專利名稱：改進的機械端面密封的制作方法
技術領域：
本申請是2000年8月21日提交的待審申請No.09/643045的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及在外殼和旋轉軸之間提供液密密封的機械端面密封件。更特別地，涉及這樣的密封件，包括一提供軸向偏壓的夾形彈簧和由橡膠或彈性體波紋管制成的第二密封件。
目前普遍使用的密封件一般包括限定了相對旋轉的密封面的一主環(huán)和配合環(huán)。這些環(huán)可由碳化硅或碳制成。一螺旋簧提供軸向偏壓，一彈性體或橡膠波紋管在軸向移動主環(huán)與其相聯的外殼或軸之間提供一第二密封件。例子可在美國專利No.4275889和5199719中找到。美國專利No.4754981和5947479中示出具有不同形式的第二密封件或偏壓裝置的密封件。
波紋管類型的密封件在商業(yè)上取得了巨大成功。對于提高相關泵的產量、可靠性、耐久性和改變外殼的要求的不斷需求，提出不斷努力進行新的開發(fā)。本發(fā)明代表了在滿足這些需求的密封技術上的進步。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種機械端面密封裝置，它使用夾形彈簧來向軸向移動密封環(huán)提供軸向載荷。另外，還提供了一個獨特的彈性體波紋管，它提供第二密封件，并在其與軸向移動密封環(huán)的聯接處和其與相關外殼或軸的聯接處之間包括一單個旋圈。
本發(fā)明在廣義上包括一機械端面密封裝置，用于在限定了一孔的外殼與延伸穿過該孔的旋轉軸之間提供液密密封，上述密封裝置包括一環(huán)形配合密封環(huán)；一可軸向移動的環(huán)形主密封環(huán)；上述環(huán)分別具有一與另一環(huán)的密封表面面對的密封表面，從而在其間限定一密封界面；一有回彈力的波紋管與上述主環(huán)成液密密封關系并與一外殼或軸成液密密封關系；上述波紋管包括一內幅板和一外幅板；一聯接上述幅板而形成一單個旋圈的底部，一用于將上述主環(huán)朝上述配合密封環(huán)推動的夾形彈簧，上述夾形彈簧元件包括多個在將上述密封裝置安裝在外殼和軸之間之后變形的彈簧夾；上述夾形彈簧坐落在上述單個旋圈中。
圖6A是一種形式夾形彈簧元件的部分平面圖；圖7是在預裝載之前，機械面密封裝置另一實施例的剖視圖；圖8是圖7實施例中的配合環(huán)的平面圖；圖9是沿圖8中的9-9線所取的，圖7實施例中配合環(huán)的側部剖視圖；

圖10是圖7實施例中套的平面圖；圖11是沿圖10中線11-11所取的，圖7實施例中套的側部剖視圖；圖12是處于其安裝位置并裝載的圖7中所示機械面密封裝置的剖視圖。
外殼12可以是一水泵或其它裝置，其中一軸延伸穿過位于周圍外殼中的一狹縫。但可以設想，密封裝置10可應用于多種泵和其它裝置中，特別是具有小直徑軸的泵。流體可以是水，或者是水基液體，甚至是油。
圖1和2中所示實施例的外殼是泵，如水泵或其它流體泵的一部分，其中由軸16旋轉的一葉輪(未圖示)提高了要密封的液體的壓力。圖1中示出在將密封環(huán)裝載到預定最小安裝工作高度之前，安裝在位于一外殼14中的軸16上的密封元件，如將要進行的說明。圖2中示出彈簧已預加載的、位于工作位置的類似密封。如圖1中所示，液體容放在外殼12內部的空間13中，葉輪將設置在密封裝置10的左側。在描述所示實施例時，術語“內部”用于指示泵的壓力側，而術語“外部”指示泵外部的周圍環(huán)境，即大氣。術語“徑向向內”表示朝向軸，而“徑向向外”表示遠離軸。
雖然圖1、2、3和5中是以剖視圖表示，但應當很容易明白，密封裝置零件是環(huán)形的，如下面詳細描述的這些零件的各表面一樣。
如圖1中所示，每個密封裝置包括一對環(huán)形密封環(huán)，它們包括分別與軸16和外殼12相關聯的配合環(huán)18和主環(huán)20。這些環(huán)分別限定了處于面對、密封關系并限定一密封界面的密封表面19和21。
所示的密封環(huán)18和20容納在包括一圓柱形套40和一環(huán)形殼體或保持架70的支架上。套40包括管狀細長部分50，該部分50連接到軸16上，將環(huán)18緊固而與軸16一起旋轉。保持架70包括設置用于將環(huán)20與相應外殼12相聯接的軸向延伸的圓柱形外壁部分72。
該實施例中，這些后面的元件結構成形成一夾頭或一個可作為一整體零件安裝到位的整體密封裝置。但應當理解，本發(fā)明并不要求密封裝置為一體。另外，不必在本發(fā)明的每一方面都在密封裝置中裝入套和保持架。操作零件還可以以替換方式連接到外殼和軸上，而省略套或保持架或者二個零件都省略。
主環(huán)20可軸向移動。如圖4和5中詳細表示的，它通過作為夾形彈簧的彈簧80向環(huán)18偏壓。圖3中詳細表示的一彈性體波紋管100在環(huán)20和保持架70之間提供了液密的第二密封件。它還允許環(huán)20軸向移動而不影響環(huán)20與保持架70之間的第二密封件。
參照圖1，配合環(huán)18相對于軸16和外殼12軸向固定。它包括一與徑向密封面19軸向間隔開的環(huán)形徑向表面22，還包括一沉孔17。它還包括一內圓柱表面24，其直徑大于管狀細長部分50的直徑。內圓柱面24設有環(huán)繞環(huán)20的內圓周均勻分布的驅動凹槽28。應當注意，可軸向移動的主環(huán)20可與軸16聯接，而配合環(huán)18可固定到外殼12上。
主環(huán)20包括在密封面21外部間隔開的外部徑向表面30。環(huán)20還包括一內部軸向圓柱面32，其直徑大于套40的管狀細長部分50的直徑，以允許環(huán)軸向移動。表面32設有多個凹槽33。主環(huán)20包括限定其外圓周的軸向延伸的圓柱面37。
參照圖1，軸套40將配合環(huán)18支承在軸16上。軸套40包括一限定了內部放大部分52、軸嚙合部分54和外部放大部分56的管狀細長部分50。外部放大部分56的尺寸確定為有利于在安裝過程中將密封裝置設置于軸16上。外部放大部分56的軸向端部最好在裝配后向外彎曲，以固定保持架70的弧形壁部79，從而在安裝之前作為夾頭固定密封件?？商鎿Q地的是，外部放大部分56可包括多個翼片57(如圖2中虛線所示)，用于作為一個整體密封裝置對套40和保持架70進行保持，直到安裝了密封件10。內部放大部分52限定了多個用于下面將說明用途的孔53。
軸套40限定了一個包括徑向凸緣46的密封環(huán)插座。軸套40還包括一環(huán)形圓柱壁48和一個徑向壁49。壁48的直徑大于環(huán)18的外圓柱表面26。套40的壁48和49向密封環(huán)18提供保護，防止其由于與其它物體接觸而損壞，如在安裝之前處理或儲存過程中可能彼此接觸的其它類似的密封裝置。在不脫離本發(fā)明原理的情況下可省略這些壁部分或者對形狀進行修改。
一有回彈力的彈性體支承和第二密封件60模制在管狀細長部分50的內部放大部分52上。在內部放大部分52中的孔53處進行模制操作的過程中它機械地緊固到套40上。
模制支承和第二密封件60限定了一個內部環(huán)形緣邊61，該緣邊61與軸16的外表面嚙合，在軸16與套40之間建立了密封關系。緣邊61還有助于管狀細長部分50的軸嚙合部分54與軸16之間金屬和金屬的過盈配合，從而保持套40相對于軸16的軸向位置。如圖1所示，當安裝時，緣邊61被壓靠在軸上。
彈性體支承和第二密封件60限定了位于套40的放大內部52徑向外部的環(huán)密封件和驅動部分。它包括在放大內部52與密封環(huán)18的內圓柱面24之間延伸的軸向驅動部分62。部分62限定了設置于形成在內圓柱面24中的驅動凹槽28內部的驅動凸耳63。
彈性體支承和第二密封件60還限定了一個壓縮在套40的徑向壁46與配合環(huán)18之間的一體成形的環(huán)形密封部分64。它限定了與埋頭孔17中的環(huán)18液密地接觸的徑向密封表面65。
主環(huán)20相對于外殼12由環(huán)形沖壓金屬主環(huán)保持架70支承。保持架70包括軸向延伸的圓柱外壁部72，一徑向緣邊73，一徑向延伸的環(huán)形外部74和一軸向延伸的大致圓柱形內壁部75。
軸向延伸的圓柱形外壁部72具有接收在外殼12的孔14中的預定直徑。外殼孔14的尺寸確定為可將圓柱部分72壓配合到孔14中，從而在保持架70和外殼12之間建立液體密封的關系。可將一層乳膠或其它適當材料涂抹到壁71的外直徑表面上，以確保保持架70與外殼12之間的液密密封。徑向緣邊73坐落在外殼12的壁的徑向表面上，從而提供一止動件，以相對于外殼12和軸16對保持架70進行精確的軸向定位。
大致徑向外部74限定了一個徑向環(huán)形壁部76，該壁部76將軸向延伸的圓柱外壁部72與軸向延伸的圓柱支座壁部78聯接起來。如將要說明的，支座壁部78限定了一個以液體密封關系接收一部分波紋管100的支座。
大致徑向外部74還限定了一個大致徑向延伸的弧形壁部79。徑向延伸的弧形壁部79與軸向延伸的圓柱內壁部75聯接，尺寸確定為直徑大于管狀細長部分50，以允許在安裝后套40與保持架70之間可進行相對軸向移動。形成于圓柱內壁部75中的制動器77與主環(huán)20中的凹槽33嚙合。主環(huán)20的內軸向表面32的直徑大于軸向延伸的圓柱內壁部75，以允許主環(huán)20相對于保持架70作軸向移動。凹槽33與制動器77之間的相互嚙合阻止了主環(huán)20相對于固定到外殼12上的保持架70的旋轉。
由有回彈力的彈性體波紋管100在主環(huán)20與保持架70之間提供了一個第二密封件。波紋管的截面是大致倒置的“歐米加”形，外幅板102略長于內幅板104。幅板部分102和104通過一徑向內底部106接合在一起，形成一單獨的旋圈。
內幅板104在其徑向外端包括一軸向延伸的環(huán)形凸緣108。凸緣108包括一與主環(huán)20的軸向圓柱表面37成液密密封配合的軸向延伸圓柱表面110。如將要詳細說明的，它還包括一與夾形彈簧80接觸的徑向外部圓柱表面112。
幅板104包括一與主環(huán)20的外部徑向表面30接觸的徑向內表面114。它還包括一與夾形彈簧80接觸的徑向外表面116。
外幅板102包括一軸向延伸的凸緣118。凸緣118包括一軸向延伸的內徑圓柱表面120，該表面120包括一與保持架70的軸向圓柱支座壁78成液密密封配合的向內導向緣邊126。它還包括一徑向外部的軸向延伸表面122和一個與夾形彈簧80接觸的徑向延伸環(huán)形表面124。
現在參照圖1、2、4和5，坐落于由波紋管100限定的單個旋圈中的夾形彈簧元件80提供了將主環(huán)20推向配合環(huán)18的軸向偏壓力。它包括一在主環(huán)20處與凸緣108連接的套圈部分82，一在保持架70處與凸緣118聯接的套圈部分84。多個彈簧夾86將套圈部分82和84聯接起來。這些彈簧夾86大致為“U”形截面，一個臂長于另一個。
套圈部分82包括一在表面112處覆蓋幅板108的大致圓柱形軸向延伸部分83，和一個鄰接幅板104的徑向外表面116的大致徑向延伸的環(huán)形部分85。
套圈部分84包括一在表面112處覆蓋幅板118的大致圓柱形軸向延伸部分87，和一個鄰接幅板102的徑向內表面124的大致徑向延伸的環(huán)形部分89。
每個彈簧夾86包括一在徑向環(huán)形部分85處與套圈82聯接的相對較短的徑向臂部分92，和一個在徑向環(huán)形部分89處與套圈84聯接的相對較長的徑向臂部分94。這些臂部分在徑向內彎曲部分95處接合。
如圖2中所示，在其工作高度，密封裝置零件相對于外殼12和軸16定位，通過套圈部分82、84朝彼此的運動而使彈簧夾86變形，從而使套圈82的徑向環(huán)形部分85靠近套圈84的徑向環(huán)形部分89，將夾形彈簧80彎曲。在該工作高度，由于彈簧夾86的彎曲產生的恢復力推動徑向環(huán)形部分85遠離徑向環(huán)形部分89，從而同樣將軸向延伸環(huán)形凸緣108和內部徑向幅板104的徑向外表面116從外部徑向幅板102向內軸向偏壓。內幅板104的內表面114與主環(huán)20的徑向壁30之間的緊密接觸將主環(huán)20壓向配合環(huán)18，從而使密封表面19和21接觸。
在軸直徑為12毫米的實際實施例中，彈簧上的載荷是由大約1毫米的工作高度的壓力而產生的。
在該工作高度，彈簧80和彈性體波紋管100使波紋管100的底部106在保持架70內部轉換位置，使波紋管與徑向延伸的弧形壁部分79接觸。這是彈性體波紋管100的旋圈的正常支座位置，這又允許主密封環(huán)20的某些軸向移動。
由本發(fā)明密封件10實施例的這種特殊設置提供的一個特征是減小波紋管上的軸向和其它載荷。例如，當水泵開始工作時，位于彈性體波紋管100內部的流體被壓縮到超過密封件外部周圍壓力的一個壓力。該壓力推在壁上，特別是內部徑向幅板104和外部徑向幅板102的較長的徑向延伸表面上，從而使彈性體波紋管的形狀變形。
該實施例中提供的一個特征是，包括徑向延伸弧形壁部分79的保持架70向彈性體波紋管100提供了軸向和徑向支承，波紋管100在其中心底部106和外幅板104呈現由保持架70提供的形狀。因此由泵葉輪產生的壓力不能使彈性體波紋管的環(huán)形形狀變形，從而避免了例如由于在軸向延伸凸緣118處擠壓的變形而穿過第二密封件打開不期望的泄漏路徑。
盡管波紋管100可能在密封環(huán)20上施加某些意外的載荷，這種布置的一個特征是將波紋管100與作用于密封件上的軸向力隔離開。因此波紋管100的主要功能是在保持架70與外殼12和密封環(huán)20之間提供第二密封件。
向外殼12提供一致和高效的第二密封件是通過將波紋管118擠入由保持架壁72、76和78限定的杯形底座中而實現的。由于在泵運行過程中產生的跨彈性體波紋管密封件100的壓差，以及在軸16旋轉過程中由設置于密封件110外部的電機或其它裝置(未圖示)產生的連續(xù)振動力，使得保持這種第二密封件產生了特別的難度。
本發(fā)明中有利于在外端保持第二密封件的一個特征是設置于凸緣118的軸向延伸表面120中心的一環(huán)形緣邊126。如圖3中最佳地示出的，緣邊126向平面軸向延伸表面120內部延伸。當凸緣118裝入保持架70中時，緣邊126被擠靠在軸向延伸圓柱支座壁部分78上，從而在凸緣118與保持架70之間產生一更強的過盈配合。在波紋管100的內端由環(huán)繞密封環(huán)20的凸緣108形成一第二密封件。
套圈82的尺寸確定為向幅板104的軸向延伸環(huán)形凸緣108施加一壓力，從而在套圈82和凸緣108的接觸表面與凸緣108和主環(huán)20的接觸表面之間建立液體密封的關系。套圈84的尺寸確定為向幅板102的軸向延伸環(huán)形凸緣118施加一壓力，從而在套圈84與凸緣118的接觸表面之間建立液體密封的關系。
夾形彈簧80的圓柱形軸向部分83的徑向聯接產生了一個徑向向內的力，該力與泵壓流體的流體壓力一起保持被壓靠在主密封環(huán)18上的凸緣108的第二密封件。圓柱形軸向部分83的徑向向內導向的力能夠在凸緣108的軸向延伸圓柱表面110與密封環(huán)20的外部直徑軸向圓柱表面37之間保持靜態(tài)密封。為提高密封能力，如圖所示，圓柱表面110在凸緣108的一錐形緣邊狀內表面的端部呈現密封，凸緣108同樣徑向向內擠壓而將第二密封件保持在密封環(huán)20上。作用于凸緣108的徑向暴露壁109上的附加軸向力由作用于徑向外表面116上的對應的軸向相反壓力以及軸向作用于凸緣108上的彈簧80的彈簧力抵消。
用于12毫米軸密封件的在例如約1毫米工作高度軸向壓縮情況下對密封件10進行適當加載，應當確保在套圈82、84的兩個徑向環(huán)形部分85、89之間沒有接觸。對于一般為12毫米軸尺寸的密封件可具有一“自由”高度，即如圖1所示，在預加載約14.2毫米之前。在預加載之后，使用測量密封件10軸向端部之間距離的常規(guī)儀器，一般最小安裝高度尺寸可以是約13.1毫米。
當然，在會進一步彎曲彈簧夾86的方向上的軸向運動會提高彈簧力，因而更加強力地將密封環(huán)20偏壓在配合環(huán)18上，直到實現最佳載荷。超過某一點的軸向移動將由于徑向環(huán)形部分85、89的接觸而阻止，但這種接觸必須避免，以防止作用于密封環(huán)20上的載荷不期望地升高。如圖2所示，在正常載荷條件下，徑向環(huán)形部分85、89之間的一般間距大約為.5到1.0毫米。
應當注意，在圖2中所示的預加載狀態(tài)下，彈簧夾86的與套圈84聯接的臂受到比與套圈82聯接的臂更大的撓曲。這種更大的撓曲是由于幅板102的形狀和結構而導致的，在彈簧夾86與幅板102的壁表面之間有一個間隔。這是一種優(yōu)選的結構，因為需要將形狀和結構保持成盡可能接近方形，以保持對密封環(huán)20以及壓靠在其上的液體密封的第二密封件的支承。彈簧80的最終結構可通過在最后裝配之前的一個或多個沖壓步驟來形成。通常需要特殊定制的沖壓來形成彈簧80，并可通過可購買的精確沖壓操作來獲得，如位于馬薩諸塞州Brighton和紐約州Carla Place的American engineered Components。夾形彈簧元件80由不銹鋼制成，最好制成一個單一零件。夾形彈簧還可以由鉚接在一起或者以其它方式彼此緊固在一起的獨立零件制成。
在一實際實施例中，元件的材料可以是標準密封材料。優(yōu)選地，配合環(huán)18由碳化硅(SiC)制成，主環(huán)20可由如圖2所示的碳化硅制成，或者由圖1中所示的標準碳環(huán)制成。波紋管材料是有回彈力的，最好是如模制橡膠這樣的彈性體，包括彈簧夾86的彈簧80是不銹鋼或彈簧鋼。套40和保持架70也是不銹鋼。
元件的尺寸可根據密封件10所用于的軸尺寸而變化。例如，對于12毫米的軸尺寸，彈簧80可由一片301或316L不銹鋼彈簧制成，厚度約為0.10到0.50毫米，優(yōu)選厚度為1.5毫米。尺寸，特別是在自由高度狀態(tài)下施加的載荷，可能對于密封件的工作很重要。環(huán)形彈性體波紋管100的尺寸與保持架70和密封環(huán)20的尺寸相匹配當然很重要，使得彈性體部分可壓縮而形成適當的第二密封件。
圖6中示出彈簧180的另一種結構，其中套圈182、184在密封件中提供了附加的柔韌性。如圖6所示，可修改彈簧元件180的徑向和軸向交叉，以降低由夾形彈簧元件180施加的彈簧力的剛性。如圖6中所示，可在彈簧元件180的幅板中制成各種切口和縫隙，以提高彈簧夾的柔韌性。
可靠近彈簧元件186切割套圈182和184的徑向延伸表面185和189，使套圈182、184通過彈簧元件直接分別與對應的圓柱形軸向部分183、187聯接。在彈簧元件186與徑向部分185之間設有一狹縫194，可在彈簧元件186與徑向環(huán)形部分189之間設置一狹縫196，使彈簧元件186連續(xù)延伸到圓柱形壁部分183，使彈簧元件186能夠與分別來自徑向延伸環(huán)形元件185和189的任何支承無關地相對于各套圈182、184彎曲。
如果需要，還可通過在軸向圓柱部分183、187與各徑向環(huán)形部分185、189聯接的角部的套圈中制造另外的切口而提供進一步的柔韌性。例如，位于套圈182角部中的切口197以及位于套圈184角部中的切口198在套圈元件相對于彼此的移動中以及對于相鄰彈性體波紋管100的幅板，都提供了柔韌性，而不會以任何方式降低夾形彈簧186的結構整體性。切口197、198可呈現任何形狀，但如圖所示，它們包括跟隨在沖壓過程中產生的折痕的細長橢環(huán)形，該折痕包括位于套圈182、184的軸向和徑向部分之間的角部。
圖6A示出一種形式的彈簧元件180。套圈182的徑向部分185被切割而在彈簧夾元件186與徑向部分185之間限定了徑向狹縫194。彈簧夾與套圈182的圓柱環(huán)形部分183聯接。每個彈簧夾1 86的彈簧夾臂194與套圈184的徑向環(huán)形部分189聯接。
在圖6A的圖示中，彈簧夾臂192由于狹縫194而較長，比圖1-4中實施例的內部短臂92略微更具有柔韌性。夾形彈簧180的彈簧常數低于夾形彈簧80的彈簧常數。
圖7-12示出根據本發(fā)明的機械面密封裝置的另一實施例。
圖7表示位于其自由高度的機械面密封裝置。圖12表示處于其安裝或工作高度的密封裝置。該機械面密封裝置310包括一配合環(huán)318，一主環(huán)320，一套340，保持架370，夾形彈簧380以及波紋管400。
該實施例的主環(huán)320與第一實施例的主環(huán)20相同。主環(huán)320包括外部徑向表面330和一外部軸向延伸圓柱表面337。它還包括限定了多個軸向凹槽333的一內部軸向圓柱表面332。
該實施例的配合環(huán)318與第一實施例中的配合環(huán)18相似。它包括一環(huán)形徑向后表面322。它還包括一內部環(huán)形圓柱面324。
配合環(huán)320不包括諸如圖1-5的實施例中的凹槽28的驅動凹槽。如圖8和9中所示，它包括三個限定在配合環(huán)318外表面上的大致均勻間隔開的驅動凹槽306。
環(huán)318和320容置于包括圓柱形套340和環(huán)形殼體或保持架370的支架中。圖10和11中所示該實施例的套340與第一實施例中的套40類似。它包括徑向凸緣346和外圓柱壁348。在套340的徑向外部圓柱形壁348中限定了三個大致均勻分布的徑向向內凹陷。由于套340由一薄金屬板制成，在環(huán)形圓柱壁348中形成一對應的徑向向內導向的突起314。突起314定位成使它們的位置直接對準配合環(huán)318的驅動凹槽306。突起314的尺寸確定為使它們能夠接收在配合環(huán)318的驅動凹槽306中。位于配合環(huán)318的驅動凹槽306中的套340的突起314的組合使套340確定地嚙合配合環(huán)318，以驅動配合環(huán)318和套340以及套340連接到其上的軸316。
該實施例的套340與第一實施例中的套40的另一點不同在于，套340在凸緣346的徑向向外延伸部分中限定了三個狹槽319。如圖10和11中最佳圖示的，狹槽319大致均勻分布并位于突起314之間。套340的狹槽319允許液體穿過套340循環(huán)。狹槽的特定數量并不認為很重要。如果需要，凸緣340的徑向部分包括六個或八個由幅板，如圖10中所示的幅板313分隔的狹槽。
一有回彈力的彈性體支承和第二密封件360模制到套340的徑向向內和內部上。該實施例的支承和第二密封件360包括支承和第二密封件元件。彈性體支承和第二密封件360限定了一個壓縮在徑向壁349與配合環(huán)318的后徑向表面322之間的整體成形的環(huán)形密封部分364。一環(huán)形支座362位于環(huán)318中，并提供了配合環(huán)318在內部環(huán)形圓柱表面324上的徑向支承。
主環(huán)320由環(huán)形沖壓金屬主環(huán)保持架370相對于外殼312支承。保持架370包括軸向延伸的圓柱形外壁部分372，一徑向緣邊373，一徑向延伸的環(huán)形外部374和一軸向延伸的大致圓柱形內壁部375。
軸向延伸的圓柱形外壁部372具有接收在外殼312的孔314中的預定直徑。外殼孔314的尺寸確定為可將圓柱部分372壓配合到孔314中，從而在保持架370和外殼312之間建立液體密封關系?？蓪⒁粚尤槟z或其它適當材料涂抹到壁372的外直徑表面上，以確保保持架370與外殼312之間的液密密封。徑向緣邊373坐落在外殼312的壁的徑向表面上，從而提供一止動件，以相對于外殼312和軸316對保持架70進行精確的軸向定位。
大致徑向外部374限定了一個徑向環(huán)形壁部376，該壁部376將軸向延伸的圓柱外壁部372與軸向延伸的圓柱支座壁部378聯接起來。支座壁部378限定了一個以液體密封關系接收一部分波紋管400的支座。
大致徑向外部374還限定了一個大致徑向延伸的錐形壁部379。錐形壁379在其外表面上是凸形，在其靠近波紋管400的內表面上是凹形。
一弧形壁過渡部分375a將錐形壁部分379與圓柱壁部分375聯接起來。圓柱壁部分375軸向延伸一給定距離，并限定了與主環(huán)320上的凹槽333嚙合的制動器377，從而限制主環(huán)320相對于套370的旋轉，但還允許軸向移動。
圓柱壁部分375從波紋管400的內底部406的外表面徑向向內定位。如圖7所示，當密封裝置處于其自由高度時，弧形過渡部分375a和圓柱壁部分375位于波紋管400的內底部406的外部。
如第一實施例中那樣，由有回彈力的彈性體波紋管400在主環(huán)320與保持架370之間提供了一個第二密封件。波紋管400與第一實施例中的波紋管100相同。波紋管400的截面是大致倒置的“歐米加”形，外幅板402略長于內幅板404。幅板部分402和404通過一徑向內底部406接合在一起，形成一單獨的旋圈。
內幅板404在其徑向外端包括一軸向延伸的環(huán)形凸緣408。凸緣408包括一與主環(huán)320的軸向圓柱表面337成液密密封配合的軸向延伸圓柱表面410。它還包括一與夾形彈簧380接觸的徑向外部圓柱表面412。
幅板404包括一與主環(huán)320的外部徑向表面330接觸的徑向內表面414。它還包括一與夾形彈簧380接觸的徑向外表面416。
外幅板402包括一軸向延伸的凸緣418。凸緣418包括一與保持架370的軸向圓柱支座壁378成液密密封配合的軸向延伸內圓柱表面420。它還包括一與套圈384接觸的徑向外部的軸向延伸表面422，和一個與套圈384的徑向環(huán)形部分389接觸的徑向延伸環(huán)形表面424。
夾形彈簧元件380坐落于由波紋管400限定的單個旋圈中，提供了將主環(huán)320推向配合環(huán)318的軸向偏壓力。它包括一在主環(huán)320處與凸緣408聯接的套圈部分382，一在保持架370處與凸緣418聯接的套圈部分384。多個彈簧夾386將套圈部分382和384聯接起來。這些彈簧夾386大致為“U”形截面。
套圈部分382包括一在表面412處覆蓋幅板408的大致圓柱形軸向延伸部分383，和一個鄰接幅板404的徑向外表面416的大致徑向延伸的環(huán)形部分385。
套圈部分384包括一在表面422處覆蓋幅板418的大致圓柱形部分387，和一個鄰接幅板402的徑向內表面424的大致徑向延伸的環(huán)形部分389。
每個彈簧夾386包括一在徑向環(huán)形部分385處與套圈382聯接的相對較短的徑向臂部分392，和一個在徑向環(huán)形部分389處與套圈384聯接的相對較長的徑向臂部分394。這些臂部分在徑向內彎曲部分395處接合。
套圈382的尺寸確定為向幅板404的軸向延伸環(huán)形凸緣408施加一壓力，從而在套圈382和凸緣408的接觸表面與凸緣408和主環(huán)320的接觸表面之間建立液密關系。
套圈384的尺寸確定為向幅板402的軸向延伸環(huán)形凸緣418施加一壓力，從而在套圈384和凸緣418的接觸表面與凸緣418和軸向延伸支座壁部分378的接觸表面之間建立液密關系。
如第一實施例中那樣，夾形彈簧元件380坐落于波紋管400的單個旋圈中，提供了將主環(huán)320推向配合環(huán)318的軸向偏壓力。夾形彈簧元件380可與圖1-6A中所示的夾形彈簧元件80或180相同。
保持架370位于波紋管400和夾形彈簧元件380的外部。該實施例的保持架370與圖1-5實施例中的保持架70相似，不同之處在于，保持架370的形狀確定為提高主環(huán)320的軸向移動，以及所產生的夾形彈簧元件380的彈簧夾386的軸向壓力。
保持架370限定了一個向外延伸的錐形壁部分379。錐形壁379在其外表面上是凸形，在其靠近波紋管400的內表面上是凹形。
一弧形壁部分375a將錐形壁部分379與圓柱壁部分375聯接起來。圓柱壁部分375軸向延伸一給定距離，并從波紋管400的內底部406的外表面徑向向內定位。如圖7所示，當密封裝置處于其自由高度時，弧形壁部分375a和圓柱壁部分375位于波紋管400的內底部406的外部。
如圖12所示，在其工作高度，彈簧380和彈性體波紋管400使波紋管400的底部406在保持架370內部沿著朝外的方向轉換位置，使波紋管400的外幅板402與保持架370的錐形形壁部分379的凹形錐面接觸。密封裝置零件定位成使彈簧380的彈簧夾軸向壓縮，提供一恢復力，推動主環(huán)320與配合環(huán)318密封接觸。波紋管幅板402設置成與保持架370的錐形壁379的內部凹形表面接觸。在波紋管400的幅板402和404之間限定了聯接的底部406朝保持架370的錐形壁部分375軸向移動。從而將波紋管外幅板402支承在錐形壁部分379的凹面上。另外，部分379的錐形形狀與弧形過渡部分375a和圓柱壁375一起提供了一個空間，當密封件300處于其操作或工作高度時，波紋管400和所坐落的夾形彈簧380停留在該空間中。
在如圖12所示的預加載狀態(tài)下，彈簧夾386的與套圈384的徑向環(huán)形部分389聯接的臂394受到比與套圈382聯接的臂更大的撓曲。這種更大的撓曲是由于彈簧的形狀和結構以及凸緣402上的徑向延伸環(huán)形表面424而導致的，在彈簧夾386與幅板402的徑向壁表面之間提供了一個間隔。
盡管針對若干優(yōu)選實施例描述和圖示了本發(fā)明，對本發(fā)明的基本理解提供了對于本領域技術人員很容易明白的其它修改和變化的基礎。例如，優(yōu)選實施例是圍繞保持架70而描述和圖示的。但也可以設計一種使用沒有保持架的彈簧機構的密封結構，其中波紋管通過一單獨的連接(未圖示)借助于摩擦配合保持在軸或外殼上，通過彈簧套圈，如套圈82保持在主環(huán)上。在仍提供由本發(fā)明的特征產生的益處的同時可去除保持架，并去除套。因此上面描述和圖示的實施例并不認為是對本發(fā)明范圍的限制。
權利要求
1.一種機械端面密封裝置，用于在限定了一孔的外殼與延伸穿過該孔的旋轉軸之間提供液密密封，上述密封裝置包括一環(huán)形配合密封環(huán)；一可軸向移動的環(huán)形主密封環(huán)；上述環(huán)分別具有一與另一環(huán)的密封表面面對的密封表面，從而在其間限定一密封界面；一有回彈力的波紋管，該波紋管與上述主環(huán)成液密密封關系，并適于與外殼或軸成液密密封關系；上述波紋管包括內幅板和外幅板；聯接上述幅板的底部，從而形成一單個旋圈；用于將上述主環(huán)朝上述配合密封環(huán)推動的夾形彈簧，上述夾形彈簧元件包括多個在將上述密封裝置安裝在外殼和軸之間之后變形的彈簧夾；上述夾形彈簧坐落在上述單個旋圈中。
2.如權利要求1所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述夾形彈簧包括多個一般為U形的彈簧夾，這些彈簧夾具有一內臂和一外臂，它們適合在將上述密封裝置安裝在外殼和軸之間之后被變形。
3.如權利要求2所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述波紋管的上述幅板基本為徑向且彼此平行，上述外部徑向幅板比上述內部徑向幅板長，上述指的上述臂基本彼此平行，上述外臂比上述內臂長。
4.如權利要求2所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述波紋管的上述內部徑向幅板包括一與上述軸向移動主環(huán)成液密密封配合的軸向延伸環(huán)形凸緣，上述外部徑向幅板包括一軸向延伸環(huán)形凸緣，其中上述夾形彈簧包括一與上述彈簧夾的上述內部臂聯接的套圈，上述套圈與上述波紋管的上述內幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣相關聯，上述夾形彈簧還包括一與上述彈簧夾的上述外部臂聯接的套圈，上述套圈與位于上述波紋管的上述外幅板上的上述軸向延伸環(huán)形凸緣相關聯。
5.如權利要求3所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述波紋管的上述內部徑向幅板包括一與上述軸向移動主環(huán)成液密密封配合的軸向延伸環(huán)形凸緣，上述外部徑向幅板包括一軸向延伸環(huán)形凸緣，其中上述夾形彈簧包括一與上述彈簧夾的上述內部臂聯接的套圈，上述套圈與上述波紋管的上述內幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣相關聯，上述夾形彈簧還包括一與上述彈簧夾的上述外部臂聯接的套圈，上述套圈與位于上述波紋管的上述外幅板上的上述軸向延伸環(huán)形凸緣相關聯。
6.如權利要求4所述的機械端面密封裝置，其特征在于，每個上述套圈包括一覆蓋其中一個上述幅板的軸向延伸環(huán)形凸緣的圓柱形軸向延伸部分，和一個鄰接上述幅板的徑向延伸環(huán)形部分，上述彈簧夾的臂部分在上述圓柱形軸向延伸部分和上述套圈的上述徑向延伸環(huán)形部分中的一個處與上述套圈連接。
7.如權利要求5所述的機械端面密封裝置，其特征在于，每個上述套圈包括一覆蓋其中一個上述幅板的軸向延伸環(huán)形凸緣的圓柱形軸向延伸部分，和一個鄰接上述幅板的徑向延伸環(huán)形部分，上述彈簧夾的臂部分在上述圓柱形軸向延伸部分和上述套圈的上述徑向延伸環(huán)形部分中的一個處與上述套圈相連接。
8.如權利要求6所述的機械端面密封裝置，其特征在于，與上述波紋管的上述內幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣連接的上述套圈的徑向延伸環(huán)形部分限定了將上述套圈的上述徑向延伸環(huán)形部分與上述彈簧夾的上述內部臂隔離開的狹槽。
9.如權利要求7所述的機械端面密封裝置，其特征在于，與上述波紋管的上述內幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣聯接的上述套圈的徑向延伸環(huán)形部分限定了將上述套圈的上述徑向延伸環(huán)形部分與上述彈簧夾的上述內部臂隔離開的狹槽。
10.如權利要求8所述的機械端面密封裝置，其特征在于，與上述波紋管的上述外幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣連接的上述套圈的徑向延伸環(huán)形部分限定了將上述套圈的上述徑向延伸環(huán)形部分與上述彈簧夾的上述外部臂隔離開的狹槽。
11.如權利要求9所述的機械端面密封裝置，其特征在于，與上述波紋管的上述外幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣連接的上述套圈的徑向延伸環(huán)形部分限定了將上述套圈的上述徑向延伸環(huán)形部分與上述彈簧夾的上述外部臂隔離開的狹槽。
12.如權利要求6所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述彈簧夾的上述內部臂僅與和上述波紋管的上述內部徑向幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣相關聯的上述套圈的上述圓柱形軸向延伸部分連接，和上述彈簧夾的上述外部臂與和上述波紋管的上述外部徑向幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣相關聯的上述套圈的上述徑向延伸環(huán)形部分連接。
13.如權利要求6所述的機械端面密封裝置，其特征在于，位于上述波紋管的上述外幅板上的上述軸向延伸凸緣包括一與上述套圈的徑向延伸環(huán)形部分接觸的徑向內表面，上述套圈與上述外幅板的上述凸緣相關聯，從而以與上述波紋管的上述外幅板間隔開的關系對上述彈簧夾的上述外部臂進行定位。
14.如權利要求12所述的機械端面密封裝置，其特征在于，位于上述波紋管的上述外幅板上的上述軸向延伸凸緣包括一與上述套圈的徑向延伸環(huán)形部分接觸的徑向內表面，上述套圈與上述外幅板的上述凸緣相聯，從而以與上述波紋管的上述外幅板間隔開的關系對上述彈簧夾的上述外部臂進行定位。
15.如權利要求13所述的機械端面密封裝置，其特征在于，在上述彈簧夾變形后，上述彈簧夾的上述外部臂受到比上述內部臂更大的撓曲。
16.如權利要求14所述的機械端面密封裝置，其特征在于，在上述彈簧夾變形后，上述彈簧夾的上述外部臂受到比上述內部臂更大的撓曲。
17.如權利要求6所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述套圈的上述圓柱形軸向延伸部分向上述幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣施加徑向壓力。
18.如權利要求12所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述套圈的上述圓柱形軸向延伸部分向上述幅板的上述軸向延伸環(huán)形凸緣施加徑向壓力。
19.如權利要求4所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一用于相對于外殼或軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一圓柱形支座壁部分，上述外部徑向幅板的上述軸向延伸凸緣與上述保持架的上述軸向圓柱形密封壁成液密密閉配合。
20.如權利要求12所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一用于相對于外殼或軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一圓柱形支座壁部分，上述外部徑向幅板的上述軸向延伸凸緣與上述保持架的上述軸向圓柱形密封壁成液密密閉配合。
21.如權利要求19所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述保持架包括一大致徑向延伸的弧形壁部分，上述弧形壁部分用于支承上述波紋管的外幅板。
22.如權利要求20所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述保持架包括一大致徑向延伸的弧形壁部分，上述弧形壁部分用于支承上述波紋管的外幅板。
23.如權利要求19所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
24.如權利要求20所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
25.如權利要求19所述的機械端面密封裝置，其特征在于，位于上述外幅板上的上述軸向延伸環(huán)形凸緣包括一與上述保持架的上述圓柱形支座壁部分成密封配合的內部導向緣邊。
26.如權利要求20所述的機械端面密封裝置，其特征在于，位于上述外幅板上的上述軸向延伸環(huán)形凸緣包括一與上述保持架的上述圓柱形支座壁部分成密封配合的內部導向緣邊。
27.如權利要求4所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一相對于外殼和軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
28.如權利要求6所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一相對于外殼和軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
29.如權利要求12所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一相對于外殼和軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
30.如權利要求13所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一相對于外殼和軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
31.如權利要求15所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一相對于外殼和軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
32.如權利要求17所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一相對于外殼和軸支承上述軸向移動主環(huán)的保持架，上述保持架包括一大致徑向延伸的錐形壁部分，該錐形壁部分具有一支承上述波紋管的外幅板的內部凹面。
33.如權利要求2所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一套，上述套包括一模制到其上的有回彈力的支承和第二密封件，上述模制的支承和第二密封件與上述配合環(huán)成液密接觸。
34.如權利要求19所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述裝置包括一套，上述套包括一模制到其上的有回彈力的支承和第二密封件，上述模制的支承和第二密封件與上述配合環(huán)成液密接觸。
35.如權利要求33所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述模制有回彈力支承和第二密封件包括一用于將上述套密封到上述軸上的環(huán)形緣邊。
36.如權利要求34所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述模制有回彈力支承和第二密封件包括一用于將上述套密封到上述軸上的環(huán)形緣邊，上述保持架用于聯接上述主環(huán)和上述外殼。
37.如權利要求33所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述配合環(huán)包括驅動凹槽，上述模制支承和第二密封件包括與上述驅動凹槽嚙合的驅動凸耳。
38.如權利要求34所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述配合環(huán)包括驅動凹槽，上述模制支承和第二密封件包括與上述驅動凹槽嚙合的驅動凸耳。
39.如權利要求33所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述配合環(huán)包括驅動凹槽，上述套包括與上述配合環(huán)的上述驅動凹槽嚙合的驅動凹陷，上述有回彈力的支承和第二密封件包括一定位在上述配合環(huán)內部以向其提供軸向支承的環(huán)形支座。
40.如權利要求34所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述配合環(huán)包括驅動凹槽，上述套包括與上述配合環(huán)的上述驅動凹槽嚙合的驅動凹陷，上述有回彈力的支承和第二密封件包括一定位在上述配合環(huán)內部以向其提供軸向支承的環(huán)形支座。
41.如權利要求33所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述套與上述保持架相互聯接而形成一夾頭。
42.如權利要求34所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述套與上述保持架相互聯接而形成一夾頭。
43.如權利要求40所述的機械端面密封裝置，其其特征在于，述套與上述保持架相互聯接而形成一夾頭。
44.如權利要求2所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述彈簧由不銹鋼制成，上述波紋管為彈性體。
45.如權利要求6所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述彈簧由不銹鋼制成，上述波紋管為彈性體。
46.如權利要求12所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述彈簧由不銹鋼制成，上述波紋管為彈性體。
47.如權利要求13所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述彈簧由不銹鋼制成，上述波紋管為彈性體。
48.如權利要求40所述的機械端面密封裝置，其特征在于，上述彈簧由不銹鋼制成，上述波紋管為彈性體。
全文摘要
一種機械端面密封裝置，包括兩個相對旋轉的密封環(huán)(18，20)，一用于在一個密封環(huán)與外殼(12)或旋轉軸(16)之間提供一第二密封件的有回彈力的波紋管(100)，及一坐落于波紋管中的夾形彈簧元件(80)。該有回彈力的波紋管包括一彈性體材料，如模制橡膠，并具有大致呈倒置的“歐米加”形狀的更大剖面的單個旋圈。該夾形彈簧元件包括多個大致“U”形的彈簧夾(86)，這些彈簧夾向處于密封關系的環(huán)表面提供軸向偏壓力。在一優(yōu)選實施例中，彈簧包括套圈(82，84)，套圈(82，84)在波紋管每一端的凸緣部分上施加徑向向內的力，以保持第二密封件。
文檔編號F16J15/34GK1454301SQ01815393
公開日2003年11月5日 申請日期2001年8月21日 優(yōu)先權日2000年8月21日
發(fā)明者喬恩·J·拉多薩夫 申請人:約翰·克雷恩公司