專利名稱：徑向密封裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及徑向密封裝置。更具體的，本發(fā)明涉及一種用于制造改進(jìn)的直接 聯(lián)結(jié)于彈性殼體層的含氟聚合物徑向密封裝置——例如徑向軸密封裝置——的方法。
背景技術(shù)：
用于密封車輛空調(diào)壓縮機(jī)、增壓器、動力轉(zhuǎn)向泵的主轉(zhuǎn)軸和發(fā)動機(jī)曲軸的徑向軸 密封裝置，可采用多個密封元件，這些密封元件設(shè)計為使面對將要被密封的液體或氣體的 第一密封元件為彈性體，例如天然或合成橡膠。該彈性體通常具有足夠的韌性和彈性，以便 提供對所述軸的密封。通常在彈性密封件之后設(shè)置一剛性更高、摩擦更小、耐化學(xué)性更好的 第二密封元件，與彈性密封件串聯(lián)，以便在剛性更高的耐磨密封件的密封邊緣與彈性較好 的彈性密封元件的后密封邊緣之間產(chǎn)生軸向間隙。該第二密封元件通常由含氟聚合物制 成，例如聚四氟乙烯(PTFE)，或混合一種或多種已知的填充材料的填充PTFE材料，以便調(diào) 節(jié)PTFE的機(jī)械、摩擦或其他性能。 通常的現(xiàn)有技術(shù)中，這類密封結(jié)構(gòu)元件一般先組裝在一起而后采用壓接過程夾緊 成一體。在這個過程中，橡膠元件和PTFE組件在兩個剛性殼體之間壓接成形為密封裝置。 該P(yáng)TFE組件還經(jīng)常被壓接在橡膠元件和一個剛性殼體之間。本領(lǐng)域中，采用扁平PTFE墊 圈或預(yù)成型的圓錐形的構(gòu)件聯(lián)結(jié)或夾緊以形成一完整的密封裝置是眾所周知的。
也提出了采用其他徑向軸密封裝置設(shè)計的建議，其并不是將彈性體和PTFE組件 壓接或夾緊于剛性殼體中，而是采用一個金屬殼體，通過將一個彈性材料元件塑造于PTFE 密封元件和金屬殼體兩者上，從而使該P(yáng)TFE密封元件附結(jié)于該金屬殼體上。這種設(shè)計中 PTFE元件僅僅用作支撐件，以支撐和控制彈性密封元件載荷，以使密封功能完全由彈性密 封元件實(shí)現(xiàn)。申請人為Cather的第4， 274， 641號美國專利給出了這種密封結(jié)構(gòu)的示例。這 種結(jié)構(gòu)中，PTFE支撐件和彈性密封唇緣前后聯(lián)結(jié)，二者均與軸面接觸。類似的，Johnston等 申請的第6， 428， 013號美國專利也披露了幾種密封裝置設(shè)計，這幾種密封裝置中，PTFE密 封元件和彈性元件均與軸面接觸，使密封受到影響。 還有其他建議采用不結(jié)合彈性密封元件的密封裝置設(shè)計，其完全依賴PTFE密封 元件提供液體密封。這樣的一種徑向軸密封裝置設(shè)計在Bucher等申請的第4， 650， 196號 美國專利中有所描述。在Bucher等的專利中，PTFE元件的部分長度聯(lián)結(jié)于彈性殼體，該彈 性殼體轉(zhuǎn)而聯(lián)結(jié)于一剛性殼體上。類似的，在Johnston等的專利中，披露了幾種以PTFE密 封元件作為主要密封元件的密封裝置設(shè)計。 現(xiàn)有這些徑向軸設(shè)計——例如上述那些設(shè)計一一的一個局限性在于PTFE密封元 件并未沿其整個長度進(jìn)行密封。例如，Johnston等的設(shè)計中，PTFE密封元件未沿其整個長度與軸接觸。Bucher等的PTFE元件也是如此，導(dǎo)致對PTFE密封材料的次優(yōu)利用。此外，由 于PTFE接觸面積有限，這些徑向密封裝置設(shè)計對于PTFE密封元件本身對軸或其他密封面 產(chǎn)生的密封壓力或者彈性殼體與PTFE密封元件相相結(jié)合對軸或其他密封面產(chǎn)生的密封壓 力的控制也有限。除上述局限性之外，現(xiàn)有徑向軸密封裝置設(shè)計已知的局限性還涉及將這 些密封裝置安裝于軸或其他要被密封的元件上的問題。以PTFE唇緣為主要密封唇緣的已 知設(shè)計中，許多設(shè)計均設(shè)有面對密封區(qū)液體側(cè)(通常是油側(cè))的徑向密封唇緣自由端。眾 所周知，這些結(jié)構(gòu)很難安裝于圓軸等部件上，必須采用專用固定裝置和安裝工具以及特殊 的裝配預(yù)防措施或方法將這些密封裝置安裝于軸上，以避免割傷或損壞PTFE材料表面，進(jìn) 而損壞密封裝置的功能性。已知含氟聚合物密封材料，例如PTFE，很容易使密封面受劃痕或 其他表面損傷的影響，從而影響其進(jìn)行有效密封的能力。為了提高安裝這種密封裝置的能 力，減少安裝過程中的劃痕、反轉(zhuǎn)折疊或壓痕，諸如Johnston等提出了反向設(shè)置PTFE密封 元件的建議，使得密封元件的自由端背向安裝的油側(cè)。但是，這種密封裝置的結(jié)構(gòu)還具有例 如上述其他的局限性。
發(fā)明內(nèi)容
概括來說，本發(fā)明是一種制造徑向軸密封組件的方法。該方法包括采用一心軸，相 對于一軸徑向向外拉伸一環(huán)形聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑至模芯元件的第一拉伸位置上。該 方法還包括確定一圍繞在模芯元件之上拉伸的聚四氟乙烯密封件的大體密封的模具腔，該 模具腔具有至少一個模具元件。該方法還包括將一剛性殼體置于該模具腔內(nèi)，與該拉伸的 聚四氟乙烯密封件相間隔。該方法還包括將液化橡膠彈性體引入模具腔中。該方法還包括 該液化橡膠彈性體在受熱和加壓的條件下成型，使得剛性殼體和拉伸狀態(tài)下的聚四氟乙烯 密封件與固化橡膠彈性體元件聯(lián)結(jié)。該方法還包括從模芯元件上移開總體聯(lián)結(jié)的聚四氟乙 烯密封件、剛性殼體和橡膠彈性體元件，而無須將聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑拉伸出第一拉 伸位置。
為了更容易理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于拉伸密封件預(yù)成型件的裝置的分解截面 圖； 圖2是由多個模具元件構(gòu)成的模具結(jié)構(gòu)的截面圖； 圖3是圖2中由模具結(jié)構(gòu)確定的模具腔部分的放大圖；以及 圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的模具結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
本申請的附圖示出了本發(fā)明的多個不同的實(shí)施例。本發(fā)明的各個實(shí)施例顯示出相 似的部件。相似的部件通過共同的數(shù)字標(biāo)記來編號，通過指定的字母來區(qū)分。同時，為了提 高統(tǒng)一性，即使在特定圖中的部件并不是在所有的實(shí)施例都體現(xiàn)出來，它也具有相同的指 定字母。除非附圖或說明書特別說明，相似的部件具有相似的結(jié)構(gòu)，相似的操作，和/或相 同的功能。而且，除非附圖或說明書特別說明，某個實(shí)施例中的特定部件可取代另一個實(shí)施例中的相應(yīng)部件。 圖1顯示了裝置300的一部分，該裝置用于制造或生產(chǎn)徑向軸密封裝置。裝置300 可拉伸徑向密封件的預(yù)成型件72，還包括推桿78和心軸64。心軸64沿著縱軸67延伸，包 括一結(jié)束于最大徑向邊緣73的截頭錐體65。心軸64由圓柱形的模芯元件98整體成型。
圖1還顯示了在預(yù)成型件72條件下的環(huán)形聚四氟乙烯密封件。預(yù)成型件或墊圈 72具有一內(nèi)徑或內(nèi)表面62和一外徑或外表面74。該扁平含氟聚合物墊圈72位于心軸64 的上端76上。心軸64的上端76的直徑比含氟聚合物墊圈72的內(nèi)徑62小。
可擴(kuò)展推桿或安裝工具78顯示為一具有可擴(kuò)展下部的活塞，例如多個分開的可 擴(kuò)展指部80。該可擴(kuò)展指部80各具有一接觸面82，當(dāng)安裝工具沿箭頭84所示方向移動使 該安裝工具與扁平墊圈72和心軸64接觸時，該接觸面82嚙合于扁平墊圈72。當(dāng)可擴(kuò)展推 桿或安裝工具78的指部80沿心軸64的截頭錐體65的錐形外表面86移動時，可擴(kuò)展指部 80的接觸面82嚙合于含氟聚合物墊圈72的上表面88，使其沿著心軸64的外表面86向下 滑動。心軸64可具有一個或多個錐度，使得元件98的外表面87的直徑比含氟聚合物墊圈 72的內(nèi)徑62大。表面87的錐形面可以具有線性輪廓，也可是盤旋形，漸開線齒形，或任何 其他適于預(yù)壓預(yù)成型件72的錐面輪廓。 預(yù)成型件72的尺寸以及心軸64和元件98的尺寸共同決定在含氟聚合物密封件 預(yù)成型件72上的拉伸量和對預(yù)壓的含氟聚合物密封件32施加的預(yù)應(yīng)力的大小(如圖2所 示)。選擇適當(dāng)?shù)膲|圈72和心軸64，使得心軸64的外表面87的直徑比含氟聚合物密封件 預(yù)成型件72的外徑大。從而確保墊圈72的內(nèi)徑62和外徑74上均施加預(yù)應(yīng)力。
如圖1和圖2，通過相對于心軸64降低活塞78，墊圈72沿著心軸64的外表面86 下滑。因此，墊圈72經(jīng)塑性拉伸形成密封件32。該密封件32至少在第一末端90預(yù)壓。預(yù) 成型件72的內(nèi)徑62對應(yīng)于預(yù)壓的密封件32的末端90。由于墊圈72上臨近含氟聚合物墊 圈72的內(nèi)徑62的部分比臨近外徑74的部分拉伸的程度更大，沿著預(yù)壓的含氟聚合物密封 件32的長度的應(yīng)力水平各不相同。外徑74沿著心軸64向下滑時擴(kuò)展，從而預(yù)壓含氟聚合 物密封件32的第二末端92。 11/224， 362號美國專利申請公開了關(guān)于在元件98上設(shè)置預(yù)成型件或墊圈72的根 據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的其他特征。作為本發(fā)明的實(shí)施例的教導(dǎo)，'362專利申請通過引用整體 合并入此處。將密封件置于心軸上的其他方法也可根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)。 圖2示出了設(shè)置于元件98上的密封件32和圍繞該預(yù)壓的密封件32而確定的模 具腔70。在本發(fā)明的該典型實(shí)施例中，多個模具元件100、102、104、108與元件98 —起確定 模具腔70。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，模具腔70可以由少于5個或多于5個的模具元件來 確定。 如圖3所示，模具腔70包括第一部分112，該部分沿著箭頭114所指的方向管狀 延伸第一距離，所述方向平行于軸67(如圖1和圖2所示)。該第一部分112從邊緣73附 近的第一末端116延伸到與第一末端116隔開的第二末端118。模具腔70還包括第二部 分120，該部分相對于軸67(如圖1和圖2所示)與第一部分112徑向向外隔開。該第二 部分120沿著箭頭122所指的方向管狀延伸第二距離，所述方向平行于軸67。該第二部分 120在彼此間隔開的第一和第二末端124、 126中間延伸。在運(yùn)行過程中，殼體30置于第二 部分中，并將第二部分120分成相對于軸67彼此徑向間隔開且在第一末端124處彼此連通的兩個次套管部分136、138。 模具腔70還包括第三部分128，該部分相對于軸67在兩個第二末端118、 126之間 徑向延伸，并使第一和第二部分112、120彼此成流體連通，在本發(fā)明的一個典型實(shí)施例中， 當(dāng)殼體30置于模具腔70中時，第二部分120通過次套管136進(jìn)行連接。第三部分128橫 向于軸67延伸。圖3的橫截面示出了型芯撐134 ;但并不是所有的模具腔的橫截面都具有 型芯撐134。 由于第一、第二和第三部分112、120和128的設(shè)置，因此，在第一部分112的第一 末端116和第二部分120的第一末端124之間延伸時連通的模具腔的橫截面可以是U形、 J形、W形、V形、H形，或其他任何形狀。 如圖2和圖3，在本發(fā)明的一個典型實(shí)施例中，進(jìn)樣口 130位于第二部分120的第 一末端124附近。因此，進(jìn)樣口 130基本上離邊緣73和處于最大預(yù)應(yīng)力的末端90最遠(yuǎn)。在 模塑操作中，殼體30位于模具腔中，與密封件32間隔開。液化橡膠彈性體通過進(jìn)樣口 130 而導(dǎo)入并填充模具腔70。該液化橡膠彈性體繞型芯撐134流動。該液化橡膠彈性體在受熱 和加壓條件下成型，使得剛性殼體30和拉伸狀態(tài)下的聚四氟乙烯密封件32與固化橡膠彈 性體元件聯(lián)結(jié)。 對比圖2和'362申請的附圖，得出密封件32并不位于心軸64確定的環(huán)形刻槽處。 表面132由模具元件108確定，設(shè)置于末端90附近，支撐密封件32，以防其在模塑操作中移 動。在末端90和表面132之間的徑向缺口為0. 0005-0. 0025。更大的缺口是不合適的；更 大的缺口會讓足量的PTFE材料和/或液化橡膠彈性體流入表面132和末端90之間形成毛 邊。該毛邊會位于徑向密封組件的主密封邊緣上，從而需要修邊操作。
在完成模塑操作后，不用將聚四氟乙烯密封件32的內(nèi)徑62(或末端90)拉伸出第 一拉伸位置，就可從元件98上移開總體聯(lián)結(jié)的聚四氟乙烯密封件32和剛性殼體30和橡膠 彈性體元件(完整的徑向密封組件)。模具元件108和元件98彼此遠(yuǎn)離，徑向密封組件沿 著箭頭136所示的方向移動。 圖4示出了一個模具結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個、替代的實(shí)施例。聚四氟乙烯 密封件32a和剛性殼體30a位于模具腔70a中，該模具腔具有以軸67a為中心的一環(huán)形構(gòu) 造。模具腔70a由多個模具元件98a、100a、102a、104a和108a確定。進(jìn)樣口130a基本上 離密封件32a的末端90a最遠(yuǎn)。在模塑操作中，液化橡膠彈性體通過進(jìn)樣口 130a而導(dǎo)入并 填滿模具腔70a。液化橡膠彈性體在受熱和加壓下成型，使得剛性殼體30a和拉伸狀態(tài)下的 聚四氟乙烯密封件32a與固化橡膠彈性體元件聯(lián)結(jié)。 在本發(fā)明的第二個實(shí)施例中，聚四氟乙烯密封件32a的第一末端90a相對于軸67a 徑向向外拉伸至第一拉伸直徑。聚四氟乙烯密封件32a的第二末端92a相對于軸67a徑向 向外拉伸至第二拉伸直徑。在本發(fā)明的第二個實(shí)施例中，該第二拉伸直徑比第一拉伸直徑 大；在本發(fā)明的第一個實(shí)施例中，所述兩個直徑一樣大。第二末端的拉伸直徑比第一末端 的拉伸直徑大并不意味著第二末端比第一末端拉伸得更多。如前所述，截面圖所示的末端 (90、90a、92、92a)對應(yīng)于環(huán)形密封件的內(nèi)徑和外徑，每個末端的拉伸程度就是這些直徑的 拉伸。在第一實(shí)施例中，外徑比內(nèi)徑拉伸得少，因?yàn)楫?dāng)密封件32處于拉伸位置時，這兩個直 徑大致相等。在第二實(shí)施例中，由于外徑(用末端92a表示)比內(nèi)徑大，內(nèi)外徑拉伸距離差 不多。外部末端(92或92a)的拉伸直徑可以根據(jù)預(yù)期的運(yùn)行環(huán)境選擇。例如，如果需要環(huán)
6形密封件32的外徑以較大的曲率偏向徑向向內(nèi)的方向收縮，那么優(yōu)選本發(fā)明的第二實(shí)施 例。另一方面，如果需要環(huán)形密封件32的外徑以較小的曲率偏向徑向向內(nèi)的方向收縮，那 么優(yōu)選本發(fā)明的第一實(shí)施例。 顯然，根據(jù)以上教導(dǎo)，本發(fā)明的許多修正和變型是可能的。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在所附 權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可不同于上述具體描述通過其他方式實(shí)施。另外，在權(quán)利要求中 的標(biāo)記僅是為了方便，而不是作為限制。
權(quán)利要求
一種制造徑向軸密封組件的方法，包括以下步驟采用一心軸，相對于一軸徑向向外拉伸一環(huán)形聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑至模芯元件的第一拉伸位置上；確定一圍繞在所述模芯元件之上拉伸的所述聚四氟乙烯密封件的大體密封的模具腔，所述模具腔具有至少一個模具元件；將一剛性殼體置于所述模具腔內(nèi)，與所述拉伸的聚四氟乙烯密封件相間隔；將液化橡膠彈性體引入所述模具腔；所述液化橡膠彈性體在受熱和加壓的條件下成型，使得所述剛性殼體和所述拉伸的聚四氟乙烯密封件被一固化橡膠彈性體元件聯(lián)結(jié)在一起；以及從所述模芯元件上移開總體聯(lián)結(jié)的所述聚四氟乙烯密封件、所述剛性殼體和所述橡膠彈性體元件，而無須將所述聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑拉伸出所述第一拉伸位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述引入步驟還包括以下步驟 在距離所述聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑最遠(yuǎn)的地方注入所述液化橡膠彈性體到所述模具腔。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述拉伸步驟進(jìn)一步定義為 將所述環(huán)形聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑相對于所述軸徑向向外拉伸至第一拉伸直徑；以及將所述環(huán)形聚四氟乙烯密封件的外徑相對于所述軸徑向向外拉伸至第二拉伸直徑，所 述第二拉伸直徑比所述第一拉伸直徑大。
4. 一種操作以實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的方法的裝置，包括沿一軸延伸的一心軸，所述心軸具有一截頭錐體，并由一模芯元件整體成型，具有在所 述截頭錐體和所述模芯元件之間確定的一邊緣；一推桿，所述推桿可操作地在所述心軸的所述截頭錐體上推動一環(huán)形密封件從而拉伸 該密封件到所述模芯元件上至第一拉伸位置；第一模具元件，所述第一模具元件具有一操作地容納所述心軸的所述截頭錐體的截頭 錐體腔和一臨近所述邊緣的環(huán)形表面，所述第一模具元件與所述心軸運(yùn)動嚙合，使得所述 拉伸的密封件不用被拉伸出所述第一拉伸位置，即從所述模芯元件上移開。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括第二模具元件，所述第二模具元件與所述模芯元件和所述第一模具元件協(xié)作以確定一 沿所述軸延伸的環(huán)形模具腔。
6. 如權(quán)利要求5所示的裝置，其特征在于所述模具腔進(jìn)一步包括第一部分，所述第一部分沿著平行于所述軸的方向從所述邊緣附近的第一末端到與所 述第一末端隔開的第二末端管狀延伸第一距離；與所述第一部分徑向向外隔開的第二部分，所述第二部分沿著平行于所述軸的方向在 第一和第二末端之間管狀延伸第二距離；第三部分，所述第三部分至少部分垂直于所述軸，在兩個所述第二末端之間延伸，并使 所述第一和第二部分彼此形成流體連通；及一進(jìn)樣口 ，位于所述第二部分的所述第一末端附近，使得所述進(jìn)樣口距離所述邊緣最遠(yuǎn)。
全文摘要
一種制造徑向軸密封組件的方法。該方法包括采用一心軸，相對于一軸徑向向外拉伸一環(huán)形聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑至模芯元件的第一拉伸位置上。該方法還包括確定一圍繞在模芯元件之上拉伸的聚四氟乙烯密封件的大體密封的模具腔，該模具腔具有至少一個模具元件。該方法還包括將一剛性殼體置于該模具腔內(nèi)，該殼體與該被拉伸的聚四氟乙烯密封件相間隔。該方法還包括將液化橡膠彈性體引入模具腔中。該方法還包括該液化橡膠彈性體在受熱和加壓的條件下成型，使得剛性殼體和拉伸狀態(tài)下的聚四氟乙烯密封件與固化橡膠彈性體元件聯(lián)結(jié)。該方法還包括從模芯元件上移開總體聯(lián)結(jié)的聚四氟乙烯密封件、剛性殼體和橡膠彈性體元件，而無須將聚四氟乙烯密封件的內(nèi)徑拉伸出第一拉伸位置。
文檔編號F16J15/32GK101784825SQ200880104068
公開日2010年7月21日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者弗雷德里克·R·哈奇 申請人:費(fèi)德羅-莫格爾公司