JP2004190782A

JP2004190782A - 軸部における摺接シール構造

Info

Publication number: JP2004190782A
Application number: JP2002359083A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamamoto; 浩山本
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-08
Also published as: US20040124587A1

Abstract

【課題】軸部材の表面硬度にこだわることなく、長期にわたって軸部材及びシール材の磨耗や損傷がなく、シール性能にも優れ耐久性に富んだ摺接シール構造を提供する。
【解決手段】シール材（２９，３４）に接触して相対的に摺動する軸部材（２５，３３）を備えた各種機械の摺接シール構造に関する。前記シール材（２９，３４）及び前記軸部材（２５，３３）の摺接面における各表面エネルギーの和が９５ｄｙｎｅ／ｃｍ以下となるようにシール材（２９，３４）及び軸部材（２５，３３）の材質を組み合せると、軸部材（２５，３３）及びシール材（２９，３４）の磨耗や損傷が低減され、シール性能にも優れ、必要とする耐久性が得られる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【産業上の技術分野】
本発明はオイルシールやダストシールなどを備えた摺接シール部の摺接構造に関し、特に、シール材の磨耗や損傷を抑制することを可能にする摺接シール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の摺接シール構造としては、例えば回転軸を支持する軸受部材の外部に取り付けられた円筒状のハウジングの開口部にオイルシールやダストシール等のシール材を取り付けて、前記シール材を前記回転軸に密着させて回転軸を回転させ、あるいは同回転軸を介して前記ハウジングを揺動させたり、ハウジングに取り付けられたシール材をシリンダの内部で往復動するロッドの周面に密着させて往復動させるような摺接シール構造が知られている。この摺接構造は鉄道車両や建設・土木機械、或いは油圧機器などを使った一般機械などの回転軸、揺動軸又は往復動軸に適用されている。
【０００３】
この種の摺接構造にあっては、軸部材とシール材との間の摺接により、特にシール材が磨耗し、あるいは損傷して軸部材とシール材との間の接触圧力を失い、外部から塵埃や水分、土砂等が浸入し、その異物による研磨作用により上記軸受部材、シリンダの内部や前記軸部材に磨耗損傷を生じるという問題等がある。
【０００４】
この軸部材やシール材の磨耗を防止することを可能にした摺接構造の一例が、例えば特開平７−７７２８１号公報に開示されている。同公報に開示された鉄道車両用歯車装置の密封構造は、一対の円錐ころ軸受を介して歯車軸の一端部側をハウジングに支持し、前記歯車軸の一端部に歯車を固着した歯車装置にあって、前記ハウジングと前記歯車軸との間を密封するゴム製のオイルシールと、同オイルシールを外部に対して遮蔽するポリアミド系合成樹脂製のスリンガーとからなるシール材を備えている。
【０００５】
この密封構造は、前記スリンガーと前記オイルシールとを前記ハウジング内に装着して前記歯車軸の表面にすべり接触させ、上記歯車装置の内部を二重に密封している。更に、この密封構造によると、前記スリンガーと前記オイルシールとの間にはグリース等の潤滑剤が充填されており、前記歯車軸の回転に伴って、前記潤滑剤が前記オイルシールと前記歯車軸との間の摺接面に導かれて薄い潤滑膜を形成する。
【０００６】
前記オイルシールのリップ部が密着して摺接する前記歯車軸の摺接部にＳｉ_３Ｎ_４等のセラミックをコーティングをしたり、ＰＶＤ法によりＴｉＮ膜や、ＴｉＡｌ_２Ｎ膜、ＴｉＣ膜を生成したり、或いはイオン窒化処理によりＦｅ_３Ｎ層やＦｅ_２Ｎ層を生成して表面硬化処理を施している。
【０００７】
前記セラミックコーティングではビッカース硬さＨＶ１，５００以上の値で硬化させることができる。前記ＰＶＤ法による場合はビッカース硬さＨＶ１，２００以上の値で硬化させることができる。さらに前記イオン窒化処理による場合にはビッカース硬さＨＶ２，０００以上の値で硬化させることができるとしている。また、上述のように表面硬化処理を施した鋼製の環状部材を前記歯車軸の外周部に外嵌して前記スリンガーと前記オイルシールとに対する摺接部とすることもできる。
【０００８】
この従来の歯車装置の密封構造によれば、歯車軸の前記摺接部の表面がビッカース硬さでＨＶ１，０００以上の値に硬化されているため、前記潤滑剤が消耗した場合や前記摺接部において潤滑不良が生じた場合でも、歯車軸の前記摺接部が異物粒子によっても磨耗が抑制でき、長期間にわたって密封性能を発揮させることができるとしており、更に前記歯車軸の摺接部に前記環状部材を嵌合した構造である場合には、同環状部材自体を単独で上述のごとき表面硬化処理を行うことができるため、ビッカース硬度ＨＶ１，０００以上の摺接部を有する歯車軸が簡単に得られるというものである。
【０００９】
また、特開２００１−２８９３３０号公報によれば、上記特開平７−７７２８１号公報に開示された歯車装置の密封構造の欠点を排除すべく、軸部材を鋼材で構成するとともに、その鋼材の表面硬さをＨＶ１，５００〜１０，０００とする硬質膜により被覆している。これは、特定の成膜材料をもってＨＶ１，５００〜１０，０００とする硬質膜を形成すれば、シール材が軸部材表面に移着したり磨耗粉を発生させることがなく、長期間にわたってシール材の密閉機能が保持されるようになるがためである。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−７７２８１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２８９３３０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種のシール構造にあって、そのシール機能を確保するには、上述のように軸部材の表面硬度を高めるだけでは十分ではなく、シール構造の内部あるいは外部から潤滑剤が洩れたり、外部から塵芥や泥水などが侵入することを確実に阻止するには、リップ部やスリンガーが軸部材の周方向に均等で且つ大きな押付力をもって押し付けることが基本となる。しかるに、上述のように軸部材の表面硬度を高めたシール部にあって、シール材の押付力を大きくすると、反対にシール材の磨耗増大を引き起し、密封性の低下につながるという事態が発生しかねない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、軸部材の表面硬度にこだわることなく、長期にわたって軸部材及びシール材の磨耗や損傷がなく、シール性能にも優れ耐久性に富んだ摺接シール構造を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
通常は、上記公報のように、シール材に接触して摺動する軸部材の硬度を上げるほど、摺動する軸部表面の磨耗を減少することができシール部の寿命を長くできると考えられており、このことは一面から見るかぎり間違っていない。しかるに、シール部材の摩耗に関しては、何ら考慮されていなかった。そこで、本発明者等は軸部材の硬度だけを依存せずに、上述のごときシール構造のシール性、防水性、防塵性、あるいは漏油の防止等が確保できる手法について、多面的な検討を重ねた。
【００１４】
その結果、物質がもつ特有の表面エネルギーが磨耗性と関連することを知った。しかも、特に軸部材に対して相対的に密着摺動するシール材を備えた摺接シール構造にあって、その軸部材とシール部材の摺接面におけるそれぞれの表面エネルギーの間である関係を満足すると、軸部材の周囲に均等で且つ大きな押付力をもって押し付けて、摺動させてもシール材の耐磨耗性が向上し、耐久性が向上することを知った。
【００１５】
本件発明は、こうした検討を踏まえてなされたものである。すなわち、請求項１に係る発明は、前記軸部材の摺接面における表面エネルギーが５０ｄｙｎｅ／ｃｍ以下であることを特徴としている。通常、この種のシール部に使われるシール材としてはウレタンゴム、ポリエチレン系ゴム、ＰＴＦＥ系ゴム、シリコン系ゴムなどがある。これらのうち、ウレタンゴムの表面エネルギーが４８ｄｙｎｅ／ｃｍ、ポリエチレン系ゴムの表面エネルギーが４４ｄｙｎｅ／ｃｍ、ＰＴＦＥ系ゴムの表面エネルギーは２２ｄｙｎｅ／ｃｍ、である。一方、前述のごとく、鋼材の表面エネルギーは５０ｄｙｎｅ／ｃｍ、例えばＴｉＣＮの表面エネルギーは４５ｄｙｎｅ／ｃｍ、ＣｒＮの表面エネルギーは３３、その他、鋼材よりも表面エネルギーが小さい材質には、水素フリー非晶質炭素膜４１ｄｙｎｅ／ｃｍ、含水素非晶質炭素膜４７ｄｙｎｅ／ｃｍなどがある。
【００１６】
請求項２に係る発明は、シール材に接触して相対的に摺動する軸部材を備えた各種機械の摺接シール構造にあって、前記シール材及び前記軸部材の摺接面における各表面エネルギーの和が９５ｄｙｎｅ／ｃｍ以下であるシール材と軸部材との組合せからなることを特徴とする摺接シール構造にある。本発明に係るシール構造は、鉄道車両、風力発電機、建設・土木機械などの回転軸、往復動軸又は揺動軸とオイルシール、ダストシールやメカニカルシール等のシール材との摺接部に効果的に適用される。
【００１７】
上記構成によれば、必ずしも軸部材の表面硬度を上記公報のごとく高くする必要がなく、これを軸部材とシール材との相互の表面エネルギーの観点から検討して決定すれば足りるようになる。すなわち、たとえ軸部材として従来から使われている鋼材（表面エネルギー：５０ｄｙｎｅ／ｃｍ）を使う場合には、例えばシール材としてフッ素系ゴム（ＰＴＦＥの表面エネルギー：２２ｄｙｎｅ／ｃｍ）を使えば、シール材の耐磨耗性と、軸部材表面の硬度向上による軸表面の摩耗が発生せず、両者の耐久性が向上する。
【００１８】
以上の点から、一般の摺接シール構造に使われる、通常の鋼材とウレタンゴムを使った場合のシール材の磨耗量を基準として、これよりも低い表面エネルギーをもつ材質を軸部材として使えば、通常、軸部材よりも表面エネルギーの高いシール材の材質に対する選択の自由度が増えることになり、軸部材とシール材との耐久性を同時に向上させることができる。因みに、シール材としてウレタンゴムを使う場合には、表面エネルギーが４５より小さいＴｉＣＮやＣｒＮなどを軸部材の表面に形成すればよい。なお、これらの材質を軸部材やシール材の母材自体の材質とすることもできるが、本発明にあっては双方の摺接面に成膜しあるいはコーティングするなどにより、母材の摺接表面に前述の対応する材質を表出させるようにすることも含んでいる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
本発明は、例えば図示せぬ鉄道車両、建設・土木機械などの回転軸、往復動軸又は揺動軸にオイルシール、ダストシールやメカニカルシール等のシール材を接触させて摺動する摺接シール構造に効果的に適用できる。なお、本実施形態では風力発電装置のオイルシール部を例に挙げて説明するが、本発明は風力発電装置以外にも、シリンダのロッドや転輪の回転軸、あるいは大型ショベルやトラクタなどの大型土木建設機械の旋回台駆動部や大型船舶などの各種回転部のリップ型シール装置、自動車や一般産業機械等の回転軸、往復動軸又は揺動軸に適用でき、当業者が容易に適用可能な技術的な範囲をも当然に包含するものである。
【００２０】
図１は本発明の代表的な実施形態である摺接シール構造が適用された風力発電装置の概略構造を示している。
風力発電装置１０は、細長い塔１１の上端に垂直軸線回りに旋回可能なナセル１２を設置しており、同ナセル１２の一端部には風力により略水平な回転軸１３を中心として回転する複数のブレード１４を備えている。ナセル内には前記回転軸１４の回転を増速する増速機１５と、同増速機１５に連結された発電機１６とを備えている。
【００２１】
前記ナセル１２は、同ナセル１２に設置された図示せぬ風向計からの計測データに基づいて、塔１１の中心線を中心に自動的に旋回する。図２は、その旋回機構を概略で示している。同図中、符号１７はナセル１２の下面に固設された旋回用アウターレースであり、符号１８は塔１１の上面に固設された旋回用インナーレースを示している。塔１１の上面に固設された旋回用インナーレース１８には、ナセル１２の下面に固設された旋回用アウターレース１７が外嵌され、旋回用アウターレース１７が塔１１に固設された旋回用インナーレース１８の回りを回転する。また、同旋回用インナーレース１８の内径面には内歯が切られている。
【００２２】
その回転力の伝達は、同じくナセル１２の内部に固設された旋回駆動装置２０によりなされる。
図３は、ナセルの旋回駆動装置２０の一構造例を示している。この旋回駆動装置２０は、図示せぬ上記風向計からのデータ信号を受けて、同じく図示せぬ制御装置を介して回転・停止制御がなされる電動機２１からの出力を、減速機２２を介して回転速度を大きく減速させてピニオン２３に伝達する。図示例における前記減速機２２は、電動機２１の出力軸２１ａの軸線上に配され、ケーシング２４に納められた４個の太陽歯車２４ａ〜２４ｄと大小４個の遊星歯車群２４ｅ〜２４ｈとから構成されている。
【００２３】
前記ピニオン２３は、最後に減速されて回転するピニオン軸２５の下端にスプライン結合により回転方向に固定されるとともに、その下端面を固定板８を介してボルト９により軸方向に固定されている。前記ピニオン２３は、上記塔１１に固設された旋回用インナーレース１８の内歯と噛合され、電動機２１の駆動により減速機２２を介して減速回転し、ピニオン２３が自ら旋回用インナーレース１８の内歯上を回動する。このピニオン２３の回動は、ナセル１２に固設された旋回用アウターレース１７の回転を促し、ナセル１２を塔１１の上端で所要の角度を低速旋回させる。
【００２４】
上記ピニオン軸２５は、減速機２２のケーシング２４内の上下端部に配された第１及び第２軸受２６，２７を介して回転自在に支承されている。ケーシング２４の下端にはハウジング２８が固設されており、同ハウジング２８と上記ピニオン２３との間に、第２軸受２７からのオイル洩れを防ぐため、本発明の摺動シール構造の一部をなすオイルシール２９が介装されている。ケーシング２４の下端部には潤滑油供給路が形成され、前記第２軸受２７に同潤滑油供給路から潤滑油が供給されている。
【００２５】
本実施形態による摺接シール構造は、前記第２軸受２７のハウジング２８に嵌着固定されたオイルシール２９と、上記ピニオン軸２５との間の摺接シール構造に適用される。このオイルシール２９には、図４に拡大して示すように、パッキング部に２つのリップ２９ａを有するダブルリップオイルシール２９が使用されている。勿論、単独のリップを有するオイルシールとする場合もある。
【００２６】
図４において、ピニオン軸２５には表面処理を施していないＪＩＳ記号により材質規格された所望の炭素鋼（表面エネルギー：５０ｄｙｎｅ／ｃｍ）を使い、相手方のオイルシール２９のリップ２９ａには、ウレタンゴム（表面エネルギー：４８ｄｙｎｅ／ｃｍ）、塩化ビニル系ゴム（表面エネルギー：４５ｄｙｎｅ／ｃｍ）、ポリエチレン系ゴム（表面エネルギー：３８ｄｙｎｅ／ｃｍ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ゴム（表面エネルギー：２２ｄｙｎｅ／ｃｍ）の４種のゴムを使った。
【００２７】
これらの組合せにて風力発電装置を５００時間稼働した。そのときの結果を図５に示す。
同図からも理解できるように、ウレタンゴムでは１．８ｍｍ^３以上の磨耗が発生し、塩化ビニル系ゴムの磨耗量は１．０ｍｍ^３、ポリエチレン系ゴムの磨耗量は０．３ｍｍ^３、ＰＴＦＥ系ゴムの磨耗量は０．１ｍｍ^３と、表面エネルギーの大きさの順に磨耗量が減少している。オイルシールの交換を時期を考慮すると、ウレタンゴム及び塩化ビニル系ゴムの磨耗量は大きく、実用に向かない。一方、ポリエチレン系ゴムとＰＴＦＥ系ゴムの磨耗量は極めて少なく、交換時期を長くすることができることが理解できる。すなわち、表面処理を施していない炭素鋼をピニオン軸２５に使ったときに、オイルシール２９のリップ部２９ａにポリエチレン系ゴム又はＰＴＦＥ系ゴムを使えば、十分に実用化が可能となり、しかもその耐用期間を向上できることが分かる。
【００２８】
図６は、本発明の他の実施形態である摺接シール構造の一例を示している。同図において摺接シール構造である作業用リンク部３０は、筒状のハウジング３１と、同ハウジング３１に密嵌的に外嵌されたブッシュ３２，３２に両端が外部にろていして回転・揺動自在に圧入される軸部材３３とを有している。この軸部材３３と前記ハウジング３１との間は、同ハウジング３１の両端開口部に同心上に嵌着されたニトリルゴムからなるリップシール材３４，３４により密封されている。前記軸部材３３と前記ブッシュ３２との間には図示せぬ潤滑剤が導入される。前記シール材３４のリップ部３４ａは前記軸部材３３の表面に密着して、前記リンク部３０の内部に外部から塵埃、土砂や泥水等の異物粒子が侵入することを阻止すると共に、リンク部３０の外部に潤滑剤が漏出しないようにして、前記軸部材３３と前記ブッシュ３２及び前記シール材３４との間の内部摩耗を防止している。
【００２９】
図７は、上記軸部材３３として、表面処理を施していない炭素鋼（表面エネルギー：５０ｄｙｎｅ／ｃｍ）、表面にＴｉＮの成膜処理を施した炭素鋼（表面エネルギー：５３ｄｙｎｅ／ｃｍ）、表面にＴｉＣＮの成膜処理を施した炭素鋼（表面エネルギー：４５ｄｙｎｅ／ｃｍ）、表面にＣｒＮの成膜処理を施した炭素鋼（表面エネルギー：３４ｄｙｎｅ／ｃｍ）の４種の材質を使い、シール材３４としてウレタンゴムを使って、上記リング部３０の回転や揺動を連続して１５０時間行ったときの、ウレタンゴムの磨耗量を示している。
【００３０】
なお、上記成膜処理は、プラズマＣＶＤの化学的蒸着法、或いは真空蒸着やスパッタリング等のＰＶＤ（物理的蒸着法）などを適用できる。成膜の膜厚は１μｍである。本実施形態における成膜処理は、炭素鋼からなる軸部材３３を所定のアルカリ系溶液中に漬けてアルカリ洗浄し、軸部材３３に付着した酸化膜を吸収除去したのち、その軸部材３３に付着したアルカリ成分を水洗除去する。続いて、所望の温度の温風により前記軸部材３３を乾燥した。乾燥したのち、前記軸部材３３をフッ素系の蒸気流中で洗浄し、その軸部材３３に付着した油分や水分等の汚れを十分に除去した。
【００３１】
次に、洗浄した軸部材３３を図示せぬ真空チャンバ内に移動自在に配したのち、図示せぬ真空ポンプにより真空チャンバ中の雰囲気を約０．１Ｐａに下げ、Ｎ_２を１０ｍＴｏｒｒ導入して、この雰囲気を維持した状態で真空チャンバ中に設置されたスパッタ源から、前記軸部材３３の表面に約１ＫＶのバイアス電圧を引加して、回転する前記軸部材３３の表面に衝突させ、所望の膜厚寸法をなす成膜を形成する。このときのスパッタ源材料として、上述のＴｉ、Ｃｒが使われている。次に、これらの軸部材３３を上記作業機用リング部３０のハウジング３１内に装着することによりポリウレタンゴム製の上記リップシール材３４に密着させて作業機用リング部３０を組み立てた。
【００３２】
こうして組み立てられた作業機用リング部３０を、軸部材３３に対して１５０時間連続して回転させたのち、前記リング部３０を分解して各軸部材３３に対応するシール材の磨耗量を測定した。その結果を図８に示している。この図から、鋼材表面にＴｉＮ（表面エネルギー：５３ｄｙｎｅ／ｃｍ）を成膜処理した軸部材３３の場合、シール材であるウレタンゴム（表面エネルギー：４８ｄｙｎｅ／ｃｍ）の磨耗量は３．０ｍｍ^３であり、表面処理を施していない炭素鋼（表面エネルギー：５０ｄｙｎｅ／ｃｍ）からなる軸部材３３の場合のウレタンゴムの磨耗量が１．８ｍｍ^３で両者ともに極めて大きいが、表面にＴｉＣＮ（表面エネルギー：４５ｄｙｎｅ／ｃｍ）の成膜処理を施した炭素鋼からなる軸部材３３では、ウレタンの磨耗量が０．３ｍｍ^３、表面にＣｒＮ（表面エネルギー：３４ｄｙｎｅ／ｃｍ）の成膜処理を施した炭素鋼からなる軸部材３３の場合のウレタンゴムの磨耗量は０．１ｍｍ^３と極めて少ないことが分かる。
【００３３】
以上のことから、上記ピニオン軸２５や軸部材３３と、オイルシール２９のリップ部２９ａやリップシール材３４とに使われる材質の組合せによっては、シール材３４の磨耗量が多くなり、耐久性の点から摺接シール構造としては実用化が難しい場合のあることが理解できる。以外にも、材質の組合せによっては、耐久性が向上することがあることも理解できる。上述のごとく、表面処理を施していない炭素鋼を軸部材に使った場合に、ウレタンゴムをシール材として使うことは好ましくないが、例えば表面処理を施していない炭素鋼を軸部材に対してポリエチレン系ゴムを使えば、その耐久性が向上する。これを表面エネルギーの面から見ると、軸部材とシール材の、それぞれの表面エネルギーの和を９５ｄｙｎｅ／ｃｍ以下となるような組合せであれば、要求される耐久性を確保することでできるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である摺接シール構造の一例であるオイルシール部を備えた風力発電装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】同風力発電装置のナセル旋回機構の一例を概略で示す要部の断面図である。
【図３】同ナセル旋回駆動部の一例を示す断面図である。
【図４】同ナセル旋回駆動部における摺接シール部の一部拡大断面図である。
【図５】前記摺接シール部の各種シール材の磨耗量と軸部材の表面エネルギーとの関係を示す説明図である。
【図６】本発明の他の実施形態である摺接シール構造の一例を示す断面図である。
【図７】同摺接シール構造の軸部の材質とシール材としてのウレタンゴムの磨耗量の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
８固定板
９ボルト
１０風力発電装置
１１塔
１２ナセル
１３回転軸
１４ブレード
１５増速機
１６発電機
１７旋回用アウターレース
１８旋回用インナーレース
２０旋回駆動装置
２１電動機
２２減速機
２３ピニオン（回転体）
２４ケーシング
２４ａ〜２４ｄ太陽歯車
２４ｅ〜２４ｈ遊星歯車
２５ピニオン軸
２６，２７第１及び第２軸受
２７ａ外輪
２７ｂ内輪
２８ハウジング（固設体）
２８ａオイルシール圧入側端面
２９，１１０オイルシール
２９ａリップ
３０作業機用リンク部
３１ハウジング
３２ブッシュ
３３軸部材
３４シール材

Claims

シール材に接触して相対的に摺動する軸部材を備えた各種機械の摺接シール構造にあって、
前記軸部材の摺接面における表面エネルギーが５０ｄｙｎｅ／ｃｍ以下であることを特徴とする摺接シール構造。
前記シール材及び前記軸部材の摺接面における各表面エネルギーの和が９５ｄｙｎｅ／ｃｍ以下であるシール材と軸部材との組合せからなることを特徴とする請求項１記載の摺接シール構造。