一種具有增強彈性的密封元件的流體動壓式密封的製作方法
2023-04-30 22:43:36
一種具有增強彈性的密封元件的流體動壓式密封的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種包括具有外部(36)和內部(38)的PTFE密封部件(34)的流體動壓式軸封總成。該外部附著於一環形載體(16)。該內部是自由的並且包括至少一個與旋轉軸或承磨襯套直接運行接觸的流體動壓式凹槽(42)。在該內部和外部之間形成了一密封部件的中間部(40)。該中間部變薄並且包括一個或更多環形波形(44)，該波形在那裡形成以提高內部相對於外部的彈性。該密封總成可包括一個或多個排除器特徵。橡膠外殼圍繞著載體的一部分模塑。優選地，一個或多個環形波形(44)在橡膠模塑過程中用壓印操作形成。
【專利說明】一種具有增強彈性的密封元件的流體動壓式密封
【技術領域】
[0001]本發明大致涉及一種流體動壓式密封，更具體地涉及一種具有改進的彈性的密封元件的形成。
【背景技術】
[0002]流體動壓式密封常用作外殼和旋轉軸之間的交界面，它穿過外殼延伸以容納油、水或其它流體並防滲漏。這些類型的密封有時也稱為徑向軸封。流體動壓式密封常見的應用包括發動機曲軸，傳動軸，和各種各樣的工業應用。
[0003]流體動壓式密封典型地包括一與旋轉軸直接接觸的彈性體部件。在一些徑向軸封的種類中，這個彈性體部件是用聚四氟乙烯(PTFE)類材料製造。當然，也可能存在其他合適的可選材料。儘管旋轉軸和密封的載體結構之間不同心，該PTFE彈性體密封部件被設計成在使用中變形以便增強該密封與旋轉軸保持連續、密切接觸的可能性。
[0004]本領域中存在具有PTFE密封部件的流體動壓式密封的許多示例。例如，2001年I月2號授權的Toth等的第6，168，164號美國專利描述了一種具有PTFE元件的包括特別成形的流體動壓式凹槽的流體動壓式密封。第6，168，164號美國專利的整體內容通過引用合併於此並且以此為依據。現有技術中的流體動壓式密封的另一個示例可見於2006年9月5號授權的Toth等的第7，100, 924號美國專利。第7，100, 924號美國專利的整體內容通過引用合併於此並且以此為依據。該第7，100, 924號專利描述了一種PTFE流體動壓式密封元件，在一個實施例中，該流體動壓式密封元件包括用於增強的密封元件的彈性的一體形成的活動的鉸鏈部分。該引用描述了這些應用中長期以來對密封彈性的需要。第6，336，638號美國專利中示出了一個進一步的示例，該專利中連續的敞開的凹槽的螺旋被壓印入普通厚度的中間部分和內部區域密封部件中。
[0005]雖然在上述記述的至少一些專利中示出的流體動壓式密封構造取得了商業成功，仍然具有持續的需要去提高密封構造以便它的功能更有效率。待提高的特別關心的三個領域涉及密封元件的彈性，汙物排除以及漏氣試驗。在流體動壓式密封的一些應用中，例如在發動機曲軸應用中，新組裝的發動機是採用空氣壓力作為質量控制措施檢漏的。儘管根據現有技術設計(像以上所述的那些)的流體動壓式密封在使用中功能完善，它們並不總是很好的適應了那些較新的檢漏的方法，在該方法中發動機組是用空氣加壓的。一些現有技術流體動壓式密封的巨大的敞開凹槽並不是很好的適應那些較新的檢漏方法。該密封部件的巨大的敞開的凹槽已被認定為能引起檢漏失敗。據此，有需要提供一種改進的流體動壓式密封，該流體動壓式密封在正常操作中功能良好，並且也適用於在發動機組中保持壓縮空氣，例如，在檢漏程序中。而且，具有連續的巨大的敞開的凹槽螺旋(像第6，336，638號美國專利中所示)的密封元件有一個問題，即外部的汙垢和灰塵在軸處的密封唇交界面下方被吸入，使得汙垢進入油腔並且磨損(wear)軸。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種圍繞旋轉軸以約束流體從密封的一側移動到另一側的流體動壓式軸封總成。該總成包含一大致環形的載體和一安裝於該載體上的環形密封部件。該密封部件在自由狀態下從該載體徑向向內延伸。該密封部件具有鄰近該載體的外部，和內部，以及位於該內部和外部之間的中間部。該外部可通過中間的橡膠層與該載體結合或直接與該載體接觸用以在載體處固定地錨固該密封。該密封部件的內部形成動態的密封表面用以直接在面面接觸下配合旋轉軸。該密封表面具有鄰近該密封部件的中間部的至少一個小的，優選為封閉的流體動壓式凹槽。該密封部件包括至少一個在其中間部內形成的環形波形並且配置為相對徑向向外的部分增加該密封部件的彈性。
[0007]在密封部件的中間部形成的環形波形在該元件的中間區域提供了改進的彈性，從而提高了它的密封效率，而無須將其延伸入接觸軸的密封部件的內部區域。因此，對外部存在的汙垢或灰塵的吸入效應被最小化。
[0008]根據本發明的另一個方面，提供了一種製造流體動壓式軸封總成的方法。步驟包括成形一大致環形的載體以及形成一環形密封部件。該密封部件包括一具有厚度的外部，一具有厚度的內部，以及一位於該內部和該外部之間的中間部。該形成步驟進一步包括在密封部件的內部切割一螺旋的流體動壓式凹槽。該密封部件的外部安裝於該載體中。該形成步驟還包括在機械操作中將該中間部變薄至小於該內部和該外部的各厚度，並且進而在中間部壓印至少一個環形波形以增加該密封部件的彈性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]結合以下詳細的說明和附圖，本發明的這些和其他特徵以及優點將更易於理解，其中:
[0010]圖1是根據本發明的支撐於外殼中並且包括流體動壓式軸封的旋轉軸的示意圖；
[0011]圖2是根據本發明的流體動壓式密封的示意圖；
[0012]圖3是大致沿著圖2的線3-3的剖面圖；
[0013]圖4是類似圖3的剖面圖，但是示出了一可選的實施例，其中排除器部件包括一氈製品元件或一泡沫製品元件；
[0014]圖5是根據本發明第一個可選實施例並且示為形成於軸上的流體動壓式密封的剖面圖；
[0015]圖6是根據本發明第二個可選實施例的部分成形的密封元件的放大的剖面圖；
[0016]圖7是設置為與旋轉軸一起操作並且引入圖6的第二個可選密封元件的流體動壓式軸封的剖面圖，但是示出的是完全成形的密封元件；
[0017]圖8是根據第三個可選實施例的流體動壓式軸封總成的一部分的剖面圖，該實施例描繪了與可選的承磨襯套直接接觸並且與金屬載體的內面結合的主PTFE元件；
[0018]圖9是示出了本發明第四個可選實施例的剖面圖；以及
[0019]圖10是本發明的第五個可選實施例的剖面圖。
【具體實施方式】
[0020]參閱附圖，其中類似的數字表示貫穿於多幅附圖中類似或相應的部分，根據本發明的一個實施例的流體動壓式軸封在圖1-3中大致用數字10表示。在圖1中，該軸封總成10示為安裝於一典型的外殼12中，比如，可包含發動機曲軸，傳動裝置，或者其他機械部件。旋轉軸14穿過該外殼12以及軸封總成10的中心。該流體動壓式軸封10的目的是約束流體的遷移，比如油，油脂，水或者從密封10的一側到另一側的類似物。以此方式，軸封10可有效包含位於外殼12內的潤滑油，同時排除灰塵和其它碎屑使其不能進入外殼12。
[0021]圖2示出了作為大致環形元件的密封總成10。圖3是大致沿著圖2中的線3-3的該密封總成10的剖面圖。具體地參閱圖3，該密封總成10示為包括一大致環形的載體16，在一個實施例中該載體由剛性的、金屬材料製成，比如鋼鐵。該載體16包括一環形外壁18和一環形內壁20。該內壁20與外壁18同心設置。兩個壁18，20通過一環形橋部分22連接在一起。如圖10所示，該內壁和外壁可被調整為以下所述的單壁特徵。該載體16可進一步包括一從該內壁20徑向向內延伸的環形凸緣24。
[0022]該載體16優選地被包覆入一圍繞外壁18的大部分延伸並且填滿了內壁20和外壁18之間空間的橡膠外殼26中。該橡膠外殼26也可大體完全包覆該凸緣24。橡膠與金屬的結合(在本案例中結合外殼26與載體16)是通過在模塑工藝中將橡膠機械地且/或化學地固定於金屬載體16上的過程。在該過程中，在該載體16適當地去除油汙並且塗覆任何必須的粘合劑後，該金屬載體16被插入一鑄模腔中並且使用型心撐銷(未示)從其懸垂以使得橡膠圍繞金屬部分流動。孔洞28出現在型心撐銷在模塑過程中被使用的地方。該密封總成10優選地包括一從該載體16徑向向內延伸的排除器部件。在該實施例中，該排除器部件包含一對懸臂式的橡膠唇30，32，該橡膠唇由形成外殼26的相同的橡膠一體成型。這些排除器唇30，32有助於阻止灰塵和其他汙染物穿過外殼12從而可能汙染密封總成10另一側的潤滑油或者其他液體。該排除器特徵30，32優選地，儘管非必要地，接近該載體16的凸緣24並且通過該載體16的凸緣24支撐。摩擦增強的肋條29可選擇地形成於圍繞外壁18的最外邊的外殼26的部分以增加與外殼12的抓持。
[0023]圖4示出了圖3所示的密封總成10的輕微變型，其中，一個排除器唇30被替換為氈或泡沫類型排除器部件30』。在具有更高防塵要求的應用中，這一點是可預期的。
[0024]該軸封總成10進一步包括一大致用34表示的環形密封部件。在優選的實施例中，該密封部件34是由聚合物材料製作的板或者薄片的形式，優選地採用可從管坯切割的聚四氟乙烯(PTFE)化合物。薄片材料中可添加填充劑以特定地使密封適應它的預期用途。合適的填充劑材料可包括玻璃纖維，二硫化鑰，石墨以及青銅。密封部件34的其他組成可根據應用而選擇。
[0025]如圖2和圖3所示，該環形密封部件34在自由狀態下可從載體16徑向向內延伸。該密封部件34的外部36鄰近該載體。該密封部件34的內部38佔據了該密封部件34徑向最裡面的區域並且適合於與旋轉軸14面面接觸。該密封部件34的中間部40位於該內部38和該外部36之間。如圖3最優所示，該外部36通過與橡膠外殼26結合直接錨固於該載體16。然而，非結合的布置對於本領域的技術人員來說也是可以理解的，其中該密封部件34與該載體16機械夾緊。
[0026]內部38包括至少一個流體動壓式輔助工具(hydrodynamic aid)以引導油或其它內含的液體至所需的方向。該流體動壓式輔助工具優選為封閉類型，由切割為螺旋樣式的類似於以上引用的第6，168，164和7，100, 924號美國專利所述的凹槽或孔道42代表。該流體動壓式凹槽42終止於密封部件34的中間部40附近。[0027]該密封部件34的中間部40優選地通過機械操作變薄使得它產生的厚度小於內部38和外部36的厚度。換句話說，當該薄片初始從如上所述的PTFE材料坯體切割時，凹槽通過機器加工於該坯體的中間部40的面上以通過切割工具的使用產生減小的厚度。在此之後，至少一個環形波形44形成於變薄的中間部分40以便增加彈性並且減少該密封部件34的彎曲力，尤其是該內部38相對於該外部36的彎曲。當指定多個波形時，它們彼此同中心的設置。一個或更多的波形44優選地在橡膠模塑過程中通過壓模操作形成，但是其它製造技術也可用於生成這類特有的特徵。該一個或更多的環形波形44，與它的變薄的部分結合，創造了具有相應地改進的密封能力的高彈性的該密封部件34的中間部40，包括在密封和軸之間需要減少軸載荷的應用中。包括結合的機械製造的以及壓印的中間部40的密封部件34還以改進的方式增加了該密封總成10響應軸14動態跳動以及靜態孔軸未對準條件的能力。當密封部件34認為活塊(loose-state)狀態時,或者該密封元件34連結到外殼16上時，或者在隨後的操作中，均可形成該壓印的波形44。
[0028]如圖3所示，該至少一個波形44包括一凸起的變形和密封部件34相對一側的互補的凹陷變形。在示出的實施例中，當僅採用一個波形44時，該凸起的變形和該流體動壓式凹槽42位於密封部件的同側以提高彎曲能力。
[0029]圖5示出了本發明的第一個可選實施例，其中類似或相應的部分通過增加100的類似附圖標記進行標示。在該示例中，密封部件134包括在中間部分140的多個同心的環形波形144。該實施例中另一個變化可見於該密封部件134相對於載體116的連接配置。在該示例中，密封部件134採用相對於載體116充當鉸鏈的彈性體146的一部分連接。該彈性體146的部分是橡膠外殼126 —體成型的一部分。進一步，排除器唇130在軸向與垂直面(圖中未示出)接觸。
[0030]圖6和圖7中示出了第二個可選實施例，其中類似的或相應的部分通過增加200的類似附圖標記進行標示。除了此處的密封部件234形成有一體的防塵片(dust flap>248以外，該密封總成210的第二個可選實施例類似於圖5中所示的第一個可選實施例110。該防塵片248位於流體動壓式凹槽242和中間部240之間。圖6示出了中間部240變薄之後而環形波形244形成之前的中間狀態的該密封部件234。
[0031]圖8描繪了本發明的第三個可選實施例，其中類似的或相應的部分通過增加300的附圖標記標示。在該例中示出承磨襯套350,該承磨襯套常用於軸(圖中未示出)的工作面具有表面光潔度的問題時。圖9示出了該密封總成的第四個可選實施例。類似的或相應的部分通過增加400的一致的附圖標記標示。圖8和圖9中示出的實施例可以作為變化的示例彼此比較，這些變化可設計在波形344，444的位置和數量上以作為一種調節密封彈性以及與承磨襯套350,450相對位置(或者當不採用承磨襯套的情況下相對於旋轉軸)的手段。後模塑的橡膠外殼326，426的接觸密封部件334，434的特殊位置以及更具體地它相對於中間部340，440終止的位置可根據應用以及所需的操作性能進行變化。
[0032]圖10示出了另一種，即本發明的第五個可選實施例。正如之前的示例，在該第五個實施例中類似的或相應的特徵通過增加500的類似附圖標記進行標示。此處，載體壁被調整為單一的環形外壁518因此省略了之前描述的內壁和橋的特徵。該環形凸緣524直接從外壁518延伸。該示例示出了僅一種方式，該載體構造在該方式中可不脫離本發明的精神而進行變化。本段中的該密封部件534的功能與上述示例中描述的密封部件基本相同。本領域的技術人員應該理解，不同實施例的元件和特徵可以彼此混合併且調整以創造新的設計。
[0033]前述的發明根據相關法律標準已作了描述，因此該描述作為示例而非本質上的限制。根據已公開的實施例而進行的變化和修改對本領域人員而言是明顯的，並且落入本發明的範圍。
【權利要求】
1.一種圍繞旋轉軸以約束流體移動的流體動壓式軸封總成，其特徵在於，所述總成包括: 一大致環形的載體； 一安裝於所述載體上並且在自由狀態下從所述載體徑向向內延伸的環形密封部件；所述密封部件具有鄰近所述載體的外部，內部，以及位於所述內部和所述外部之間的中間部；所述外部與所述載體錨固；所述內部形成動態的密封表面用以直接在面面接觸下配合旋轉軸；所述密封表面具有至少一個終止於所述密封部件的徑向中點的流體動壓式凹槽；以及所述密封部件包括在所述中間部形成的以及配置為相對於徑向外部增加所述密封部件彈性的至少一個環形波形。
2.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述密封部件的所述中間部具有小於所述內部和所述外部厚度的厚度。
3.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述密封部件的所述中間部在機械操作中變薄並且所述至少一個波形在隨後的壓印操作中形成。
4.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述至少一個波形具有互補的凹陷和凸起變形。
5.根據權利要求4所述的軸封總成，其特徵在於，所述凸起變形以及所述流體動壓式凹槽位於所述密封部件的同一側。
6.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述至少一個波形包含多個同心設置的環形波形。
7.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述流體動壓式凹槽是通過螺旋形地切割所述密封表面而機械形成的。
8.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述密封部件由填充的PTFE材料製造。
9.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述密封部件包括位於所述流體動壓式凹槽和所述至少一個波形之間的一體的防塵片。
10.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述載體由至少一種金屬材料或塑料材料製造。
11.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述載體包括一環形外壁和一與所述外壁同心的環形內壁，以及連接所述外壁和所述內壁的環形橋部分。
12.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，所述載體包括一外壁和一相對於所述外壁徑向向內延伸的環形凸緣。
13.根據權利要求12所述的軸封總成，其特徵在於，所述載體包括覆蓋所述外壁至少一部分和所述環形凸 緣的橡膠外殼。
14.根據權利要求13所述的軸封總成，其特徵在於，所述密封部件的所述外部與所述載體的所述橡膠外殼直接結合。
15.根據權利要求1所述的軸封總成，其特徵在於，進一步包括至少一個從所述載體徑向向內延伸的排除器部件。
16.根據權利要求15所述的軸封總成，其特徵在於，所述排除器部件具有至少一個懸臂式的橡膠唇。
17.根據權利要求16所述的軸封總成，其特徵在於，所述排除器部件包括鄰近所述橡膠唇的環形非橡膠元件。
18.根據權利要求15所述的軸封總成，其特徵在於，所述載體包括一環形凸緣，並且其中所述排除器部件與所述載體的所述環形凸緣直接接觸。
19.一種流體動壓式軸封總成，其特徵在於，包括: 一載體；所述載體由剛性的、金屬材料形成；所述載體具有大致環形的配置；所述載體包括一環形的外壁；所述載體包括相對於所述外部徑向向內延伸的環形凸緣；所述載體包括覆蓋所述外壁的至少一部分和所述環形凸緣的橡膠外殼； 從所述載體徑向向內延伸的至少一個排除器部件；所述排除器部件具有至少一個懸臂式的橡膠唇；所述排除器部件與所述載體的所述環形凸緣直接接觸； 安裝於所述載體上並且在自由狀態下從所述載體徑向向內延伸的一環形PTFE密封部件；所述密封部件具有一鄰近所述載體的外部，一內部，以及位於所述內部和所述外部之間的中間部；所述外部與所述載體的所述橡膠外殼直接結合配合；所述內部是彈性的以使旋轉軸與該內部面面接觸建立動態密封表面；所述密封表面具有至少一個切入的螺旋形的流體動壓式凹槽，該流體動壓式凹槽終止於所述PTFE密封部件的所述中間部附近；以及 所述PTFE密封部件包括至少一個在所述中間部內形成的壓印的環形波形；所述波形具有互補的凹陷和凸起變形；所述密封部件的所述中間部的厚度小於所述內部和所述外部的厚度。
20.一種製造圍繞旋轉軸以約束流體遷移的流體動壓式軸封總成的方法；其特徵在於，所述方法包含以下步驟: 成形一大致環形的載體； 形成一環形密封部件；所述密封`部件包括一具有厚度的外部，一具有厚度的內部，以及一設置於所述內部和所述外部之間的中間部；所述形成步驟包括在密封部件的內部切割一螺旋的流體動壓式凹槽； 將所述密封部件的外部安裝於所述載體上；以及 所述形成步驟包括在機械操作中將所述中間部變薄至小於所述內部和所述外部的各厚度，並且進而在所述中間部壓印至少一個環形波形以增加所述中間部相對於所述內部和所述外部的彈性。
【文檔編號】F16J15/32GK103732955SQ201280032697
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年5月1日 優先權日:2011年5月3日
【發明者】弗雷德裡克·R·哈馳, 大衛·M·託特 申請人:費德羅-莫格爾公司