CN1864015A - 密封环和密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种密封环(10)，该密封环密封工作油并且被连接到设置在轴部件(12)外周上的环形密封环形槽(16)。密封环(10)包括氟树脂；在1.33kPa或更低氧分压的惰性气体状态下、在被加热到其熔点或更高的状态下、利用范围从包括端值在内的1kGy到10MGy的电离辐射辐照而形成的改良氟树脂；和包括所述工作油的表面能在内的其表面能范围从+0N/cm到20×10－5N/cm的合成树脂。

Description

密封环和密封装置
技术领域
本发明涉及一种用于密封主要用在机动车等的自动变速箱中的相对旋转部分的工作油的密封环和使用该密封环的液压密封装置。
背景技术
迄今为止，用于车辆如机动车的自动变速箱包括变矩器、齿轮、制动器和多盘离合器。自动变速箱需要离合器接合用以传动并且采用通过油压执行该离合器接合的结构。因此，液压回路中的相对旋转部分需要密封，密封环设置在构成所述部分的部件之一的环形槽中，并且密封环被设计成在被油压挤在配对部件的外周(或内周)时滑动接触环形槽的侧壁表面。
近年来，这种密封环已经逐渐从铸铁制成的传统环变化成由允许更紧密接触配对部件并且具有极好密封特性的合成树脂制成的环。然而，因为合成树脂制成的密封环具有良好的接触特性，所以滑动接触面与配对部件的摩擦扭矩增加。因此，已经采用各种技术来减小该摩擦扭矩。
例如，作为用来减小由合成树脂制成的密封环的摩擦扭矩的技术，已知一种方法，在该方法中，氟树脂例如具有极佳的低摩擦扭矩特性的聚四氟乙烯被用作密封环的基体材料(参考日本专利申请待审公开No.H11-21408)。
发明内容
然而，虽然氟树脂具有极佳的低摩擦扭矩特性，但是其耐负荷性和耐磨损性较差。因此，存在的问题是，密封环的变形和自磨损增加，使得它变得不可能在滑动条件下保持其密封特性，特别是在滑动面上的油膜较薄的地方处于高表面压力下的情况下。
本发明已经解决了上述问题，并且本发明的目的是提供一种密封环，其能够有效减小其滑动面上的摩擦扭矩而不破坏密封特性，甚至在高压操作期间也是如此，并且因此，有助于机动车燃料消耗的改善，并且本发明的目的在于提供一种使用该密封环的密封装置。
本发明的第一方面提供了一种密封环，所述密封环密封工作油并且被连接到设置在轴部件外周的环形密封环形槽，所述密封环包括：氟树脂；在1.33kPa或更低氧分压的惰性气体环境下、在被加热到其熔点或更高的状态下、利用范围从包括端值在内的1kGy到10MGy的电离辐射辐照而形成的改良氟树脂；和包括所述工作油的表面能在内的其表面能范围从+0N/cm到20×10-5N/cm的合成树脂，其中所述密封环包括沿半径方向面对其内侧的内环周面、沿半径方向面对其外侧的外环周面、和沿轴向面对其两侧的一对侧环面，并且当油压施加到所述密封环时，外环周面被压靠在壳体的内周表面上，并且侧环面之一压靠在所述密封环形槽的侧表面上，从而保持油压。
本发明的第二方面提供了一种液压密封装置，包括：轴部件；容纳所述轴部件的壳体；和密封工作油并且被连接到设置在所述轴部件外周上的环形密封环形槽的密封环，所述密封环包括：氟树脂；在1.33kPa或更低氧分压的惰性气体环境下、在被加热到其熔点或更高的状态下、利用范围从包括端值在内的1kGy到10MGy的电离辐射辐照而形成的改良氟树脂；和包括所述工作油的表面能在内的其表面能范围从+0N/cm到20×10-5N/cm的合成树脂，其中所述密封环包括沿半径方向面对其内侧的内环周面、沿半径方向面对其外侧的外环周面、和沿轴向面对其两侧的一对侧环面，并且当油压施加到所述密封环时，外环周面被压靠在所述壳体的内周表面上，并且侧环面之一压靠在所述密封环形槽的侧表面上，从而保持油压，并且所述密封环滑动接触非铁金属的所述轴部件的密封环形槽的任何侧表面和非铁金属的所述壳体的内周表面。
附图说明
图1是可应用本发明密封环的车辆自动变速箱的液压密封装置的剖视图；
图2是示出图1密封环的使用的局部放大剖视图；
图3是透视图，示出在用来证实本发明密封环滑动特性的改进效果而执行的磨损试验中使用的密封环的形状；
图4是在用来证实本发明密封环滑动特性的改进效果而执行的磨损试验中使用的垂直盘上环(ring-on-disc)系统的磨损试验机的示意图；
图5是示出在试验条件1下的摩擦系数随时间变化的曲线图；
图6是示出在试验条件1下的磨损试验之后的密封环和盘的磨损量的曲线图；
图7是示出在试验条件2下的摩擦系数随时间变化的曲线图；
图8是示出在试验条件2的磨损试验之后的密封环和盘的磨损量的曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的密封环和液压密封装置。
如图1和2所示，本发明的密封环10设置在轴部件12的密封环形槽16中。此外，轴部件12容纳在壳体14中，并且其二者都由非铁金属构成。当油压从轴部件12的油路13施加到壳体14的油路15时，油压也被传递到各密封环形槽16以作用在各密封环10的内周表面17a和内侧表面11i。然后，密封环10发挥密封作用，使得其外周表面17b压靠壳体14的内周表面18上，并且使得其外侧表面11o，即密封面，压靠密封环形槽16的密封侧表面19。
各密封环10的外周表面17b和壳体14的内周表面18之间产生的摩擦扭矩大于环10的两个密封侧表面(11o和19)和密封环形槽16之间产生的摩擦扭矩。因此，如果壳体14在上述状态下相对于轴部件12旋转，则密封环10由壳体14伴随旋转，并且在两个密封侧表面上产生相对旋转运动。
在具有这种结构的密封装置中，如果密封环体由合成树脂制成，则可改善其与配对部件密封侧表面的接触特性，并因此改善了密封特性。然而，密封环的摩擦扭矩被增加。
关于上述问题，作为减小密封环摩擦扭矩的技术，存在使用氟树脂例如四氟乙烯的方法，其对于密封环基体材料来说具有极佳的低摩擦扭矩特性。虽然氟树脂具有这种极佳的低摩擦扭矩特性，但是该树脂具有较差的耐磨损性和耐负荷性。因此，在高表面压力下，密封环的自磨损/变形被增加，并且因此变得不可能保持密封特性。
迄今为止，为了实现氟树脂耐负荷性的改善，通常已经在氟树脂中加入例如玻璃纤维和碳纤维的纤维填料。然而，如果密封环形槽的侧表面或壳体的内周表面由诸如铝的非铁金属制成，并且如果密封环被置于PV(负荷压力×速度)＝40Mpa·m/s或更高的苛刻滑动条件下，则突出到密封环表面的纤维边缘和已经从密封环掉下来的纤维会加速作为滑动配对物的非铁金属的磨损，有时还导致密封特性被破坏。
因此，在本发明的密封环中，为了实现氟树脂耐负荷性的改善，并且同时为了抑制环侧表面或壳体内周表面的磨损，其中该环侧表面或壳体内周表面为由软的非铁金属如铝制成的配对部件，改良的氟树脂与密封环的氟树脂相混合(compound)。改良的氟树脂通过在1.33kpa或更低氧分压的惰性气体环境下、在被加热到其熔点或更高的状态下、利用范围从包括端值在内的1kGy到10MGy的电离辐射的辐照进行制备。在该条件下改良的氟树脂的分子链中具有桥接结构(bridged structure)。因此，有可能通过将改良的氟树脂与传统的氟树脂混合而在很大程度上改善耐磨损性。
这里，如果惰性气体环境下的氧分压超过1.33kPa，则氧被结合到由电离辐射活化的部分氟树脂中，并且因此趋于抑制形成上述桥接结构的再化合反应。
此外，如果电离辐射量小于1kGy，则氟树脂的局部分解反应变得难以进行，并且难以形成桥接结构。同时，如果电离辐射量超过10MGy，则仅进行氟树脂的局部分解反应，并且趋于抑制再化合反应形成的桥接结构。
利用电离辐射辐照的改良氟树脂是混合形成的，氟树脂总混合量(氟树脂和改良氟树脂的总和)的体积比率范围为包括端值在内的5到50％，并且优选地，体积比率范围为包括端值在内的10到30％。如果改良氟树脂的体积混合量小于5％，则看不出氟树脂其本身耐磨损性的改善效果。如果体积混合量超过50％，则难以将该混合体模制成密封环。
此外，因为氟树脂由于其表面能较小而表现出排油性，所以密封环不能保持滑动面的油膜，特别是在油膜薄且高表面压力的情况下。因此，不合时宜地增加了摩擦扭矩量和自磨损量。
因此，在本发明的密封环中，为了改善氟树脂制成的密封环的油膜保持性，优选地可将下述合成树脂与用作密封环基体材料的氟树脂混合。这种合成树脂为包括有待密封的工作油的表面能在内的其表面能范围为+0N/cm到20×10-5N/cm的树脂。利用这种混合，滑动部分的持油性得以改善，并且因此有可能在高表面压力下使由氟树脂制成的密封环进行滑动。
通常，为了改善密封环的油膜保持性，在其滑动面上设置有微细的不均匀，并在其上设置了用来保持油膜的槽。然而，对于这种微细的不均匀和槽，在通过模制方法而不是注模制造的由氟树脂制成的密封环中，有必要在模制之后增加机械加工工序。因此，由于生产工序的增加而导致成本增加。另外，随着滑动面不断磨损，其油膜保持性能降低。
关于上述问题，在本发明中，表面能等于或大于有待密封的工作油的表面能的合成树脂被添加至氟树脂。因此，消除了生产工序的增加。此外，即使滑动面磨损，油膜保持性能也不会降低。所以，有可能在施加高表面压力的条件下长时间地确保油膜。
对于本发明中使用的合成树脂来说，有必要具有包括工作油的表面能在内的其范围从+0N/cm到20×10-5N/cm的表面能。如果表面能不在上述范围内的合成树脂与氟树脂混合，则在施加大于4MPa的表面压力的条件下，不能看出持油性的改善效果，并且密封环本身的磨损被增加。自动变速箱用的一般工作油的表面能大致为30×10-5N/cm，并且为了在表面上产生湿润，合成树脂的表面能优选地应大于该表面能。然而，如果配对部件的金属表面和合成树脂之间的表面能差值超过20×10-5N/cm，则趋于抑制在滑动面上形成均匀的油膜。因此，对于有关合成树脂，适于使用表面能等于或大于工作油表面能并且其表面能与配对的金属部件之间的差值较小的合成树脂。作为满足上述条件的合成树脂材料，聚醯胺醯亚胺(Polyamideimide)是最佳的。此外，在这种情况下，期望使用平均颗粒直径范围从包括端值在内的2μm到150μm的粉末聚醯胺醯亚胺。
此外，优选地，将具有上述预定表面能的合成树脂以范围从包括端值在内的5到50％的体积比率与本发明的密封环混合，并且更优选地，相对于构成密封环的材料，以范围从包括端值在内的5到30％的体积比率混合。
如果合成树脂混合量的体积比率小于5％，则有时不能得到其与上述工作油的可湿性的改善效果。如果体积比率超过50％，则滑动面的摩擦扭矩有时可能会增加。
虽然本发明将在下文基于实例和对比例更详细地进行描述，但本发明不局限于这些实例。
(实例1)
对于用作密封环10基体材料的氟树脂，可使用各种氟树脂中具有极佳低摩擦扭矩特性的四氟乙烯。四氟乙烯模制粉末(由Asahi Glass Company制造的G-163)在0.133kPa的氧分压和106.4kPa氮分压以及350℃加热条件的环境下利用曝光到100kGy的电子束(2MeV的加速电压)进行辐照。从而，生产出改良的氟树脂。然后，这种改良的树脂通过喷射碾机碾磨，直到其平均颗粒直径达到大约20μm。接下来，上述改良的氟树脂以25％的体积与未改良的55％体积的四氟乙烯模制粉末(由Asahi Glass Company制造的G-163)混合。此外，作为包括工作油的表面能在内的其表面能范围从+0N/cm到20×10-5N/cm的合成树脂，20％体积的聚醯胺醯亚胺粉末(Amoco制造的TORLON 4203L；平均颗粒直径：15μm)被添加到该混合粉末中。
选择聚醯胺醯亚胺是因为，如下表1所示，它的表面能等于或大于在实际单元中使用的自动变速箱用工作油(由Idemitsu Kosan有限公司制造的尼桑真正自动变速箱流体MaticJ)的表面能，并且还因为其表面能与用作自动变速箱轴部件的铝压模材料之间的差值最小。
表1
 材料   表面能(10-5N/cm)
 聚四氟乙烯(PTFE)聚醚醚酮(PEEK)聚酰胺46(PA46)聚醚砜(PES)聚醯胺醯亚胺(PAI)铝压模材料自动变速箱用工作油(由Idemitsu Kosan有限公司制造的尼桑真正自动变速箱流体Matic J)   19.345.340.247.431.833.430.5
上述粉末混合物通过搅拌器充分混合，然后在300℃加热12小时进行处理。从而去除高温挥发成分。接下来，粉末混合物在50MPa的模制压力下预模制为圆柱体形状。此后，预模制的混合物在电炉中在350到400℃的温度下烘烤3小时。
通过烘烤得到的氟树脂混合物通过车床加工成具有直线间隙20的密封环10，如图3所示。从而得到该实例的密封环。
(对比例1)
21％体积的石墨粉(由SEC公司制造的颗粒直径为3μm的SGL)和12％体积的直径为14.5μm、长度为90μm的碳纤维(由Kureha Chemical Industry有限公司制造的Kreca Chop M-2007S)被添加到67％体积的未改良的四氟乙烯模制粉末(由Asahi Glass Company制造的G-163)。上述粉末混合物通过搅拌器混合，然后在50MPa的模制压力下预模制为圆柱体形状。此后，预模制的混合物在电炉中在350到400℃的温度下烘烤3小时。
通过烘烤得到的氟树脂混合物通过车床加工成具有直线间隙20的密封环10，如图3所示。从而得到该实例的密封环。
(对比例2)
实例1的35％体积的改良氟树脂与65％体积的未改良四氟乙烯模制粉末(由Asahi Glass Company制造的G-163)混合。得到的混合物通过搅拌器充分混合，然后在300℃加热12小时进行处理。从而去除高温挥发成分。接下来，粉末混合物在50MPa的模制压力下预模制为圆柱体形状，此后，在电炉中在350到400℃的温度下烘烤3小时。
通过烘烤得到的氟树脂混合物通过车床加工成具有直线间隙20的密封环10，如图3所示。从而得到该实例的密封环。
(对比例3)
实例1的20％体积的改良氟树脂与50％体积的未改良四氟乙烯模制粉末(由Asahi Glass Company制造的G-163)混合。此外，在混合的粉末中添加了10％体积的不锈钢片状粉末(由Fukuda Metal Foil & Powder有限公司制造的St-S400网)作为金属粉末和20％体积的聚醯胺醯亚胺粉末(Amoco制造的TORLON 4203L；平均颗粒直径：15μm)作为包括工作油的表面能在内的其表面能范围从+0N/cm到20×10-5N/cm的合成树脂。
以上述方式得到的粉末在与实例1相似的条件下加工成密封环10，得到了该实例的密封环。
(性能评定)
为了证实本发明滑动特性的改善效果，在自动变速箱用工作油(由Idemitsu Kosan有限公司制造的尼桑真正自动变速箱流体Matic J)28中对实例1和对比例1-3的密封环进行了磨损试验(参考图4)。
作为配对部件，近年来，基于其重量减轻的需要，选择了铝压模材料(ADC-12)用作自动变速箱的轴部件12。注意，对于铝压模材料(ADC-12)，使用了与JIS H5302(ISO 3522)一致的材料。此外，对于与试验装置的安装，铝压模材料的试验件形状被设置为直径60mm、厚度10mm，并且该试验件被定义为盘25。其滑动接触面的表面粗糙度被设为大致：Ra＝1μm。
图4示意性地示出了在该试验中使用的垂直盘上环系统的摩擦和磨损试验机。该试验机在其上部具有环固定器21。环固定器21借助设置在内周表面17a侧的扣环22的弹性力将外周表面17b推靠于固定器槽部来固定密封环10，从而使得密封环10在滑动期间不会沿其直径方向移动。
同时，连接到旋转轴27的盘固定器26设置在试验机下部。当盘25通过螺栓固定到盘固定器26时，盘25相对于密封环10自由旋转。接下来，使环固定器21下降，从而使得密封环10和盘25实现滑动接触关系。此外，压力P从环固定器21轴线方向施加到密封环10和盘25，从而将密封环10和盘25夹到一起。这时，密封环10和盘25的滑动接触部分浸没在工作油(由Idemitsu Kosan有限公司制造的尼桑真正自动变速箱流体Matic J)28中。注意，附图标记23表示测力传感器，附图标记24表示扭矩传感器。
首先，通过使用上述试验机，对实例1和对比例1和2的密封环在试验条件1(夹紧的表面压力为5MPa，摩擦速度为10m/sec，测试时间为6小时)下进行滑动测试。图5示出了在试验条件1下的摩擦系数随时间的变化，图6示出了滑动测试之后的密封环10和盘25的磨损量。
如图5所示，在本发明的实例1中，滑动测试期间，摩擦系数的变化和绝对值较小，实例1展现出铝制盘25良好的滑动特性。同时，在各对比例1和2中，相对于滑动测试条件，密封环10耐磨损性和耐负荷性的改善不够。因此，在测试中，密封环10发生不正常的磨损，并且摩擦系数快速增加。通过比较实例1和对比例1和2，可以证实，在实例1中，聚醯胺醯亚胺的添加改善了持油性，并且在很大程度上改善了旋转特性。
由于本发明的实例1在试验条件1下展现出铝材料良好的滑动特性，所以如图6所示，在该实例中，盘25和密封环10的磨损量较小。同时，在各对比例1和2中，环的耐磨损性和耐负荷性的改善不足。因此，在测试期间，密封环10发生不正常磨损，并且环的磨损深度到达1000μm或更多。
此外，在添加碳纤维的对比例1中，从密封环10滑动面突出的碳纤维磨损了作为配对部件的铝盘25。因此，不仅密封环10的磨损量而且铝盘25的磨损量被增加。
注意，当混合有不锈钢片状粉末的对比例3的密封环也在上述试验条件1下进行滑动测试时，该实例的密封环展现出铝制盘25良好的滑动特性。另外，在很大程度上改善了该环的耐磨损性。因此，在该环中没有看到磨损(磨损深度：0μm)。
接下来，为了阐明实例1更优，在接触压力增加的试验条件2(其中夹紧表面压力为8MPa，摩擦速度为10m/sec，测试时间为6小时)下，仅对实例1和对比例3执行了滑动测试。图7示出了在试验条件2下的摩擦系数随时间的变化。
如图7所示，在实例1中，在滑动测试期间，摩擦系数的变化和绝对值在试验条件2下也较小，并且实例1展现出铝盘25良好的滑动特性。与此相反，在实例3中，摩擦系数随着测试时间的过去而增加，并且在从测试开始起的40分钟内，环的磨损量到达大致1000μm。因此，测试被中断。如上所述，可以认识到，在对比例3中，不具有自润滑特性的不锈钢片状粉末在高表面压力下导致摩擦系数增加，滑动面的温度随测试时间的过去而升高，并且从而加速了密封环的磨损。
图8示出了滑动测试之后的密封环10和盘25的磨损量。在实例1中，虽然环看起来被磨损到大致100μm，但是这不是磨损而是蠕变变形所致量。由于该原因，环的磨损在实例1中也很轻微。同时，在对比例3中，随着摩擦系数的增加，环发生了不正常的磨损。另外，环的不正常磨损加速了铝的磨损。
如上所述，在本发明中，对于氟树脂制成的密封环，添加了表面能大于工作油表面能的合成树脂，并且添加了通过在惰性气体环境下、在被加热到其熔点或更高的状态下、用预定范围的电离辐射辐照而构成的改良氟树脂。因此，即使滑动的配对部件是非铁金属如铝合金，密封环对配对部件的侵蚀也可被减小，并且可保持良好的密封特性。另外，有可能将滑动面上的摩擦扭矩减小到可能的最小值。因此，带来可能有助于改善机动车燃料消耗的极佳效果。
2003年10月2日提交的日本专利申请No.P2003-344103的全部内容通过参考方式结合在此。
虽然上文已经通过参考本发明的某些实施例描述了本发明，但本发明不局限于依据该教导由本领域技术人员想到的上述实施例。本发明的范围由随后的权利要求限定。
实用性
根据本发明，仅通过改变密封环的填料就有可能改善滑动特性，因此，没必要改变密封环本身的基本设计和生产设备。因此，可以以低成本得到改善滑动特性的优点。

Claims (7)

1、一种密封环，所述密封环密封工作油并且被连接到设置在轴部件外周上的环形密封环形槽，所述密封环包括：
氟树脂；
在1.33kPa或更低氧分压的惰性气体环境下、在被加热到其熔点或更高的状态下、利用范围从包括端值在内的1kGy到10MGy的电离辐射辐照而形成的改良氟树脂；和
包括所述工作油的表面能在内的其表面能范围从+0N/cm到20×10-5N/cm的合成树脂，
其中所述密封环包括沿半径方向面对其内侧的内环周面、沿半径方向面对其外侧的外环周面、和沿轴向面对其两侧的一对侧环面，并且
当油压施加到所述密封环时，所述外环周面被压靠在壳体的内周表面上，并且所述侧环面之一压靠在所述密封环形槽的侧表面上，从而保持油压。
2、根据权利要求1所述的密封环，
其中所述改良氟树脂与所述氟树脂和所述改良氟树脂总量的体积比率范围为包括端值在内的从5到50％。
3、根据权利要求1所述的密封环，
其中所述合成树脂和构成所述密封环的材料的体积混合比范围为包括端值在内的从5到50％。
4、根据权利要求1所述的密封环，
其中所述合成树脂为聚醯胺醯亚胺。
5、根据权利要求4所述的密封环，
其中所述聚醯胺醯亚胺被用作平均颗粒直径范围从包括端值在内的2μm到150μm的粉末。
6、根据权利要求1所述的密封环，
其中所述密封环用于车辆自动变速箱中相对旋转部分的液压密封。
7、一种液压密封装置，包括：
轴部件；
容纳所述轴部件的壳体；和
密封工作油并且被连接到设置在所述轴部件外周上的环形密封环形槽的密封环，
所述密封环包括：
氟树脂；
在1.33kPa或更低氧分压的惰性气体环境下、在被加热到其熔点或更高的状态下、利用范围从包括端值在内的1kGy到10MGy的电离辐射辐照而形成的改良氟树脂；和
包括所述工作油的表面能在内的其表面能范围从+0N/cm到20×10-5N/cm的合成树脂，
其中所述密封环包括沿半径方向面对其内侧的内环周面、沿半径方向面对其外侧的外环周面、和沿轴向面对其两侧的一对侧环面，并且当油压施加到所述密封环时，所述外环周面被压靠在壳体的内周表面上，并且所述侧环面之一压靠在所述密封环形槽的侧表面上，从而保持油压，并且
所述密封环滑动接触非铁金属的所述轴部件的密封环形槽的任何侧表面和非铁金属的所述壳体的内周表面。
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