KR20110038028A

KR20110038028A - 낮은 토크의 축 밀봉부 및 그의 구성 방법

Info

Publication number: KR20110038028A
Application number: KR1020117000530A
Authority: KR
Inventors: 프레더릭 알. 해치
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2011-04-13
Also published as: JP5639582B2; EP2291272A4; US20090309261A1; EP2291272A2; WO2009152398A2; CN102123841B; US7959840B2; BRPI0915133A2; WO2009152398A3; CN102123841A; JP2011524273A; KR101567621B1

Abstract

축 밀봉 조립체 구성 방법은 PTFE 밀봉 요소를 외측 금속 케이스에 부착하고 PTFE 밀봉 요소의 보어를 맨드릴 상에 배치하는 단계를 포함한다, 그 후, PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 가열한다. 또한, PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 냉각하고 축 밀봉 조립체를 맨드릴에서 제거한다. 그 결과의 축 밀봉 요소는 사용 시에 축의 주행면에 대한 안정적인 밀봉을 제공하는 동시에, 축의 주행면에 대한 낮은 주행 토크를 생성한다. 또한, 축 밀봉 조립체를 축 상에 설치하기 위해 최소한의 축방향 힘이 필요하게 됨으로써, 설치 중에 밀봉 요소의 손상 또는 밀봉 요소의 뒤집힘의 가능성을 감소시킨다.

Description

낮은 토크의 축 밀봉부 및 그의 구성 방법{LOW TORQUE SHAFT SEAL AND METHOD OF CONSTRUCTION THEREOF}

본 출원은 2008년 6월 13일자로 출원된, 미국 가 특허 출원 제61/061,366호의 우선권을 주장하며, 그의 내용은 전체적으로 본 출원에 참조되어 포함되었다.

본 발명은 일반적인 밀봉 조립체들에 관한 것으로서, 특히 회전 축 밀봉 조립체들 및 그의 구성 방법에 관한 것이다.

축 밀봉부들은 많은 타입들의 차량 응용들을 통해 통상적으로 사용되고 있다. 회전하는 축에 대해 안정적인 밀봉을 형성하는 축 밀봉부와는 별개로, 오염물의 진입 및 소망하는 윤활의 불량 둘 다를 방지하기 위해, 상기 밀봉부가 축에 대한 최소의 주행(running) 토크를 제공함이 바람직하다. 밀봉부의 감소된 주행 토크는, 예컨대, 축의 주행면에 대해 축 밀봉부에 의해 생성되는 더 적은 항력(drag) 때문에, 크랭크 축 등의, 축을 회전시키도록 더 낮은 토크가 더 적은 기생 마력을 필요로 하게 되는 등의, 차량의 전체 연비를 개선시키는데 도움이 된다. 또한, 상기 밀봉부를 그것이 배치될 축의 단부 위에서 최소한의 미는 힘으로 축 상에 설치할 수 있음으로써 비교적 설치가 용이함이 바람직하다. 또한, 손상되거나 및/또는 뒤집힐 수 있는 밀봉 립을 갖지 않고 밀봉부가 축 상에 설치됨이 바람직하다. 물론, 매우 쉽게 제조된다면, 축의 주행면에 대해 안정적인 밀봉을 유지할 수 있는 밀봉 립의 능력과 타협할 수도 있다. 따라서, 밀봉 조립체들의 원하는 양태들을 얻음과 동시에, 사용 시에 축의 주행면에 대해 안정적인 밀봉을 유지할 수 있는 밀봉부의 능력에 부정적인 영향을 미치는 것을 피할 수 있도록 계속적인 노력들이 행해지고 있다.

축 밀봉 조립체의 구성 방법이 제공된다. 상기 방법은 사용 시에 축의 주행면에 대해 안정적인 밀봉을 제공하도록 최적의 크기로 된 밀봉 립을 가진 밀봉 조립체를 제공한다. 또한, 상기 방법은 축의 주행면에 대해 낮은 주행 토크를 가진 밀봉 조립체를 제공한다. 또한, 상기 방법은 밀봉 조립체를 축 상에 설치하도록 요구되는 최소의 축 방향의 미는 힘을 필요로 하게 됨으로써, 축 상으로의 밀봉 조립체의 설치 시에 밀봉 립의 손상 가능성을 감소시킨다. 상기 방법은 금속 케이스 및 PTFE 밀봉 요소를 금형 공동에 떨어진 상태로 배치하는 단계를 포함한다. 그 후, 통합된 축 밀봉 조립체를 형성하도록 엘라스토머 재료를 금형 공동으로 분사하여 엘라스토머 재료로써 금속 케이스를 PTFE 밀봉 요소에 부착하는 단계를 포함한다. 그 후, 금형 공동에서 축 밀봉 조립체를 제거하고 PTFE 밀봉 요소의 보어를 맨드릴 둘레에 배치하며 PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 가열하는 단계를 포함한다. 또한, PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 냉각한 후에, 축 밀봉 조립체를 맨드릴에서 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 축 밀봉 조립체 구성 방법은 PTFE 밀봉 요소를 외측 금속 케이스에 부착하고 PTFE 밀봉 요소의 보어를 맨드릴 상에 배치하는 단계를 포함한다. 그 후, PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 가열하는 단계를를 포함한다. 또한, PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 냉각하고, 축 밀봉 조립체를 맨드릴에서 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 축 밀봉 조립체는 사용 시에 축의 주행면에 대한 안정적인 밀봉을 제공하는 동시에, 축의 주행면에 대한 낮은 주행 토크를 생성한다. 또한, 축 밀봉 조립체를 축 상에 설치하기 위해 최소한의 축방향 힘이 필요하게 됨으로써, 설치 중에 밀봉 요소의 손상 또는 밀봉 요소의 뒤집힘의 가능성을 감소시킨다.

본 발명의 이들 및 다른 양태들, 특징들 및 장점들은 이하의 바람직한 실시예 및 베스트 모드의 상세한 설명, 첨부된 특허 청구의 범위 및 첨부 도면들과 연계하여 고려될 때 더욱 즉각적으로 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 축 밀봉 조립체의 단면도;
도2는 본 발명에 따른 축 밀봉 조립체를 구성하기 위한 바람직한 방법들의 흐름도; 및
도3은 본 발명의 다른 양태에 따라 구성된 축 밀봉 조립체의 단면도이다.

도면들을 더 상세하게 참조하면, 도1은 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 축 밀봉 조립체(10), 이하 조립체라 함,를 나타내고 있다. 상기 조립체(10)는 그의 중앙 축(13)에 대해 평행하게 연장하는 소정 높이 H 및, 밀봉 적용을 위해 요망되는 것으로서, 소정 직경 D(2xR)를 가진 외측 금속 케이스(12)를 가진다. 상기 케이스(12)는, 여기에서, 예컨대 비제한적으로, 외측 원통형 벽(14) 및 반경방향 안쪽으로 연장하는 레그(16)를 가진, 일반적으로 L자형으로, 나타내고 있다. 상기 케이스(12)의 형상은 도시된 형상으로 제한되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 임의의 적절한 형상이라도 고려될 수 있음을 이해하기 바란다. 상기 조립체(10)는 PTFE 밀봉 요소(18)를 더 포함한다. PTFE 밀봉 요소(18)는 축(21)의 주행면(running surface)에 대해 안정적인 밀봉을 형성하도록, 밀봉 립(20)이라고도 하는, 그의 보어에 형성된 주행면을 가진다. 또한, 상기 조립체(10)는 엘라스토머 재료(24), 예컨대 고무로 성형된 본체(22)를 더 포함하며, 엘라스토머 재료(24)는 PTFE 밀봉 요소(18)를 엘라스토머 재료(24)에 결합 관계로 부착시키도록 케이스(12) 및 PTFE 밀봉 요소(18)로 성형된다. 상기 본체(22)는, 여기에서, 예컨대 비제한적으로, 밀봉 조립체(10)의 공기 측(A) 상의 오염물들이 PTFE 밀봉 요소(18)에 도달함을 방지하도록 PTFE 밀봉 요소(18)에 인접한 중앙 축(13)을 향해 달려 있는 차단 립(26)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 또한, 상기 본체(22)는 축(21)의 주행면에 대한 PTFE 밀봉 요소(18)의 소망하는 바이어스를 제공하도록 PTFE 밀봉 요소(18) 및 케이스(12) 사이로 환형으로 연장하는 주름진 또는 파형의 중간 부분(28)을 가진다. 그러나, 상기 본체(22)는 다른 형태들을 가지도록 성형될 수 있으며, 따라서 본 발명에서는 도시된 본체(22)의 형태로 제한되지 않음을 이해하기 바란다. 조립체(10)의 구성 방법을 완료하면, PTFE 밀봉 요소(18)의 밀봉 립(20)은 이완되며, 바이어스되지 않은 직경을 갖게 되어, 축(21) 및 밀봉 조립체(10)를 서로 작동 관계로 설치함에 따라, 밀봉 립(20)의 밀봉 직경 SD, 이 SD는 도시된 1/2 SD의 2배임,는 사용 시에 축(21)의 주행면에 대해 안정적인 밀봉을 제공하는 한편, 그와 동시에 축(21)의 주행면에 대해 낮은 주행 토크를 생성하게 된다. 또한, 마무리된 밀봉 요소(18)는 축(21) 상에 조립체(10)를 설치하는 중에 축 방향의 미는 힘을 최소한으로 요구하게 된다. 이와 같이, 설치 중에 밀봉 립(20)에 대한 손상 또는 밀봉 립(20)의 전도 가능성이 최소로 된다.

도2에서, 상기 조립체(10)를 구성하는 바람직한 방법들을 개략적으로 나타내고 있다. 각 방법은 소망하는 케이스(12) 및 PTFE 밀봉 요소(18)의 구성을 제공함에 의해 시작되며, 분리된 케이스(12) 및 PTFE 밀봉 요소(18)를 금형의 금형 공동으로 삽입하여, PTFE 밀봉 요소(18) 및 케이스(12)를 서로 떨어져 있는 관계로 고정시킨다. 상기 구성 과정은 케이스(12) 및 PTFE 밀봉 요소(18)를, 금형 절반부들을 서로 인접하게 폐쇄하는 것 등에 의해, 금형 공동 내에서 둘러싸는 방식으로 이어진다. 그 후, 엘라스토머 재료(24), 예컨대 고무를 둘러싸인 금형 공동으로 분사함에 의해 성형 과정이 계속된다. 엘라스토머 재료(24)는, 금형 공동으로 분사될 때, 적어도 케이스(12)의 일부 및 PTFE 밀봉 요소(18)의 일부 둘레로 유동하여, 상기 엘라스토머 재료(24)가 소정 위치들에서 케이스(12) 및 PTFE 밀봉 요소(18)에 부착되어 본체(22)의 소망하는 일반적 형태를 형성한다. 따라서, 본체(22)는 PTFE 밀봉 요소(18) 및 케이스(12)에 결합된 관계로 부착되어 밀봉 조립체(10)의 초기 형태를 형성하며, 따라서, PTFE 밀봉 요소(18) 및 케이스(12)는 본체(22)를 통해 서로 작동적으로 결합된다. 밀봉 조립체(10)의 의도된 구성을 위해 필요하다면, 전체 케이스(12)가 금형 공동 내에서 엘라스토머 재료(24)에 의해 캡슐화될 수 있음을 이해하기 바란다.

일 구성 방법에 따르면, 그 후, 엘라스토머 재료가 경화되기 전에 밀봉 조립체(10)의 초기 형태가 금형 공동에서 제거되며 소정 직경의 원통형 맨드릴 위에 밀봉 립(20)이 배치된다. 상기 맨드릴은, 예컨대, 알루미늄 등의, 금속으로 형성되며 의도된 응용을 위해 소망되는 마무리된 밀봉 직경 SD와 동일하거나 또는 사실상 동일한 직경을 가지며, 밀봉 직경 SD는, 축 반경 SR의 2배인, 축 주행면 직경과 동일하거나 또는 사실상 동일하다. 필요하다면, 단일의 맨드릴 상에 다수의 초기 형태의 밀봉 조립체들(10)이 배치될 수 있음으로써, 다수의 밀봉 조립체들(10)이 동시에 배치에서 처리되도록 허용됨을 이해하기 바란다. 맨드릴 둘레에 밀봉 조립체(10)를 배치하면, PTFE 밀봉 요소(18) 및 엘라스토머 재료(24)는 압력이 가해지 며 일시적으로 압력이 가해진 상태로 강제로 유지되게 된다. 따라서, PTFE 밀봉 요소(18)의 보어(20)는 맨드릴의 외측면 위로 꼭 맞게 되도록 반경방향 바깥쪽 방향으로 적어도 약간 늘어난다.

다음, 그 위에 조립체 또는 조립체들(10)이 배치되어 있는, 맨드릴이 오븐 내에 배치된다. 그 내부에 조립체 또는 조립체들(10)이 배치되어 있는, 오븐은, PTFE의 겔 범위 아래의, 화씨 약 300-500도 사이의 온도 등의, 소정 온도로 소정 시간 동안 유지된다. 상기 조립체들(10)은 엘라스토머 재료(24)가 완전하게 후 경화되고 PTFE 밀봉 요소(18)의 전체가 오븐의 소정 온도에 도달될 때까지 소정 온도로 오븐에서 유지된다.

그 후, 여전히 맨드릴 상에 있는, 상기 조립체들(10)은 오븐에서 제거되어 엘라스토머 재료(24) 및 PTFE 밀봉 요소(18)가, 화씨 약 70-100도 사이 등의, 주위 실온에 도달될 때까지 맨드릴 상에서 냉각된다. 조립체들(10)의 냉각 과정은, 실온에서의 자연 냉각 등을 통해 느리게 실행되거나, 또는 예컨대 물에 담금질하는 등의, 일부 신속한 냉각 과정에 의해 행해질 수 있다.

조립체들(10)이 냉각된 후, 맨드릴에서 제거되며, PTFE 밀봉 요소(18)는 원래의 프리-스트레스된 형태로 복귀되지 않고, 맨드릴의 직경과 동일하거나 또는 사실상 동일하게 남아있는 그의 밀봉 직경 SD를 갖는 물리적 세트를 유지하게 되며, 따라서 축(21)의 주행면 직경 2(SR)과 동일하거나 또는 사실상 동일하게 된다. 밀봉 직경 SD는 축의 주행 직경 둘레에 라인-투-라인 맞춤 또는 약간 억지 끼워맞춤되기 위한 사이즈로 됨으로써, 사용 시에 안정적인 밀봉을 유지할 수 있다. 또한, 엘라스토머 재료(24)는 그의 완전하게 프리-스트레스된 형태로 복귀함을 방지하는 물리적 세트를 취하도록 되어 있다. 예컨대, 압력이 가해진 형태로 있을 때, 오븐에서 실행된 열 형성 과정이 엘라스토머 재료(24)의 후 경화 중에 실행되면, 후 경화 중에 발생하는 엘라스토머 재료(24)의 가교 결합(cross-linking) 중 최종 7%는 엘라스토머 재료가 프리-스트레스된 형태로 있는 동안에 후 경화되어 발생된 경우보다 큰 직경의 세트를 취하도록 한다.

이제 상기 조립체들(10)은 사용을 위해 하우징 내의 축(21) 상에 설치될 준비가 된 상태다. PTFE 밀봉 요소(18)의 밀봉 립(20)이 그의 팽창된 형태를 유지하며, 그 립이 설치되는 축 주행면(23)의 외경과 사실상 유사한 밀봉 직경 SD를 가진 상태에서, 축(21) 위로의 밀봉 립(20)의 설치가 간단화되며, 조립체(10)를 축(21) 상으로 밀도록 요구되는 축방향 힘이 최소로 된다. 또한, 밀봉 립(20)이 설치 중에 위아래로 뒤집히거나 및/또는 우연히 손상받게 될 가능성이 감소된다. 또한, 사용 중에 축(21)의 주행면(23)에 대한 밀봉 립(20)의 운동학적 마찰 및 주행 토크가 감소된다.

다른 구성 방법에 따르면, 금형의 금형 공동에서 제거된 후의, 밀봉 조립체(10)의 초기 형태는, 엘라스토머 재료(24)를 후 경화시키기에 적절한 소정 기간 동안, 소정 온도로 유지되는 오븐에 배치된다. 후 경화 과정의 생산성을 증가시키도록 하나 이상의 밀봉 조립체(10)가 동시에 후 경화될 수 있음을 이해하기 바란다. 예컨대, 다수의 조립체들(10)이 적절한 사이즈의 바스켓들 또는 트레이들 상에 배치되어 그 바스켓들 또는 트레이들을 오븐으로 삽입할 수 있다.

엘라스토머 재료(24)가 오븐에서 완전하게 경화되면, 조립체들(10)이 오븐에서 제거되며 밀봉 요소들(18)의 보어들(20)이 소정 직경의 맨드릴 또는 맨드릴들 위에 배치되며, 상기 소정 직경은, 상기한 바와 같이, 소망하는 밀봉 직경 SD과 거의 유사하거나 또는 동일하다. 맨드릴은 화씨 약 300-500도로 가열 또는 예열될 수 있는 고온 형성 맨드릴로서 제공될 수 있다. 상기 조립체들은 맨드릴의 직경에 거의 유사한 물리적 세트를 취함에 의해 PTFE 밀봉 요소(18)가 그의 압력이 가해진 형태를 유지하도록 하기에 충분한 시간, 예컨대 약 1분 이상, 동안 300-500℉의 가열된 온도에서 고온 형성 맨드릴 상에 유지된다.

다음, 여전히 조립체들(10)이 맨드릴 상에 있는 상태에서, 맨드릴을 대략 실온으로 냉각하는 과정이 계속된다. 이 냉각은 실온에서 실행되거나, 또는 맨드릴이, 예컨대, 맨드릴의 중공 코어를 통해 냉수를 흘리는 냉수 담금질을 통해서, 빠른 방식으로 냉각될 수 있다.

약 70-100℉의 실온으로 된 후, 조립체들(10)은, 상기한 바와 같이, 고온 형성 맨드릴에서 제거되도록 준비되며 사용을 위해 하우징 내의 축(21) 상에 설치될 준비가 된다.

상기한 바와 같이, 케이스(12) 및 본체(22)의 특정 형태는 도1에 나타낸 것으로 제한되지 않는다. 예컨대, 도3에 도시된 바와 같이, 상기한 유사한 특징들을 나타내도록 유사한 참조 부호들이 사용되며, PTFE 밀봉 요소(18)가 엘라스토머 본체(22)의 중간의, 삽입 층을 통해 케이스(12)에 결합되어 있는 상태의 반전되어 접힌 형태로 된 케이스(12)를 갖는 밀봉 조립체(10)를 구성하도록, 개략적으로 도시되어 설명된 두 가지 방법들이 사용될 수 있다. 따라서, 소망하는 밀봉 조립체(10)의 형태를 구성하기 위해 원하는 바대로 선택된 금형 공동 내에 PTFE 밀봉 요소(18) 및 케이스(12)가 배치될 수 있다. 또한, 도4에 도시된 바와 같이, 클램프형 밀봉 조립체(10)는 PTFE 밀봉 요소(18)가 보유 부재(30)를 통해 클램프되어 있는 상태의 케이스(12)를 가질 수 있다. 이 실시예에서, PTFE 밀봉 요소(18)를 압력이 가해진 상태로 팽창시킨 후 이완된 동안에 PTFE 밀봉 요소(18)의 밀봉 직경 SD와 거의 동일하게 유지하도록 가열 및 냉각하는 것에 대해서는 상기 구성 방법과 동일하지만, 이러한 구성은, 이 실시예가 엘라스토머 본체(22)를 포함하지 않기 때문에, 케이스(12) 및 PTFE 밀봉 요소(18) 사이에 엘라스토머 본체를 성형하는 단계를 포함하지 않는다.

분명하게, 상기한 설명들에 비추어 본 발명의 많은 변화들 및 변경들이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위 내에서, 본 발명은 특정하여 설명된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해하기 바란다.

10 :밀봉 조립체
12 : 케이스
13 : 중앙 축
18 : PTFE 밀봉 요소
20 : 밀봉 립
21 : 축
22: 본체
24 : 엘라스토머 재료
30 : 보유 부재

Claims

금속 케이스 및 PTFE 밀봉 요소를 금형 공동으로 배치하는 단계;
축 밀봉 조립체의 통합된 초기 형태를 형성하도록 엘라스토머 재료를 금형 공동으로 분사하여 엘라스토머 재료로써 금속 케이스를 PTFE 밀봉 요소에 부착하는 단계;
금형 공동에서 축 밀봉 조립체의 통합된 초기 형태를 제거하고 PTFE 밀봉 요소의 보어를 맨드릴 상에 배치하는 단계;
PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 가열하는 단계;
PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 냉각하는 단계; 및
축 밀봉 조립체를 맨드릴에서 제거하는 단계를 포함하는, 축 밀봉 조립체 구성 방법.
제1항에 있어서, 엘라스토머 재료를 경화시키기 전에 PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 엘라스토머 재료를 맨드릴 상에 있는 동안에 경화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제3항에 있어서, PTFE 밀봉 요소를 가열하는 동안에 엘라스토머 재료를 경화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제4항에 있어서, 화씨 약 300-500도 사이의 온도에서 PTFE 밀봉 요소를 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 다수의 밀봉 조립체들을 맨드릴 상에 배치하고 맨드릴 상에 있는 동안에 상기 밀봉 조립체들을 오븐에서 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 맨드릴 상의 PTFE 밀봉 요소를 가열하기 전에 엘라스토머를 경화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 엘라스토머를 경화시키도록 밀봉 조립체들을 오븐에 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
제8항에 있어서, PTFE 밀봉 요소를 가열하도록 맨드릴을 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
PTFE 밀봉 요소를 외측 금속 케이스에 부착하는 단계;
PTFE 밀봉 요소의 보어를 맨드릴 상에 배치하는 단계;
PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 가열하는 단계;
PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 있는 동안에 냉각하는 단계; 및
축 밀봉 조립체를 맨드릴에서 제거하는 단계를 포함하는, 축 밀봉 조립체 구성 방법.
제10항에 있어서, 엘라스토머 재료로써 PTFE 밀봉 요소를 상기 케이스에 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 엘라스토머 재료를 경화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 엘라스토머 재료를 경화시키기 전에 PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
제13항에 있어서, PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에서 가열하는 동안에 엘라스토머 재료를 경화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 엘라스토머 재료를 경화시킨 후에 PTFE 밀봉 요소를 맨드릴 상에 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.