УПЛОТНЕНИЕ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК F16J15/32 

Изобретение относится к области общего машиностроения и предназначено для уплотнения подвижных соединений с целью предотвращения утечки масла из корпусов машин и узлов и для защиты внутренних полостей от внешних воздействий (проникновения пыли, грязи, влаги). Уплотнение относится к контактным уплотнениям, т. е. уплотнение достигается непосредственным соприкосновением подвижной и неподвижной частей уплотнений и предназначено, преимущественно, для уплотнения подшипников.

Из контактных уплотнений наибольшее распространение имеют, так называемые, манжетные уплотнения, (см. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. М., Машиностроение, 1988, кн. 1, стр. 475-480). Манжета представляет собой кольцо из мягкого упругого материала с воротником, охватывающим вал, и уплотняющим гребешком, скользящим по поверхности вала. Для придания большей прочности и радиальной жесткости манжеты армируют металлом. Воротник манжеты стягивается на валу браслетной пружиной строго регламентированной силой. Поверхности, по которым работают манжеты, должны обладать твердостью не менее HRC45 и иметь шероховатость не более R_а=0,16-0,32 мкм.

Для упрощения выполнения этих условий манжету устанавливают на промежуточную втулку или ступицу насадной детали. При этом необходимо принять меры для предупреждения просачивания масла по зазору между валом и втулкой (или ступицей насадной детали). Все это очень усложняет конструкцию и установку уплотнения, манжетные уплотнения имеют большие осевые габариты, что делает их неудобными для использования в подшипниках.

Известно уплотнение разрезными пружинными кольцами (см. там же, стр. 479-481) . Кольцо-шайба из закаленной стали установлено с натягом в наружной втулке, неподвижно закрепленной в корпусе машины, и посажено в канавки вала (или промежуточной детали). Уплотнение достигается за счет того, что кольцо под действием перепада давления прижимается торцом к стенке канавки вала. Такие уплотнения наиболее эффективны при высоких перепадах давления, например, в двигателях внутреннего сгорания. Для ввода колец в канавки необходимо соблюдать соотношение b/d < 0,05, где b - ширина кольца, d - его внутренний диаметр. Для небольших подшипников с d < 1 см ширина кольца должна быть меньше 0,05 см. Такое кольцо будет иметь низкую прочность и плохое уплотнение, т.к. очень мала контактная поверхность. Если делать ширину кольца больше, то для посадки его необходима промежуточная деталь в виде наборных дисков, завальцованных на втулке из мягкой стали (см. там же фиг. 625,Ш). Это очень усложняет конструкцию, т. е. уплотнение малопригодно для уплотнения валов небольшого диаметра и для уплотнения подшипников, где нет большого перепада давлений. По большинству признаков вышеописанную конструкцию уплотнения выбираем за прототип.

Известны встроенные уплотнения для подшипников (см. там же кн.2, стр. 410). Для уплотнения подшипников одноразовой смазки применяют шайбы, опрессованные по наружному и внутреннему диаметру эластомерами. Шайба закрепляется в наружной обойме подшипника и уплотняющим гребешком скользит по внутренней обойме. Такие уплотнения малогабаритны и просты. Опрессовка из эластомера в них имеет сложную форму, к ней предъявляются очень жесткие требования по размерам и качеству обработки на отдельных участках, в частности, в области уплотняющего гребешка по внутреннему диаметру шайбы. Размеры отдельных элементов составляют 0,01 - 0,1мм. Все это затрудняет изготовление пресс-форм для выпуска уплотнений. При ухудшении точности изготовления деталей из эластомера резко снижается надежность уплотнения. У уплотнения низкий срок службы, т.к. с истиранием уплотняющего гребешка смазка начинает протекать.

Известно уплотнение подвижных соединений, содержащее шайбу, закрепленную в корпусе, и промежуточную деталь на валу соединения (см. заявку DE N 37000839, кл. F 16 J 15/32, 1988 публ.).

Промежуточная деталь может быть выполнена с уплотнительным элементом в виде втулки из эластомера с наклонным уплотняющим гребешком, контактирующим с боковой поверхностью шайбы.

Недостатком известного устройства, рассматриваемого в качестве ближайшего аналога, является низкая надежность уплотнения и сложность конструктивного выполнения устройства.

Таким образом, задача изобретения состоит в создании новых конструкций уплотнений для подвижных соединений, обладающих высокой надежностью, небольшими габаритами, простотой и дешевизной изготовления, простотой сборки. Особенно важны такие технические характеристики, как простота изготовления и небольшие габариты для уплотнений, предназначенных для подшипников.

Для решения указанной задачи уплотнение подвижных соединений содержит закрепленную в корпусе шайбу и промежуточную деталь на валу соединения. Промежуточная деталь выполнена также в виде шайбы из эластомера. Обе шайбы контактируют боковыми поверхностями и установлены так, что внутренняя шайба из эластомера упруго деформирована. Такая посадка шайб увеличивает надежность и срок службы уплотнения, так как прижимное усилие создается за счет деформации шайбы и сохраняется даже при значительном ее износе при трении о внешнюю шайбу. Эта конструкция уплотнения наиболее проста в изготовлении, однако в ней низка надежность повадки шайбы из эластомера на вал.

Поэтому был разработан вариант уплотнения. По нему уплотнение содержит закрепленную в корпусе внешнюю шайбу и промежуточную деталь на валу соединения. Промежуточная деталь выполнена в виде втулки из эластомера с уплотняющим гребешком, контактирующим с боковой поверхностью внешней шайбы.

Для соединения с высокой скоростью вращения уплотняющий гребешок выполнен с наклоном под острым углом к уплотняемому объему. В этом случае внешняя шайба должна быть выполнена объемной формы так, чтобы по крайней мере часть ее боковой поверхности была выполнена с наклоном к продольной оси соединения под углом меньшим, чем угол наклона гребешка.

Втулка может иметь не один, а несколько уплотняющих гребешков.

Все варианты уплотнения объединяет один принцип - эластичный уплотняющий элемент закреплен на валу, а уплотняющим гребешком скользит по боковой поверхности промежуточной детали, закрепленной в корпусе. Благодаря жесткой посадке эластичного уплотняющего элемента на валу, упрощается сборка, а скольжение уплотняющего гребешка по боковой поверхности шайбы корпуса повышает надежность уплотнения и снижает требования к размерам и форме уплотняющей детали, и, следовательно, удешевляет ее изготовление во всех вариантах уплотнения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема уплотнения; на фиг. 2 - вариант уплотнения для высокоскоростных соединений; на фиг. 3 - многогребешковое уплотнение.

В уплотнении (см. фиг. 1) внешняя шайба также закреплена в корпусе (наружной обойме подшипника) 1. В канавку вала (внутренней обоймы подшипника) 2 посажена шайба 10, выполненная из эластомера. Посадку шайб 3 и 10 осуществляют так, чтобы при соприкосновении боковыми поверхностями шайба 10 из эластомера была упруго деформирована, то есть наклонена наружной кромкой в сторону уплотняемого объема. При этом один из краев шайбы, обозначенный на фигуре цифрой 9, является уплотняющим гребешком. В данной конструкции гребешок 9 прижимается к поверхности шайбы 3 за счет сил деформации шайбы 10. При износе гребешка 9 герметичность не нарушается, так как прижимное усилие исчезнет только при таком износе шайбы 10, когда исчезнет ее деформация. В этом варианте уплотнения наименее надежным узлом является посадка шайбы 10 на вал 2.

Для устранения этого недостатка для соединения с высокой скоростью вращения был разработан вариант уплотнения (см. фиг. 2). В этом уплотнении внешняя шайба 3 также закреплена в корпусе 1. Уплотняющая деталь из эластомера выполнена в виде втулки 11 с уплотняющим гребешком 9, надетой на вал 2. Втулка 11 и шайба 3 закреплены на валу 2 и в корпусе 1 так, что уплотняющая деталь слегка деформирована и уплотняющий гребешок 9 прижат к боковой поверхности шайбы 3 силой деформации.

Здесь гребешок 9 должен быть выполнен под острым углом к продольной оси соединения со стороны уплотняемого объема. Это условие необходимо для того, чтобы центробежные силы при вращении вала 2 не отжимали гребешок 9 от поверхности шайбы 3, а наоборот, прижимали его. В этом случае объемная форма шайбы 3 имеет принципиальное значение, т.к. на боковой поверхности шайбы должен быть участок 12, угол наклона β которого к оси меньше угла наклона гребешка 9 (β<α).
Уплотнение, изображенное на фиг. 2, для большей надежности может быть выполнено с несколькими гребешками.

Работает уплотнение следующим образом. При вращении вала (внутренней обоймы подшипников) 2 относительно корпуса 1 вместе с ним вращается внутренняя шайба 10 (фиг. 1), либо втулка 11 с уплотняющими гребешками 9 (фиг. 2, 3).

За счет увеличения контактных поверхностей увеличивается надежность такого уплотнения. В конструкции на фиг. 1 уплотнение достигается за счет скольжения шайбы 10 ее гребешком 9 по боковой поверхности шайбы 3. С истиранием гребешка 9 в этой конструкции не только не ухудшается контакт уплотняющих поверхностей, а наоборот, увеличивается площадь контактирующих поверхностей (гребешка 9 и боковой поверхности шайбы 3).

В конструкции на фиг. 2 уплотнение достигается за счет скольжения гребешков 9 по боковой поверхности внешней шайбы 3. В этом варианте истирание гребешка 9 также приводит лишь к увеличению площади контакта уплотняющих поверхностей. Кроме того, при больших скоростях вращения вала 2 уплотняющий гребешок 9 испытывает значительные центробежные силы, которые увеличивают усилие, прижимающее гребешок 9 к поверхности шайбы 3, за счет чего увеличивается надежность уплотнения.

Оба варианта уплотнений имеют достаточно простую конструкцию, уплотняющие элементы из эластомеров - простую форму, и следовательно, упрощается и удешевляется их изготовление.

Уплотнения просты в сборке, т.к. используются детали с повышенной эластичностью, обладают малыми осевыми габаритами, что делает такие уплотнения очень привлекательными для подшипников.

Уплотнение подвижных соединений предназначено для предотвращения утечки масла из корпусов машин и узлов и для защиты внутренних полостей от внешних воздействий проникновения пыли, грязи, влаги. Уплотнение подвижных соединений повышает надежность устройства. Уплотнение содержит закрепленную в корпусе шайбу и промежуточную деталь на валу соединения. Промежуточная деталь выполнена также в виде шайбы из эластомера. Обе шайбы контактируют боковыми поверхностями и установлены так, что внутренняя шайба из эластомера слегка деформирована. Для соединения с высокой скоростью вращения уплотняющий гребешок выполнен с наклоном под острым углом к уплотняемому объему, В этом случае внешняя шайба должна быть выполнена объемной формы так, чтобы, по крайней мере часть ее боковой поверхности была выполнена с наклоном к продольной оси соединения под углом меньшим, чем угол наклона гребешка. Втулка может иметь не один, а несколько уплотняющих гребешков. Эластичный уплотняющий элемент закреплен на валу, а уплотняющим гребешком скользит по поверхности промежуточной детали, закрепленной в корпусе. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Уплотнение подвижных соединений, содержащее шайбу, закрепленную в корпусе, и промежуточную деталь на валу соединения, отличающееся тем, что промежуточная деталь выполнена в виде шайбы из эластомера и установлена на валу так, что за счет контакта ее боковой поверхности с боковой поверхностью другой шайбы, шайба из эластомера упруго деформирована с наклоном ее наружной кромки в сторону уплотняемого объема. 2. Уплотнение подвижных соединений, содержащее шайбу, закрепленную в корпусе, и уплотнительный элемент на валу соединения в виде втулки из эластомера с наклонным уплотняющим гребешком, контактирующим с боковой поверхностью шайбы, отличающееся тем, что угол наклона гребешка к оси соединения выполнен острым по отношению к уплотняемому объему, а шайба корпуса выполнена объемной формы так, что часть ее боковой поверхности, контактирующая с уплотняющим гребешком, выполнена с наклоном к оси устройства под углом, меньшим угла наклона гребешка.