JP2022074182A - オイルシール - Google Patents

Abstract

【課題】高温において適切な長さに伸びる形状記憶合金の特性が形状記憶コイルばねに与えられても、低温下に適切な締結力を得ることができるオイルシールの提供にある。【解決手段】ガータースプリング２５の両端部の間に設けられ、ガータースプリング２５の締結力を調整する締結力調整機構２６を備え、締結力調整機構２６は、ガータースプリング２５の一方の端部２７および他方の端部２８に接続される形状記憶コイルばね３３と、ガータースプリング２５の一方の端部２７および他方の端部２８に接続されるとともに形状記憶コイルばね３３と並設されるコイルばね３４と、を備え、形状記憶コイルばね３３は、第１設定温度以上の高温のとき形状記憶の特性により伸長し、コイルばね３４は、第１設定温度よりも低い第２設定温度に達した低温のとき形状記憶コイルばね３３を収縮する。【選択図】 図４

Description

この発明は、オイルシールに関する。

従来のオイルシールとして、例えば、特許文献１に開示されたオイルシールが知られている。特許文献１に開示されたオイルシールは、補強用金属環とゴム製リップとを同時に加硫接着し形成されたコイルスプリング入りオイルシールである。このオイルシールでは、内装されているコイルスプリングに、形状記憶合金を使用し、このコイルスプリングが設定温度に達したとき伸びてその締付力を弱めるようにしている。

特許文献１に開示されたオイルシールは、コイルスプリングに形状記憶合金を使用したことで、異常時にリップ先端部の温度が上昇した際、ばねの自由長を増すことにより、その締結力を弱め、軸との焼付を防止する。したがって、オイルシールの安全性および信頼性を高めるとともに、その寿命を長くできるとしている。

特開平８－１６６０８４号公報

特許文献１に開示されたオイルシールでは、形状記憶合金のコイルスプリングが高温になると、形状記憶された状態に復元しようとする形状記憶の特性により伸びてその締付力が緩和される。しかしながら、低温下となったとき、形状記憶の特性により伸びた形状記憶合金のコイルスプリングは自身では収縮できず、軸に対する適切な締結力が得られない。したがって、低温下ではオイルシールの締結力の不足によってオイルが漏洩するという問題がある。また、単に、低温下で適切な締結力を実現する形状記憶合金のコイルスプリングを用いると高温下では締結力が過大となり、軸との摺接による摩耗が回避できない。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高温において適切な長さに伸びる形状記憶合金の特性が形状記憶コイルばねに与えられても、低温下に適切な締結力を得ることができるオイルシールの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、軸体と静止体との間に設けられ、前記静止体の内部と外部空間とを仕切るシール本体と、前記シール本体と一体的に設けた補強環と、前記シール本体に備えられ、前記軸体の外周面と摺接するシールリップ部と、前記シールリップ部の外周に装着されるガータースプリングと、を備えるオイルシールであって、前記ガータースプリングの両端部の間に設けられ、前記ガータースプリングの締結力を調整する締結力調整機構を備え、前記締結力調整機構は、前記ガータースプリングの一方の端部および他方の端部に接続され、形状記憶合金を材料として、予め設定された設定温度以上のときに伸長する形状記憶コイルばねと、前記ガータースプリングの一方の端部および他方の端部に接続されるとともに前記形状記憶コイルばねと並設されて、前記形状記憶コイルばねを縮める方向の付勢力を有するコイルばねと、を備えることを特徴とする。

本発明では、温度が上昇して予め設定された設定温度以上のとき、形状記憶コイルばねが形状記憶の特性によって伸長するとともに、コイルばねを伸長する。このため、ガータースプリングの両端の間隔が広くなり、軸体に対するガータースプリングの締結力は緩和される。また、設定温度以上の状態から温度が低下すると、コイルばねは、形状記憶の特性によって伸長した形状記憶コイルばねを収縮する。このため、ガータースプリングの両端の間隔が狭くなり、軸体に対する締結力は増大する。その結果、設定温度以上の高温では、ガータースプリングの締結力の緩和により、軸体とオイルシールとの過熱が防止でき、温度が低下すると、ガータースプリングの締結力の増大により、締結力の不足を防止できる。

また、上記のオイルシールにおいて、前記形状記憶コイルばねおよび前記コイルばねは、互いに同軸状に配置される構成としてもよい。
この場合、形状記憶コイルばねおよびコイルばねが互いに同軸状に配置されるため、締結力調整機構のスペースを抑制することができる。

また、上記のオイルシールにおいて、前記軸体は、産業車両のアクスルに備えられる軸体である構成としてもよい。
この場合、産業車両のアクスルに備えられる軸体は、大きな荷重を受けることから撓み易く、撓みによる偏心が生じ易いが、低温ではガータースプリングの締結力の増大により、締結力の不足を防止できるため、アクスルにおけるオイル漏洩を防止することができる。

また、上記のオイルシールにおいて、前記締結力調整機構は、前記ガータースプリングの一方の端部と固定される第１可動体と、前記ガータースプリングの他方の端部と固定される第２可動体と、を備え、前記第１可動体および前記第２可動体は、互いに直線的に相対移動可能な筒状部材であり、前記形状記憶コイルばねおよび前記コイルばねは、前記第１可動体および前記第２可動体の内部に配置され、前記第１可動体および前記第２可動体を介して前記ガータースプリングと接続されている構成としてもよい。
この場合、形状記憶コイルばねおよびコイルばねは、第１可動体および第２可動体の内部に配置されているので異物と干渉し難く、形状記憶コイルばねおよびコイルばねの耐久性を向上することができる。

本発明によれば、高温において適切な長さに伸びる形状記憶合金の特性が形状記憶コイルばねに与えられても、低温下に適切な締結力を得ることができるオイルシールを提供できる。

第１の実施形態に係るオイルシールを使用した回転機械の要部断面図である。 第１の実施形態に係るオイルシールの背面図である。 図２のＡ－Ａ線矢視図である。 第１の実施形態に係るオイルシールの締結力調整機構の縦断面図である。 （ａ）は第１設定温度以上になる前の締結力調整機構の模式図であり、（ｂ）は第１設定温度以上のときの締結力調整機構の模式図である。 第２の実施形態に係るオイルシールの締結力調整機構の縦断面図である。 本発明のオイルシールが適用されたフロントアクスルを示す縦断面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係るオイルシールについて図面を参照して説明する。本実施形態では回転機械に用いられるオイルシールを例示して説明する。

図１に示すように、回転機械１０における静止体としてのハウジング１１には、軸体１２を挿通する軸孔１３が形成されている。軸孔１３の一方の端部はハウジング１１の開口１４を形成しており、軸孔１３の他方の端部（図示せず）は閉塞されている。軸孔１３には軸体１２が挿通されている。軸体１２はベアリング１５によってハウジング１１に回転可能に支持されている。軸体１２の一方の端部１６は出力端として開口１４から突出しており、軸体１２の他方の端部（図示せず）は入力端として駆動源（図示せず）と接続されている。

図１に示すように、ハウジング１１の軸孔１３における軸心Ｐ方向の開口１４付近は、軸体１２の外周面１７と接近している。ハウジング１１の軸孔１３における内周面１８と軸体１２の外周面１７との間にオイルシール２０が設けられている。オイルシール２０は、ハウジング１１と軸体１２との間に設けられるように、ハウジング１１の軸孔１３における内周面１８に装着されている。したがって、オイルシール２０は、軸体１２が回転すると軸体１２の外周面１７に対して摺接する。オイルシール２０により封止されているハウジング１１内には、オイルが一定圧で充填されている。

本実施形態のオイルシール２０は、ハウジング１１内のオイルの圧力に対して対抗可能な耐圧型のオイルシールである。図２、図３に示すように、オイルシール２０は、シール本体２１と、補強環２２と、主リップ部２３と、補助リップ部２４と、ガータースプリング２５と、締結力調整機構２６と、を有する。ハウジング１１の内部と外部空間とを仕切るシール本体２１は耐油性ゴム材料から形成されている。シール本体２１の断面は略Ｌ字状であり、シール本体２１は断面略Ｌ字状の補強環２２と一体形成されている。補強環２２は金属材料により形成され、シール本体２１の環状の形状を維持する補強部材として機能する。

図３に示すように、シール本体２１の内周側には主リップ部２３および補助リップ部２４が備えられている。主リップ部２３は、軸体１２の外周面１７と摺接するシールリップ部に相当し、シール本体２１の内周側からシール本体２１の中心へ向けて山状に突出して形成されている。主リップ部２３は、軸体１２の外周面１７と圧接され、オイルの漏洩を防止する。補助リップ部２４は、シール本体２１において主リップ部２３よりも外部空間に近い側に備えられており、補助リップ部２４は、主に外部空間からの異物（水、塵埃）の進入を防止する。

図２に示すように、主リップ部２３の外周側にはガータースプリング２５が装着されている。ガータースプリング２５は、主リップ部２３を径方向の内側に押圧して主リップ部２３の締結力を増大させ、オイルシール２０の密封性を高める機能を有する。ガータースプリング２５は鋼製のコイルばねであり、ガータースプリング２５の一対の端部２７、２８は、締結力調整機構２６の両端と接続されている。

次に、締結力調整機構２６について説明する。図４に示すように、締結力調整機構２６は、ガータースプリング２５の締結力を設定するための機構である。締結力調整機構２６は、有底外筒体３１と、有底内筒体３２と、形状記憶コイルばね３３と、鋼製コイルばね３４と、を有する。

有底外筒体３１は第１可動体に相当する有底の円筒体であり、円筒状の外筒部３５と、外筒部３５の一方を塞ぐ底部３６と、を有する。有底外筒体３１における底部３６の外面には、ガータースプリング２５の一方の端部２７が係止される係止部３７が備えられている。有底内筒体３２は第２可動体に相当する有底の円筒体であり、円筒状の内筒部３８と、内筒部３８の一方を塞ぐ底部３９と、を有する。有底内筒体３２における底部３９の外面には、ガータースプリング２５の他方の端部２８が係止される係止部４０が備えられている。内筒部３８の外径は外筒部３５の内径よりも僅かに小さく設定されており、有底内筒体３２は有底外筒体３１内に挿入可能である。

形状記憶コイルばね３３は、形状記憶合金を材料にして形成されたコイルばねである。形状記憶コイルばね３３は、予め形状記憶された形状から圧縮されるように弾性変形されていても、予め設定された第１設定温度以上になると形状記憶された形状に復元される。第１設定温度は常温（５～３５℃）よりも高温である。詳細には、復元して硬化した形状記憶コイルばね３３のばね力を、鋼製コイルばね３４のばね力が下回る時点の温度を、第１設定温度に設定する。形状記憶コイルばね３３の形状記憶された形状では、形状記憶コイルばね３３の伸縮方向の長さが最大となる。

形状記憶コイルばね３３の一方の端部は有底外筒体３１の底部３６に固定され、形状記憶コイルばね３３の他方の端部は有底内筒体３２の底部３９に固定されている。したがって、形状記憶コイルばね３３は、有底外筒体３１および有底内筒体３２の内部に収容されている。有底外筒体３１および有底内筒体３２は、形状記憶コイルばね３３の伸縮に応じて伸縮方向に相対移動可能である。

鋼製コイルばね３４は、例えば、ピアノ線材（ＳＷＰ－ＡまたはＳＷＰ－Ｂ）を材料として形成されたコイルばねであり、本発明の形状記憶コイルばね３３を縮める方向の付勢力を有するコイルばねに相当する。鋼製コイルばね３４は温度が低くなるにつれて収縮する力が増大する特性を有している。鋼製コイルばね３４の常態における外径は、形状記憶コイルばね３３の常態の内径よりも小さく設定されている。鋼製コイルばね３４は形状記憶コイルばね３３と同軸状に挿通されている。鋼製コイルばね３４の一方の端部は、有底外筒体３１の底部３６に固定され、鋼製コイルばね３４の他方の端部は有底内筒体３２の底部３９に固定されている。したがって、鋼製コイルばね３４は、有底外筒体３１および有底内筒体３２の内部に収容されている。有底外筒体３１および有底内筒体３２は、鋼製コイルばね３４の伸縮に応じて相対移動可能である。鋼製コイルばね３４は、形状記憶コイルばね３３と同軸状に配置されているので、形状記憶コイルばね３３と並設されている状態にある。

ところで、形状記憶コイルばね３３を形成する形状記憶合金には、「超弾性」という特性があり、第１設定温度より低い第２設定温度が、形状記憶合金の降伏点に基づいて設定される。詳細には、軟化した形状記憶コイルばね３３のばね力を、鋼製コイルばね３４のばね力が上回る時点での温度を、第２設定温度に設定する。第２設定温度以下では、鋼製コイルばね３４は、形状記憶された形状にある形状記憶コイルばね３３を弾性変形させて圧縮する。つまり、鋼製コイルばね３４による圧縮力は、形状記憶コイルばね３３の形状記憶の形状を維持させようとする力に勝り、形状記憶コイルばね３３の収縮方向の長さを最小とする。

次に、本実施形態のオイルシール２０の締結力の調整について説明する。図５（ａ）に示すように、軸体１２が静止している状態で第２設定温度以下（常温よりも低温）の場合、締結力調整機構２６における形状記憶コイルばね３３は、鋼製コイルばね３４のばね力により圧縮されている。したがって、オイルシール２０のガータースプリング２５の端部２７、２８間の距離は狭くなっており、軸体１２に対するオイルシール２０の締め付け力は強い。

軸体１２が回転することにより、オイルシール２０と軸体１２との摺接によりオイルシール２０の温度が上昇し、第１設定温度以上になると、形状記憶コイルばね３３の形状記憶された形状になり、形状記憶コイルばね３３の伸縮方向の長さが最大となる。図５（ｂ）に示すように、形状記憶コイルばね３３の形状記憶された形状になるとき、形状記憶コイルばね３３の伸長力は、鋼製コイルばね３４の圧縮力に勝る。形状記憶コイルばね３３の伸縮方向の長さが最大となることで、ガータースプリング２５の端部２７、２８間の距離は拡大し、軸体１２に対するオイルシール２０の締結力は緩和される。このため、オイルシール２０の軸体１２との摺接による摩耗や発熱が軽減される。

軸体１２の回転が停止し、オイルシール２０の温度が第２設定温度以下になると、鋼製コイルばね３４の圧縮力が形状記憶コイルばね３３の形状記憶の形状を維持しようとする力に勝る。その結果、図５（ａ）に示すように、形状記憶コイルばね３３は鋼製コイルばね３４によって圧縮する方向に弾性変形する。第２設定温度以下の低温（例えば、－２０℃）では、鋼製コイルばね３４の圧縮力によって形状記憶コイルばね３３が収縮されていることから、ガータースプリング２５の端部２７、２８間の距離は狭くなっている。このため、軸体１２に対するオイルシール２０の締め付け力は強くなり、低温であっても、オイルシール２０と軸体１２の間からオイルが漏洩することはない。

図５（ｂ）に示すように、第１設定温度以上のときの形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４の伸縮方向の長さをＬ２とし、図５（ａ）に示すように、第２設定温度以下で形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４の伸縮方向の最小の長さをＬ１とする。図５（ｂ）に示すように、長さＬ１と長さＬ２との差△Ｌ（Ｌ２－Ｌ１）がガータースプリング２５の伸び代となる。ガータースプリング２５の伸び代に応じて、ガータースプリング２５の締結力が変化する。

本実施形態のオイルシール２０は以下の効果を奏する。
（１）オイルシール２０の温度が上昇して予め設定された第１設定温度以上のとき、形状記憶コイルばね３３が形状記憶の特性によって伸長するとともに、鋼製コイルばね３４を伸長する。このため、ガータースプリング２５の両端部２７、２８の間隔が広くなり、軸体１２に対するガータースプリング２５の締結力は緩和される。また、第１設定温度以上の状態から温度が低下して第２設定温度以下になると、鋼製コイルばね３４は、形状記憶の特性によって伸長した形状記憶コイルばね３３を収縮する。このため、ガータースプリング２５の両端部２７、２８の間隔が狭くなり、軸体１２に対する締結力は増大する。その結果、第１設定温度以上の高温では、ガータースプリング２５の締結力の緩和により、軸体１２とオイルシール２０との摺接による摩耗や発熱が抑制でき、第２設定温度以下の低温では、オイルシール２０の締結力の増大により、締結力の不足を防止できる。したがって、オイルシール２０は、高温において適切な長さに伸びる形状記憶合金の特性が形状記憶コイルばね３３に与えられても、低温下に適切な締結力を得ることができる。

（２）形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４は、互いに同軸状に配置されるため、締結力調整機構２６のスペースを抑制することができる。したがって、オイルシール２０がスペースの制約を受ける場合であっても締結力調整機構２６を備えることができる。

（３）有底外筒体３１および有底内筒体３２は、互いに直線的に相対移動可能な筒状部材であり、形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４は、有底外筒体３１および有底内筒体３２の内部に配置されている。このため、有底外筒体３１および有底内筒体３２は、外部からの衝撃を受け難く、また、異物と干渉し難い。その結果、有底外筒体３１および有底内筒体３２は、形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４を保護することができ、形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４の耐久性を向上することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態のオイルシールは、形状記憶コイルばねおよび鋼製コイルばねが同軸状ではなく隣り合うように並設されている点で、第１の実施形態と異なる。本実施形態では、第１の実施形態と同じ構成については、第１の実施形態の説明を援用し、共通の符号を用いる。

オイルシール５０は、シール本体２１と、補強環２２と、主リップ部２３と、補助リップ部２４と、ガータースプリング２５と、締結力調整機構５１と、を有する。図６に示すように、締結力調整機構５１は、第１可動体としての有底外筒体５２と、第２可動体としての有底内筒体５３と、形状記憶コイルばね３３と、鋼製コイルばね３４と、を有する。

有底外筒体５２は、第１の実施形態の有底外筒体３１に相当し、有底内筒体５３は第１の実施形態の有底内筒体３２に相当する。有底外筒体５２および有底内筒体５３には、形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４の長手方向が互いに平行になるように並設されている。したがって、有底外筒体５２および有底内筒体５３は、第１の実施形態の有底外筒体３１および有底内筒体３２と比較して径方向のサイズが大きい。

本実施形態のオイルシール５０によれば、第１の実施形態の効果（１）、（３）と同等の効果を奏する。また、本実施形態のオイルシール５０は、形状記憶コイルばね３３および鋼製コイルばね３４を同じ径のコイルばねとすることも可能である。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態では、第１可動体としての有底外筒体および第２可動体としての有底内筒体を例示したが、第１可動体および第２可動体は互いに直線的に相対移動可能な筒状部材に限定されない。第１可動体および第２可動体は、ガータースプリングの端部に接続されるほか、形状記憶コイルばねおよび鋼製コイルばねが互いに並設されるように第１可動体および第２可動体に接続される構成であれば、形状は自由である。
○ 上記の実施形態では、回転機械に適用したオイルシールを例示したが、オイルシールは回転機械に限定されない。例えば、図７に示す別例のように、産業車両としてのフォークリフトのフロントアクスル６０の車軸６１に連結される軸体としてのハブ６２と、静止体としてのアクスルハウジング６３にオイルシール２０を適用してもよい。図７に示すオイルシール２０は第１の実施形態のオイルシール２０と寸法上相違するが、オイルシールとしての構成は同一である。フォークリフトのアクスルとしてのフロントアクスル６０に備えられる車軸６１やハブ６２は、フォークリフトの荷によって大きな荷重を受けることから撓み易く、撓みによる偏心が生じ易いが、第２設定温度以下の低温ではガータースプリング２５の締結力の増大により、締結力の不足を防止できるため、フロントアクスル６０におけるオイル漏洩を防止することができる。つまり、本発明のオイルシール２０は、高温では摩擦や過熱を防止し、低温下でのオイル漏れを防止することができる。
○ 上記の実施形態では、軸体として回転する軸体を例示したが、軸体は回転する軸体に限定されず、本発明のオイルシールは回転しない軸体への適用も可能である。例えば、油圧シリンダのロッドを軸体とし、ピストンが往復移動するシリンダ本体を静止体とし、ロッドとシリンダ本体との間を封止するようにシリンダ本体に本発明のオイルシールを装着してもよい。この場合、低温時にロッドの撓みが生じてもシリンダ本体からオイル漏れを防止できる。

１０ 回転機械
１１ ハウジング
１２ 軸体
１７ 外周面
１８ 内周面
２０、５０ オイルシール
２１ シール本体
２２ 補強環
２３ 主リップ部（シールリップ部）
２４ 補助リップ部
２５ ガータースプリング
２６ 締結力調整機構
２７、２８ 端部
３１ 有底外筒体（第１可動体）
３２ 有底内筒体（第２可動体）
３３ 形状記憶コイルばね
３４ 鋼製コイルばね
５０ オイルシール（第２の実施形態）
５１ 締結力調整機構
５２ 有底外筒体
５３ 有底内筒体
６０ フロントアクスル
６１ 車軸
６２ ハブ
６３ アクスルハウジング

Claims (4)

1. 軸体と静止体との間に設けられ、前記静止体の内部と外部空間とを仕切るシール本体と、
   前記シール本体と一体的に設けた補強環と、
   前記シール本体に備えられ、前記軸体の外周面と摺接するシールリップ部と、
   前記シールリップ部の外周に装着されるガータースプリングと、を備えるオイルシールであって、
   前記ガータースプリングの両端部の間に設けられ、前記ガータースプリングの締結力を調整する締結力調整機構を備え、
   前記締結力調整機構は、
   前記ガータースプリングの一方の端部および他方の端部に接続され、形状記憶合金を材料として、予め設定された設定温度以上のときに伸長する形状記憶コイルばねと、
   前記ガータースプリングの一方の端部および他方の端部に接続されるとともに前記形状記憶コイルばねと並設されて、前記形状記憶コイルばねを縮める方向の付勢力を有するコイルばねと、を備えることを特徴とするオイルシール。
2. 前記形状記憶コイルばねおよび前記コイルばねは、互いに同軸状に配置されることを特徴とする請求項１記載のオイルシール。
3. 前記軸体は、産業車両のアクスルに備えられる軸体であることを特徴とする請求項１又は２記載のオイルシール。
4. 前記締結力調整機構は、
   前記ガータースプリングの一方の端部と固定される第１可動体と、
   前記ガータースプリングの他方の端部と固定される第２可動体と、を備え、
   前記第１可動体および前記第２可動体は、互いに直線的に相対移動可能な筒状部材であり、
   前記形状記憶コイルばねおよび前記コイルばねは、前記第１可動体および前記第２可動体の内部に配置され、前記第１可動体および前記第２可動体を介して前記ガータースプリングと接続されていることを特徴とする請求項１記載のオイルシール。

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