УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 1997 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в конструкциях для уплотнения валов, особенно в насосах системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания.

Широко известны торцевые уплотнения, содержащие уплотнительные кольца, одно из которых аксиально подвижно (см. например, книгу Майера Э. "Торцевые уплотнения", М. Машиностроение, 1978 г.). На одном из колец (с. 200 упомянутой книги) выполнена упругая рабочая кромка, при этом, предусмотрена пружина и защитный упругий элемент, но это уплотнение герметично в течение малого срока службы, поскольку велик износ этой кромки и заметно изменяется усилие поджатия по мере этого износа. В другом случае (с. 22) кольцо поджато упругим элементом из эластичного материала. Надежность этого уплотнения невелика, поскольку любая радиальная нагрузка создает тенденцию к раскрытию одного из трех основных стыков уплотнения.

Широко известны уплотнения насосов системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания, содержащих установленные в корпусе на подшипниках вал с насосным колесом, к торцу ступицы которого пружиной прижато уплотнительное кольцо, размещенное в кожухе, установленном в корпусе (см. журнал "За рулем" N 10, 1986 г.). Подшипники выполнены с защитными шайбами, в полость их размещения обеспечена подача смазки и предусмотрено отверстие для отвода охлаждающей жидкости при неисправности сальника, что позволило повысить ресурс этого узла в несколько раз. Тем не менее, не исключена утечка охлаждающей жидкости, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах насоса и тем самым двигателя внутреннего сгорания транспортного средства.

Известен аксиальный уплотнительный элемент, содержащий цилиндрическую установочную часть для его крепления на валу и аксиальную уплотнительную кромку, прижатую к поверхности для исключения утечек (см. европейскую заявку N 0153768, опубликованную по F 16 j 15/34 в 1985 г.). Форма уплотнительного элемента такова, что линия контакта поверхности и кромки имеет овальную или эллиптическую форму, из-за чего при вращении вала происходят радиальные колебания линии контакта по поверхности и тем самым перемещение по валу, обеспечивающее притирание этой поверхности. Эффективным и надежным такое уплотнение может быть только при использовании высокоизносостойких материалов.

Известны уплотнения насоса системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания, содержащие кольцо, прижатое пружиной к торцу ступицы насосного колеса, установленное на кожухе, установленном в корпусе насоса, и соединенное с резиновой манжетой, торец которой прижат пружиной к кожуху (патент N 2815967, выданный США в 1957 г. по кл. 286-11). Изобретатели в данном случае решали задачу четкого взаимного расположения деталей уплотнений для исключения утечек из полости насоса. Однако, такое может быть эффективно для насосов стационарного исполнения, в меньшей мере удовлетворительно для насосов системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания, и совсем неудовлетворительно для насосов системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания наземных транспортных средств, поскольку, при движении последних по поверхности дороги возникают колебания, которые усугубляются за счет колебаний работающего двигателя внутреннего сгорания.

Применительно с водяным насосам предложен способ регулирования осевого пружинящего усилия уплотнительного кольца (см. например, европейскую заявку N 0114227, опубликованную по F 16 J 15/34 в 1984 г.). После сборки узел сжимается в осевом направлении до монтажных размеров, при этом, замеряется усилие. Для обеспечения требуемого усилия загибают язычки до нужного взаимодействия с уплотнительным кольцом. Тем самым, эффективная и надежная работа уплотнения возможна лишь при соблюдении нужной величины осевого усилия.

Еще один из вариантов уравновешивания аксиального усилия на уплотнительном кольце под действием давления текучей среды (описан в европейской заявке N 0040089, опубликованной F 16 J 15/36 в 1981 г.).

В заявке N 60-155060, опубликованной в Японии F 16 J 15/36 в 1985 г. описано уплотнение, в котором для повышения эффективности работы и снижения трения на контакте поверхности предусмотрена поджимная пружина из сплава с "памятью формы". В свою очередь, в авторском свидетельстве N 1361497, опубликованном в СССР по F 16 J 15/34 в 1987 г. повышение надежности торцевого уплотнения обеспечено путем стабильного усилия прижатия уплотнительного кольца к контактирующему с ним торцу. Для этого упругий защитно-силовой элемент выполнен как часть тора, имеющего радиальную и цилиндрическую поверхности.

Известны торцевые уплотнения, содержащие установленные в корпусе через упругий элемент аксиально-подвижное кольцо трения, поджатое к торцу станины, установленной на валу6 при этом, упругий элемент выполнен с двумя цилиндрическими участками, соединенными между собой перемычкой, в меньшем по диаметру из которых закреплено кольцо, а больший сопряжен с корпусом по наружней и торцевом поверхностям (см. например, авт. св. N 1767259, выданное по F 16 J 15/34 в 1992 г.). При использовании упомянутой совокупности признаков, характеризующей торцевое уплотнение, поджатие антифрикционного кольца осуществлено упругим элементом из эластичного материала, а цилиндрические участки выполнены как цилиндрические втулки, чем по мнению заявителя и автора будет обеспечено повышение надежности. В материалах этого авторского свидетельства упомянуто, что герметизация осуществлена по цилиндрической и торцевой поверхностям втулки большего диаметра и по поверхности кольца. Усилие прижатия цилиндрической и торцевой поверхностей обеспечено радиальной составляющей усилия, образующегося за счет поджатия эластичного упругого элемента. Это же осевое усилие, по мнению заявителя и автора, обеспечивает герметичность контакта трущихся поверхностей. Если даже предположить, что имеет место упомянутая выше картина, то, по мере старения эластичного материала, а также работы уплотнительного элемента в таких разнообразных условиях, какие имеют место в насосах системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания, надежность уплотнения будет резко падать, тем более, что при пуске двигателя неизбежны утечки жидкости по причине изменения свойств эластичного материала.

В заявках N 2134993 и N 2538872, опубликованных соответственно в Великобритании и Франции в 1984 году по классам F 16 J 15/36 и 15/38, в торцевых уплотнениях предусмотрена пружина, упирающаяся одной стороной на манжету через крышку, а другой стороной через промежуточное звено. Установка пружины таким способом заметно улучшает свойства уплотнения, однако, уплотнение малоэффективно из-за наличия много численных контактирующих поверхностей манжеты, причем, любой из контактов создает неблагоприятные условия работы контактирующих с ним элементов. Неблагоприятны и условия работы пружины, к которой имеет доступ жидкость насоса при ее подаче в систему охлаждения двигателя автомобиля.

Кроме того, уплотнения сложны как по числу элементов, так и по их конструктивному исполнению.

Известны торцевые уплотнения, содержащие аксиально-подвижное кольцо, установленное с одного из торцов манжеты, имеющей соединение перемычкой и выполненные разного диаметра цилиндрические участки, и пружину см. например, патент N 2921669, выданный в ФРГ в 1982 году по F 16 J 15/36).

В этих случаях уплотнение снабжено, по существу, корпусом со ступенчатой наружной поверхностью и развитым основанием, между элементами которого и кольцом установлена пружина. По сравнению с манжетой корпус имеет несравненно большую жесткость, что сказывается на работе уплотнения, особенно при высоких динамических нагрузках поскольку нет должного контакта по наружной цилиндрической поверхности уплотнения.

Известны торцевые уплотнения, содержащие аксиально-подвижное кольцо, установленное в цилиндрическом участке меньшего диаметра манжеты, соединенным перемычкой с цилиндрическим участком большего диаметра, между которыми внутри размещена пружина (см. например, патент N 4436314, выданный по кл. 277-86 в США в 1984 году).

Эти уплотнения имеют коническую пружину, которая при сжатии витками в радиальном направлении поджимает цилиндрические участки соответственно к корпусу и к кольцу.

По отношению к техническому решению по авт. св. N 1767259 в этом случае можно ожидать более надежного прижатия упомянутых поверхностей поскольку, усилие обеспечено упругим звеном6 выполненным из металла. В свою очередь, более определенному взаимодействию при сжатой пружине будет соответствовать большая вероятность раскрытия стыка при разжатом положении пружины. В связи с этим на наружной поверхности цилиндрического участка большего размера в зоне размещения, по существу, только одного витка пружины размещены выступы на наружной поверхности, деформируемые при сжатом положении пружины, при этом, на этом участке выполнен массивный бурт, торцевая поверхность которого, в частности, предназначена для предотвращения утечек жидкости между упомянутой наружной поверхностью и корпусом, что усложняет конструкцию уплотнения. Усложняет конструкцию уплотнения и цилиндрический участок меньшего диаметра, поскольку он выполнен вовнутрь эластичного элемента.

Задача изобретения повышение надежности работы уплотнения при упрощении его конструкции.

Повышение работы узла уплотнения в области его надежности обеспечено путем четкого разделения функций элементов уплотнения и оптимального их взаимодействия.

Для этого, торцевое уплотнение, содержащее аксиально подвижное кольцо, установленное в цилиндрическом участке меньшего диаметра манжеты, соединенном перемычкой с цилиндрическим участком большего диаметра, между которыми и внутри них размещена пружина, снабжено крышкой, размещенной в зоне цилиндрического участка большего диаметра, при этом, пружина упирается в дно крышки.

Снабжение торцевого уплотнения, содержащего аксиально подвижное кольцо, установленное в цилиндрическом участке меньшего диаметра манжеты, соединенном перемычкой с цилиндрическим участком большего диаметра, между которыми и внутри них размещена пружина, крышкой, размещенной в зоне цилиндрического участка большего диаметра, при этом, пружина оперта в дно крышки, позволяет повысить надежность работы уплотнения при упрощении его конструкции, поскольку развиваемое пружиной усилие направлено четко вдоль оси ее опоры в дно крышки, которая четко ориентирована относительно торцевой и радиальной поверхностей корпуса, что обеспечит герметичность как в зоне контакта кольца с торцем ступицы, так и в зонах контакта эластичного элемента с радиальной и торцевой поверхностями корпуса.

Кроме того, крышка выполнена с внутренней отбортовкой и отбортовкой, в зоне которой на наружной поверхности манжеты выполнены канавки, и это поверхность ограничена частью поверхности тора, переходящей в цилиндрическую поверхность цилиндрического участка меньшего диаметра, выполненного с выступом, по внутренней цилиндрической поверхности которого установлено кольцо.

Выполнение отбортовок на крышке и в зоне размещения наружной стенки крышки на наружной поверхности эластичного элемента канавок и ограничение этой поверхностью части поверхности тора, переходящей в цилиндрическую поверхность выступа, по внутренней цилиндрической поверхности которого установлено кольцо, в уплотнении, охарактеризованном вышеприведенной совокупностью признаков, позволит повысить надежность его работы, поскольку канавки обеспечат герметичность по поверхности эластичного элемента, сопряженной с радиальной поверхностью корпуса еще при монтаже уплотнения, а ее граница с поверхностью тора, которая сопряжена с поверхностью монтажного выступа кольца, будут обеспечены максимальные условия поджатия эластичного элемента к торцу ступицы при перемещении кольца, герметичность по наружной поверхности которого обеспечена уже при его установке по цилиндрической поверхности выступа.

Установка торцевого уплотнения, охарактеризованного вышеприведенными совокупностями признаков, в насосе системы охлаждения, содержащем установленные в корпусе на подшипниках вал с насосным колесом, к торцу которого прижато пружиной аксиально подвижное кольцо, размещенное в эластичном элементе, установленном в корпусе, при этом вал зафиксирован от осевого смещения относительно корпуса, позволит улучшить эксплуатационные свойства насоса при сокращении расходов на изготовление его деталей и сборку, поскольку выполнение простых деталей уплотнения может быть обеспечено при почти любом виде производства с минимальными затратами, при этом, масса этих деталей невелика, что скажется на динамических нагрузках, действующих на элементы насоса и, прежде всего, обеспечит нераскрытие стыка уплотнительного кольца с торцем ступицы насосного колеса, то есть, обеспечит герметизацию пространства насоса, заполненного жидкостью, что существенно повлияет на эксплуатационные свойства насоса.

На фиг. 1 изображен продольный разрез насоса;
на фиг. 2 продольный разрез уплотнения.

В системе охлаждения двигателя (не показан) предусмотрен насос 1 (фиг. 1), который содержит корпус 2, в котором на подшипниках 3 и 4 установлен вал 5. На валу 5 закреплено насосное колесо 6 и ступица 7 привода вентилятора (не показан). На ступице 7 закрепляют шкив 8 привода вентилятора. Ременная передача (не показана) обеспечивает кинематическую связь с коленчатым валом (не показан) двигателя. К торцу ступицы 9 насосного колеса 6 прижато пружиной 10 уплотнительное аксиально подвижное кольцо 11. Уплотнительное кольцо 11 размещено в эластичном элементе манжеты 12. Манжета 12 установлена в корпусе 2. Между внутренними кольцами 13 и 14 подшипников 3 и 4 размещена втулка 15, обеспечивающая передачу осевых усилий, действующих на вал 5, зафиксированный от осевого смещения относительно корпуса 2.

Манжета 12 (фиг. 2) имеет цилиндрические участки 16 и 17, соединенные между собой перемычкой 18. Уплотнение 19 снабжено крышкой 20. Крышка 20 размещена в манжете 12 в зоне цилиндрического участка 17. Пружина 10 опирается на дно 21 крышки 20.

Снабжение торцевого уплотнения 19, содержащего установленное в корпусе 2 поджатое пружиной 10 к торцу ступицы 9 аксиально подвижное кольцо 11, при этом пружина размещена в манжете 12, имеющей соединенные перемычкой 18 цилиндрические участки 16 и 17, крышкой 20, размещенной в зоне участка 17, при этом пружина 10 оперта на дно 21 крышки 20, позволит повысить надежность работы уплотнения 19 при упрощении его конструкции, поскольку развиваемое пружиной 10 усилие направлено четко вдоль оси 22 из-за ее опоры в дно 21 крышки 20, которая в свою очередь четко ориентирована относительно торцевой 23 и радиальной 24 поверхности корпуса 2, а это обеспечить герметичность как в зоне контакта кольца 11 с торцем ступицы 7, так и в зонах контакта манжеты 12 с радиальной 24 и торцевой 23 поверхностями корпуса 2.

В зоне размещения наружной стенки 25 крышки 20 выполнены канавки 26 на наружной поверхности 27 участка 17. Наружная поверхность 27 ограничена поверхностью 28 перемычки 18, выполненной по радиусу R, то есть, торовой поверхностью. Радиус R плавно сопряжен с наружной поверхностью 29 цилиндрического участка 16, который образует выступ, по внутренней цилиндрической поверхности 30 которого установлено кольцо 11.

Выполнение в зоне размещения наружной стенки 25 крышки 20 на наружной поверхности 27 канавок 26 и ограничение этой поверхностью части поверхности 28 тора, переходящей в цилиндрическую поверхность 29 выступа, по внутренней поверхности которого установлено кольцо 11, в уплотнении, охарактеризованном вышеприведенной совокупностью признаков, позволит повысить надежность его работы, поскольку канавки 26 обеспечат герметичность по поверхности 27 манжеты 12, сопряженной с радиальной 24 поверхностью корпуса 2 еще при монтаже уплотнения, а на ее границе с поверхностью 28, которая плавно сопряжена с поверхностью 29 монтажного выступа кольца 11, будут обеспечены максимальные усилия поджатия манжеты 12 к торцу ступицы 9 при перемещении кольца 11, герметичность по наружной поверхность которого обеспечена уже при его установке по цилиндрической поверхности 30 выступа.

Работает уплотнение так.

При вращении коленчатого вала двигателя за счет кинематической его связи с валом 5 последний также начинает вращаться. Из-за вращения вала 5 во вращение приходит насосное колесо 6, что обеспечивает подачу воды в систему охлаждения двигателя. При работающем двигателе возможно движение транспортного средства, на котором от установлен. При движении транспортного средства возникают его колебания, которые действуют на элементы насоса 1 помимо колебаний двигателя. Эти динамические нагрузки тем больше, чем больше масса насоса 1. Кроме того, широк диапазон условий работы системы охлаждения от тяжелых условий (большая нагрузка при малой частоте вращения вала двигателя, высокая температура окружающего воздуха) до заметно измененных (малая нагрузка при больших оборотах, низкая температура окружающего воздуха). В этих эксплуатационных условиях обеспечена надежная работа насоса, поскольку надежна работа манжеты 12 в соединении с уплотнительным кольцом 11, что по существу исключает утечки жидкости из полости насоса 1.

Использование: изобретение может быть использовано для уплотнения валов, особенно в насосах системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: снабжение торцевого уплотнения крышкой, размещенной в зоне участка 17, при этом пружина 10 опирается на дно 21 крышки 20, позволит повысить надежность работы уплотнения 19 при упрощении его конструкции, поскольку усилие, развиваемое пружиной 10, направлено четко вдоль оси 22 за счет ее опоры в дно 21 крышки 20, которая в свою очередь, четко ориентирована относительно торцевой 23 и радиальной 24 поверхности корпуса 2, а это обеспечивает герметичность как в зоне контакта кольца 11 с торцем ступицы 7, так и в зоне контакта манжеты 12 с радиальной 24 и торцевой 23 поверхностями корпуса 2. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Уплотнение, содержащее аксиально подвижное кольцо, имеющее возможность взаимодействия с торцом ступицы и установленное в цилиндрическом участке меньшего диаметра манжеты, соединенного перемычкой с цилиндрическим участком большего диаметра, устанавливаемого по радиальной и торцевой поверхностям в корпусе, между которыми и внутри них размещена пружина, отличающееся тем, что оно снабжено крышкой, размещенной в зоне цилиндрического участка большего диаметра, в дно которой оперта пружина. 2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что крышка выполнена с внутренней отбортовкой и наружной отбортовкой, в зоне которой на наружной поверхности манжеты выполнены канавки и которая ограничена частью поверхности тора, переходящей в наружную поверхность цилиндрического участка меньшего диаметра, выполненного с выступом, по внутренней поверхности которого установлено кольцо.