轴密封件的制作方法

本发明涉及一种转轴与轴孔之间的轴密封件(axle seal)，用于防止润滑剂从转轴和轴孔之间泄露。

背景技术：

在传统车辆引擎中，如图1所示，曲轴2穿过引擎的前罩盖(front engine cover)3，向安装在前罩盖3外侧的前端辅助驱动系统(front end accessory drive，缩写为FEAD，图中未示出)提供动力。曲轴2在穿过前罩盖3上的轴孔4时，需要轴密封件1为引擎提供密封防护，用以防止润滑油从引擎中外泄。

在传统引擎中，前罩盖3一般由钢质或者铝质冲压板制成，轴孔4的位置和尺寸都较精确，因此曲轴2穿过轴孔4时采用传统的油封(oil seal)即可实现密封。传统的油封常见有两种类型：一种是径向唇轴密封件(radial lip shaft seal)，采用氟橡胶材料，通过弹簧约束的橡胶唇口与曲轴表面密封接触；另一种是聚四氟乙烯(PTFE)密封件，采用带挠曲部(flex section)的密封唇口(seal lip)，通过挠曲配合与曲轴表面密封接触。无论哪一种类型，都只能在一定程度范围内承受转轴与轴孔之间轴孔偏心(shaft-to-bore misalignment，俗称“静态偏心”)和转轴在转动时的动态跳动(dynamic runout，亦称“动态偏心”)。

随着技术的发展，前罩盖的生产者希望能够以塑料材质替换传统的钢质或者铝质材料，以求达到降低噪音、减轻重量和降低成本的目的。然而，材料的替换也给曲轴与前罩盖之间的轴孔密封带来挑战。因为，相比于金属材质而言，塑料材质的前罩盖尺寸公差较大，其开孔位置和尺寸相比于金属材料而言比较难于控制，容易导致曲轴穿过前罩盖时轴孔偏心达到甚至超过1毫米。在温度上升以后，前罩盖的热翘曲(heat distortion)还有可能进一步加剧这种偏心。当轴孔偏心超出一定的范围时，传统油封的唇口就难以保持与曲轴表面的全面接触，导致正常的密封状态遭到破坏。本发明就是针对这种新型前罩盖的挑战而应运而生的。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种轴密封件，包括：能够与轴孔的内缘可靠连接的外围连接部；与外围连接部可靠连接、允许密封件在径向上伸缩调整的伸缩调整部；以及与伸缩调整部的内缘可靠连接、能够与转轴表面密封接触的密封接触部。此外，所述轴密封件进一步包含能够将转轴的径向移动同步传递至伸缩调整部的内缘的同步跟随器。此处，所述的径向移动包括但不限于转轴的轴孔偏心和动态跳动。

所述轴密封件在工作机制上将传统的油密封功能与耐受转轴径向动作的能力区分开来。传统的密封功能通过密封接触部(例如橡胶和PTFE密封唇口)而得以保持，耐受转轴径向移动的能力则通过设置同步跟随器和伸缩调整部来加以实现。

以下结合附图详细描述本发明的各种实施方式和有益效果。

附图说明

图1为车辆引擎的立体透视图；

图2为车辆引擎的截面示意图；

图3为图2中A区域的局部放大图；

图4为本发明所述密封件一种实施方式下的局部截面示意图；

图5为本发明所述密封件另一种实施方式下的局部截面示意图；以及

图6为本发明所述密封件再一种实施方式下的局部截面示意图。

具体实施方式

出于简化描述之目的，在以下描述中，密封件1位于空气的一侧(air side)被定义为“空气侧”，位于润滑油的一侧(oil side)被定义为“油侧”。以图2为例，前罩盖3的轴向左侧为空气侧，亦被称为“外侧”；轴向右侧为油侧，亦被称为“内侧”。这与以引擎为参照系的内、外侧说法在空间上是一致的。

图1和图2从不同的角度显示了四缸引擎中曲轴与前罩盖之间的结构位置关系。具体而言，曲轴2从引擎前罩盖3上的轴孔4中穿出，为设置在前罩盖3外侧的前端辅助驱动系统(图中未示出)提供动力。曲轴2与通孔4之间设置有轴密封件1，用于防止润滑油从轴孔4中泄露。在其他类型的引擎(比如V6引擎)中，曲轴与前罩盖之间也有类似的关系，此处不再赘述。

图3以放大图的形式展示了本发明所述密封件在径向上的截面结构。如图中所示，密封件1沿径向从外到内依次包含：外围连接部11、伸缩调整部12和轴接触部13。所述的轴接触部13进一步包含一系列与曲轴2表面接触的部件，包括但不限于密封接触部13a、同步跟随器(alignment follower)13b和防尘部13c。在实际应用中，防尘部13c并非必需，可视工况需要而适宜决定取舍。

如图3～6所示，外围连接部11在形式上可以是一个独立的环形插件(annular insert)，也可以是密封件整体外围边缘的一部分(图中未示出)。外围连接部11与轴孔4的内缘可靠连接，确保密封件可靠固定在轴孔4上。在传统油封中，外围连接部一般采用金属或者橡胶材质，业内俗称“金属外径”(metal outside diameter)或者“橡胶外径”(rubber outside diameter)，通过紧配合(press fit)与金属材质的轴孔内缘固定连接。在本发明中，由于前罩盖3已改用塑料材质，所以密封件还必须确保其外围连接部与塑料材质的轴孔内缘可靠连接。

作为一种实施方式，如图3所示，密封件的外围连接部11可以采用塑料材质，通过粘接或者焊接方式(例如超声波焊接或者摩擦焊接)与塑料材质的轴孔内缘可靠连接。作为另外一种实施方式，如图4所示，外围连接部11可以由金属材料11a和橡胶材料11b联合构成。在这种实施方式下，橡胶材料11b可以裹附在金属材料11a的外部，通过粘接方式与塑料材质的轴孔内缘可靠连接。作为再一种实施方式，如图5所示，外围连接部11也可以采用金属材料11a，通过塑料热焊接技术与塑料材质的轴孔内缘可靠连接。所谓塑料热焊接技术是指将塑料加热软化后，再经过冲压变形使其与金属部件结合在一起的连接技术。

在图3～6所示的实施方式中，外围连接部11沿径向与内侧的伸缩调整部12可靠连接，后者沿径向至少形成有一处以卷曲为特征的卷曲部(convolute section)12a。卷曲部12a采用大致的U形结构，由橡胶等柔韧材料构成，为密封件提供主要是径向上的伸缩调整能力。有必要指出，伸缩调整部12并不仅限于采用U形卷曲结构，任何其它伸缩材料或者容易变形的几何结构，只要允许密封件在径向上较大幅度地伸缩调整，都可以适宜采用。

伸缩调整部12为密封件1大致提供了两种功能：第一，针对轴孔偏心，伸缩调整部12能够发生形变，允许转轴能够更大程度地偏离轴孔圆心；其二，针对转轴的动态跳动，即使幅度超出常规，伸缩调整部也能够动态跟随，及时发生变形，适应转轴的径向跳动。顺便指出，以卷曲结构为特征的伸缩调整部12从未被应用到动态密封的场合中。在本发明中，这种卷曲结构不仅允许更大程度的轴孔偏心，而且适应更大幅度的转轴动态跳动。

如图3～6所示，伸缩调整部12在径向上的内缘12b与轴接触部13连接。如前文所述，轴接触部13包括但不限于密封接触部13a、同步跟随器13b和防尘部13c。作为一种优选实施方式，伸缩调整部12的内缘12b在其与轴接触部13连接的位置处至少采用局部的刚性设计，用以确保密封件1的径向伸缩主要发生在卷曲部12a的所在位置处。内缘12b的刚性部分可以由硬质材料直接构成，也可以由金属骨架等硬质材料与橡胶等软质材料联合构成。

出于示意之目的，在轴接触部13所包含的部件中，密封接触部13a由能够挠曲形变的PTFE密封唇口构成。如前所述，这种密封唇口的挠曲部分与转轴的表面形成密封接触，用于防止润滑油从轴孔中泄露。容易理解，其他形式的密封接触部，比如径向唇轴密封件，只要能够防止润滑油从曲轴表面泄露，都可以应用于本本发明中。

在图3～5中，伸缩调整部12的内缘12b上设置有一个大致呈环形的同步跟随器13b。所述同步跟随器13b大体上呈环形结构，具有L形截面，所述L形截面具有沿轴向延伸的轴向延伸部14和从所述轴向延伸部14的油侧端沿径向向内延伸的径向延伸部15，所述轴向延伸部14与伸缩调整部12的内缘12b可靠连接，或者作为伸缩调整部12内缘12b整体结构的一部分，所述径向延伸部15相对于轴向延伸部14具有收缩的直径。从形式上看，同步跟随器13b既可以是与伸缩调整部12的内缘12b可靠连接的独立构件，也可以是伸缩调整部12的内缘12b整体结构的一部分。在后一种情况下，比方说，同步跟随器13b与伸缩调整部12的内缘12b形成为一体的环形塑料构件(图中未示出)。这样可以省略部件之间的连接工艺，有利于降低成本。在图3～5所示的实施方式中，同步跟随器13b的截面大致呈L形，这一方面可以节约材料，降低成本，另一方面也可以减轻自重，有利于同步跟随性能的提高。

理想情况下，上述环形的同步跟随器13b最好能与曲轴2的表面保持“形式接触”。所谓“形式接触”，在理论上讲，是指两个物体之间实现零距离接触，但不会造成相互之间任何力的作用。在实际应用中，同步跟随器件13b可以以最小公差设计(公差带范围)所允许的径向间隙与曲轴2的表面形成抵近式配合(close fitting at minimum shaft clearance)。这种抵近式配合可以用以下的数学关系加以描述：假设曲轴2的外径为D，同步跟随器件13b的内径公差带为±σ，则同步跟随器件13b的内径设计值最小不得低于D+σ，否则就有可能造成同步跟随器13b“箍紧”在曲轴2的表面、妨碍后者自由转动的情形。可见，采用最小公差设计所允许的径向间隙，其目的是为了确保同步跟随器件13b能够以尽可能小的径向间隙同步跟随曲轴，同时避免妨碍后者的转动。从上述目的可以看出，同步跟随器件13b实际上是一种径向位移传递装置，用于将曲轴2的径向动作(包括静态偏心和动态跳动)同步传递至伸缩调整部12的内缘12b。

作为抵近式配合的一种实施方式，同步跟随器13b也可以在其内表面上的三处突起位置处形成与曲轴2表面的三点式抵近配合(3-point minimum clearance mating with the shaft)。所谓三点式抵近配合是指，在同步跟随器13b的内表面上形成有三处突起，该三处突起与曲轴的表面之间形成前文所述的最小公差设计所允许的径向间隙。以三点式抵近配合取代整个内表面的抵近式配合，能够在不损失位移传递精度的情况下，简化工艺，降低成本。

作为另外一种实施方式，如图6所示，同步跟随器13b也可以采用滚动轴承。该轴承的内圈与曲轴2的表面紧配合，外圈与伸缩调整部12的内缘12b紧配合。在内部为零游隙的情况下，轴承能够实现径向位移的精确传递，从而有效摆脱抵近式配合中最小间隙对同步跟随的不利影响。此外，轴承的特点就是能够将滑动摩擦变为滚动摩擦，因而能够有效降低同步跟随器与曲轴之间的摩擦。

在上述实施方式中，密封件1用于防止润滑油沿曲轴2从引擎的内侧(油侧)向外侧(空气侧)泄露。在这种情况下，同步跟随器13b最好被设置为在轴向上面对引擎的内侧，密封接触部13a在轴向上位于同步跟随器13b的外侧。换而言之，在润滑油的泄露方向上，同步跟随器13b优选位于密封接触部13a的上游。这是因为，位于内侧的同步跟随器13b能够享受到引擎内的润滑条件，易于减少与其与曲轴2之间的摩擦。当然，如前所述，在密封接触部13a的外侧可设置防尘部13c，用于阻挡灰尘和杂质。

从以上的描述中可以看出，尽管本发明是针对引擎塑料前罩盖的特有问题提出的，但显然也可以应用于轴孔偏心和/或动态跳动超出常规幅度的金属罩盖的情形。在许多应用中，客户希望对壳体的公差少些控制，抑或增加轴孔与轴承之间的距离，这些都有可能导致轴孔偏心和动态跳动幅度的增大。从更广阔的意义上讲，本发明适用于所有这些静态偏心和/或动态偏心超过常规幅度的转轴与轴孔之间的密封配合。此外，尽管以上描述仅针对了采用油润滑的传统引擎，但显然也适用于采用脂润滑的任何形式的轴、孔之间的密封。

本领域的技术人员应当理解，任何关于上述密封件的变更和改进，只要符合随附权利要求书的限定，均属于本发明的保护范围。