专利名称：径向密封装置及其制造方法
技术领域：
本发明大体涉及径向密封装置。更具体的，本发明涉及一种用于制造改进的直接 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——的方法。
背景技术：
用于密封车辆空调压縮机、增压器、动力转向泵的主转轴和发动机曲轴的径向轴 密封装置，可采用多个密封元件，这些密封元件设计为使面对将要被密封的液体或气体的 第一密封元件为弹性体，例如天然或合成橡胶。该弹性体通常具有足够的韧性和弹性，以便 提供对所述轴的密封。通常在弹性密封件之后设置一刚性更高、摩擦更小、耐化学性更好的 第二密封元件，与弹性密封件串联，以便在刚性更高的耐磨密封件的密封边缘与弹性较好 的弹性密封元件的后密封边缘之间产生轴向间隙。该第二密封元件通常由含氟聚合物制 成，例如聚四氟乙烯(PTFE)，或混合一种或多种已知的填充材料的填充PTFE材料，以便调 节PTFE的机械、摩擦或其他性能。 通常的现有技术中，这类密封结构元件一般先组装在一起而后采用压接过程夹紧 成一体。在这个过程中，橡胶元件和PTFE组件在两个刚性壳体之间压接成形为密封装置。 该PTFE组件还经常被压接在橡胶元件和一个刚性壳体之间。本领域中，采用扁平PTFE垫 圈或预成型的圆锥形的构件联结或夹紧以形成一完整的密封装置是众所周知的。
也提出了采用其他径向轴密封装置设计的建议，其并不是将弹性体和PTFE组件 压接或夹紧于刚性壳体中，而是采用一个金属壳体，通过将一个弹性材料元件塑造于PTFE 密封元件和金属壳体两者上，从而使该PTFE密封元件附结于该金属壳体上。这种设计中 PTFE元件仅仅用作支撑件，以支撑和控制弹性密封元件载荷，以使密封功能完全由弹性密 封元件实现。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示例。这 种结构中，PTFE支撑件和弹性密封唇缘前后联结，二者均与轴面接触。类似的，Johnston等 申请的第6， 428， 013号美国专利也披露了几种密封装置设计，这几种密封装置中，PTFE密 封元件和弹性元件均与轴面接触，使密封受到影响。 还有其他建议采用不结合弹性密封元件的密封装置设计，其完全依赖PTFE密封 元件提供液体密封。这样的一种径向轴密封装置设计在Bucher等申请的第4， 650， 196号 美国专利中有所描述。在Bucher等的专利中，PTFE元件的部分长度联结于弹性壳体，该弹 性壳体转而联结于一刚性壳体上。类似的，在Johnston等的专利中，披露了几种以PTFE密 封元件作为主要密封元件的密封装置设计。 现有这些径向轴设计——例如上述那些设计一一的一个局限性在于PTFE密封元 件并未沿其整个长度进行密封。例如，Johnston等的设计中，PTFE密封元件未沿其整个长度与轴接触。Bucher等的PTFE元件也是如此，导致对PTFE密封材料的次优利用。此外，由 于PTFE接触面积有限，这些径向密封装置设计对于PTFE密封元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密封元件相相结合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的元件上的问题。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，必须采用专用固定装置和安装工具以及特殊 的装配预防措施或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。已知含氟聚合物密封材料，例如PTFE，很容易使密封面受划痕或 其他表面损伤的影响，从而影响其进行有效密封的能力。为了提高安装这种密封装置的能 力，减少安装过程中的划痕、反转折叠或压痕，诸如Johnston等提出了反向设置PTFE密封 元件的建议，使得密封元件的自由端背向安装的油侧。但是，这种密封装置的结构还具有例 如上述其他的局限性。
发明内容
概括来说，本发明是一种制造径向轴密封组件的方法。该方法包括采用一心轴，相 对于一轴径向向外拉伸一环形聚四氟乙烯密封件的内径至模芯元件的第一拉伸位置上。该 方法还包括确定一围绕在模芯元件之上拉伸的聚四氟乙烯密封件的大体密封的模具腔，该 模具腔具有至少一个模具元件。该方法还包括将一刚性壳体置于该模具腔内，与该拉伸的 聚四氟乙烯密封件相间隔。该方法还包括将液化橡胶弹性体引入模具腔中。该方法还包括 该液化橡胶弹性体在受热和加压的条件下成型，使得刚性壳体和拉伸状态下的聚四氟乙烯 密封件与固化橡胶弹性体元件联结。该方法还包括从模芯元件上移开总体联结的聚四氟乙 烯密封件、刚性壳体和橡胶弹性体元件，而无须将聚四氟乙烯密封件的内径拉伸出第一拉 伸位置。
为了更容易理解本发明，以下结合附图对本发明进行详细描述，其中 图1是根据本发明的第一实施例的用于拉伸密封件预成型件的装置的分解截面 图； 图2是由多个模具元件构成的模具结构的截面图； 图3是图2中由模具结构确定的模具腔部分的放大图；以及 图4是根据本发明的第二实施例的模具结构的截面图。
具体实施例方式
本申请的附图示出了本发明的多个不同的实施例。本发明的各个实施例显示出相 似的部件。相似的部件通过共同的数字标记来编号，通过指定的字母来区分。同时，为了提 高统一性，即使在特定图中的部件并不是在所有的实施例都体现出来，它也具有相同的指 定字母。除非附图或说明书特别说明，相似的部件具有相似的结构，相似的操作，和/或相 同的功能。而且，除非附图或说明书特别说明，某个实施例中的特定部件可取代另一个实施例中的相应部件。 图1显示了装置300的一部分，该装置用于制造或生产径向轴密封装置。装置300 可拉伸径向密封件的预成型件72，还包括推杆78和心轴64。心轴64沿着纵轴67延伸，包 括一结束于最大径向边缘73的截头锥体65。心轴64由圆柱形的模芯元件98整体成型。
图1还显示了在预成型件72条件下的环形聚四氟乙烯密封件。预成型件或垫圈 72具有一内径或内表面62和一外径或外表面74。该扁平含氟聚合物垫圈72位于心轴64 的上端76上。心轴64的上端76的直径比含氟聚合物垫圈72的内径62小。
可扩展推杆或安装工具78显示为一具有可扩展下部的活塞，例如多个分开的可 扩展指部80。该可扩展指部80各具有一接触面82，当安装工具沿箭头84所示方向移动使 该安装工具与扁平垫圈72和心轴64接触时，该接触面82啮合于扁平垫圈72。当可扩展推 杆或安装工具78的指部80沿心轴64的截头锥体65的锥形外表面86移动时，可扩展指部 80的接触面82啮合于含氟聚合物垫圈72的上表面88，使其沿着心轴64的外表面86向下 滑动。心轴64可具有一个或多个锥度，使得元件98的外表面87的直径比含氟聚合物垫圈 72的内径62大。表面87的锥形面可以具有线性轮廓，也可是盘旋形，渐开线齿形，或任何 其他适于预压预成型件72的锥面轮廓。 预成型件72的尺寸以及心轴64和元件98的尺寸共同决定在含氟聚合物密封件 预成型件72上的拉伸量和对预压的含氟聚合物密封件32施加的预应力的大小(如图2所 示)。选择适当的垫圈72和心轴64，使得心轴64的外表面87的直径比含氟聚合物密封件 预成型件72的外径大。从而确保垫圈72的内径62和外径74上均施加预应力。
如图1和图2，通过相对于心轴64降低活塞78，垫圈72沿着心轴64的外表面86 下滑。因此，垫圈72经塑性拉伸形成密封件32。该密封件32至少在第一末端90预压。预 成型件72的内径62对应于预压的密封件32的末端90。由于垫圈72上临近含氟聚合物垫 圈72的内径62的部分比临近外径74的部分拉伸的程度更大，沿着预压的含氟聚合物密封 件32的长度的应力水平各不相同。外径74沿着心轴64向下滑时扩展，从而预压含氟聚合 物密封件32的第二末端92。 11/224， 362号美国专利申请公开了关于在元件98上设置预成型件或垫圈72的根 据本发明的实施例的其他特征。作为本发明的实施例的教导，'362专利申请通过引用整体 合并入此处。将密封件置于心轴上的其他方法也可根据本发明实现。 图2示出了设置于元件98上的密封件32和围绕该预压的密封件32而确定的模 具腔70。在本发明的该典型实施例中，多个模具元件100、102、104、108与元件98 —起确定 模具腔70。在本发明的另一实施例中，模具腔70可以由少于5个或多于5个的模具元件来 确定。 如图3所示，模具腔70包括第一部分112，该部分沿着箭头114所指的方向管状 延伸第一距离，所述方向平行于轴67(如图1和图2所示)。该第一部分112从边缘73附 近的第一末端116延伸到与第一末端116隔开的第二末端118。模具腔70还包括第二部 分120，该部分相对于轴67(如图1和图2所示)与第一部分112径向向外隔开。该第二 部分120沿着箭头122所指的方向管状延伸第二距离，所述方向平行于轴67。该第二部分 120在彼此间隔开的第一和第二末端124、 126中间延伸。在运行过程中，壳体30置于第二 部分中，并将第二部分120分成相对于轴67彼此径向间隔开且在第一末端124处彼此连通的两个次套管部分136、138。 模具腔70还包括第三部分128，该部分相对于轴67在两个第二末端118、 126之间 径向延伸，并使第一和第二部分112、120彼此成流体连通，在本发明的一个典型实施例中， 当壳体30置于模具腔70中时，第二部分120通过次套管136进行连接。第三部分128横 向于轴67延伸。图3的横截面示出了型芯撑134 ;但并不是所有的模具腔的横截面都具有 型芯撑134。 由于第一、第二和第三部分112、120和128的设置，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之间延伸时连通的模具腔的横截面可以是U形、 J形、W形、V形、H形，或其他任何形状。 如图2和图3，在本发明的一个典型实施例中，进样口 130位于第二部分120的第 一末端124附近。因此，进样口 130基本上离边缘73和处于最大预应力的末端90最远。在 模塑操作中，壳体30位于模具腔中，与密封件32间隔开。液化橡胶弹性体通过进样口 130 而导入并填充模具腔70。该液化橡胶弹性体绕型芯撑134流动。该液化橡胶弹性体在受热 和加压条件下成型，使得刚性壳体30和拉伸状态下的聚四氟乙烯密封件32与固化橡胶弹 性体元件联结。 对比图2和'362申请的附图，得出密封件32并不位于心轴64确定的环形刻槽处。 表面132由模具元件108确定，设置于末端90附近，支撑密封件32，以防其在模塑操作中移 动。在末端90和表面132之间的径向缺口为0. 0005-0. 0025。更大的缺口是不合适的；更 大的缺口会让足量的PTFE材料和/或液化橡胶弹性体流入表面132和末端90之间形成毛 边。该毛边会位于径向密封组件的主密封边缘上，从而需要修边操作。
在完成模塑操作后，不用将聚四氟乙烯密封件32的内径62(或末端90)拉伸出第 一拉伸位置，就可从元件98上移开总体联结的聚四氟乙烯密封件32和刚性壳体30和橡胶 弹性体元件(完整的径向密封组件)。模具元件108和元件98彼此远离，径向密封组件沿 着箭头136所示的方向移动。 图4示出了一个模具结构，用于实现本发明的第二个、替代的实施例。聚四氟乙烯 密封件32a和刚性壳体30a位于模具腔70a中，该模具腔具有以轴67a为中心的一环形构 造。模具腔70a由多个模具元件98a、100a、102a、104a和108a确定。进样口130a基本上 离密封件32a的末端90a最远。在模塑操作中，液化橡胶弹性体通过进样口 130a而导入并 填满模具腔70a。液化橡胶弹性体在受热和加压下成型，使得刚性壳体30a和拉伸状态下的 聚四氟乙烯密封件32a与固化橡胶弹性体元件联结。 在本发明的第二个实施例中，聚四氟乙烯密封件32a的第一末端90a相对于轴67a 径向向外拉伸至第一拉伸直径。聚四氟乙烯密封件32a的第二末端92a相对于轴67a径向 向外拉伸至第二拉伸直径。在本发明的第二个实施例中，该第二拉伸直径比第一拉伸直径 大；在本发明的第一个实施例中，所述两个直径一样大。第二末端的拉伸直径比第一末端 的拉伸直径大并不意味着第二末端比第一末端拉伸得更多。如前所述，截面图所示的末端 (90、90a、92、92a)对应于环形密封件的内径和外径，每个末端的拉伸程度就是这些直径的 拉伸。在第一实施例中，外径比内径拉伸得少，因为当密封件32处于拉伸位置时，这两个直 径大致相等。在第二实施例中，由于外径(用末端92a表示)比内径大，内外径拉伸距离差 不多。外部末端(92或92a)的拉伸直径可以根据预期的运行环境选择。例如，如果需要环
6形密封件32的外径以较大的曲率偏向径向向内的方向收縮，那么优选本发明的第二实施 例。另一方面，如果需要环形密封件32的外径以较小的曲率偏向径向向内的方向收縮，那 么优选本发明的第一实施例。 显然，根据以上教导，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在所附 权利要求的范围内，本发明可不同于上述具体描述通过其他方式实施。另外，在权利要求中 的标记仅是为了方便，而不是作为限制。
权利要求
一种制造径向轴密封组件的方法，包括以下步骤采用一心轴，相对于一轴径向向外拉伸一环形聚四氟乙烯密封件的内径至模芯元件的第一拉伸位置上；确定一围绕在所述模芯元件之上拉伸的所述聚四氟乙烯密封件的大体密封的模具腔，所述模具腔具有至少一个模具元件；将一刚性壳体置于所述模具腔内，与所述拉伸的聚四氟乙烯密封件相间隔；将液化橡胶弹性体引入所述模具腔；所述液化橡胶弹性体在受热和加压的条件下成型，使得所述刚性壳体和所述拉伸的聚四氟乙烯密封件被一固化橡胶弹性体元件联结在一起；以及从所述模芯元件上移开总体联结的所述聚四氟乙烯密封件、所述刚性壳体和所述橡胶弹性体元件，而无须将所述聚四氟乙烯密封件的内径拉伸出所述第一拉伸位置。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述引入步骤还包括以下步骤 在距离所述聚四氟乙烯密封件的内径最远的地方注入所述液化橡胶弹性体到所述模具腔。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述拉伸步骤进一步定义为 将所述环形聚四氟乙烯密封件的内径相对于所述轴径向向外拉伸至第一拉伸直径；以及将所述环形聚四氟乙烯密封件的外径相对于所述轴径向向外拉伸至第二拉伸直径，所 述第二拉伸直径比所述第一拉伸直径大。
4. 一种操作以实现如权利要求1所述的方法的装置，包括沿一轴延伸的一心轴，所述心轴具有一截头锥体，并由一模芯元件整体成型，具有在所 述截头锥体和所述模芯元件之间确定的一边缘；一推杆，所述推杆可操作地在所述心轴的所述截头锥体上推动一环形密封件从而拉伸 该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纳所述心轴的所述截头锥体的截头 锥体腔和一临近所述边缘的环形表面，所述第一模具元件与所述心轴运动啮合，使得所述 拉伸的密封件不用被拉伸出所述第一拉伸位置，即从所述模芯元件上移开。
5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于进一步包括第二模具元件，所述第二模具元件与所述模芯元件和所述第一模具元件协作以确定一 沿所述轴延伸的环形模具腔。
6. 如权利要求5所示的装置，其特征在于所述模具腔进一步包括第一部分，所述第一部分沿着平行于所述轴的方向从所述边缘附近的第一末端到与所 述第一末端隔开的第二末端管状延伸第一距离；与所述第一部分径向向外隔开的第二部分，所述第二部分沿着平行于所述轴的方向在 第一和第二末端之间管状延伸第二距离；第三部分，所述第三部分至少部分垂直于所述轴，在两个所述第二末端之间延伸，并使 所述第一和第二部分彼此形成流体连通；及一进样口 ，位于所述第二部分的所述第一末端附近，使得所述进样口距离所述边缘最远。
全文摘要
一种制造径向轴密封组件的方法。该方法包括采用一心轴，相对于一轴径向向外拉伸一环形聚四氟乙烯密封件的内径至模芯元件的第一拉伸位置上。该方法还包括确定一围绕在模芯元件之上拉伸的聚四氟乙烯密封件的大体密封的模具腔，该模具腔具有至少一个模具元件。该方法还包括将一刚性壳体置于该模具腔内，该壳体与该被拉伸的聚四氟乙烯密封件相间隔。该方法还包括将液化橡胶弹性体引入模具腔中。该方法还包括该液化橡胶弹性体在受热和加压的条件下成型，使得刚性壳体和拉伸状态下的聚四氟乙烯密封件与固化橡胶弹性体元件联结。该方法还包括从模芯元件上移开总体联结的聚四氟乙烯密封件、刚性壳体和橡胶弹性体元件，而无须将聚四氟乙烯密封件的内径拉伸出第一拉伸位置。
文档编号F16J15/32GK101784825SQ200880104068
公开日2010年7月21日 申请日期2008年7月3日 优先权日2007年7月6日
发明者弗雷德里克·R·哈奇 申请人:费德罗-莫格尔公司