JP5654607B2 - ばね活性化動的封止アセンブリ用のシステム、方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、シールに関し、特に、ばね活性化エラストマーおよびポリマー動的シールアセンブリ用の改良されたシステム、方法および装置に関する。

油圧供給に使用される直線運動ロッドまたはシリンダ用の動的シールは、システムからの油圧流体の損失と、移動部の間における異種粒子の侵入とを防止する。動的表面または相対運動面は係合部の内径または外径に配置され得る。従来のシールは、典型的に、速く摩耗するかまたは断裂しやすいエラストマー、あるいはエラストマーよりも丈夫であるが、より低い封止能力を有するポリマーを含む。

従来のシールは、典型的に、シールの前縁荷重と動的表面からのオイルの除去とを制限する真っ直ぐな円錐状接触面も有する。さらに、このようなシールの逆の軸運動は剪断または接着のオイルポンピングのために低減される。これらの制限により、シール内の水分が過剰になることがあり、これにより、より多くの漏出または漏洩を許容してしまうことがある。さらに、従来のシールは、典型的に−４０℃よりも高い制限された動作温度範囲を有する。これらの設計制約は、シールの用途、速度、圧力、化学的性質および他の物理的制約ならびにシールの有用性をさらに狭める。公知の解決策がいくつかの用途のために実行可能であるが、改良された線形動的シールが望ましいであろう。

動的シールアセンブリの実施形態が開示される。油圧供給に使用されるとき、シールは油圧流体の流出と異種粒子の侵入とを防止する。いくつかの実施形態では、封止装置は３つの環状構成要素のアセンブリである。金属ばねは、ポリマーリングに結合されるエラストマー体またはカバーに接合される。ばねは、重なり合った金属ストリップから金型成形されることが可能であり、Ｕ字形カンチレバー設計を含むことが可能である。エラストマー体とポリマーリングとは、半径方向部材等によって半径方向溝内で機械的にインターロックする。

エラストマー体の実施形態は、従来の真っ直ぐな円錐面ではなく、半径方向外側に延びる表面の接触部および封止部に大きな半径を有する半径方向外側に延びる表面を有する。この設計は前縁荷重と動的表面からのオイルの除去とを強化する。いくつかの実施形態では、シールの逆の軸運動は剪断または接着のオイルポンピングのための設計によって強化される。

実施形態の上記および他の目的および利点は、本発明の以下の詳細な説明に鑑み、添付の特許請求の範囲および添付図面を参照すれば当業者に明らかになるであろう。

添付図面を参照することによって、本開示、および当業者に明らかになる本開示の多数の特徴および利点をより良く理解し得る。

本発明に従って構成される、弛緩状態のシールアセンブリが示されている線形動的封止用途の一実施形態の断面側面図である。 本発明に従って構成される、図１の線形動的封止用途のシールアセンブリの一実施形態の拡大部分側面図である。 本発明に従って構成される、弛緩状態のシールアセンブリが示されている線形動的封止用途のためのシールアセンブリの他の実施形態の拡大部分側面図である。 本発明に従って構成される、ばねの代替実施形態を有するシールアセンブリの部分断面等角図である。 本発明に従って構成される、ばねの代替実施形態を有するシールアセンブリの部分断面等角図である。 本発明に従って構成される、圧縮状態で示されている図３の線形動的封止用途の一実施形態の断面側面図である。 本発明に従って構成される、端面シールアセンブリを備える他の実施形態の断面側面図である。

異なる図面に使用されている同一の参照番号は同様または同一の項目を指す。

図１〜図７を参照すると、動的シールアセンブリのための、例えば直線運動用途のための改良されたシステム、方法および装置の様々な実施形態が開示されている。例えば、図１および図２は、軸線１５を有する孔１３と、孔１３に配置されたグランドまたは凹部１７とを有するハウジング１１を備えるシステムの一実施形態を開示している。ロッド２１は、ハウジング１１に対する軸方向運動のために孔１３に同軸に配置される。ロッド２１は、図示した実施形態で静的表面６３（図２）を有する孔１３に対して動的表面を備える外面２３を有する。

いくつかの実施形態では、半径方向シールを備えるシールアセンブリ３１（例えば図１〜図３および図６）は孔１３の凹部１７に配置される。シールアセンブリ３１はハウジング１１とロッド２１との間にシールを形成する。いくつかの形態では、シールアセンブリ３１は、３つの環状構成要素、すなわち、ポリマーリング３３と、ポリマーリング３３に接合されたエラストマー体３５と、エラストマー体３５に取り付けられたばね３７とを備える。図２に最善に示したように、ばね３７は、エラストマー体３５のある半径方向部分３９、４１を付勢してハウジング１１およびロッド２１の両方と半径方向に接触させ、ハウジング１１とロッド２１との間に動的シールを提供する。他の実施形態（例えば図４、図５および図７）では、シールアセンブリ３１は、例えば、平行な平面と旋回カップリングとフランジタイプの継手との間をシールするために通常使用される端面シールとして構成され得る。

エラストマー体３５は、弾性材料から形成され、ポリマーリング３３の周囲にしっかりと付着することが可能である。いくつかの実施形態では、エラストマーは、ポリマーリング３３よりも著しく低い硬度またはモジュラスを有するポリマーブレンドを含む（例えば充填される）。同様に、例えば部分フッ素化エラストマー（ＦＫＭ）および完全フッ素化ペルフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）等の他のタイプのエラストマー化合物を使用してもよい。

また、ポリマーリング３３とエラストマー体３５とは、さらに一体に固定するように、半径方向部材を介して半径方向溝内で機械的にインターロックする。例えば、図示した実施形態では、外部方形リブ４９は、ポリマーリング３３を境界付け、エラストマー体３５を境界付ける内部方形溝５７に係合する。

いくつかの実施形態では、ポリマーリング３３は、例えば、図示した半径方向舌部および溝の構成を介してエラストマー構成要素３５に一体にしっかりとロックされる。この設計はリングおよびエラストマーの密な位置決めを可能にする。ロック特徴部は、フルオロシリコンエラストマーおよびフルオロポリマーまたはフルオロポリマーブレンドリング等の接着できない相性の悪い材料の接合を可能にする。

図示した実施形態では、ポリマーリング３３は、ほぼ円筒状または管状の部分４３と部分４３の一方の軸方向端部のより大きいフランジ４５とを備える。管状部４３の半径方向外面４７は、そこから半径方向に突出するリブ４９を含む。半径方向テーパ５１は管状部４３から延び、フランジ４５の反対側に配置される。半径方向テーパ５１は、フランジ４５に対して反対側の軸方向端部のポリマーリング３３の内径および外径の両方が低減する。全体的に、ポリマーリング３３は、図示した実施形態に示したように、ほぼＬ字形の断面プロファイルを有する。

ポリマーリング３３は、さらに、用途のために動的表面上にまたはそれに隣接して１組以上の凹溝を備え得る。例えば、ポリマーリング３３には、第１の組の微粒子排除溝５３と、第１の組の溝５３から軸方向に離間した第２の組の流体および微粒子保持溝５５とを設けてもよい。溝５５は溝５３よりも小さいサイズであるが、数が多い。溝５３はフランジ４５およびエラストマー体３５の反対側に軸方向に配置される。溝５５は溝５３とエラストマー体３５との間に、およびリブ４９の反対側に軸方向に配置される。両方の組の溝５３、５５は、この場合動的表面であるポリマーリング３３の半径方向内面に配置される。ポリマーの動的側面の溝５３、５５は、有利には、異種粒子およびある潤滑剤を捕捉して、摩擦を低減しかつ摩耗を低減するのを助ける。溝はスクレーピング装置としても機能する。

図２に最善に示したように、エラストマー体３５の部分３９、４１は、凹状半径によって構成される半径方向に延びる表面を備え得る。凹状半径はハウジング１１とロッド２１との接触部に配置される。これらの部分３９、４１は反対方向に延び、円弧を付勢する圧縮荷重を内部および外部のハードウェア要素に付与し、再び、部分３９、４１が内部および外部のハードウェア要素をシールする。図１〜図３では、部分３９、４１は、ハウジング１１とロッド２１との間に取り付ける前に見られるような非変形状態でハードウェア内に拡大して示されている。

ロッド２１と凹部１７のハウジング１１の表面６３との間の半径方向距離６１は、エラストマー体３５およびポリマーリング３３の両方の半径方向に最も厚い部分の半径方向厚さ６５、６７のそれぞれよりも小さい。したがって、エラストマー体３５およびポリマーリング３３は、ハウジング１１とロッド２１との間に取り付けられるときに弾性的に変形し、半径方向厚さに圧縮される。ポリマーリング３３およびエラストマー体３５の両方の最も厚い半径方向部分はポリマーリング３３およびエラストマー体３５の軸方向端部または先端にあり、凹状半径面３９、４１に隣接している。さらに、エラストマー体３５の最も厚い部分６５はポリマーリングの最も厚い部分６７よりも大きい。

いくつかの実施形態では、ポリマーリング３３は、図示したように、ロッド２１との動的接触面積６８（図２）の約５０％〜９０％の合計を含む。エラストマー体はロッド２１との動的接触面積６９の約１０％〜５０％の合計を含む。他の実施形態では、ポリマーリングは動的接触面積の約７０％〜８０％を含み、エラストマーは動的接触面積の約２０％〜３０％を含む。

いくつかの実施形態では、半径方向に延びる表面３９、４１のうち１つの半径方向内面４１は、エラストマー体３５から半径方向内側に突出するリム７１から延びる。エラストマー体３５のリム７１はポリマーリング３３の半径方向内部７３の軸方向端部にわたって延びるかまたはそれに重なり合う。半径方向に延びる表面３９、４１のうち１つの半径方向外面３９は、エラストマー体３５の平坦な半径方向外面７５から円弧形状を通って軸方向端部の先端の半径方向外側まで滑らかに移行する。

本発明のいくつかの実施形態では、金属ばね３７はエラストマー体３５内に形成されて接着される（例えば加硫される）。この設計は、より剛性のアセンブリを提供し、ばねのカットスルーを抑制する。また、ばねは、動的側面（例えば隣接するロッド２１）のエラストマーを安定化させ、これによって、リップがポリマー界面７１、７３で断裂する可能性を低減する。

エラストマー体３５は、さらに、フランジ４５の反対側に配置される軸方向に環状開口部８１を備え得る。ばね３７は開口部８１に取り付けられて設置される。いくつかの実施形態では、ばね３７は金属製であり、エラストマー体３５に接着され、ポリマーリング３３と直接接触しない。図５に示したように、ばね３７は、重なり合った金属ストリップから金型成形され、Ｕ字形カンチレバーによって構成されることが可能である。ばねの他の実施形態の説明がさらに本明細書に記載される。

図２の実施形態では、ばね３７は、環状開口部８１の内部凹面８５に当接する頂点８３を有する。ばね３７は、エラストマー体３５の部分３９、４１の半径方向厚さ内に延びかつそれに埋め込まれる端部８７によって境界付けられる。図１および図２の実施形態では、ばね３７は、頂点８３で最も厚くおよび丸い端部８７に向かって厚さが先細になる非均一な厚さを有する断面プロファイルを備える。しかし、図３の実施形態では、ばね３７は、均一な厚さおよび角張った端部８９を有する断面プロファイルを備える。

これらの実施形態は従来のシール設計に関する多くの利点を提供する。エラストマー３５の内部および外部の封止接触領域の部分３９、４１の大きな半径面は、動的および静的な表面からの流体の除去を強化する。動作時、これらの円弧面はハウジングとロッドとの接触面に対して平坦に圧縮する。したがってエラストマーが圧縮されるとき、そのエラストマーは、動的表面に対するシールアセンブリの前縁に追加の荷重を加える。しかし、弛緩時に、この設計は９０°未満のハードウェアに対して小さな入射角９１のスクレーパ面（図３）を形成する。約９３°〜９５°の公称範囲の接点背面角９３は非圧縮状態の部分３９、４１によって形成される。

設置および圧縮後（例えば図６参照）、角度９１およびポリマーリング部７３は平坦化し、軸線１５に対して実質的に０°であり平行である。設置後、表面４０、４２は、平面（例えば図３参照）から、図６に示した凹面または円弧面（例えば放物曲線）に変形し得る。さらに、角度９３はシャフト２１で約１００°に増加する。シールアセンブリ３１の形状（例えば角度９１と９３）によって付与された追加の荷重は、より優れた流体力学および表面粒子の除去をもたらす。結果として、シールは、より薄い油膜を有し、したがって、従来のシールよりも乾燥しており、少量の漏出または漏洩しか許容しない。

いくつかの実施形態では、「Ｌ」字形の断面プロファイルを有するポリマーリング３３を使用することは複数の利点も有する。ポリマーは対抗押出リングとして機能し、低圧側のハードウェアギャップ（例えば、隣接するハウジング１１）を閉じる。ポリマー形状は、実質的な動的接触面積をポリマーの低い摩擦係数で置き換えることによってエラストマーに対する動的摩擦および剪断応力を低減する。接触面または動的表面のポリマーが増加すると、それだけ動的摩擦が減少する。しかし、エラストマーが減少すると、それだけユニット荷重が増加する。したがって、エラストマーはポリマーよりも速く摩耗する。いくつかの実施形態では、ポリマーは動的接触面積の約７０％〜８０％を含み、残りはエラストマーである。

ばね３７がこれらのシールシステムに存在することにより、従来の−４０℃よりも低い温度と、ばねおよびエラストマーを適切な選択することによって−１００℃までの使用可能な範囲との使用が可能になる。ばね３７およびエラストマー３５の大きな半径３９、４１は当該温度範囲における高粘度の流体の取り扱いを助ける。さらに、ポリマーリング３３は低温時にシャフト２１をより良く把持し、シャフトに生じた氷を掻き落とすのを助ける。

本明細書に開示される金型成形されて上包装された螺旋状ばね付きシール１１は、その前縁に半径を有し、エラストマージャケットをなおさらにカットスルーしにくくする。図４に示したように、ばね３７は、一巻き毎に約３０％重なり合う半螺旋状に巻かれたリボンを備え得る。典型的に、ばねは巻きの間にギャップを有しない。ばねストックのトーラスは、最終形状を形成する金型を形成する円形の雄型／雌型「Ｖ字形」溝に配置される。ばねは、ばね金属、ニッケル、鉄、または銅ベースの合金等の、シートに伸ばしてパンチまたは圧延成形することができる高張力材料から形成することが可能である。エラストマーは、イソブチルイソプレン等の、Ｏリングとしての使用に商業的に適切な材料から形成することが可能である。

いくつかの実施形態では、ポリマー構成要素は、硬質ナイロン、フルオロプラスチック、ＰＢＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＥＫ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＴＦＭ、ＰＩ、ＰＡＩ、または温度、化学的性質、および取り付けの圧力速度と両立可能な任意の適度な高モジュラスプラスチック等の低摩擦摩耗材料を含み得る。いくつかの実施形態では、鋼シャフトの真鍮等の、シャフトを補完する金属を使用してもよい。しかし、金属の使用により、リングのいくつかの利点が失われる可能性がある。この構成要素は引張応力を受けないので、材料は、用途、温度範囲、速度、圧力、化学的性質、機械加工性、コスト、または他の物理的制約によって選択される。

このような実施形態に関する用途は、例えば、油圧システムおよび航空機サスペンションを含む。本発明に従って構成されたシールは、線形動的封止アセンブリの摩擦を低減し、従来のシール設計に関連する問題を排除する。

記載してきたこの説明は、最良の形態を含み、かつ当業者が本発明を実施および使用することも可能にする実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想起される他の実施例を含むことが可能である。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文字言語と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字言語とは僅かな違いがある等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。

Claims (18)

1. 直線運動のためのシステムであって、
   軸線を有する孔と前記孔に配置された凹部とを有するハウジングと、
   前記ハウジングに対する軸方向運動のために前記孔に配置された、外面を有するロッドと、
   前記ハウジングと前記ロッドとの間をシールするために前記孔の前記凹部に配置されたシールアセンブリと、
   を備え、
   前記シールアセンブリが、
   ポリマーリングと、
   前記ポリマーリングに接合されたエラストマー体と、
   前記エラストマー体の部分を付勢して前記ハウジングおよび前記ロッドの両方と接触させ、前記ハウジングと前記ロッドとの間に動的シールを提供するために前記エラストマー体に接合されたばねと、
   を備え、
   前記エラストマー体は、前記ロッドとの接触前に凹状円弧面を有し、
   前記凹状円弧面は、前記ロッドの外表面に対して平坦に圧縮するように構成され、
   前記ポリマーリングが、第１の組の微粒子排除溝と、前記第１の組から軸方向に離間した第２の組の流体および微粒子保持溝とを備え、前記第２の組の流体および微粒子保持溝が前記第１の組の微粒子排除溝よりも小さいサイズであるが、数が多く、前記第１の組の微粒子排除溝が前記エラストマー体の軸方向反対側に配置され、前記第２の組の流体および微粒子保持溝が軸方向に前記第１の組の微粒子排除溝と前記エラストマー体との間に配置され、前記第１および第２の組の溝の両方が前記ポリマーリングの半径方向内面に配置されているシステム。
2. 前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体が半径方向部材を介して半径方向溝に機械的にインターロックする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ポリマーリングが、一方の軸方向端部の管状部およびフランジと、半径方向外面から半径方向に突出するリブを有する半径方向外面と、反対側の軸方向端部の前記ポリマーリングの内径および外径の両方を低減する前記フランジの反対側の半径方向テーパとを備える請求項１に記載のシステム。
4. 実質的に全ての前記凹状円弧面が前記ロッドの外表面に対して平坦に圧縮するように構成されている請求項１に記載のシステム。
5. 前記ロッドと前記凹部の前記ハウジングの表面との間の半径方向距離が、前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体の両方の部分の半径方向厚さよりも小さく、前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体の両方の前記部分が前記凹状円弧面の前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体の軸方向端部にあり、前記エラストマー体の前記部分が、前記ポリマーリングの前記部分よりも大きい半径方向厚さを有する請求項１に記載のシステム。
6. 前記半径方向に延びる表面の内面のうち１つが、前記エラストマー体から半径方向内側に突出するリムから延び、前記リムが前記ポリマーリングの半径方向内部の軸方向端部に重なり合い、前記半径方向に延びる表面の外面のうち１つが前記エラストマー体の半径方向外面から滑らかに移行する請求項４に記載のシステム。
7. 前記エラストマー体が軸方向に環状開口部を有し、前記ばねが前記環状開口部に設置され、前記ばねが、前記環状開口部の内部凹面に当接する頂点を有し、前記ばねが、前記エラストマー体の前記部分内に延びかつ前記部分に埋め込まれる端部を有する請求項１に記載のシステム。
8. 前記ばねが金属製であり、前記エラストマー体に接着され、前記ポリマーリングと接触せず、重なり合った金属ストリップから金型成形され、そしてＵ字形カンチレバーとして構成される請求項１に記載のシステム。
9. 前記ばねが、均一な厚さと角張った端部とを有する断面プロファイルを備える請求項１に記載のシステム。
10. 前記ばねが、前記ばねの頂点で最も厚くおよび丸い端部に向かって厚さが先細になる非均一な厚さを有する断面プロファイルを備え、前記ポリマーリングが動的接触面積の約７０％〜８０％を含み、前記エラストマー体が前記動的接触面積の約２０％〜３０％を含む請求項１に記載のシステム。
11. シールアセンブリであって、
    ポリマーリングと、
    係合部材を介して前記ポリマーリングに接合されたエラストマー体であって、凹状円弧面を有する延長面を備える部分を有するエラストマー体と、
    前記エラストマー体の前記部分を反対方向に付勢して動的シールを提供するために前記エラストマー体に接合されたばねと、
    を備え、
    前記ポリマーリングが、第１の組の微粒子排除溝と、前記第１の組から軸方向に離間した第２の組の流体および微粒子保持溝とを備え、前記第２の組の流体および微粒子保持溝が前記第１の組の微粒子排除溝よりも小さいサイズであるが、数が多く、前記第１の組の微粒子排除溝が前記エラストマー体の軸方向反対側に配置され、前記第２の組の流体および微粒子保持溝が軸方向に前記第１の組の微粒子排除溝と前記エラストマー体との間に配置され、前記第１および第２の組の溝の両方が前記ポリマーリングの半径方向内面に配置されるシールアセンブリ。
12. 前記ポリマーリングが、一端の管状部およびフランジと、外面から突出するリブを有する外面と、反対側端部の前記ポリマーリングの内径および外径の両方を低減する前記フランジの反対側のテーパとを備えるＬ字形の断面プロファイルを有する請求項１１に記載のシールアセンブリ。
13. 前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体の両方の最も厚い部分が前記凹状円弧面の前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体の端部にあり、前記エラストマー体の前記部分が、前記ポリマーリングの前記部分よりも大きい厚さを有し、前記延長面の内面のうち１つが、前記エラストマー体から内側に突出するリムから延び、前記リムが前記ポリマーリングの内部の端部に重なり合い、前記延長面の外面が前記エラストマー体の外面のうち１つから滑らかに移行する請求項１１に記載のシールアセンブリ。
14. 前記ばねが、前記ばねの頂点で最も厚くおよび丸い端部に向かって厚さが先細になる非均一な厚さを有する断面プロファイルを備える請求項１２に記載のシールアセンブリ。
15. シールアセンブリであって、
    軸線、および一方の軸方向端部の管状部およびフランジと、半径方向外面と、反対側の軸方向端部でのポリマーリングの内径および外径の両方が低減する前記フランジと反対側の半径方向テーパとを備えるＬ字形断面プロファイルを有するポリマーリングと、
    半径方向溝において半径方向部材を介して前記ポリマーリングに接合されたエラストマー体であって、凹状円弧面を有する半径方向に延びる表面を備える部分を有するエラストマー体と、
    前記エラストマー体の前記部分を反対方向におよび内部および外部の半径方向接触部内に付勢して、動的シールを提供するために前記エラストマー体に接合されたばねと、
    を備え、
    前記ポリマーリングが、第１の組の微粒子排除溝と、前記第１の組の微粒子排除溝よりも小さいサイズであるが数が多い第２の組の流体および微粒子保持溝とを備え、
    前記第１の組の微粒子排除溝が前記エラストマー体の軸方向反対側に配置され、前記第２の組の流体および微粒子保持溝が軸方向に前記第１の組の微粒子排除溝と前記エラストマー体との間に配置され、前記第１および第２の組の溝の両方が前記ポリマーリングの半径方向内面に配置されるシールアセンブリ。
16. 前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体の両方の最も厚い半径方向部分が、前記凹状円弧面の前記ポリマーリングおよび前記エラストマー体の軸方向端部にあり、前記エラストマー体の前記部分が、前記ポリマーリングの前記部分よりも大きい半径方向厚さを有し、
    前記半径方向に延びる表面の内面のうち１つが、前記エラストマー体から半径方向内側に突出するリムから延び、前記リムが前記ポリマーリングの半径方向内部の軸方向端部に重なり合い、前記半径方向に延びる表面の外面のうち１つが前記エラストマー体の半径方向外面から滑らかに移行する請求項１５に記載のシールアセンブリ。
17. 前記エラストマー体が環状開口部を有し、前記ばねが前記環状開口部に設置され、前記エラストマー体が動的接触面積の約２０％〜３０％を含み、
    前記ばねが、前記環状開口部の内部凹面に当接する頂点と、前記エラストマー体の前記部分内に延びかつ前記部分に埋め込まれる端部とを有し、前記ばねが、前記ばねの頂点で最も厚くおよび丸い端部に向かって厚さが先細になる非均一な厚さを有する断面プロファイルを備え、
    前記ポリマーリングが動的接触面積の約７０％〜８０％を含む請求項１５に記載のシールアセンブリ。
18. 前記ばねが金属製であり、前記エラストマー体に接着され、前記ポリマーリングと接触せず、重なり合った金属ストリップから金型成形され、断面プロファイルのＵ字形カンチレバーとして構成され、前記ばねが、均一な厚さと角張った端部とを有する断面プロファイルを備える請求項１５に記載のシールアセンブリ。

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