JP2005344928A

JP2005344928A - オイルシールおよびこれを含む密封構造

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Publication number: JP2005344928A
Application number: JP2004288321A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Ozaki; 大輔尾▲崎▼; Kazutoshi Yamamoto; 和俊山本; Shigenori Bando; 重徳板東
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】鳴き音を確実に抑制するオイルシールおよび密封構造を提供すること。
【解決手段】シールリップの摺接面の断面曲線をフーリエ変換して得られた波長と振幅の関係で表される表面性状において、波長３０μｍ成分の振幅を０．３μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上とする。摺接面に深い凹（高い凸）を付与し、相手方（被摺接面）への真実接触部を小さくする。摩擦係数が摺動速度に依存する度合いを少なくして、鳴き音の発生を抑制する。波長１２０μｍ成分の振幅を２．５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下とすることにより、必要な密封性を確保する。
【選択図】図３

Description

本発明は、オイルシールおよびこれを含む密封構造に関する。

従来、潤滑性や摩擦特性を向上させることを目的として、シールリップの摺動面に粗さ加工を施して摺動面に油等を保持するオイルシールが提供されている（例えば特許文献１，２）。
また、摺動面に潤滑油膜を長期に保持するために、摺接面の円周方向に高さが５〜５０μｍ多数の凸部をランダム又は所定配列にて形成した密封装置が提供されている（例えば特許文献３）。
特開２００２−２２０２７号公報特開２００１−３５５７４０号公報特開平１０−１９６６６４号公報

軸受用のオイルシールにおいては、その摺動面に塗布されたグリースがなくなってドライ状態になると、シールリップが振動して鳴き音が発生するという問題がある。
この鳴き音対策として、表面粗さを適宜に設定しても、鳴き音が発生する場合と発生しない場合があった。すなわち、従来の十点平均粗さ等の表面粗さの指標では、鳴き音が発生するか否かの区別ができなかった。

そこで、本発明の課題は、鳴き音を確実に抑制することのできるオイルシールおよびこれを含む密封装置を提供することである。

本願発明者は、摺接面の摺動速度の増大によってオイルシールのゴムの動摩擦係数が低下し、スティックスリップ現象を起こし、シールリップの先端が振動して鳴き音が発生するという知見を得た。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、摺接面を含むシールリップを備え、上記摺接面の断面曲線をフーリエ変換して得られた波長と振幅の関係で表される表面性状において、波長３０μｍ成分の振幅が０．３μｍ以上で、且つ波長１２０μｍ成分の振幅が２．５μｍ以下であるオイルシールを提供する。

本発明では、サンプリングされた表面の形状曲線を波の関数とみなしてフーリエ変換し、周波数解析する。波長３０μｍという相対的に高周波の（周期の短い）成分の振幅を０．３μｍ以上とすることで、摺接面に細くて深い凹（高い凸）を付与することになる。これにより、相手方（被摺接面）への真実接触部を小さくすることができ、その結果、静止摩擦係数を小さくして軌道トルクを小さくすることができる。また、摩擦係数が摺動速度に依存する度合いを少なくして、鳴き音の発生を抑制することができる。一方、波長１２０μｍという相対的に低周波の（周期の長い）成分の振幅が２．５μｍを超えると、シール機能が不安定になるおそれがあるので、２．５μｍ以下が好ましく、より好ましくは２μｍ以下である。

本発明において、波長３０μｍ成分の振幅が０．５μｍ以上であれば、摺接面に細くてより深い凹（高い凸）を付与することで、摺接時の真実接触部をより小さくでき、その結果、静止摩擦係数をより小さくすることができると共に、摩擦係数が摺動速度に依存する度合いをより少なくして鳴き音の発生を確実に防止することができる。
本発明は、上記のオイルシールと、オイルシールのシールリップの摺接面と摺動する被摺接面を備える被摺動部材とを有し、被摺接面の表面粗さが摺接面の表面粗さよりも小さいことを特徴とする密封構造を提供する。この場合、摺接面に相手方よりも深くて高い凹凸を付与することにより、摺動と共に凹凸が変形し、摺接面の真実接触部を静止摩擦から動摩擦へと徐々に移行させることができる。したがって、見かけ上の静止摩擦係数を低下させて起動トルクを小さくすることができる。また、摩擦係数が摺動速度に依存する度合いを小さくすることができ、オイルシールの鳴き音の発生を抑制することができる。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態の密封装置が適用された転がり軸受の概略断面図である。図１を参照して、転がり軸受１は、回転側の軌道輪としての内輪２と、固定側の軌道輪としての外輪３と、内輪２と外輪３との間に配置された複数の転動体としての玉４と、これ１の玉４を保持するための保持器５と、内輪２と外輪３との間を密封するための密封装置としてのオイルシール６とを備える。転がり軸受１の内部にはグリースが封入されている。

オイルシール６は外輪３の一対の端部の内周にそれぞれ固定されている（図１では一方のオイルシール６のみを示す）。他方のオイルシール６に代えて密封板を用いることも可能である。
オイルシール６は、ゴムを含む環状のシール部材７と、環状にて断面略Ｌ字型をなす芯金８とを備えている。芯金８は、シール部材７と加硫接着されることにより、シール部材７を補強する。

シール部材７に含まれるゴムの材質としては、例えばＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＨＮＢＲ（水素添加ニトリルゴム）、ＡＣＭ（アクリルゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）を示すことができる。シール部材７は、内輪２の端部外周のシール溝９に臨む内周部１０と、外輪３の端部内周の装着溝１１に圧入された外周部１２とを備える。シール部材７の内周部１０には、シールリップ１３と、第１および第２のラビリンス形成用リップ１４，１５とが形成されている。

シールリップ１３は、シール部材７の内周縁において軸方向内側に張出し、シール溝９の軸方向外側を向いた側面９ａに摺接する。
第２のラビリンス形成用リップ１５は第１のラビリンス形成用リップ１４よりも径方向外側に配置されている。
第１のラビリンス形成用リップ１４は、シール部材７の内周縁近傍に形成され、シール溝９の外径側を向く面に近接対向している。第１のラビリンス形成用リップ１５は、シールリップ１３より少し外径側の部分において軸方向内側に張り出し、シール溝９と内輪２の外径との間の角部に近接対向している。

図１およびオイルシールの要部の拡大図である図２を参照して、シールリップ１３の表面はシールリップ１３の先端縁を含む領域に内輪２と摺接する摺接面１６を含んでいる。シール部材６の少なくとも摺接面１６を含む領域Ａ（図２参照）の表面粗さは、下記のように設定されている。
すなわち、摺接面１６の断面曲線をフーリエ変換して得られた波長と振幅の関係で表される表面性状において、波長３０μｍ成分の振幅が０．３μｍ以上で、且つ波長１２０μｍ成分の振幅が２．５μｍ以下である。断面曲線は例えばレーザー光を走査して得られるスキャンデータや、断面曲線を得ようとするラインを含む所定面積のエリアのレーザ光による撮像データを二値化処理して求めることができる。また、触針式の表面粗さ測定機により得られる断面形状を情報化して断面曲線を得るようにしても良い。

波長３０μｍという相対的に高周波の（周期の短い）成分の振幅を０．３μｍ以上とすることで、摺接面１６に細くて深い凹（高い凸）を付与することになる。これにより、相手方（被摺接面１７）への真実接触部を小さくすることができ、その結果、静止摩擦係数を小さくして軌道トルクを小さくすることができる。また、摩擦係数が摺動速度に依存する度合いを少なくして、鳴き音の発生を抑制することができる。

また、波長３０μｍの成分の振幅を０．５μｍ以上とすれば、摺接面に細くてより深い凹（高い凸）を付与することで、摺接時の真実接触部をより小さくでき、その結果、静止摩擦係数をより小さくすることができると共に、摩擦係数が摺動速度に依存する度合いをより少なくして鳴き音の発生を確実に防止することができる。
波長１２０μｍという相対的に低周波の（周期の長い）成分の振幅が２．５μｍを超えると、シール機能が不安定になるおそれがあるので、２．５μｍ以下が好ましく、より好ましくは２μｍ以下である。

一方、内輪２のシール溝９の側面９ａには、シール部材７のシールリップ１３の摺接面１６が摺接する被摺接面１７が設けられ、シール溝９の側面９ａの少なくとも被摺接面１７の表面粗さは、Ｒｚ３．２μｍ以下となるように加工されている。
シールリップ１３の摺接面１６に上記の凹凸を付与する方法としては、例えばサンドブラスト処理やエッチング処理で表面を粗くする方法がある。また、金型のキャビティの内面の一部を予めサンドブラスト処理やエッチング処理で凹凸を形成しておき、この凹凸を成形品としてのシール部材７の摺接面１６に転写する方法がある。

以上の次第で、本実施の形態によれば、ＦＦＴ分析データにおいて、波長３０μｍ成分の振幅を０．３μｍ以上、より好ましくは０．５μｍ以上とすることで、鳴き音の発生を抑制したり、鳴き音の発生を防止したりすることができる。
また、仮に少量のグリースが摺接面１６に流入しても、細くて深い凹の部分にグリースが溜められるので、グリース漏れを防止することができると共に、摩擦トルクを低減することができる。

また、波長１２０μｍ成分の振幅を２．５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下とすることにより、オイルシール６として必要なシール機能を確保することができる。
また、摺接面１６に相手方よりも深い凹（高い凸）を付与することにより、摺動と共に凹凸が変形し、摺接面１６の真実接触部を静止摩擦から動摩擦へと徐々に移行させることができる。したがって、見かけ上の静止摩擦係数を低下させて軌道トルクを小さくすることができる。また、摩擦係数が摺動速度に依存する度合いを小さくすることができる。

また、本発明のオイルシール６を外輪回転型の転がり軸受に適用する場合には、シール部材７は内輪に固定され、外輪に摺接することになる。
また、本発明のオイルシール６をハウジングの内周面と摺動相手としての回転又は直動のロッドの外周面との間を密封するべくハウジングに固定されるオイルシール６に適用することもできる。

＜実施例１〜７および比較例１，２＞
上記の図１および図２で示したと同様の形式のオイルシールを作成し、それぞれ摺接面１６を粗くする程度を種々変更することで、相異なる表面性状を有する実施例１〜７および比較例１を作成した。また、表面粗さを粗くする処理を施さない比較例２を作成した。１．表面性状測定試験
測定装置
レーザー顕微鏡：レンズ倍率２０倍（０．９５μｍ／ピクセル）
画像：横６３９×縦４７９ピクセル、輝度値０〜２５５（２５６階調）
計測形状曲線：摺接面の周方向に沿う長さ５５０ピクセルのラインをシール部材の内周側から外周側へ向かって等間隔で計１８本
ＦＦＴ分析：窓関数としてHanning を用いた
温度：室温
導出方法
レーザー顕微鏡を通して摺接面の所定領域を撮像し、得られた画像を二値化処理して輝度により凹凸を表す二値化画像を得た後、１８本の計測形状曲線に沿って横方向長さと高さを求める。次いで、各計測形状曲線の形状をＦＦＴ分析し、平均値を求めた。

実施例１〜７および比較例１，２について、波長を横軸にし振幅を縦軸として対数表示したところ、図３に示す結果を得た。
２．摩擦トルク試験および鳴き音発生観測試験
試験装置
図４に示すような試験装置を用い、摩擦トルクを測定すると共に鳴き音発生の有無を観測した。

試験装置２０は、筒状のハウジング２１に外輪３を固定し、外輪３の端部内周に実施例１〜７および比較例１，２のオイルシール６をそれぞれ固定した。また、回転軸２２の端部に円板状の試験内輪２３を一体回転可能に取り付け、試験内輪２３の側面をオイルシール６のシールリップ１３に押圧接触させ、シールリップ１３に締め代を与えた。ハウジング２１の内部空間は油槽２４内に連通している。

試験条件
温度：室温
回転軸の回転数：０〜１５００ｒｐｍ（摺動速度０〜１．５ｍ／ｓ）
シールリップ１３の締め代：０．２ｍｍ
潤滑状態：油槽２３内を空の状態として無潤滑
上記の条件にて、シールリップ１３に締め代を与えた状態で回転軸２２を回転させ、回転軸２２の摩擦トルクを測定した。鳴き音については人の聴覚にて有無および大小を判断した。

その結果、波長３０μｍ成分の振幅が０．３μｍ未満である比較例１，２では、起動時の摩擦トルクが２ｍＮ・ｍを超えて大きいとともに、低速〜中速回転（０〜２５０ｒｐｍ）の領域で回転数の変化に対する摩擦トルクの変化が大きく、また、問題となるレベルの鳴き音を発生した。
一方、実施例１〜７では、起動時の摩擦トルクが２ｍＮ・ｍ以下と小さいとともに、低速〜中速回転（０〜２５０ｒｐｍ）の領域で回転数の変化に対する摩擦トルクの変化が小さかった。

また、波長３０μｍ成分の振幅が０．５μｍ以上である実施例１，２，３，５では、鳴き音が全く発生しなかった。また、波長３０μｍ成分の振幅が０．３〜０．５μｍの範囲内にある実施例４，６，７では、微小な鳴き音が発生したものの、無響室でかろうじて確認できる程度であり、通常では、殆ど気にならないレベルであった。
３．耐久試験
図４の試験装置を用い、下記の試験条件にて耐久試験を実施した。

試験条件
温度：室温
回転軸の回転数：１５００ｒｐｍ（摺動速度１．５ｍ／ｓ）
シールリップ１３の締め代：０．２ｍｍ
潤滑状態：油槽２３内に潤滑油（ＡＴＦＤ−III）を充填した。

耐久時間：２４時間
その結果、波長１２０μｍ成分の振幅が２μｍ以下である実施例１，２，５，６，７および比較例１，２では、潤滑油の漏れを観測できなかった。また、波長１２０μｍ成分の振幅が２〜２．５μｍの範囲にある実施例３，４では、非常に微量な潤滑油の漏れ（滲み）が観測されたが、シール機能にほとんど影響のないレベルであった。
＜試験例８〜１８および比較例３＞
相異なる表面性状を有する直径５０ｍｍのディスクからなる試験例８〜１８および比較例３を作成した。試験例８〜１８および比較例３のディスクとしては、下記の物性を有するＮＢＲ（アクリロニトリル・ブタジエンゴム）を用いた。

そのＮＢＲの物性は、下記である。すなわち、
硬度：６４（ショアーＡスケール）
引張強さ：１２．７ＭＰａ
伸び：５８０％
５０％モジュラス：１．４ＭＰａ
損失正接（ｔａｎδ）：０．１８
また、試験例８〜１８については、成形金型のキャビティの内面に対して下記の表１のブラスト処理を施すことにより、所定の表面粗さを持つようにした。また、比較例３については処理を施さなかった。

１．表面粗さ測定試験
試験例８〜１２および比較例３のそれぞれについて、算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚ、凹凸の平均間隔Ｓｍを測定した。その結果を下記の表２に示す。

表２に示されるように、従来の粗さ表示では、試験例８〜１２の各処理に対する摺動面粗さの相違は認識し難い。
２．表面性状測定試験
測定装置
レーザー顕微鏡：レンズ倍率２０倍（０．９５μｍ／ピクセル）
画像：横６３９×縦４７９ピクセル、輝度値０〜２５５（２５６階調）
計測形状曲線：摺接面の周方向に沿う長さ５５０ピクセルのラインをシール部材の内周側から外周側へ向かって等間隔で計２０本
ＦＦＴ分析：窓関数としてHanning を用いた
温度：室温
導出方法
レーザー顕微鏡を通して摺接面の所定領域を撮像し、得られた画像を二値化処理して輝度により凹凸を表す二値化画像を得た後、２０本の計測形状曲線に沿って横方向長さと高さを求める。次いで、各計測形状曲線の形状をＦＦＴ分析し、平均値を求めた。

ブラスト圧力を０．０１ＭＰａと同じにしてブラスト時間を違えた試験例１３，１４，１５について、波長を横軸にし振幅を縦軸として対数表示したところ、図５に示す結果を得た。同様に、ブラスト圧力を０．０５ＭＰａと同じにしてブラスト時間を違えた試験例１６，１７，１８について、波長を横軸にし振幅を縦軸として対数表示したところ、図６に示す結果を得た。その結果、圧力や温度のブラスト条件は、フーリエ変換に関する表面性状（粗さ）にほとんど影響を与えないことが判明した。

試験例８〜１２および比較例３について、波長を横軸にし振幅を縦軸として対数表示したところ、図７に示す結果を得た。
その結果、下記のことが判明した。すなわち、サンドの粒径が大きいほど全波長域で振幅が大きいことが判明した。
一方、ガラスビーズでブラストした摺動面粗さはサンドで処理した摺動面粗さよりも小さく、ガラスビーズの粗さ付与効果は、サンドの粗さ付与効果と比較すると小さい。そのため、サンドブラスト処理後、ガラスビーズでブラスト処理を施しても、各波長の振幅は全波長域で小さくなる。

このように、摺動面粗さには、ブラストする材質および形状も大きく影響すると推察される。
３．摺動試験および鳴き音試験
図８に示すようなピニオンディスク試験機を用いて下記の試験条件にて摺動試験を実施し、摩擦係数を求めると共に鳴き音を測定した。

試験例８〜１２および比較例３にそれぞれ対応する直径Ｄ１（＝５０ｍｍ）の回転ディスク３１の表面に、ディスク中心Ｃ１から距離Ｒ１（＝１５ｍｍ）隔てて配置されたＳＵＪ２製のピン３２の半球状の先端部３２ａ（その球の半径Ｒ２＝５ｍｍ）を押圧した。
試験条件
温度：室温
摺動条件：無潤滑（ドライ）
摺動速度：〜１．２５ｍ／ｓ（オイルシールの周速に相当）
負荷荷重：約０．１Ｎ〔オイルシールのＦＥＭ解析（締め代０．３ｍｍ）により求めた平均接触圧力に相当〕
試験の結果
摺動速度と摩擦係数の相関について図９に示す結果を得た。その結果、下記のことが判明した。

すなわち、摩擦係数に及ぼすブラスト粒径の影響は大きく、試験例９および試験例１０に示されるように、ブラスト粒径が大きいほど摩擦係数が低下する。しかし、試験例８のようにブラスト粒径が大き過ぎると摩擦係数が増加する。
摺動速度の低速域において、摺動速度の増加に対する摩擦係数の低下度合いは、ブラスト粒径が大きいほど小さくなる。よって、ブラスト粒径が大きいほど短波長の振幅成分が大きくなり、摺動速度の低速域において、摩擦係数の摺動速度依存性は小さくなると推察される。具体的には、試験例８，９については、摩擦係数が摺動速度の変化の影響をほとんど受けないことが判明した。

また、ディスク回転数と鳴き音発生の相関について図１０に示す結果を得た。その結果、下記のことが判明した。
波長３０μｍ成分の振幅が０．５μｍ以上である試験例８，９については回転数域の全域において、鳴き音が発生しなかった。
また、波長３０μｍ成分の振幅が０．３〜０．５μｍの範囲にある試験例１０，１１については、回転数１５０ｒｐｍ以下で鳴き音が発生したが、回転数１５０ｒｐｍを超えると、鳴き音が発生しなくなった。

波長３０μｍ成分の振幅が０．３μｍである試験例１２については、回転数２００ｒｐｍ以下で鳴き音が発生したが、回転数２００ｒｐｍを超えると鳴き音が発生しなくなった。
一方、処理なしの比較例３については、回転数２５０ｒｐｍ以下で鳴き音が発生した。試験例８〜１２は比較例３と比較して、鳴き音低減に十分な効果を発揮することができた。すなわち、摺動面粗さをパワースペクトルで表すと、摩擦振動に及ぼす影響度合いを明確にでき、特に短波長の振幅成分を大きくすることにより、摩擦振動が収束することが判明した。

本発明の一実施の形態のオイルシールを含む転がり軸受の概略断面図である。オイルシールの要部の断面図である。摺接面の断面曲線をフーリエ変換して得られた波長と振幅の関係で表される表面性状のグラフ図であり、横軸を波長とし、縦軸を振幅としてある。試験装置の模式的断面図である。試験例１３，１４，１５の表面性状のグラフ図である。試験例１６，１７，１８の表面性状のグラフ図である。試験例８〜１２および比較例３の表面性状のグラフ図である。ピンオンディスク試験機の概略斜視図である。摺動速度と摩擦係数の相関を示すグラフ図である。回転数と鳴き音の相関を示すグラフ図である。

符号の説明

１転がり軸受
２内輪
３外輪
４転動体
５保持器
６オイルシール
７シール部材
８芯金
９シール溝
１０内周部
１１装着溝
１２外周部
１３シールリップ
１４第１のラビリンス用リップ
１５第２のラビリンス用リップ
１６摺接面
１７被摺接面

Claims

摺接面を含むシールリップを備え、上記摺接面の断面曲線をフーリエ変換して得られた波長と振幅の関係で表される表面性状において、波長３０μｍ成分の振幅が０．３μｍ以上で、且つ波長１２０μｍ成分の振幅が２．５μｍ以下であることを特徴とするオイルシール。
請求項１において、波長３０μｍ成分の振幅が０．５μｍ以上であることを特徴とするオイルシール。
請求項１又は２において、波長１２０μｍ成分の振幅が２．０μｍ以下であることを特徴とするオイルシール。
請求項１，２又は３に記載のオイルシールと、オイルシールのシールリップの摺接面と摺動する被摺接面を備える被摺動部材とを有し、被摺接面の表面粗さが摺接面の表面粗さよりも小さいことを特徴とする密封構造。