦力矩比第一密封组合件J1的摩擦力矩低得多。
与第一密封组合件J1相比，第二密封组合件J2的摩擦力矩随干涉距离Di的增加较少，这意味着第二密封组合件使得有可能提供针对干涉距离Di的变化的更低摩擦力矩和更多稳固性。
因此，相比于现有技术，根据本发明的密封组合件10极大地改进。此密封组合件使得有可能获得更低摩擦力矩，同时维持相同密封性能。
图3展示滚动轴承1，其在至少一侧上包括如上文所描述的密封组合件10，以便密封所述滚动轴承的内部空间。滚动轴承是例如机动车辆的滚动轴承，并且更具体地例如机动车辆车轮的滚动轴承，如图5中所展示。
滚动轴承1具体地包括：
-固定部件2，
-可旋转部件3，其通过轴5旋转且在其上固定有例如车辆车轮，以及
-滚动主体4，其布置在形成在固定部件2与可旋转部件3之间的轴承空间4e中，以便允许可旋转部件3相对于固定部件2围绕旋转轴线X的相对旋转，同时吸收固定部件与可旋转部件之间的相当大的力。
密封组合件10的固定元件11直接为固定部件2，或者固定到滚动轴承1的固定部件2。
密封组合件10的可旋转元件12直接为可旋转部件3，或者固定到滚动轴承1的可旋转部件3。
滚动主体4可为滚珠或滚轮，或者任何其它已知类型。
借助于根据本公开的密封组合件10，滚动轴承1具有比现有技术更低的摩擦力矩。因此，装备有此类装置的车辆将在向前移动时消耗更少的能量。

Claims (10)

1.一种密封组合件(10)，其包括：
固定元件(11)，
可旋转元件(12)，其预期能够相对于所述固定元件围绕旋转轴线(X)旋转，以及
密封部件(13)，其包括：刚性环形框架(14)，其一体地安装在所述固定元件和所述可旋转元件中的一个上；以及密封件(15)，其由弹性材料制成且与所述固定元件和所述可旋转元件中的另一个元件的滑动表面(16)接触，
所述密封件(15)包括第一唇缘(15b)和第二唇缘(15c)，所述第一唇缘和所述第二唇缘两者从所述环形框架(14)朝向所述滑动表面(16)延伸，
所述第一唇缘和所述第二唇缘以及所述滑动表面限定至少部分地填充有润滑脂的内部体积，
所述密封组合件(10)的特征在于
所述第一唇缘包括在所述第一唇缘的末端处且在朝向所述滑动表面定向的面上的环形平滑区(ZL)，所述平滑区适合于确保沿着围绕所述旋转轴线(X)的所述第一唇缘的整个圆周与所述滑动表面连续接触，
所述第一唇缘和所述第二唇缘各自包括在朝向所述滑动表面定向的面上的不规则区(ZB)，并且
所述润滑脂(G)为具有大于或等于百分之5的分油程度的润滑脂。
2.根据权利要求1所述的组合件，其特征在于，所述润滑脂具有大于或等于百分之6的分油程度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的组合件，其特征在于，所述润滑脂包括基础油，所述基础油在40℃的温度下具有介于7mm2/s与20mm2/s之间的运动粘度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组合件，其特征在于，所述不规则区(ZB)具有介于3.5μm与5μm之间的算术平均粗糙度(Ra)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组合件，其特征在于，所述第一唇缘和/或所述第二唇缘具有适合于在所述滑动表面上施加介于0.1MPa与2MPa之间的压力的柔性，所述密封部件安装在所述滑动表面上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组合件，其特征在于，所述环形平滑区(ZL)具有介于0.05mm与0.2mm之间的宽度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组合件，其特征在于，所述不规则区(ZB)是通过激光机械加工或通过对用于产生所述密封部件(13)的模具的对应表面的电火花腐蚀而获得的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的组合件，其特征在于，所述第一唇缘(15b)从所述环形框架(14)朝向所述滑动表面(16)轴向延伸，并且所述第二唇缘(15c)从所述环形框架(14)朝向所述滑动表面(16)轴向延伸。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的组合件，其进一步包括与所述另一个元件成一体的环形环(17)，所述滑动表面(16)形成在所述环形环(17)上。
10.一种滚动轴承(1)，其包括根据权利要求1至9中任一项所述的密封组合件(10)，以及滚动主体(4)，其布置在轴承空间中，以便允许所述可旋转元件相对于所述固定元件围绕所述旋转轴线的相对旋转。
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