JP6152376B2 - 増加した可撓性の封止要素を備える流体力学的シール - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
この発明は、一般的に流体力学的シールに関し、より特定的には、改善された可撓性を有する封止要素の形成に関する。

従来技術
流体力学的シールは、ハウジングと回転シャフトとの間の界面として頻繁に使われており、それはハウジングを通って延び、漏れに対抗して油、水または他の流体を収容する。これらの型のシールは、時にラジアルシャフトシールとも呼ばれる。流体力学的シールの一般的な用途には、エンジンクランクシャフト、トランスミッションシャフト、およびさまざまな産業用途が含まれる。

流体力学的シールは、典型的には、回転シャフトと直接接するエラストマー部材を含む。ラジアルシャフトシールの一部の種類においては、このエラストマー部材はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）型材料からなる。当然のことながら、他の好適な代替的な材料が存在し得る。ＰＴＦＥエラストマー封止部材は、使用中に変形するように設計されて、回転シャフトとシールのキャリア構造との間の如何なる同心性の欠如にもかかわらず、シールが回転シャフトと連続的な密着状態にとどまる可能性を高める。

ＰＴＦＥ封止部材を備える流体力学的シールの多くの例が、当該技術分野で示されている。たとえば、２００１年１月２日に発行されたＴｏｔｈらの米国特許第６，１６８，１６４号は、特別に形成された流体力学的溝を含むＰＴＦＥ要素を備える流体力学的シールを記載している。米国特許第６，１６８，１６４号の全開示は、ここに引用により援用され、依拠される。従来技術の流体力学的シールの別の例は、２００６年９月５日に発行されたＴｏｔｈらの米国特許第７，１００，９２４号でも見出され得る。米国特許第７，１００，９２４号の全開示は、ここに引用により援用され、依拠される。第‘９２４号特許は、一実施形態において、向上された封止要素の可撓性のために一体的に形成された環状ヒンジ部を含む、ＰＴＦＥ流体力学的封止要素を記載している。この引用文献は、これらの用途におけるシール可撓性に対する長年感じられてきた必要性を記載している。さらなる例は、米国特許第６，３３６，６３８号に示され、ここでは、連続的な開いた溝螺旋が、共通の厚さの中央部および内側領域シール要素の両方にコイニングされている。

上記特許の少なくともいくつかに示された流体力学的シール構成が商業的に成功しているが、より一層効率的に機能するようにシール構成を改善するという継続的な要望が残っている。特に改善に関心のある３つの領域は、封止要素の可撓性、汚れの排除、および空気漏れ試験に関する。たとえば、エンジンクランクシャフト用途においてなど、流体力学的シールのいくつかの用途では、新たに組立てられたエンジンは、空気圧を品質管理測定として用いて漏れがチェックされる。上述のもののような従来技術の設計に従う流体力学的シールは、使用中には良好に機能するが、エンジンブロックが空気で加圧されるこれらのより新しい漏れチェック方法に必ずしもよく適合していない。いくつかの従来技術の流体力学的シールの大きな開いた溝は、これらのより新しい漏れチェック方法によく適合していない。封止要素の大きな開いた溝は、漏れチェック不良の原因として特定されている。したがって、通常動作で良好に機能し、かつ、たとえば、漏れチェック手順の間にエンジンブロック中に加圧された空気を保持するのにも好適な、改善された流体力学的シールを提供する必要性がある。さらに、米国特許第６，３３６，６３８号に示されるもののような連続的な大きな開いた溝螺旋を備えるシール要素は、外部からの汚れや埃の吸引がシャフトの封止リップ界面下に引寄せられ、汚れがオイルチャンバ内を通過しシャフトを摩耗させてしまうという問題を有する。

発明の概要
流体力学的シャフトシールアセンブリであって、シールの一方側から他方側への流体の動きを止めるために回転シャフトを囲むための型の流体力学的シャフトシールアセンブリが提供される。アセンブリは、おおむね環状のキャリアと、キャリア上に取付けられた環状シール部材とを備える。このシール部材は、自由状態条件下でキャリアから半径方向に内側に延びる。シール部材は、キャリアに隣接する外側セクション、内側セクション、および、内側セクションと外側セクションとの間の中央部を有する。外側セクションは、中間ゴム層を介してキャリアに結合されているか、または、シールのキャリアへの堅固な固定のためにキャリアと直接接していてもよい。シール部材の内側セクションは、回転シャフトを表面対表面接触で直接係合するための動的封止表面を設ける。封止表面は、少なくとも１つの小さな、好ましくは閉鎖された、シール部材の中央部に隣接して終わる流体力学的溝を有する。シール部材は、その中央部に形成され、かつ半径方向に外側のセクションに相対的なシール部材の可撓性を増加させるように構成された少なくとも１つの環状起伏を含む。

シール部材の中央部に形成された環状起伏は、封止要素の内側領域まで延びてシャフトに接することなく、シール要素の中間領域に改善された可撓性を与えることにより、その封止効果を改善させる。結果的に、外部に存在する汚れまたは埃に対する吸引作用が最小限に抑えられる。

この発明の別の局面に従うと、流体力学的シャフトシールアセンブリを製造するための方法が提供される。ステップは、おおむね環状のキャリアを成形するステップと、環状シール部材を形成するステップとを含む。シール部材は、厚さを有する外側セクション、厚さを有する内側セクション、および、内側セクションと外側セクションとの間に配置される中央部を含む。形成ステップはさらに、シール部材の内側セクションに螺旋状の流体力学的溝を切るステップを含む。シール部材の外側セクションは、キャリア内に取付けられる。形成ステップはさらに、加工操作において、中央部を内側部および外側部のそれぞれの厚さより小さい厚さに薄肉化し、次に、中央部の少なくとも１つの環状起伏を、シール部材の可撓性を増加させるようにコイニングするステップも含む。

本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および付随の図面と関連して考慮するとより容易に理解されるであろう。

ハウジングに支持され、かつ本発明に従う流体力学的シャフトシールを含む回転シャフトの斜視図である。 本発明に従う流体力学的シールの斜視図である。 図２の線３−３におおむね沿って取られた断面図である。 図３と同様であるが、排除部材がフェルトまたは発泡要素を含む代替的な実施形態を示す断面図である。 シャフト上に形成されて図示される発明の第１の代替的な実施形態に従う流体力学的シールの断面図である。 発明の第２の代替的な実施形態に従って、部分的に形成された封止要素の拡大断面図である。 回転シャフトとともに動作するように配置され、かつ図６の第２の代替的な封止要素を組込んだ流体力学的シャフトシールアセンブリの断面図であるが、完全に形成された封止要素を示す図である。 随意的な摩耗スリーブと直接接しており、かつ金属キャリアの内側面に結合された主要なＰＴＦＥ要素を図示する、第３の代替的な実施形態に従う流体力学的シャフトシールアセンブリの一部の断面図である。 本発明の第４の代替的な実施形態を示す断面図である。 発明の第５の代替的な実施形態の断面図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
図面を参照して、いくつかの図全体を通して、同一の参照番号は同一または対応する部分を図示する。図１から図３中に、この発明の一実施形態に従う流体力学的シャフトシールアセンブリが１０で全体的に示される。図１では、シャフトシールアセンブリ１０は、たとえば、エンジンクランクケース、トランスミッション、または他の機械部品を備え得るようなものなどの例示的なハウジング１２内に取付けられて示される。回転シャフト１４は、ハウジング１２およびシャフトシールアセンブリ１０の中心を通過する。流体力学的シャフトシール１０の目的は、シール１０の一方側から他方側へのオイル、グリース、水などの流体の移動を止めることである。このようにして、シャフトシール１０は、埃および他の細片がハウジング１２に侵入しないようにしつつ、ハウジング１２内部に潤滑剤を効果的に含み得る。

図２は、シールアセンブリ１０をおおむね環状の部材として示す。図３は、図２中の線３−３におおむね沿って取られたシールアセンブリ１０を通る断面である。図３を特定的に参照して、一実施形態において、鋼などの剛性の金属製材料から作られた、おおむね環状のキャリア１６を含むシールアセンブリ１０が示される。キャリア１６は、環状の外壁１８および環状の内壁２０を含む。内壁２０は、外壁１８に対して同心円状に配置される。２つの壁１８，２０は、環状のブリッジ部２２によりともに接合される。図１０に示すように、内壁および外壁は、下記に記載するように、単一の壁特徴へと一体化されることができる。キャリア１６はさらに、内壁２０から半径方向に内側に延びる環状フランジ２４を含み得る。

キャリア１６は、好ましくは、外壁１８の大部分の周りに延び、内壁２０と外壁１８との間の空間を埋めるゴムケーシング２６に覆われる。ゴムケーシング２６は、フランジ２４を実質的に完全に覆ってもよい。ゴム対金属結合、この場合、ケーシング２６のキャリア１６への結合は、成形プロセス中にゴムが金属キャリア１６に機械的および／または化学的に取付けられるプロセスである。このプロセスの間、キャリア１６は適当にグリース除去され、必要な接着剤が加えられた後、金属製キャリア１６はモールドキャビティ内に挿入されて、ゴムが金属部分の周りを流れるように、中子押えピン（図示せず）を用いてモールドキャビティ中に吊るされる。中子押えピンが成形プロセス中に用いられた箇所には空隙２８が現われる。シールアセンブリ１０は好ましくは、キャリア１６から半径方向に内側に延びる排除部材を含む。この実施形態では、排除部材は、ケーシング２６を形成するために用いられるのと同じゴムから一体的に形成される、１対の片持ち梁状のゴムリップ３０，３２を備える。これらの排除リップ３０，３２は、埃および他の汚染物質がハウジング１２を通過することにより、シールアセンブリ１０の他方側の潤滑剤または他の液体が汚染されるおそれを防ぐ助けをする。排除特徴３０，３２は、必ずしもそうではないが、好ましくは、キャリア１６のフランジ２４に近接し、支持される。摩擦向上リブ２９は、随意に、外壁１８の最も外側を囲むケーシング２６の部分に形成されて、ハウジング１２による把持を強化してもよい。

図４は、図３に示すシールアセンブリ１０の若干の変形例を図示し、ここでは、１つの排除リップ３０の代わりにフェルトまたは発泡型排除部材３０′が用いられる。これは、より積極的な埃の排除が要求される用途において望ましいであろう。

シャフトシールアセンブリ１０はさらに、３４で全体的に図示される環状シール部材を含む。好ましい実施形態では、シール部材３４は、ポリマー材料からなり、好ましくはチューブ状ビレットから切出され得るポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）化合物からなる、プレートまたはウェハの形態である。目的とする用途にシールを特定的に適合させるために、フィラーをウェハ材料に加えてもよい。好適なフィラー材料は、ガラス繊維、二硫化モリブデン、グラファイトおよびブロンズを含み得る。シール部材３４用の他の組成物が用途に依存して用いられてもよい。

図２および図３に示されるように、環状シール部材３４は、自由状態条件下でキャリア１６から半径方向に内側に延びてもよい。シール部材３４の外側セクション３６は、キャリアに隣接して配置される。シール部材３４の内側セクション３８は、シール部材３４の半径方向に最も内側の領域を占め、回転シャフト１４との直接的な表面対表面接触のために適合される。シール部材３４の中央部４０は、内側セクション３８と外側セクション３６との間に配置される。図３に最もよく示されるように、外側セクション３６は、ゴムケーシング２６への結合を介してキャリア１６に直接固定される。しかしながら、当業者は、シール部材３４がキャリア１６に機械的に締付けられる非結合配置を理解するであろう。

内側セクション３８は、オイルまたは他の収容される液体を所望の方向に導くための少なくとも１つの流体力学的補助要素を含む。流体力学的補助要素は、好ましくは、上記の米国特許第６，１６８，１６４号および第７，１００，９２４号に記載されるのと同様の、螺旋状パターンに切られた溝またはチャネル４２に代表される閉鎖型のものである。流体力学的溝４２は、シール部材３４の中央部４０に隣接して終わる。

シール部材３４の中央部４０は、好ましくは、得られる厚さが内側セクション３８および外側セクション３６の厚さより小さくなるように加工操作において薄肉化される。すなわち、ウェハはまず、上に記載したように、ＰＴＦＥ材料のビレットから切出され、溝がビレットの中央部４０の面内に加工されて、切削具の使用により減少された厚さが得られる。この後、少なくとも１つの環状起伏４４が、シール部材３４の可撓性を増加させ、かつ、曲げ力、特に、内側セクション３８の外側セクション３６に相対的な曲げを低下させるように、薄肉化された中央部４０に形成される。多数の起伏が定められると、これらは互いに同心円状に配置される。１以上の起伏４４は、好ましくは、ゴム成形プロセス中にコイニング操作で形成されるが、他の製造技術を使用してこの特徴的な特徴を作成してもよい。シールとシャフトとの間に減少されたシャフト荷重が望まれる用途においてを含め、１以上の環状起伏４４は、その薄肉化セクションと組合されて、シール部材３４の非常に可撓性の中央部４０を作成し、シール部材３４は、それに対応して向上された封止能力を有する。組合された加工およびコイニングされた中央部４０を含むシール部材３４は、シールアセンブリ１０の、シャフト１４の動的なぶれおよび静的なボア対シャフトのミスアライメント条件に、向上された態様で対応する能力も増加させる。コイニングされた起伏４４は、シール部材３４が未だ緩い部材の状態にあるとき、または、封止要素３４がケーシング１６に結合されている間、または、次の操作中に形成されてもよい。

図３に示すような、少なくとも１つの起伏４４は、シール部材３４の両側に凸状歪みおよび相補的な凹状歪みを含む。図示する実施形態では、１つの起伏４４しか用いられないとき、凸状歪みおよび流体力学的溝４２は、曲げ能力を向上させるために封止部材の同じ側に配置される。

図５は本発明の第１の代替的な実施形態を示し、同じまたは対応する部分は、１００によりずらされた同様の参照番号により特定される。この例では、シール部材１３４は、中央部１４０に複数の同心円状の環状起伏１４４を含む。この実施形態での別の変形例は、キャリア１１６に相対的なシール部材１３４の取付構成において見られ得る。この例では、シール部材１３４は、キャリア１１６に相対的なヒンジとして作用するエラストマー１４６のセクションを用いて取付けられる。エラストマー１４６のセクションは、ゴムケーシング１２６の一体部分である。さらに、排除リップ１３０は、軸方向に垂直な面（図示せず）に接するように配置される。

第２の代替的な実施形態を図６および図７に示し、同じまたは対応する部分は、２００によりずらされた同様の参照番号で特定される。シールアセンブリ２１０の第２の代替的な実施形態は、シール部材２３４がこの場合、一体的な埃フラップ２４８を有して形成されている点を除いて、図５に示される第１の代替的な実施形態１１０と同様である。この埃フラップ２４８は、流体力学的溝２４２と中央部２４０との間に配置される。図６は、中央部２４０は薄肉化された後であるが、環状起伏２４４の形成前である、中間状態でのシール部材２３４を図示する。

図８は、本発明の第３の代替的な実施形態を図示し、同じまたは対応する部分は、３００によりずらされた参照番号により記載される。この例では、摩耗スリーブ３５０が示され、摩耗スリーブ３５０は、シャフトの運転表面（図示せず）が、問題のある表面仕上げとなる可能性のあるときに一般的に用いられる型のものである。シールアセンブリの第４の代替的な実施形態は、図９に示される。同じまたは対応する部分は、４００によりずらされた一貫した参照番号により特定される。図８および図９に図示される実施形態は、シール可撓性および摩耗スリーブ３５０，４５０への相対的な（または、摩耗スリーブが用いられない場合には回転シャフトに相対的な）場所を調整する手段として、起伏３４４，４４４の場所および数に設計され得る多様性の例として互いに比較することができる。オーバーモールドされたゴムケーシング３２６，４２６がシール部材３２４，４３４に接し、より特定的には、それが中央部３４０，４４０に相対的に終わる特定の位置は、用途および所望の動作特性に従って変更され得る。

図１０は、発明のさらなる別の第５の代替的な実施形態を示す。上記の例と同様に、この第５の実施形態では、同じまたは対応する特徴は、５００によりずらされた同じ参照番号で特定される。ここで、キャリア壁は、１つの環状外壁５１８へと一体化されることにより、先に記載した内壁およびブリッジ部の特徴が省略される。環状フランジ５２４は外壁５１８から直接延びる。この例は、１つの態様であるが、キャリア構成が本発明の意図から逸脱せずに変更できることを図示する。シール部材５３４は、この文脈において、上の例で記載されたシール部材と実質的に同一に機能する。当業者は、さまざまな実施形態の要素および特徴が混合されて、新たな設計を作成するように合わされることができることを理解するであろう。

上記の発明は、関連の法的な標準に従って記載されたため、記載は本質的に限定的でなく例示的である。開示された実施形態の変更および改良は、当業者に明らかとなり、発明の範囲内となるであろう。

Claims (20)

1. 流体の動きを止めるために回転シャフトを囲むための型の流体力学的シャフトシールアセンブリであって、前記流体力学的シャフトシールアセンブリは、
   おおむね環状のキャリアと、
   前記キャリア上に設置され、自由状態条件下でそこから半径方向に内側に延びる環状シール部材とを備え、前記環状シール部材は、前記キャリアに隣接する外側セクション、内側セクション、および前記内側セクションと前記外側セクションとの間に配置される中央部を有し、前記外側セクションは前記キャリアの少なくとも一部を覆うゴムケーシングを介して前記キャリアに固定され、前記内側セクションは、回転シャフトを表面対表面接触で直接係合させるための動的封止表面を設け、前記動的封止表面は、前記環状シール部材の半径方向の中間点で終わる少なくとも１つの流体力学的溝を有し、
   前記環状シール部材は、その前記中央部に形成され、かつ、前記半径方向に外側のセクションに相対的な前記環状シール部材の可撓性を増加させるように構成された少なくとも１つの環状起伏を含む、流体力学的シャフトシールアセンブリ。
2. 前記環状シール部材の前記中央部は、前記内側および外側セクションの厚さより小さい厚さを有する、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
3. 前記環状シール部材の前記中央部は、機械加工操作で薄肉化され、前記少なくとも１つの起伏は、次のコイニング操作で形成される、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
4. 前記少なくとも１つの起伏は、相補的な凸状歪みおよび凹状歪みを有する、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
5. 前記凸状歪みおよび前記流体力学的溝は、前記環状シール部材の共通の側に配置される、請求項４に記載のシャフトシールアセンブリ。
6. 前記少なくとも１つの起伏は、複数の同心円状に配置された環状起伏を備える、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
7. 前記流体力学的溝は、前記動的封止表面に螺旋状に切り目を入れることにより、機械加工により形成される、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
8. 前記環状シール部材は、充填ＰＴＦＥ材料から作られる、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
9. 前記環状シール部材は、前記流体力学的溝と前記少なくとも１つの起伏との間に配置される一体的な埃フラップを含む、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
10. 前記キャリアは、金属製材料またはプラスチック材料の少なくとも１つから作られる、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
11. 前記キャリアは、環状外壁および前記環状外壁と同心円状に配置された環状内壁と、前記環状外壁および内壁を接合する環状ブリッジ部とを含む、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
12. 前記キャリアは、外壁と、前記外壁に相対的に半径方向に内側に延びる環状フランジとを含む、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
13. 前記ゴムケーシングは、前記外壁および前記環状フランジの少なくとも一部を覆う、請求項１２に記載のシャフトシールアセンブリ。
14. 前記環状シール部材の前記外側セクションは、前記キャリアの前記ゴムケーシングに直接結合されている、請求項１３に記載のシャフトシールアセンブリ。
15. 前記キャリアから半径方向に内側に延びる少なくとも１つの排除部材をさらに含む、請求項１に記載のシャフトシールアセンブリ。
16. 前記排除部材は、少なくとも１つの片持ち梁状のゴムリップを有する、請求項１５に記載のシャフトシールアセンブリ。
17. 前記排除部材は、前記ゴムリップに隣接して配置される環状非ゴム要素を含む、請求項１６に記載のシャフトシールアセンブリ。
18. 前記キャリアは環状フランジを含み、前記排除部材は、前記キャリアの前記環状フランジに直接接する、請求項１５に記載のシャフトシールアセンブリ。
19. 流体力学的シャフトシールアセンブリであって、前記流体力学的シャフトシールアセンブリは、
    キャリアを備え、前記キャリアは、剛性の金属製材料により形成され、前記キャリアはおおむね環状の構成を有し、前記キャリアは環状外壁を含み、前記キャリアは、前記環状外壁に相対的に半径方向に内側に延びる環状フランジを含み、前記キャリアは、前記環状外壁および前記環状フランジの少なくとも一部を覆うゴムケーシングを含み、前記流体力学的シャフトシールアセンブリはさらに、
    前記キャリアから半径方向に内側に延びる少なくとも１つの排除部材を備え、前記排除部材は少なくとも１つの片持ち梁状のゴムリップを有し、前記排除部材は前記キャリアの前記環状フランジに直接接し、前記流体力学的シャフトシールアセンブリはさらに、
    前記キャリア上に取付けられ、自由状態条件下でそこから半径方向に内側に延びる環状ＰＴＦＥシール部材を備え、前記環状ＰＴＦＥシール部材は、前記キャリアに隣接する外側セクション、内側セクション、および、前記内側セクションと前記外側セクションとの間に配置される中央部を有し、前記外側セクションは、前記キャリアの前記ゴムケーシングと直接結合された係合状態にあり、前記外側セクションは、前記ゴムケーシングを介して前記キャリアに固定されており、前記内側セクションは、動的封止表面を、回転シャフトが前記動的封止表面と表面対表面接触にある状態で設けるために可撓性であり、前記動的封止表面は、前記環状ＰＴＦＥシール部材の前記中央部に隣接して終わる少なくとも１つの切込まれた螺旋状の流体力学的溝を有し、
    前記環状ＰＴＦＥシール部材は、その前記中央部に形成された少なくとも１つのコイニングされた環状起伏を含み、前記環状起伏は、相補的な凸状歪みおよび凹状歪みを有し、前記環状ＰＴＦＥシール部材の前記中央部は、前記内側セクションおよび前記外側セクションの厚さより小さい厚さを有する、流体力学的シャフトシールアセンブリ。
20. 流体の移動を止めるために回転シャフトを囲むための型の流体力学的シャフトシールアセンブリを製造するための方法であって、前記方法は、
    おおむね環状のキャリアを成形するステップと、
    環状のシール部材を形成するステップとを含み、前記環状のシール部材は、厚さを有する外側セクション、厚さを有する内側セクション、および、前記内側セクションと前記外側セクションとの間に配置される中央部を含み、前記形成ステップは、前記環状のシール部材の前記内側セクションに螺旋状の流体力学的溝を切るステップを含み、前記方法はさらに、
    前記キャリア上に前記環状のシール部材の前記外側セクションを前記キャリアの少なくとも一部を覆うゴムケーシングを介して取付けるステップを含み、
    前記形成ステップは、前記中央部を加工操作で前記内側および外側セクションのそれぞれの厚さより小さい厚さに薄肉化し、次に、前記中央部の少なくとも１つの環状起伏を、前記内側および外側セクションに相対的な前記中央部の可撓性を増加させるようにコイニングするステップを含む、方法。

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