径向密封装置及其制造方法

专利名称：径向密封装置及其制造方法
技术领域：
本发明主要涉及径向密封装置，特别地，涉及一种改进的直接联结于弹性壳体层的含氟聚合物径向密封装置，例如径向轴密封装置。
背景技术：
用于密封车辆空调压縮机的主转轴、增压器、动力转向泵以及发动机曲轴的径向轴密封装置，可采用多个密封元件的设计，以使面对将要被密封液体或气体的第一密封件为弹性材料，例如自然或合成橡胶。该弹性材料通常具有足够的挠性和弹性，以便提供对所述轴的密封。通常在弹性材料密封件之后设置一刚性更高、摩擦更小、耐化学性更好的第二密封件，与弹性材料密封件串接使在该刚性较高的耐磨密封件的密封边缘与回弹性较好的弹性体密封件的后密封边缘之间产生轴向间隙。该第二密封件通常由含氟聚合物制
成，例如聚四氟乙烯(PTFE)，或混合一种或多种已知的填充材料的填充PTFE材料，以便调节该PTFE的机械、摩擦或其他性能。
另外，有些径向轴密封装置设计，并不是将弹性材料和PTFE件压接或夹紧于刚性壳体中，而是采用附有PTFE密封件的金属壳体，弹性材料元件通过模塑成型，附结于该PTFE密封件和金属壳体上。这种设计中，PTFE件仅仅用作支承件，以支撑和控制弹性材料密封件载荷，密封功能完全由弹性密封件实现。申请人为Cather的第4,274,641号美国专利给出了这种密封结构的一个示例。这种结构中，PTFE支承件和弹性体密封唇缘前后联结，二者均与轴面接触。类似地，Johnston etal.申请的第6，428，013号美国专利也披露了几种密封装置设计，这几种密封装置设计中，PTFE密封件和弹性体元件均与轴面接触，使密封会受影响。
亦曾有建议采用另一些未结合弹性材料密封件的密封装置设计，其完全依赖PTFE密封件提供液体密封。这样的一种径向轴密封装置设计在Bucheret al申请的第4，650，196号美国专利中有所描述。在Bucher et al的专利中，PTFE件的部分长度联结于弹性壳体上，弹性壳体转而联结于一刚性壳体上。类似地，在Johnston etal.的专利中，披露了几种以PTFE密封件作为主要密封件的设计。
现有这些径向轴设计，例如上述设计的局限性一方面在于PTFE密封件并未沿其整个长度进行密封。例如，Johnston etal.的设计中，PTFE密封件未沿其整个长度与所述轴接触。Bucher etal.的PTFE件也是如此，导致无法实现对PTFE密封材料的最佳应用。此外，由于PTFE接触面积有限，这些径向密封装置设计对于PTFE密封件本身对轴或其他密封面产生的密封压力或者弹性壳体与PTFE密封件相联结对轴或其他密封面产生的密封压力的控制也有限。除上述局限性之外，现有径向轴密封装置设计已知的局限性还涉及将这些密封装置安装于轴或其他要被密封元件上的问题。以PTFE唇缘为主要密封唇缘的已知设计中，许多设计均设有面对密封区液体侧通常是油侧的径向密封唇缘自由端。众所周知，这些结构很难安装于圆轴等部件上，必须釆用专用固定装置和安装工具以及特殊的装配预防措施以及方法将这些密封装置安装于轴上，以避免割伤或损坏PTFE材料表面，进而损坏密封装置的功能性。
因此，需要改进具有PTFE密封件的径向轴密封装置，以克服现有密封装置设计的局限性。

发明内容
本发明公开了一种径向密封装置，如径向轴密封装置，其具有含氟聚合物密封件，所述含氟聚合物密封件联结于弹性壳体上，该弹性壳体转而联结于刚性壳体上，例如刚性金属壳体。本发明的径向密封装置还可包括与弹性壳体一体模塑成型的附加特征，例如污垢防护唇缘以及静态气密封件，其可
进一步提高密封装置的安装、测试(也就是，漏气测试)或运行的性能。
按照本发明的一个方面，本发明的径向密封装置包括一个刚性壳体。该径向密封装置还包括设于所述刚性壳体内部并与该刚性壳体联结的弹性壳体。该弹性壳体具有从所述刚性壳体径向向内延伸并沿该刚性壳体轴向延伸的轴向弹簧元件。该轴向弹簧元件包括从所述弹性壳体延伸的颈部和与所述颈部连接并具有联结面的密封连接部。该密封装置还包括具有联结面和密封面的预应力含氟聚合物密封件，所述预应力含氟聚合物密封件的联结面和所述密封连接部的联结面连接在一起。所述弹簧元件的密封连接部在与轴的配合表面接合时，可有效地提供所述含氟聚合物密封件沿其整个所述密封面的密封接触。
按照本发明的第二方面，所述颈部可具有多种形状或轮廓，通常包括直线形轮廓、曲线形轮廓、波纹管状轮廓或许多其他已知形状或轮廓中的任何一种。这具有能够调整轴向弹簧元件，包括颈部和弹性壳体连接部的弹力或其他特性(也就是，力，柔韧性和可追踪性)的优点。
按照本发明的第三方面，所述轴向弹簧元件连接部的厚度在轴向和径向上基本保持不变，从而对所述含氟聚合物密封件施加基本一致的密封压力；或者其厚度是轴向变化的，从而提供沿所述含氟聚合物密封件轴向长度变化的密封压力。
按照本发明的第四方面，所述含氟聚合物密封件可于含氟聚合物元件的联结面上视需要加入各种密封结构特征，包括带螺纹的或其他连续槽形，或者一个或多个周向凹槽或通道形成的槽形，或者其他不连续的槽形，或者上述槽形的结合。这些槽形可沿所述含氟聚合物元件的长度具有不变或变化的深度。所述槽还可替换成凸肋。通过径向密封装置的作用，例如通过提供与密封面旋转相结合的流体水力抽吸作用，这些槽具有提高待密封的液体(如油)的滞留性的优点，
按照本发明的第五方面，所述径向密封装置视需要的包括位于其空气侧、联结于所述弹性壳体上的空气唇缘或密封件。该密封件优选为静态密封件，但也可于有限时间内，例如在制造和/或使用配有该径向密封装置的设备的过程中进行最初或过程中测试期间，用于短暂或临时动密封件环境中。在内燃机环境下，这具有在内燃机制造和装配过程中对该内燃机进行过程中压力测试的优点，有助于该内燃机无需再通过径向密封装置提供欲密封轴表面上的临时或过程中密封，从而便于进行所述测试。
按照本发明的第六方面，所述径向密封装置可视需要于其空气侧在所述弹性壳体上联结一个或多个一体式的污垢防护唇缘，以在使用安装有该径向密封装置的设备期间有利于将污垢或其他污染物从所述含氟聚合物密封件去除。
按照本发明的第七方面，所述预应力含氟聚合物元件一般会具有应力大小沿其长度纵向变化的应力分布范围。优选地，通过控制所述元件的厚度和/或厚度轮廓来设置该应力分布范围和在模具中将该元件拉伸至其最终位置之
后对PTFE元件预加应力的大小。进一步地，基于将被拉伸的密封装置连同径向密封装置的其他元件一起装入模具中的方法，拉伸该含氟聚合物元件的方法允许该元件随应力分布范围定位于两个彼此相反的方位之一上。
按照本发明的第八方面，将本发明径向密封装置构造为标准配置结构或反向配置结构。在任一配置结构中，认为本发明的径向密封装置不易受与所述密封装置安装于轴或其他欲密封面相关的潜在密封损坏问题的影响。实际上，由于本发明的径向密封装置实质上具有两个自由端，因此与现有密封设计技术相比，关于该密封装置是否是从自由端开始安装的差异较小，由此，本发明径向密封装置的结构减小了传统安装结构与反向放置安装结构密封装置之间的差别，其更多地呈现出双方向的放置结构。而且，该特征可与确定含氟聚合物元件中预应力程度导向的能力相结合，以确定最高程度预应力，从而可将最大密封力施加于靠近或远离所述密封装置安装端的欲密封面上。例如，含氟聚合物元件可位于已确定预应力程度范围导向的密封装置中，以使施加于所述密封面的密封力较不靠近安装端，从而促进密封装置的安装。
按照本发明的第九方面，提供一种制造径向轴密封装置的新方法，包括
下列步骤采用心轴装置将具有内径和外径的含氟聚合物密封件预成型件至
少在所述内径的处进行拉伸，以形成具有内径和外径的预应力含氟聚合物密
封件；将所述具有联结面和密封面的预应力含氟聚合物密封件设于具有模具型腔的模具中，其中所述联结面暴露于模具型腔中；将刚性壳体置于所述模具型腔内，靠近所述预应力含氟聚合物密封件；以及，将弹性体材料引入所述模具型腔中以模塑成型弹性壳体，该弹性壳体位于所述刚性壳体内并与该
刚性壳体联结，该弹性壳体具有从所述刚性壳体径向向内延伸并沿该刚性壳体轴向延伸的轴向弹簧元件，该轴向弹簧元件包括从所述弹性壳体延伸的颈部和与该颈部相连接并具有联结面的密封连接部，所述轴向弹簧元件具有联结部，连接所述预应力含氟聚合物密封件的联结面和所述密封连接部的联结面，其中所述密封连接部在与轴的配合面配合时，可有效地提供所述含氟聚合物密封件沿整个所述密封面的密封接触。


为便于理解本发明的这些以及其他特征和优点，以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述，其中相似的数字标记指示相似的元件
图1是本发明径向轴密封装置第一实施例的剖视图2是本发明径向轴密封装置第二实施例的剖视图3是本发明径向轴密封装置第三实施例的剖视图4是本发明径向轴密封装置第四实施例的剖视图5是本发明径向轴密封装置第五实施例的剖视图6是本发明径向轴密封装置第六实施例的剖视图7是本发明径向轴密封装置与径向轴密封接触的剖视图8是装于模芯上的心轴的剖视图，该模芯用于在将含氟聚合物密封装置联结于弹性壳体以及安装工具之前，对含氟聚合物密封装置预加压，其中，所述安装工具用于将含氟聚合物密封装置拉伸至芯轴之上继而至模芯上；
图9A是通过安装工具的操作将含氟聚合物密封装置拉伸于心轴之上的过程中，图8中心轴的区域9的放大剖视图，举例说明模具中的第一密封装置方位；
图9B是通过安装工具的操作将含氟聚合物密封装置拉伸于心轴之上的过程中，图8中的心轴的区域9的放大剖视图，举例说明模具中的第二密封装置方位；
图10是设于模芯上并与模具中的刚性壳体相邻的含氟聚合物密封装置的剖视图，其中所述模具用于形成并模塑本发明径向轴密封装置；
图11是模具中填满弹性体材料之前，图10中的区域11的放大剖视图12是模具中填满弹性体材料之后，图10中的模具的区域11的放大剖视图；以及
图13是整修之前(虚线所示)以及之后的本发明模塑成型的密封装置的 剖视图。
具体实施例方式
本发明涉及用于密封相对于旋转径向轴的液体通道的径向轴密封装置。 该径向轴密封装置具有作为主密封件的预应力含氟聚合物密封件，该含氟聚 合物密封件联结于弹性壳体上，该弹性壳体转而联结于刚性壳体上。使用过 程中，预应力含氟聚合物密封件与径向轴上的密封面液密密封接触。径向轴 密封装置适用于许多径向转轴密封应用中，对液体通道进行密封，特别是大 量适用于汽车应用中，包括曲轴密封。尽管没有举例说明，同样可理解本发 明可同等地应用于耐磨套筒元件的密封，其中耐磨套筒元件设置于圆轴上。
图1-6展示了本发明的模塑成型并整修的径向轴密封装置10的若干实 施例的视图，也就是，该径向轴密封装置10成形于适当装置中，例如注塑 成型压机中，并从该成型压机中取出并进行整修，从而提供成品或半成品密 封装置。密封装置10可采用任一已公知的方法制成，包括模压、压铸或注 塑成型，或者这些方法的结合，或者类似的通过中间弹性材料元件或壳体将 预应力含氟聚合物密封件联结至刚性载体上形成密封装置10的方法。
在图1-6中，径向轴密封装置10包括具有外表面14和内表面16的刚 性壳体12。密封装置10还包括弹性壳体化，该弹性壳体18联结于刚性壳 体12上，优选的，至少部分联结于内表面16。弹性壳体18也可以部分设 于并联结于外表面14上。弹性壳体18还可用于为与容纳将含氟聚合物密封 件作为动密封元件的轴的装置相关的欲密封液体提供静密封，这一点在此将 作进一步说明。弹性壳体18设有从刚性壳体12径向向内延伸并轴向延伸的 轴向弹簧元件20，通常远离刚性壳体12的内表面16径向向内延伸并沿该 内表面16轴向延伸。然而，依照刚性壳体12的形状和轴向弹簧元件20的 定位和形状，轴向弹簧元件20也可远离外表面14径向延伸并沿该外表面 14轴向延伸，例如，刚性壳体12为径向向内弯曲的J形。轴向弹簧元件20具有颈部22，该颈部22的一端24从弹性壳体18延伸，相对端26延伸至 具有联结面30的密封连接部28。密封连接部28通常包括除颈部外的轴向 弹簧元件20其余部分。
密封装置10还包括预加应力的、光滑的、摩擦系数小的含氟聚合物密 封件32，该密封件32设有外表面或联结面34和内表面或密封面36。轴向 弹簧元件20沿径向密封装置10的纵轴40轴向延伸，通常施加弹力推动该 弹簧元件20和含氟聚合物密封件使其紧靠欲密封面。径向颈部22可具有多 种形状和截面，例如，通常可以是直线形或形成截头圆锥状径向元件的曲线 形轮廓(图1和2)，或形成盘旋的截头圆锥状径向元件的盘旋轮廓(图3 和图4)，形成收縮波纹管状径向元件的起伏或波浪轮廓(图4和图5)以及 许多其他的颈部形状和截面轮廓。颈部22允许径向密封装置10的纵轴相对 于轴的纵轴存在较小失准，或者轴旋转时的动态偏心距或径向跳动。这是本 发明与现有密封装置设计相比所具有的显著优点。在颈部22的相对端26， 轴向弹簧元件20还包括附于其上轴向延伸的连接部28。该连接部28沿含 氟聚合物密封件32的整个长度延伸。
如图3和图4所示，除与颈部22的连接处之外，连接部28的截面厚度 (t)沿其长度基本不变。这就使得当径向密封装置安装于轴上时，连接部 28可为含氟聚合物密封件32提供大致均衡的密封压力。优选地，密封连接 部28的厚度大于预应力含氟聚合物密封件32厚度的一半。大约0.010-0.060 英寸的厚度范围适合应用于许多径向密封装置10的连接部28。然而，连接 部28的厚度也可沿其长度而变化，如图2、 5、 6所示，从而导致该连接部 28作为弹簧元件20部分，其提供的密封压力根据其剖面厚度变化同样沿其 长度变化。因此可根据任何适合的轮廓改变该厚度。在图2、 5、 6中，轮廓 厚度从最大厚度t2线性变化至最小厚度t1。如图所示，该厚度轮廓可线性变 化，也可具有渐开线、旋绕的或其他曲线轮廓。当然，该截面厚度轮廓会改 变弹簧元件20的弹簧特性，以及在干涉条件下将密封装置10和预应力含氟 聚合物密封件32安装于轴38上的弹簧压縮力，在此将进一步描述。
预应力含氟聚合物密封件32优选由聚四氟乙烯(PTFE)制成。如现有 技术中所知，用于含氟聚合物密封件32的含氟聚合物，例如PTFE，也可与用于改变含氟聚合物的机械、摩擦或其他性能的多种填料或其他材料中的任
何材料相结合。通过拉伸含氟聚合物预成型件72 (见图8)，优选PTFE垫 圈或空心圆盘，使预成型件72产生塑性变形且含氟聚合物密封件32内产生 作为预应力的会^",ij余内应力，从而产生预应力状态下的含氟聚合物密封 件32。沿密封装置长度，可影响或改变该预应力大小和预应力分布，下面将 进一步描述。密封装置10还包括联结界面33，该联结界面33将预应力的、 摩擦系数小的含氟聚合物密封件32的外表面或联结面34连接于密封连接部 28的联结面30。当密封连接部28与配合轴38或其他将要密封的表面配合 时，该密封连接部28可有效地提供预应力的、光滑的、摩擦系数小的含氟 聚合物密封件32沿整个密封面36的密封接触，例如预应力聚四氟乙烯密封 件。含氟聚合物密封件32可在密封面36上设置槽60，例如连续螺旋形、 螺旋状、带螺纹的槽，该槽优选地向该密封装置的液体或油侧倾斜。这种槽 或槽形是众所周知的，对应径向密封装置10和密封面的相对转动，起到水 力泵的作用。槽60 (或多个槽60)的深度沿其长度保持不变，或者从含氟 聚合物密封件一端到另一端具有不同的深度。连续槽60也可包括单独的连 续槽60或连在一起的一个或多个不连续的周向槽或通道(图未示)，这些周 向槽或通道是众所周知的，用于在径向密封装置10运行期间阻挡或积聚欲 密封液体。槽60，无论是连续的、不连续的或二者结合的形式，均采用已知 的成型方法形成，例如模压或机械加工。可选地，槽60于密封面36上设有 凸肋。优选地，通过常规方法，将含氟聚合物密封件32在联结界面33化学 结合于弹性壳体18连接部28的联结面30上，例如通过直接在预应力含氟 聚合物密封件32的外表面上注塑成型弹性材料，形成联结。用于模塑成型 所述弹性壳体并使含氟聚合物密封件32与连接部28的化学结合的方法是众 所周知的。
刚性壳体12、弹性壳体18和预应力含氟聚合物密封件32和径向密封 装置10的其他元件一样，均径向围绕该密封装置10的纵轴40设置。当径 向密封装置10安装于轴38上时，径向密封装置10的纵轴40亦要求与轴 38的纵轴重合。然而，由于制造公差余量、少量失准的存在，已知会产生轴 线偏移、不平行或二者兼而有之的状况。因此，要根据轴38的尺寸选择径向密封装置10，以使轴38的轴密封面46和预应力含氟聚合物密封件32 的密封面36之间实现沿整个密封面36的干涉配合。为达到这一点，通常在 轴38的自由端或安装端形成一斜面42或斜角或类似引导边48，以使径向 密封装置10配合或安装于轴38上。
斜面42通常选择渐进的半径范围，以便轴38的自由或安装端的引导边 48和部分斜面42与径向密封装置10的安装端44的半径范围不会发生干涉, 而斜面42相对端50处的半径范围存在与轴38和径向密封装置10为干涉配 合。该干涉通常设计发生在沿斜面44长度的某位置处。如本领域普通技术 人员所公知的带有含氟密封元件例如PTFE的密封装置的密封设计，选择适 当的干涉程度以使含氟聚合物密封件32在密封面36将所需密封压力施加于 轴38的密封面46上。如图1-6所示，沿箭头52方向移动径向密封装置10， 或者沿相反方向移动轴38，将径向密封装置10安装于轴38上，从而使整 个联结面36与密封面46密封接触。含氟聚合物密封元件32的整个密封面 36沿轴38密封面46的完全接触是本发明的重要特征，与现有密封设计相 比，显示出显著有益的改进。图1所示的本发明实施例，揭示了传统径向密 封装置10的方位，其中密封装置自由端和安装端44的方位均远离密封装置 的空气侧100，最接近油侧，或更普遍的，最接近密封装置的液体侧200。 当将径向密封装置10安装于轴38时，所示区域200是封闭的或密封的区域， 称为油侧；而所示区域100，位于被密封区域的外侧，称为空气侧。
根据径向密封装置10的整体应用要求以及其他密封元件的期望结构， 可采用任意适合形状的刚性壳体12，图1-6举例说明了几种形状的刚性壳体 12。刚性壳体12可由任意适合刚性结构材料制成。优选地，刚性壳体12为 金属壳体，可由任意适合金属，如钢制成。刚性壳体12也可由适合的硬质 工程塑料或塑性复合材料制成。刚性壳体12 —般具有轴向壳体部13和径向 壳体部15。弹性壳体可联结于轴向壳体部13或径向壳体部15上，或联结 于该轴向壳体部13与径向壳体部15 二者上。
弹性壳体18实质上可为任何弹性体，包括热固聚合物弹性体，例如氟 橡胶、聚丙烯酸酯、腈、氢化丁腈橡胶或硅树脂或类似热固性弹性体，或者 适合的热塑性弹性体。弹性壳体18的弹性材料一般可根据应用需要进行选择，例如根据密封装置的运行温度、化学耐蚀性及与欲密封液体的相容性，
与刚性壳体18的材料及含氟聚合物密封件32联结性和其他相容性，以及其 他因素。弹性壳体18联结并附于壳体的外表面14和内表面16中至少之一 上，也可根据密封装置的设计联结于二者之上。如上所述，且本技术领域中 众所周知的，弹性壳体18在刚性壳体12上的位置也由与弹性壳体18相关 的静密封要求决定。在图1-6中，通过将部分弹性壳体18联结于刚性壳体 12的外表面14上形成径向密封装置10的静密封部54。
参照图2，弹性壳体18也可视需要结合径向密封装置10的其他结构特 征，包括一个或多个弹性体静密封唇缘56以及一个或多个弹性防护唇缘 (exclusion lip) 58，该弹性体防护唇缘58用于避免污垢或其他污染物进入 与含氟聚合物密封件32相关的区域。弹性密封唇缘56优选的，位于径向密 封装置10和预应力含氟聚合物密封件32的空气侧100，设计并形成所需尺 寸，从而对轴38不产生密封压力或产生最小密封压力，特别是不妨碍预应 力含氟聚合物密封件32的动密封作用。密封唇缘56—般用作静密封，以便 于在安装配备径向密封装置10的设备，例如内燃机时，进行过程中加压或 漏气测试(也就是，从油侧200)。密封唇缘56与轴接触时也可起临时动密 封件的作用，但由于该密封唇缘56位于密封装置的空气侧， 一般不会暴露 于润滑液例如油中，因此，在装置使用期间会很快被旋转轴磨损。密封唇缘 56也起到初步的污垢防护唇缘58的作用，可有效地避免来自外部的污垢从 轴38最接近预应力密封件32的部分进入。还可设计密封唇缘56令其不对 轴施加密封压力，除了相应与装置有关的压力测试外，例如在从空气侧100 对径向密封装置加压的情况下。设置并成形防护唇缘58，使其可有效地令污 染物例如污垢无法进入预应力含氟聚合物密封件32。如图2和图13所示， 还可包括另外的防护唇缘58。结合有密封唇缘56和防护唇缘58，但不会对 预应力含氟聚合物密封件32的动密封特性产生有害影响的特征是本发明的 另一重要优点。
图3举例说明了本发明的另一实施例。参照图3，径向密封装置10为具 有盘旋状颈部22的反向配置结构，其中含氟聚合物密封件32的自由端接近 并面对径向密封装置10的空气侧100。图4举例说明了本发明的另一实施例。图4中的径向密封装置10除了 还包括弹性密封唇缘56之外，均与图3中的径向密封装置相同，如前所述， 弹性密封唇缘56用于提供上述密封装置10空气侧100的静态气密封。静密 封唇缘56还起到污垢防护唇缘58的作用。图4中的密封装置还可视需要的 包括一个或多个连接至连接部28自由端的附加防护唇缘58 (图未示)。密封 唇缘56和附加防护唇缘58可独立使用也可彼此结合使用。
图5示意了本发明的另一实施例。参照图5，径向密封装置10为具有波 纹管状颈部22的传统配置结构，其中，含氟聚合物密封件32的自由端接近 并面对径向密封装置10的油侧。该实施例还说明了连接部28的厚度沿长度 变化的情况。
图6所示的是本发明的另一实施例。图6中的径向密封装置10除了还 包括用于提供上述密封装置空气侧的静密封的弹性体密封唇缘56之外，均 与图5中的径向密封装置相同。该静密封唇缘56还起到污垢防护唇缘58的 作用。该密封结构也可结合一个或多个上述附加防护唇缘58 (图未示)。
图7所示的是已安装于径向轴38上的本发明径向密封装置10。整个长 度的密封面36与油侧200密封接触，可有效地将油密封于该密封侧200， 避免其泄漏至空气侧100。随着径向密封装置10和轴38的相对旋转，螺旋 形槽60可有效地将会朝自由端44和空气侧100移动的油反向抽往油侧200。
在图8-12中，本发明另一方面还披露了一种制造或加工径向轴密封装置 10的方法300，该方法300包括下列步骤采用心轴装置64将具有内径62 和外径74的含氟聚合物密封件预成型件72至少在所述内径62处进行拉伸 步骤310，以形成具有内径和外径的预应力含氟聚合物密封件32;将该具有 联结面34和密封面36的预应力含氟聚合物密封件32设于具有模具型腔70 的模具66中的步骤320，其中联结面34暴露在模具型腔70中；将刚性壳 体12设于该模具型腔70内的步骤330，靠近预应力含氟聚合物密封件32; 以及将弹性体材料引入模具型腔70中以模塑成型弹性壳体18的步骤340， 该弹性壳体18位于所述刚性壳体12内部并与该刚性壳体12联结，且具有 从刚性壳体12径向向内延伸并沿该刚性壳体12轴向延伸的轴向弹簧元件20，该轴向弹簧元件20包括从弹性壳体18延伸的颈部22和与该颈部22 相连接并具有联结面30的密封连接部28，还有具有连接预应力含氟聚合物 密封件32的联结面34和密封连接部28的联结面30的联结部33，其中密 封连接部28在与轴38的配合面46配合时，可有效地提供预应力含氟聚合 物密封件32沿整个密封面36的密封接触。方法300与申请日为2003年2 月13日、申请号为10/366,253尚未授权的美国专利申请(代理人案号为 71024-211)中所述的形成预成型含氟聚合物密封件32的方法类似，该申请 在此作为参考。该未授权申请中的密封装置与本发明密封装置的不同之处在 于，其弹性体元件构成动态径向密封装置的一部分，且含氟聚合物密封件不 沿含氟聚合物元件的整个长度密封，但拉伸和预成型该含氟聚合物元件的方 法具有与方法300各步骤相类似之处。
预应力含氟聚合物密封件32的初始状态为含氟聚合物密封件预成型件 72，例如扁平圆柱含氟聚合物垫圈72，处于无应力或未拉伸状态。该垫圈厚 度的范围优选的约0.010-0.060英寸。选择合适的外径74和内径62，以便 根据二者差值的一半确定径向密封装置10的第二或密封面36的长度。该第 二面36可以是任何适合的长度，但通常是在0.15-0.25英寸之间。参照图8、 9A、 9B，将扁平含氟聚合物垫圈72设置于心轴的上端76上。该心轴64上 端76的直径小于含氟聚合物垫圈72的内径62。可扩展推杆或安装工具78 采用带有可扩展下截面的柱塞形式，例如多个独立的可扩展指部80。每个可 扩展指部80各具有一接触面82，当安装工具沿箭头84所示方向移入使该 安装工具与扁平垫圈72和心轴64接触时，该接触面82作用于扁平垫圈72。
如图9A、 9B所示，当可扩展推杆或安装工具78的指部80沿心轴64 的锥形外表面86移动时，可扩展指部80的接触面82作用于含氟聚合物垫 圈72的上表面88，使其沿心轴64的外表面86下滑。心轴64可具有一个 或多个锥度，该心轴下表面87的直径应设置为至少大于含氟聚合物垫圈的 内径62。图示的锥面具有线性轮廓，但也可以是盘旋形或渐开线形轮廓，或 者任何其他适于预成型件72预加应力的锥面轮廓。预成型件72的尺寸以及 心轴64以及模具66相关部分，例如柱面的尺寸， 一起决定对含氟聚合物密 封件预成型件72的拉伸量以及对预应力含氟聚合物密封件32施加的预应力的大小。选择适当的垫圈72和心轴64，使心轴64下表面87的直径大于含 氟聚合物密封件预成型件72的外径。从而确保对垫圈72的内径62和外径 74均施加预应力。当垫圈72沿心轴64的外表面86下滑时，其被塑性拉伸 或产生塑性变形，从而产生预应力。
由于垫圈72上靠近内径62的部分被拉伸的程度大于靠近外径74的部 分，故应力分布沿预应力含氟聚合物密封件32长度变化。图9A或图9B所 示，优选的通过沿心轴64降低柱塞78来扩展内径62并对含氟聚合物密封 件32的第一端90预加应力，优选的，将垫圈72的内径62拉伸成圆锥形。 当垫圈72沿心轴向下滑动时，外径74也被扩展，从而对含氟聚合物密封件 32的第二端92预加应力。在图9A所示的实施例中，由于第一端90的变形 较大，故其中的内应力大于第二端92中的内应力。在拉伸步骤310中，将 含氟聚合物垫圈72拉伸形成预应力密封件32。垫圈72被拉伸的范围从内 径原始尺寸约5至180%,优选的，在内径原始尺寸的约5-120%范围内进 行拉伸，以使密封件32中产生期望大小的预应力。在采用弹性体材料模塑 成型之前，该预应力含氟聚合物密封件32保持在被拉伸和预应力的状态下， 一般不采用任何步骤来释放内应力，例如各种形式的退火或其他应力释放的 方法。
然后，进行将预应力含氟聚合物密封件32设于模具66中的步骤320， 使其与该模具66的柱面(post surface )68配合。在图9A中，预应力含氟聚 合物密封件32的第二端92在第一端90之前越过第一肩部94，预应力含氟 聚合物密封件32终止在所示方位。可替换地实施例，在图9B中，在预应力 含氟聚合物密封件32滑过第一肩部94时，通过谨慎操作该预应力含氟聚合 物密封件32，例如通过在将第一端90推至第一肩部94上时将第二端92向 上巻于指部之上，防止第二端92越过第一肩部94，使得当前的预应力含氟 聚合物密封件32的第一端90在第二端92之前越过第一肩部94，预应力含 氟聚合物密封件32终止在所示的另一可选方位。心轴64和第一肩部94可 设定成便于第一端90和第二端92定向的形状。由于允许采用同一模具将带 有较高预应力的预应力密封件定位于相对的方位上，使得无需更换模具即可 实现模塑成型至少两个实施例或至少两种结构的该预应力含氟聚合物密封件32 ，是本发明显著的优点。
在设置预应力含氟聚合物密封件步骤320之后，该密封件32位于模具 66中并紧靠柱面68与其配合，优选靠于第二肩部96上。应当注意，心轴 64包括模具66的中心元件98的一部分(图未示)，也可构成独立(并可拆 卸)元件，如图8所示。如图8、 9A、 9B所示，柱面68具有稍向下扩展的 锥度，因此具有第一端直径69和第二端直径71，其中第二端直径大于第一 端直径。可替换地，柱面可具有向上扩张的锥度(图未示)，以便第一端直径 69位于第二端直径71的下方，其中第二端直径仍大于第一端直径。预应力 密封件32可设于上述任一结构中的该柱面上。柱面68的锥面为线性锥形， 如图9A、 9B所示，或者，我们认为也可以是内旋锥形或盘旋锥形。可替换 地，我们认为该柱面可具有与模具66的纵轴67大致平行的直线的轮廓(图 未示)，或者凹入的、凸出的或其他曲线轮廓，或者其他复杂轮廓，例如渐开 线状或类似复杂轮廓。
在将己拉伸的含氟聚合物密封件设于模具中之前或之后，方法300包括 将刚性壳体12设于模具66中的步骤330。配合模具元件(例如，元件98， 102， 104， 106， 108)中的一个或多个元件优选具有一个或多个定位特征， 例如肩部110,将刚性壳体12定位于模具66中，特别是当将模具元件98、 102、 104、 106、 108移入适当位置以形成模具型腔70时将刚性壳体12定 位于模具66中。
将刚性壳体12设置于模具66中之后，方法300接着进行步骤340，其 为应用一种己知的模塑成型技术中将弹性体材料引入模具型腔70，如图12 所示。根据已知的刚性壳体、预应力含氟聚合物密封件32以及径向密封装 置10预期应用环境的相容性标准选择弹性体材料。将适合的弹性体材料引 入模具型腔70，并经加工处理，通常地在高温和/或高压下制备形成本发明 的弹性壳体18和一体式径向密封装置10。可选的，在模塑成型后进行进一 步的后处理操作。
通过将含氟聚合物密封件32保持于其预应力和拉伸状态下，与现有设 计相比采用更少的含氟聚合物，以及较压接密封设计中通常采用的第二刚性壳体12更少的要求制成径向轴密封装置，可显著节省成本。
参考图13，本发明的径向密封装置10'处于类模塑成型(as-molded)
状态下时如图中虚线所示。代表性地，从模具68中取出径向密封装置之后， 对该径向密封装置进行整修以去除模塑毛边，形成图13中实施例所示的成 品径向密封装置10形状。所述整修可利用工具通过切削、剪切或其他切除 密封装置上的毛边的方法实现，从而将毛边从类模塑成型密封装置10'上切 除或整修掉。可替换地，该类模塑成型密封装置10'可适于在例如位置120 提供变薄的截面(图未示)，在该位置120处可操作地通过将毛边撕除或剥 掉来去除毛边，而无需采用切削或其他切除工具。
显然，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。因此，可以理解， 在所附权利要求的范围内，除上述特定实施例外，本发明可以采用其他方式 实施，而不限于上述说明书中所描述。
权利要求
1、一种径向密封装置，包括刚性壳体；设于所述刚性壳体内部并与该刚性壳体联结的弹性壳体，该弹性壳体具有从所述刚性壳体向内径向延伸并沿该刚性壳体轴向延伸的轴向弹簧元件，该轴向弹簧元件包括从所述弹性壳体延伸的颈部和与所述颈部连接并具有联结面的密封连接部；具有联结面和密封面的预应力含氟聚合物密封件，以及结合部，连接所述预应力含氟聚合物密封件的联结面和所述密封连接部的联结面；其特征在于，所述密封连接部在与轴的配合表面接合时，有效提供所述含氟聚合物密封件沿整个所述密封面的密封接触。
2、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述刚性壳体包 含金属。
3、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述金属包括钢。
4、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述刚性壳体包 含硬质塑料或硬质塑性复合材料。
5、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述刚性壳体包 括径向部和轴向部。
6、 根据权利要求5所述的径向密封装置，其特征在于，所述弹性体壳体 至少沿所述径向部的内表面结合于所述刚性壳体上。
7、 根据权利要求5所述的径向密封装置，其特征在于，所述弹性体壳体 至少沿所述径向部的外表面结合于所述刚性壳体上。
8、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述预应力含氟 聚合物密封件包含聚四氟乙烯。
9、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述预应力含氟 聚合物密封件于所述密封面上设有密封槽。
10、 根据权利要求9所述的径向密封装置，其特征在于，所述密封槽为 围绕所述密封面径向延伸并沿该密封面轴向延伸的连续槽、至少为连续槽和/或周向槽中之一。
11、 根据权利要求10所述的径向密封装置，其特征在于，所述密封槽的深度沿所述密封面轴向变化。
12、 根据权利要求8所述的径向密封装置，其特征在于，所述密封槽是 周向槽。
13、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述预应力含 氟聚合物密封件包括设于所述密封面上的多个密封槽。
14、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述颈部具有 基本上直线形的轮廓。
15、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述颈部具有 基本上曲线形的轮廓。
16、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述颈部具有 基本上盘旋形轮廓。
17、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述颈部具有 基本上波纹管形轮廓。
18、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，通过在约5-180 %含氟聚合物垫圈内径范围内径向拉伸该含氟聚合物垫圈，对所述预应力含 氟聚合物密封件预加应力。
19、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述预应力含 氟聚合物密封件的内应力沿所述密封面轴向变化。
20、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述密封连接 部和所述预应力含氟聚合物密封件可操作地提供所述密封面于配合轴上的干 涉配合；所述密封连接部通过在所述轴上施加径向压力与该轴配合，有效提 供所述预应力含氟聚合物密封件沿整个所述密封面的密封接触。
21、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述预应力含 氟聚合物密封件具有厚度，所述密封连接部具有厚度，所述密封连接部的厚 度大于所述预应力含氟聚合物密封件厚度的四分之一。
22、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述预应力含 氟聚合物密封件的厚度为约0.010-0.060英寸。
23、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述密封连接部的厚度在所述预应力含氟聚合物密封件的联结面之上大体相同。
24、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述密封连接 部的厚度在所述预应力含氟聚合物密封件的联结面之上轴向变化。
25、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述密封连接 部的厚度围绕所述预应力含氟聚合物密封件的联结面径向变化。
26、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述弹性壳体 进一步包括密封唇缘，该密封唇缘在施加于其上的轴向力的作用下有效地提 供与所述轴的配合面静密封接触。
27、 根据权利要求l所述的径向密封装置，其特征在于，所述弹性壳体 进一步包括径向向内延伸并轴向延伸的防护部，该防护部可操作地防止外部 材料进入所述预应力含氟聚合物密封件的密封面和所述轴。
28、 根据权利要求1所述的径向密封装置，其特征在于，所述弹性壳体 包括至少一个变薄的截面，该变薄的截面可操作地提供用于移除模塑毛边的 撕除线。
29、 一种制造径向轴密封装置的方法，包括下列步骤 采用心轴装置将具有内径和外径的含氟聚合物密封件预成型件至少在所述内径处进行拉伸，以形成具有内径和外径的预应力含氟聚合物密封件； 将所述具有联结面和密封面的预应力含氟聚合物密封件置于带有模具型腔的模具中，其中联结面暴露在模具型腔中；将刚性壳体设置于所述模具型腔内，靠近所述预应力含氟聚合物密封件；以及将弹性材料引入所述模具型腔中以模塑成型弹性壳体，该弹性壳体位于 所述刚性壳体内部并与该刚性壳体联结，该弹性壳体具有从所述刚性壳体径 向向内延伸并沿该刚性壳体轴向延伸的轴向弹簧元件，该轴向弹簧元件包括 从所述弹性壳体延伸的颈部和与该颈部相连接并具有联结面的密封连接部， 所述轴向弹簧元件具有联结部，连接所述预应力含氟聚合物密封件的联结面 和所述密封连接部的联结面，其中所述密封连接部在与轴的配合表面配合时， 可操作地提供所述含氟聚合物密封件沿整个所述密封面的密封接触。
30、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述将含氟聚合物密 封件预成型件至少在内径处进行拉伸的步骤包括在所述内径的约5-180%范围内拉伸所述预成型件。
31、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述拉伸含氟聚合物 密封件预成型件的步骤还包括将所述预成型件在所述外径处进行拉伸。
32、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述将含氟聚合物密 封件预成型件拉伸至少在内径处进行拉伸的步骤进一步包括沿所述心轴装置 的锥形外表面滑动所述预应力含氟聚合物密封件的步骤。
33、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述沿锥形外表面滑 动所述预应力含氟聚合物密封件的步骤采用可扩展推杆工具执行，该推杆工 具适于沿所述锥形表面扩展并与所述预应力含氟聚合物密封件的联结面和密 封面之一保持接触。
34、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述心轴装置可拆卸 地与所述模具连接。
35、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述模具包括整体式 心轴装置。
36、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述将具有联结面和 密封面的预应力含氟聚合物密封件置于模具中的步骤包括将所述预应力含氟 聚合物密封件设于所述模具的柱面上。
37、 根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述柱面为具有第一 端直径与相对第二端直径的锥形圆柱面，其中所述第二端直径大于所述第一 端直径。
38、 根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述将预应力含氟聚 合物密封件设于所述柱面上的步骤中所述内径靠近所述第一端直径，所述外 径靠近所述第二端直径。
39、 根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述第二端直径大于 所述含氟聚合物密封件预成型件的外径。
40、 根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述第一端直径大于 所述含氟聚合物密封件预成型件的内径。
41、 根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述第二端直径大于所 述含氟聚合物密封件预成型件的外径，所述第一端直径大于所述含氟聚合物 密封件预成型件的内径。
42、 根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述第二端直径和所述 第一端直径均大于所述含氟聚合物密封件预成型件的外径。
43、 根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述将预应力含氟聚合 物密封件设于所述柱面上的步骤中所述内径靠近所述第二端直径，所述外径 靠近所述第一端直径。
44、 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述第二端直径大于所 述预应力含氟聚合物密封件的外径。
45、 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述第一端直径大于所 述预应力含氟聚合物密封件的内径。
46、 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述第二端直径大于所 述预应力含氟聚合物密封件的外径，所述第一端直径大于所述预应力含氟聚 合物密封件的内径。
47、 根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述第二端直径和所述 第一端直径均大于所述含氟聚合物密封件预成型件的外径。
48、 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述将弹性体材料引入 所述模具型腔的步骤包括注塑成型。
49、 根据权利要求48所述的方法，其特征在于，所述弹性材料的注塑成 型是在高于周围环境温度和压力的压力和湿度下预成型。
50、 根据权利要求49所述的方法，其特征在于，进一步包括至少温度和 压力之一在高于环境温度和压力的下制备的步骤。
全文摘要
一种具有刚性壳体的动径向密封装置。该装置包括设于刚性壳体内并与其联结的弹性壳体。弹性壳体具有从刚性壳体径向向内并沿其轴向延伸的轴向弹簧元件。弹簧元件包括从弹性壳体延伸的颈部和与颈部连接并具有联结面的密封连接部。密封装置包括具有联结面和密封面的预应力含氟聚合物密封件。一结合部用于连接该密封件和密封连接部的联结面。所述密封连接部与轴的配合表面接合时，提供密封件沿整个密封面的密封接触，密封件可由PTFE制成并可包括形成在密封面中的槽以提高密封装置的密封性。弹性壳体还可结合一个静密封件或临时动密封件以进行过程中测试或污物防护，并联结污垢防护结构，以在使用该密封装置中防止环境中的污物损坏含氟聚合物密封件。
文档编号F16J15/32GK101529139SQ200680042047
公开日2009年9月9日 申请日期2006年9月12日 优先权日2005年9月12日
发明者弗雷德里克·R·哈奇 申请人:费德罗-莫格尔公司