专利名称：改进的机械端面密封的制作方法
技术领域：
本申请是2000年8月21日提交的待审申请No.09/643045的部分继续申请。
本发明涉及在外壳和旋转轴之间提供液密密封的机械端面密封件。更特别地，涉及这样的密封件，包括一提供轴向偏压的夹形弹簧和由橡胶或弹性体波纹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对旋转的密封面的一主环和配合环。这些环可由碳化硅或碳制成。一螺旋簧提供轴向偏压，一弹性体或橡胶波纹管在轴向移动主环与其相联的外壳或轴之间提供一第二密封件。例子可在美国专利No.4275889和5199719中找到。美国专利No.4754981和5947479中示出具有不同形式的第二密封件或偏压装置的密封件。
波纹管类型的密封件在商业上取得了巨大成功。对于提高相关泵的产量、可靠性、耐久性和改变外壳的要求的不断需求，提出不断努力进行新的开发。本发明代表了在满足这些需求的密封技术上的进步。
发明概述本发明涉及一种机械端面密封装置，它使用夹形弹簧来向轴向移动密封环提供轴向载荷。另外，还提供了一个独特的弹性体波纹管，它提供第二密封件，并在其与轴向移动密封环的联接处和其与相关外壳或轴的联接处之间包括一单个旋圈。
本发明在广义上包括一机械端面密封装置，用于在限定了一孔的外壳与延伸穿过该孔的旋转轴之间提供液密密封，上述密封装置包括一环形配合密封环；一可轴向移动的环形主密封环；上述环分别具有一与另一环的密封表面面对的密封表面，从而在其间限定一密封界面；一有回弹力的波纹管与上述主环成液密密封关系并与一外壳或轴成液密密封关系；上述波纹管包括一内幅板和一外幅板；一联接上述幅板而形成一单个旋圈的底部，一用于将上述主环朝上述配合密封环推动的夹形弹簧，上述夹形弹簧元件包括多个在将上述密封装置安装在外壳和轴之间之后变形的弹簧夹；上述夹形弹簧坐落在上述单个旋圈中。
图6A是一种形式夹形弹簧元件的部分平面图；图7是在预装载之前，机械面密封装置另一实施例的剖视图；图8是图7实施例中的配合环的平面图；图9是沿图8中的9-9线所取的，图7实施例中配合环的侧部剖视图；
图10是图7实施例中套的平面图；图11是沿图10中线11-11所取的，图7实施例中套的侧部剖视图；图12是处于其安装位置并装载的图7中所示机械面密封装置的剖视图。
外壳12可以是一水泵或其它装置，其中一轴延伸穿过位于周围外壳中的一狭缝。但可以设想，密封装置10可应用于多种泵和其它装置中，特别是具有小直径轴的泵。流体可以是水，或者是水基液体，甚至是油。
图1和2中所示实施例的外壳是泵，如水泵或其它流体泵的一部分，其中由轴16旋转的一叶轮(未图示)提高了要密封的液体的压力。图1中示出在将密封环装载到预定最小安装工作高度之前，安装在位于一外壳14中的轴16上的密封元件，如将要进行的说明。图2中示出弹簧已预加载的、位于工作位置的类似密封。如图1中所示，液体容放在外壳12内部的空间13中，叶轮将设置在密封装置10的左侧。在描述所示实施例时，术语“内部”用于指示泵的压力侧，而术语“外部”指示泵外部的周围环境，即大气。术语“径向向内”表示朝向轴，而“径向向外”表示远离轴。
虽然图1、2、3和5中是以剖视图表示，但应当很容易明白，密封装置零件是环形的，如下面详细描述的这些零件的各表面一样。
如图1中所示，每个密封装置包括一对环形密封环，它们包括分别与轴16和外壳12相关联的配合环18和主环20。这些环分别限定了处于面对、密封关系并限定一密封界面的密封表面19和21。
所示的密封环18和20容纳在包括一圆柱形套40和一环形壳体或保持架70的支架上。套40包括管状细长部分50，该部分50连接到轴16上，将环18紧固而与轴16一起旋转。保持架70包括设置用于将环20与相应外壳12相联接的轴向延伸的圆柱形外壁部分72。
该实施例中，这些后面的元件结构成形成一夹头或一个可作为一整体零件安装到位的整体密封装置。但应当理解，本发明并不要求密封装置为一体。另外，不必在本发明的每一方面都在密封装置中装入套和保持架。操作零件还可以以替换方式连接到外壳和轴上，而省略套或保持架或者二个零件都省略。
主环20可轴向移动。如图4和5中详细表示的，它通过作为夹形弹簧的弹簧80向环18偏压。图3中详细表示的一弹性体波纹管100在环20和保持架70之间提供了液密的第二密封件。它还允许环20轴向移动而不影响环20与保持架70之间的第二密封件。
参照图1，配合环18相对于轴16和外壳12轴向固定。它包括一与径向密封面19轴向间隔开的环形径向表面22，还包括一沉孔17。它还包括一内圆柱表面24，其直径大于管状细长部分50的直径。内圆柱面24设有环绕环20的内圆周均匀分布的驱动凹槽28。应当注意，可轴向移动的主环20可与轴16联接，而配合环18可固定到外壳12上。
主环20包括在密封面21外部间隔开的外部径向表面30。环20还包括一内部轴向圆柱面32，其直径大于套40的管状细长部分50的直径，以允许环轴向移动。表面32设有多个凹槽33。主环20包括限定其外圆周的轴向延伸的圆柱面37。
参照图1，轴套40将配合环18支承在轴16上。轴套40包括一限定了内部放大部分52、轴啮合部分54和外部放大部分56的管状细长部分50。外部放大部分56的尺寸确定为有利于在安装过程中将密封装置设置于轴16上。外部放大部分56的轴向端部最好在装配后向外弯曲，以固定保持架70的弧形壁部79，从而在安装之前作为夹头固定密封件。可替换地的是，外部放大部分56可包括多个翼片57(如图2中虚线所示)，用于作为一个整体密封装置对套40和保持架70进行保持，直到安装了密封件10。内部放大部分52限定了多个用于下面将说明用途的孔53。
轴套40限定了一个包括径向凸缘46的密封环插座。轴套40还包括一环形圆柱壁48和一个径向壁49。壁48的直径大于环18的外圆柱表面26。套40的壁48和49向密封环18提供保护，防止其由于与其它物体接触而损坏，如在安装之前处理或储存过程中可能彼此接触的其它类似的密封装置。在不脱离本发明原理的情况下可省略这些壁部分或者对形状进行修改。
一有回弹力的弹性体支承和第二密封件60模制在管状细长部分50的内部放大部分52上。在内部放大部分52中的孔53处进行模制操作的过程中它机械地紧固到套40上。
模制支承和第二密封件60限定了一个内部环形缘边61，该缘边61与轴16的外表面啮合，在轴16与套40之间建立了密封关系。缘边61还有助于管状细长部分50的轴啮合部分54与轴16之间金属和金属的过盈配合，从而保持套40相对于轴16的轴向位置。如图1所示，当安装时，缘边61被压靠在轴上。
弹性体支承和第二密封件60限定了位于套40的放大内部52径向外部的环密封件和驱动部分。它包括在放大内部52与密封环18的内圆柱面24之间延伸的轴向驱动部分62。部分62限定了设置于形成在内圆柱面24中的驱动凹槽28内部的驱动凸耳63。
弹性体支承和第二密封件60还限定了一个压缩在套40的径向壁46与配合环18之间的一体成形的环形密封部分64。它限定了与埋头孔17中的环18液密地接触的径向密封表面65。
主环20相对于外壳12由环形冲压金属主环保持架70支承。保持架70包括轴向延伸的圆柱外壁部72，一径向缘边73，一径向延伸的环形外部74和一轴向延伸的大致圆柱形内壁部75。
轴向延伸的圆柱形外壁部72具有接收在外壳12的孔14中的预定直径。外壳孔14的尺寸确定为可将圆柱部分72压配合到孔14中，从而在保持架70和外壳12之间建立液体密封的关系。可将一层乳胶或其它适当材料涂抹到壁71的外直径表面上，以确保保持架70与外壳12之间的液密密封。径向缘边73坐落在外壳12的壁的径向表面上，从而提供一止动件，以相对于外壳12和轴16对保持架70进行精确的轴向定位。
大致径向外部74限定了一个径向环形壁部76，该壁部76将轴向延伸的圆柱外壁部72与轴向延伸的圆柱支座壁部78联接起来。如将要说明的，支座壁部78限定了一个以液体密封关系接收一部分波纹管100的支座。
大致径向外部74还限定了一个大致径向延伸的弧形壁部79。径向延伸的弧形壁部79与轴向延伸的圆柱内壁部75联接，尺寸确定为直径大于管状细长部分50，以允许在安装后套40与保持架70之间可进行相对轴向移动。形成于圆柱内壁部75中的制动器77与主环20中的凹槽33啮合。主环20的内轴向表面32的直径大于轴向延伸的圆柱内壁部75，以允许主环20相对于保持架70作轴向移动。凹槽33与制动器77之间的相互啮合阻止了主环20相对于固定到外壳12上的保持架70的旋转。
由有回弹力的弹性体波纹管100在主环20与保持架70之间提供了一个第二密封件。波纹管的截面是大致倒置的“欧米加”形，外幅板102略长于内幅板104。幅板部分102和104通过一径向内底部106接合在一起，形成一单独的旋圈。
内幅板104在其径向外端包括一轴向延伸的环形凸缘108。凸缘108包括一与主环20的轴向圆柱表面37成液密密封配合的轴向延伸圆柱表面110。如将要详细说明的，它还包括一与夹形弹簧80接触的径向外部圆柱表面112。
幅板104包括一与主环20的外部径向表面30接触的径向内表面114。它还包括一与夹形弹簧80接触的径向外表面116。
外幅板102包括一轴向延伸的凸缘118。凸缘118包括一轴向延伸的内径圆柱表面120，该表面120包括一与保持架70的轴向圆柱支座壁78成液密密封配合的向内导向缘边126。它还包括一径向外部的轴向延伸表面122和一个与夹形弹簧80接触的径向延伸环形表面124。
现在参照图1、2、4和5，坐落于由波纹管100限定的单个旋圈中的夹形弹簧元件80提供了将主环20推向配合环18的轴向偏压力。它包括一在主环20处与凸缘108连接的套圈部分82，一在保持架70处与凸缘118联接的套圈部分84。多个弹簧夹86将套圈部分82和84联接起来。这些弹簧夹86大致为“U”形截面，一个臂长于另一个。
套圈部分82包括一在表面112处覆盖幅板108的大致圆柱形轴向延伸部分83，和一个邻接幅板104的径向外表面116的大致径向延伸的环形部分85。
套圈部分84包括一在表面112处覆盖幅板118的大致圆柱形轴向延伸部分87，和一个邻接幅板102的径向内表面124的大致径向延伸的环形部分89。
每个弹簧夹86包括一在径向环形部分85处与套圈82联接的相对较短的径向臂部分92，和一个在径向环形部分89处与套圈84联接的相对较长的径向臂部分94。这些臂部分在径向内弯曲部分95处接合。
如图2中所示，在其工作高度，密封装置零件相对于外壳12和轴16定位，通过套圈部分82、84朝彼此的运动而使弹簧夹86变形，从而使套圈82的径向环形部分85靠近套圈84的径向环形部分89，将夹形弹簧80弯曲。在该工作高度，由于弹簧夹86的弯曲产生的恢复力推动径向环形部分85远离径向环形部分89，从而同样将轴向延伸环形凸缘108和内部径向幅板104的径向外表面116从外部径向幅板102向内轴向偏压。内幅板104的内表面114与主环20的径向壁30之间的紧密接触将主环20压向配合环18，从而使密封表面19和21接触。
在轴直径为12毫米的实际实施例中，弹簧上的载荷是由大约1毫米的工作高度的压力而产生的。
在该工作高度，弹簧80和弹性体波纹管100使波纹管100的底部106在保持架70内部转换位置，使波纹管与径向延伸的弧形壁部分79接触。这是弹性体波纹管100的旋圈的正常支座位置，这又允许主密封环20的某些轴向移动。
由本发明密封件10实施例的这种特殊设置提供的一个特征是减小波纹管上的轴向和其它载荷。例如，当水泵开始工作时，位于弹性体波纹管100内部的流体被压缩到超过密封件外部周围压力的一个压力。该压力推在壁上，特别是内部径向幅板104和外部径向幅板102的较长的径向延伸表面上，从而使弹性体波纹管的形状变形。
该实施例中提供的一个特征是，包括径向延伸弧形壁部分79的保持架70向弹性体波纹管100提供了轴向和径向支承，波纹管100在其中心底部106和外幅板104呈现由保持架70提供的形状。因此由泵叶轮产生的压力不能使弹性体波纹管的环形形状变形，从而避免了例如由于在轴向延伸凸缘118处挤压的变形而穿过第二密封件打开不期望的泄漏路径。
尽管波纹管100可能在密封环20上施加某些意外的载荷，这种布置的一个特征是将波纹管100与作用于密封件上的轴向力隔离开。因此波纹管100的主要功能是在保持架70与外壳12和密封环20之间提供第二密封件。
向外壳12提供一致和高效的第二密封件是通过将波纹管118挤入由保持架壁72、76和78限定的杯形底座中而实现的。由于在泵运行过程中产生的跨弹性体波纹管密封件100的压差，以及在轴16旋转过程中由设置于密封件110外部的电机或其它装置(未图示)产生的连续振动力，使得保持这种第二密封件产生了特别的难度。
本发明中有利于在外端保持第二密封件的一个特征是设置于凸缘118的轴向延伸表面120中心的一环形缘边126。如图3中最佳地示出的，缘边126向平面轴向延伸表面120内部延伸。当凸缘118装入保持架70中时，缘边126被挤靠在轴向延伸圆柱支座壁部分78上，从而在凸缘118与保持架70之间产生一更强的过盈配合。在波纹管100的内端由环绕密封环20的凸缘108形成一第二密封件。
套圈82的尺寸确定为向幅板104的轴向延伸环形凸缘108施加一压力，从而在套圈82和凸缘108的接触表面与凸缘108和主环20的接触表面之间建立液体密封的关系。套圈84的尺寸确定为向幅板102的轴向延伸环形凸缘118施加一压力，从而在套圈84与凸缘118的接触表面之间建立液体密封的关系。
夹形弹簧80的圆柱形轴向部分83的径向联接产生了一个径向向内的力，该力与泵压流体的流体压力一起保持被压靠在主密封环18上的凸缘108的第二密封件。圆柱形轴向部分83的径向向内导向的力能够在凸缘108的轴向延伸圆柱表面110与密封环20的外部直径轴向圆柱表面37之间保持静态密封。为提高密封能力，如图所示，圆柱表面110在凸缘108的一锥形缘边状内表面的端部呈现密封，凸缘108同样径向向内挤压而将第二密封件保持在密封环20上。作用于凸缘108的径向暴露壁109上的附加轴向力由作用于径向外表面116上的对应的轴向相反压力以及轴向作用于凸缘108上的弹簧80的弹簧力抵消。
用于12毫米轴密封件的在例如约1毫米工作高度轴向压缩情况下对密封件10进行适当加载，应当确保在套圈82、84的两个径向环形部分85、89之间没有接触。对于一般为12毫米轴尺寸的密封件可具有一“自由”高度，即如图1所示，在预加载约14.2毫米之前。在预加载之后，使用测量密封件10轴向端部之间距离的常规仪器，一般最小安装高度尺寸可以是约13.1毫米。
当然，在会进一步弯曲弹簧夹86的方向上的轴向运动会提高弹簧力，因而更加强力地将密封环20偏压在配合环18上，直到实现最佳载荷。超过某一点的轴向移动将由于径向环形部分85、89的接触而阻止，但这种接触必须避免，以防止作用于密封环20上的载荷不期望地升高。如图2所示，在正常载荷条件下，径向环形部分85、89之间的一般间距大约为.5到1.0毫米。
应当注意，在图2中所示的预加载状态下，弹簧夹86的与套圈84联接的臂受到比与套圈82联接的臂更大的挠曲。这种更大的挠曲是由于幅板102的形状和结构而导致的，在弹簧夹86与幅板102的壁表面之间有一个间隔。这是一种优选的结构，因为需要将形状和结构保持成尽可能接近方形，以保持对密封环20以及压靠在其上的液体密封的第二密封件的支承。弹簧80的最终结构可通过在最后装配之前的一个或多个冲压步骤来形成。通常需要特殊定制的冲压来形成弹簧80，并可通过可购买的精确冲压操作来获得，如位于马萨诸塞州Brighton和纽约州Carla Place的American engineered Components。夹形弹簧元件80由不锈钢制成，最好制成一个单一零件。夹形弹簧还可以由铆接在一起或者以其它方式彼此紧固在一起的独立零件制成。
在一实际实施例中，元件的材料可以是标准密封材料。优选地，配合环18由碳化硅(SiC)制成，主环20可由如图2所示的碳化硅制成，或者由图1中所示的标准碳环制成。波纹管材料是有回弹力的，最好是如模制橡胶这样的弹性体，包括弹簧夹86的弹簧80是不锈钢或弹簧钢。套40和保持架70也是不锈钢。
元件的尺寸可根据密封件10所用于的轴尺寸而变化。例如，对于12毫米的轴尺寸，弹簧80可由一片301或316L不锈钢弹簧制成，厚度约为0.10到0.50毫米，优选厚度为1.5毫米。尺寸，特别是在自由高度状态下施加的载荷，可能对于密封件的工作很重要。环形弹性体波纹管100的尺寸与保持架70和密封环20的尺寸相匹配当然很重要，使得弹性体部分可压缩而形成适当的第二密封件。
图6中示出弹簧180的另一种结构，其中套圈182、184在密封件中提供了附加的柔韧性。如图6所示，可修改弹簧元件180的径向和轴向交叉，以降低由夹形弹簧元件180施加的弹簧力的刚性。如图6中所示，可在弹簧元件180的幅板中制成各种切口和缝隙，以提高弹簧夹的柔韧性。
可靠近弹簧元件186切割套圈182和184的径向延伸表面185和189，使套圈182、184通过弹簧元件直接分别与对应的圆柱形轴向部分183、187联接。在弹簧元件186与径向部分185之间设有一狭缝194，可在弹簧元件186与径向环形部分189之间设置一狭缝196，使弹簧元件186连续延伸到圆柱形壁部分183，使弹簧元件186能够与分别来自径向延伸环形元件185和189的任何支承无关地相对于各套圈182、184弯曲。
如果需要，还可通过在轴向圆柱部分183、187与各径向环形部分185、189联接的角部的套圈中制造另外的切口而提供进一步的柔韧性。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在套圈元件相对于彼此的移动中以及对于相邻弹性体波纹管100的幅板，都提供了柔韧性，而不会以任何方式降低夹形弹簧186的结构整体性。切口197、198可呈现任何形状，但如图所示，它们包括跟随在冲压过程中产生的折痕的细长椭环形，该折痕包括位于套圈182、184的轴向和径向部分之间的角部。
图6A示出一种形式的弹簧元件180。套圈182的径向部分185被切割而在弹簧夹元件186与径向部分185之间限定了径向狭缝194。弹簧夹与套圈182的圆柱环形部分183联接。每个弹簧夹1 86的弹簧夹臂194与套圈184的径向环形部分189联接。
在图6A的图示中，弹簧夹臂192由于狭缝194而较长，比图1-4中实施例的内部短臂92略微更具有柔韧性。夹形弹簧180的弹簧常数低于夹形弹簧80的弹簧常数。
图7-12示出根据本发明的机械面密封装置的另一实施例。
图7表示位于其自由高度的机械面密封装置。图12表示处于其安装或工作高度的密封装置。该机械面密封装置310包括一配合环318，一主环320，一套340，保持架370，夹形弹簧380以及波纹管400。
该实施例的主环320与第一实施例的主环20相同。主环320包括外部径向表面330和一外部轴向延伸圆柱表面337。它还包括限定了多个轴向凹槽333的一内部轴向圆柱表面332。
该实施例的配合环318与第一实施例中的配合环18相似。它包括一环形径向后表面322。它还包括一内部环形圆柱面324。
配合环320不包括诸如图1-5的实施例中的凹槽28的驱动凹槽。如图8和9中所示，它包括三个限定在配合环318外表面上的大致均匀间隔开的驱动凹槽306。
环318和320容置于包括圆柱形套340和环形壳体或保持架370的支架中。图10和11中所示该实施例的套340与第一实施例中的套40类似。它包括径向凸缘346和外圆柱壁348。在套340的径向外部圆柱形壁348中限定了三个大致均匀分布的径向向内凹陷。由于套340由一薄金属板制成，在环形圆柱壁348中形成一对应的径向向内导向的突起314。突起314定位成使它们的位置直接对准配合环318的驱动凹槽306。突起314的尺寸确定为使它们能够接收在配合环318的驱动凹槽306中。位于配合环318的驱动凹槽306中的套340的突起314的组合使套340确定地啮合配合环318，以驱动配合环318和套340以及套340连接到其上的轴316。
该实施例的套340与第一实施例中的套40的另一点不同在于，套340在凸缘346的径向向外延伸部分中限定了三个狭槽319。如图10和11中最佳图示的，狭槽319大致均匀分布并位于突起314之间。套340的狭槽319允许液体穿过套340循环。狭槽的特定数量并不认为很重要。如果需要，凸缘340的径向部分包括六个或八个由幅板，如图10中所示的幅板313分隔的狭槽。
一有回弹力的弹性体支承和第二密封件360模制到套340的径向向内和内部上。该实施例的支承和第二密封件360包括支承和第二密封件元件。弹性体支承和第二密封件360限定了一个压缩在径向壁349与配合环318的后径向表面322之间的整体成形的环形密封部分364。一环形支座362位于环318中，并提供了配合环318在内部环形圆柱表面324上的径向支承。
主环320由环形冲压金属主环保持架370相对于外壳312支承。保持架370包括轴向延伸的圆柱形外壁部分372，一径向缘边373，一径向延伸的环形外部374和一轴向延伸的大致圆柱形内壁部375。
轴向延伸的圆柱形外壁部372具有接收在外壳312的孔314中的预定直径。外壳孔314的尺寸确定为可将圆柱部分372压配合到孔314中，从而在保持架370和外壳312之间建立液体密封关系。可将一层乳胶或其它适当材料涂抹到壁372的外直径表面上，以确保保持架370与外壳312之间的液密密封。径向缘边373坐落在外壳312的壁的径向表面上，从而提供一止动件，以相对于外壳312和轴316对保持架70进行精确的轴向定位。
大致径向外部374限定了一个径向环形壁部376，该壁部376将轴向延伸的圆柱外壁部372与轴向延伸的圆柱支座壁部378联接起来。支座壁部378限定了一个以液体密封关系接收一部分波纹管400的支座。
大致径向外部374还限定了一个大致径向延伸的锥形壁部379。锥形壁379在其外表面上是凸形，在其靠近波纹管400的内表面上是凹形。
一弧形壁过渡部分375a将锥形壁部分379与圆柱壁部分375联接起来。圆柱壁部分375轴向延伸一给定距离，并限定了与主环320上的凹槽333啮合的制动器377，从而限制主环320相对于套370的旋转，但还允许轴向移动。
圆柱壁部分375从波纹管400的内底部406的外表面径向向内定位。如图7所示，当密封装置处于其自由高度时，弧形过渡部分375a和圆柱壁部分375位于波纹管400的内底部406的外部。
如第一实施例中那样，由有回弹力的弹性体波纹管400在主环320与保持架370之间提供了一个第二密封件。波纹管400与第一实施例中的波纹管100相同。波纹管400的截面是大致倒置的“欧米加”形，外幅板402略长于内幅板404。幅板部分402和404通过一径向内底部406接合在一起，形成一单独的旋圈。
内幅板404在其径向外端包括一轴向延伸的环形凸缘408。凸缘408包括一与主环320的轴向圆柱表面337成液密密封配合的轴向延伸圆柱表面410。它还包括一与夹形弹簧380接触的径向外部圆柱表面412。
幅板404包括一与主环320的外部径向表面330接触的径向内表面414。它还包括一与夹形弹簧380接触的径向外表面416。
外幅板402包括一轴向延伸的凸缘418。凸缘418包括一与保持架370的轴向圆柱支座壁378成液密密封配合的轴向延伸内圆柱表面420。它还包括一与套圈384接触的径向外部的轴向延伸表面422，和一个与套圈384的径向环形部分389接触的径向延伸环形表面424。
夹形弹簧元件380坐落于由波纹管400限定的单个旋圈中，提供了将主环320推向配合环318的轴向偏压力。它包括一在主环320处与凸缘408联接的套圈部分382，一在保持架370处与凸缘418联接的套圈部分384。多个弹簧夹386将套圈部分382和384联接起来。这些弹簧夹386大致为“U”形截面。
套圈部分382包括一在表面412处覆盖幅板408的大致圆柱形轴向延伸部分383，和一个邻接幅板404的径向外表面416的大致径向延伸的环形部分385。
套圈部分384包括一在表面422处覆盖幅板418的大致圆柱形部分387，和一个邻接幅板402的径向内表面424的大致径向延伸的环形部分389。
每个弹簧夹386包括一在径向环形部分385处与套圈382联接的相对较短的径向臂部分392，和一个在径向环形部分389处与套圈384联接的相对较长的径向臂部分394。这些臂部分在径向内弯曲部分395处接合。
套圈382的尺寸确定为向幅板404的轴向延伸环形凸缘408施加一压力，从而在套圈382和凸缘408的接触表面与凸缘408和主环320的接触表面之间建立液密关系。
套圈384的尺寸确定为向幅板402的轴向延伸环形凸缘418施加一压力，从而在套圈384和凸缘418的接触表面与凸缘418和轴向延伸支座壁部分378的接触表面之间建立液密关系。
如第一实施例中那样，夹形弹簧元件380坐落于波纹管400的单个旋圈中，提供了将主环320推向配合环318的轴向偏压力。夹形弹簧元件380可与图1-6A中所示的夹形弹簧元件80或180相同。
保持架370位于波纹管400和夹形弹簧元件380的外部。该实施例的保持架370与图1-5实施例中的保持架70相似，不同之处在于，保持架370的形状确定为提高主环320的轴向移动，以及所产生的夹形弹簧元件380的弹簧夹386的轴向压力。
保持架370限定了一个向外延伸的锥形壁部分379。锥形壁379在其外表面上是凸形，在其靠近波纹管400的内表面上是凹形。
一弧形壁部分375a将锥形壁部分379与圆柱壁部分375联接起来。圆柱壁部分375轴向延伸一给定距离，并从波纹管400的内底部406的外表面径向向内定位。如图7所示，当密封装置处于其自由高度时，弧形壁部分375a和圆柱壁部分375位于波纹管400的内底部406的外部。
如图12所示，在其工作高度，弹簧380和弹性体波纹管400使波纹管400的底部406在保持架370内部沿着朝外的方向转换位置，使波纹管400的外幅板402与保持架370的锥形形壁部分379的凹形锥面接触。密封装置零件定位成使弹簧380的弹簧夹轴向压缩，提供一恢复力，推动主环320与配合环318密封接触。波纹管幅板402设置成与保持架370的锥形壁379的内部凹形表面接触。在波纹管400的幅板402和404之间限定了联接的底部406朝保持架370的锥形壁部分375轴向移动。从而将波纹管外幅板402支承在锥形壁部分379的凹面上。另外，部分379的锥形形状与弧形过渡部分375a和圆柱壁375一起提供了一个空间，当密封件300处于其操作或工作高度时，波纹管400和所坐落的夹形弹簧380停留在该空间中。
在如图12所示的预加载状态下，弹簧夹386的与套圈384的径向环形部分389联接的臂394受到比与套圈382联接的臂更大的挠曲。这种更大的挠曲是由于弹簧的形状和结构以及凸缘402上的径向延伸环形表面424而导致的，在弹簧夹386与幅板402的径向壁表面之间提供了一个间隔。
尽管针对若干优选实施例描述和图示了本发明，对本发明的基本理解提供了对于本领域技术人员很容易明白的其它修改和变化的基础。例如，优选实施例是围绕保持架70而描述和图示的。但也可以设计一种使用没有保持架的弹簧机构的密封结构，其中波纹管通过一单独的连接(未图示)借助于摩擦配合保持在轴或外壳上，通过弹簧套圈，如套圈82保持在主环上。在仍提供由本发明的特征产生的益处的同时可去除保持架，并去除套。因此上面描述和图示的实施例并不认为是对本发明范围的限制。
权利要求
1.一种机械端面密封装置，用于在限定了一孔的外壳与延伸穿过该孔的旋转轴之间提供液密密封，上述密封装置包括一环形配合密封环；一可轴向移动的环形主密封环；上述环分别具有一与另一环的密封表面面对的密封表面，从而在其间限定一密封界面；一有回弹力的波纹管，该波纹管与上述主环成液密密封关系，并适于与外壳或轴成液密密封关系；上述波纹管包括内幅板和外幅板；联接上述幅板的底部，从而形成一单个旋圈；用于将上述主环朝上述配合密封环推动的夹形弹簧，上述夹形弹簧元件包括多个在将上述密封装置安装在外壳和轴之间之后变形的弹簧夹；上述夹形弹簧坐落在上述单个旋圈中。
2.如权利要求1所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述夹形弹簧包括多个一般为U形的弹簧夹，这些弹簧夹具有一内臂和一外臂，它们适合在将上述密封装置安装在外壳和轴之间之后被变形。
3.如权利要求2所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述波纹管的上述幅板基本为径向且彼此平行，上述外部径向幅板比上述内部径向幅板长，上述指的上述臂基本彼此平行，上述外臂比上述内臂长。
4.如权利要求2所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述波纹管的上述内部径向幅板包括一与上述轴向移动主环成液密密封配合的轴向延伸环形凸缘，上述外部径向幅板包括一轴向延伸环形凸缘，其中上述夹形弹簧包括一与上述弹簧夹的上述内部臂联接的套圈，上述套圈与上述波纹管的上述内幅板的上述轴向延伸环形凸缘相关联，上述夹形弹簧还包括一与上述弹簧夹的上述外部臂联接的套圈，上述套圈与位于上述波纹管的上述外幅板上的上述轴向延伸环形凸缘相关联。
5.如权利要求3所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述波纹管的上述内部径向幅板包括一与上述轴向移动主环成液密密封配合的轴向延伸环形凸缘，上述外部径向幅板包括一轴向延伸环形凸缘，其中上述夹形弹簧包括一与上述弹簧夹的上述内部臂联接的套圈，上述套圈与上述波纹管的上述内幅板的上述轴向延伸环形凸缘相关联，上述夹形弹簧还包括一与上述弹簧夹的上述外部臂联接的套圈，上述套圈与位于上述波纹管的上述外幅板上的上述轴向延伸环形凸缘相关联。
6.如权利要求4所述的机械端面密封装置，其特征在于，每个上述套圈包括一覆盖其中一个上述幅板的轴向延伸环形凸缘的圆柱形轴向延伸部分，和一个邻接上述幅板的径向延伸环形部分，上述弹簧夹的臂部分在上述圆柱形轴向延伸部分和上述套圈的上述径向延伸环形部分中的一个处与上述套圈连接。
7.如权利要求5所述的机械端面密封装置，其特征在于，每个上述套圈包括一覆盖其中一个上述幅板的轴向延伸环形凸缘的圆柱形轴向延伸部分，和一个邻接上述幅板的径向延伸环形部分，上述弹簧夹的臂部分在上述圆柱形轴向延伸部分和上述套圈的上述径向延伸环形部分中的一个处与上述套圈相连接。
8.如权利要求6所述的机械端面密封装置，其特征在于，与上述波纹管的上述内幅板的上述轴向延伸环形凸缘连接的上述套圈的径向延伸环形部分限定了将上述套圈的上述径向延伸环形部分与上述弹簧夹的上述内部臂隔离开的狭槽。
9.如权利要求7所述的机械端面密封装置，其特征在于，与上述波纹管的上述内幅板的上述轴向延伸环形凸缘联接的上述套圈的径向延伸环形部分限定了将上述套圈的上述径向延伸环形部分与上述弹簧夹的上述内部臂隔离开的狭槽。
10.如权利要求8所述的机械端面密封装置，其特征在于，与上述波纹管的上述外幅板的上述轴向延伸环形凸缘连接的上述套圈的径向延伸环形部分限定了将上述套圈的上述径向延伸环形部分与上述弹簧夹的上述外部臂隔离开的狭槽。
11.如权利要求9所述的机械端面密封装置，其特征在于，与上述波纹管的上述外幅板的上述轴向延伸环形凸缘连接的上述套圈的径向延伸环形部分限定了将上述套圈的上述径向延伸环形部分与上述弹簧夹的上述外部臂隔离开的狭槽。
12.如权利要求6所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述弹簧夹的上述内部臂仅与和上述波纹管的上述内部径向幅板的上述轴向延伸环形凸缘相关联的上述套圈的上述圆柱形轴向延伸部分连接，和上述弹簧夹的上述外部臂与和上述波纹管的上述外部径向幅板的上述轴向延伸环形凸缘相关联的上述套圈的上述径向延伸环形部分连接。
13.如权利要求6所述的机械端面密封装置，其特征在于，位于上述波纹管的上述外幅板上的上述轴向延伸凸缘包括一与上述套圈的径向延伸环形部分接触的径向内表面，上述套圈与上述外幅板的上述凸缘相关联，从而以与上述波纹管的上述外幅板间隔开的关系对上述弹簧夹的上述外部臂进行定位。
14.如权利要求12所述的机械端面密封装置，其特征在于，位于上述波纹管的上述外幅板上的上述轴向延伸凸缘包括一与上述套圈的径向延伸环形部分接触的径向内表面，上述套圈与上述外幅板的上述凸缘相联，从而以与上述波纹管的上述外幅板间隔开的关系对上述弹簧夹的上述外部臂进行定位。
15.如权利要求13所述的机械端面密封装置，其特征在于，在上述弹簧夹变形后，上述弹簧夹的上述外部臂受到比上述内部臂更大的挠曲。
16.如权利要求14所述的机械端面密封装置，其特征在于，在上述弹簧夹变形后，上述弹簧夹的上述外部臂受到比上述内部臂更大的挠曲。
17.如权利要求6所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述套圈的上述圆柱形轴向延伸部分向上述幅板的上述轴向延伸环形凸缘施加径向压力。
18.如权利要求12所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述套圈的上述圆柱形轴向延伸部分向上述幅板的上述轴向延伸环形凸缘施加径向压力。
19.如权利要求4所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一用于相对于外壳或轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一圆柱形支座壁部分，上述外部径向幅板的上述轴向延伸凸缘与上述保持架的上述轴向圆柱形密封壁成液密密闭配合。
20.如权利要求12所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一用于相对于外壳或轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一圆柱形支座壁部分，上述外部径向幅板的上述轴向延伸凸缘与上述保持架的上述轴向圆柱形密封壁成液密密闭配合。
21.如权利要求19所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述保持架包括一大致径向延伸的弧形壁部分，上述弧形壁部分用于支承上述波纹管的外幅板。
22.如权利要求20所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述保持架包括一大致径向延伸的弧形壁部分，上述弧形壁部分用于支承上述波纹管的外幅板。
23.如权利要求19所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
24.如权利要求20所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
25.如权利要求19所述的机械端面密封装置，其特征在于，位于上述外幅板上的上述轴向延伸环形凸缘包括一与上述保持架的上述圆柱形支座壁部分成密封配合的内部导向缘边。
26.如权利要求20所述的机械端面密封装置，其特征在于，位于上述外幅板上的上述轴向延伸环形凸缘包括一与上述保持架的上述圆柱形支座壁部分成密封配合的内部导向缘边。
27.如权利要求4所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一相对于外壳和轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
28.如权利要求6所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一相对于外壳和轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
29.如权利要求12所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一相对于外壳和轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
30.如权利要求13所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一相对于外壳和轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
31.如权利要求15所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一相对于外壳和轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
32.如权利要求17所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一相对于外壳和轴支承上述轴向移动主环的保持架，上述保持架包括一大致径向延伸的锥形壁部分，该锥形壁部分具有一支承上述波纹管的外幅板的内部凹面。
33.如权利要求2所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一套，上述套包括一模制到其上的有回弹力的支承和第二密封件，上述模制的支承和第二密封件与上述配合环成液密接触。
34.如权利要求19所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述装置包括一套，上述套包括一模制到其上的有回弹力的支承和第二密封件，上述模制的支承和第二密封件与上述配合环成液密接触。
35.如权利要求33所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述模制有回弹力支承和第二密封件包括一用于将上述套密封到上述轴上的环形缘边。
36.如权利要求34所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述模制有回弹力支承和第二密封件包括一用于将上述套密封到上述轴上的环形缘边，上述保持架用于联接上述主环和上述外壳。
37.如权利要求33所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述配合环包括驱动凹槽，上述模制支承和第二密封件包括与上述驱动凹槽啮合的驱动凸耳。
38.如权利要求34所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述配合环包括驱动凹槽，上述模制支承和第二密封件包括与上述驱动凹槽啮合的驱动凸耳。
39.如权利要求33所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述配合环包括驱动凹槽，上述套包括与上述配合环的上述驱动凹槽啮合的驱动凹陷，上述有回弹力的支承和第二密封件包括一定位在上述配合环内部以向其提供轴向支承的环形支座。
40.如权利要求34所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述配合环包括驱动凹槽，上述套包括与上述配合环的上述驱动凹槽啮合的驱动凹陷，上述有回弹力的支承和第二密封件包括一定位在上述配合环内部以向其提供轴向支承的环形支座。
41.如权利要求33所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述套与上述保持架相互联接而形成一夹头。
42.如权利要求34所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述套与上述保持架相互联接而形成一夹头。
43.如权利要求40所述的机械端面密封装置，其其特征在于，述套与上述保持架相互联接而形成一夹头。
44.如权利要求2所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述弹簧由不锈钢制成，上述波纹管为弹性体。
45.如权利要求6所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述弹簧由不锈钢制成，上述波纹管为弹性体。
46.如权利要求12所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述弹簧由不锈钢制成，上述波纹管为弹性体。
47.如权利要求13所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述弹簧由不锈钢制成，上述波纹管为弹性体。
48.如权利要求40所述的机械端面密封装置，其特征在于，上述弹簧由不锈钢制成，上述波纹管为弹性体。
全文摘要
一种机械端面密封装置，包括两个相对旋转的密封环(18，20)，一用于在一个密封环与外壳(12)或旋转轴(16)之间提供一第二密封件的有回弹力的波纹管(100)，及一坐落于波纹管中的夹形弹簧元件(80)。该有回弹力的波纹管包括一弹性体材料，如模制橡胶，并具有大致呈倒置的“欧米加”形状的更大剖面的单个旋圈。该夹形弹簧元件包括多个大致“U”形的弹簧夹(86)，这些弹簧夹向处于密封关系的环表面提供轴向偏压力。在一优选实施例中，弹簧包括套圈(82，84)，套圈(82，84)在波纹管每一端的凸缘部分上施加径向向内的力，以保持第二密封件。
文档编号F16J15/34GK1454301SQ01815393
公开日2003年11月5日 申请日期2001年8月21日 优先权日2000年8月21日
发明者乔恩·J·拉多萨夫 申请人:约翰·克雷恩公司