CN102667268A - 一种用于弹簧供能的动态密封组件的***、方法和装置 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种密封组件。该密封件包括连接到一个弹性体本体上的一个金属弹簧，该弹性体本体与一个聚合物环相连。该弹簧可以包括一个悬臂式的、重叠的金属带。该弹性体和聚合物通过多个径向构件而机械地互锁。该弹性体具有多个接触面，这些接触面被配置成向外延伸的半径，以便增强前侧边缘的负载以及从该动态表面上的油去除。在液压服务中，该密封件防止了液压流体的流出以及外来颗粒的侵入。

Description

一种用于弹簧供能的动态密封组件的***、方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及密封件、具体地涉及用于弹簧供能的弹性体本体和聚合物动态密封组件的一种改进的***、方法和装置。

背景技术

用于在液压服务中使用的线性运动杆或气缸的动态密封件防止了液压流体从***中损失、并且防止了外来颗粒侵入移动的部件之间。这些动态的或相对运动的表面可以位于接合部的内径或外径处。常规的密封件典型地包括快速磨损或容易撕裂的弹性体本体、或者与弹性体本体相比更耐久但是具有更低密封能力的聚合物。

常规的密封件典型地还具有直的锥形接触面，这些接触面限制了该密封件的前侧边缘负载以及从该动态表面上的油去除。此外，由于剪切作用或粘性油的泵取，在这样的密封件处的反向轴运动被减小了。这些限制条件可能在密封件内产生过多的湿度，这可能导致更多的泄漏或渗出。另外，常规的密封件具有有限的工作温度范围，该温度典型地高于-40°C。这些设计约束条件进一步缩小了这些密封件上的应用、速度、压力、化学性和其他物理约束及其有用性。虽然已知的解决方法对于一些应用是有效的，但是一种改进的线性动态密封件仍是所希望的。

发明内容

在此披露了一种动态密封组件的多个实施方案。当用于液压服务中时，该密封件防止了液压流体的流出和外来颗粒的侵入。在一些实施方案中，该密封装置是3个环形部件的一个组件。一个金属弹簧连接到一个弹性体本体本体或盖上，后者连接到一个聚合物环上。该弹簧可以是由重叠的金属条压铸成型的、并且可以包括一种U形的悬臂设计。该弹性体本体本体和聚合物环机械地互锁，例如通过一个径向槽中的一个径向构件。

该弹性体本体本体的实施方案具有径向向外延伸的、在其接触和密封部分处具有大半径的表面，而不是常规的直的锥形表面。这种设计增强了前侧边缘负载以及从该动态表面上的油去除。在一些实施方案中，通过这种设计对于剪切作用或粘性油的泵取而言加强了在该密封件处的反向轴运动。

鉴于以下对本发明的详细描述，与所附权利要求书和附图相结合，本领域的普通技术人员将清楚这些实施方案的以上以及其他的目标和优点。

附图说明

通过参考附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域的普通技术人员变得清楚。

图1是一种线性动态密封应用的截面侧视图，其中显示该密封组件处于松弛状态下并且是根据本发明而构造的；

图2是在图1的线性动态密封应用中的一个密封组件的一个实施方案的放大的截面侧视图，并且是根据本发明构造的；

图3是一种用于线性动态密封应用的密封组件的另一个实施方案的放大的截面侧视图，其中显示该密封组件处于松弛状态下并且是根据本发明而构造的；

图4和5是具有弹簧的替代实施方案的密封组件的局部截取的等距视图并且是根据本发明而构造的；

图6是图3的线性动态密封应用的一个实施方案的截面侧视图，其中显示是处于压缩状态下并且是根据本发明而构造的；并且

图7是另一个实施方案的截面侧视图并且是根据本发明而构造的，该实施方案包括一个面层密封组件。

在不同的图中使用相同的参考符号表示相似的或相同的事项。

具体实施方式

参见图1-7，披露用于动态密封组件、例如用于线性运动应用的一种改进的***、方法和装置的不同实施方案。例如，图1和2披露了一种***的一个实施方案，该***包括：一个壳体11，该壳体具有一个带有轴线15的孔13、以及位于该孔13内的一个压盖或凹陷17。一杆21同轴地位于孔13中用于相对于壳体11进行轴向运动。在所示的实施方案中，该杆21具有一个外表面23，该外表面包括一个相对于孔13的动态表面，该孔具有一个静态表面63（图2）。

在一些实施方案中，包括一种径向密封的一种密封组件31（例如图1-3和6）是位于该孔13的凹陷17内。密封组件31在该壳体11与杆21之间形成了一种密封。在某些形式中，该密封组件31包括3个环状部件：一个聚合物环33、连接到该聚合物环33上的一个弹性体本体35、以及安装在该弹性体本体35内的一个弹簧37。图2中最清楚地显示，弹簧37将弹性体本体35的某些径向部分39、41偏置成与壳体11和杆21二者径向接触，以便在其之间提供一种动态密封。在其他实施方案（例如，图4、5和7），该密封组件31可以被配置为一种面层密封件，通常用来在例如多个平行的平面、转动的联接件与凸缘类型的接头之间进行密封。

该弹性体本体35可以由一种弹性材料形成并且紧密地粘合在该聚合物环33的周围。在一些实施方案中，该弹性体包括一种聚合物共混物（例如，填充的），该共混物具有显著低于该聚合物环33的硬度或模量。还可以采用其他类型的弹性体混合物，例如像部分氟化的弹性体（FKM）和完全氟化的全氟弹性体（FFKM）等。

该聚合物环33和该弹性体本体35还通过一个位于径向槽中的径向构件而机械地互锁便以进一步保证其联合。例如，在所展示的实施方案中，一个外部方形肋49限制了该聚合物环33并且与一个限制该弹性体本体35的内部方形槽57相接合。

在一些实施方案中，该聚合物环33作为一个单元被牢固地锁定至该弹性部件35上，例如是通过所展示的径向舌部和槽的安排。这种设计允许将该环和该弹性体紧密定位。这些锁定特征允许不能结合的不兼容材料进行连接，例如一种氟硅氧烷弹性体与一种氟聚合物或氟聚合物共混物的环。

在所示的实施方案中，该聚合物环33包括一个总体上圆柱形或管状的部分43以及在部分43的一个轴向末端上的一个更大的凸缘45。该管状部分43的径向外表面47包括肋49，这个肋从其中径向地伸出。一个径向楔形部51从管状部分43延伸并且位置与该凸缘45相反。该径向楔形部51在与凸缘45相反的一个轴向末端处减小了该聚合物环33的内径和外径二者。总之，该聚合物环33具有一种如在所展示的实施方案中示出的总体上L形的截面轮廓。

该聚合物环33可以更进一步包括位于该应用的动态表面之上或与之相邻的一组或多组凹形槽。例如，聚合物环33可以配备有第一组微粒拒绝槽53以及与第一组槽53轴向地间隔开的第二组流体和微粒截留槽55。槽55与槽53相比在尺寸上更小但在数目上更大。槽53被定位为与该凸缘45和弹性体本体35轴向地相反。槽55在轴向上位于槽53与该弹性体本体35之间、并且与肋49相反。这两组槽53、55均位于该聚合物环33的一个径向内表面上，该内表面在此情况下是一个动态表面。在该聚合物的动态侧面上的槽53、55有利地捕获了外来颗粒和一些润滑剂，以帮助减少摩擦和磨损。这些槽还充当了一个刮除装置。

图2中最清楚地显示，在弹性体本体35上的这些部分39、41可以包括多个径向延伸的表面，这些表面配有凹半径。这些凹半径位于与壳体11和杆21的接触部分处。这些部分39、41在相反的方向上延伸并且提供了一个对抗它们所要密封的内部和外部硬件元件的压缩荷载偏置弧段。在图1-3，这些部分39、41被显示为夸张到在硬件中处于不变形的状态，正如它们在安装于壳体11与杆21之间之前所呈现的。

在杆21与壳体11上、凹陷17中的表面63之间的径向距离61小于弹性体本体35和聚合物环33二者各自的径向最厚部分的径向厚度65、67。因此，该弹性体本体35和该聚合物环33在被安装于壳体11与杆21之间时弹性地变形并且在径向厚度上被压缩。该聚合物环33和该弹性体本体35的最厚的径向部分是位于它们的轴向末端或尖端处并且与凹半径表面39、41相邻。此外，该弹性体本体35的最厚部分65比聚合物环的最厚部分67更大。

在一些实施方案中，如所示的，该聚合物环33包括总计约50%到90%的与杆21的动态接触面面积68（图2）。该弹性体本体包括总计约10%到50%的与杆21的动态接触面面积69。在其他实施方案中,该聚合物环包括约70%到80%的动态接触面面积，并且该弹性体包括约20%到30%的动态接触面面积。

在一些实施方案中，这些径向延伸的表面39、40中径向向内的一个41从一个轮缘71延伸，该轮缘从弹性体本体35径向地向内伸出。该弹性体本体35的轮缘缘71延伸越过或重叠了该聚合物环33的一个径向内部部分73的轴向末端。这些径向延伸的表面39、40中径向向外的一个39从该弹性体本体35的一个平的外部径向表面75、经过一个弧形且径向向外地平滑过渡至该轴向末端处的尖端。

在本发明的一些实施方案中，该金属弹簧37被模制进入并且被粘结（例如被硫化）到该弹性体本体35上。这种设计提供了一种更刚性的组件并且抑制了弹簧的切入。该弹簧还使该弹性体在该动态侧面（例如，邻近的杆21）上稳定，从而减少了在该聚合物界面71、73处尖端撕裂的可能性。

该弹性体本体35可以进一步包括一个沿轴向方向的环形开口81，其位置与凸缘45相反。弹簧37被安装并落座于开口81中。在一些实施方案中，弹簧37是金属的、结合到该弹性体本体35上、不与该聚合物环33直接接触。如图5所示，该弹簧37可以由重叠的金属条压铸成型得到并且配置有u形的悬臂。在此进一步对该弹簧的其他实施方案进行说明。

在图2的实施方案中，该弹簧37具有一个顶端83，该顶端邻接了该环形开口81的内部凹形表面85。该弹簧37由多个末端87界定，这些末端延伸进入并且嵌入该弹性体本体35的部分39、41的径向厚度之中。在图1和2的实施方案中，该弹簧37包括一种具有非均一厚度的截面轮廓，该轮廓在该顶端83处最厚、并且在厚度上向多个圆化的末端87逐级减小。然而，在图3的实施方案中，该弹簧37包括一种具有均一的厚度和方形末端89的截面轮廓。

这些实施方案提供了超过传统密封设计的众多优点。该弹性体35的内外密封接触区域上的部分39、41处的这些大半径表面增强了从这些动态和静态表面上的流体去除。在运行中，这些弧形表面抵靠该壳体和杆的接触表面而压扁。当该弹性体被这样压缩时，该弹性体将该密封组件的前侧边缘的额外负载添加至该动态表面。然而，当松弛时，这种设计形成了刮除面与硬体之间的一个小于90°的小入射角91（图3）。部分39、41在未被压缩的状态下形成了在93°到95°的标称范围内的一个接触点后角93。

在安装并压缩后（例如参见图6），角度91和聚合物环部分73变平并且基本上与轴线15成0°并且与之平行。在安装后，表面40、42可以从扁平表面（例如参见图3）变形成图6所示的凹形或弧形表面（例如，抛物曲线）。此外，角度93在轴21处增大到大约100°。密封组件31的几何形状所提供的附加负载（例如，角度91和93）创造了优异的流体动力学和表面颗粒去除。其结果是，该密封件具有更薄的油膜并且因此比传统的密封件更干燥、并且允许更少的泄露或渗出。

在一些实施方案中，采用具有“L”形截面轮廓的聚合物环33也具备几个优点。该聚合物充当了一个防挤出的环，关闭了该低压侧的硬件间隙（例如，邻近的壳体11）。该聚合物的形状通过用低摩擦系数的该聚合物来代替一个实质性的动态接触面面积而减少了该弹性体上的动态摩擦和剪切应力。在该接触表面或动态表面上的聚合物越多，动态摩擦就越低。然而，弹性体越少，单位负载就越高。因此，该弹性体比该聚合物磨损更快。在一些实施方案中，该聚合物占到该动态接触面面积的约70%到80%，剩余的是弹性体。

在这些密封***中弹簧37的存在允许使用低于传统的-40°C的温度，并且在适当选择弹簧和弹性体时，可用范围达到-100°C。该弹簧37和该弹性体35的大半径39、41有助于应对在这些温度范围内流体的高粘性。此外，该聚合物环33在寒冷时更好地抓握该轴21，从而有助于以刮除轴结的冰。

在这里披露的压铸成型的、包绕的、装载了螺旋弹簧的密封件11在其多个前导边缘处具有多个半径、并且较不易发生弹性体夹套的切穿。如图4示出，该弹簧37可以一个半螺旋的缠绕带，在每个绕圈上有约30%的重叠。典型地，该弹簧在每个绕圈之间没有缝隙。将弹簧料的绕环（torus）放在一个圆形的凹/凸“V”形槽的形成模中，该形成模形成了最终形状。该弹簧可以由一种可以被卷成薄片并进行冲压或滚轧成形的高度可拉伸的材料形成，比如弹簧金属、镍、含铁的或基于铜的合金。该弹性体可以由在商业上适合用作O形圈的材料来模制，比如异丁基异戊二烯。

在一些实施方案中，该聚合物部件可以包括一种低摩擦的磨损材料，比如硬尼龙、氟塑料、PBI、PEEK、PAEK、PFA、FEP、TFM、PI、PAI、或与安装的温度、化学性和压力-速度兼容的其他中到高模量的塑料。在一些实施方案中，可以使用补充该轴的一种金属，例如在钢轴上使用黄铜。然而，金属的使用可能会损失该环的一些有利之处。由于这个部件是没有拉张应力的，针对应用、温度范围、速度、压力、化学性、机械加工性、成本或其他物理限制因素来选择材料。

这类实施方案的应用包括例如液压***和飞行器悬浮***。根据本发明构造的密封件减少了线性动态密封组件中的摩擦、并且消除了与传统密封设计相关的问题。

这个书面说明使用了实例，包括其最佳模式，并且还使得本领域的普通技术人员能够制造并且使用本发明。本发明的专利范围由权利要求书来限定、并且可以包括本领域普通技术人员能想到的其他实例。这样的其他实例如果具有与本权利要求书的语言没有差异的结构要素、或者包括了与本权利要求书的文字语言具有非实质性差异的等效的结构要素，则预期是位于本权利要求书的范围之内。

Claims (25)

1.一种用于线性运动的***，包括：

一个壳体，该壳体具有一个带有轴线的孔以及位于该孔内的一个凹陷；

位于该孔内用于相对于其进行轴向运动的一个杆，该杆具有一个外表面；

位于该孔的凹陷内用于在该壳体与该杆之间进行密封的一个密封组件，该密封组件包括：

一个聚合物环；

与该聚合物环相连的一个弹性体本体；以及

与该弹性体本体相连的一个弹簧，该弹簧用于将该弹性体本体的多个部分偏置成该壳体和该杆二者相接触，以便在它们之间提供一种动态密封。

2.根据权利要求1所述的***，其中该聚合物环具有一种L形的截面轮廓。

3.根据权利要求1所述的***，其中该聚合物环和该弹性体本体通过一个径向槽内的一个径向构件而机械性地互锁。

4.根据权利要求1所述的***，其中该聚合物环包括：一个管状部分和位于一个轴向末端上的一个凸缘、具有一个从其上径向伸出的肋的一个径向外表面、以及与该凸缘相反的一个径向楔形部，该径向楔形部减小了该聚合物环在一个相反的轴向末端处的内径和外径二者。

5.根据权利要求1所述的***，其中该聚合物环包括第一组微粒拒绝槽以及与该第一组轴向间隔开的第二组流体和微粒截留槽，并且第二组与第一组的微粒拒绝槽相比在尺寸上更小但在数目上更大，并且该第一组微粒拒绝槽被定位为与该弹性体本体轴向地相反，该第二组流体和微粒截留槽是轴向地位于该第一组微粒拒绝槽与该弹性体本体之间，并且该第一和第二组槽均位于该聚合物环的一个径向内表面上。

6.根据权利要求1所述的***，其中该弹性体本体具有多个径向延伸的表面，这些表面在与该壳体和杆的接触部分处具有凹半径。

7.根据权利要求6所述的***，其中该杆与该壳体上、该凹陷内的一个表面之间的径向距离小于该聚合物环以及该弹性体本体二者的多个部分的径向厚度，该聚合物环以及该弹性体本体二者的所述部分位于该聚合物环以及该弹性体本体在这些凹半径处的轴向末端处，并且该弹性体本体的这个部分具有比该聚合物环的部分更大的径向厚度。

8.根据权利要求6所述的***，其中这些径向延伸的表面中向内的一个从一个轮缘延伸，该轮缘从该弹性体本体中径向地向内伸出，该轮缘重叠了该聚合物环的一个径向内部部分上的一个轴向末端，并且这些径向延伸的表面中向外的一个从该弹性体本体的一个外部径向表面平衡地过渡。

9.根据权利要求1所述的***，其中该弹性体本体具有一个沿轴向方向的环形开口并且该弹簧就座于该环形开口中，该弹簧具有一个顶端，该顶端邻接了该环形开口的一个内部凹形表面，并且该弹簧具有延伸进入并且嵌入该弹性体本体的所述部分中的多个末端。

10.根据权利要求1所述的***，其中该弹簧是金属的、结合到该弹性体本体上、不与该聚合物环相接触、由一个重叠的金属条压铸成型得到、并且被配置成U形的悬臂。

11.根据权利要求1所述的***，其中该弹簧包括一种具有均一的厚度和多个方形末端的截面轮廓。

12.根据权利要求1所述的***，其中该弹簧包括一种具有非均一的厚度的截面轮廓，该截面轮廓在其一个顶端处最厚并且在厚度上向多个圆化的末端逐渐减小，该聚合物环占一个动态接触面面积的约70%到80%，并且该弹性体本体占该动态接触面面积的约20%到30%。

13.一种密封组件，包括：

一个聚合物环；

通过多个接合构件与该聚合物环相连的一个弹性体本体，该弹性体本体具有多个部分，这些部分包括具有凹半径的延伸的表面；以及

与该弹性体本体相连的一个弹簧，用于将该弹性体本体的多个部分在相反的方向上偏置以便提供一种动态密封。

14.根据权利要求13所述的密封组件，其中该聚合物环具有一种L形的截面轮廓，该截面轮廓包括位于一个末端上的一个管状部分和一个凸缘、具有一个从其上伸出的肋的一个外表面、以及与该凸缘相反的一个楔形部，该楔形部减小了该聚合物环在一个相反的末端处的内径和外径二者。

15.根据权利要求13所述的密封组件，其中该聚合物环包括第一组微粒拒绝槽以及与该第一组间隔开的第二组流体和微粒截留槽，该第二组与该一组微粒拒绝槽相比在尺寸上更小但在数目上更大，并且该第一组微粒拒绝槽被定位为与该弹性体本体相反，并且该第二组流体和微粒截留槽位于该第一组微粒拒绝槽与该弹性体本体之间，并且该一和第二组槽均位于该聚合物环的一个内表面上。

16.根据权利要求13所述的密封组件，其中该聚合物环和该弹性体本体二者的一个最厚部分均处于该聚合物环和该弹性体本体在这些凹半径处的末端处，并且该弹性体本体的这个部分具有比该聚合物环的部分更大的厚度，并且这些延伸的表面中向内的一个从一个轮缘延伸，该轮缘从该弹性体本体向内伸出，该轮缘重叠了该聚合物环的一个内部部分上的一个末端，并且这些延伸的表面中向外的一个从该弹性体本体的一个外表面平滑地过渡。

17.根据权利要求13所述的密封组件，其中该弹性体本体具有一个环形开口并且该弹簧就座于该环形开口中，该弹簧具有一个顶端，该顶端邻接了该环形开口的一个内部的凹形表面，并且该弹簧具有延伸进入并且嵌入该弹性体本体的所述部分中的多个末端。

18.根据权利要求13所述的密封组件，其中该弹簧是金属的、结合到该弹性体本体上、并且不与该聚合物环相接触，并且该弹簧是由一个重叠的金属条压铸成型得到、并且被配置成U形的悬臂。

19.根据权利要求13所述的密封组件，其中该弹簧包括一种具有均一的厚度和多个方形末端的截面轮廓，该聚合物环占一个动态接触面面积的约70%到80%，并且该弹性体本体占该动态接触面面积的约20%到30%。

20.根据权利要求13所述的密封组件，其中该弹簧包括一种具有非均一的厚度的截面轮廓，该截面轮廓在其一个顶端处最厚并且在厚度上向多个圆化的末端逐渐减小。

21.一种密封组件，包括：

一个聚合物环，该聚合物环具有一条轴线和一种L形的截面轮廓，该截面轮廓包括一个管状部分和位于一个轴向末端上的一个凸缘、一个径向外表面、以及与该凸缘相反的一个径向楔形部，该径向楔形部减小了该聚合物环在一个相反的轴向末端处的内径和外径二者；

通过一个径向槽中的径向构件与该聚合物环相连的一个弹性体本体，该弹性体本体具有多个部分，这些部分包括多个具有凹半径的径向延伸的表面；以及

与该弹性体本体相连的一个弹簧，用于将该弹性体本体的这些部分在相反的方向上减小偏置并且使之进入内部和外部的径向接触中以便提供一种动态密封。

22.根据权利要求21所述的密封组件，其中该聚合物环包括第一组微粒拒绝槽以及第二组流体和微粒截留槽，该第二组与该第一组微粒拒绝槽相比在尺寸上更小但在数目上更大；并且其中

该第一组微粒拒绝槽被定位为与该弹性体本体轴向地相反，并且该第二组流体和微粒截留槽轴向地位于该第一组微粒拒绝槽与该弹性体本体之间，并且该一和第二组槽均位于该聚合物环的一个径向内表面上。

23.根据权利要求21所述的密封组件，其中该聚合物环和该弹性体本体二者的一个最厚部分均处于该聚合物环和该弹性体本体在凹半径处的轴向末端处，并且该弹性体本体的这个部分具有比该聚合物环的部分更大的径向厚度，并且其中

这些径向延伸的表面中向内的一个从一个轮缘延伸，该轮缘从该弹性体本体径向地向内伸出，该轮缘重叠了该聚合物环的一个径向内部部分上的一个轴向末端，并且这些径向延伸的表面中向外的一个从该弹性体本体的一个外部径向表面平滑地过渡。

24.根据权利要求21所述的密封组件，其中该弹性体本体具有一个环形开口并且该弹簧就座于该环形开口中，并且该弹性体本体占该动态接触面面积的约20%到30%；

该弹簧具有：一个顶端，该顶端邻接了该环形开口的一个内部的凹形表面；以及延伸进入并且嵌入该弹性体本体的所述部分中的多个末端，该弹簧包括一种具有非均一的厚度的截面轮廓，该截面轮廓在其一个顶端处最厚并且在厚度上向多个圆化的末端逐渐减小；并且

该聚合物环占一个动态接触面面积的约70%到80%。

25.根据权利要求21所述的密封组件，其中该弹簧是金属的、结合到该弹性体本体上、不与该聚合物环相接触、由一个重叠的金属条压铸成型得到、并且在截面轮廓上被配置成U形悬臂，并且该弹簧包括一种具有均一的厚度和多个方形末端的截面轮廓。

Images