JP2022079858A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧条件下でバックアップリングに発生する破損や変形を防止すること。【解決手段】密封装置１１は、ハウジング（シリンダ１０２）に収納されて往復移動する軸（ピストンロッド１０３）を貫通させる取付環（内側取付環３１）に、オイルシール３２やダストシール５２を架橋接着している。オイルシール３２は、シリンダ１０２の内部に設けられた密封空間Ｉ側に延び、所定の接触圧でピストンロッド１０３に接触する主リップ３３を備えている。内側取付環３１と主リップ３３の内周側との間には、樹脂製又は金属製のバックアップリング７１が配置されている。バックアップリング７１は、密封空間Ｉ内の圧力上昇によって変形しようとする主リップ３３を支持する。バックアップリング７１の外面は、エラストマー、例えばポリウレタンエラストマーなどの弾性を有する被覆体７２で被覆されている。【選択図】図１

Description

本発明は、密封装置に関する。

自動車や汎用機械に用いられる機器には、動作に伴い内部圧力が変動するようなものがある。例えば車両の油圧緩衝器（ショックアブソーバ）は、シリンダ内でのピストンの往復移動に伴い、作動油を密封する密封空間内の圧力を変動させる。

特許文献１には、油圧緩衝器用の密封装置が開示されている。この密封装置は、油圧緩衝器の外筒（１１１）の開口端部にオイルシール（１）とダストシール（２）とを取り付け、これらの二種類のシールによって外筒とピストンロッド（１１３）との間をシールする。オイルシール（１）は、密封対象である油液（Ｏ）の漏れ出しを防止し、ダストシール（２）は、外部からの異物や泥水などの侵入を防止する（文献１の段落［００２０］参照）。

より詳しくは、オイルシール（１）とダストシール（２）とは、円板状をした金属製の取付環に加硫接着されている。オイルシール（１）が接着されているのは内側取付環（１１）、ダストシール（２）が接着されているのは外側取付環（１２）である。これらの内側取付環（１１）と外側取付環（１２）とは互いに接合されて密封装置をなし、油圧緩衝器の外筒（１１１）の開口端部にかしめ止めされる（文献１の段落［００１４］～［００１８］参照）。

こうして完成した油圧緩衝器は、油液（Ｏ）を収容するオイル室を外筒（１１１）の入口側に、ガスを封入するガス室をその奥側に形成する。このときオイル室に面するオイルシール（１）は、内周側に設けた主リップ（１２）によってピストンロッド（１１３）の外周面からのオイルの漏れ出しを防止し、外周側に設けた外周リップ（１３）によって外筒（１１１）の内周面からのオイルの漏れ出しを防止する。

油圧緩衝器は、ピストンロッド（１１３）に連結したピストンをオイル室内に配置し、ピストンの往復移動によって緩衝作用を発揮する。このときピストンの伸び側への移動に伴いオイル室内の圧力が上昇する。上昇した圧力は、ピストンロッド（１１３）に対する接触圧を強めるような変形を主リップ（１２）に生じさせようとする。これを防止するのがバックアップリング（３）である。バックアップリングは、「適当な剛性を有し、耐摩耗性に優れると共に摩擦係数の著しく低い例えばＰＴＦＥ等の合成樹脂材で成形されたもの」とされ（文献１の段落［００１９］参照）、主リップ（１２）を内周側から支持してその変形を抑制する。

特開２００５－０９０５６９号公報

自動車の分野では、乗り心地のさらなる向上が求められたり、車両重量が増加する傾向にあったりすることを背景として、油圧緩衝器の使用条件が過酷さを増している。これに伴い、油圧緩衝器用の密封装置に求められる要求水準も高度化してきている。特に封入ガス圧が１ＭＰａ以上の油圧緩衝器に用いられる密封装置では、高い水準の耐圧耐久性が求められる。

密封装置の耐圧耐久性を向上させるうえで、前述したバックアップリングは重要な役割を果たしている。その一方で、バックアップリングは、例えば２０ＭＰａ以上もの高圧条件に置かれると、破損したり変形したりする可能性がある。高圧環境下に晒される場合には、バックアップリングそれ自体の耐圧耐久性の確保が求められる。

本件の課題は、高圧条件下でバックアップリングに発生する破損や変形を防止することである。

密封装置は、往復移動する軸を貫通させる取付環と、前記取付環に固定され、前記軸を収納するハウジングの密封空間側に延びて前記軸に接触する主リップと、前記取付環と前記主リップの内周側との間に配置され、前記主リップを支持するバックアップリングと、前記バックアップリングの外面を被覆する弾性を有する被覆体と、を備える。

高圧条件下でバックアップリングに発生する破損や変形を防止することができる。

油圧緩衝器に組み込んだ密封装置の実施の一形態を示す垂直断面図。 油圧緩衝器に装着される前の密封装置を示す垂直断面図。 バックアップリングの垂直断面図。 組み立て前の密封装置を示す垂直断面図。 （Ａ）は本実施の形態のバックアップリングを組み込んだ主リップ、（Ｂ）は被覆体で被覆しないバックアップリングを組み込んだ主リップ、（Ｃ）は被覆体の材料で生成したバックアップリングを組み込んだ主リップについて、それぞれ２０ＭＰａの圧力を加えたときに生ずる応力をＦＥＭ解析によってモデル化した模式図。

実施の一形態を図面に基いて説明する。本実施の形態は、車両の懸架装置（図示せず）の一部である油圧緩衝器１０１に用いられる密封装置１１の一例である。

図１に示すように、油圧緩衝器１０１は、円筒状を有する金属製のシリンダ１０２をハウジングとして用いている。シリンダ１０２の内部は、オイル室１１１と図示しないガス室とに区分けされている。オイル室１１１には作動油が収容され、ガス室にはガスが封入されている（いずれも図示せず）。オイル室１１１及びガス室は、密封装置１１によって密閉される密封空間Ｉとなる。

シリンダ１０２の開口端側に位置するオイル室１１１には、図示しないピストンが往復移動自在に収納されている。ピストンから延びる軸としてのピストンロッド１０３は、シリンダ１０２の内壁１０２ａに固定されたロッドガイド１０４に案内され、外部空間Ｏへ導かれている。

密封装置１１は、シリンダ１０２の開口端を折り返したかしめ部１０５にかしめられ、ロッドガイド１０４に円環状に設けられた突部１０６とかしめ部１０５との間に挟み込まれて固定されている。

図２に示すように、密封装置１１は、円板状を有する金属製の二つの取付環３１、５１を備え、一方の内側取付環３１にオイルシール３２を、もう一方の外側取付環５１にダストシール５２をそれぞれ固定している。オイルシール３２は、オイル室１１１に収容した作動油を密封対象とし、ダストシール５２は、外部空間Ｏからの異物や泥水などの侵入を防止する。

オイルシール３２は、内側取付環３１の内周側に設けた主リップ３３と、外周側に設けた外周リップ３４とを有している。

主リップ３３は、内側取付環３１に設けた貫通孔３１ａの内壁から内側取付環３１の内側表面３１ｂ（図１～図３中の上面）にかけての領域に架橋接着されたゴム状の弾性体であり、シール対象であるピストンロッド１０３の外周面に全周を接触させている。主リップ３３は、密封空間Ｉの方向に向けて斜めに延び、だんだん小径になっていくような断面形状を有している。このような主リップ３３は、ピストンロッド１０３に所定の接触圧で接触する。

外周リップ３４は、内側取付環３１の外周端側の内側表面３１ｂから外周面３１ｃにかけての領域に架橋接着されたゴム状の弾性体であり、シール対象であるシリンダ１０２の内壁１０２ａとロッドガイド１０４の突部１０６とに全周を接触させている。外周リップ３４は、内側取付環３１の表面から垂直に立ち上がる断面形状を有している。このような外周リップ３４は、シリンダ１０２の内壁１０２ａとロッドガイド１０４の突部１０６との間の断面三角形の空間内で押し潰され、内壁１０２ａと突部１０６とに所定の接触圧で接触する。

内側取付環３１の内側表面３１ｂには、主リップ３３と外周リップ３４とに連続する膜状の弾性膜部３５が環状に成形されている。弾性膜部３５のやや主リップ３３寄りの位置には、中間突条３６も成形されている。主リップ３３、外周リップ３４、弾性膜部３５及び中間突条３６は、ゴム状の弾性材料を用いて内側取付環３１に一体成形されている。

ダストシール５２は、外側取付環５１の内周側にダストリップ５３を設けている。ダストリップ５３は、外側取付環５１に設けた貫通孔５１ａの内壁から外側取付環５１の外側表面５１ｂ（図１～図３中の下面）にかけての領域に架橋接着されたゴム状の弾性体であり、シール対象であるピストンロッド１０３の外周面に全周を接触させている。ダストリップ５３は、外部空間Ｏの方向に向けて斜めに延び、だんだん小径になっていくような断面形状を有している。このようなダストリップ５３は、ピストンロッド１０３に所定の接触圧で接触する。

本実施の形態の密封装置１１は、主リップ３３を支持するバックアップリング７１を備えている。以下、バックアップリング７１について説明する。

ダストシール５２を一体成形している外側取付環５１は、内側取付環３１よりも軸方向の厚みが厚い。外側取付環５１の貫通孔５１ａは、内側取付環３１の貫通孔３１ａよりも小径である。このため外側取付環５１の内側表面５１ｃ（図１～図３中の上面）は、内側取付環３１の貫通孔３１ａから露出している。主リップ３３は、内側取付環３１の貫通孔３１ａの内壁まで回り込んではいるものの、外側取付環５１の内側表面５１ｃに生じた露出部分の全体は覆わず、内側表面５１ｃには露出領域が確保されている。説明の便宜上、この露出領域をバックアップリング７１の設置面５１ｄと呼ぶ。

主リップ３３は、内側取付環３１の貫通孔３１ａから密封空間Ｉの方向に向け、径を縮小するように斜めに延びている。このため設置面５１ｄとは空間を開けて対面している。設置面５１ｄに対面する主リップ３３の領域は、設置面５１ｄに対して垂直な二面と平行な二面とを含む階段形状になっており、設置面５１ｄとの間の離間距離を二段階に変化させている。説明の便宜上、設置面５１ｄに対面する主リップ３３の面を支持面３３ａと呼び、設置面５１ｄと支持面３３ａとの間に生ずる空間を設置空間Ｓと呼ぶ（図４も参照のこと）。

バックアップリング７１は、外側取付環５１の設置面５１ｄと主リップ３３の支持面３３ａとに合致する端面及び外周面の形状を有し、設置空間Ｓに嵌り合うように成形されたリング状の部材である。バックアップリング７１の内周壁は、ピストンロッド１０３の軸方向に沿って平行な形状であり、その径は、外側取付環５１の貫通孔５１ａに回り込んでいるダストシール５２の内周面と一致している。

バックアップリング７１は、高強度材を材料として成形されている。高強度材として用いられるのは、一例として、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの樹脂であり、別の一例として、アルミ材、マグネシウム材、真鍮材などの金属である。

図３に示すように、バックアップリング７１は、被覆体７２に被覆されている。被覆体７２は、弾性を有する材料によって成形されている。一例として被覆体７２は、主リップ３３に用いられるゴム材などに比べて硬度が高く、耐摩耗性及び強度（引張強度など）に優れるエラストマー、例えばポリエチレンエラストマーを材料としている。

図４に示すように、オイルシール３２を一体成形する内側取付環３１と、ダストシール５２を一体成形する外側取付環５１と、バックアップリング７１とはそれぞれ分離している。密封装置１１は、外側取付環５１の設置面５１ｄと主リップ３３の支持面３３ａとにバックアップリング７１を嵌り合わせるようにして設置空間Ｓに収納した状態で、外側取付環５１と内側取付環３１とを接合させて組み立てられる（図２参照）。

こうして組み立てられた密封装置１１は、主リップ３３とダストリップ５３とにピストンロッド１０３を挿入するようにしてシリンダ１０２に嵌め込み、シリンダ１０２の開口端を屈曲させたかしめ部１０５でかしめることによって、油圧緩衝器１０１に装着されている（図１参照）。

作用について説明する。

オイルシール３２の主リップ３３は、密封空間Ｉ側を向くように配置され、所定の接触圧をもってピストンロッド１０３の外周面に摺動自在に接触する。これによってピストンロッド１０３の外周面からの作動油の漏れ出しが防止される。

オイルシール３２の外周リップ３４は、シリンダ１０２とロッドガイド１０４の突部１０６との間の断面三角形の空間内で押し潰される。これによってシリンダ１０２の内壁１０２ａを伝わる作動油の漏れ出しが防止される。

このときオイルシール３２の弾性膜部３５及び中間突条３６は、ロッドガイド１０４の突部１０６に対するシリンダ１０２のかしめ部１０５のかしめ荷重の誤差を吸収する。これによって主リップ３３及び外周リップ３４による作動油の密閉作用の確実性の向上が図られる。

したがって本実施の形態によれば、密封空間Ｉからの作動油の漏れ出しを防止することができる。

ダストシール５２のダストリップ５３は、外部空間Ｏ側を向くように配置され、所定の接触圧をもってピストンロッド１０３の外周面に摺動自在に接触する。これによって外部からの異物や泥水などの侵入を防止することができる。

図１に示すように、油圧緩衝器１０１では、シリンダ１０２に内蔵されている図示しないピストンの往復移動に伴い、密封空間Ｉ内の油圧Ｐが上昇する。このとき油圧Ｐは、主リップ３３を変形させ、ピストンロッド１０３の外周面に対する主リップ３３の緊迫力を増大させるように作用する。このような現象に対して、外側取付環５１の設置面５１ｄに設置されたバックアップリング７１は、主リップ３３の支持面３３ａを支持し、主リップ３３の変形を防止する。とりわけバックアップリング７１は、ピストンロッド１０３の軸と平行な二面の垂直面を有するため、径を拡大する方向への主リップ３３の変形に対して規制力を発揮する。その結果ピストンロッド１０３の外周面に対して、主リップ３３の緊迫力が過度に増大してしまう事態を防止することができる。

その一方で密封空間Ｉ内の油圧Ｐの上昇が著しく、例えば２０ＭＰａ以上というような高圧条件が発生すると、バックアップリング７１は破損したり変形したりする可能性がある。これに対して本実施の形態のバックアップリング７１は、弾性を有する被覆体７２で被覆されているために応力が小さくなり、２０ＭＰａ以上という高圧条件下でも、破損や変形から守られる。弾性を有する被覆体７２が応力を分散し、バックアップリング７１に発生すべき応力を緩和するからである。

本実施の形態の発明の発明者は、バックアップリング７１を組み込んだ状態で主リップ３３に加わる圧力条件を２０ＭＰａと設定してＦＥＭ解析（有限要素法解析）を試みた。比較例として被覆体７２を設けないバックアップリング９１を組み込んだ主リップ３３、被覆体７２と同じ材料のみによって生成したバックアップリング９２を組み込んだ主リップ３３についても解析をしてみた。その結果を示すのが、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の解析モデルである。これらの各図中、主リップ３３に加えられる密封空間Ｉ内の油圧Ｐ（図１参照）を矢印で示し、このときの応力の大きさを無彩色の濃淡で表している。濃い領域ほど応力が高い。

図５（Ａ）は、本実施の形態のバックアップリング７１を組み込んだ主リップ３３について、上記条件の圧力を加えたときに生ずる応力分布をＦＥＭ解析によってモデル化した模式図である。図５（Ａ）に示すように、外側取付環５１の設置面５１ｄに設置される先端領域を中心に応力分布が発生している。被覆体７２で被覆したバックアップリング７１に作用する最大主応力は、バックアップリング７１の部分で＋５．５ＭＰａ、被覆体７２の部分で＋０．２ＭＰａという結果を得た。

図５（Ｂ）は、被覆体７２で被覆しないバックアップリング９１を組み込んだ主リップ３３について、上記条件の圧力を加えたときに生ずる応力分布をＦＥＭ解析によってモデル化した模式図である。本実施の形態のバックアップリング７１を組み込んだ状態と比較し、応力分布が拡大していることがわかる。バックアップリング９１に作用する最大主応力は＋８．４ＭＰａと、本実施の形態のバックアップリング７１よりも大きな結果になった。

図５（Ｃ）は、被覆体７２の材料のみによって生成するバックアップリング９２を組み込んだ主リップ３３について、上記条件の圧力を加えたときに生ずる応力分布をＦＥＭ解析によってモデル化した模式図である。本実施の形態のバックアップリング７１と比較すると、応力分布は拡大しないものの、外側取付環５１の設置面５１ｄに設置される先端領域の変形度合いが大きくなっていることがわかる。バックアップリング９２に作用する最大主応力は＋１７．９８ＭＰａという値で、被覆体７２を設けないバックアップリング９１（図５（Ｂ）参照）と比較しても、格段に大きな値になった。

以上の結果からも、本実施の形態のバックアップリング７１によれば、２０ＭＰａという高圧条件下でも応力の増大が抑制され、破損や変形から守られることが検証された。

本実施の形態の被覆体７２は、金属製のバックアップリング７１を採用しやすくするという副産物も有している。金属製のバックアップリング７１は、何らかの原因で、径を小さくする方向に過度に変形した場合、ピストンロッド１０３に接触して損傷させてしまう可能性を持っている。これに対して本実施の形態のバックアップリング７１は、もしもピストンロッド１０３に接触したとしても、弾性を有する被覆体７２によって、損傷を引き起こしにくくすることが可能である。その結果、剛性に優れるという優れた特性を有する金属製のバックアップリング７１を採用しやすくすることができる。

実施に際しては、各種の変形や変更が可能である。

例えばバックアップリング７１や被覆体７２の材料としては、上記例示したものに限らず、別の様々な材料を用いることが可能である。

また上記実施の形態のように、オイルシール３２を架橋接着する内側取付環３１と、ダストシール５２を架橋接着する外側取付環５１とを別体にせず、一つの取付環にオイルシール３２とダストシール５２とを架橋接着するようにしてもよい。

そのほかあらゆる変形や変更が可能である。

１１ 密封装置
３１ 内側取付環（取付環）
３１ａ 貫通孔
３１ｂ 内側表面
３１ｃ 外周面
３２ オイルシール
３３ 主リップ
３３ａ 支持面
３４ 外周リップ
３５ 弾性膜部
３６ 中間突条
５１ 外側取付環（取付環）
５１ａ 貫通孔
５１ｂ 外側表面
５１ｃ 内側表面
５１ｄ 設置面
５２ ダストシール
５３ ダストリップ
７１ バックアップリング
７２ 被覆体
９１ バックアップリング
９２ バックアップリング
１０１ 油圧緩衝器
１０２ シリンダ
１０２ａ 内壁
１０３ ピストンロッド
１０４ ロッドガイド
１０５ かしめ部
１０６ 突部
１１１ オイル室
Ｉ 密封空間
Ｏ 外部空間
Ｐ 油圧
Ｓ 設置空間

Claims (6)

1. 往復移動する軸を貫通させる取付環と、
   前記取付環に固定され、前記軸を収納するハウジングの密封空間側に延びて前記軸に接触する主リップと、
   前記取付環と前記主リップの内周側との間に配置され、前記主リップを支持するバックアップリングと、
   前記バックアップリングの外面を被覆する弾性を有する被覆体と、
   を備える密封装置。
2. 前記被覆体の材料は、前記主リップの材料よりも高い硬度を有している、
   請求項１に記載の密封装置。
3. 前記被覆体の材料は、エラストマーである、
   請求項１に記載の密封装置。
4. 前記エラストマーは、ポリウレタンエラストマーである、
   請求項３に記載の密封装置。
5. 前記バックアップリングの材料は、樹脂である、
   請求項１ないし４のいずれか一に記載の密封装置。
6. 前記バックアップリングの材料は、金属である、
   請求項１ないし４のいずれか一に記載の密封装置。

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