CN118019935A - 密封圈的制造方法和密封圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于密封系统(200)、尤其气动或液压系统形式的密封系统的密封圈(10)，其包括在圆周侧布置的密封边缘(52)，用于动态接触机器部件(32,34)的密封面(40)，所述密封边缘设计为相对于密封圈(10)的中心轴线(16)环形闭合，其中所述密封圈(10)在空载状态下在包括所述中心轴线(16)的截面中具有横轴线(18)，该横轴线与中心轴线(16)形成7°≤α≤90°的角度α。本发明还涉及一种密封系统和从纵向型材(12)制造密封圈(10)的方法。

Description

密封圈的制造方法和密封圈

技术领域

本发明涉及一种用于制造密封圈的方法以及一种密封圈。

背景技术

密封系统在许多技术领域都有应用，它主要由两个机器部件组成，这两个机器部件之间有一定的距离，并且可以沿着和/或绕着运动轴线相对运动。在液压或气动系统的情况下，其中一个机器部件被设计成活塞或活塞杆，相应另一个机器部件被设计成气缸，所述活塞或活塞杆可在所述气缸中来回移动。两个机器部件之间形成轴承或密封间隙，其通过至少一个密封圈进行密封。替换地，密封系统也可以具有一个轴状的机器部件和另一个环绕轴的壳体状机器部件。所使用的密封圈通常具有密封边缘，所述密封边缘在其装配位置中动态密封地贴靠在两个机器部件之一的密封面上并且通常设计为所谓的径向密封圈。所述密封圈由密封件保持结构保持，该密封件保持结构通常为环形槽，所述密封圈被保持在所述环形槽中或所述环形槽上。通常会使用预紧元件，例如橡胶圈，以确保密封圈的密封边缘和密封面之间有足够的接触压力。密封圈也可以设计成所谓的刮片形式或具有刮片功能，以防止水或污物进入或被带入密封系统。

带有上述密封圈的密封系统例如由US2019 0107 203A1和US 5 082295A已知。

已知的密封圈通常通过注塑工艺产生。

发明内容

本发明的任务是提供一种简化且成本有利的用于制造具有区段地不同的材料特性的密封圈的方法以及这种密封圈。

与用于制造密封圈的方法有关的任务由权利要求1中给出的方法来解决。在权利要求5中给出根据本发明的密封圈。

本发明的方法用于制造密封圈，尤其径向密封圈，其方法步骤如下：

在第一步骤中，提供圆柱管或圆柱杆(实心型材)形式的纵向型材。

在另一步骤中，在纵向型材的材料中确定要与纵向型材分离的径向密封圈，所述径向轴密封圈的横轴线与纵向型材的中轴线成7°≤α≤90°的锐角α。换句话说，从纵向型材的纵截面看，密封圈被限定在纵向型材的材料中，其横轴线与纵向型材的内圆周侧倾斜延伸。因此，密封圈的外轮廓沿中心轴线的方向朝密封圈的高压侧逐渐变细。

在随后的步骤中，通过机械加工(或切削)方法将密封圈与纵向型材分离。为此可使用常规机床。

径向密封圈通常是不对称的并且具有面向高压侧H的上游侧和背离高压侧H的下游侧或者在刮环的情况下具有朝向环境的一侧。这种径向密封圈通常需要在密封面的轴向宽度上具有不同的特性。例如，用于高压应用的径向密封圈要求增加下游侧(即低压侧)的机械强度。相应地，在刮片的情况下，也需要增加朝向环境的材料硬度。目前的设计，即使是由具有同心层的混合材料制成，也无法在一个部件中满足这些要求，因此往往必须包括额外的部件，如用于该目的的角加固件或支撑环，从而增加了复杂性和制造成本。

根据本发明，使用具有两个或更多同心材料层的多组分纵向型材或混合纵向型材作为纵向型材，这些材料层在其材料特性(如机械、化学或电气特性)或成本或外观方面彼此不同。在这方面，由不同PTFE(聚四氟乙烯)化合物同心层、PTFE/PEEK(＝聚醚醚酮)层或PTFE和PU(聚氨酯)层混合材料制成的纵向型材尤其适用。

因此，在使用多组分纵向型材时，本发明可以将某些材料层置于密封圈的不同轴向位置。这样就可以生产出在密封圈的轴向延伸尺寸上(相对于其中轴线)具有不同光学、机械、电气或化学或其他材料特性的部分。以用作活塞杆密封件的径向密封圈为例，例如可以在背离密封件的低压侧的密封区段或密封边缘上设置可机械加载的材料，而在密封区段的轴向中心使用密封性能更好的较软材料，必要时也可以在径向密封圈的高压侧使用另一种材料，例如用于降低材料成本或改进安装。在其他径向密封件、径向轴密封件和刮片中等中也可以实现类似的优点。

使用本发明方法生产的密封圈尤其适用于液压或气动应用，即气动或液压系统，或用作径向轴密封件。为此，密封圈具有密封边缘，优选布置在圆周侧的密封边缘，用于与机器部件的密封面进行动态密封接触。密封边缘相对于密封圈的中心轴线呈环形封闭。尤其，密封圈可以设计成内部密封或外部密封。根据本发明，在空载状态下，密封圈在包括中心轴线的横截面上具有横轴线，该横轴线与密封圈的中轴线形成7°≤α≤90°的锐角α。在这种情况下，横轴线是指密封圈的以下轴线，该轴线在密封圈的上述横截面中从低压侧延伸到高压侧地定向并且在密封圈的安装状态中平行于或基本平行于待相互密封的机器部件的密封面或运动轴线延伸地定向。尤其，横轴线可以与密封圈的一个或两个侧翼正交延伸地布置。因此，在空载状态下，本发明的密封圈具有内部横截面，其尺寸从密封圈的低压侧向高压侧减小。因此，为了进行安装，与低压侧相比，密封圈必须在高压侧产生更大的变形(即在内部密封的密封圈的情况下强烈扩张更大，或在外部密封的密封圈的情况下压缩更大)。因此，在安装或装配状态中，在密封圈的整个轴向宽度上(在其圆周上)的压缩量会发生变化。在密封圈的安装或装配状态下，这可用于改善密封圈对密封面(配合面)的接触压力分布，同时通过减少密封圈低压侧部段的负载来改善针对高压侧H的运行压力的抵抗力。

在此，本发明的密封圈能够以简单和低成本的方式制造并且在制造时不需要特殊工具。

根据本发明，密封圈尤其可以设计成径向密封圈。在此，径向密封圈可以具有支撑结构，该支撑结构布置在密封边缘的高压侧H上，在密封圈中轴线的轴向方向上与密封边缘保持一定距离。因此，一方面这意味着在装配密封系统时，当待相互密封的部件被推到一起时，密封系统的具有密封面的机器部件在径向密封圈上的首次冲击可以被吸收。在装配过程中，支撑结构还可用于使径向密封圈相对于密封系统中待相互密封的机器部件的运动轴线定心。因此，当密封边缘与相关机器部件接触时，它可以被环绕地接触。这为径向密封圈的密封边缘提供了特别柔和的装配优点。因此，可以防止密封边缘出现不理想的结构性过度应力以及与之相关的径向密封圈过早磨损或过早功能失效。此外，例如在径向密封圈的径向内部密封设计中，当带有密封面的机器部件通过支撑在该机器部件上的支撑结构在高压侧轴向插入到径向密封圈时—在接触密封边缘之前—可对径向密封圈施加扭矩，该扭矩可使径向密封圈旋转或摆动到或朝向其在密封件保持结构内/上的预定安装位置。

对于径向密封圈的密封性能而言，重要的是支撑结构在运行期间不会影响密封功能，也不会限制流体流动或压力进入密封面。因此，支撑结构可以带有轴向延伸的楔口。在径向密封圈的使用中，支撑结构优选不与密封面接触，即与密封面保持一定距离。

根据本发明，支撑结构例如可以由环形凸缘形成，或由沿径向密封圈的周向方向彼此间隔开的多个径向凸起形成，或由径向密封圈的边缘形成，该边缘由密封圈在装配开口侧或高压侧的端面/侧翼和具有密封边缘的密封圈圆周面形成。

根据特别优选的拓展方案，径向密封圈具有背离密封边缘的圆周侧或侧面，其在密封圈的被加载压力的装配状态中至少区段地呈圆柱形。这样就可以实现在径向方向上张紧的预紧环的大面积支撑，通过所述预紧环，径向密封圈的密封边缘(在安装状态下)可以在相对于径向密封圈的中心轴线的径向方向上张紧在机器部件的密封面上。根据另一种实施方式，圆周侧可以在径向密封圈的纵向方向上呈凹形或向外凸形弯曲。

特别优选地，密封圈具有相互平行延伸的端侧。由此，可以实现密封圈的简单制造以及广泛应用。

密封圈设计为多组分部件，尤其双组分或三组分部件。由此，密封圈可以根据需要在不同区段中或不同区段上具有不同的材料特性。例如，密封圈的材料在密封边缘的区域中例如可以是粘塑性的，而其余部分可以是橡胶弹性的，反之亦然。此外，密封圈还可以有加强区域，通过所述加强区域局部提高密封圈的防止变形的机械稳定性。如果密封圈设计为多组分部件，则在密封圈的空载状态下，密封圈材料层之间的每条分界线都布置成平行于密封圈的中心轴线延伸。在密封圈的安装状态下，每条分隔线与中心轴线或与要密封的机器部件的运动轴线成上述锐角α或基本上成上述锐角α，其中7°≤α≤90°。

根据本发明的一个拓展方案，密封圈由一种或多种塑料制成，这些塑料的材料特性各不相同。例如，所述塑料中的至少一种塑料可以是弹性体。

附图说明

本发明的其他优点从说明书和附图中得出。下面将参照图中所示的实施例对本发明进行更详细的解释。所显示和描述的实施例不应被理解为穷举，而应被理解为用于描述本发明的示例性特征。

附图中：

图1以局部纵截面示出纵向型材，其具有由纵向型材产生的密封圈的示例性轮廓，其中该轮廓在该纵向型材中以常规方式定义(现有技术)；

图2以局部纵截面示出纵向型材，其具有由纵向型材产生的密封圈的示例性轮廓，其中该轮廓在该纵向型材中以本发明的方式定义；

图3示出框图，其具有本发明的用于制造根据图1至5的密封圈的各个方法步骤；

图4示出带有密封圈的密封系统，按密封系统各个装配步骤的时间顺序排列，即第一机器部件插入第二机器部件，密封圈部分地预装在所述第二机器部件的密封件保持结构中(图4A)；第一机器部件与部分安装的密封圈首次接触(图4B)，密封圈在密封件固有的弹性恢复力作用下径向旋入并与密封边缘首次接触(图4C)，密封圈进一步旋入密封件保持结构时(图4D)以及密封面在非加压装配状态下与密封边缘接触时(图4E)；

图5示出根据图4的密封系统，在高压侧施加低于最大运行压力P_max的运行压力P；

图6示出根据图4的密封系统，在高压侧施加最大运行压力P_max；

图7示出双组分结构方式的密封圈的剖视图(图7A)和准备就绪的安装状态图(图7B)；

图8示出双组分结构方式的密封圈的剖视图(图8A)和准备就绪的安装状态图(图8B)；以及

图9示出双组分结构方式的刮片形式的径向密封圈的剖视图(图9A)和准备就绪的安装状态图(图9B)。

具体实施方式

在现有技术中，密封圈以及尤其所谓的刮片(它们被归类为径向密封圈)通常是通过注塑或机械加工工艺从纵向型材中制造出来的。根据图示，通常使用圆柱形管材并且较少使用棒材(实心型材)作为纵向型材。根据密封圈的传统制造方法，成品密封圈被定义在纵向型材的材料中。在根据图1的剖视图中，不同密封圈10的示例轮廓(此处纯粹以径向密封圈为例)在管状纵向型材12的材料中示出。纵向型材12的中轴线14与要用其制造的密封圈10的中心轴线16分别重合。要制造的密封圈10的各个横轴线18都相对于纵向型材12的中心轴线16或中轴线14严格平行或基本平行延伸地定向。

下文将结合图2和图3解释本发明的密封圈10(包括径向密封圈和刮片)的制造。图2以与图1相应的方式示出纵向型材12的剖面图，其包括要按照本发明的方法从纵向型材12生产出的各个密封圈10的轮廓。图3示出具有本发明的方法100的各个方法步骤的框图。

根据本发明的方法100，在第一步骤102中提供纵向型材12。所述纵向型材12可以设计成圆柱管或圆柱杆(尤其由实心材料制成)。在下一步骤104中，如图2中借助于不同密封圈10的示例性轮廓所示(这里纯粹以径向拉直环为例)，在纵向型材12的材料中定义要制造的各个密封圈10。在此，待制造的密封圈10以其在图2中示出的横轴线相对于纵向型材12的中轴线14或待产生的密封圈10的中心轴线16成角度α倾斜地布置或定义。原则上，所述角度α在量值上大于7°。尤其，所述角度α在量值上可以在11°和90°之间。

在下一步骤106中，一个密封圈10或多个密封圈10通过机械加工(或切削)方法从纵向型材12切离(分离)或加工出来。为此，可以使用现有技术中用于密封件生产的机械加工(或切削)制造方法和机床。因此，在实践中没有必要进行成本高昂的新投资。

根据图2，与现有技术(图1)中已知的密封圈10相比，根据本发明的方法100制造的密封圈10在各自的高压侧轴向端20和低压侧轴向端22的区域中具有不同的内径d₁、d₂。如果将密封圈10安装在密封件保持结构中，尤其机器部件的(矩形)槽中，则只有在密封圈10本身被扭转的情况下才能实现。换句话说，安装时必须对密封圈施加扭矩。

需要注意的是，可以使用多组分纵向型材12，例如双组分纵向型材12作为纵向型材12。这种纵向型材12具有多层结构。因此，可以由多组分纵向型材12产生具有径向或轴向段24、26的密封圈，这些径向或轴向段的材料特性各不相同。所示的纵向型材12的各个部件或(材料)层28、30与纵向型材12的中轴14同轴布置并彼此永久连接。因此，如果不破坏该纵向型材12，就不能将它们相互分离。可以理解的是，纵向型材12也可以具有多于图中所示的两个(材料)层。

在图4中示出密封系统200与密封圈10(此处以内部密封的径向密封圈为例)在连续时间点上的装配情况。例如，密封系统200可以是气动或液压系统。

密封系统200包括第一机器部件32和第二机器部件34，它们在装配状态下在形成密封间隙36的情况下彼此间隔开并被布置成可沿着和/或围绕运动轴线38彼此相对移动。

第一机器部件32例如可以是活塞杆。第二机器部件例如可以是气缸。第一机器部件32具有密封面40，另一个机器部件34具有密封件保持结构42。密封圈10用于密封所述系统200的高压侧H或所述密封间隙36。在所述系统200的装配状态下，密封圈10被保持在密封件保持结构42中，此处为矩形截面的环形槽(＝矩形槽)。密封圈10在高压侧具有第一端侧44并且在低压侧具有第二端侧46。密封圈10的内圆周侧标有48，外圆周侧标有50。密封圈10的两个端侧44、46可以实施成相互平行地延伸。

在装配状态下，密封圈10以其密封边缘52动态密封地贴靠在第一机器部件32的密封面40上。可橡胶弹性地变形的预紧元件54用于确保密封边缘52和密封面40之间有足够的接触压力。预紧元件54在圆周侧环绕地贴靠在密封圈10上并将其张紧在密封面40上。例如，预紧元件54可以设计成橡胶圈或蜗杆弹簧。

这里，第一机器部件32的一端具有斜面56作为装配辅助。在所述系统200的装配过程中，第一机器部件32纵向于并且同轴于运动轴线38从高压侧H插入到第二机器部件34中，图4A。在此，密封圈10的支撑结构58在第一机器部件32与密封边缘52接触之前按时间顺序首先与第一机器部件32接触，图4B。

密封圈10(通过第一机器部件32的轴向(插入)运动)通过第一机器部件32在高压侧在密封圈10沿径向变形的情况下运动到密封件保持结构42中，从而在密封圈10上产生力矩60。换句话说，通过所述支撑结构58引起沿径向作用的力矩，通过该力矩在径向密封圈10和预紧元件54变形的情况下(见图4c)减小角度α(见图4a)。同时，径向密封圈10和第一机器部件32相对于中心轴线16或运动轴线38定心。总体上，由此可以在装配所述系统时防止密封边缘52受到过大的载荷及损坏。

只有当第一机器部件32进一步轴向运动到第二机器部件34中时，密封边缘52才会接触第一机器部件32的斜面56(图4C)，并且由于第一机器部件32的进一步轴向移动，密封圈10会进一步移动到密封件保持结构42中，直到密封边缘接触到第一机器部件的密封面40(图4D)并且最终达到图4E所示的密封系统200在非加压状态下的装配状态。即使在这种情况下，装配导致的角度α的减小仍然存在。

应该注意的是，在所述系统200的非加压装配状态下，预紧元件靠在密封圈10上的方式是，预紧元件54的有效中心平面62相对于密封圈10的密封边缘52在轴向方向上向密封圈10的高压侧H偏移。

在图5中，上文结合图4解释了密封系统200，其中高压侧H的运行压力P为P＝1兆帕。

图6示出密封系统200在本例中高压侧H的最大运行压力P_max为30兆帕时的情况。

根据图5和图6，当在高压侧给密封间隙36施加运行压力P时，预紧元件54的有效中心平面62沿轴向向低压侧N产生位移，该位移与运行压力P成正比。在这种情况下，密封圈10的横轴线18与密封圈10的中心轴线16或运动轴线38之间的夹角α会进一步减小，甚至会改变符号。换句话说，横轴线18与中轴线的平行定向只有在安装好的运行状态下以及在高压侧施加运行压力P时才能实现。

在最大运行压力P_max时(图6)，预紧元件基本上沿轴向向低压侧N以及沿径向向密封面40等体积变形。然后，密封圈10以其密封边缘52并且以其在低压侧与密封边缘52直接相邻的纵向段64环绕地贴靠在密封面40上。这使得密封圈10能够在较大面积上得到支撑，从而即使在较高的系统压力下，也能防止对密封圈10的密封边缘52造成不希望的损坏。同时，密封间隙36在轴向方向上的封闭距离较长，这确保了密封圈10即使在最大运行压力P_max时也能确保足够的密封效果。

此外，密封圈10还可以具有低压侧的端部区段66(图5)，该端部区段(在截面中)向低压侧的端侧46至少区段地(例如锥形地)变细。这在运行压力P增加到最大运行压力P_max时有利于预紧元件54径向地沿密封面40的方向产生径向变形并对密封圈10产生倾斜力矩。

在图7至图9中分别示出密封圈10的剖视图(图7A、8A和9A)和装配状态/运行状态(图7B、8B和9B)。所述密封圈10分别设计成多组件部件并按上述方式从纵向型材切出。

在密封圈10的空载状态下，密封圈10的材料层之间的分界线68(另见图2)——在径向密封件10的纵截面中——平行于中轴线。当密封圈10完全装配好后，它被布置成分别相对于中心轴线16倾斜。这样就可以将第一材料(例如具有良好密封和摩擦性能的材料)放置在密封边缘上，而将另一种材料(例如具有高抗密封圈10挤压性能的材料)放置在低压侧。作为额外的或替代的优点，这可用于对密封圈10的正面和背面进行颜色表征，从而改进安装和检查程序。

根据图9，设计成刮片的密封圈10具有三层结构。在这里，刮擦和密封边缘70由坚硬且机械坚固的材料制成，而动态密封的密封边缘52则由另一种材料制成，例如具有良好摩擦性能的材料。仅与预紧元件或密封件保持结构接触的区域可以由低成本材料制成。

Claims (5)

1.一种用于由纵向型材(12)制造密封圈(10)的方法(100)，其包括以下步骤：

-提供(102)呈管或棒形式的纵向型材(12)；

-在纵向型材(12)的材料中在空间上限定(104)要与纵向型材(12)分离的密封圈(10)，所述密封圈(10)的横轴线(18)相对于所述纵向型材(12)的中轴线(14)以角度α延伸，所述角度为7°≤α≤90°；以及

-将密封圈(10)与纵向型材(12)通过机械加工分离(106)；

其特征在于，

提供多组分纵向型材(12)作为纵向型材(12)，所述多组分纵向型材具有层(28、30)，所述层在其材料特性方面相互不同。

2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述角度α在10°和45°之间选择。

3.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述角度α在13°和30°之间选择。

4.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，所述层(28,30)布置成与所述多组分纵向型材(12)的中轴线(14)同轴延伸。

5.一种用于气动或液压系统(200)的密封圈(10)，其包括用于动态接触机器部件(32，34)的密封面(40)的密封边缘(52)，所述密封边缘被实施为相对于所述密封圈(10)的中心轴线(16)环形闭合，其中所述密封圈(10)在其空载状态下在包括所述中心轴线(16)的截面中具有横轴线(18)，所述横轴线与所述中心轴线(16)形成角度α，所述角度为7°≤α≤90°，其特征在于，

所述密封圈(10)根据前述权利要求1至4之一所述的方法(100)制造。