曲轴密封件设计

技术领域

本发明总体上涉及一种旋转轴与壳体之间的密封件，更具体地涉及一种用于设置在可旋转曲轴与发动机壳体之间的密封件。

背景技术

机械的发动机通常包括曲轴箱，可旋转的曲轴从曲轴箱的一侧或多侧延伸。曲轴箱通常包含油或润滑内部部件所必需的其它润滑剂。重要的是，必须在曲轴前后穿过框块的曲轴箱内部保持此类润滑剂，并防止外部碎屑在这些相同的位置进入发动机。为了最小化进入曲轴箱的灰尘和碎屑并阻止润滑剂从曲轴箱中通过，可以在曲轴和曲轴箱的壳体之间设置曲轴密封件。然而，由于相关联的机械力和环境影响，曲轴箱密封件可能无法达到目标使用寿命或有效性。当用于可生成高温或在极端条件下操作的重型发动机中时，这尤其成问题。结果，此类密封件的部分失效可能导致润滑剂从曲轴箱泄漏或碎屑或灰尘进入曲轴箱。在极端情况下，密封件完全失效可能需要过早更换，从而需要停止使用机器并进行维修。

已经进行了各种尝试来应对这些挑战。例如，在CN201954003U中，发动机前曲轴油密封件包括内部和外部密封件骨架，在内部和外部密封件骨架上固定有密封结构，该密封结构包括抓握结构、毡层、防尘唇、螺旋结构和主密封唇。

发明内容

一方面，本发明描述了一种轴密封件，该轴密封件设置在安装成旋转的轴和孔之间。轴密封件包括径向轴密封套筒组件，该径向轴密封套筒组件可旋转地安装有外托架组件。径向轴密封套筒组件包括具有第一接触排斥唇的径向轴密封套筒，该第一接触排斥唇联接至径向轴密封套筒的径向延伸部分的大致径向延伸区段。外托架组件包括外托架，模制密封件、第二接触排斥唇和主泵送唇固定至该外托架。模制密封件包括沿着外托架的轴向延伸部分的偏移区段延伸的外径向区段。模制密封件进一步包括从外托架的大致径向延伸区段的内表面延伸的细长的模制密封唇。第一接触排斥唇的远端动态地抵靠外托架的轴向延伸部分设置并朝向外托架的轴向延伸部分偏置，而第二接触排斥唇的远端和主泵送唇的动态密封部分动态地抵靠径向轴密封套筒的轴向延伸部分设置并朝向径向轴密封套筒的轴向延伸部分偏置。径向轴密封套筒组件和外托架组件在它们之间形成至少一个内部腔室，细长的模制密封唇延伸到至少一个内部腔室中。

在另一方面，本发明描述了一种发动机，该发动机包括具有孔的壳体，该壳体限定内部和外部。曲轴可旋转地通过孔安装，并且轴密封件设置在轴和孔之间。轴密封件包括径向轴密封套筒组件，该径向轴密封套筒组件设置成与曲轴一起在设置在孔内的外托架组件内旋转。径向轴密封套筒组件包括具有第一接触排斥唇的径向轴密封套筒，该第一接触排斥唇联接至径向轴密封套筒的径向延伸部分的大致径向延伸区段。外托架组件包括外托架，模制密封件、第二接触排斥唇和主泵送唇固定至该外托架。模制密封件包括沿着外托架的轴向延伸部分的偏移区段延伸的外径向区段。模制密封件进一步包括从外托架的大致径向延伸区段的内表面延伸的细长的模制密封唇。第一接触排斥唇的远端动态地抵靠外托架的轴向延伸部分设置并朝向外托架的轴向延伸部分偏置，而第二接触排斥唇的远端和主泵送唇的动态密封部分动态地抵靠径向轴密封套筒的轴向延伸部分设置并朝向径向轴密封套筒的轴向延伸部分偏置。径向轴密封套筒组件和外托架组件在它们之间形成至少一个内部腔室，细长的模制密封唇延伸到至少一个内部腔室中。

在另一方面，本发明描述了一种制造轴密封件的方法，该轴密封件设置在安装成旋转的轴和孔之间。该方法包括通过形成径向轴密封套筒，形成第一接触排斥唇，并将第一接触排斥唇固定至径向轴密封套筒的大致径向延伸区段来形成径向轴密封套筒组件。该方法进一步包括通过形成外托架来形成外托架组件，将模制密封件模制到外托架，该模制密封件具有沿着外托架的轴向延伸部分延伸的外径向区段，以及从外托架的径向延伸部分的大致径向延伸区段的内表面延伸的细长的模制密封唇。该方法进一步包括形成第二接触排斥唇，形成主泵送唇，以及将第二接触排斥唇和主泵送唇固定至外托架的大致径向延伸区段。该方法进一步包括径向轴密封套筒组件轴向地滑动到外托架组件内的相对可旋转位置，其中第一接触排斥唇的远端动态地抵靠外托架的轴向延伸部分设置并朝向外托架的轴向延伸部分偏置，并且第二接触排斥唇的远端和主泵送唇的动态密封部分动态地抵靠径向轴密封套筒的轴向延伸部分设置并朝向径向轴密封套筒的轴向延伸部分偏置。

附图说明

图1是发动机的示意性透视图。

图2是图1的壳体和驱动轴的放大局部端视图。

图3是根据所公开的布置的曲轴、壳体和轴密封件的放大的局部横截面等距视图。

图4是图3的轴密封件的横截面。

图5是轴密封件的替代实施例的横截面。

具体实施方式

本发明涉及一种用于放置在可旋转地安装的轴12和壳体16等的孔14之间的轴密封件10。转到图1，示意性示出的发动机18包括具有圆形开口或孔14的壳体16，可旋转地安装的曲轴或轴12通过该圆形开口或孔14延伸。壳体16的内部20可包括油或其它润滑流体，而壳体16的外部22可暴露于包括空气的外部环境。然而，在一些应用中，壳体可以分离两种流体，例如，油被设置在壳体的一侧，而水沿着壳体的另一侧设置。

为了在壳体16的任一侧上的环境之间禁止物质的通过，将轴密封件10沿着壳体16和轴12之间的界面设置。轴密封件10呈现多个表面和密封件，该多个表面和密封件设置为抑制例如油从壳体16的内部20进入并最终通过壳体16的外部22，或者抑制灰尘和碎屑从壳体16的外部22进入并最终通过壳体16的内部20。轴密封件10沿着轴12的圆周设置在轴12和壳体16的孔14的径向设置的轴向延伸表面24之间。

现在参考图3和图4，轴密封件10是环形结构，并且包括：径向轴密封套筒组件25，其具有径向轴密封套筒26，当安装在轴12上时，该径向轴密封套筒26周向围绕轴12并且通常随轴12旋转；以及外托架组件27，其包括外托架28，该外托架28抵靠壳体16的孔14的径向设置的轴向延伸表面24座接。径向轴密封套筒26和外托架28由冲压金属(诸如钢)制成，并充当其它环形密封元件所联接的框架。

首先转到径向轴密封套筒组件25，径向轴密封套筒26是环形的，并且包括轴向延伸部分30和径向延伸部分32。轴向延伸部分30呈现与轴12接触的内径向表面34。在至少一个实施例中，径向轴密封套筒26的与轴12接触的内径向表面34可包括涂层，该涂层增强了径向轴密封套筒26抵靠轴12的表面的密封能力。涂层可以是本领域中已知或不已知的任何合适的物质。

如图3和图4中所示，径向轴密封套筒26的轴向延伸部分30可包括狗腿区段36，该狗腿区段36定位轴向延伸部分30距内径向表面34的偏移区段38，其意义将如下解释。在图5中所示的替代实施例中，轴向延伸部分30可呈现连续的轴向延伸部分30，使得可接触轴12的内径向表面34沿轴向延伸部分30的大致整个长度。

为了便于径向轴密封套筒26与外托架28的密封，径向轴密封套筒26的径向延伸部分32进一步包括朝向外托架28弯曲回的内部偏移区段39。偏移区段39包括大致轴向延伸区段40和大致径向延伸区段42。虽然示出为包括直角弯曲部44、46，但是弯曲部44、46可以大于或小于直角。

第一接触排斥唇48固定至径向延伸部分32的大致径向延伸区段42。参考图4和图5，第一接触排斥唇48在未组装位置中以虚线示出，而在组装位置中以实线示出。如下面进一步讨论的，当径向轴密封套筒26与外托架28组装在一起时，第一接触排斥唇48的远端50拱起至图4和图5中以实线示出的位置。以这种方式，第一接触排斥唇48的远端50被偏置到外托架28中，以抑制例如灰尘和碎屑在第一接触排斥唇48和外托架28之间通过。

第一接触排斥唇48可以由任何适当的材料形成，并且可以通过任何适当的方法结合到大致径向延伸区段42，如本领域技术人员将知道和理解的，只要第一接触排斥唇48的远端50向外偏置，以在组装位置中与外托架28接触即可。在至少一个实施例中，第一接触排斥唇48由弹性的非织造纤维材料形成。可以通过任何适当的方法来制造第一接触排斥唇48。例如，第一接触排斥唇48可以被模切成期望的形状和大小。尽管所示的第一接触排斥唇48被示为处于未组装位置的扁平盘，但是只要在组装轴密封件10时第一接触排斥唇48的远端50被偏置成与外托架28接触，它就可以再次具有替代的未组装轮廓。

现在转向外托架组件27，如同径向轴密封套筒26和径向轴密封套筒组件25的相关的第一接触排斥唇48一样，外托架28和相关联的密封部件是环形的。外托架28同样包括轴向延伸部分60和径向延伸部分62。

轴向延伸部分60包括远端63。远端63在图4和图5中以虚线示出处于预组装位置，并以实线处于最终组装位置。如将关于轴密封件10的组装进一步解释的那样，当环形径向轴密封套筒26和外托架28组装在一起时，外托架28的远端63设置在以虚线示出的位置中，以便允许径向轴密封套筒26的径向延伸部分32的大致径向延伸区段42通过。其中，径向轴密封套筒26和外托架28相对于彼此定位，外托架28的轴向延伸部分60的远端63弯曲到以实线所示的位置。这样，径向轴密封套筒26的径向延伸部分32的大致径向延伸区段42被保持在外托架28的轴向延伸部分60的远端63和径向延伸部分62之间的位置。

轴向延伸部分60进一步具有与孔14的径向设置的轴向延伸表面24接触的外径向表面64。与径向轴密封套筒26一样，在至少一个实施例中，外托架28的与孔14接触的外径向表面64可以包括涂层，该涂层增强了外托架28抵靠孔14的表面的密封能力。该涂层可以是本领域中已知或不已知的任何合适的物质。外托架28的轴向延伸部分60包括固定轴向延伸部分60的偏移区段68的狗腿区段66，该偏移区段68从外径向表面64偏移，其意义将在下面进行解释。

外托架28的径向延伸部分62进一步包括内部偏移区段69，该内部偏移区段在组装位置中朝向径向轴密封套筒26弯曲回。偏移区段69包括大致轴向延伸区段70和大致径向延伸区段72。虽然示出为包括直角弯曲部74、76，但是弯曲部74、76可以稍微大于或小于所示的直角，只要可以容易地制造外托架28即可。

如在图3-5中可以看到的那样，当径向轴密封套筒26和外托架28组装在一起时，它们形成至少一个内部腔室79。在所示实施例中，形成了两个连接的腔室77、78。也就是说，它们在径向轴密封套筒26的径向延伸部分32的内部偏移区段39的大致径向延伸区段42和轴向延伸部分60、径向延伸部分62以及外托架28的径向延伸部分62的偏移区段69的大致轴向延伸区段之间大致形成第一腔室77。它们还在外托架28的径向延伸部分62的偏移区段69的大致径向延伸区段72以及轴向延伸部分30、径向延伸部分32以及径向轴密封套筒26的径向延伸部分32的内部偏移区段39的大致轴向延伸区段40之间大致形成第二腔室78。

为了增强外托架28与孔14的密封，沿着外托架28的表面的一个或多个部分设置了模制密封件80。更具体地，模制密封件80包括外径向区段81，该外径向区段81沿轴向延伸部分60的偏移区段68设置。模制密封件80的外径向区段81呈现密封件外径向表面82，当组装在壳体16和轴12之间时，该密封件外径向表面82可抵靠孔14的径向设置的轴向延伸表面24设置。在至少一个实施例中，模制密封件80的外径向区段81的密封件外径向表面82呈现大于处于自由状态的外托架28的外径向表面64的半径的半径，例如在图4和图5中所示。因此，当将轴密封件10组装到孔14中时，如图3中所示，模制密封件80的外径向区段81在孔14和偏移区段68之间被压缩。以这种方式，压缩的模制密封件80可进一步最小化诸如油或其它流体的物质在壳体16内(例如在轴密封件10与孔14之间)迁移的机会。

为了进一步抑制物质在壳体16的内部20和外部22之间通过，模制密封件80可以包括模制密封唇84，该模制密封唇84延伸到至少一个内部腔室79中，在所示的实施例中提供了第一腔室77和第二腔室78的部分分离。如图4和图5中最清楚可见，模制密封唇84可从外托架28的径向延伸部分62的内部偏移区段69的大致径向延伸区段72的内表面86延伸到第二腔室78中。也就是说，模制密封唇84可以是细长的，并且可以从外托架28的径向延伸部分62的内部偏移区段69的大致径向延伸区段72在大致轴向延伸的方向中延伸。在至少一个实施例中，模制密封唇84是细长的，并且大致朝向径向轴密封套筒26的径向延伸部分32的内部偏移区段39的大致轴向延伸区段40延伸。当径向轴密封套筒26与轴12一起旋转时，由于离心力的作用，此类灰尘或碎屑将朝向第一腔室77向回抛出。

以这种方式，模制密封件80是弄皱迷宫式排泄系统的静态密封件，以防止物质在壳体16的内部20和外部22之间通过。如果来自壳体16的外部22的任何物质(诸如灰尘或碎屑)穿过第一接触排斥唇48和外托架28的轴向延伸部分60之间的界面进入第一腔室77，则将抑制物质进一步穿过进入第二腔室78。

模制密封件80可以通过任何适当的方法由任何适当的材料制成。例如，模制密封件80可以由诸如模制橡胶或聚四氟乙烯(PTFE)的材料形成，并且可以模制在外托架28上或单独地形成然后固定至外托架28。此外，可以例如沿着外托架28的表面设置任何适当的粘合剂，以便增强模制密封件80与外托架28的结合。可以理解的是，如图所示，模制密封件80的外部径向区段81和模制密封唇84可形成为单个单元，或模制密封件80的两个或更多个分开的部分。在所示的实施例中，模制密封件80不仅沿着外托架28的轴向延伸部分60的偏移区段68和内部偏移区段69的大致径向延伸区段72的向内表面设置，而且也沿着外托架28的径向延伸部分的区段61的朝外表面、内部偏移区段69的大致轴向延伸区段70以及内部偏移区段69的大致径向延伸区段72设置。

第二接触排斥唇98固定至径向延伸部分62的大致径向延伸区段72。参考图4和图5，第二接触排斥唇98在未组装位置以虚线示出，而在组装位置以实线示出。当径向轴密封套筒26与外托架28组装在一起时，第二接触排斥唇的远端100接触径向轴密封套筒26，以将第二接触排斥唇98拱起至图4和图5中以实线所示的位置。以这种方式，第二接触排斥唇98被偏置到径向轴密封套筒26中，以防止例如灰尘和碎屑、油或其它流体或物质在第二接触排斥唇98和径向轴密封套筒26之间通过。

如同第一接触排斥唇48一样，第二接触排斥唇98可以由任何适当的材料形成。在至少一个实施例中，第二接触排斥唇98由弹性的非织造纤维材料形成。第二接触排斥唇98可以通过任何适当的方法来制造。例如，第二接触排斥唇98可以被模切成期望的形状和大小。尽管所示的第二接触排斥唇98被示出为处于未组装位置的扁平盘，但是它可以具有替代的未组装轮廓，只要在组装时第二接触排斥唇98被偏置成与径向轴密封套筒26接触即可。

在所示实施例中，第二接触排斥唇98被固定至模制密封件80的表面，该表面被固定至外托架28的径向延伸部分62的内部偏移区段69的大致径向延伸区段72。然而，将理解的是，在模制密封件80不沿着外托架28的径向延伸部分62的内部偏置区段69的大致径向延伸区段72延伸的实施例中，第二接触排斥唇98可以直接固定至外托架28。如本领域技术人员将理解的，第二接触排斥唇98可通过任何适当的方法固定至模制密封件80或直接固定至外托架28，只要第二接触排斥唇98在组装位置处向外偏置以与径向轴密封套筒26接触即可。

为了进一步抑制诸如油或另一种流体的物质从壳体16的内部20到壳体16的外部22的通过，可以设置主泵送唇108。主泵送唇108包括联接部分110和动态密封部分112。联接部分110固定至外托架28的径向延伸部分62的内部偏移区段69的大致径向延伸区段72。在所示的实施例中，主泵送唇108的联接部分110被固定至模制密封件80的表面，该模制密封件80被模制到大致径向延伸区段72。然而将理解的是，在模制密封件80不沿着外托架28的径向延伸部分62的内部偏移区段69的大致径向延伸区段72延伸的实施例中，可以将主泵送唇108直接固定至外托架28。如本领域技术人员将理解的那样，主泵送唇108可以通过任何适当的方法固定至模制密封件80或直接固定至外托架28，只要主泵送唇108在组装位置中向外偏置以与径向轴密封套筒26接触即可。

主泵送唇108的动态密封部分112包括至少一个模制接触凹槽114，这里是，沿着主泵送唇108的抵靠径向轴密封套筒26骑坐的一侧的多个模制接触凹槽114。在一个或多个实施例中，模制接触凹槽114具有螺旋形构造，并且被构造成当轴12相对于壳体16旋转时将通道流体引导回到壳体16的内部20。此外，在一个或多个实施例中，主泵送唇108同样包括至少一个模制的后侧凹槽116，这里是，在组装构造中沿着主泵送唇108的与径向轴密封套筒26相对的一侧的多个模制的后侧凹槽116。应当理解，后侧凹槽116可以向主泵送唇108提供附加的挠性，并且可以帮助允许主泵送唇108顺应径向轴密封套筒26的表面。如图4和图5中所示，模制接触凹槽114和模制的后侧凹槽116可以交错，以便为主泵送唇108的动态密封部分112提供最大的挠性，以顺应径向轴密封套筒26的表面，以抑制例如油或其它流体或物质在主泵送唇108与径向轴密封套筒26之间通过。

主泵送唇108可以由任何适当的材料形成。在至少一个实施例中，主泵送唇108由聚四氟乙烯(PTFE)材料形成。主泵送唇108可以通过任何适当的方法来制造。例如，主泵送唇108可以采用模制凹槽114、116被模压成期望的形状和大小。

在组装中，径向轴密封组件25(包括径向轴密封套筒26和第一接触排斥唇48)和外托架组件27(包括具有模制密封件80、第二接触排斥唇98和主泵送唇108的外托架28)通过将径向轴密封组件25和外托架组件27轴向滑动在一起而组装在一起。当径向轴密封组件25和外托架组件27一起滑动时，第一接触排斥唇48沿着径向轴密封套筒26的轴向延伸部分30滑动，而第二接触排斥唇98和主泵送唇108沿着外托架28的轴向延伸部分60滑动。一旦组装，外托架28的轴向延伸部分60的远端63向下弯曲到如图4和图5中中实心所示的位置，以将组件25、27固定在一起。

在与轴12和壳体16的最终组装中，轴密封件10可被压入图3中所示的位置。在另一实施例中，图3和图4中所示的轴密封件10可以包括附加排斥环120，如图4中的虚线所示。附加的排斥环120可以具有带有轴向延伸的支脚122和径向延伸的支脚124的L形横截面。在组装中，轴向延伸的支脚122可以被压入径向轴密封套筒26的轴向延伸部分30的内径向表面34的偏移区段38中。然后，径向延伸支脚124抵靠径向轴密封套筒26的径向延伸部分32的表面和外托架28的轴向延伸部分60的远端63的外径向表面设置。附加的排斥环120可以在与轴12和壳体16组装之前或之后被组装至轴密封件10。

工业适用性

本发明适用于旋转轴12与壳体16之间的密封布置。尽管该布置结合曲轴示出，但是本文公开的布置在各种其它类型的旋转轴和壳体中具有普遍适用性。

包括第一排斥唇48和第二排斥唇98的轴密封件10可提供期望的早期碎屑排斥。由径向轴密封套筒组件25和外托架组件27产生的迷宫，包括模制密封件80的模制密封唇84，可提供所需的长时间耐碎屑性。在至少一个实施例中，附加的排斥环可以通过延长迷宫来提供对碎屑的增强的抵抗力。

由模制密封件80产生的静态接头可以减少密封组件10内的泄漏路径。第一排斥唇48和第二排斥唇98可提供期望的耐磨性。与现有设计相比，模制的主泵送唇108可以减少可制造性变化。

将理解，以上描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可以预期，本发明的其它实现方式可以在细节上与前述示例不同。对本发明或其示例的所有引用旨在参考此时正在讨论的特定示例，并且无意于更一般地暗示对本发明范围的任何限制。关于某些特征的所有区分和贬低的语言旨在表示对那些特征的偏爱，而不是将其完全排除在本发明的范围之外，除非另有说明。

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