CN101113787A - 用于离心泵,特别是内燃机冷却液泵的低摩擦密封环组件 - Google Patents

Abstract

一种密封组件，其包括：用弹性材料和PTFE制成的密封元件；嵌入在弹性材料内的支撑架；以及优选的，在使用中与密封元件相配合的L状环形护罩。该支撑架具有套管部分和径向凸缘部分，该径向凸缘部分向套管部分的对称轴方向延伸，部分地支撑密封元件的径向部分。该径向部分由没有支撑架的弹性材料制成，向对称轴的方向伸出。该径向部分的轴向尺寸沿向对称轴的方向上增加，同时支撑其自由端的由PTFE制成的套管。该套管固化在弹性材料的径向部分之上，同时所述套管与支撑架非对称地布置，其第一端部呈圆柱形，平行于支撑架的套管部分并与支撑架的套管部分在同一侧轴向伸出，以形成径向密封唇；另一端部呈圆锥形，从第一端部的相对侧轴向伸出，且伸出量大于第一端部，以形成弹性可形变轴向密封唇。未发生形变时，该轴向密封唇从支撑架的凸缘部分离开，向远离对称轴的方向延伸，从而与对称轴之间形成锐角。

Description

用于离心泵，特别是内燃机冷却液泵的低摩擦密封环组件

技术领域

本发明涉及一种密封环组件，该密封环用于车辆内燃机的水泵，在旋转元件如泵叶轮(及相关驱动轴)和固定元件如泵壳之间起密封作用。该泵叶轮的驱动轴必须以不透液体的方式从泵壳上伸出，以接收来自发动机传动装置的旋转，从而驱动泵叶轮。

背景技术

在上述类型的水泵中，离心泵叶轮(及相关轴)和泵壳之间的密封由密封组件来实现。该密封组件包括：与泵壳配合，进行滑动密封接合的第一密封环，其与叶轮轴共轴，同时在泵壳上起到静态密封作用；与叶轮轴配合，进行滑动密封接合的第二密封环，其由一根压缩在叶轮后表面(装有叶片的叶轮的前向工作表面的反面)和第二密封环之间的弹簧轴向加载，同时在轴上起到静态密封作用。这样，在泵运作期间，通过弹簧将两个密封环在与旋转轴平行的方向相向推动，从而在两个密封环之间形成滑动密封，因此进行在使用中的动态密封。

由于在使用中，密封环上的轴向负载通常很高，因而滑动密封环通常都由金属制成。因此，该密封环对泵传输间内的水密封就不够好，尤其是在泵停止的时候。此外，所述的已知密封组件的体积很大(尤其是轴向上)，同时装配过于复杂。

发明内容

本发明旨在为两个相对运动的元件之间——如上述例中，在水泵的离心泵叶轮(及相关轴)和泵壳之间——提供一种密封组件。该密封组件消除了现有技术中存在的缺陷，并且特别地，无论在泵运行或停止时，都为泵传输间内的水提供了有效的静态和动态的密封。同时，该密封组件的结构紧凑，易于组装，制造和组装成本亦相当低廉。

本发明提供了用于***在两个相对旋转的元件之间的密封组件，该密封组件包括一个部分由弹性材料制成、部分由低摩擦聚合材料制成的环形密封元件，以及在弹性材料部分中嵌入有基本呈刚性的支撑架，其中该支撑架包括套管部分和从套管部分的第一端径向地向套管部分的对称轴方向延伸的凸缘部分，并且该支撑架部分地支撑密封元件的径向部分。该径向部分完全由没有支撑架的弹性材料制成，向对称轴的方向伸出。该密封组件的特征在于，密封元件的弹性材料的所述径向部分，其轴向尺寸在向对称轴的方向上增大，同时在其自由端支撑由聚合材料制成的套管。该套管固化在弹性材料的径向部分上，所述套管与支撑架非对称地布置，其第一端部呈圆柱形，平行于支撑架的套管部分且在支撑架的套管部分的同一侧轴向伸出，形成径向密封唇；第二端部呈圆锥形，从第一端部的相对侧轴向伸出，伸出量大于第一端部，以形成弹性可形变轴向密封唇，该轴向密封唇远离所述对称轴向其自由端延伸。

更具体的说，该密封组件包括：部分由弹性材料制成、部分由低摩擦聚合材料制成的环形密封元件；和在弹性材料中嵌入的基本呈刚性的支撑架。该支撑架包括套管部分；以及从套管部分第一端向套管部分的对称轴径向延伸的凸缘部分，该支撑架部分地支撑该密封元件的径向部分，所述径向部分向对称轴方向伸出，并且由没有支撑架的完全的弹性材料制成。

该密封元件的弹性径向部分的轴向尺寸在向对称轴的方向上增大，同时在其自由端支撑由低摩擦聚合材料，具体的说PTFE，制成的套管。该套管已经固化在弹性径向部分上。所述套管与支撑架非对称，其第一端部呈圆柱形，平行于支撑架的套管部分并与支撑架的套管部分在同一侧轴向伸出，形成径向密封唇；第二端部呈圆锥形，从第一端部的相对侧以大于第一端部的量轴向伸出，以形成弹性可形变轴向密封唇。该轴向密封唇远离密封组件的对称轴向其自由端延伸，密封组件的对称轴与所述相对旋转元件(叶轮和泵壳)的旋转轴方向相一致。

未形变时，该弹性可形变轴向密封唇从支撑架的凸缘部分离开时，向越来越远离对称轴的方向延伸，从而与对称轴之间形成锐角。

该密封组件还包括一个环形护罩，该护罩的径向断面呈L形，在使用中与密封元件的密封唇以滑动方式相配合工作。该护罩的组装与密封元件相独立，并且在对中心地组装相对旋转的元件时，护罩仅安装在密封组件上。更具体的说，该环形护罩包括：与第一元件(叶轮轴)过盈配合的套管部分，其在使用中与第一元件有角度地呈一整体，并且与支撑架的套管部分共轴；以及凸缘部分，其在对称轴的相对侧径向延伸。

在使用中，该径向密封唇与护罩套管部分的侧表面以滑动方式相配合工作，同时轴向密封唇在使用中与护罩凸缘部分的前表面以滑动方式相配合工作。更具体的说，该轴向密封唇从无支架的弹性径向部分伸出足够的长度，以在使用中弯曲达到形变工作形态，在此形态下其自由端的预定长度与对称轴相垂直。

因此，该密封元件可与护罩相独立地安装在泵壳内的支座内部。该支座可直接安装并整合在叶轮轴上，从而紧靠与叶轮后表面同一侧形成的轴向肩上。当组装水泵时，护罩轴向靠在轴向密封唇上，以将密封唇移动至工作形态，同时确保密封元件上有足够的轴向负载，以在不使用弹簧的情况下保证有效的密封性。

此外，依照本发明的密封组件相对传统水泵密封组件来说结构紧凑得多，尤其是在轴向上。最后，该密封组件的整体结构简单，非常易于装配，在使用自动机械手***的情况下，亦仅需要很少几个步骤就可完成，并且制造成本非常低廉。同时，在此前提下，本发明还确保了无论在泵停止或运行时，均具有同等有效的密封性、低工作摩擦(有助于降低燃油损耗)、以及足够长的工作寿命。

附图说明

以下将参照非限制性的实施例，配合以同样方式描述此实施例的附图，对本发明的特点和优点做进一步的说明。

图1示出了依照本发明的密封组件在组装前的第一形态下的纵向径向截面图；

图2为图1中所示密封组件在第二工作形态下的纵向径向截面放大图；

图3为图1的放大图；

图4为安装了依照本发明的密封组件的车辆发动机水泵径向截面示意图。

具体实施方式

参照图1至4，密封组件以数字1标出，其可嵌入两个相对旋转元件2、3之间。元件2、3如例所示，分别为已知内燃机的水泵(冷却液给水泵)的壳体2和离心泵叶轮3。为简单起见，内燃机未在图中示出。

叶轮3(图4)安装整合在轴4上(如例所示，形成一个整体)，轴4从叶轮3的后表面5伸出，在使用中无负荷地穿过壳体2上的穿通支座6；叶片7安装在叶轮3上后表面5的对面，该面为叶轮3的工作面；叶轮3安装在壳体2的传输间8中，通过穿通支座6从外部操作。

密封组件1包括：环形密封元件10(图1和3)，该元件10部分由弹性材料制成，部分由通常为PTFE(聚四氟乙烯)或具有类似性质的其它聚合材料的低摩擦聚合材料制成；和基本呈刚性的支撑架12，其最好由铸造金属板制成。支撑架12嵌入在密封元件10的全弹性体部分14的弹性材料中。支撑架12包括套管部分15和凸缘部分16，在使用时，凸缘部分16向套管部分15的对称轴A径向延伸，对称轴A在使用中与相对旋转元件2、3的旋转轴方向相一致。

更具体的，凸缘部分16从套管部分15的第一端17径向伸出，部分地支撑密封元件10的径向部分18，并向轴A伸展。更具体的，径向部分18形成嵌入支撑架12的部分14的组成部分，也完全由弹性材料制成，并且没有支撑架12，因此具有一定程度的弹性形变性。

更具体的，密封元件10的弹性径向部分18在轴向尺寸上(亦即平行于轴A)朝着轴A增大，亦即，朝向其自由端19逐渐变厚，在自由端19处部分18达到最厚(亦即最大轴向尺寸)。

在自由端19，弹性部分18支撑起完全由所述低摩擦聚合材料(通常为PTFE或类似材料)制成的套管20。套管20固化在弹性径向部分18上，以在两部分间形成很强的化学-物理联结，这样，套管20只能通过破坏这两部分或其中之一才能从部分18上分离。

依照本发明的一方面，套管20在轴向上相对于支撑架12，特别是相对于径向凸缘部分16的位置，是非对称的。套管20具有第一圆柱端部分22，其平行于支撑架12的套管部分15且在其同一侧轴向伸出，形成径向密封唇24。同时套管20具有第二圆锥端部分26，其在第一端部分22的对面且以大于第一端部分22的量轴向伸出，从而形成弹性可形变轴向密封唇28。该轴向密封唇28朝远离对称轴A的方向，向其自由端延伸。

当形变未发生时(图1和3)，弹性可形变轴向密封唇28从凸缘部分16离开时，越来越远离对称轴A沿直线方向延伸，形成与对称轴A成锐角α(小于45°)的配置形态。

在本发明的优选实施例中，密封元件10还包括环形护罩30。该护罩的径向断面呈L形，在使用中与密封元件10的密封唇24、28以滑动方式相配合。环形护罩30(图2和4)包括套管部分31和凸缘部分33。套管部分31在使用时有角度地整合固定在叶轮3的轴4上，优选为过盈配合到叶轮3的轴4上，轴向靠在轴4上形成的肩部32上，并且与支撑架12的套管部分15共轴。肩部32表面与叶轮3的后表面5方向相同。凸缘部分33从套管部分31的第一端34(图2)向对称轴A的反向径向延伸。

在使用中，径向密封唇24与套管部分31径向外侧面以滑动方式相配合。同时，轴向密封唇28在使用中与护罩30的凸缘部分33的前表面以滑动方式相配合，凸缘部分33的前表面在使用中与叶轮3的后表面5面向方向相同，亦即，朝向壳体2上形成的支座6。

护罩30的套管部分31在靠近凸缘部分33，尤其是在末端34处，包括铸造部分35(图2)。该部分35形成径向梯级，朝向支座6，向远离轴A方向伸展，在使用中靠在肩部32上。

轴向密封唇28从弹性径向部分18上伸出，由于没有支撑架12，因此在使用中具有足够的韧性(事实上套管20相对薄，且相对支撑架12更薄)，变形为形变工作形态(图2和4)。在该形态下，其预定长度的自由端与对称轴A垂直，形成与护罩30的凸缘部分33平行的一种类似凸缘部分。

锥面40(图2、3)具有与形成轴向密封唇28的PTFE聚合套管20的末端部分26相反的锥度。通过该锥面40，朝着径向密封唇28在侧面上限制了密封元件10的弹性径向部分18，从而有助于密封唇28的形变。

依照所述密封组件的进一步的特征，支撑架12的套管部分15嵌入在相应的组件和密封元件10的静态密封部分50内。部分50完全由弹性材料制成，构成部分14的一部分(其同时还覆盖至少部分凸缘部分16)，同时在使用中以过盈配合安装在支座6内。

在实际使用中，依照本发明的密封组件1的构件10和30是分开独立组装的。构件10安装在支座6内，而构件30则在将叶轮3从壳体2上分解下之后安装在轴4之上。然后，元件2和3通过在圆柱部分22内以预定量的径向干涉、轴向***护罩30的套管部分31而安装在一起。套管部分31在相对末端34的末端具有斜角末端51，以便于进行安装。依照本发明，所述预定量的径向干涉通过部分18相对有限的弹性仅被部分补偿。

这样，在密封唇24和套管部分31之间就形成了滑动径向密封。该密封不需要使用弹簧，而是用预定的弹性力来加载。同时，该弹性力不同于普通弹性密封唇的线性或准线性力，覆盖了圆柱部分22内侧面的绝大部分。

同时，如前所述，密封唇28靠在护罩30的凸缘部分33上。并且，由于套管20的锥形末端26、部分18的形状以及铸造部分35的存在，密封唇28逐渐地发生弹性形变，成为图2中的形态。图中密封唇28的非线性部分与轴A基本达到垂直，同时利用部分18的弹性作用，从而在不使用弹簧的条件下，使密封唇28受到预定的弹性轴向力。

Claims (9)

1.一种用于***在两个相对旋转的元件之间的密封组件，该密封组件包括部分由弹性材料制成、部分由低摩擦聚合材料制成的环形密封元件，以及嵌入在弹性材料中的基本呈刚性的支撑架，并且其中该支撑架包括套管部分和从套管部分的第一端向套管部分的对称轴径向地延伸的凸缘部分，该凸缘部分部分地支撑密封元件的径向部分，该密封元件的径向部分朝着对称轴伸出，并且完全由没有支撑架的弹性材料制成，其特征在于，密封元件的所述弹性材料的径向部分在径向尺寸上沿向对称轴的方向上增加，并且在其自由端支撑由聚合材料制成的套管，该套管已固化在弹性径向部分上，所述套管与支撑架非对称地布置，所述套管具有圆柱形的第一端部，该第一端部平行于支撑架的套管部分并且与支撑架的套管部分在同一侧轴向伸出，以形成径向密封唇；并具有圆锥形的第二端部，从第一端部的相对侧以大于第一端部的量轴向伸出，以形成弹性可形变轴向密封唇，该弹性可形变轴向密封唇远离所述对称轴朝着其自由端延伸。

2.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，无形变时，所述弹性可形变轴向密封唇当它从支撑架的所述凸缘部分离开时，沿直线方向向越来越远离对称轴的方向延伸，与对称轴之间形成锐角。

3.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，还包括环形护罩，该护罩的径向断面呈L形，在使用中该护罩与密封元件的所述密封唇以滑动方式相配合工作。

4.如权利要求3所述的密封组件，其特征在于，所述环形护罩包括：与所述相对旋转元件中的第一元件过盈配合的套管部分，其在使用中与第一元件有角度地呈一整体，并且与所述支撑架的套管部分共轴；以及凸缘部分，其在护罩套管部分的对称轴的相反侧径向延伸，所述径向密封唇在使用中与护罩的所述套管部分的侧表面以滑动方式相配合工作，同时所述轴向密封唇在使用中与护罩凸缘部分的前表面以滑动方式相配合工作。

5.如权利要求4所述的密封组件，其特征在于，护罩的所述套管部分在靠近护罩的所述凸缘部分处包括铸造部分，其形成径向梯级，朝向远离护罩套管部分的对称轴方向延伸。

6.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述轴向密封唇从不具有支撑架的密封元件弹性径向部分上伸出，在使用中足以弯曲为形变工作形态，在该形变工作形态下，其预定长度的自由端与对称轴垂直布置。

7.如权利要求6所述的密封组件，其特征在于，通过与形成所述轴向密封唇的聚合套管的所述第二末端部分具有相反锥度的锥面，密封元件的所述弹性径向部分朝着所述轴向密封唇在侧面上被限制。

8.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述聚合套管由PTFE制成。

9.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，支撑架的所述套管部分嵌入在相应的组件和密封元件的静态密封部分内，该静态密封部分完全由弹性体制成并且在使用中以过盈配合安装在所述相对旋转元件中的第二元件中的支座内。

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