JP2016044810A - 低摩擦動的シール - Google Patents

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Abstract

【課題】静的な条件下と高回転速度という条件下との双方において有効なシールを提供すること。【解決手段】本発明は、内側部材と外側部材との径方向ギャップをシールするためのシール構成（１）に関するものであって、動的シール部分（１２）と；静的シール部分（１０）と；ラビリンスシール（５，６）と；を具備し、シール構成（１）が、さらに、リップシール（７）を具備し、このリップシールが、双方のラビリンスシールの間に配置され、リップシールのシーリングリップ（８）が、静的シール部分上の対向表面に対して当接し、シーリングリップの長手方向延出部分（Ｌ）が、回転軸線（ａ）に向けて、１０?〜８０?という角度（α）でもって延在している。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばシャフトといったような内側回転部材と、例えばベアリングハウジングといったような外側固定部材と、の間の径方向ギャップをシールするためのシール構成に関するものである。より詳細には、本発明は、高回転速度においても低摩擦であるようなシール構成に関するものである。
複数の回転部材を備えた機械は、一般に、例えば回転部材を支持するベアリング内へと湿気や汚染物質が侵入することを防止するために、また、ベアリングを潤滑しているグリースが漏洩することを防止するために、シールユニットを必要とする。径方向リップシールが、通常的に使用されるシールの一例である。この径方向リップシールは、対向面に当接するためのコンタクトリップを有している。これにより、静的な条件下における有効なシールが確保される。動的な条件下においては、リップは、対向面に対してスライド接触する。これにより、摩擦と熱とが生成される。このことは、従来的なリップシールが、多くの場合、高回転速度における使用に適していないことを意味する。
静的な条件下と高回転速度という条件下との双方において有効なシールが重要である１つの応用例は、鉄道ベアリングの分野である。コンパクトなトラクションベアリングユニットにおいては、例えば２００ｋｍ／ｈｒを超える速度で動作するトラクションベアリングユニットにおいては、過度の摩擦および熱の発生は、すぐに摩耗を引き起こしてしまい、シールの早すぎる故障を引き起こしてしまう。その結果、非接触型のラビリンスシールが、時に、そのようなベアリングシステムにおいて使用される。一例が、特許文献１に開示されている。
ＵＳ ８，３５６，９４１
しかしながら、ラビリンスシールの欠点は、互いに対向するラビリンス表面どうしの間のギャップが非常に小さなものでなければ、静的な条件下での有効なシールが得られないことである。したがって、そのようなシール構成における許容誤差の要求は、非常に厳しいものである。
したがって、改良の余地が残されている。
本発明は、相対的に回転可能とされた内側部材と外側部材との間の径方向ギャップをシールするためのシール構成に関するものであって、内側部材が、回転軸線まわりに回転可能とされ、外側部材が、内側部材の周囲において同軸的に配置されている。シール構成は、内側部材に対して取付可能とされた動的シール部分と；外側部材に対して取付可能とされた静的シール部分と；を具備している。シール構成は、第１および第２のラビリンスシールであるとともに、各々は、静的シール部分上の対向する表面と動的シール部分上の対向する表面との間のギャップによって形成された、第１および第２のラビリンスシールを具備している。シール構成は、さらに、リップシールを具備し、このリップシールは、第１ラビリンスシールと第２ラビリンスシールとの間において径方向に配置されている。リップシールは、動的シール部分に対して連結されたシーリングリップを備え、このシーリングリップは、静的シール部分上の径方向を向いた対向表面に対して当接している。シーリングリップは、径方向断面内において長手方向延出部分を有し、この長手方向延出部分は、回転軸線に向けて、１０°〜８０°という角度でもって延在している。
よって、シーリングリップは、遠心力の作用時には、対向表面から離間する向きに偏向するものとされている。これにより、速度が増大した際でも、リップの接触力を低減することができる。これにより、摩擦の増大化を最小とすることができる。ある種の高回転速度においては、リップは、対向表面から持ち上げられることとなる。持ち上げられたとしても、シール構成の全体的シール作用に悪影響を及ぼすことがない。なぜなら、第１および第２のラビリンスシールが、高回転速度において、最適のシール効果を有しているからである。したがって、本発明によるシール構成は、静的な条件下においておよび低速条件下において有効なシールをもたらすとともに、高速条件下においては低摩擦の有効なシール効果をもたらす。好ましくは、シーリングリップは、長手方向において、回転軸線に対して、３０°〜６０°という角度を形成する。
一例においては、シーリングリップは、弾性材料から形成され、例えばモールドプロセスによって、動的シール部分の径方向に延在するフランジ部分に対して連結されている。シーリングリップの長手方向延出部分とフランジ部分との間の連結は、好適には、ヒンジポイントを介して行うことができる。シーリングリップは、遠心力の作用時には、ヒンジポイントまわりに回転することができる。ヒンジポイントは、弾性材料の比較的薄い部分によって構成することができる。
持ち上げが起こる速度以下の速度においては、シーリングリップは、対向表面に対してスライド接触する。摩擦をさらに低減するために、このスライド接触は、好ましくは、シール用途に特に適したシールグリースによって潤滑される。典型的には、本発明のシール構成によってシールされたスペースは、特に鉄道用途のための二列テーパーローラベアリングといったようなローリング部材ベアリングを収容する。ベアリングは、ローリング接触に適したグリースによって潤滑される。異なるシールグリースが使用される場合には、それら異なるグリースどうしを離間状態に維持することが重要である。この機能は、第１ラビリンスシールによって、実行される。
第１ラビリンスシールは、リップシールよりも径方向内側に配置され、少なくとも部分的に、動的シール部分の円筒形取付部分と静的シール部分の円筒形部分との間の環状ギャップによって形成されている。好ましい一例においては、動的シール部分は、さらに、シール構成の径方向内側（ベアリング側）のところにおいて径方向の延出部分（突起）を有し、この延出部分は、第１ラビリンスシールの環状ギャップに対して径方向にオーバーラップしている。この延出部分は、リップシールと、シール構成によってシールされるスペースと、の間における付加的なバリアを形成する。
径方向延出部分は、シーリングリップと同一の材料から形成することができ、同じプロセスによって、動的シール部分に対して連結することができる。これに代えて、径方向の延出部分は、動的シール部分の円筒形取付部分の一部によって形成することができる。この部分は、動的シール部分と静的シール部分とが組み立てられた後に、径方向外向きに曲げられる。
第１ラビリンスシールとリップシールと第２ラビリンスシールとは、好ましくは、実質的に互いに同じ軸線方向位置のところに配置される。これにより、コンパクトな構成とすることができる。よって、第１ラビリンスシールとリップシールと第２ラビリンスシールとは、径方向断面内においては、互いに上下方向の位置関係で配置される。
第２ラビリンスシールは、リップシールよりも径方向外側に配置されている。第２ラビリンスシールは、シール構成内に汚染物質を侵入させないという一次的な機能を有している。一例においては、第２ラビリンスシールは、静的シール部分の軸線方向を向いた対向する表面と動的シール部分の軸線方向を向いた対向する表面との間の軸線方向ギャップによって、さらに、静的シール部分の径方向を向いた対向する表面と動的シール部分の径方向を向いた対向する表面とからなる第１組をなす対向表面どうしの間の第１環状ギャップと、静的シール部分の径方向を向いた対向する表面と動的シール部分の径方向を向いた対向する表面とからなる第２組をなす対向表面どうしの間の第２環状ギャップと、によって、形成されたＵ字形状を有している。
好適には、静的シール部分は、径方向外側脚と径方向内側脚を有したＵ字形状部材を備えている。動的シール部分は、好適には、Ｕ字形状部材の径方向外側脚と径方向内側脚との間に少なくとも部分的に配置された外側円筒形部分を備え、これにより、上述したような第１環状ギャップおよび第２環状ギャップが形成されている。
よって、本発明の構成においては、シール構成は、汚染物質がシーリングリップへと到達することを防止するための複雑なラビリンスシールを備えている。シーリングリップは、遠心力の作用時には、静的シール部分上の対向表面から離間する向きに偏向し得るよう構成されている。よって、シール構成は、高回転速度において、低摩擦の有効なシール効果を提供する。さらに、ラビリンスシールは、シール構成によってシールされたスペースからのグリースの移動を防止する。これにより、シール内において特定のグリースを使用することができる。
本発明の上記の利点や他の利点は、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。
本発明の一実施形態を示す図であり、鉄道ベアリングユニットに対して取り付けられたシール構成を示す径方向断面図である。
図１においては、鉄道ベアリングユニットの一部を形成するシール構成が図示されている。このシール構成１は、外部環境Ｅに対してベアリング構成２（詳細には図示されていない）をシールしている。ベアリング構成２は、固定ハウジング４（これに代えて、この固定ハウジングは、また、外側ベアリングリングとすることもできる）内において、回転シャフト３を支持している。回転シャフト３は、軸線ａまわりに回転する。
シール構成１は、３つのシール部材を備えている。すなわち、第１ラビリンスシール５と、第２ラビリンスシール６と、リップシール７と、を備えている。ここで、リップシール７は、２つのラビリンスシール５，６の間に配置されている。
より詳細には、シール構成１は、回転シャフト３に対して取り付けられた動的シール部分１２と、固定ハウジング４に対して取り付けられた静的シール部分１０と、を備えている。静的シール部分１０は、フランジ部分１０’を有している。このフランジ部分１０’は、外側円筒形取付部分から径方向内向きに延出されている。加えて、静的シール部分１０は、内側円筒形部分９を有している。この内側円筒形部分９は、フランジ部分１０’から軸線方向外向きに延出されている。好適には、これらの部分９，１０’は、例えばシート金属といったような材料から形成された変形チューブ状部材の一部分とされる。
動的シール部分１２は、円筒形取付部分１２’（回転シャフト３に対して取り付けられている）と、この円筒形取付部分１２’から径方向外向きに延出されているフランジ部分１２”と、を備えている。加えて、外側円筒形部分１２''' が、動的フランジ部分１２”から、軸線方向内向きに、静的シール部分１０の静的フランジ部分１０’に向けて、延出されている。この場合にも、動的シール部分１２の各構成部材は、好適には、例えばシート金属といったような材料から形成された変形チューブ状部材の一部分とされる。
第１ラビリンスシール５は、少なくとも部分的に、静的シール部分１０の円筒形部分９の径方向内表面と、動的シール部分１２の円筒形取付部分１２’の径方向外表面と、の間の環状ギャップ１１によって形成されている。
動的シール部分１２は、さらに、弾性シーリングリップ８を備えている。この弾性シーリングリップ８は、回転軸線ａに向けて自身の長手方向Ｌに沿って延在している。この弾性シーリングリップ８は、動的フランジ部分１２”に対して連結されており、長手方向に延在する形状部分を有している。この長手方向に延在する形状部分は、回転軸線ａに対して角度αを形成している。弾性シーリングリップ８の当接表面は、静的シール部分１０上の円筒形部分９の径方向外表面によって形成された対向表面に対して、当接している。図示の例においては、角度αは、約４５°とされている。さらに、弾性シーリングリップ８は、弾性材料の比較的薄い部分を介して、動的シール部分１２のフランジ部分１２”に対して連結されている。この比較的薄い部分は、ヒンジ部分１９として機能し、弾性シーリングリップ８は、このヒンジ部分１９まわりに回転することができる。よって、動的シール部分１２の回転時における遠心力の作用下においては、弾性シーリングリップ８は、対向表面から離間する向きに（図１における矢印の向きに）付勢されることとなる。
したがって、回転シャフト３の回転時には、弾性シーリングリップ８と円筒形部分９上の対向表面との間の接触力は、低減される。十分な回転速度においては、弾性シーリングリップ８は、円筒形部分９から持ち上げられることとなる。このことは、鉄道ベアリングユニットに関して通常的である例えば２００ｋｍ／ｈｒを超えるような高回転速度において、低摩擦シールを可能とする。理解されるように、弾性シーリングリップ８は、用途に応じた所定の回転速度において持ち上げられるように構成することができる。
有利には、リップシール７には、持ち上げ速度以下の速度における摩擦を最小化し得るよう、グリース潤滑剤が設けられる。好適には、シールグリースは、スライド接触に特に適したものとされ、ベアリング構成２を潤滑するためのベアリンググリースの中の様々なグリースとすることができる。動的な条件下においては、第１ラビリンスシール５が、２つの異なるグリースが、離間されたままであることを確保する。
静的な条件下における離間を確保するために、動的シール部分１２は、好ましくは、第２径方向突起１８を備えている。この第２径方向突起１８は、シャフト取付部分１２’のうちの軸線方向内側部分（ベアリング側部分）から延出されている。この第２径方向突起１８は、径方向において、静的シール部分１０のフランジ部分１０’に対してわずかにオーバーラップしている。図示の実施形態においては、第２径方向突起１８は、弾性シーリングリップ８を形成するために動的シール部分１２に対して連結されたものと同じ弾性材料から形成されている。第２径方向突起１８は、いくらかのフレキシブルさを有している。このため、第２径方向突起１８を弾性的に変形させることにより、シール構成１の動的シール部分１２と静的シール部分１０とを、軸線方向において組み立てることができる。さらなる実施形態においては（図示せず）、動的シール部分１２のシャフト取付部分１２’の少なくとも径方向内表面は、弾性材料からなる層によってカバーされる。これにより、回転シャフト３上にかかる応力を低減することができる。
第２径方向突起１８は、また、シャフト取付部分１２’の径方向延長部分によっても形成することができる。その場合、径方向延長部分は、動的シール部分１２と静的シール部分１０とが軸線方向において組み立てられた後に、径方向外向きに曲げられる。
シール構成１は、また、ベアリング構成２が配置されたシールスペース内へと外部環境Ｅからの汚染物質が侵入することを防止するように機能することもできる。第２ラビリンスシール６は、このシール機能において重要な役割を果たす。特に、シーリングリップ８が対向表面から持ち上げられる高速回転時に、シール機能において重要な役割を果たす。第２ラビリンスシール６は、好ましくは、第１環状ギャップと第２環状ギャップと軸線方向ギャップとからなるＵ字形状ギャップによって、形成される。
図示の実施形態においては、静的シール部分１０は、静的フランジ部分１０’の軸線方向外側に取り付けられたＵ字形状部材１３を備えている。このＵ字形状部材１３は、動的シール部分１２の外側円筒形部分１２''' の対向径方向表面に対して軸線方向にオーバーラップする第１脚１３’および第２脚１３”を有している。第１環状ギャップ１４が、第１脚１３’の径方向内表面と外側円筒形部分１２''' の径方向外表面との間に形成されている。第２環状ギャップ１５が、第２脚１３”の径方向外表面と外側円筒形部分１２''' の径方向内表面との間に形成されている。軸線方向ギャップが、Ｕ字形状部材１３の軸線方向側面と外側円筒形部分１２''' の軸線方向側面とによって形成されている。
好適には、外部環境Ｅに対して開口している第１環状ギャップ１４の径方向寸法は、非常に小さなものとされ、例えば０．５ｍｍとされる。これは、汚染物質の侵入を制限するためである。好ましくは、軸線方向ギャップは、軸線方向の寸法において、より大きなものとされ、例えば１．５ｍｍとされる。これは、回転シャフト３と固定ハウジング４との間の軸線方向変位を許容するためである。
図示の実施形態においては、第２ラビリンスシール６の第２環状ギャップ１５は、径方向の寸法が一定ではない。Ｕ字形状部材１３の第２脚１３”は、小さな径方向突起１６を有している。この小さな径方向突起１６は、湿気や他の汚染物質に対しての収集スペース１７を規定する。小さな径方向突起１６は、シール構成内への汚染物質の侵入防止を補助する。
静的シール部分１０のフランジ部分１０’は、シート金属から形成することができる。図示の例においては、フランジ部分１０’は、径方向の中央領域において、Ｓ字形状を有している。Ｕ字形状部材１３は、ポリマー材料から形成することができ、そのＳ字形状部分のところにおいて、静的フランジ部分１０’に対して接着することができるあるいはモールドする（一体化する）ことができる。そうすることにより、Ｕ字形状部材１３の適切な位置決めを、Ｓ字形状のうちの径方向アンダーカット部分によって、確立することができる。そのアンダーカット部分は、Ｕ字形状部材１３を径方向に位置合わせするための軸線方向張出部分を形成する。他の実施形態においては、静的なフランジ部分１０’は、径方向において直線形状とされる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によるものであると解釈されるべきである。
１ シール構成
２ 二列テーパーローラベアリング
３ 内側部材
４ 外側部材
５ 第１ラビリンスシール
６ 第２ラビリンスシール
７ リップシール
８ シーリングリップ
９ 円筒形部分
１０ 静的シール部分
１０’ フランジ部分
１１ 環状ギャップ
１２ 動的シール部分
１２’ 円筒形取付部分
１２” フランジ部分
１２''' 外側円筒形部分
１３ Ｕ字形状部材
１３’ 径方向外側脚
１３” 径方向内側脚
１４ 第１環状ギャップ
１５ 第２環状ギャップ
１６ 突起
１７ 保持スペース
１８ 突起
１９ ヒンジ部分
ａ 回転軸線
Ｌ 長手方向延出部分

Claims (14)

  1. 相対的に回転可能とされた内側部材と外側部材との間の径方向ギャップをシールするためのシール構成（１）であって、
    前記内側部材（３）が、回転軸線（ａ）まわりに回転可能とされ、
    前記外側部材（４）が、前記内側部材（３）の周囲において同軸的に配置され、
    前記シール構成が、
    −前記内側部材（３）に対して取付可能とされた動的シール部分（１２）と；
    −前記外側部材（４）に対して取付可能とされた静的シール部分（１０）と；
    −第１および第２のラビリンスシール（５，６）であるとともに、各々が、前記静的シール部分上の対向する表面と前記動的シール部分上の対向する表面との間のギャップによって形成された、第１および第２のラビリンスシール（５，６）と；
    を具備し、
    このようなシール構成において、
    前記シール構成（１）が、さらに、リップシール（７）を具備し、
    このリップシール（７）が、前記第１ラビリンスシール（５）と前記第２ラビリンスシール（６）との間において径方向に配置され、
    前記リップシール（７）が、前記動的シール部分（１２）に対して連結されたシーリングリップ（８）を備え、
    このシーリングリップ（８）が、前記静的シール部分上の径方向を向いた対向表面に対して当接し、
    前記シーリングリップ（８）が、径方向断面内において長手方向延出部分（Ｌ）を有し、
    この長手方向延出部分（Ｌ）が、前記回転軸線（ａ）に向けて、１０°〜８０°という角度（α）でもって延在していることを特徴とするシール構成。
  2. 請求項１記載のシール構成において、
    前記シーリングリップ（８）が、前記動的シール部分のフランジ部分（１２”）に対して連結され、
    この連結が、ヒンジ部分（１９）によって行われ、
    前記シーリングリップが、遠心力の作用時には、前記ヒンジ部分（１９）まわりに回転可能とされ、これにより、前記シーリングリップ（８）が、前記対向表面から離間する向きに偏向するものとされていることを特徴とするシール構成。
  3. 請求項１または２記載のシール構成において、
    前記第１ラビリンスシール（５）と前記リップシール（７）と前記第２ラビリンスシール（６）とが、互いに同じ軸線方向位置のところに配置されていることを特徴とするシール構成。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のシール構成において、
    前記対向表面が、前記静的シール部分の円筒形部分（９）の径方向外表面上に位置しており、
    前記第１ラビリンスシール（５）が、少なくとも部分的に、前記円筒形部分（９）の径方向内表面と、前記内側部材（３）に対して取付可能な前記動的シール部分の円筒形取付部分（１２’）と、の間の環状ギャップ（１１）によって形成されていることを特徴とするシール構成。
  5. 請求項４記載のシール構成において、
    前記動的シール部分が、前記シール構成の径方向内側のところにおいて前記円筒形取付部分（１２’）から径方向外向きに延出された突起（１８）を有し、
    この突起（１８）が、前記第１ラビリンスシール（５）の前記環状ギャップ（１１）に対して径方向にオーバーラップしていることを特徴とするシール構成。
  6. 請求項５記載のシール構成において、
    前記突起（１８）および前記シーリングリップ（８）が、同一の材料から形成され、
    この材料が、前記動的シール部分の前記円筒形取付部分（１２’）をなす部材に対しておよび前記動的シール部分の前記フランジ部分（１２”）をなす部材に対してモールドされていることを特徴とするシール構成。
  7. 請求項５記載のシール構成において、
    前記突起（１８）が、前記動的シール部分の前記円筒形取付部分（１２’）の軸線方向延長部分によって形成され、
    前記軸線方向延長部分が、前記動的シール部分（１２）と前記静的シール部分（１０）とが軸線方向において互いに組み立てられた後に、径方向外向きに曲げられることを特徴とするシール構成。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のシール構成において、
    前記第２ラビリンスシール（６）が、前記静的シール部分の軸線方向を向いた対向する表面と前記動的シール部分の軸線方向を向いた対向する表面との間の軸線方向ギャップを有し、さらに、前記静的シール部分（１０）の径方向を向いた対向する表面と前記動的シール部分（１２）の径方向を向いた対向する表面とからなる第１組をなす対向表面どうしの間の第１環状ギャップ（１４）と、前記静的シール部分（１０）の径方向を向いた対向する表面と前記動的シール部分（１２）の径方向を向いた対向する表面とからなる第２組をなす対向表面どうしの間の第２環状ギャップ（１５）と、を有していることを特徴とするシール構成。
  9. 請求項８記載のシール構成において、
    前記静的シール部分（１０）が、径方向外側脚（１３’）と径方向内側脚（１３”）を有したＵ字形状部材（１３）を備え、
    前記動的シール部分（１２）が、前記Ｕ字形状部材（１３）の前記径方向外側脚（１３’）と前記径方向内側脚（１３”）との間に少なくとも部分的に配置された外側円筒形部分（１２''' ）を備え、これにより、前記第１環状ギャップ（１４）および前記第２環状ギャップ（１５）が、前記Ｕ字形状部材（１３）の前記脚と前記外側円筒形部分（１２''' ）との間に形成されていることを特徴とするシール構成。
  10. 請求項９記載のシール構成において、
    前記Ｕ字形状部材（１３）の前記径方向内側脚（１３”）が、径方向外向きに延出された突起（１６）を有し、これにより、前記Ｕ字形状部材（１３）内に保持スペース（１７）が確立されていることを特徴とするシール構成。
  11. 請求項９または１０記載のシール構成において、
    前記静的シール部分が、前記Ｕ字形状部材（１３）が取り付けられているフランジ部分（１０’）を備えていることを特徴とするシール構成。
  12. 請求項１１記載のシール構成において、
    前記フランジ部分（１０’）が、径方向断面内においてＳ字形状を有し、
    前記Ｕ字形状部材（１３）が、前記Ｓ字形状の一部を形成する軸線方向延長部分上に配置されていることを特徴とするシール構成。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシール構成において、
    前記シーリングリップ（８）と前記対向表面との間の当接インターフェースが、スライド接触に特に適したグリースによって潤滑されていることを特徴とするシール構成。
  14. 鉄道ベアリングユニットであって、
    二列テーパーローラベアリング（２）と、
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載されたシール構成と、
    を具備していることを特徴とする鉄道ベアリングユニット。
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