密封環和密封裝置的製作方法
2023-12-10 03:22:06 2
專利名稱：密封環和密封裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於密封主要用在機動車等的自動變速箱中的相對旋轉部分的工作油的密封環和使用該密封環的液壓密封裝置。
背景技術：
迄今為止，用於車輛如機動車的自動變速箱包括變矩器、齒輪、制動器和多盤離合器。自動變速箱需要離合器接合用以傳動並且採用通過油壓執行該離合器接合的結構。因此，液壓迴路中的相對旋轉部分需要密封，密封環設置在構成所述部分的部件之一的環形槽中，並且密封環被設計成在被油壓擠在配對部件的外周(或內周)時滑動接觸環形槽的側壁表面。
近年來，這種密封環已經逐漸從鑄鐵製成的傳統環變化成由允許更緊密接觸配對部件並且具有極好密封特性的合成樹脂製成的環。然而，因為合成樹脂製成的密封環具有良好的接觸特性，所以滑動接觸面與配對部件的摩擦扭矩增加。因此，已經採用各種技術來減小該摩擦扭矩。
例如，作為用來減小由合成樹脂製成的密封環的摩擦扭矩的技術，已知一種方法，在該方法中，氟樹脂例如具有極佳的低摩擦扭矩特性的聚四氟乙烯被用作密封環的基體材料(參考日本專利申請待審公開No.H11-21408)。
發明內容
然而，雖然氟樹脂具有極佳的低摩擦扭矩特性，但是其耐負荷性和耐磨損性較差。因此，存在的問題是，密封環的變形和自磨損增加，使得它變得不可能在滑動條件下保持其密封特性，特別是在滑動面上的油膜較薄的地方處於高表面壓力下的情況下。
本發明已經解決了上述問題，並且本發明的目的是提供一種密封環，其能夠有效減小其滑動面上的摩擦扭矩而不破壞密封特性，甚至在高壓操作期間也是如此，並且因此，有助於機動車燃料消耗的改善，並且本發明的目的在於提供一種使用該密封環的密封裝置。
本發明的第一方面提供了一種密封環，所述密封環密封工作油並且被連接到設置在軸部件外周的環形密封環形槽，所述密封環包括氟樹脂；在1.33kPa或更低氧分壓的惰性氣體環境下、在被加熱到其熔點或更高的狀態下、利用範圍從包括端值在內的1kGy到10MGy的電離輻射輻照而形成的改良氟樹脂；和包括所述工作油的表面能在內的其表面能範圍從+0N/cm到20×10-5N/cm的合成樹脂，其中所述密封環包括沿半徑方向面對其內側的內環周面、沿半徑方向面對其外側的外環周面、和沿軸向面對其兩側的一對側環面，並且當油壓施加到所述密封環時，外環周面被壓靠在殼體的內周表面上，並且側環面之一壓靠在所述密封環形槽的側表面上，從而保持油壓。
本發明的第二方面提供了一種液壓密封裝置，包括軸部件；容納所述軸部件的殼體；和密封工作油並且被連接到設置在所述軸部件外周上的環形密封環形槽的密封環，所述密封環包括氟樹脂；在1.33kPa或更低氧分壓的惰性氣體環境下、在被加熱到其熔點或更高的狀態下、利用範圍從包括端值在內的1kGy到10MGy的電離輻射輻照而形成的改良氟樹脂；和包括所述工作油的表面能在內的其表面能範圍從+0N/cm到20×10-5N/cm的合成樹脂，其中所述密封環包括沿半徑方向面對其內側的內環周面、沿半徑方向面對其外側的外環周面、和沿軸向面對其兩側的一對側環面，並且當油壓施加到所述密封環時，外環周面被壓靠在所述殼體的內周表面上，並且側環面之一壓靠在所述密封環形槽的側表面上，從而保持油壓，並且所述密封環滑動接觸非鐵金屬的所述軸部件的密封環形槽的任何側表面和非鐵金屬的所述殼體的內周表面。
圖1是可應用本發明密封環的車輛自動變速箱的液壓密封裝置的剖視圖；圖2是示出圖1密封環的使用的局部放大剖視圖；圖3是透視圖，示出在用來證實本發明密封環滑動特性的改進效果而執行的磨損試驗中使用的密封環的形狀；圖4是在用來證實本發明密封環滑動特性的改進效果而執行的磨損試驗中使用的垂直盤上環(ring-on-disc)系統的磨損試驗機的示意圖；圖5是示出在試驗條件1下的摩擦係數隨時間變化的曲線圖；
圖6是示出在試驗條件1下的磨損試驗之後的密封環和盤的磨損量的曲線圖；圖7是示出在試驗條件2下的摩擦係數隨時間變化的曲線圖；圖8是示出在試驗條件2的磨損試驗之後的密封環和盤的磨損量的曲線圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細描述本發明的密封環和液壓密封裝置。
如圖1和2所示，本發明的密封環10設置在軸部件12的密封環形槽16中。此外，軸部件12容納在殼體14中，並且其二者都由非鐵金屬構成。當油壓從軸部件12的油路13施加到殼體14的油路15時，油壓也被傳遞到各密封環形槽16以作用在各密封環10的內周表面17a和內側表面11i。然後，密封環10發揮密封作用，使得其外周表面17b壓靠殼體14的內周表面18上，並且使得其外側表面11o，即密封面，壓靠密封環形槽16的密封側表面19。
各密封環10的外周表面17b和殼體14的內周表面18之間產生的摩擦扭矩大於環10的兩個密封側表面(11o和19)和密封環形槽16之間產生的摩擦扭矩。因此，如果殼體14在上述狀態下相對於軸部件12旋轉，則密封環10由殼體14伴隨旋轉，並且在兩個密封側表面上產生相對旋轉運動。
在具有這種結構的密封裝置中，如果密封環體由合成樹脂製成，則可改善其與配對部件密封側表面的接觸特性，並因此改善了密封特性。然而，密封環的摩擦扭矩被增加。
關於上述問題，作為減小密封環摩擦扭矩的技術，存在使用氟樹脂例如四氟乙烯的方法，其對於密封環基體材料來說具有極佳的低摩擦扭矩特性。雖然氟樹脂具有這種極佳的低摩擦扭矩特性，但是該樹脂具有較差的耐磨損性和耐負荷性。因此，在高表面壓力下，密封環的自磨損/變形被增加，並且因此變得不可能保持密封特性。
迄今為止，為了實現氟樹脂耐負荷性的改善，通常已經在氟樹脂中加入例如玻璃纖維和碳纖維的纖維填料。然而，如果密封環形槽的側表面或殼體的內周表面由諸如鋁的非鐵金屬製成，並且如果密封環被置於PV(負荷壓力×速度)＝40Mpa·m/s或更高的苛刻滑動條件下，則突出到密封環表面的纖維邊緣和已經從密封環掉下來的纖維會加速作為滑動配對物的非鐵金屬的磨損，有時還導緻密封特性被破壞。
因此，在本發明的密封環中，為了實現氟樹脂耐負荷性的改善，並且同時為了抑制環側表面或殼體內周表面的磨損，其中該環側表面或殼體內周表面為由軟的非鐵金屬如鋁製成的配對部件，改良的氟樹脂與密封環的氟樹脂相混合(compound)。改良的氟樹脂通過在1.33kpa或更低氧分壓的惰性氣體環境下、在被加熱到其熔點或更高的狀態下、利用範圍從包括端值在內的1kGy到10MGy的電離輻射的輻照進行製備。在該條件下改良的氟樹脂的分子鏈中具有橋接結構(bridged structure)。因此，有可能通過將改良的氟樹脂與傳統的氟樹脂混合而在很大程度上改善耐磨損性。
這裡，如果惰性氣體環境下的氧分壓超過1.33kPa，則氧被結合到由電離輻射活化的部分氟樹脂中，並且因此趨於抑制形成上述橋接結構的再化合反應。
此外，如果電離輻射量小於1kGy，則氟樹脂的局部分解反應變得難以進行，並且難以形成橋接結構。同時，如果電離輻射量超過10MGy，則僅進行氟樹脂的局部分解反應，並且趨於抑制再化合反應形成的橋接結構。
利用電離輻射輻照的改良氟樹脂是混合形成的，氟樹脂總混合量(氟樹脂和改良氟樹脂的總和)的體積比率範圍為包括端值在內的5到50％，並且優選地，體積比率範圍為包括端值在內的10到30％。如果改良氟樹脂的體積混合量小於5％，則看不出氟樹脂其本身耐磨損性的改善效果。如果體積混合量超過50％，則難以將該混合體模製成密封環。
此外，因為氟樹脂由於其表面能較小而表現出排油性，所以密封環不能保持滑動面的油膜，特別是在油膜薄且高表面壓力的情況下。因此，不合時宜地增加了摩擦扭矩量和自磨損量。
因此，在本發明的密封環中，為了改善氟樹脂製成的密封環的油膜保持性，優選地可將下述合成樹脂與用作密封環基體材料的氟樹脂混合。這種合成樹脂為包括有待密封的工作油的表面能在內的其表面能範圍為+0N/cm到20×10-5N/cm的樹脂。利用這種混合，滑動部分的持油性得以改善，並且因此有可能在高表面壓力下使由氟樹脂製成的密封環進行滑動。
通常，為了改善密封環的油膜保持性，在其滑動面上設置有微細的不均勻，並在其上設置了用來保持油膜的槽。然而，對於這種微細的不均勻和槽，在通過模製方法而不是注模製造的由氟樹脂製成的密封環中，有必要在模製之後增加機械加工工序。因此，由於生產工序的增加而導致成本增加。另外，隨著滑動面不斷磨損，其油膜保持性能降低。
關於上述問題，在本發明中，表面能等於或大於有待密封的工作油的表面能的合成樹脂被添加至氟樹脂。因此，消除了生產工序的增加。此外，即使滑動面磨損，油膜保持性能也不會降低。所以，有可能在施加高表面壓力的條件下長時間地確保油膜。
對於本發明中使用的合成樹脂來說，有必要具有包括工作油的表面能在內的其範圍從+0N/cm到20×10-5N/cm的表面能。如果表面能不在上述範圍內的合成樹脂與氟樹脂混合，則在施加大於4MPa的表面壓力的條件下，不能看出持油性的改善效果，並且密封環本身的磨損被增加。自動變速箱用的一般工作油的表面能大致為30×10-5N/cm，並且為了在表面上產生溼潤，合成樹脂的表面能優選地應大於該表面能。然而，如果配對部件的金屬表面和合成樹脂之間的表面能差值超過20×10-5N/cm，則趨於抑制在滑動面上形成均勻的油膜。因此，對於有關合成樹脂，適於使用表面能等於或大於工作油表面能並且其表面能與配對的金屬部件之間的差值較小的合成樹脂。作為滿足上述條件的合成樹脂材料，聚醯胺醯亞胺(Polyamideimide)是最佳的。此外，在這種情況下，期望使用平均顆粒直徑範圍從包括端值在內的2μm到150μm的粉末聚醯胺醯亞胺。
此外，優選地，將具有上述預定表面能的合成樹脂以範圍從包括端值在內的5到50％的體積比率與本發明的密封環混合，並且更優選地，相對於構成密封環的材料，以範圍從包括端值在內的5到30％的體積比率混合。
如果合成樹脂混合量的體積比率小於5％，則有時不能得到其與上述工作油的可溼性的改善效果。如果體積比率超過50％，則滑動面的摩擦扭矩有時可能會增加。
雖然本發明將在下文基於實例和對比例更詳細地進行描述，但本發明不局限於這些實例。
(實例1)對於用作密封環10基體材料的氟樹脂，可使用各種氟樹脂中具有極佳低摩擦扭矩特性的四氟乙烯。四氟乙烯模製粉末(由Asahi Glass Company製造的G-163)在0.133kPa的氧分壓和106.4kPa氮分壓以及350℃加熱條件的環境下利用曝光到100kGy的電子束(2MeV的加速電壓)進行輻照。從而，生產出改良的氟樹脂。然後，這種改良的樹脂通過噴射碾機碾磨，直到其平均顆粒直徑達到大約20μm。接下來，上述改良的氟樹脂以25％的體積與未改良的55％體積的四氟乙烯模製粉末(由Asahi Glass Company製造的G-163)混合。此外，作為包括工作油的表面能在內的其表面能範圍從+0N/cm到20×10-5N/cm的合成樹脂，20％體積的聚醯胺醯亞胺粉末(Amoco製造的TORLON 4203L；平均顆粒直徑15μm)被添加到該混合粉末中。
選擇聚醯胺醯亞胺是因為，如下表1所示，它的表面能等於或大於在實際單元中使用的自動變速箱用工作油(由Idemitsu Kosan有限公司製造的尼桑真正自動變速箱流體MaticJ)的表面能，並且還因為其表面能與用作自動變速箱軸部件的鋁壓模材料之間的差值最小。
表1
上述粉末混合物通過攪拌器充分混合，然後在300℃加熱12小時進行處理。從而去除高溫揮發成分。接下來，粉末混合物在50MPa的模製壓力下預模製為圓柱體形狀。此後，預模製的混合物在電爐中在350到400℃的溫度下烘烤3小時。
通過烘烤得到的氟樹脂混合物通過車床加工成具有直線間隙20的密封環10，如圖3所示。從而得到該實例的密封環。
(對比例1)21％體積的石墨粉(由SEC公司製造的顆粒直徑為3μm的SGL)和12％體積的直徑為14.5μm、長度為90μm的碳纖維(由Kureha Chemical Industry有限公司製造的Kreca Chop M-2007S)被添加到67％體積的未改良的四氟乙烯模製粉末(由Asahi Glass Company製造的G-163)。上述粉末混合物通過攪拌器混合，然後在50MPa的模製壓力下預模製為圓柱體形狀。此後，預模製的混合物在電爐中在350到400℃的溫度下烘烤3小時。
通過烘烤得到的氟樹脂混合物通過車床加工成具有直線間隙20的密封環10，如圖3所示。從而得到該實例的密封環。
(對比例2)實例1的35％體積的改良氟樹脂與65％體積的未改良四氟乙烯模製粉末(由Asahi Glass Company製造的G-163)混合。得到的混合物通過攪拌器充分混合，然後在300℃加熱12小時進行處理。從而去除高溫揮發成分。接下來，粉末混合物在50MPa的模製壓力下預模製為圓柱體形狀，此後，在電爐中在350到400℃的溫度下烘烤3小時。
通過烘烤得到的氟樹脂混合物通過車床加工成具有直線間隙20的密封環10，如圖3所示。從而得到該實例的密封環。
(對比例3)實例1的20％體積的改良氟樹脂與50％體積的未改良四氟乙烯模製粉末(由Asahi Glass Company製造的G-163)混合。此外，在混合的粉末中添加了10％體積的不鏽鋼片狀粉末(由Fukuda Metal Foil Powder有限公司製造的St-S400網)作為金屬粉末和20％體積的聚醯胺醯亞胺粉末(Amoco製造的TORLON 4203L；平均顆粒直徑15μm)作為包括工作油的表面能在內的其表面能範圍從+0N/cm到20×10-5N/cm的合成樹脂。
以上述方式得到的粉末在與實例1相似的條件下加工成密封環10，得到了該實例的密封環。
(性能評定)為了證實本發明滑動特性的改善效果，在自動變速箱用工作油(由Idemitsu Kosan有限公司製造的尼桑真正自動變速箱流體Matic J)28中對實例1和對比例1-3的密封環進行了磨損試驗(參考圖4)。
作為配對部件，近年來，基於其重量減輕的需要，選擇了鋁壓模材料(ADC-12)用作自動變速箱的軸部件12。注意，對於鋁壓模材料(ADC-12)，使用了與JIS H5302(ISO 3522)一致的材料。此外，對於與試驗裝置的安裝，鋁壓模材料的試驗件形狀被設置為直徑60mm、厚度10mm，並且該試驗件被定義為盤25。其滑動接觸面的表面粗糙度被設為大致Ra＝1μm。
圖4示意性地示出了在該試驗中使用的垂直盤上環系統的摩擦和磨損試驗機。該試驗機在其上部具有環固定器21。環固定器21藉助設置在內周表面17a側的扣環22的彈性力將外周表面17b推靠於固定器槽部來固定密封環10，從而使得密封環10在滑動期間不會沿其直徑方向移動。
同時，連接到旋轉軸27的盤固定器26設置在試驗機下部。當盤25通過螺栓固定到盤固定器26時，盤25相對於密封環10自由旋轉。接下來，使環固定器21下降，從而使得密封環10和盤25實現滑動接觸關係。此外，壓力P從環固定器21軸線方向施加到密封環10和盤25，從而將密封環10和盤25夾到一起。這時，密封環10和盤25的滑動接觸部分浸沒在工作油(由Idemitsu Kosan有限公司製造的尼桑真正自動變速箱流體Matic J)28中。注意，附圖標記23表示測力傳感器，附圖標記24表示扭矩傳感器。
首先，通過使用上述試驗機，對實例1和對比例1和2的密封環在試驗條件1(夾緊的表面壓力為5MPa，摩擦速度為10m/sec，測試時間為6小時)下進行滑動測試。圖5示出了在試驗條件1下的摩擦係數隨時間的變化，圖6示出了滑動測試之後的密封環10和盤25的磨損量。
如圖5所示，在本發明的實例1中，滑動測試期間，摩擦係數的變化和絕對值較小，實例1展現出鋁製盤25良好的滑動特性。同時，在各對比例1和2中，相對於滑動測試條件，密封環10耐磨損性和耐負荷性的改善不夠。因此，在測試中，密封環10發生不正常的磨損，並且摩擦係數快速增加。通過比較實例1和對比例1和2，可以證實，在實例1中，聚醯胺醯亞胺的添加改善了持油性，並且在很大程度上改善了旋轉特性。
由於本發明的實例1在試驗條件1下展現出鋁材料良好的滑動特性，所以如圖6所示，在該實例中，盤25和密封環10的磨損量較小。同時，在各對比例1和2中，環的耐磨損性和耐負荷性的改善不足。因此，在測試期間，密封環10發生不正常磨損，並且環的磨損深度到達1000μm或更多。
此外，在添加碳纖維的對比例1中，從密封環10滑動面突出的碳纖維磨損了作為配對部件的鋁盤25。因此，不僅密封環10的磨損量而且鋁盤25的磨損量被增加。
注意，當混合有不鏽鋼片狀粉末的對比例3的密封環也在上述試驗條件1下進行滑動測試時，該實例的密封環展現出鋁製盤25良好的滑動特性。另外，在很大程度上改善了該環的耐磨損性。因此，在該環中沒有看到磨損(磨損深度0μm)。
接下來，為了闡明實例1更優，在接觸壓力增加的試驗條件2(其中夾緊表面壓力為8MPa，摩擦速度為10m/sec，測試時間為6小時)下，僅對實例1和對比例3執行了滑動測試。圖7示出了在試驗條件2下的摩擦係數隨時間的變化。
如圖7所示，在實例1中，在滑動測試期間，摩擦係數的變化和絕對值在試驗條件2下也較小，並且實例1展現出鋁盤25良好的滑動特性。與此相反，在實例3中，摩擦係數隨著測試時間的過去而增加，並且在從測試開始起的40分鐘內，環的磨損量到達大致1000μm。因此，測試被中斷。如上所述，可以認識到，在對比例3中，不具有自潤滑特性的不鏽鋼片狀粉末在高表面壓力下導致摩擦係數增加，滑動面的溫度隨測試時間的過去而升高，並且從而加速了密封環的磨損。
圖8示出了滑動測試之後的密封環10和盤25的磨損量。在實例1中，雖然環看起來被磨損到大致100μm，但是這不是磨損而是蠕變變形所致量。由於該原因，環的磨損在實例1中也很輕微。同時，在對比例3中，隨著摩擦係數的增加，環發生了不正常的磨損。另外，環的不正常磨損加速了鋁的磨損。
如上所述，在本發明中，對於氟樹脂製成的密封環，添加了表面能大於工作油表面能的合成樹脂，並且添加了通過在惰性氣體環境下、在被加熱到其熔點或更高的狀態下、用預定範圍的電離輻射輻照而構成的改良氟樹脂。因此，即使滑動的配對部件是非鐵金屬如鋁合金，密封環對配對部件的侵蝕也可被減小，並且可保持良好的密封特性。另外，有可能將滑動面上的摩擦扭矩減小到可能的最小值。因此，帶來可能有助於改善機動車燃料消耗的極佳效果。
2003年10月2日提交的日本專利申請No.P2003-344103的全部內容通過參考方式結合在此。
雖然上文已經通過參考本發明的某些實施例描述了本發明，但本發明不局限於依據該教導由本領域技術人員想到的上述實施例。本發明的範圍由隨後的權利要求限定。
實用性根據本發明，僅通過改變密封環的填料就有可能改善滑動特性，因此，沒必要改變密封環本身的基本設計和生產設備。因此，可以以低成本得到改善滑動特性的優點。
權利要求
1.一種密封環，所述密封環密封工作油並且被連接到設置在軸部件外周上的環形密封環形槽，所述密封環包括氟樹脂；在1.33kPa或更低氧分壓的惰性氣體環境下、在被加熱到其熔點或更高的狀態下、利用範圍從包括端值在內的1kGy到10MGy的電離輻射輻照而形成的改良氟樹脂；和包括所述工作油的表面能在內的其表面能範圍從+0N/cm到20×10-5N/cm的合成樹脂，其中所述密封環包括沿半徑方向面對其內側的內環周面、沿半徑方向面對其外側的外環周面、和沿軸向面對其兩側的一對側環面，並且當油壓施加到所述密封環時，所述外環周面被壓靠在殼體的內周表面上，並且所述側環面之一壓靠在所述密封環形槽的側表面上，從而保持油壓。
2.根據權利要求1所述的密封環，其中所述改良氟樹脂與所述氟樹脂和所述改良氟樹脂總量的體積比率範圍為包括端值在內的從5到50％。
3.根據權利要求1所述的密封環，其中所述合成樹脂和構成所述密封環的材料的體積混合比範圍為包括端值在內的從5到50％。
4.根據權利要求1所述的密封環，其中所述合成樹脂為聚醯胺醯亞胺。
5.根據權利要求4所述的密封環，其中所述聚醯胺醯亞胺被用作平均顆粒直徑範圍從包括端值在內的2μm到150μm的粉末。
6.根據權利要求1所述的密封環，其中所述密封環用於車輛自動變速箱中相對旋轉部分的液壓密封。
7.一種液壓密封裝置，包括軸部件；容納所述軸部件的殼體；和密封工作油並且被連接到設置在所述軸部件外周上的環形密封環形槽的密封環，所述密封環包括氟樹脂；在1.33kPa或更低氧分壓的惰性氣體環境下、在被加熱到其熔點或更高的狀態下、利用範圍從包括端值在內的1kGy到10MGy的電離輻射輻照而形成的改良氟樹脂；和包括所述工作油的表面能在內的其表面能範圍從+0N/cm到20×10-5N/cm的合成樹脂，其中所述密封環包括沿半徑方向面對其內側的內環周面、沿半徑方向面對其外側的外環周面、和沿軸向面對其兩側的一對側環面，並且當油壓施加到所述密封環時，所述外環周面被壓靠在殼體的內周表面上，並且所述側環面之一壓靠在所述密封環形槽的側表面上，從而保持油壓，並且所述密封環滑動接觸非鐵金屬的所述軸部件的密封環形槽的任何側表面和非鐵金屬的所述殼體的內周表面。
全文摘要
本發明公開一種密封環(10)，該密封環密封工作油並且被連接到設置在軸部件(12)外周上的環形密封環形槽(16)。密封環(10)包括氟樹脂；在1.33kPa或更低氧分壓的惰性氣體狀態下、在被加熱到其熔點或更高的狀態下、利用範圍從包括端值在內的1kGy到10MGy的電離輻射輻照而形成的改良氟樹脂；和包括所述工作油的表面能在內的其表面能範圍從+0N/cm到20×10
文檔編號F16J15/34GK1864015SQ20048002884
公開日2006年11月15日 申請日期2004年9月29日 優先權日2003年10月2日
發明者太田智仁, 橋本富仁, 山本康彰, 草野廣男 申請人:日產自動車株式會社, 日立電線株式會社