JP2018500519A - 軸線方向端面シール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジングアセンブリ（２）と、ばねカウンタリング（３）と、カウンタリングと摺動可能に関連付けられるスライドリング（４）とを備えるスライドリングシール（１）に関する。ハウジングアセンブリは、可動第１ハウジング要素（５）と、所定の場所にロックできる第２ハウジング要素（６）とを備える。本発明によれば、ハウジングアセンブリの少なくとも一部は、プラスチック及び／又は複合材料で構成されている。更に、本発明は、スライドリングシールの製造方法にも関する。【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の前提部の特徴に係る軸線方向端面シールと、請求項９の前提部の特徴に係る軸線方向端面シールの製造方法に関する。

本発明は、軸線方向端面シールに関する。軸線方向端面シールとは、回転軸を機械ハウジング（例えばその側壁）に対してシールするための動的シールを指す。動的シールにおける主たる機能要素は、互いに摺動する２個の部分、特にばね負荷スライドリングと、そのスライドリングに割り当てられるカウンタリングにより構成される。２個のリングの一方は、固定的なハウジング要素内に剛固に配置され、他方のリングは、回転止めピン等により回転軸上で支持される。２個のリング間の表面は、軸線方端向面シールの形式に応じて、通常は平面であり、典型的にはカーボン・グラファイト、金属、セラミックス、プラスチック又は合成樹脂結合型カーボン材料で構成される。

特許文献１（米国特許出願公開第2006/0061041号明細書）には、軸線方向端面シールの構造が開示されている。この軸線方向端面シールの構造は、特に、ばね負荷リング要素を内蔵した軸線方向端面シールスリーブと、軸線方向端面シールハウジング又は保持リングを備える。

米国特許出願公開第2006/0061041号明細書

ばね負荷スライドリングとしては、互いに上下に重ね合わされ、かつ２個の金属リングによって画定される複数の正弦ばねが使用される。２個の金属リングは、特に、正弦ばねを十分に支持するために機能する。このようなばね負荷構造は、正弦ばねが重ね合わされるため、技術的にコストがかかる。これは、正弦ばねを相対回転しないよう互いに正確に整列させなければならないからである。更に、このようなタイプのばね負荷構造では、多数の個別的要素を互いに対応させて組み合わせる必要がある。

本発明の課題は、軸線方向端面シールを、特に低コストで製造可能とすることである。本発明の他の課題は、簡略化された構成の軸線方向端面シールを、より少数の個別的要素で達成可能とすることである。

このような課題は、請求項１の特徴を備える軸線方向端面シールと、請求項９の特徴を備える軸線方向端面シールの製造方法により解決される。他の有利な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。

本発明は、ばね負荷カウンタリングと、カウンタリングに摺動可能に配置されたスライドリングとを備える軸線方向端面シールに関する。カウンタリング及びスライドリングは、ハウジングアセンブリに配置される。そのハウジングアセンブリは、特に、可動の第１ハウジング要素及び固定のハウジング要素を備える。ばね負荷カウンタリング及びスライドリングによって構成されるリング対は、ハウジングアセンブリ内に配置される。この場合、ばね負荷カウンタリングは第２ハウジング要素内に配置され、他方、摺動可能に配置されるスライドリングは可動の第１ハウジング要素内に割り当てられる。代案として、ばね負荷カウンタリングを可動の第１ハウジング要素内に配置し、スライドリングを固定の第２ハウジング要素内に配置してもよい。

軸線方向端面シールは、固定機械要素に対して、可動機械要素、特に回転機械要素をシールするために使用される。本発明の実施形態によれば、スライドリングが割り当てられた可動第１ハウジング要素はシャフト上に固定されるのに対して、ばね負荷カウンタリングが割り当てられた第２ハウジング要素は、例えば、機械ハウジングにおけるシャフトの通過開口内に配置及び固定される。当業者であれば、以下に記載する本発明の特徴を、ばね負荷カウンタリングが可動の第１ハウジング要素内に配置され、スライドリングが固定の第２ハウジング要素内に配置される軸線方向端面シールにも同様に適用できることは言うまでもない。更に、ばね負荷スライドリングが使用される他の実施形態も想定される。

本発明によれば、ハウジングアセンブリの少なくとも一部は、プラスチック及び／又は複合材料で構成される。好適な実施形態によれば、軸線方向端面シールスリーブとも称される可動第１ハウジング要素の少なくとも一部、及び／又は、軸線方向端面シールハウジングとも称される固定第２ハウジング要素の少なくとも一部は、プラスチック及び／又は複合材料で構成される。特に、第１ハウジング要素及び／又は第２ハウジング要素は、それぞれ、全体がプラスチック及び／又は複合材料よりなる射出成形要素として構成される。複合材料として、特に好適には、繊維強化プラスチック複合材料又は自己強化プラスチック複合材料が使用される。適切な材料又は複合材料には、特に、ガラス繊維強化プラスチック（GFRP）、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）、アラミド繊維強化プラスチック（AFRP）及び天然繊維強化プラスチック（NFRP）が含まれる。

使用される材料は極めて容易に加工することができ、従って射出成形によりハウジング要素を低コストで製造することができる。これにより、金属で構成される従来のハウジング要素に比べて製造コストが大幅に低減可能となる。更に、本発明に係る軸線方向端面シールでは重量も低減される。

本発明の実施形態によれば、スライドリングは、第１駆動要素を有し、可動の第１ハウジングは、スライドリングにおける第１駆動要素内に係合する第２駆動要素を有する。第１駆動要素と第２駆動要素との間は作動結合しているから、軸線方向端面シールにおける第１ハウジング要素が固定されたシャフトの回転は、ばね負荷カウンタリングに対して接触面を有するスライドリングに伝達される。

更に、カウンタリングは、第３駆動要素を有し、固定の第２ハウジング要素は、カウンタリングの第３駆動要素内に係合する第４駆動要素を有する。第２ハウジング要素は、固定の機械要素に固定されるため、カウンタリングの第３要素が第２ハウジング要素の第４駆動要素に係合すれば、特に、カウンタリングに対してスライドリングの回転運動の伝達が回避される。

当業者であれば、第１駆動要素が第２駆動要素に係合し、及び／又は、第３駆動要素が第４駆動要素に係合する構成としてもよいことは自明である。

従来技術において、スライドリング及びカウンタリングは、炭化ケイ素（SiC）又は金属、例えば鋼材で構成される。スライドリング及びカウンタリングにおける第１駆動要素及び／又は第３駆動要素は、典型的には凹部として形成され、やはり炭化ケイ素（SiC）又は金属材料で構成され、第１硬度を有する。

ハウジング要素の少なくとも一部は、プラスチック又は他の適切な複合材料で構成され、ハウジング要素における駆動要素の少なくとも一部も、プラスチック又は他の適切な複合材料で構成されるため、これらハウジング要素は、少なくとも駆動要素領域にて、第１硬度に比べて硬度が小さい第２硬度を有する。

本発明の実施形態によれば、第１ハウジング要素及び／又は第２ハウジング要素は、それぞれ、一体的に構成されると共に駆動要素を一体的要素として備える。従って、駆動要素は、特に第１ハウジング要素及び／又は第２ハウジング要素に対して後発的に取り付けられるのではなく、第１ハウジング要素及び／又は第２ハウジング要素の製造時に形成される。

従来技術において、スライドリング及びカウンタリングの摺動面は、ハウジング要素に配置された金属製の円筒状ピンによって駆動される。この場合、駆動要素のチッピングが生じ易い。このチッピングは、特に、スライドリング及びカウンタリングの摺動面に作用する大きなトルクに起因して生じ、又は互いに協働すると共に同じ硬度を有する第１駆動要素及び第２駆動要素若しくは第３駆動要素及び第４駆動要素が、可動機械要素と共に急に始動することに起因して生じる。

本発明において、ハウジング要素の第２駆動要素及び第４駆動要素は、第１硬度に比べて硬度が小さい第２硬度を有するプラスチック又は他の適切な複合材料で構成されるため、２つの異なる材料硬度を有する材料対が得られる。即ち、硬度のより高い第１駆動要素及び硬度のより低い第２駆動要素による材料対と、硬度のより高い第３駆動要素及び硬度のより低い第４駆動要素による材料対とが得られる。これにより、過大なトルクによるスライドリング及びカウンタリングの摺動面の損傷が回避可能となる。

本発明の実施形態によれば、第２駆動要素及び第４駆動要素は、射出成形による製造時に、ハウジング要素に直接に形成される。上述したように、ハウジング要素の全体は、それぞれ、射出成形要素として構成するのが好適である。

本発明の他の実施形態によれば、スライドリングのばねアセンブリは、複数のコイルばねにより構成される。第２ハウジング要素は、特に、コイルばねを収容するために特殊に構成された収容部又はばね受けを有する。第２ハウジング要素を製造するための射出成形用モールドは、第２ハウジング要素の製造時に、ばね受けが第２ハウジング要素内に凹部として直接に形成されるよう構成することができる。ばね受け内に挿入されるコイルばねの外径は、ばね受けの内径に実質的に対応するため、ばね受け内にコイルばねが形状密着的及び／又は摩擦係合的に保持される。コイルばねを使用する主たる利点の１つは、スライドリング及びカウンタリングの摺動面に作用する力が、必要に応じて容易に調整又は適合され得ることである。

必要なばね力は、使用されるコイルばね数を適合させて調整することができる。例えば、コイルばね数を減らせば、ばね力を低下させることができる。更に、用途に応じて、適切なばね剛性を有するコイルばねを使用することもできる。この場合、例えば、ばね剛性もより高いコイルばねを使用すれば、ばね力を増加させることができる。複数のコイルばねによって構成されるばねアセンブリの更なる利点は、他の技術的手段、特に各コイルばねを所定位置に保持するための付加的なリングやピン等が必要ないことである。

本発明に係る軸線方向端面シールは、従来技術に係る軸線方向端面シール、特にカウンタリング又はスライドリングが正弦ばねで構成されるばねアセンブリを備える軸線方向端面シールに比べて、技術的に製造が遥かに容易である。少なくとも１個のハウジング要素が、射出成形により、駆動要素及びばね受けが予め形成されるよう製造されるため、後発的な加工ステップは不要である。カウンタリング又はスライドリングにおけるばねアセンブリは、特に、複数のコイルばねと、射出成形されるばね受けとを組み合わせることにより、容易に構成することができる。この場合、コイルばねは、特に付加的な構成要素を必要とせずに固定可能であると共に、アセンブリに際して正しく整列させる必要がないため、製造上の手間を低減することができる。硬度がより低い材料を、ハウジング要素に対してのみならず、スライドリング及びカウンタリングの駆動要素にも使用すれば、軸線方向端面シールにおける摩耗を低減することができる。ハウジング要素における駆動要素も、有利には、射出成形時にハウジング要素に直接に形成することができ、ハウジング要素に対して後発的に固定する必要がない。以上列記した各点は、製造時間及び／又は製造コスト及び／又はランニングコストにとって有利である。

従来技術に係る軸線方向端面シールにおける構成要素の分解図である。 本発明に係る軸線方向端面シールにおける軸線方向端面シールハウジングの部分概略図である。 本発明に係る軸線方向端面シールにおけるスライドリングが割り当てられた軸線方向シールハウジングの部分概略図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態及びその利点を詳述する。図面における個々の要素間の寸法比は、実際の寸法比を必ずしも表すものではない。これは、明瞭性を高める見地から幾つかの要素が簡略表示されており、他の幾つかの要素は拡大表示されているからである。

図中、同一要素又は同一作用を有する要素については、同一参照符号で表すものとする。明瞭性を高める見地から、個々の図面における参照符号は、個々の図面の記載にとって必要なものに限定してある。図面における各実施形態は、本発明に係る装置及び方法を例示するものに過ぎず、限定的なものではない。

図１は、従来技術に係る軸線方向端面シール１における構成要素の分解図を示す。軸線方向端面シール１は、特に、ハウジングアセンブリ２を備え、そのハウジングアセンブリ２内にばね負荷カウンタリング３及びスライドリング４が配置されている。ハウジングアセンブリ２は、可動ハウジング要素５及び固定ハウジング要素６を備える。可動ハウジング要素５は、軸線方向端面シールスリーブとも称され、また固定ハウジング要素６は、軸線方向端面シールハウジング15とも称される。図示の実施形態において、可動スライドリング４は、可動ハウジング要素５に割り当てられているのに対して、ばね負荷カウンタリング３は、固定ハウジング要素６に割り当てられている。特に、ばね負荷カウンタリング３により固定面が構成され、スライドリング４により軸線方向端面シール１における回転面が構成されている。

各ハウジング要素5，6は、従来技術において金属で構成される。ハウジング要素は、例えば、旋盤で回転させると共に他の加工ステップにより製造されるか、又は精密鋳造によって得られた金属ブランクを更に加工することにより製造される。金属ブランクに対する更なる加工では、例えば、カウンタリング３及びスライドリング４に駆動ピン用の収容部を穿孔し、その収容部内に円筒状等の駆動ピンをねじ込む。

カウンタリング３のばねアセンブリ９は、特に、２個の金属リング13‐１，13‐2の間に配置された複数の正弦ばね12により構成されている。２個の金属リング13‐１，13‐2は、ばねアセンブリ９を軸線方向に固定するために機能する。

可動の機械要素と固定の機械要素との間における所望のシール性能を得るため、軸線方向端面シール１は、要件に応じて異なる厚さを有し得る複数のシールリング14を備える。

図２は、本発明に係る軸線方向端面シールにおける固定ハウジング要素６、特に軸線方向端面シールハウジング15の部分概略図を示し、図３は、本発明に係る軸線方向端面シールにおけるカウンタリング３が割り当てられた軸線方向端面シールハウジング15の部分概略図を示す。好適には射出成形される軸線方向端面シールハウジング15は、特に、駆動要素８及びばね受け11を備える。射出成形用モールドは、特に、射出成型時に駆動要素８及びばね受け11が軸線方向端面シールハウジング15に直接に形成されるよう構成され、従って射出成形された軸線方向端面シールハウジング15に対して更なる加工ステップが不要である。ばね受け11内には、コイルばね10が挿入される。コイルばね10が挿入された後、図３におけるカウンタリング３が取り付けられる。カウンタリング３も、やはり駆動要素７を備える。これら駆動要素７は、特に凹部16状に形成されることにより、軸線方向端面シールハウジング15に形成された駆動要素８が駆動要素７内に形状密着的に係合する。この場合、駆動要素7，8の間に一定の遊びを設けることができる。他の実施形態によれば、軸線方向端面シールハウジング15の駆動要素８は、実質的に遊びを有することなく、カウンタリング３の駆動要素７内に形状密着的及び／又は摩擦係合的に係合する。

カウンタリング３により、軸線方向端面シールハウジング15のばね受け11内に配置されたコイルばね10が押圧される。本発明に係る軸線方向端面シールにおけるばねアセンブリ９は、特に、軸線方向端面シールハウジング15とカウンタリング３との間におけるコイルばね10の全体によって構成される。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて記載した。ただし当業者であれば、添付の特許請求の範囲の趣旨内で、本発明に修正や変更を加え得ることは自明のことである。

１ 軸線方向端面シール
２ ハウジングアセンブリ
３ カウンタリング
４ スライドリング
５ 第１ハウジング要素
６ 第２ハウジング要素
７ 駆動要素
８ 駆動要素
９ ねじアセンブリ
10 コイルばね
11 ばね受け
12 正弦ばね
13 金属リング
14 シールリング
15 軸線方向端面シールハウジング
16 凹部

Claims (13)

1. ハウジングアセンブリ（２）を備える軸線方向端面シール（１）であって、前記ハウジングアセンブリ（２）内には、ばね負荷カウンタリング（３）と、前記カウンタリング（３）に摺動可能に割り当てられたスライドリング（４）とが配置され、前記ハウジングアセンブリ（２）が、可動の第１ハウジング要素（５）及び固定可能な第２ハウジング要素（６）とを備える軸線方向端面シール（１）において、前記ハウジングアセンブリ（２）の少なくとも一部が、プラスチック及び／又は複合材料で構成されていることを特徴とする軸線方向端面シール。
2. 請求項１に記載の軸線方向端面シール（１）であって、前記第１ハウジング要素（５）及び／又は前記第２ハウジング要素（６）が、プラスチック及び／又は複合材料で構成されている軸線方向端面シール。
3. 請求項１又は２に記載の軸線方向端面シール（１）であって、前記スライドリング（４）が第１駆動要素を備え、前記第１可動ハウジング要素（５）が前記スライドリング（４）における前記第１駆動要素に割り当てられた第２駆動要素を備え、前記第２駆動要素が前記第１駆動要素内に係合する、軸線方向端面シール。
4. 請求項３に記載の軸線方向端面シール（１）であって、前記第１ハウジング要素（５）及び／又は前記第２ハウジング要素（６）が、それぞれ、一体的に構成されている、軸線方向端面シール。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の軸線方向端面シール（１）であって、前記カウンタリング（３）が、第３駆動要素（７）を備え、前記固定第２ハウジング（６）が、前記カウンタリング（３）における前記第３駆動要素に割り当てられた第４駆動要素（８）を備え、前記第４駆動要素（８）が、前記第３駆動要素（７）内に係合する、軸線方向端面シール。
6. 請求項３〜５の何れか一項に記載の軸線方向端面シール（１）であって、前記第１駆動要素及び／又は前記第３駆動要素（７）が、第１硬度を有する第１材料で構成され、前記第２駆動要素（７）及び／又は前記第４駆動要素（８）が、第２硬度を有するプラスチック及び／又は複合材料で構成され、前記第１硬度が前記第２硬度よりも大きい、軸線方向端面シール。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の軸線方向端面シール（１）であって、前記ばね負荷カウンタリング（３）におけるばねアセンブリ（９）が、複数のコイルばね（10）によって構成されている、軸線方向端面シール。
8. 請求項７に記載の軸線方向端面シール（１）であって、前記第２ハウジング要素（６）が、前記コイルばね（10）用のばね受け（11）を備える、軸線方向端面シール。
9. ハウジングアセンブリ（２）と、ばね負荷カウンタリング（３）と、前記カウンタリング（３）に摺動可能に割り当てられたスライドリング（４）とを備え、前記ハウジングアセンブリ（２）が、可動の第１ハウジング要素（５）及び固定可能な第２ハウジング要素（６）を備える軸線方向端面シール（１）の製造方法において、
   前記ハウジングアセンブリ（２）の少なくとも一部を、プラスチック及び／又は複合材料を使用した射出成形により構成することを特徴とする、軸線方向端面シール（１）の製造方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記第１ハウジング要素及び／又は前記第２ハウジング要素（5，6）を、それぞれ、プラスチック及び／又は複合材料を使用した射出成形により構成する方法。
11. 請求項９又は１０に記載の方法であって、前記カウンタリング（4）と、割り当てられた前記第２ハウジング要素（６）との間に、複数のコイルばね（10）を配置する方法。
12. 請求項９〜１１に記載の方法であって、前記コイルばね（10）を、前記第２ハウジング要素（６）のばね受け（11）内に配置し、前記ばね受け（11）を、射出成形時に前記第２ハウジング（６）に形成する方法。
13. 請求項９〜１２の何れか一項に記載の方法であって、第２駆動要素（７）及び／又は第４駆動要素（８）を、射出成型時に前記第１ハウジング要素及び／又は前記第２ハウジング要素（5，6）に形成する方法。

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