专利名称：油封及其制造方法
技术领域：
本发明涉及在相对运动的轴和壳体之间建立密封的油封。更具体地说，本发明涉及具有液动1泵送装置的凸缘型油封及其制造方法。
在授予Jagger等人的美国专利3,347,554中和授予Weinand的美国专利3,534,969中揭示了具有液动泵送元件的凸缘型油封。该密封件包括一个由一对截锥体圆锥表面所限定的密封凸缘。在静态密封条件下，该密封凸缘弹性地与轴接合以形成密封带，从而达到静态流体密封。
对着大气区域的截锥体圆锥表面带有一组螺旋泵送凸起或螺纹。在动态条件下，该泵送凸起刮擦轴上的油膜，并液动地将油回送到密封区域。在某些传统的设计中，泵送凸起在其整个长度上具有不变的三角形横截面。
传统的具有不变的三角形横截面的泵送凸起所存在的问题是随着磨损的增加其液动泵送能力过早地下降。
授予Heyn等人的美国专利4,094,519揭示了一种具有所谓＂船底形＂泵送凸起的油封。每个这种泵送凸起由一对相互交汇的弯曲侧面所限定，以便限定一条弯曲的工作边缘。该泵送凸起具有变化的横截面，但是在静态密封带附近的端部没有高度。
＂船底形＂泵送凸起胜过不变的三角形横截面的泵送凸起之处在于它能在发生显著的磨损之后仍获得令人满意的泵送作用。
然而，在制造这种具有船底形的泵送凸起的油封时必须克服的问题是很难完全精确地修剪密封凸缘。通常，密封凸缘的修剪是由修剪机来进行的，在该修剪机中一把修剪刀沿一条修剪线被一个液压缸推动。不幸的是，修剪刀的定位不可能完全精确，通常都包含大约0.2-0.3mm的容差。
当修剪线不适当地向外偏离了船底形泵送凸起的该端部，有相当高度的泵送凸起就会出现在密封边缘。这使得密封边缘离开了轴，从而导致初始静态密封失效。
相反，如果修剪线偶然地向内偏离了船底形泵送凸起的端部，该泵送凸起将在相当程度上不与轴接触。其结果是初始的液动泵送作用不足。
因此，本发明的目的在于提供一种制造无论修剪容差如何都具有高的静态和动态密封性能的油封的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种制造具有改进的初始静态密封性能油封的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种制造具有改进的初始液动泵送能力的油封的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种制造油封的方法，该油封即使在产生了显著的磨损之后仍能获得改进的液动泵送能力。
本发明的另一个目的在于提供一种具有改进的静态和动态密封性能的油封。
根据本发明的方法而达到这些目的，其中首先要准备好包括一个刚性环状壳体和一个模压的弹性体元件的油封予产品。该模压的弹性体元件包括一个环状的凸缘形成部分、一个帽子部分和一组形成在凸缘形成部分的截锥体圆锥内表面上的螺旋泵送凸起。每个泵送凸起包括一个有受控高度的横截面不变的第一部分和一个船底形的第二部分。
然后将该前产品进行修剪，以除去帽子部分并形成一个尖的密封边缘。修剪是通过在模压的第一部分的长度内进行切割的方式完成的。
由于模压的泵送凸起有一个预定的轴向长度，尽管修剪是带有一定的容差进行的，总是有一段第一部分被保持在密封边缘和第二部分之间。由于第一部分具有受控的高度，所以在安装时它们很容易被压平，形成一个连续的静态密封带，从而建立初始的静态密封。
与轴接触但处于静态密封带之外的那段第一部分，起到动态泵送作用从而建立了一个令人满意的初始动态密封。
本发明的这些特点和优点、以及其它的特点和优点将通过以下的描述而变得显面易见。
图1是一个根据本发明的方法制造的油封的局部剖视图；图2是一个放大的视图，显示了图1中由圆圈II所圈住的油封的那部分；图3是一个沿图2中的3-3线的剖视图；图4是一个沿图2中的4-4线的剖视图；图5是一个透视图，显示了沿图2中的箭头5的方向上所看的泵送凸起；图6是一个示意剖面视图，显示了在修剪之前的油封前产品的一部分，应当理解为简化视图，图中只显示了其中的一条泵送凸起；图7A是一个示意图，显示了本发明的油封的密封凸缘和泵送凸起在磨损前的剖面和接触图形；图7B是一个与图7A相似的示意图，但显示的是显著磨损后的剖面和接触图形；图8A和8B分别与图7A和7B相似，不过所显示的是具有不变横截面泵送凸起的传统的油封的情况；图9是一个曲线图，显示了本发明的油封和传统的油封的泵送率的变化；图10和12是与图5相似的透视图，但所显示的是改进了的泵送凸起；和图11是一个曲线图，显示了图5和10中所显示的泵送凸起所形成的接触图形的轴向长度的变化。
参考图1，油封10包括一个环形的壳体12，该壳体由例如金属薄板毛坯冲压成形。与传统的设计相似，壳体12有一个环状的安装部分14和一个径向的连接法兰部分16。在壳体12上的是一个弹性体元件18，该元件具有适于与壳体(未示出)实现压配合的轴向伸展部分，和一个如下所述那样可与轴密封接合的环状的密封部分22。
密封部分22包括一个主要密封凸缘24和一个防尘密封凸缘26。该主要密封凸缘24由一对相互交汇的截锥体圆锥表面28和30所限定，以便形成一个尖的密封边缘32。根据本领域常用的术语，对着被密封区域34的截锥体圆锥表面30被称为＂油侧＂表面，而其相对的表面28对着大气区域36，被称为＂空气侧＂表面。一个传统的环状螺旋弹簧38被安装在形成于主要密封凸缘24的外表面上的弹簧沟槽中。
空气侧表面28带有一组螺旋的泵送元件或凸起40，这些元件沿截锥体圆锥的空气侧表面28的圆周方向相互间隔均匀地配置。每个泵送凸起40以一个相等的螺旋角相对于油封10的轴42倾斜地延伸。
参看图2-5，每个泵送凸起40由一对相对的侧表面44和46相互配对以便形成一个工作或刮油边缘48。每个泵送凸起40具有的形状包括轴向的内部第一部分50和一个轴向的外部第二部分52，它们相互连成整体。这里的术语＂轴向的内部＂或＂轴向向内＂意味着向着油封的油侧的方向，而术语＂轴向的外部＂或＂轴向向外＂意味着向着空气侧的方向。
第一部分50在其整个长度上有一个不变的三角形横截面并具有一个预定的控制高度，从截锥体圆锥表面28上测量，该高度最好为0.01-0.1mm。相反，第二部分52有点象船底并有变化的横截面尺寸。从第一部分与第二部分的接合处54开始，第二部分52的高度逐渐增加，在其中部达到最高点，然后逐渐减小直到在最外点56处为零。
油封10可通过模压如合成橡胶这样的弹性材料并修剪该模压的弹性体来制造。可以借助一个带有一组设计并成形为模压泵送凸起40的螺旋沟槽的内型芯，通过传统的注射成型工艺来进行模压。另外，同样也可以采用压模法或转移模塑法工艺。内型芯的沟槽在形状上与图2-5所示的泵送凸起40是互补的，只是与第一部分50相对应的沟槽部分的纵向长度是这样选定的，即模压的第一部分50的纵向长度L比第一部分的最后长度要长出足够的量，最好等于大约2mm。
在模压时，先将壳体12在压模中定位，然后以众所周知的方法将未固化的弹性材料注射入模腔中。模压的弹性体材料被固化后就与壳体12粘合。冷却之后，将模压的产品从压模中取出，从而获得了一个油封的予成品或半成品。
参考图6，其中显示了修剪之前的予成品，予成品的模压弹性体元件58包括一个凸缘形成部分60和一个与浇口部分64相连的整体的帽子部分62。凸缘形成部分60的内壁是一个由内型芯的外表面限定的模压表面。模压的泵送元件40的整个长度都位于截锥体圆锥表面模压壁66上。每个泵送元件40的模压第一部分50在整个纵向长度L上延伸。
还是参考图6，模压的弹性体元件58随后被一个传统的未显示的修剪机器中的修剪刀沿截锥体圆锥修剪平面68切割，从而形成了一个由油侧表面30和空气侧表面28所限定的尖的密封边缘32。修剪线68是这样选定的，即它应与模压的第一部分50相交，最好是相交于长度L的中间。由于第一部分50的纵向长度L大约等于2mm，所以即使修剪刀的定位容差为0.2-0.3mm，该修剪刀还是完全能够在模压的第一部分50的长度L之间切割。这样，无论修剪刀的定位容差如何，在密封边缘32和船底形第二部分52之间的空气侧表面28上都会在轴向的一定长度上形成具有受控高度的第一部分50。
在使用中，油封的安装部分20(见图1)以公知的方式压入到未显示的壳体中。油封的密封凸缘24与轴压配合，如图7A所示，其中的虚线70表示轴的外圆周表面。所选择的密封边缘内径和环状螺旋弹簧的弹力最好使得密封边缘32稍稍受压，以便形成一个轴向长度约为0.1mm的静态密封带72，如图7A的下部所示。
泵送凸起40与轴相接触的部分呈现出一个象脊骨样的接触图案74。在动态密封条件下，轴沿图7A的箭头所示的方向旋转，各个泵送凸起40的工作边缘48与轴接触，对油膜进行刮擦，并通过液动泵送作用使油通过静态密封带72回到密封区域34。
在使用的初始阶段，根据本发明的方法制造的油封10提供了静态和动态作业条件下的令从满意的密封性能。
在静态密封条件下，由于第一部分50具有受控的限制高度，所以第一部分50的处在静态密封带72上的那部分将很容易地被压缩并被压平地靠在轴70上。因此，第一部分50将不会不良地使密封边缘32离开轴或过度地减少施加在密封边缘32的径向密封压力。结果，沿轴的整个圆周表面将形成一个连续的静态密封带72，以便形成充分的初始静态密封能力。
在动态作业条件下，形成脊骨样的接触图形74的第一部分和第二部分50和52的部分将作为泵送叶片而起到初始液动泵送作用。
根据本发明所制造的泵送凸起40所具有的初始静态和动态密封能力将大于由仅包括传统的船底形横截面的泵送凸起所获得的初始静态和动态密封能力。采用传统的船底形设计，不能足够精确地沿该船底形泵送凸起的轴向内端来进行修剪。如果修剪线不适地沿轴向偏离在船底形泵送凸缘轴向内端的外边，将由于密封边缘的提高而没有足够的初始静态密封作用。相反，如果修剪线沿轴向向内偏离出船底形泵送凸缘的内端，泵送凸起将没有一个令人满意的长度与轴接触。其结果是初始的泵送作用不足。
在密封凸缘24和泵送凸起40如图7B的上部所示的那样，被显著磨损之后，静态密封带72将如图7B的下部所示那样扩大。第一部分50将不再存在，这样，脊骨样的接触图形74将仅由船底形的条二部分52构成。由于现在的接触表面位于与具有增加的横截面的第二部分的区域偏斜相交的平面上，所以磨损后的脊骨样接触图形74仍有足够的轴向长度，从而提供了一个令人满意的动态泵送作用。
为了便于比较，在图8A和8B中分别显示了传统的具有不变的三角形横截面的螺旋泵送凸起78的油封在磨损前后的横截面和接触图形。从图8A可注意到，在使用的初始阶段，传统的油封所呈现的静态密封带72和脊骨样接触图形76与本发明的油封所获得的静态密封带和脊骨样接触图形差不多。因此，在静态和动态的作业条件下初始密封性能都能达到令人满意的程度。
然而，在发生了显著的磨损之后，如图8B所示，由泵送凸起78所形成的脊骨样接触图形76将基本上减少至零。这是因为截锥体圆锥的空气侧表面28与密封的轴所形成的圆锥角随着磨损的进行而增加。结果，因磨损而使得由不变的三角形横截面的泵送凸起78所实现的液动泵送作用就被大大地减小了。
本发明人已做了一个对比试验，其中试验了本发明的油封10、具有不变的三角形横截面的如图8A和8B所示的传统油封和具有船底形泵送凸起的传统油封的液动泵送率。每个试样都安装在一个壳体和一根轴之间，且试样的空气侧都充满常压的油。当将轴连续地转动时，测量油被泵送回油侧的流率。
试验结果如曲线图9所示，其中曲线A代表采用本发明的油封10所测得的泵送速度随时间而变化的情况，曲线B是传统的具有不变的三角形横截面的油封的情况，而曲线C是具有船底形泵送凸起的传统的油封的情况。
参见曲线图9，如曲线A所示，本发明的油封10呈现出高的初始泵送速度。在磨损这后，该泵送速度有轻微的减少，但还是维持在令人满意的高水平。可是，传统的具有不变三角形横截面的油封仅在使用的初始阶段显出高的泵送速度。随着磨损的进行，如曲线B所示，泵送速度显著地下降。曲线C表示采用传统的具有船底形泵送凸起的油封时，初始泵送作用不足。然而，随着密封凸起的磨损的增加，泵送速度也增加。
总之，采用本发明制造出的油封10，可在安装时以及磨损后都得到高的泵送能力，这样，在油封的整个寿命中都能提供令人满意的动态密封性能。另外，如在先参考图7A所述，也能建立起高度的初始静态密封。
图10图示了泵送凸起的改进型。每个泵送凸起40A包括以类似于第一实施例的方法进行模压和修剪的第一部分50。该泵送凸起40A还包括具有由一对弯曲的表面44A和46A所限定的三角形横截面的第二部分52A，这一对弯曲侧表面44A和46A相互交汇，形成一个弯曲的工作边缘48A。大至在其整个长度上，第二部分52A在离开第一与第二部分的接合处时其横截面逐渐增加。在凸起40A的轴向外端，侧表面44A和46A在陡斜表面处结束，其中的一个陡斜表面由80表示。
在图11中所显示的是脊骨形接触图形74的轴向长度随时间而变化的情况。随着磨损的进行，第一实施例的接触图形74的轴向长度较早地开始减少，如曲线D所示，这是因为最大横截面的区域位于第二部分52的长度的中间。相反，如图10所示的改进型实施例的接触图形74使用的寿命较长，如曲线E所示，这是因为一直至其端部附近，第二部分52的高度都是增加的。因此，改进的实施例适于应用于要求较长使用寿命的场合。
图12图示了另一个改进型的泵送凸起。在该实旋例中，每个泵送凸起48B同样包括不变横截面的第一部分50。第二部分52B具有恒定扩散的横截面。
当采用本发明的具体实施例在此描述本发明时，必须设想的是本发明不局限于此，熟悉本领域的技术人员可在不脱离本发明的范围的前提下作出各种变化和改进。
权利要求
1一种制造具有密封凸缘的油封的方法，该油封具有由一个截锥体圆锥的空气侧表面和一个截锥体圆锥的油侧表面所限定的密封凸缘，并具有一组形成在所说空气侧表面上的螺旋泵送凸起所说的方法包括准备一个所说油封的予成品，该予成品包括一个刚性的环形壳体和一个固定于所说壳体上的模压弹性体元件；使所说模压的弹性体元件包括一个环形凸缘形成部分和与所说凸缘形成部分相连的一个帽子部分；使所说凸缘形成部分的内表面由一个截锥体圆锥模压表面所限定；使所说模压的弹性体元件具有一组对于所说截锥体圆锥模压表面的平面径向向内升起的、螺旋伸展的泵送凸走；使每个所说泵送凸起都由一对对置的、相互配对以形成一个工作边缘的侧表面所限定；使每个所说泵送凸起具有预定长度的第一部分和与所说第一部分成一体并轴向位于所说第一部分的外面的第二部分；使所说模压的第一部分在其整个长度上有受控高度的不变的横截面；使所说第二部分至少在与所说的第一部分相接的一段上具有高度逐渐增加的横截面；并且，沿一个截锥体圆锥的修剪面切割所说模压的弹性体元件，该修剪面与所说第一部分相交，从而形成一个尖的密封边缘，在所说密封边缘和所说第二部分之间保留有一段具有受控高度的所说的第一部分。
2根据权利要求1所述的方法，其特征在于所说第一和第二部分有一个基本上为三角形的横截面。
3根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二部分被配置成大约在其中间有一个最大的横截面。
4根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二部分被配置成大约在其轴向的外端有一个最大的横截面。
5根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二部分被配置成基本上在其整个长度上有逐渐增加的横截面。
6一种油封包括一个刚性的环形壳体；一个与所说壳体连接并由一个截锥体圆锥的空气侧表面和一个截锥体圆锥的油侧表面所限定的弹性体密封凸缘；和一组形成于所说空气侧表面上的螺旋泵送凸起每个所说泵送凸起有一个预定长度的第一部分和一个与所说第一部分成一体并轴向位于所说第一部分的外面的第二部分；所说第一部分在其整个长度上具有控制高度的不变的横截面；所说第二部分至少在其位于与所说第一部分连接的一段上具有高度逐渐增加的横截面。
全文摘要
具有螺旋泵送凸起(40)的凸缘型油封(10)是通过准备一个模压的油封预成品并修剪一个帽子部分(62)以形成一个尖的密封边缘(32)来进行制造的。每个泵送凸起(40)被配置成包括一个不变横截面的第一部分(50)和一个船底形的第二部分(52)。修剪是沿一条与第一部分(50)相交的修剪线(68)进行的，以确保无论修剪刀的定位容差如何都有一段第一部分(50)被保留在密封边缘(32)和第二部分(52)之间。本发明可获得了具有改进了的初始静态和动态密封性能的油封。即使在发生显著的磨损之后，第二部分(52)也获得了令人满意的泵送作用。
文档编号F16J15/32GK1147599SQ9611001
公开日1997年4月16日 申请日期1996年5月25日 优先权日1995年5月25日
发明者大沼恒久, 古山秀之 申请人:Nok株式会社