JP2009222180A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力が作用した際に、接触圧の増大だけでなく、接触面積を拡大する構成とすることにより、無圧時の接触面圧を高くすることなく、摺動抵抗の増加の割合を高め得る密封装置を提供する。
【解決手段】樹脂製シールリング２０は、中央領域２１と、中央領域２１から軸方向両側に延びる端部領域２２Ａ，２２Ｂとを有し、端部領域２２Ａ，２２Ｂ内周面には、加圧時に反加圧方向に移動するゴム状弾性体リング１０の軸方向端部を圧縮変形させるテーパ面２３Ａ，２３Ｂを設け、接触面圧が付与される面積を、無圧時には中央領域の範囲に限定し、加圧時には中央領域２１から反加圧方向の端部領域２２Ｂまで拡大してフリクションを増大させる構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばパワーステアリングの油圧シリンダのような油圧・空圧・水圧機器等に用いられる密封装置に関し、特に、ゴム状弾性体リングと樹脂製シールリングとを組み合わせた組合せタイプの密封装置に関するものである。

従来のパワーステアリングの油圧シリンダに用いられる密封装置としては、たとえば、図５（Ａ）に示すようなものが主流である。

すなわち、この密封装置３００は、ハウジング４１０に対して往復移動自在に組み付けられたシリンダロッド４００の外周摺動部に使用されるもので、ハウジング４１０とシリンダロッド４００との間の環状隙間を密封するようになっている。密封装置３００の構成は、シリンダロッド４００の外周に設けられた環状溝４０１の溝底側に装着されるゴム状弾性体リング３１０と、ゴム状弾性体リング３１０の外周側に装着されハウジング４１０に対して摺動自在に密封接触する樹脂製シールリング３２０とから構成されている。

パワーステアリングの場合、ステアリングの操舵方向に応じて、密封装置３００を隔てた左右一方の密封空間に交互に圧力を与え、密封装置３００で圧力を密封することにより、シリンダロッド４００を往復動させ、自力によるステアリング操作を補助するものである。

シリンダロッド４００が往復動する際、図５（Ｂ）に示すように、油圧の圧力が樹脂製シールリング３２０の内周側に作用すると共に、ゴム状弾性体リング３１０が反圧力側の溝壁面に押し付けられ、その分だけゴム状弾性体リング３１０が樹脂製シールリング３２０を外径方向に押圧する力が大きくなって、ハウジング４１０に対する樹脂製シールリング３２０の接触面圧が増加する。

面圧増加に伴って摺動抵抗Ｆｒも増加傾向を示すが、摺動抵抗Ｆｒはステアリング操作時の操舵感に大きく影響するもので、操舵感を適切にするためには、摺動抵抗の設定が重要な要素となる。

従来の密封装置３００は、ステアリング操作量が大きくなるにつれて油圧が増加し、油圧にほぼ比例して摺動抵抗Ｆｒが増加する特性を有するが、近年、ステアリング操作量が小さいうちは、従来と同様に摺動抵抗Ｆｒを小さくしておき、ステアリング操作量が大きくなると、摺動抵抗Ｆｒを従来よりも大きくしたいという要求がある。

摺動抵抗を高めたい場合には、樹脂製シールリング３２０の厚みを、図５（Ｃ），（Ｄ）に示すように、厚くすることにより（図中、Ｔから（Ｔ＋α））、ゴム状弾性体リング３１０のつぶし量を大きくしたり、ゴム状弾性体リング３１０の硬度を高めたりすることで、摺動抵抗Ｆｒが高くなるように調整している。

しかしながら、これらの方法では、圧力が低い場合や無圧時においても面圧が高くなり、摺動抵抗が一律に高くなってしまうという問題があった。
なお、関連する技術としては、特許文献１に開示されたものがある。
特開昭５９−１３３８６７号公報

本発明の目的は、圧力が作用した際に、接触面圧の増大だけでなく、接触面圧が付与される面積を拡大することにより、無圧時の接触面圧を高くすることなく、摺動抵抗の増加割合を高め得る密封装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の密封装置は、互いに相対的に往復移動する軸とハウジングとの間の環状隙間を密封するもので、軸の外周に設けられた環状溝の溝底面側に装着されるゴム状弾性体リングと、該ゴム状弾性体リングの外周側に設けられ、ハウジングに対して摺動可能に設けられる樹脂製シールリングと、を備え、前記ゴム状弾性体リングを樹脂製シールリングと溝底面間で径方向に圧縮し、その弾性復元力によって樹脂製シールリングをハウジングに対して押圧して接触面圧を付与する構成の密封装置において、
前記樹脂製シールリングは、無圧時にゴム状弾性体リングが位置する中央領域と、該中央領域から軸方向両側に延びる端部領域とを有し、該端部領域の内周面に、加圧時に反加圧方向に移動するゴム状弾性体リングの端部を径方向に圧縮変形させるテーパ面を設け、無圧時には、樹脂製シールリングの中央領域に位置するゴム状弾性体リングによって、接触面圧を付与する範囲を中央領域に限定し、加圧時には、ゴム状弾性体リングの端部を前記端部領域のテーパ面で圧縮変形させることにより、接触面圧を増大させると共に、接触面圧を付与する範囲を中央領域から端部領域まで拡大して摺動抵抗を増大させる構成としたことを特徴とする。

本発明によれば、無圧時には、ゴム状弾性体リングは樹脂製シールリングの中央領域に位置しているので、接触面圧が付与される範囲が中央領域に限定されている。

密封流体の圧力が作用すると、ゴム状弾性体リングが樹脂製シールリングの端部領域側に移動し、ゴム状弾性体リングの端部が端部領域のテーパ面と装着溝の溝底面との間で圧縮され、接触面圧が増加して摺動抵抗が大きくなると同時に、接触面圧が付与される範囲が中央領域から端部領域まで拡大され、摺動抵抗が一段と大きくなる。

ゴム状弾性体リングの断面形状を、軸方向を長軸とする楕円形状としておけば、加圧時の移動の際に、ねじれが生じることなく反加圧側へ移動させることができ、結果としてねじれ磨耗や破断を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、無圧時の接触面圧を高くすることなく、密封流体の圧力の増加に対する摺動抵抗の増加の割合を高めることが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜密封装置の適用例＞
まず、図２を参照して、本発明の実施例に係る密封装置の適用例を説明する。図２は本発明の実施例に係る密封装置が適用された油圧シリンダの模式的断面図である。

図示の油圧シリンダ２００は、パワーステアリングに用いられるものである。この図に示すように、油圧シリンダ２００は、軸孔を備えるハウジングとしてのシリンダ８０と、シリンダ８０内において、シリンダ８０と互いに相対的に往復動自在に設けられたロッド
７０とを備えている。また、油圧シリンダ２００の一端側には、ステアリングの操作によってロッド７０を駆動するための駆動機構部２１０が設けられている。

そして、油圧シリンダ２００の中央付近に、ロッド７０とシリンダ８０との間の環状隙間を封止する密封装置１００が設けられている。この密封装置１００によって、密封装置１００を隔てて軸方向の一方側と他方側にそれぞれ密封空間９０Ａ、９０Ｂを形成している。これにより、ステアリングの操作によってロッド７０が軸方向に移動する場合には、図中、Ａ部またはＢ部に油圧が加わり、ロッド７０の移動を補助する。例えば、ロッド７０が図中右側に移動する場合には、Ａ部から油圧が加わることで、駆動機構部２１０による駆動力と油圧による押圧力とによってロッド７０は移動する。

ここで、ロッド７０が移動する際には、密封装置１００とシリンダ８０との間に摺動抵抗が発生する。この摺動抵抗がステアリングを操舵する者の操舵感に大きく影響する。

＜密封装置の構成＞
次に、図１を参照して、本発明の実施例に係る密封装置１００の構成について説明する。

本実施例に係る密封装置１００は、上記ロッド７０とハウジングとしてのシリンダ８０との間の環状隙間を密封するもので、ロッド７０の外周に設けられた環状溝７１の溝底面７１ｃ側に装着されるゴム状弾性体リング１０と、ゴム状弾性体リング１０の外周側に設けられ、シリンダ８０に対して摺動可能に設けられる樹脂製シールリング２０と、を備え、ゴム状弾性体リング１０を樹脂製シールリング２０と溝底面７１ｃ間で径方向に圧縮し、その弾性復元力によって樹脂製シールリング２０をシリンダ８０に対して押圧して接触面圧を付与する構成となっている。環状溝７１は矩形状で、溝底面７１ａは軸方向と平行に、溝側面７１ａ，７１ｂは軸方向と直交する直交面となっている。

樹脂製シールリング２０は、図１に示すように、無圧時にゴム状弾性体リング１０が位置する中央領域２１と、中央領域２１から軸方向両側に延びる左右の端部領域２２Ａ，２２Ｂとを備え、各端部領域２２Ａ，２２Ｂ内周面には、加圧時に反加圧方向に移動するゴム状弾性体リング１０の端部を圧縮変形させるテーパ面２３Ａ，２３Ｂが設けられている。樹脂製シールリング２０の具体的な素材の好適な例としては、充填材入りのＰＴＦＥやＰＡを挙げることができる。

中央領域２１と端部領域２２Ａ、２２Ｂの外周面は、連続する一つの円筒面であり、シリンダ８０の内径とほぼ同一に設定されている。
中央領域２１の内周面２１ａは軸方向に直線状に延びる円筒面で、その両端に各端部領域２２Ａ、２２Ｂのテーパ面２３Ａ、２３Ｂの一端が接続されている。このテーパ面２３Ａ、２３Ｂは、それぞれ第１、第２密封空間９０Ａ、９０Ｂ側に向かって、徐々に小径となる方向に直線的に傾斜する傾斜面で、軸方向に対する傾斜角度及び長さは同一で、左右対称形状となっている。

ゴム状弾性体リング１０は、断面形状が軸方向の長さが径方向の長さより長い楕円形状のスクィーズパッキンである。この例では、正確な楕円形状ではなく、内周面１１及び外周面１２が直線状のトラック形状であり、直線状の内周面１１と外周面１２が左右の円弧状部１３Ａ，１３Ｂによって連続的につながった形状となっている。

内周面１１、外周面１２の長さは同一で、自由状態において、樹脂製シールリング２０の中央領域２１の内周面２１ａよりも若干短く、左右の円弧状部１３Ａ，１３Ｂの軸方向長さが中央領域２１の内周面２１ａの長さよりも長く、左右の端部領域２２Ａ、２２Ｂ側
に突出している。

このゴム状弾性体リング１０の外径は、自由状態において、樹脂製シールリング２０の中央領域２１の内径とほぼ同一で、内径が環状溝７１の溝底面７１ｃの径よりも小径となっている。

したがって、ゴム状弾性体リング１０と樹脂製シールリング２０を環状溝７１に装着すると、図１（Ｂ）に示すように、ゴム状弾性体リング１０が溝底面７１ｃによって外側に拡径され、樹脂製シールリング２０の中央領域２１の内周面２１ａとの間で径方向に圧縮され、その弾性復元力によって樹脂製シールリング２０ の中央領域２１の内周面２１ａを拡径する方向に押圧するようになっている。圧縮された状態では、ゴム状弾性体リング１０の内外周の円筒面が圧縮されるだけで、円弧状部１３Ａ，１３Ｂは圧縮されない。

無圧時には、この装着時の状態が維持され、樹脂製シールリング２０の中央領域２１に位置するゴム状弾性体リング１０によって、接触面圧を付与する範囲Ｗｏが中央領域２１に限定されている。すなわち、ゴム状弾性体リング１０の弾性復元力が作用する範囲、主として中央領域２１の外周面がシリンダ８０の内周面に押し付けられ、図３（Ａ）に示すように、樹脂製シールリング２０の外周摺動部の接触面圧分布Ｆｏは、中央領域２１付近に集中して作用する。

そして、加圧時には、図１（Ｃ）に示すように、ゴム状弾性体リング１０の端部である一方の円弧状部１３Ｂを端部領域２２Ｂのテーパ面２３Ｂで圧縮変形させることにより、接触面圧を増大させると共に、接触面圧を付与する範囲Ｗ１を中央領域から端部領域まで拡大して摺動抵抗を増大させる構成となっている。すなわち、油圧の圧力によってゴム状弾性体リング１０が、反加圧方向、図示例では第２密封空間９０Ｂ側に移動し、ゴム状弾性体リング１０の一方の円弧状部１３Ｂがテーパ面２３Ｂと溝底面７１ｃとの間の空間に食い込んで圧縮され、その弾性復元力が、樹脂製シールリング２０の端部領域２２Ｂのテーパ面２３Ｂに対して直交方向に作用し、端部領域２２Ｂの端面が溝側面７１ｂに密接すると共に、外周面がシリンダ８０の内周面に押し付けられる。

このとき、ゴム状弾性体リング１０のすべてが端部領域２２Ｂのテーパ面２３Ｂ側に移動するのではなく、一部が食い込むだけで、大半の部分は中央領域２１の内周面２１ａを押圧しており、樹脂製シールリング２０外周の接触面圧分布Ｆｂは、中央領域２１の外周面から端部領域２２Ｂの外周面にかけて徐々に大きくなるような圧力勾配を有する面圧分布となる。

このように、本発明によれば、無圧時には、図３（Ａ）に示すように、樹脂製シールリング２０の中央領域２１がシリンダ８０内周に対して所定の接触面圧分布Ｆｏで接触している。この接触面圧が付与される幅Ｗｏ及び接触面圧分布Ｆｏは、図３（Ｃ）に示すような、従来の密封装置３００の樹脂製シールリング３２０の接触幅Ｗ３及び接触面圧分布Ｆ３と同等であり、摺動抵抗は同程度となる。

加圧時には、図３（Ｂ）に示すように、接触面圧が増加すると共に、接触面圧が付与される範囲Ｗ１が、中央領域２１から端部領域２２Ｂまで拡大されるので、図３（Ｃ）の従来例に比較して、拡大された分だけ摺動抵抗は大きくなる。

また、ゴム状弾性体リング１０は、軸方向を長軸とする楕円形状となっているので、加圧時の移動の際に、ねじれが生じることなく、反加圧側へ移動させることができ、結果としてねじれ磨耗や破断を抑制することができる。

加圧状態から無圧状態に移行すると、テーパ面２３と溝底面７１ｃ間で圧縮されたゴム状弾性体リング１０が、弾性復元力によって形状復帰し、テーパ面２３に沿って中央領域２１側に自動的に移動する。

図４は、油圧Ｐと摺動抵抗Ｆｒの関係について、従来技術と本願発明の実施品とを比較した実験結果のグラフである。ｍ１は従来仕様の結果、線ｍ２は従来仕様に対してつぶし・ゴム硬度アップ仕様の結果、線ｎが本発明の実施品の結果である。

従来仕様は、図３（Ｃ）に示した形状で、樹脂製シールリング３２０の軸方向の幅寸法が１．７ｃｍのもの、つぶし・ゴム硬度アップ仕様のものは、幅寸法が同一で樹脂製シールリング３２０の厚みを大きくしてつぶし代と大きくし、ゴム硬度を大きくした仕様のものである。本願発明の実施品については、中央領域２１の幅寸法を従来仕様と同一の１．７ｃｍ、端部領域２２Ａ、２２Ｂの幅寸法を、それぞれ０．８ｃｍに設定したものである。

この結果、つぶし・ゴム硬度アップ仕様のものは、無圧時（圧力が０［ｋｇ・ｃｍ^２］」から摺動抵抗Ｆｒが大きくなっているのに対し、本願実施品では、無圧時には、従来仕様と同様に、摺動抵抗はほぼ０［ｋｇｆ］であり、高圧になるに従って大きくなり、つぶし・ゴム硬度アップ仕様に近づく特性を有する。

このグラフから分かるように、つぶし・ゴム硬度アップといった従来の方法で、摺動抵抗を高めようとすると、油圧が低い場合や無圧時にも摺動抵抗が高くなってしまうのに対し、本願発明では、油圧が低い場合や無圧時には摺動抵抗は小さく、油圧が高くなると摺動抵抗がより大きくなるという特性が得られる。

図１は本発明の実施の形態に係る密封装置を示すもので、同図（Ａ）は装着溝を二点鎖線で示した要部拡大断面図、同図（Ｂ）は装着状態を示す無圧状態の要部拡大断面図、同図（Ｃ）は装着状態を示す加圧状態の要部拡大断面図である。 図２は本発明の密封装置が適用されるパワーステアリング機構の概略断面図である。 図３（Ａ），（Ｂ）は図１の密封装置の摺動面の面圧分布を示すもので、同図（Ａ）は無圧状態の面圧分布を示す図、同図（Ｂ）は加圧状態の面圧状態を示す図、同図（Ｃ）は従来の密封装置の摺動面の面圧分布を示す図である。 図４は油圧Ｐと摺動抵抗Ｆｒの関係を概略的に示すグラフである。 図５は従来例に係る密封装置を示すもので、同図（Ａ）は装着状態の要部拡大断面図、同図（Ｂ）は圧力が作用した状態の要部拡大断面図、同図（Ｃ），（Ｄ）は樹脂製シールリングの厚みの違いを説明するための切断端面図である。

符号の説明

１００ 密封装置
１０ ゴム状弾性体リング
１１ 内周面
１２ 外周面
１３Ａ，１３Ｂ 円弧状部
２０ 樹脂製シールリング
２１ 中央領域
２１ａ 内周面
２２Ａ，２２Ｂ 端部領域
２３Ａ，２３Ｂ テーパ面
７０ ロッド
７１ 環状溝
７１ｃ 溝底面
８０ シリンダ
９０Ａ，９０Ｂ 密封空間
３００ 密封装置
３１０ ゴム状弾性体リング
３２０ 樹脂製シールリング
４００ シリンダロッド
４０１ 環状溝
４１０ ハウジング

Claims (2)

1. 互いに相対的に往復移動する軸とハウジングとの間の環状隙間を密封するもので、軸の外周に設けられた環状溝の溝底面側に装着されるゴム状弾性体リングと、該ゴム状弾性体リングの外周側に設けられ、ハウジングに対して摺動可能に設けられる樹脂製シールリングと、を備え、前記ゴム状弾性体リングを樹脂製シールリングと溝底面間で径方向に圧縮し、その弾性復元力によって樹脂製シールリングをハウジングに対して押圧して接触面圧を付与する構成の密封装置において、
   前記樹脂製シールリングは、無圧時にゴム状弾性体リングが位置する中央領域と、該中央領域から軸方向両側に延びる端部領域とを有し、該端部領域の内周面に、加圧時に反加圧方向に移動するゴム状弾性体リングの端部を径方向に圧縮変形させるテーパ面を設け、
   無圧時には、樹脂製シールリングの中央領域に位置するゴム状弾性体リングによって、接触面圧を付与する範囲を中央領域に限定し、
   加圧時には、ゴム状弾性体リングの端部を前記端部領域のテーパ面で圧縮変形させることにより、接触面圧を増大させると共に、接触面圧を付与する範囲を中央領域から端部領域まで拡大して摺動抵抗を増大させる構成としたことを特徴とする密封装置。
2. ゴム状弾性体リングの断面形状は、軸方向を長軸とする楕円形状となっている請求項１に記載の密封装置。

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