用于轴承单元的由塑料材料制成的密封装置的制作方法

1.本发明涉及一种仅(exclusively)由聚合物材料制成的用于轴承单元的创新的密封装置，以及设置有该密封装置的轴承单元。密封装置和轴承单元优选但不排他地应用于所有工业应用，并且特别是应用于轴承单元的固定圈(/静止圈)设置有用于锚固密封装置的合适的槽的那些应用。
2.本发明还适用于任何类型的滚动元件(球、滚子、圆锥滚子等)，但特别是应用于使用多个球作为滚动元件的轴承单元，称为深沟球轴承(dgbb)。


背景技术：

3.用于轴承单元的密封装置以不同方式构造。根据一种已知技术，密封装置由单个件(/一体件)(one piece)制成。这种构造既用于固定外圈和旋转内圈，也用于旋转外圈和固定内圈。重要的是，固定圈设置有壳体槽。这是例如具有球轴承单元(dgbb)的情况。
4.返回到密封装置，密封装置包括金属遮蔽件，弹性体部分共同模制(co-moulded)到金属遮蔽件上。弹性体部分设置有径向外唇，径向外唇通过过盈配合(/干涉配合)固定到轴承单元的固定圈(例如径向外圈)的壳体槽(housing groove)。由于与外圈成一体，弹性体部分的径向外唇因为过盈配合而为该组件提供密封。弹性体部分还设置有至少一个径向内唇。
5.优选的是，该唇可以是接触型的，并且以这种方式与轴承单元的旋转圈(例如径向内圈)滑动接触，从而抵靠该旋转圈形成密封。
6.作为另一种选择，相对于旋转圈，唇可以是非接触的。在这种情况下，唇将形成“迷宫”。这种迷宫用于径向外旋转圈和径向内旋转圈两种。然而，第一种类型更有效，因为与旋转圈的角速度相关联的离心力倾向于将污染物朝向轴承单元的外部驱赶。
7.因此，在任何情况下，密封装置的典型设计包括与旋转轴承单元的表面接触的称为唇的一个或多个突起，其具有不同的形状和取向(通常是轴向和径向)：以这种方式，密封装置防止污染物从外部进入，保护轴承单元的内部组件，即，滚动元件和容纳滚动元件本身的保持架。密封装置的另一个重要功能是防止润滑剂从轴承单元内部逸出。
8.在其整个使用寿命内润滑的所有轴承单元必须被防护或密封。在密封装置的情况下，根据待实现的性能水平，存在许多解决方案。在每种情况下，密封装置由金属和硫化橡胶制成。这需要复杂且昂贵的过程。还需要大量能量并且使用许多化学品。由于硫化橡胶粘结到金属的的密封件不能再循环，因此报废(end-of-life)也是复杂的。因此，主要技术问题可以概括为如下：
[0009]-密封装置的成本，特别是其加工成本；
[0010]-密封的轴承单元的寿命周期(报废影响(end-of-life impact))。
[0011]
关于第一个问题，必须记住的是，金属插入件必须被去除污垢(/脱脂)(degreased)(例如通过在热水超声波浴中洗涤以除去任何残留的油和污垢)、磷化并且呈现粘附性，例如通过利用刚玉喷丸机(corundum shot peening machine)来处理材料以改
善底漆(primer)的粘附，这将在模制阶段实现橡胶化合物与金属芯之间的完全粘结。
[0012]
橡胶本身需要以下制备：从共混物(blend)的选择到硫化处理。硫化过程在压缩模具中进行，压缩模具保持闭合大约1至3分钟，然后打开。
[0013]
如将看到的，该过程非常复杂，并且通常甚至由于模具的不完全填充和/或成品材料上存在毛刺而不能产生令人满意的结果。具体地，获得仅仅为静态的流体密封需要过度设计并且因此需要昂贵的过程。
[0014]
一种替代解决方案是借助于机加工和/或挤出工艺由玻璃纤维增强的聚酰胺制成密封装置，然后与热塑性聚氨酯(tpu)共同模制。然而，该解决方案仅在静态密封要求或非常低的接触速度(最大大约2-3m/s)的情况下运作良好。在较高速度的动态密封件的情况下，由于与径向内圈的滑动接触，密封件将翘曲(warp)并且聚氨酯将容易磨损。
[0015]
因此，需要一种克服上述缺点、同时确保恒定可靠的密封的密封装置。


技术实现要素：

[0016]
为了基本上解决上面概述的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种密封装置，其通过注射成型工艺由单一聚合物材料制成，同时降低成本和环境影响，并且保持与已知解决方案相当的密封性能。
[0017]
所选择的材料是聚对苯二甲酸丁二酯(/聚对苯二甲酸丁二醇酯)(pbt)(其是属于聚酯族(polyester family)的半结晶热塑性材料)与摩擦改性填料和可能的玻璃微球填料的共混物，以在固有无定形材料中产生最低水平的结构。这种选择是为了使滑动接触处的磨损最小化并且提供良好的尺寸稳定性，因为该材料不吸湿(hygroscopic)、可以在其寿命结束时再循环，并且高达50％的工艺废料可以在生产过程中再利用。
[0018]
pbt基材料的模量与开发的密封件几何形状一起为密封件的适当装配和定位确保足够的刚度并且确保足够好的密封性能。几何形状在以下几个点处被优化：在密封装置的径向外唇的区域中，以简化装配该装置的步骤，以改善密封装置在轴承单元的径向外圈的槽中的最终锚固，并降低撕裂弹性体的风险；在径向内唇与径向内圈的接触区域中；在中心区域，中心区域必须是高强度的。
[0019]
因此，根据本发明，提供一种用于轴承单元的密封装置，其具有本说明书所附的独立权利要求中所述的特征。
[0020]
本发明还涉及一种设置有根据本发明的一个实施方式的密封装置的轴承单元。
[0021]
本发明的其他优选和/或特别有利的实施方式根据所附从属权利要求中所述的特征进行描述。
附图说明
[0022]
现在将参照以示例的方式示出非限制性实施方式的附图来描述本发明，其中：
[0023]-图1是根据本发明的一个实施方式的设置有密封装置(示出为处于变形状态)的轴承单元的示意图，
[0024]-图2示出了处于未变形构造的图1中的密封装置，
[0025]-图3是轴承单元的径向外圈的锚固座的细节，
[0026]-图4是图1中的密封装置的锚固区域的细节，
[0027]-图5是图1中的轴承单元的径向内圈与密封装置之间的接触区域的细节，
[0028]-图6是图1中的密封装置的接触区域的细节，
[0029]-图7是图1中的密封装置的抵抗区域(resistant zone)的细节，以及
[0030]-图8是根据本发明的替代实施方式的图1中的密封装置的抵抗区域的细节。
具体实施方式
[0031]
仅仅通过非限制性示例的方式，现在将参照具有根据本发明的密封装置的轴承单元30来描述本发明。
[0032]
在下面描述的密封装置的实施方式中，将参照具有固定的径向外圈和旋转的径向内圈的轴承单元，固定的径向外圈具有用于容纳密封装置的槽。然而，本发明还包括径向内圈固定且设置有用于容纳密封装置的槽、并且径向外圈能够旋转的情况。
[0033]
参照图1，轴承单元整体上由30表示。
[0034]
该单元具有中心旋转轴线x，并且包括：
[0035]-固定的径向外圈31，具有径向内槽31a，
[0036]-可旋转的径向内圈34，
[0037]-位于径向外圈31与径向内圈34之间的多个滚动体32，在该示例中滚动体32为球，
[0038]-至少一个保持架38，用于容纳和保持多个滚动体32。
[0039]
在整个本说明书和权利要求书中，指示诸如“径向”和“轴向”的位置和取向的术语和表述应理解为参照轴承单元30的中心旋转轴线x。
[0040]
相反，诸如“轴向外”和“轴向内”的表述参照密封装置在轴承单元中的装配状态，并且在本案中优选地分别是指密封装置插入径向外圈的壳体槽中的一侧，和与插入侧相对的一侧。
[0041]
径向外圈31与径向内圈34在它们之间限定间隙35，如果未被遮蔽(unshielded)，则间隙35将允许污染物和杂质进入轴承单元30。
[0042]
因此，为了遮蔽轴承单元30，根据本发明的原理制成的至少一个密封装置50装配在间隙35内。在图1中，密封装置50被示出为处于其变形状态，即，当装配在径向外圈31的壳体槽31a中时，并且在图2中处于未变形状态。
[0043]
固定的(stationary)密封装置50是通过注射成型工艺由单一聚合物材料制成的单件式部件(one-piece part)。所选择的材料是聚对苯二甲酸丁二酯(pbt)(其是属于聚酯族的半结晶热塑性材料)与摩擦改性填料(friction modifying filler)和可能的玻璃微球填料(possibly glass microsphere filler)的共混物，以在固有无定形材料中产生最低水平的结构。选择这种材料是为了使滑动接触时的磨损最小化并且具有良好的尺寸稳定性，因为该材料不吸湿，能够在其寿命结束时再循环，并且高达50％的工艺废料能够在生产过程中再利用。
[0044]
pbt基材料具有弹性模量，其与密封装置的新颖的几何形状一起为密封装置的正确组装和定位确保足够的刚性并且确保足够好的密封性能。因此，尽管缺少赋予机械强度的内部金属遮蔽件(shield)并且缺少确保密封性能的外部硫化橡胶，但是根据本发明的密封装置基于单一聚合物材料，该单一聚合物材料本身并且还如我们将看到的那样，由于其优化的几何形状，同时提供良好的机械强度和良好的密封性能。pbt基聚合物也以“食品”相
容的形式(version)存在，具有相同的机械特性和生产工艺。
[0045]
密封装置50包括径向外锚固部分7，径向外锚固部分7进而设置有：
[0046]
·
锚固几何结构(anchoring geometry)1，用于将密封装置插入径向外圈31的径向内槽31a内，
[0047]
·
至少一个突起2，用作防旋转和静态密封部，
[0048]
·
柔性段6，用于安装在径向外圈31的径向内槽31a内。
[0049]
密封装置50还包括中间加强部分5，中间加强部分的尺寸被设计为向密封装置本身提供足够的机械刚度。在实践中，该中间部分5承担根据已知技术的具有硫化橡胶的金属密封元件中的金属芯的功能。
[0050]
最后，密封装置50包括径向内密封部分8，径向内密封部分8又包括具有脂(/润滑脂)保持功能的第一非接触唇3、提供抵靠径向内圈34的密封功能的第二接触唇4以及第三非接触唇9。
[0051]
图3至图8示出了密封装置50在其优化实施方式中的几何形状的主要细节。
[0052]
特别地，图3和图4示出了轴承单元30的径向外圈31的锚固座31a和密封装置50的锚固部分7的细节，其将特定几何参数彼此相关。
[0053]
特别地，用于将密封装置插入径向外圈31的径向内槽31a内的锚固几何结构1由第一径向外径srd15限定，第一径向外径srd15将必须与径向外圈31的槽31a的径向内径ord43相关。为了避免密封装置50在座中旋转，则：
[0054]
ord43 0.2mm《srd15《ord43 0.5mm
[0055]
锚固几何结构1还由第二径向外径srd10限定，第二径向外径srd10必须与锚固几何结构1的第一径向外径srd15相关。为了避免密封装置被径向外圈的座压平，则有利地：
[0056]
srd15 0.3mm《srd10《srd15 0.5mm
[0057]
具有防旋转和静态密封功能的至少一个突起2有利地根据直径srd31定位，直径srd31根据以下优选关系与径向外圈31的径向内径ord30相关，以确保密封装置的精确定位：
[0058]
ord30 0.5mm《srd31《ord30 0.8mm
[0059]
为组装提供柔性的段6由两个基本参数限定：径向内径srd20和厚度srl03，径向内径srd20限定柔性段的槽的起点。为了在密封装置插入径向外圈的径向内槽31a中时允许柔性，这些参数应有利地是：
[0060]
ord30 0.2mm《srd20《ord30 0.4mm，并且
[0061]
srl03＝最大0.5mm
[0062]
如已经看到的，ord30等于径向外圈31的径向内径。
[0063]
最后，锚固部分7的轴向厚度srl10必须不超过1.2mm，以防止密封装置50从径向外圈31的轴向内线(axially inner line)突出。
[0064]
图5和图6分别示出了轴承单元30的径向内圈34(图5)与密封装置50的径向内密封部分8之间的接触区域的细节。
[0065]
第一组重要的几何参数涉及接触唇4。限定柔性和接触压力的唇4的腹板(web)4a的轴向厚度srl31有利地将必须在0.2mm至0.6mm之间。此外，具有抵靠径向内圈34的密封功能的唇4的径向厚度srl39将在0.2mm至0.4mm之间。唇4的工作直径srd39有利地应根据以下
关系与径向内圈的对应工作直径ird84相关：
[0066]
ird84 0.2mm《srd39《ird84 0.4mm
[0067]
最后，唇4的轴向厚度srl40限定唇4的干涉，并且应在0.8mm至1.5mm之间。
[0068]
密封部分8包括具有脂保持功能的第一非接触唇3和第二非接触唇9。由于两个唇部是非接触的，因此重要的是确保在任何操作条件下都不存在任何接触。因此：
[0069]
ird45 0.2mm《srd41《ird45 0.4mm
[0070]
对于第一非接触唇3，其中，ird45是径向内圈34的座的径向外径，并且
[0071]
ird30 0.2mm《srd44《ird84 0.4mm
[0072]
对于第二非接触唇9，其中，ird30是径向内圈34的径向外径。
[0073]
最后，非接触唇9的径向尺寸srd44a和轴向尺寸srl44确定脂在接触唇4抵靠径向内圈34的滑动区域中再循环的量。特别地，径向尺寸srd44a将与直径srd44相关，因此：
[0074]
srd44 0.2mm《srd44a《srd44 0.6mm
[0075]
而轴向尺寸有利地将位于1mm至2.5mm之间。
[0076]
图7示出了密封装置50的中间部分5，中间部分5的尺寸被设计为向密封装置本身提供足够的机械刚性。为了确保系统是刚性的，中间部分5的轴向厚度srl01必须位于0.5mm至0.9mm之间的范围内。
[0077]
最后，参照图8，示出了中间部分5的替代解决方案，其中存在卸荷槽(relieving groove)5a。该卸荷槽具有确保密封装置50与保持架38之间的距离增加的功能。为了实现这一点，对应于卸荷槽5a的厚度srl02应与中间部分5的轴向厚度srl01相关，并且优选地应位于以下之间：
[0078]
srl01-0.5mm《srl02《srl01-0.3mm
[0079]
为了确保密封装置50与保持架38之间的距离的局部增加，与卸荷槽5a相关的径向内径srd31(即，卸荷槽起始处的直径)必须根据以下关系与径向外圈31的径向内径ord30相关：
[0080]
ord30-1.5mm《srd31《ord30-1mm
[0081]
具体地，根据本发明：
[0082]-用于生产密封单元的过程比当前的过程简单，并且需要较小的工具投资(仅注射模具)；
[0083]-注射成型生产过程的能量平衡有利于符合用于成型金属插入件和硫化橡胶的当前标准，并且也是环境友好的，因为不需要化学品(磷化(phosphating)、脱脂(degreasing)、胶合等)；
[0084]-注射成型工艺可以再利用高达50％的废料；
[0085]-最终产品(密封件)是100％可回收的(recyclable)，并且可以通过已知的工业过程容易地与轴承分离。
[0086]
除了如上所述的本发明的实施方式之外，必须理解，存在许多其他变型。还应当理解，这些实施方式仅是说明性的，并不限制本发明的范围、其应用或其可能的构造。相反，尽管以上描述将允许本领域技术人员根据本发明的至少一个实施方式来实施本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，所描述的组件的许多变型是可能的，本发明的范围由所附权利要求中限定，按字面解释和/或根据其法律等同物解释。