오일 씰의 설계 및 개발
오일 씰 구조 설계는 주로 작동 조건, 조립 조건 및 환경 조건을 기반으로 합니다. 밀봉 성능, 수명, 재료, 제조 공정 및 경제성을 고려해야 합니다. 오일 씰을 설계할 때 첫 번째 단계는 적절한 씰 재료를 선택하는 것입니다. 사용되는 고무 배합 공식은 내열성, 내유성, 내마모성 및 우수한 공정 성능 요구 사항을 충족하는 합리적인 특성 조합을 제공해야 합니다.
오일 씰 사용 매개변수 및 설계 매개변수
구조 설계에서 사용되는 매개변수와 설계 매개변수는 호환되어야 합니다. 설계 매개변수와 사용된 매개변수 간의 관계는 표 1에 나와 있습니다.
| 기계적 씰 설계 매개변수와 적용 매개변수 간의 상관 관계 | |||||||
| 설계 매개변수 | 온도 | 편심 | 축 속도 | 축 광택 | 압력 | 수명 | |
| >30~50압축량>30~50 | ● | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | ● | 범례: | 범례: | 0.5~1.2 |
| ● | 0.5~1.2 | 범례: | ● | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | |
| \ | 0.5~1.2 | ● | 0.5~1.2 | 범례: | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | |
| >30~50●>30~50 | ● | 범례: | 0.5~1.2 | 범례: | 범례: | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 |
| ● | ● | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | 범례: | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | |
| ● | ● | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | 범례: | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | |
| >30~50●>30~50 | ● | 0.5~1.2 | ● | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | ● | 0.5~1.2 |
| ● | 범례: | ● | 0.5~1.2 | 범례: | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | |
| >30~50●>30~50 | ● | 범례: | 범례: | 0.5~1.2 | 범례: | 범례: | 0.5~1.2 |
| 사전 윤활 및 코팅 | 0.5~1.2 | 범례: | 0.5~1.2 | ● | 범례: | 0.5~1.2 | |
| >30~50물리화학적 특성>30~50 | ● | ● | 범례: | ● | ● | 범례: | 0.5~1.2 |
| >30~50●: 약한 관련>30~50 | (1) 립 간섭 (d-d1) | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 | 0.5~1.2 |
| >30~500.8~1.5>50~80 | 1.0~1.8 | >80~120 | |||||
1.2~2.0
>120~180
1.5~2.3
>180~220
| 1.8~2.6 | (2) 스프링 위치 "R" 값 |
| 허리 길이가 제공하는 반경 방향 힘은 오일 씰 립의 반경 방향 힘의 약 50%입니다. 낮은 반경 방향 힘을 유지하는 것이 중요합니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 오일 씰 허리의 길이를 늘리는 것입니다. 그러나 오일 씰의 외경은 일반적으로 표준화되어 있습니다. 비표준화된 조립 공간조차도 이 폭을 제한합니다. 따라서 허리의 직선 길이는 제한됩니다. 이 문제는 허리의 직선 부분에서 곡선 부분을 파생시켜 해결할 수 있습니다. | 축 직경 |
| 실험 결과, 낮은 압력에서도 그림 (A)와 같은 변형이 쉽게 발생할 수 있음이 나타났습니다. 단순히 허리를 두껍게 하는 것은 립의 편심 추종 능력에 해롭습니다. 허리가 두꺼울수록 스프링 작용이 약해져 허리가 얇은 경우보다 편심 추종 능력이 떨어집니다. 허리 변형과 추종성 사이의 갈등을 해결하기 위해 그림 (B)와 같이 허리를 재형성하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 편심 추종 능력을 손상시키지 않으면서 허리 강성을 높일 수 있습니다. | d |
| 일부 오일 씰 단면 다이어그램은 헤드 상단 길이(t)를 스프링 홈 반경(r)과 같도록 설계합니다. 그러나 사용 중 스프링이 종종 떨어집니다. 스프링이 떨어지는 것을 방지하려면 t가 r보다 크도록 설계해야 하며, 최소한 다음 관계를 만족해야 합니다: t = 4/3 r. | mm |
| 많은 오일 씰이 스프링 홈 설계에서 실수를 범하여 스프링 홈 반경(R)과 스프링 원 반경(r)을 서로 다른 값으로 설계했습니다. 실험적 검증 결과 일부 오일 씰 립에 두 개의 접촉 영역이 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 R=r일 때 립의 응력 분포 상태가 가장 좋으며 접촉 영역이 하나만 있습니다. 그러나 금형 가공, 고무 수축 등으로 인해 제조 시 두 값을 절대적으로 같게 만드는 것은 어려운 경우가 많습니다. 두 값의 차이를 작게 유지하는 유일한 방법은 두 값의 차이를 작게 유지하는 것입니다. | "R" (mm) |
| 금속 프레임의 주요 기능은 오일 씰의 구조적 강성을 강화하는 것입니다. 두께 및 구성 방법은 오일 씰의 작동 조건 및 조립 조건에 따라 다릅니다. | 0.3~0.5 |
| 오일 씰에 사용되는 스프링에는 가터 스프링과 판 스프링의 두 가지 유형이 있습니다. 가터 스프링이 두 가지 중 가장 일반적으로 사용됩니다. 스프링 직경, 연장 길이 및 와이어 코일 수 계산은 관련 표준 및 기계 설계 매뉴얼을 참조하십시오. | 0.4~0.8 |
>50~80
0.5~1.1
| >80~1200.6~1.4>120~1800.7~1.7>180~2200.8~2.0 | (3) 허리 길이 |
| 허리 길이가 제공하는 반경 방향 힘은 오일 씰 립의 반경 방향 힘의 약 50%입니다. 낮은 반경 방향 힘을 유지하는 것이 중요합니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 오일 씰 허리의 길이를 늘리는 것입니다. 그러나 오일 씰의 외경은 일반적으로 표준화되어 있습니다. 비표준화된 조립 공간조차도 이 폭을 제한합니다. 따라서 허리의 직선 길이는 제한됩니다. 이 문제는 허리의 직선 부분에서 곡선 부분을 파생시켜 해결할 수 있습니다. | (4) 허리 단면 두께 |
| 실험 결과, 낮은 압력에서도 그림 (A)와 같은 변형이 쉽게 발생할 수 있음이 나타났습니다. 단순히 허리를 두껍게 하는 것은 립의 편심 추종 능력에 해롭습니다. 허리가 두꺼울수록 스프링 작용이 약해져 허리가 얇은 경우보다 편심 추종 능력이 떨어집니다. 허리 변형과 추종성 사이의 갈등을 해결하기 위해 그림 (B)와 같이 허리를 재형성하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 편심 추종 능력을 손상시키지 않으면서 허리 강성을 높일 수 있습니다. | (5) 헤드 상단 길이 |
| 일부 오일 씰 단면 다이어그램은 헤드 상단 길이(t)를 스프링 홈 반경(r)과 같도록 설계합니다. 그러나 사용 중 스프링이 종종 떨어집니다. 스프링이 떨어지는 것을 방지하려면 t가 r보다 크도록 설계해야 하며, 최소한 다음 관계를 만족해야 합니다: t = 4/3 r. | (6) 스프링 홈 모양 |
| 많은 오일 씰이 스프링 홈 설계에서 실수를 범하여 스프링 홈 반경(R)과 스프링 원 반경(r)을 서로 다른 값으로 설계했습니다. 실험적 검증 결과 일부 오일 씰 립에 두 개의 접촉 영역이 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 R=r일 때 립의 응력 분포 상태가 가장 좋으며 접촉 영역이 하나만 있습니다. 그러나 금형 가공, 고무 수축 등으로 인해 제조 시 두 값을 절대적으로 같게 만드는 것은 어려운 경우가 많습니다. 두 값의 차이를 작게 유지하는 유일한 방법은 두 값의 차이를 작게 유지하는 것입니다. | (7) 금속 프레임 설계 |
| 금속 프레임의 주요 기능은 오일 씰의 구조적 강성을 강화하는 것입니다. 두께 및 구성 방법은 오일 씰의 작동 조건 및 조립 조건에 따라 다릅니다. | (8) 스프링 코일 |
| 오일 씰에 사용되는 스프링에는 가터 스프링과 판 스프링의 두 가지 유형이 있습니다. 가터 스프링이 두 가지 중 가장 일반적으로 사용됩니다. 스프링 직경, 연장 길이 및 와이어 코일 수 계산은 관련 표준 및 기계 설계 매뉴얼을 참조하십시오. | (9) 반경 방향 힘 |
반경 방향 힘은 매우 중요한 매개변수입니다. 오일 씰 성능에 미치는 영향은 다음과 같이 요약됩니다.
1. 반경 방향 힘이 너무 작으면 밀봉 성능이 저하됩니다. 2. 반경 방향 힘이 너무 크면 마모가 발생하고 수명이 단축됩니다. 3. 반경 방향 힘은 접촉 영역의 마찰 및 온도에 직접적인 영향을 미칩니다. 반경 방향 힘이 너무 크면 마찰로 인해 많은 열이 발생하고 립의 노화가 가속화됩니다. 4. 축의 마모도 반경 방향 힘의 영향을 받습니다. 5. 축과 하우징이 편심된 경우 립이 적절한 추종 능력을 갖도록 적절한 반경 방향 힘을 가해야 합니다. 6. 반경 방향 힘은 매체의 작동 압력을 제한합니다. 매체 압력이 너무 높으면 반경 방향 힘이 더 증가하여 오일 씰의 수명이 단축됩니다.
오일 씰 재료
현재 오일 씰은 주로 합성 고무로 제조됩니다. 선택 및 구조 설계가 오일 씰의 밀봉 성능 및 수명에 영향을 미치는 주요 요인이므로 고무의 특성을 정확하게 이해하고 적절한 재료를 선택하는 것이 중요합니다. 오일 씰에 가장 적합한 고무 재료는 오일 씰의 관련 매개변수를 기반으로 결정해야 합니다. 즉, 누출을 방지하기에 충분히 높지만 마찰열을 낮게 유지하기 위해 특정 오일 필름 두께를 유지할 수 있을 정도로 낮은 축의 반경 방향 힘이어야 합니다. 씰은 작동 중 편심의 영향을 극복하기에 충분한 간섭 핏을 가져야 합니다. 접촉 영역의 립 면적도 결정적인 요소입니다.
오일 씰 재료는 이러한 세 가지 매개변수에 직접적인 영향을 미칩니다. 재료가 시간과 온도에 따라 변함에 따라 주요 매개변수도 그에 따라 변경됩니다. 예를 들어, 온도가 증가함에 따라 재료의 탄성 계수가 감소하여 반경 방향 힘이 변경됩니다. 열팽창, 밀봉 매체로 인한 재료 팽창, 고무 배합물의 경도는 모두 반경 방향 힘과 간섭 핏에 영향을 미칩니다.
이러한 이유로 오일 씰 재료를 선택할 때 다음 특성을 고려해야 합니다. 밀봉 매체와의 호환성, 매체로 인한 팽창 또는 경화에 대한 저항성, 우수한 내열성 및 내마모성, 축 표면 거칠기 및 편심의 변화를 수용할 수 있는 적절한 탄성.
고무 재료 배합이 지속적으로 발전하여 새로운 재료가 등장하고 기존 재료가 지속적으로 개선됨에 따라 오일 씰에 가장 일반적으로 사용되는 재료에 대한 간략한 설명은 다음과 같습니다. 니트릴 고무(NBR), 폴리아크릴레이트 고무(PAR), 실리콘 고무, 불소 고무(FKM) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE).
니트릴 고무
NBR은 씰 제조에서 다른 모든 엘라스토머를 합쳐서 사용되는 것보다 더 많이 사용될 수 있습니다. NBR은 부타디엔과 프로필렌의 공중합체로, 프로필렌 함량은 18%에서 40%까지입니다. 저, 중, 고 프로필렌 함량으로 분류됩니다. NBR의 내유성은 프로필렌 함량이 증가함에 따라 증가하지만 저온 유연성은 감소합니다. 우수한 저온 성능을 달성하기 위해 고온 연료 및 오일에 대한 어느 정도의 저항성이 종종 희생됩니다. 니트릴 고무는 우수한 물리적 특성을 가지고 있으며, 대부분의 다른 고무보다 콜드 플로우, 인열 및 내마모성이 우수합니다. 그러나 오존, 날씨 및 햇빛에 대한 저항성이 없지만 이러한 특성은 배합 설계를 통해 개선할 수 있습니다. 니트릴 고무는 석유 기반 오일, 연료유, 물, 실리콘 오일 및 실리콘 에스테르, 에틸렌 글리콜 혼합물과 함께 사용하기에 적합합니다. 그러나 EP 오일, 할로겐화 탄화수소, 니트로카본, 인산 에스테르 유체, 케톤, 강산 및 특정 자동차 브레이크 액체와 접촉하는 데는 적합하지 않습니다.
폴리아크릴레이트 고무
폴리아크릴레이트(ACM) 고무는 다른 불포화 단량체와 함께 알킬 아크릴레이트의 에멀젼 공액입니다. 일반적으로 사용되는 알킬 아크릴레이트는 에틸렌 에틸 아크릴레이트와 부틸 아크릴레이트입니다. 폴리아크릴레이트 고무의 성능은 니트릴 고무와 불소 고무 사이에 있습니다. 주쇄에 이중 결합이 없기 때문에 열, 오존 및 풍화에 대한 높은 저항성을 나타냅니다. 측쇄에 염소(Cl) 또는 (CM) 작용기가 존재하면 내유성이 더욱 향상되어 170°C와 180°C 사이의 고온 오일에서 사용할 수 있습니다. 이 고무의 주요 특징은 178°C에서 광유, 쌍곡선 오일 및 버터에 대한 우수한 저항성입니다. 또한 노화 및 굴곡 균열에 대한 우수한 저항성을 나타내어 오일 씰에 적합합니다. 주요 단점으로는 열악한 가공성, 혼합 중 롤러에 달라붙음, 제한된 저온 성능, 물 및 증기에 대한 열악한 저항성, 고도로 방향족 오일 및 에틸렌 글리콜에 대한 열악한 저항성, 높은 압축 영구 변형, 금속 금형 및 축에 대한 상당한 부식이 있습니다. 탄성, 내마모성 및 전기 절연 특성도 상대적으로 열악합니다. 또한 포화도가 높기 때문에 가황 속도가 느립니다. 내마모성은 적절한 배합으로 크게 개선할 수 있지만 여전히 니트릴 고무에는 미치지 못합니다.
실리콘 고무
실리콘 고무는 넓은 온도 범위에서 기계적 특성을 유지하며 -65°C에서 유연성을 유지하고 230°C에서 장기간 작동할 수 있습니다. 특수 배합을 통해 기계적 특성을 향상시킬 수 있지만 강도, 인열 저항성 및 내마모성은 일반적으로 상대적으로 열악합니다. 알칼리, 약산 및 오존에 대한 저항성은 일반적으로 우수하지만 내유성은 보통입니다. 화학적 특성은 오일 및 연료 저항성을 개선하기 위한 배합제와 함께 개선할 수 있습니다. 그러나 실리콘 고무는 일반적으로 가솔린, 파라핀 및 경유와 같은 탄화수소에 사용하기에 적합하지 않으며, 이러한 매체는 팽창 및 연화를 유발합니다. 실리콘 고무의 주요 장점은 매우 낮은 온도에서 탄성을 유지하는 능력입니다. 또한 경화 없이 장기간 고온을 견딜 수 있으므로 다른 고무보다 더 넓은 범위의 고온 및 저온 씰에 적합합니다. 회전 씰의 경우 작동 온도가 표준 고무보다 높습니다. 그러나 실리콘 고무는 다른 대부분의 고무보다 비쌉니다.
불소 실리콘 고무는 더 비싼 고무입니다. 성능은 본질적으로 실리콘 고무와 동일하지만 적용 범위가 더 좁습니다. 주요 장점은 내유성으로, 니트릴 고무와 비슷하거나 거의 비슷합니다. 이를 통해 니트릴 고무의 작동 온도 범위를 벗어나서도 실리콘 고무가 부족한 내유성을 제공할 수 있습니다.
불소 고무
불소 고무는 주쇄 또는 측쇄의 탄소 원자에 불소 원자를 포함하는 포화 중합체입니다. 고유하고 우수한 특성을 가지고 있습니다. 고온, 오일, 심한 부식, 용매, 풍화, 오존, 낮은 가스 투과성 및 우수한 물리적 특성에 대한 저항성이 특징입니다. 200°C와 250°C 사이의 온도에서 지속적으로 작동할 수 있습니다. 그러나 단점은 저온 성능이 좋지 않고 압축 영구 변형이 높다는 것입니다. 불소 고무의 압축 영구 변형을 개선하기 위해 국내외에서 상당한 연구가 수행되었습니다.
폴리테트라플루오로에틸렌
플라스틱은 일반적으로 반강성이며 일반적으로 씰로 사용되지 않습니다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 예외입니다. 이는 고유한 특성을 가진 불소 탄소 화합물로, 가장 두드러진 특징은 넓은 작동 온도 범위에서 화학적 공격에 대한 저항성입니다. 금속에 대한 마찰 계수가 낮지만 필러 보강이 없으면 기계적 강도가 낮습니다. PTFE는 복합 구조로 만들어진 씰에 특히 유용합니다. 예를 들어, 가공 또는 성형된 PTFE는 저마찰 표면과 내화학성 코팅으로 모두 사용할 수 있습니다.
오일 씰 재료 특성
오일 씰 재료의 작동 온도
표 5 오일 씰 재료의 호환성
표 4 일반적으로 사용되는 오일 씰 재료의 작동 온도
우수
작동 온도 범위 (°C)
우수
-40 ~ 100
폴리아크릴레이트 고무
우수
실리콘 고무
물
불소 고무
-20 ~ 250
저온에서의 성능 변화는 고온에서의 성능 변화와 크게 다릅니다. 온도가 감소함에 따라 거의 모든 엘라스토머는 유연성이 손실되어 변형으로부터의 회복이 느려지면서 점차 경화됩니다. 결정화도 발생하지만 천천히 발생합니다. 재료가 취성에 도달하기 전에 대체 엘라스토머 재료가 없으면 스프링 힘이 필요한 탄성을 제공할 수 있습니다. 고온에서는 모든 엘라스토머가 탄성을 잃고 연화되는 경향이 있습니다. 고온은 또한 재료 노화를 가속화하며, 일반적으로 탄성 손실과 경도 및 탄성 계수의 점진적인 증가로 나타납니다.
오일 씰 재료의 내마모성
재료 내마모성은 오일 씰에 중요한 요소입니다. 고무의 내마모성은 경도 및 인열 저항성과 관련이 있습니다. 일반적으로 내마모성은 경도가 증가함에 따라 향상됩니다. 인열 저항성이 좋을수록 내마모성도 향상됩니다. 또한 재료의 내마모성은 마찰 계수 및 결합 표면의 광택과 같은 요인의 영향을 받습니다.
| 밀봉 매체와의 호환성 | 재료가 액체 매체를 흡수함에 따라 부피가 변경됩니다. 과도한 팽창은 재료의 물리적 및 기계적 특성을 저하시켜 허용할 수 없게 만들 수 있습니다. 과도한 팽창은 또한 용해, 재료 내 특정 구성 요소 간의 상호 작용 또는 표면 취성 등과 같은 화학 반응을 일으켜 균열을 유발할 수 있습니다. 이러한 경우 밀봉 매체와 재료는 호환되지 않습니다. 어떤 경우에는 밀봉 매체가 고무 배합물에서 가소제 및 산화 방지제와 같은 첨가제를 추출하여 엘라스토머의 구성을 변경하고 심지어 수축을 유발하여 누출을 유발할 수 있습니다. 오일 씰 재료와 특정 매체의 호환성에 대한 정보는 표 5를 참조하십시오. |
| 표 5 오일 씰 재료의 호환성 | 재료 |
| 우수 | 부타디엔 니트릴 고무 |
| 우수 | 실리콘 고무 |
| 불소 고무 | 폴리테트라플루오로에틸렌 |
그리스
우수
양호
불량
우수
우수
| EP 오일 양호 |
불량 | 우수 | 우수 | 우수 | 물 |
| 우수 | |||||
| 양호 | |||||
| 우수 | |||||
| 우수 | |||||
| 불량 | |||||
| 양호 | |||||
| 우수 | |||||
| 불량 | |||||
| 불량 | |||||
| 불량 | |||||
| 다양한 광유에 적합하며 인쇄 잉크에 대한 저항성이 없습니다. | |||||