JP2017096332A - シール部材 - Google Patents

Abstract

【課題】シール構造によるシール性能をより高めることを可能とする、シール構造を提供する。
【解決手段】このシール部材１０は、ヒール部１０ｈの第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域には、湾曲面１１０、および、斜面１２０が設けられ、湾曲面１１０は、第１側面１０１および斜面１２０に対して接するように設けられ、斜面１２０は第３側面１０３と交わるように設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、シール構造に関し、特に、油空圧機器などにおけるロッド（ピストンロッド）とシリンダとの摺動隙間に用いられるシール部材の構造に関する。

たとえば、油圧機器におけるシリンダとロッド（ピストンロッド）との摺動隙間には、油室に導入される作動油の漏れ（高圧側から低圧側への作動油の漏れ）を防止するとともに、ロッドの往復運動を円滑に実現するために、シリンダに設けられたシール溝にシール部材が嵌め入れられるシール構造が採用されている。このようなシール構造は、特開２００５−３３７４４０号公報（特許文献１）、特開２０１４−２１４７６９（特許文献２）等に開示されている。

特開２００５−３３７４４０号公報 特開２０１４−２１４７６９号公報

近年、シール構造によるシール性能をより高めるため、シール部材の改善が日々行なわれている。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、シール構造によるシール性能をより高めることを可能とする、シール部材を提供することにある。

この発明に基づいたシール部材においては、油空圧機器におけるシリンダとロッドとの摺動隙間において高圧側と低圧側と仕切り、上記ロッドの外周面の周方向に沿って環状に設けられたシール溝の内部に収容されて、上記シリンダと上記ロッドとの摺動隙間を塞ぐシール部材であって、以下の構成を備える。

低圧側に位置するヒール部と、高圧側に位置するリップ部と、を含み、上記ヒール部は、上記ロッド側に位置する第１側面、上記第１側面に対向位置する第２側面、および、高圧側に位置する第３側面を有し、上記リップ部は、上記ロッド側に向けて拡がる第１リップ部、および、上記ロッド側とは反対側に向けて拡がる第２リップ部を有し、上記ヒール部の第１側面および上記第３側面が交わる領域には、湾曲面、および、斜面が設けられ、上記湾曲面は、上記第１側面および上記斜面に対して接するように設けられ、上記斜面は上記第３側面と交わるように設けられている。

他の形態においては、上記湾曲面および上記斜面の上記第３側面への投影長さは、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、上記湾曲面の半径は、２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、上記斜面の上記第３側面に対する傾斜角度は、３０°から８０°である。

本発明によれば、シール構造によるシール性能をより高めることを可能とする、シール構造を提供することが可能になる。

実施の形態の油圧機器に採用されるシール構造を示す断面図である。 実施の形態の第１シール部材の構造を示す斜視図である。 図２中のＩＩＩ線矢視断面図である。 実施の形態における第１シール部材のシール状態を示す部分拡大模式図である。 （Ａ）は、実施の形態の装着時における第１シール部材のシール圧状態を示す図、（Ｂ）は、実施の形態の装着時における第１シール部材の接触幅と接触面圧との関係を示す図である。 （Ａ）は実施の形態の圧力負荷時における第１シール部材のシール圧状態を示す図、（Ｂ）は実施の形態の圧力負荷時における第１シール部材の接触幅と接触面圧との関係を示す図である。 関連技術における第１シール部材の構造を示す断面図である。 関連技術における第１シール部材のシール状態を示す部分拡大模式図である。 （Ａ）は関連技術の装着時における第１シール部材におけるシール圧状態を示す図、（Ｂ）は関連技術の装着時における接触幅と接触面圧との関係を示す図である。 （Ａ）は関連技術の圧力負荷時における第１シール部材におけるシール圧状態を示す図、（Ｂ）は関連技術の圧力負荷時における接触幅と接触面圧との関係を示す図である。 実施の形態および関連技術の摺動距離および漏れ量の関係を示す図である。 実施の形態の第１シール部材の変形例を示す断面図である。 実施の形態の第１シール部材の他の変形例を示す断面図である。 （Ａ）は、実施例１の圧力負荷時における、（Ｒ＝１５、θ＝８０°、ａ＝０．３）のシール圧状態を示す図、（Ｂ）は、実施例１の圧力負荷時における接触幅と接触面圧との関係を示す図である。 （Ａ）は、実施例２の圧力負荷時における、（Ｒ＝２、θ＝３０°、ａ＝２）のシール圧状態を示す図、（Ｂ）は、実施例２の圧力負荷時における接触幅と接触面圧との関係を示す図である。 （Ａ）は、実施例３の圧力負荷時における、（Ｒ＝０．５、θ＝３０°、ａ＝２）のシール圧状態を示す図、（Ｂ）は、実施例３の圧力負荷時における接触幅と接触面圧との関係を示す図である。

本発明に基づいた実施の形態におけるシール部材およびそのシール部材を用いたシール構造について、以下、図を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。以下では、油空圧機器の一例として油圧シリンダを挙げているが、油圧シリンダに限定されず、広く油空圧機器に適用することが可能である。

（シール構造）
図１を参照して、本実施の形態におけるシール構造について説明する。図１は、実施の形態における油圧シリンダに採用されるシール構造を示す断面図である。図１中において、シリンダ１およびロッド（ピストンロッド）２は、説明の便宜上破線で図示している。図１に示すシール構造は、ロッド２との圧接およびロッド２の往復運動（図１中の上下方向）にともなって変形するが、シール構造を明確に理解するため、シール構造には圧力が加わっていない状態を図示している。

ロッド２の外周面の周方向に沿って環状の第１シール溝１０Ｇが設けられている。この第１シール溝１０Ｇには、シリンダ１とロッド２との摺動隙間を塞ぐ第１シール部材１０が収容されている。

ロッド２の外周面の周方向に沿って環状に設けられ、第１シール溝１０Ｇよりも高圧側に、第２シール溝２０Ｇが設けられている。図示において、上方側に高圧の油圧室が設けられている。第２シール溝２０Ｇには、シリンダ１とロッド２との摺動隙間を塞ぐ第２シール部材２０が収容されている。

（第１シール部材１０）
図２および図３を参照して、本実施の形態における第１シール部材１０について説明する。図２は、第１シール部材１０の構造を示す斜視図、図３は、図２中のＩＩＩ線矢視断面図である。

第１シール部材１０は、全体として環状の形態を有し、ウレタン樹脂等の合成樹脂、天然ゴム、合成ゴム、または、フッ素ゴムにより一体成型されている。第１シール部材１０は、高圧側に開放側を有する断面形状が略Ｕ字形状を有している。

より具体的には、図３に示す断面視において、低圧側に位置するヒール部１０ｈと、高圧側に位置するリップ部１０ｒとを備えている。ヒール部１０ｈは、ロッド２側に位置する第１側面１０１、第１側面１０１に対向位置する第２側面１０２、および、高圧側に位置する第３側面１０３を含む。

リップ部１０ｒは、ロッド２側に向けて拡がる第１リップ部１０ｂ、および、ロッド２側とは反対側に向けて拡がる第２リップ部１０ｃを含む。第１リップ部１０ｂおよび第２リップ部１０ｃにより略Ｖ字形状を形成している。

さらに、ヒール部１０ｈから見てロッド２側の低圧側である、ヒール部１０ｈの第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域には、湾曲面１１０、および、斜面１２０とが設けられている。湾曲面１１０は、第１側面１０１および斜面１２０に対して接するように設けられ、斜面１２０は第３側面１０３と交わるように設けられている。

湾曲面１１０および斜面１２０の第３側面１０３への投影長さを、「ａ」とし、湾曲面１１０の半径を「Ｒ」とし、斜面１２０の第３側面１０３に対する傾斜角度を「θ」とすると、第１シール部材１０におけるロッド２に対するより良好な密閉性を得るには、投影長さ「ａ」は、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下、湾曲面１１０の半径「Ｒ」は、２ｍｍ以上１５ｍｍ以下、斜面１２０の第３側面１０３に対する傾斜角度「θ」は、３０°から８０°であると良い。この点については、後述の実施例で説明する。

再び、図１を参照して、第１シール部材１０から見た場合には、ロッド２が低圧側から高圧側に向けて移動する場合は、「引き工程」と呼ばれ、ロッド２が高圧側から低圧側に向けて移動する場合は、「押し工程」と呼ばれる。

図４から図６を参照して、第１シール部材１０のシール状態について説明する。図４は、「引き工程」における、シール状態を示す部分拡大模式図、図５（Ａ）は、装着時における第１シール部材１０のシール圧状態を示す図、図５（Ｂ）は、装着時における第１シール部材１０の接触幅と接触面圧との関係を示す図、図６（Ａ）は、圧力負荷時における第１シール部材１０のシール圧状態を示す図、図６（Ｂ）は、圧力負荷時における第１シール部材１０の接触幅と接触面圧との関係を示す図である。なお、図５（Ａ）、図６（Ａ）中においてＰ１〜Ｐ１０は内圧の分布を示し、Ｐ１からＰ１０に向けて内圧が小さくなることを示している。

図４および図５（Ａ）に示すように、第１リップ部１０ｂがロッド２側に向けて拡がる形態を有するとともに、第１シール部材１０のヒール部１０ｈの第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域に、湾曲面１１０、および、斜面１２０とを設けることで、装着時においてもヒール部１０ｈは、ロッド２に対して非接触状態となり、「引き工程」時には、油ＯＬをシリンダ１の内部に容易に戻すことを可能とする。

図５（Ｂ）の装着時における第１シール部材１０の接触幅と接触面圧との関係を示す図からも明らかなように、ヒール部１０ｈの第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域においては、ロッド２に接触しないことから領域Ｒ１においてピーク面圧は発生していない。一方、第１リップ部１０ｂと第２リップ部１０ｃとは、第１シール溝１０Ｇとロッド２とにより挟み込まれ大きく変形することから、その反力に基づき、領域Ｐ２（（Ａ）中のＰ９で示す領域）において接触によるピーク面圧が発生している。

次に、図６における圧力負荷時においても、ヒール部１０ｈの第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域において、湾曲面１１０、および、斜面１２０とを設けることで、領域Ｒ１にピーク面圧が発生することなく、接触幅が移動しても接触面圧は滑らかな状態を保つことを可能としている。その結果、シリンダ１内部への油を抵抗が少なく戻すことが可能となり、第１シール部材１０を用いたシール構造により油の吸い込み特性が向上しシール性能をより高めることを可能とする。

一方、図７に、関連技術における第１シール部材１０Ｘの断面図を示す。図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面に相当する図である。リップ部１０ｒの第１リップ部１０ｂおよび第２リップ部１０ｃの形状は、本実施の形態の第１シール部材１０と同じである。この第１シール部材１０Ｘは、第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域には、斜面１５０のみが設けられ、湾曲面は設けられていない。

図８から図１０を参照して、関連技術の第１シール部材１０Ｘのシール状態について説明する。図８は、「引き工程」における、シール状態を示す部分拡大模式図、図９（Ａ）は、装着時における第１シール部材１０Ｘのシール圧状態を示す図、図９（Ｂ）は、装着時における第１シール部材１０Ｘの接触幅と接触面圧との関係を示す図、図１０（Ａ）は、圧力負荷時における第１シール部材１０Ｘのシール圧状態を示す図、図１０（Ｂ）は、圧力負荷時における第１シール部材１０Ｘの接触幅と接触面圧との関係を示す図である。なお、図９（Ａ）、図１０（Ａ）中においてＰ１〜Ｐ１０は内圧の分布を示し、Ｐ１からＰ１０に向けて内圧が小さくなることを示している。

図８および図９（Ａ）に示すように、第１シール部材１０Ｘは、第１シール部材１０Ｘのヒール部１０ｈには、湾曲面は設けられておらず、斜面１５０のみが設けられいてる。その結果、装着時において、ヒール部１０ｈは、ロッド２に対して接触状態となり、図９（Ｂ）に示すように領域Ｒ３にピーク面圧が形成される。また、図１０における圧力負荷時においても、ヒール部１０ｈの第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域においては、斜面１５０のみであることから、領域Ｒ４においてさらに大きなピーク面圧が発生する。その結果、引き工程時において、油の吸い込み特性が悪く油漏れの原因の一要素となっていた。

図１１に、実施の形態の第１シール部材１０と関連技術の第１シール部材１０Ｘとの漏れ量を対比して説明する。図１１は、実施の形態の第１シール部材１０と関連技術の第１シール部材１０Ｘとの、摺動距離および漏れ量の関係を示す図である。

第１シール部材１０および第１シール部材１０Ｘはいずれも、ウレタン樹脂等の合成樹脂（硬さデュロメータＡ９０、引張強さＭｐａ４４．０、伸び５００％、圧縮永久歪４０％、圧縮永久歪試験の条件８）（８０℃−７０ｈ）：日本バルカー工業株式会社製、製品番号Ｒ５５９０））を用いた。

第１シール部材１０は、Ｒ＝２ｍｍ、θ＝６０°、ａ＝０．６ｍｍである。第１シール部材１０Ｘは、湾曲面は設けられておらず、斜面１５０は、Ｒ＝０ｍｍ、θ＝４５°、ａ＝０．５ｍｍである（いわゆるＣ面＝０．５ｍｍ）。

測定においては、いずれも第１シール部材のみを装着し、シリンダ１からの油の外部漏れ量を測定した。その結果を、図１１に示す。本実施の形態における第１シール部材１０は、関連技術における第１シール部材１０Ｘに比較して良好な密封性能を有することが確認できた。

（実施例）
図１２および図１３に、本実施の形態における第１シール部材１０の変形例の構造を示す。図１２は、「ａ」を比較的大きく設けた第１シール部材１０Ａの場合の形状を示し、図１３は「θ」を比較的大きく設けた第１シール部材１０Ｂの場合を示す。

さらに、図１４から図１６に、具体的な実施例１から実施例３として、圧力負荷時における接触幅と接触面圧との関係を示す。実施例１における第１シール部材１０は、Ｒ＝１５、θ＝８０°、ａ＝０．３の形状を有し、実施例２における第１シール部材１０は、Ｒ＝２、θ＝３０°、ａ＝２の形状を有し、実施例３における第１シール部材１０は、Ｒ＝０．５、θ＝３０°、ａ＝２の形状を有している。各図の（Ａ）においては、Ｐ１〜Ｐ１０は内圧の分布を示し、Ｐ１からＰ１０に向けて内圧が小さくなることを示している。

図１４に示す実施例１の場合は、接触幅の全域においてピーク面圧は発生しておらず、良好な面圧が示されていることから、優良なシール性能を有していることが確認できた。

図１５に示す実施例２の場合は、上記実施例１に比べて、接触幅の全域においてピーク面圧は発生しておらず、より良好な面圧が示されていることから、優良なシール性能を有していることが確認できた。

図１６に示す実施例３の場合は、上記実施例１に比べて、接触幅が約１ｍｍ近傍の領域において、微小なピーク面圧が発生していることから、実施例１に比べては良好でないものの、図１０に示した関連技術に比べると良好であることから、全体としては、良好なシール性能を有していることが確認できた。

以上の実施例によれば、ヒール部１０ｈの第１側面１０１および第３側面１０３が交わる領域には、湾曲面１１０、および、斜面１２０が設けられ、湾曲面１１０は、第１側面および斜面１２０に対して接するように設けられ、斜面１２０は第３側面１０３と交わるように設けられている。これにより、本実施の形態における第１シール部材は、良好な密封性能を有している。

さらに、湾曲面１１０および斜面１２０の第３側面１０３への投影長さ「ａ」を、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下とし、湾曲面１１０の半径「Ｒ」を、２ｍｍ以上１５ｍｍ以下として、斜面１２０の第３側面１０３に対する傾斜角度「θ」を、３０°から８０°にすることで、より好ましい密封性能を得ることを可能としている。

以上、実施の形態および実施例について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ シリンダ、２ ロッド、１０，１０Ａ，１０Ｂ 第１シール部材、１０Ｇ 第１シール溝、１０ｈ ヒール部、１０ｒ リップ部、２０ 第２シール部材、２０Ｇ 第２シール溝、１０１ 第１側面、１０２ 第２側面、１０３ 第３側面、１０ｂ 第１リップ部、１０ｃ 第２リップ部、１１０ 湾曲面、１２０ 斜面。

Claims (2)

1. 油空圧機器におけるシリンダとロッドとの摺動隙間において高圧側と低圧側と仕切り、前記ロッドの外周面の周方向に沿って環状に設けられたシール溝の内部に収容されて、前記シリンダと前記ロッドとの摺動隙間を塞ぐシール部材であって、
   低圧側に位置するヒール部と、
   高圧側に位置するリップ部と、含み、
   前記ヒール部は、
   前記ロッド側に位置する第１側面、前記第１側面に対向位置する第２側面、および、高圧側に位置する第３側面を有し、
   前記リップ部は、
   前記ロッド側に向けて拡がる第１リップ部、および、前記ロッド側とは反対側に向けて拡がる第２リップ部を有し、
   前記ヒール部の第１側面および前記第３側面が交わる領域には、湾曲面、および、斜面が設けられ、
   前記湾曲面は、前記第１側面および前記斜面に対して接するように設けられ、
   前記斜面は、前記第３側面と交わるように設けられている、シール部材。
2. 前記湾曲面および前記斜面の前記第３側面への投影長さは、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、
   前記湾曲面の半径は、２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、
   前記斜面の前記第３側面に対する傾斜角度、３０°から８０°である、請求項１に記載のシール部材。

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