TW469327B - Rotary seal with relief angle for controlled tipping background of the invention - Google Patents

Description

^ 93 2 7 五、發明說明（1) 本發明係有關於一種改良式旋轉封，及具有壓力平衡 與改良之潤滑特性的增強器。 有歷力十衡 桿件封件在承受一壓力與相對速度時，即-密封 二Λ 具有限制。在操作時，典型上係承受測 動以上之壓力，以及表面速度為10至50英呎/分鐘之 :於旋轉運動及不良之潤滑而使得固定之摩擦增加了 二重，因此將加速磨耗並造成密封件突起且損失材料。 角:力期間’密封件在凹槽中滑動且增強器在緣 二重負荷而造成了高摩擦。該高摩擦將加速生 器斑且可能因損失密封環之增強力而又在增強 :封襄之間產生一不良之動態介面。如此，將於增強 15上產生一磨損與磨耗。 操作述情況，本發明包括一壓力平衡設計，可在 結果顯;ίΓ降低摩擦並改進密封件下方之潤滑°初步的 、:S Μ &二、扭矩降低超過5〇%，生熱亦減少近5〇%，且在泡 漏控制方面之改善亦十分明顯。 俜位ίΪΪ之密封環包括一較低處之中央凹槽。中央凹槽 桿件接觸之區域。該凹槽將底部接觸面積 S加接觸應力並改善洩漏控制。當系統受壓力 ;壓：=:底面接觸區域上之-點為支點旋轉，以提供 一抗突起之^接觸一較大之底部接觸面積I同時保持 在本發明中，一用於密封一介於第一構件與相對第一

第4頁 69327 五、發明說明（2) 構件運動之第二構件間之間 具有-支點及一周邊括-環，其截面 時，該環即繞著支點旋轉。”、液壓之外力施加於環上 在本發明之另一具體音·始+ 一構件與相對第一構件運 ，一用於提供一介於第 及第二環。在此具體實施例中 ;環將繞著支點旋轉…卜，—第二環包括一截;及= 本發明之又一具體實施例中，—密封—介於第一 與相對第一構件運動之第二構件間之間隙的密封裝置包括

有第-表面及，第二表面之環。肖第二“在承J 明之又一具體實施例之密封裝置包括—第一環， 戴面及其周邊、一第一卷部、一第二唇部、及一 唇部與第一唇部之間的凹部。此外，一第二環 一構件與第二構件之間，該第二環具有一周邊可 狀態下突起並進入第一環之凹部，而在不受壓力 橫跨於該凹部上。 發明之另一具體實施例中，一用於密封一介於兩 之機械運動組件間之間隙的密封結構包括一密封 有一抵著第二機機械結構組件之内表面，該内表 面具有支點、一第一唇部、一第二唇部、一定義於第_ 式唾合系第二構件’ 1第二表面在無外力時係 興第一構件分離 本發 其具有一 定義於第 係介於第 在受壓力 狀態下係 在本 相互運動 環’其具

l^HH 第5頁

赞明說明（3) Π及部之間的凹部，及-抵著第-機械细件之外 轉。此外，又句括一 i古一 i 時係環繞一支點旋 該增強岑環截面及其周邊之增強器環，且 =環係权置於外表面及第一機械組件之間。 :描述本發明 < 又一㈣實 件與相對第-構件運動之第二構 二：：：第-構 法包括步驟為提供一 3隙的方法，該方 面上之一點旋：供f其能夠在承受外部壓力時環繞截 面可前技藝之密封件之處在於提供-密封表 密封件頂端提供一高接觸壓：工積，且在 機械組件，以達成增加密封面積大#分之密封件接觸 本發明之又一優點係在低壓 封面積。t密封件處於低麼力狀緣；=，：減少之密 時，本發明較優地提供一沿著密尚未％繞支點旋轉 組件與密封件間之摩擦。 、面的凹部以減少機械 本發明之另一優點係於密封 該楔形壁可在密封件已環繞支點旋：：：二供-楔形壁， 理想位置’使其可倚靠於密封件該密封件於- 本發明之又一優點係提供—位面。 強器環交互作用之凹部。藉；牛上表面且與增 部、或其他增加表面積且同時引部、隆脊、凸起 強器環之裝£，可使密封件凹部之高應力以抵抗增 遭緣在一受壓力狀態其 93 27 五、發明說明1 --- —— - =傳遞變形壓力至增強器環面，卩大 之動態介面^積，大致消除介於增強器環與密封件間 遏式簡單說巧 可德i 其他之本發明特徵與優點以及達成其之方法將 式而更A ^ =下對本發明—具體實施例之描述配合隨附圖 Λ更為明顯並得以清楚了解，其中： a # 圖係顯示本發明之密封結構之一型式的軸向平靣 局部剖面圖； 彳-Τ叫 第2圖係~先前技藝之密封結構的局部剖面圖； 第3圖係本發明之密封元件的局部剖面圖； 第4Α圖係顯示一先前技藝之密封系統裝置在未加壓狀 態下的有限單元分析（FEA)圖； 、第圖至第a圖係顯示本發明在未加壓狀態下使用各 種增強器之不同具體實施例的有限單元分析圖； 第5Α圖係顯示第4Α圖之具體實施例於承受高壓力 有限單元分析圖； 第5Β圖及第5D圖係顯示第4Β圖至第4D之具體實施例於 承受高壓力時之有限單元分析圖； 第6圖係比較先前技藝設計與第1圖中之設計之一的脫 開扭矩試驗結果g ; 第7圖係比較先前技藝設計與第1圖中之設計在低速狀 態下之一動態扭矩試驗結果圖；

469327 五、發明說明（5) 第8圖係顯示本發明之密封結構之一型式的軸向平面 局部剖面圖； 第9A圖至第9C圖係比較先前技藝設計與第1圖中之設 計在高壓力狀態下之一累積洩漏試驗結果圖； 第10A圖至第10B圖係比較先前技藝設計與第1圖中之 設計在中壓力狀態下之一累積洩漏試驗結果圖； 第11A圖至第11B圖係比較先前技藝設計與第1圖中之 設計在中壓力狀態下之一磨耗試驗結果圖；及 第12A圖至第12C圖係比較先前技藝設計與第1圖中之 設計在高壓力狀態下之一磨耗試驗結果圖； 數個圖式中之參考代碼係指示相對應之部件。在此提 出之一本發明較佳具體實施例僅為本發明之一型式，且此 類範例並非用於限制本發明之範圍。 實施例 參考圖式且特別是第1圖，其中顯示一結構包括一環 形密封組件13，一具有一環形密封凹槽或壓蓋17而可使密 封組件1 9安裝於其中之外部構件1 5。加壓液體係沿著箭頭 P之方向施予密封組件1 3。該液體通過一環形間隙2 〇並直 接作用於密封組件1 3上。必須了解的是，構件1 5及1 9僅顯 示一種密封組件13可較佳使用之環境。在所示之具體實施 例中’構件15與19係為了相對旋轉運動而設置。 儘管外部構件1 5可為各種不同之結構，但在所示之結 構中係包括在軸向間隔之徑向延伸壁21與23，並藉轴向壁

第8頁 :6 93 27 五、發明說明（6) 25相互連接以定義密封壓蓋η。密封壓蓋I?係完全地環繞 内部構件1 9。在所示之具體實施例中，密封壓蓋丨7之軸向 截面通常為矩形。外部構件15具有一延伸通過之通道而 内部構件1 9即安裝於其間。 内部構件1 9可為各種不同之結構；然而，具體實施例 中所不者為圓柱形轴心之型式。内部構件19具有圓柱形外 表面29以定義一種被密封之表面。 密封組件13包括一密封元件30及譬如具體實施例所示 之0型環彈性體3 3型式之環形彈性體構件。彈性體增強器 可利用譬如第8圖所示之幾乎任一種通用型式。密封元件 30可以任一種通常用於達成此目的之材料構成譬如可使 用如熱塑性材料之一適合的塑膠材料，而聚四氟乙烯 (PTFE)、熱塑性彈性體（TPE)、聚氨脂（pu)及超高分子量 聚乙烯（UHMWPE )則為可使用之熱塑性材料的範例。第8圖 中所示之另一具體實施例包括一具有一不同上表面之元件 30 〇 密封元件30之結構可藉由參考第3圖中單獨顯示之該 元件而獲致最佳的了解。一般而言，密封件3〇之一環形結 構具有一包括用於低壓力密封之一凹槽34的下表面A。 為簡單描述起見，將依反時針方向描述密封元件3〇之 外表面上不同之角、邊緣及表面。自左下方起之邊緣點 1、2、3、4、4’ 、5、6及7大致描繪出密封元件3〇之下表 面，而點8、9、1〇、11、12、13、14及15則描述密封元件 30之上表面τ的變化輪廓。下表面a通常係位於點3與4以及

j 6 9 7 五、發明說明（7) - 點4’與5’之間》該表面a於密封元件13未承受壓力時係接 觸内部構件19。位於點5與6之間者係—表面6，其係於密 封件承受壓力期間產生一增加的受壓力面帛。介於點6與7 之間者係-抗突起之導角。密封元件3〇在受壓力期間朝向 點5傾斜或旋轉而使表面b接觸構件19。 位於點7與8之間的表面C係一凸出角度以容許密封元 件30在邊緣受壓力時朝向邊緣5傾斜。本發明之表面6與表 面C最佳地係互相垂直。在另一較佳實施例中一表面b與 表面c之夾角係介於85〇至90〇之間，但更佳地則介於89〇至 91〇。邊緣8與9及邊緣14與15設置有上導角以避免彈性體 成為碎粒狀。 本發明不同於先前技藝之一構想係在平衡壓力與摩擦 方面之能力。在受壓力期間’液體壓力作用於密封元件3〇 之點1至點5的區域中並由彈性體產生之壓力平衡之，使密 封元件30可藉由沿著點5至點6的寬度密封。受壓力時， 全部之力量僅在通過點5至點6的範圍中產生扭矩。相對於 點5之傾斜即為產生扭矩衰減之處。該壓力平衡降低了密 封件與桿件之間的負荷，徑向負荷則以1 : 7至5 : 7之比例 減少。在點6與點7之間製作一導角以防止因擠壓造成之突 起。 _ )密封件30包括一背角以方便其傾斜或滾動。該角度或 著說邊緣C係垂直於邊緣B以容許密封件在凹槽^滚動。邊 在受壓力期間垂直於桿件滾動且亦平行於壓蓋之璧 23.。當彈性體33增強而橫跨密封元件30整個上部時，即企

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彈性體33與密封元件30之間的摩擦，以防止密閉封 環隨著構件19旋轉，而並非將其保持於壓蓋17中。 *為消除一動態介面而在第4Β圖至第4D圖所示之上表面 二qq ^凹槽、隆脊、凸起部、或其他機械式閉鎖40。彈性 B下變形至凹槽40中且點11與點12承受一高負荷。此 :2 ?性體33將具有一大應變’但在點11與點12之間的應 哀減。由於凹槽40中並無密封元件支持彈性體33，以 致彈性體30向下變形至凹槽内而在丨丨及^處產生一高應力 集中，這種彈性體組件33與密封環組件3〇之間的摩擦特性 及/或扭矩的增加將提供彈性體组件33與密封環組件3〇 ^不滑動且閉鎖的關係。其他產生一增加摩擦之模式係 藉由改變外型以增加元件3〇與33之間的接觸面積來達成。 彈性體33在密封元件30滚動時將隨之變形，且亦在此 一應力集中。點1G降至點9之—角度或表面係用作為 a強器之一應變釋放。在前侧之點丨3至點丨4具有另一此 表面，這些角度可在彈性體增強時將其放鬆。彈性 之放鬆皆容許彈性體33吸收一些外加壓力之能量^ ^ 由彈性體33進入上表面之凹槽40中，以及進入設 1精 與點9間以導角邊緣形成之導角中時所產生的變吸 外加壓力之能量。 ^ 第4A圖至第5D圖係顯示本發明及一對應之先于 密封件上的正向接觸應力有限單元分析。第53圖^ & = 係顯示密封件之組成在受壓力時之一較佳的 圖 减。超過50%之接觸面積縮減可提供較先前技 — 势密封件

G932 五、發明說明（9) 產品為佳的扭矩、生熱及摩擦之改良。 第6圖至第12圖係以有限單元分析比較先前技 ί件與本發明以顯示本發明之優勢。本分析 壓蓋，其具有在密封件上包括低、中、高測試 有一固定之旋轉、且在2 〇〇，〇 〇 〇次循環期間承受低中、八 或高壓力，並且表面粗度係在0.1至〇 2微米範圍-中'。、 第6圖顯示本發明較先前技藝改良之脫 係顯示本發明較先前技藝改良之低速度下的動 n A圖至第9C圖顯示本發明與先前技藝在高壓力；之 累圖及第10B圖顯示本發明與先前技藝在中壓 針姑鼓ft洩漏比較°第11^圖及第11B圖顯示本發明與先 示本；明輿下之磨耗結果比較。第12A圖至第12C圖顯 Ϊ =則技藝在高壓力下之磨耗結果比較。 雖然本發明已藉—較佳設計 發明之精神與範圍内當進一 ：：在不：：本 用ίί: 何根據本發明一般原理所作之更動、使 本說明堂所ί，本專利申請書當可涵蓋熟於此技藝者依據 申請專：範K變’’且此類變動均屬於本發明及隨附之

第12頁

Claims (1)

1. '09327------ 8811%!Ή_--—-Εέί--- 六、申請專利範圍 ι一種密封件，用於密封〆介於第一構件與相對第一 構件運動之第二構件間之間隙，該密封件包括： 一環，具有包括一支點且對應外部壓力之一截面。 2 如申請專利範圍第1項所述之^密封件’其中’該截 面之周邊包括一鄰接該支點之第一锆封部，該第二密封部 在一受壓力狀態其間嚙合於第’構件’且在一不受壓力狀 態期間與該第二構件分離。 3 如申請專利範圍第丨項所述之在'封件，其中’該截 面之周邊包括一鄰接該支點之第一環、—第二環、及一定 義於期間之 凹部。 4.如申請專利範 壓力期間 請專利範 部於一不受 戶斤述之密封件，其中 構件。 該凹 5.如申 環及該第 環於一 二環於一受 7. 如申 部係抵著第 8. 如申 部係抵著一 9. 如申 係設置於第 如申請專利範 壓力期間 請專利範 一構件。 请專利範 增強器。 請專利範 一構件所 圍第3項 抵著該第 圍第3項所述之密封件’其中，該第 不受壓力期間嘲合於該第二構件。 圍第3項所述之密封件，其中，該第 與該第二構件分離。 圍第3項所述之密封件，其令，該凹 圍第3項所述之密封件，其中，該凹 項所述之密封件，其中，該環 義之一壓蓋中，且該壓蓋係抵著第 10. —種密封裝置，用 構件間之間隙，其中該第；畨封一介於第一構件與第二 二構件係、相對該第一構件運動

   1083-2840-FFl.ptc 第13頁 —&-3·3 > 事號 88nQR3i_车月一§- 六、申請專利範圍 ^^^1— ---- 該密封裝置包括： —第一環，具有包括一周邊及/支點之〜哉面.： 一環在外部壓力施加於該密裝置時環繞該支點旋轉]該苐 一第二環，具有包括一周邊之一截面13 ，以及 11.如申請專利範圍第1 〇項所述之密封裴复，其 該第一環及該第二環之設置係同中心。 、中’ 1 2.如申請專利範圍第丨0項所述之密封I置， 第一構件定義一空洞以收納該第一環及該第二壤。、中’ 13. 如申請專利範圍第10項所述之密封裝置，其 該第一環之周邊又包括一受壓力之密封件部份，該受中堅^ 之密封件部份於一受壓力狀態下嚙合於第二構件’且在一 不受壓力狀態下與第二件分離。 14. 如申請專利範圍第1〇項所述之密封裝置’其中’ 該第一環之周邊包括一鄰接該支點之第一環，及一第二環 與一定義於期間之凹部。 15. 如申請專利範圍第14項所述之密封裝置’其中’ 該凹部於一不受壓力期間抵著該第二構件。 16. 如申請專利範圍第項所述之密封裝置’其中’ 該第一環及該第二環於一不受麼力期間响合於該第一構 件0 17·如申請專利範圍第η項所述之密封裝置’其中 該第二環於一受壓力期間與該第二構件分離。 18.如申請專利範圍第14項所述之密封裝置，其中 該凹部係抵著該第二環。 19.如申請專利範圍第18項所述之密封裝置’其中

   46 93 2 7 i號8幻1卯幻 年

   六、申請專利範圍 該第二環之周邊係於一受壓力狀態期間掩入該凹部中。 2 0.—種密封件，用於密封〆介於第—構件與相對第 一構件運動之第二構件間之間隙，该密封件包括： ^ ^ - a牧承 第二表面在無外力時係與第 述之密封件，其中 一環，具有第一表面及一第二·表面i該第二表面在承 受外力時嚙合於第二構件，且 二構件分離 該 21 ·如申請專利範圍第2 〇項所 第一表面包括一第一部及一第二部。 22·如申請專利範圍第2 1項所述之密封件， 第一部與該第二部定義一位於兩者間之凹部。 23.如申請專利範圍第22項所述之密封件， 四部係抵者第二表面。 24·如申請專利範圍第22項所述之密封件， 四部係朝向第二表面。 θ 25. 如申請專利範圍第21項所述之密封件’ 第二部係鄰接該第二表面。 、 26. 如申請專利範圍第21項所述之密封件’ 第一部於一不受壓力狀態期間嚙合於第一構件 其中 該 其中，該 其中 該 其中，該 其中’該 ，且在受壓 力狀態期間與第二構件分離。 其中，該 27_如申請專利範圍第20項所述之^密封件 又包括一 環係設置在一定義於第一構件中之容室^内。 28·如申請專利範圍第20項所述之密封件 設置於該環與第一構件之間的第° 2 9. —種密封裝置，用於密封一介於第一構件與相對 第一構件運動之第二構件間之間隙’ 1玄密封裝置包括： .....

   1083-2840-PFl-Ptc 第15賓 469327 SS88U9631

   六、申請專利範圍 一第一環，具有一截面及其肩邊、一第一唇部、一第 二唇部、及一定義於該第一唇部與該第一唇部之間的凹 部’該凹部抵著第一構件；以及 一第二環，具有一截面之阄邊’該第二環係設置於該

   30. 如申請專利範圍第29項所述之密封骏置，其中， 該第一環係一增強器。 31. 如申請專利範圍第29項所述之密封裂置，其中， 該第一環係一密封元件。 32. 如申請專利範圍第29項所述之密封裝置，其中， 該第一環與該第二環係以同心方式排列。 33. 如申請專利範圍第29項所述之密封裝置，其中， 該第:環與該第二環於—受壓力狀態期間施加變形應力於 該第二環之周邊上。 …、 34. 如申請專利範圍第33項所述之密封裝置，其令， =形應力於該第一環與該第二環之間提供一增大之摩擦 環’具有一抵著第二機機械結 面具有一支點 '一第一唇部、 唇部及第二唇部之間的凹部， 定義於第~ 一第二唇部、一 及—抵著第一機 械組件之外表面 面，該密封璜左異澉#

   用於密封一介於兩相互 該密封結構包括： 抵著第一機機械結構組件 點 '一第一唇部、一第二 唇部之間的凹部， 35_ 一種密封結構， 械運動組件間之間隙， 一密封環，具有一 面，該内表面具有一支 介於兩相互運動之機 之内表 46 93 2 案號88〗丨叩幻 Λ η_ 曰

   六、申請專利範圍 該支點旋轉，以及 一增強器環’具有一截面及其周邊 置於外表面及第一機械組件之間》 36_如申請專利範圍第35項所述之密対 該支點係接觸第二機械組件 该 增強器承 其中’ 構 結構 其中 3 7.如申請專利範圍第3 5項所述之密、不受麇力狀 態期 該第一環與該第二環在該密封結構處於 間嚙合於第二機械組件 ….'，_ ^構，其中’. 38.如申請專利範圍第35項所述之密封f係與第二機械 該第一環在該密封結構在一受壓力狀態期 ” 組件分離》 39·如申請專利範圍第35項所述之密封 該内表面又包括一傾斜表面β 40.如申請專利範園第39項所述ι密封 結搆 其中 該傾斜表面定義一與第二機械级件之表 面 面爽 構 其中 jlL 41.如申請專利範圍第3 9項所述之密受麋力狀 態期 該傾斜表面與該第一環在該密封結構處於 間嚙合於第二機械組件。 社構，其中， 42_如申請專利範圍第35項所述之密封^結 機械組 一密封壓蓋係設置於第一機械組件内且抵者 件，該密封壓蓋係收納該密封環與該增強器。，& +， 43·如申請專利範園第42項所述之密封結構’、 該密封環又包括一壁，該壁係大致沿徑向設置於第二機槭 組件與該增強器之間

   1083-2840-PF1.ptc 第17頁 46 93 27 ---塞號 8811QM1__车月 日 鉻π_ 六 '中請專舰圍 ' - 44·如申請專利範圍第43項所述之密封結構，其中， 該壁在該密封結構處於一非受壓力狀態期間定義一與該密 封壓蓋之表面所定義之一平面夹一銳角的平面。 ^ 45.如申請專利範圍第43項所述之密封結構，其中， 该壁在該密封結構處於一受壓力狀態期間嚙合於該密封壓 蓋之一表面。 4 6·如申請專利範圍第35項所述之密封結構，其中， 該增強器環係一環形彈性體構件。 4 7.如申請專利範圍第35項所述之密封結構，其中， 該密封環係由選自聚四氟乙烯、熱塑性彈性體、聚氨脂、 以及超高分子量聚乙烯之—種熱塑性材料構成。 _ 48.如申請專利範圍第35項所述之密封結構，其中， 該在、封環又包括一位於該内壁上之導角邊緣。 49· 一種密封一介於第一構件與相對第一構件運動之 一，件間之間隙的方法，包括步驟為提供一環，其能夠 在承跫外部壓力時環繞截面上之一點旋轉。 w 如申請專利範圍第49項所述之方法，又包括在該 環之—表面上定義一凹部之步驟β 51.如申請專利範圍第5 〇項所述之方法，其中，該 部係抵著第二構件。 凹 一 52.如申請專利範圍第5〇項所述之方法，又包括提供 ^第二環之步驟’該第二環係設置於該環與該第一構件之 53，如申請專利範圍第52項所述之方法’其中，該第 一環係於一受壓力狀態期間擠入该凹部中。

   ：6 93 2 7 _案號88119631_年月日__ 六、申請專利範圍 54.如申請專利範圍第49項所述之方法，又包括於該 環之表面上提供一傾斜表面之步驟，該傾斜表面於一不受 壓力狀態期間定義一與第二構件夾一銳角之平面，且該傾 斜表面於一受壓力狀態期間嚙合於第二構件。 5 5.如申請專利範圍第49項所述之方法，又包括於該 環之表面上提供一導角邊緣之步驟，該導角邊緣可大致防 止該環自一環之外殼擠出。

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