JP2007255694A

JP2007255694A - 往復動用密封リング

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Publication number: JP2007255694A
Application number: JP2006141418A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Horie; 聡堀江; Masashi Nakao; 雅司中尾
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: US7954823B2; EP1988312A4; WO2007097175A1; US20090166979A1; EP1988312A1; EP1988312B1; JP5293914B2

Abstract

【課題】低摩擦を実現する往復動用密封リングを提供する。
【解決手段】相対に移動する二部材のうちの一方の部材に保持されて他方の部材に摺動自在に密接する往復動用密封リング２１であって、他方の部材に摺動自在に密接する断面円弧形の先端摺動部２１ａを有する密封リング２１において、先端摺動部２１ａの曲率半径をR、当該密封リング２１の軸方向幅をAとして、
A／２＜R＜１３A^２
の関係を充足し、軸方向両側面と背面のうち少なくとも一方に、凹面２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを有し、その最深部間の軸方向肉厚Cを、
0.5A＜C＜A
とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、密封技術に係る密封リングに係り、更に詳しくは、往復動シールに用いられるのに適した密封リングに関するものである。本発明の密封リングは例えば、自動車または産業機械等の分野において用いられる。

自動車または産業機械等の分野においては、往復動用の密封リングとしてＯリングやＤリング等のスクイーズパッキンが多用されているが、Ｏリングのように捩れが発生することが少なく、またコスト面などの理由により、断面Ｄ字状をなすＤリングが使用されることが多い（特許文献１参照）。

しかしながら何れにしても、省資源や省エネルギーの観点からすると、これらの往復動用密封リングには、その摺動特性に関して低摩擦であることが要求される。

実開平０４−８４８６３号公報

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、摺動特性に関して低摩擦を実現し、耐久性が高く、もって省資源及び省エネルギーに貢献することができる往復動用密封リングを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る密封リングは、相対に移動する二部材のうち一方の部材に保持されると共に他方の部材に摺動自在に密接され、前記他方の部材との摺動部が断面円弧形をなす往復動用密封リングにおいて、前記摺動部の曲率半径をR、当該密封リングの軸方向幅をAとして、次式
A/2＜R＜13A^２・・・（１）
の関係を充足し、軸方向両側面と、前記摺動部の反対側の背面のうち少なくとも一方に、凹面を有する形状としたことを特徴とするものである。

上記構成を備えた本発明の密封リングは、本願発明者らによる以下の鋭意研究の結果として案出されたものである。

自動車及び産業機械用往復動シールに用いられるＯリング、Ｄリング、ゴムパッキンなどの密封リングには、省資源、省エネルギーの観点から、低摩擦の要求がある。そこで、シールの低摩擦化を探るべく、Ｄリングの摩擦特性（ストライベック曲線）の研究を行なった。

実験は、図１に示す油圧サーボ振動試験機１を利用して行なった。すなわち、摺動部は、摩擦力測定用ロードセル２に接続した固定内筒３と、上下に正弦波状で往復運動する円筒４とにより構成される。図２に拡大して示すように、Ｄリング２１は固定内筒３の装着溝３ａに装着し、Ｄリング２１の圧縮（つぶし量）は円筒４により0.37mmを狙いセットする（一般的なつぶし率は8〜30％）。潤滑油５はＤリング２１の片側に充填した。尚、図１及び図２において、符号６はクロスヘッド、７は支柱、８は恒温槽、９は軸（上側）、１０，１１はフランジ、１２は軸（下側）、１３はシリンダー、１４は加振機をそれぞれ示している。

実験は、温度40℃の下、ストロークを6mmに固定し、サイクル数を0.05〜2.5Hzの範囲で変えることによって実施した。

潤滑油には３種類の油を用いた。それらの性状を表１に示す。

摩擦の計測手順は以下のとおりである。まず慣らし運転30往復（ストローク6mm、周波数0.17Hz）を行ない、3分間放置後、所定サイクル数にて摩擦力が安定した時点にてデータ取りを行なった。

以下、Ｄリングが潤滑油側に向かい運動する行程を押し行程(Pumping stroke)、その逆を引き行程(Motoring stroke)と呼ぶ。また、摩擦特性を左右する潤滑特性数G及び行程中央での平均摩擦係数fcを次のように定義する。
G＝η(Sπν)／(Pr/L) ・・・（２）
fc＝Fc／Pr ・・・（３）
η：潤滑油粘度(Pa・s)，S：ストローク(m),
ν：サイクル数(1/s)，L：軸周長(m)，Pr：緊迫力(N)
Fc：行程中央での摩擦力(N)

往復動用Ｄリングとして図３に示す５形状のＤリングを用いた。いずれの形状もＤリング内径はφ50とした。Ｄリング材料はＡＣＭゴム材であり、その物性値を表２に示す。

図４に各潤滑特性数における代表的な摩擦波形を示す。図５は行程中央での平均摩擦係数fcと潤滑特性数Gの関係を示したものである。

平均摩擦係数fcは、潤滑特性数Gの増加に対し、Gの値が小さい領域（G＜10^-6）では減少し、Gの値が大きい領域（G＞10^-4）では増加し、10^-6＜G＜10^-4域で最小値を示している。この最小値を示すGの値を限界潤滑特性数と呼び、Gcで示すと、この値は各シール形状に対して大略次のようになる。
形状a（R=0.3mm）：Gc＝3.0×10^-5
形状b（R=0.5mm）：Gc＝1.9×10^-5
形状c（R=0.7mm）：Gc＝6.9×10^-6
形状d（R=1.0mm）：Gc＝5.7×10^-6
形状e（R=2.0mm）：Gc＝3.9×10^-6
すなわち、Gcの値は、接触部であるＤリング先端の曲率半径Rの増加と共に減少している。

G＞Gcの領域では、fc∝G^1/2の関係が認められる。また、摩擦波形は行程中央部で最大値を呈している（図４参照）。これらの特徴は、この領域では流体潤滑が支配的であることを示している。この流体潤滑が支配的である領域においても平均摩擦係数fcは、接触部であるＤリング先端の曲率半径Rに依存し、Rが大きいほど流体くさび作用の影響によって平均摩擦係数fcは減少する傾向にあるが、その減少率は顕著ではない。これは、膜厚の増大が曲率半径Rの影響を緩和するためと考えられる。

一方、G＜Gcの領域では、接触面に直接接触が発生すると考えられている。しかし、G＜1.0×10^-5の領域での平均摩擦係数fcは、接触部であるＤリング先端の曲率半径Rが大きくなるに伴い小さくなる傾向を示した。これは、Ｄリング先端の曲率半径Rの増大と共に、例え時間・空間的に接触が存在したとしても、流体くさび効果が顕著に作用することが原因であると考えられる。

すなわち、Ｄリング先端の曲率半径Rを大きくすることによって油膜形成を容易にし、全G領域において平均摩擦係数を低下させることができる。

ここで、図３における「形状ｄ」が従来公知のＤリング形状である（R＝A/2）ため、同じ図３における「形状ｅ」のように、「形状ｄ」よりも曲率半径Rを大きくした方が、平均摩擦係数ｆｃが小さくなることが判明した（図５）。

なお、曲率半径Rの上限値をR＜13A^２としたのは、曲率半径Rがひたすら大きくなると、断面矩形状のいわゆる角リングに限りなく近づく形状となり、或る曲率半径Rの上限を超えてしまうと「流体くさび効果」が作用せず、往復動シールとして機能しなくなることから、このような限界値を設定したものである。

ところが、図３における「形状ｄ」のような従来公知のＤリングに比較して、曲率半径Rを大きくした「形状ｅ」の密封リングは、上述の実験結果から明らかなように、摩擦係数を低下させることはできるが、曲率半径Rの増大に伴い摺動部側で断面積（ボリューム）が大きくなるので、相手摺動面に対する緊迫力が僅かに上昇することになる。そして、上述の式（３）から、
Fc＝fc・Pr ・・・（４）
であり、摩擦係数fcが低下しても、緊迫力Prの増大によって摩擦力Fcの低下が抑えられてしまう。

そこで本発明は、先端摺動部の曲率半径R及び密封リングの軸方向幅Aを上述の式（１）の関係を充足するように規定することによって摩擦係数を低下させると共に、軸方向両側面と、前記先端摺動部の反対側の背面のうち少なくとも一方に、凹面を形成することによって、緊迫力Prを減少させ、摩擦力Fcを十分に低下させることに成功したものである。すなわち、軸方向両側面に凹面を形成した場合は、径方向中間部の剛性が低下し、背面に凹面を形成した場合は、この密封リングを保持している一方の部材にバックアップされている背面側の剛性が低下することによって、他方の部材の摺動面に対する前記先端摺動部の面圧（緊迫力）が低下する。

また、軸方向両側面に凹面を形成する場合、その最深部間の軸方向肉厚Cは、
0.5A＜C＜A ・・・（５）
とすることが好適である。すなわち上記（５）式において、0.5A＜Cと規定したのは、軸方向両側面の凹面によってその最深部間の軸方向肉厚が0.5A以下になると、肉厚が最も小さい径方向中間部分で、径方向に対する剛性が低くなり過ぎて、座屈を起こしやすくなるからである。また、軸方向両側面に凹面を形成した場合は、当然C＜Aとなる。

本発明に係る往復動用密封リングによれば、摩擦係数を低下させると共に緊迫力を減少させることによって、軸方向往復摺動に伴う摩擦力を低減させることができ、ひいては耐久性を向上させることができる。

図６は、本発明に係る往復動用密封リングの第一の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断した断面図である。すなわち、この密封リング２１は、ＡＣＭゴム材を成形材料として環状に成形されたものであって、外周側の先端摺動部２１ａは、断面形状が外周へ凸の円弧状をなしており、その反対側（内周側）の背面２１ｂは円筒面状をなしており、軸方向両側面には、互いに対称の緩やかな凹面２１ｃ，２１ｄが形成されている。

具体的な寸法の例としては、この密封リング２１の内径はφ50mm、軸方向幅Aは2.0mm、径方向幅Bは3.8mmであり、先端摺動部２１ａの曲率半径Rは、軸方向幅Aと同じく2.0mmに設定され、上記（１）式の範疇に属している。また、凹面２１ｃ，２１ｄの曲率半径は先端摺動部２１ａの曲率半径Rより大きく、凹面２１ｃ，２１ｄにおける径方向中間部（最深部）の深さDが0.16〜0.17mm程度となっている。

このような断面形状とすれば、先に説明したように、先端摺動部２１ａの曲率半径Rが大きいことによって油膜形成が容易になるので、摩擦係数が低下し、しかも軸方向両側面の凹面２１ｃ，２１ｄによって径方向中間部の肉厚が減少してその剛性が低下するので、先端摺動部２１ａの面圧が低下して、軸方向往復摺動に伴う摩擦力を低減させることができる。

次に図７は、本発明に係る往復動用密封リングの第二の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断した断面図である。すなわち、この密封リング２１は、先に説明した図６に示される第一の形態の構成に加え、背面２１ｂにおける軸方向中間部に凹面２１ｅを形成したものである。言い換えれば、凹面２１ｅによって、背面側に一対のリップ２１ｆ，２１ｇを有する形状となっている。具体的な寸法としては、例えば凹面２１ｅの深さは約0.39mm、凹面２１ｅ及びリップ２１ｆ，２１ｇの曲率半径は、それぞれ約0.33mmとした。また、内径φ、軸方向幅A、径方向幅B、摺動部２１ａの曲率半径R、凹面２１ｃ，２１ｄの曲率半径及びその最深部の深さDなどは、第一の形態と同様である。

このような断面形状とすれば、この密封リング２１を保持している不図示の部材（溝の内面）にバックアップされている背面側の剛性が低下するので、第一の形態による作用と相俟って、先端摺動部２１ａの軸方向往復摺動に伴う摩擦力を一層低減させることができる。また、軸方向両側面は平面状に形成し、背面部にのみ凹面２１ｅを形成したものでも、背面側の剛性低下によって、摩擦力の十分な低減が可能である。

ここで、上述した第一の形態（図６）又は第二の形態（図７）による密封リング２１は、軸方向幅Aが2.0mm、軸方向両側の凹面２１ｃ，２１ｄの最深部の深さDが0.16〜0.17mmであるから、凹面２１ｃ，２１ｄの最深部間における密封リング２１の軸方向肉厚Cは1.66〜1.68程度となっており、先に説明した（２）式を満足するものであるため、径方向に対する密封リング２１の座屈が防止される。特に、密封リング２１がデュロメータＡの硬度が70度のＡＣＭゴム材からなるものである場合は、前記軸方向肉厚Cは、第一の形態又は第二の形態のように0.8A＜C＜0.85Aとすることが好適である。

図８は、図７に示される第二の形態における密封リング２１を実施例とし、図３における「形状ｄ」のＤリング（R＝1.0mm）を比較例として、ストローク長さ：6mm，摺動速度：2mm/sec，圧力：0MPaの条件で摺動試験を行い、起動時における先端摺動部２１ａの摩擦力を、異なる温度条件で計測した結果を示す線図、図９は、同じく往復摺動時の摩擦力を、異なる温度条件で計測した結果を示す線図である。

この試験結果から、実施例の密封リングは、低温時の摩擦力が小さくなり、特に起動時において、低温時の摩擦力の低下が顕著であることが確認された。

次に図１０は、本発明に係る往復動用密封リングの第三の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断した断面図である。すなわち、この密封リング２１は、先に説明した図７に示される第二の形態の構成に加え、先端摺動部２１ａの軸方向中間部に、背面側の凹面２１ｅよりも浅い凹面２１ｈを形成したものである。

この構成によれば、先端摺動部２１ａに形成した凹面２１ｈが、グリースなどの潤滑油を保持する油溜まりとして機能するので、先端摺動部２１ａへの油膜形成が容易になるので、摩擦力を一層小さくすることができる。

実験に用いた油圧サーボ振動試験機の説明図同試験機の要部拡大断面図同実験に用いた試験試料を示す説明図同実験における摩擦波形を示す説明図同実験における平均摩擦係数と潤滑特性数の関係を示す説明図本発明に係る往復動用密封リングの第一の形態を、軸心を通る平面で切断した半断面図本発明に係る往復動用密封リングの第二の形態を、軸心を通る平面で切断した半断面図起動時の摩擦力を計測した結果を示す線図摺動時の摩擦力を計測した結果を示す線図本発明に係る往復動用密封リングの第三の形態を、軸心を通る平面で切断した半断面図

符号の説明

２１密封リング
２１ａ先端摺動部
２１ｂ背面
２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｈ凹面
２１ｆ，２１ｇリップ

Claims

相対に移動する二部材のうちの一方の部材に保持されると共に他方の部材に摺動自在に密接され、前記他方の部材との摺動部（２１ａ）が断面円弧形をなす往復動用密封リング（２１）において、
前記摺動部（２１ａ）の曲率半径をR、当該密封リング（２１）の軸方向幅をAとして、次式
A/2＜R＜13A^２
の関係を充足し、軸方向両側面と、前記摺動部（２１ａ）の反対側の背面（２１ｂ）のうち少なくとも一方に、凹面（２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ）を有する形状としたことを特徴とする往復動用密封リング。
軸方向両側面の凹面（２１ｃ，２１ｄ）の最深部間の軸方向肉厚Cを、
0.5A＜C＜A
としたことを特徴とする請求項１に記載の往復動用密封リング。