JP2022148374A - シール付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】シール摺動面とシール部材のシールリップ間をシールリップの複数の突起によって流体潤滑状態にすることが可能なシール付軸受において、突起とシール摺動面の摺動部の面積を大きくする。【解決手段】突起１２は、シール摺動面１１に対する接線方向に延びる平面状等の平坦な先端部１２ａを有する。その先端部１２ａの周方向幅をＤとし、シール摺動面１１の曲率半径をＲ１として、Ｄ／Ｒ１≧０．０００７５を満足する。これにより、先端部１２ａとシール摺動面１１の摺動部を周方向に拡大する。【選択図】図５

Description

この発明は、転がり軸受及びシール部材を備えるシール付軸受に関する。

転がり軸受の早期破損を防止するため、シール部材が利用されている。例えば、自動車、各種建設用機械等の車両に搭載されたトランスミッション内にはギアの摩耗粉等の異物が混在するため、シール部材により、摩耗粉等の軸受内部への侵入を防止している。

一般に、シール部材は、ゴム状材料等の弾性材で環状に形成されたシールリップを有する。軌道輪、スリンガ等、軸受回転に伴ってシール部材に対して周方向に相対回転する相手部品には、シールリップと摺接するシール摺動面が形成されている。

一般的なシール部材は、シールリップとシール摺動面が全周で滑り接触し、微視的には固体接触領域を伴っている。シールリップの引き摺り抵抗（シールトルク）は、軸受トルクの上昇を招く。また、その滑り接触は、転がり軸受の温度上昇の一因となる。また、軸受内部が外部に対してシール部材で閉塞されるので、軸受内部と外部間の圧力差によってシールリップがシール摺動面に押し付けられる吸着作用が生じてシールトルクが増大することがある。これらのことから、一般的なシール部材では、軸受の高速運転に限界がある。

シール部材のシールリップを相手部品と非接触に配置し、ラビリンスシールを形成すれば、シールトルクを無くすことは可能だが、シール部材及び相手部品間の隙間の大きさについて所定粒径の異物侵入を防止できるような各種誤差の管理が難しい。

これに対し、シールリップが周方向に並んだ複数の突起を有し、これら複数の突起が周方向に隣り合う突起同士の間を通じて軸受内部と外部に連通する隙間を生じさせ、かつ軸受回転に伴って隙間から突起とシール摺動面間に引き摺り込まれる潤滑油の油膜によってシールリップ及びシール摺動面間を流体潤滑状態にすることができるシール付軸受が提案されている（特許文献１）。

特許文献１のシール付軸受は、所定粒径の異物侵入を防ぐことが可能な隙間を通じて転がり軸受の内部空間と外部間での潤滑油の流通を許すことにより、シール摺動面上での潤滑油を潤沢とし、軸受回転に伴って潤滑油を突起とシール摺動面間に引き摺り込ませる際のくさび効果により、油膜を厚く形成して各突起とシール摺動面を油膜で完全に分離させ、シールリップとシール摺動面間を流体潤滑状態にすることができる。このため、特許文献１のシール付軸受によれば、所定粒径の異物侵入を防ぎつつ軸受の高速運転に対応可能でありながら、シールトルクを著しく低減することができる。

国際公開第２０１６／１４３７８６号

特許文献１のシール付軸受のように、シールリップの突起とシール摺動面間のくさび効果で流体潤滑状態を実現する場合、突起の全幅に凸円孤面状の先端部を形成すると、優れたくさび効果を得ることができ、低速時から流体潤滑状態に移行させるのに好適である反面、流体潤滑状態に移行した後、突起の凸円弧面状の先端部とシール摺動面の摺動部（ヘルツ接触領域）の面積が比較的小さく、このため、摺動部での面圧を抑えて潤滑油のせん断抵抗を抑制することにとって不利となる。

上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、シール摺動面とシール部材のシールリップ間をシールリップの複数の突起によって流体潤滑状態にすることが可能なシール付軸受において、突起とシール摺動面の摺動部の面積を大きくすることにある。

上記の課題を達成するため、この発明は、転がり軸受の内部空間を外部に対して密封するシール部材と、前記シール部材に対して周方向に摺動するシール摺動面とを備え、前記シール部材は、弾性材により環状に形成されたシールリップを有し、前記シールリップは、周方向に並んだ複数の突起を有し、前記複数の突起は、周方向に隣り合う前記突起同士の間に隙間を生じさせ、かつ軸受回転に伴って前記隙間から前記突起と前記シール摺動面間に引き摺り込まれる潤滑油の油膜によって前記シールリップ及び前記シール摺動面間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で形成されているシール付軸受において、前記突起は、前記シール摺動面に対する接線方向に延びる平面状又は前記シール摺動面と同方向に曲がりかつ前記シール摺動面の曲率に対して同等以下の曲率をもった凹曲面状に形成された先端部を有し、前記先端部の周方向幅をＤとし、前記シール摺動面の曲率半径をＲ１として、Ｄ／Ｒ１≧０．０００７５を満足している構成を採用した。

上記構成のように、突起の先端部をシール摺動面に対する接線方向に延びる平面状又はシール摺動面と同方向に曲がりかつシール摺動面の曲率に対して同等以下の曲率をもった凹曲面状に形成し、その周方向幅Ｄをシール摺動面の曲率半径Ｒ１の０．０００７５倍以上にすれば、突起の先端部を凸円孤面状にする場合に比して突起の先端部とシール摺動面間に油膜が介在する摺動部を周方向に拡大して摺動部の面積を大きくすることができる。

前記突起の前記先端部は、前記シール摺動面と同方向に曲がりかつ前記シール摺動面の曲率に対して同等以下の曲率をもった凹曲面状に形成されているとよい。このような凹曲面状の先端部は、前記平面状の先端部に比して前述の摺動部を周方向により拡大して摺動部の面積を大きくすることができる。

より好ましくは、前記突起の前記先端部は、前記シール摺動面の曲率と同等の曲率をもった凹曲面状に形成されていることにより、先端部の周方向幅を最大限に活用して前述の摺動部の面積を大きくすることができる。

また、前記突起は、前記先端部の周方向両側からそれぞれ前記突起の根元側に曲がる接続部と、これら両側の接続部からそれぞれ前記突起の根元まで連続する端部とを有し、これら両側の端部は、前記突起の根元側に向かって互いに周方向に遠ざかる方へ傾斜した斜面状に形成されているとよい。このようにすると、突起を周方向に横断する方向に切断した断面（周方向横断面）は略台形状となるため、シール摺動面と突起間の相対回転の方向がいずれであっても、突起の根元側での弾性変形を抑えて、斜面状の端部から先端部までシール摺動面との間に一連のくさび状隙間を形成することができる。

また、前記突起は、前記先端部の周方向両側からそれぞれ前記突起の根元側に曲がる接続部と、これら両側の接続部からそれぞれ前記突起の根元まで連続する端部とを有し、これら両側の端部は、互いに平行な平面状に形成されているとよい。このようにすると、突起の周方向横断面は略矩形状となるため、突起の先端部の周方向幅を大きくする場合に好適である。

また、前記突起は、前記先端部の周方向両側からそれぞれ前記突起の根元側に曲がる接続部を有し、これら接続部は、それぞれ前記突起の根元まで連なる円孤面状に形成されているとよい。このようにすると、シール摺動面と突起間の相対回転の方向がいずれであっても、突起の根元側での弾性変形を抑えて、接続部から先端部までシール摺動面との間に一連のくさび状隙間を形成することができる。

この発明に係るシール付軸受は、例えば、車両のトランスミッション、ディファレンシャル、プロペラシャフト、ターボチャージャ、工作機械、風力発電機及びホイール軸受の中のいずれか一つの回転部を支持する用途に好適である。

この発明は、上記構成の採用により、シール摺動面とシール部材のシールリップ間をシールリップの複数の突起によって流体潤滑状態にすることが可能なシール付軸受において、突起とシール摺動面の摺動部の面積を大きくすることができる。

この発明の第一実施形態に係るシール付軸受を示す断面図 図１のシールリップの内部空間側の側面の一部を自然状態で示す拡大側面図 図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線の断面図 図１の突起付近の拡大図 図２のＶ－Ｖ線の断面図 図５の突起がシール摺動面に対して摺動する様子を示す断面図 この発明の第二実施形態を示す断面図 この発明の第三実施形態を示す断面図 この発明の第四実施形態を示す断面図 この発明のシール付軸受が搭載される電動垂直離着陸機の斜視図 図１０に示す電動垂直離着陸機の駆動部におけるモータの一部断面図

この発明の一例として、第一実施形態に係るシール付軸受を添付図面の図１～図６に基づいて説明する。

図１に示すこのシール付軸受は、転がり軸受１と、転がり軸受１の両側に配置された二つのシール部材２と、を備える。

転がり軸受１は、内輪３と、外輪４と、内輪３と外輪４との間に介在する複数の転動体５と、複数の転動体５を保持する保持器６とで構成されている。シール部材２は、転がり軸受１の内部空間７を外部に対して密封する。この密封の目的は、このシール付軸受の周囲である外部の異物が内外輪３、４間の内部空間７に侵入することを抑制して転がり軸受１の早期損傷を防止することであり、内部空間７を液密に密封することではない。

内輪３及び外輪４は、転動体５に対応の軌道面を有する。内輪３は、回転軸Ｓに取り付けられ、回転軸Ｓと一体に回転する。外輪４は、ハウジング、ギア等、回転軸からの荷重を負荷させる部材に取り付けられる。転動体５は、内輪３及び外輪４間に介在しながら公転する。

転動体５として、玉が採用されている。このシール付軸受は、深溝玉軸受となっている。

内部空間７は、外部から供給される潤滑油（図示省略。以下、同じ。）によって潤滑される。潤滑方式としては、例えば、潤滑油をシール付軸受に掛けるはね掛け方式、又はシール付軸受の下部をオイルバスに漬ける油浴方式が挙げられる。初期潤滑剤として内部空間７に適量のグリースが封入されていてもよい。

回転軸Ｓは、例えば、車両のトランスミッション、ディファレンシャル、等速ジョイント、プロペラシャフト、ターボチャージャ、工作機械、風力発電機及びホイール軸受の中のいずれか一つに備わる回転部として設けられる。

なお、以下では、シール付軸受の軸受中心軸（図示省略、以下、同じ。）に沿った方向を「軸方向」という。軸方向に直交する方向を「径方向」という。軸受中心軸回りの円周に沿った方向を「周方向」という。図１において、軸受中心軸は、回転輪とする内輪３の中心軸であり、同図において左右方向に相当する。

外輪４の内周の端部に、シール部材２を保持するシール溝８が形成されている。シール部材２は、その外周縁をシール溝８に圧入することにより、外輪４に取り付けられる。

このシール付軸受を囲む外部には、ギアの摩耗粉、クラッチの摩耗粉、微小砕石等、このシール付軸受の組み込み先に応じた異物が存在する。このような粉状の異物は、潤滑油や雰囲気の流れによってシール部材２付近に到達し得る。シール部材２は、外部から内部空間７への異物侵入を抑制するためのものである。

シール部材２は、金属板製の芯金９と、環状に形成されたシールリップ１０とを有する。芯金９は、周方向に連なる環状に形成されたプレス加工部品になっている。

シールリップ１０は、弾性材により形成されている。弾性材としては、例えば、加硫成形されたゴム材、ゴム材相当のエラストマ等が挙げられる。ゴム材として、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等が挙げられる。

その弾性材として、例えば、硬さ６５ＨＳ以上、７５ＨＳ以下のものを採用することができる。このショア硬さ（ＨＳ）は、ＪＩＳ Ｋ ６３０１「加硫ゴム物理試験方法」に準拠したショア硬さ試験方法での値である。

内輪３の外周には、シールリップ１０に対して周方向に摺動するシール摺動面１１が形成されている。シール摺動面１１は、周方向全周に連続する円筒面状になっている。従い、シール摺動面１１の曲率半径Ｒ１は、全周で一定であって、シール摺動面１１の半径に相当する。

シールリップ１０は、ラジアルリップになっている。ここで、ラジアルリップは、軸方向に沿ったシール摺動面又は軸方向に対して４５°以内の鋭角の勾配をもったシール摺動面と密封作用を奏するシールリップであって、当該シール摺動面との間に径方向の締め代をもったもののことをいう。

図２は、シールリップ１０が単独で自然な状態のとき（成形時の形状）の側面視を示し、図３は、図２のシールリップ１０を径方向に切断した断面を示す。

図２、図３に示すように、シールリップ１０は、軸方向に一定の幅で径方向に連続する円環状に形成された腰部と、腰部から外部側へ曲がる突片状に形成された頭部とを有する。

シールリップ１０の頭部は、図２の状態のときにシールリップ１０の内径を規定する先端縁を有する。シール部材２を図１の所定配置に取り付けると、シールリップ１０は、シール摺動面１１に対する締め代により、シール摺動面１１に押し付けられて、図４に示すように外部側へ曲がったゴム状弾性の変形を生じ、シールリップ１０の緊迫力を生む。シール部材２の取り付け誤差、製造誤差等は、シールリップ１０の撓み具合の変化によって吸収される。

図２、図３に示すように、シールリップ１０は、周方向に並んだ複数の突起１２を有する。突起１２は、その全長に亘って周方向と直交する方向に延びている。突起１２の高さは、その全長に亘って一定になっている。突起１２は、周方向に一定のピッチで並んでいる。突起１２の全長は、シール摺動面１１との間に径方向の締め代をもった範囲の全域に亘っている。シールリップ１０の全体的な形状は、突起１２のピッチに対応した回転対称形になっている。

図５に示すように、突起１２は、突起１２の頂きを含む周方向幅Ｄに亘って平面状に形成された先端部１２ａと、先端部１２ａの周方向一方側の端Ｐ１から突起１２の根元側に曲がる接続部１２ｂと、先端部１２ａの周方向他方側の端Ｐ２から突起１２の根元側に曲がる接続部１２ｂと、周方向一方側の接続部１２ｂから突起１２の根元まで連続する端部１２ｃと、周方向他方側の接続部１２ｂから突起１２の根元まで連続する端部１２ｃとを有する。ここで、突起１２の根元とは、突起１２の突出高さが実質的に無くなり、シールリップ１０の他の表面部に連なる部位のことをいう。

複数の突起１２の各先端部１２ａに接する仮想円Ｃを考えたとき、各突起１２の先端部１２ａは、仮想円Ｃに対する接線ＴＬに沿った方向に延びる平面状に形成されている。仮想円Ｃと先端部１２ａの接点は、先端部１２ａの周方向幅Ｄを二等分する中央上に設定されている。接線ＴＬは、先端部１２ａの周方向中央上の接点における接線である。先端部１２ａの周方向幅Ｄは、先端部１２ａと接続部１２ｂの境界である端Ｐ１，Ｐ２間の周方向長さに相当する。

シール部材２を図１、図４のようにシール摺動面１１と同軸に配置する際、突起１２は、図５に示す平面状の先端部１２ａの周方向幅Ｄの中央上からシール摺動面１１に接触することになる。すなわち、突起１２の先端部１２ａは、シール摺動面１１に対する接線方向（接線ＴＬに沿った方向）に延びる平面状に形成されている。

図５に示す突起１２の先端部１２ａの周方向幅Ｄと、図１に示すシール摺動面１１の曲率半径Ｒ１との関係は、Ｄ／Ｒ１≧０．０００７５を満足している。

図５に示すように、突起１２の両側の接続部１２ｂは、それぞれ先端部１２ａから端部１２ｃまで連なる曲面状に形成されている。接続部１２ｂが有する曲率の半径をＲ２とすると、突起１２の先端部１２ａの周方向幅Ｄと、接続部１２ｂの曲率半径Ｒ２との関係は、Ｒ２／Ｄ≧０．０３を満足している。

なお、Ｄ／Ｒ１＝０．０００７５かつＲ２／Ｄ＝０．０３の場合、突起１２の先端部１２ａ及び接続部１２ｂを成形する転写面をエンドミル加工で金型に形成することは困難であるが、レーザ加工で形成することが可能である。

突起１２の両側の端部１２ｃは、突起１２の根元側に向かって互いに周方向に遠ざかる方へ傾斜した斜面状に形成されている。端部１２ｃは、接続部１２ｂから突起１２の根元まで一定の傾斜で延びている。

図１のようにシール部材２を転がり軸受１に取り付ける際、複数の突起１２の先端部１２ａがシール摺動面１１に接触する。図４に示すように、突起１２は、軸受中心軸を含む仮想平面上においてシール摺動面１１に対して直角な方向に高さをもつため、シールリップ１０の緊迫力に抗して突っ張る。これにより、周方向に隣り合う突起１２同士の間かつシール摺動面１１とシールリップ１０との間において、内部空間７と外部に連通する隙間１３が生じさせられる。隙間１３の流路断面高さは、周方向に隣り合う突起１２同士を繋ぐリップ部分とシール摺動面１１との間の径方向距離に相当する。シールリップ１０は、複数の突起１２上でのみシール摺動面１１と摺動し、周方向に隣り合う突起１２同士を繋ぐリップ部分は、シール摺動面１１と非接触の状態に保たれるようになっている。

突起１２の端部１２ｃは、シール摺動面１１との間に隙間１３側で大、突起１２側で小となるくさび状隙間を形成する。また、突起１２の先端部１２ａは、軸受中心軸を含む仮想平面上において、概ねシール摺動面１１に沿った領域をもつ。この領域は、シール摺動面１１に沿った方向（図示例においては軸方向に相当）に幅をもって存在する。このため、軸受回転に伴う突起１２とシール摺動面１１の摺動部、すなわち、突起１２が隙間１３内の潤滑油をシール摺動面１１との間に周方向に引き摺り込む際のくさび効果によって油膜形成が促進され、突起１２とシール摺動面１１との間に油膜が介在させられる領域は、前述の仮想平面上においてシール摺動面１１に沿った方向に所定以上の有限長Ｌで生じる。このような突起１２とシール摺動面１１の摺動部は、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論に基づく接触楕円状に生じると考えられるので、その接触楕円状の長軸が有限長Ｌに相当する。

軸受回転の停止時、突起１２は、概ね図５の横断面形状を保つが、シールリップ１０の緊迫力により、シール摺動面１１に突起１２の先端部１２ａ、接続部１２ｂが押し付けられている。このため、突起１２は弾性変形させられており、その先端部１２ａ、接続部１２ｂは僅かに押しつぶされ、全面的にシール摺動面１１との固体接触領域が分布している。

その停止時状態から軸受回転が始まると、図６に示すように、突起１２とシールリップ１０が周方向に相対回転する。ここで、突起１２に対してシール摺動面１１が相対的に回転する方向を同図に矢線で示す周方向（右回り方向）に仮定する。突起１２とシール摺動面１１の摺動部では、突起１２の先端部１２ａや接続部１２ｂがシール摺動面１１との固体接触領域で右回り方向に引き摺られ、また、隙間１３内の潤滑油（同図中にドット模様を付して示す。）が突起１２の接続部１２ｂ、先端部１２ａとシール摺動面１１との間のくさび状隙間に引き摺り込まれる。このとき、前述の固体接触領域における突起１２とシール摺動面１１間の摩擦による引き摺り抵抗や、突起１２とシール摺動面１１間でせん断される潤滑油のせん断抵抗が突起１２に作用するため、突起１２の接続部１２ｂや先端部１２ａ付近が図６のように弾性変形させられ、端部１２ｃから接続部１２ｂ、先端部１２ａの周方向中央（接触楕円状の短軸方向中央）まで一連のくさび状隙間が形成される。これにより、突起１２による油膜切りが防止され、くさび効果によって油膜形成が効果的に促される。シールリップ１０とシール摺動面１１間の相対回転の周速が一定未満のとき、微視的には固体接触領域を含む境界潤滑状態ないし混合潤滑状態となる。

軸受回転が速くなり、突起１２とシール摺動面１１の相対回転の周速が一定以上になると、突起１２の先端部１２ａとシール摺動面１１間の油膜厚さは、突起１２とシール摺動面１１間の合成粗さσを余裕で上回り、各突起１２とシール摺動面１１が油膜で完全に分離させられた流体潤滑状態になる。これにより、シールリップ１０とシール摺動面１１間を油膜で完全に分離させた流体潤滑状態にすることができる。このような流体潤滑状態になれば、シール部材２によるシールトルクを非接触式のシールと同等まで低減し、ひいてはシール付軸受の温度上昇を抑制し、シールリップ１０の吸着作用を防止することができる。

ここで、油膜パラメータΛ≧３であれば、摺動部の潤滑モードは流体潤滑状態であると考えられる。油膜パラメータΛは、摺動部での最小油膜厚さｈに対する合成粗さσの比であり、Λ＝ｈ／σである。最小油膜厚さｈは、弾性流体潤滑理論に基づいて求められる。合成粗さσ＝√（（Ｒｑ₁ ^２＋Ｒｑ₂ ^２）／２）である。Ｒｑ_１は、前述の摺動部を成すシール摺動面１１の二乗平均平方根粗さである。Ｒｑ_２は、突起１２の表面における二乗平均平方根粗さとすると、二乗平均平方根粗さは、ＪＩＳ（Ｂ０６０１：２０１３）に規定された二乗平均平方根粗さＲｑの値（μｍ）である。

油膜パラメータΛは合成粗さσに依存し、合成粗さσが小さいほど油膜を厚くすることができる。前述の周速が極低速のときから突起１２とシール摺動面１１の摺動部を流体潤滑状態とするため、その摺動部における合成粗さσを０．９μｍ以下にすることが好ましい。例えば、合成粗さσが０．９μｍ、潤滑油をミッション油（３０ｃｓｔ，４０℃）、雰囲気温度を２０℃、周速０．２ｍ／ｓの計算条件において、Ｊｏｈｎｓｏｎチャートによる油潤滑モードを判定したところ、最小油膜厚さｈが２．８μｍ、油膜パラメータΛが３以上となり、潤滑モードがＥ－Ｉモードとなった。したがって、突起１２とシール摺動面１１の合成粗さσが０．９μｍ以下であれば、軸受の実使用領域において確実に流体潤滑状態になることが見込まれる。

例えば、車両のトランスミッション内の回転部を支持する用途では、一般に、跳ねかけ、オイルバス等の適宜の方式でシール付軸受に給油される。よって、シールリップ１０の周辺には、外部から供給される潤滑油が存在している。その潤滑油は、トランスミッション内に存在するギア等の他の潤滑部分でも共通に用いられる。その潤滑油は、オイルポンプで循環されており、その循環経路に設けられたオイルフィルタによって濾過される。粒径０．０５ｍｍを超える大きな異物が内部空間７に侵入すると、軸受寿命に悪影響を及ぼすと考えられる。突起１２の高さを０．０７ｍｍ以下に設定すれば、そのような大きな異物が容易に通過できない隙間１３を生じさせることができる。突起１２の高さが０．０７ｍｍ以下の場合、例えば、周方向に隣り合う突起１２同士の間隔が０．３ｍｍ以上２．６ｍｍ以下、突起１２の周方向幅が０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、かつ突起１２の表面の曲率半径を０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の範囲に設定することができる。この例では、その油温３０～１２０℃、シールリップ１０とシール摺動面１１の相対的な周速が０．２ｍ／ｓ以上の場合に、計算上、Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ－Ｊｏｈｎｓｏｎの決めた無次元数である粘性パラメータｇｖと弾性パラメータｇｅに基づく潤滑領域図（Ｊｏｈｎｓｏｎチャート）において等粘度-剛体領域（Ｒ－Ｉモード）又は等粘度-弾性体領域（Ｅ－Ｉモード，ソフトＥＨＬ）のいずれかの潤滑モード、すなわち前述の流体潤滑状態になると考えられる。なお、前述の間隔が２．６ｍｍの場合、突起１２とシール摺動面１１との間には、計算上、約３μｍの油膜が形成され、２．６ｍｍより小さい場合に油膜が厚くなる傾向がある。前述の間隔が２．６ｍｍ以下では、軸受回転トルクが低下傾向（すなわちシールトルクの低下傾向）を示す。前述の間隔が０．３ｍｍ未満では、突起１２を成形するための転写面をエンドミル加工で金型に形成することが困難になる。

前述のように突起１２とシール摺動面１１間の潤滑モードが混合潤滑、ないし流体潤滑状態になると、突起１２とシール摺動面１１の固体接触領域が略無くなる、ないし完全に無くなるが、突起１２とシール摺動面１１間でせん断される潤滑油のせん断抵抗が突起１２に作用し続けるため、図６に示すような突起１２の弾性変形が継続する。

前述のＤ／Ｒ１＝０．０００７５かつＲ２／Ｄ＝０．０３を満足するときのように突起１２の接続部１２ｂを小さく略角面状に形成する場合、回転停止時、突起１２の接続部１２ｂとシール摺動面１１との間には、流体潤滑状態を実現可能なくさび状隙間を形成することはできない。しかし、回転時に突起１２に作用する抵抗により、突起１２が流体潤滑状態の実現に要するくさび状隙間を形成するように弾性変形させられるため、流体潤滑状態の実現に支障はない。

突起１２とシール摺動面１１間が流体潤滑状態のときのシールトルクを抑制するには、突起１２とシール摺動面１１間での潤滑油のせん断抵抗を抑制することが重要になる。突起１２とシール摺動面１１の摺動部における突起１２の面圧を低減すれば、潤滑油のせん断抵抗が低くなるので、シールトルクを抑制することができる。その摺動部における突起１２の面圧は、その摺動部を成す突起１２の面積に依存する。

突起１２の先端部１２ａがＤ／Ｒ１≧０．０００７５を満足する周方向幅Ｄで前述の平面状に形成されていることにより（図１、図５参照）、突起１２とシール摺動面１１の摺動部である前述の接触楕円領域の全域又はこの全域を含む周方向領域を先端部１２ａとシール摺動面１１との間に発生させることができる。このため、図４、図６に示す突起１２の先端部１２ａとシール摺動面１１の摺動部の面積は、突起の先端部を凸円孤面状に形成した場合に比して大きくなる。これは、平面状の先端部１２ａをもつ突起１２の方が、摺動部を成す突起１２が周方向に比較的長くなるためである。これにより、摺動部における突起１２の先端部１２ａの面圧を低減することができる。

例えば、突起の全幅を凸円孤面状とした比較モデルとして、その凸円孤面状の半径が１．５ｍｍ、突起の高さが４０μｍ、突起の周方向間隔が２°間隔（周方向に並ぶ突起数で１８０個）、シール摺動面の曲率半径Ｒ１が３２ｍｍ、シールリップを形成する弾性材がアクリルゴム製（ショア硬さ：７０±５ＨＳ）、突起に作用するシールリップの緊迫力が１Ｎのものを想定し、運転条件として、シール部材が静止でシール摺動面の回転速度が１５００ｍｉｎ^－１、潤滑油の動粘度（４０℃）が２６ｍｍ^２／ｓを考えたとき、前述の接触楕円の面積を計算すると、その面積は０．００３２ｍｍ^２（接触楕円の長軸長さが０．３ｍｍ、短軸長さが０．１５ｍｍ）になる。一方、比較モデルとシール摺動面、突起の全幅及び高さ、周方向間隔、弾性材、緊迫力、運転条件を同一にしつつ第一実施形態に係る突起１２を採用した実施モデルにおいて、接触楕円の面積を計算すると、比較モデルに比して接触楕円の短軸長さが拡大し、その面積が大きくなった。

上述のように、図１～図６に示すこのシール付軸受は、転がり軸受１の内部空間７を外部に対して密封するシール部材２と、シール部材２に対して周方向に摺動するシール摺動面１１とを備え、シール部材２が弾性材により環状に形成されたシールリップ１０を有し、シールリップ１０が周方向に並んだ複数の突起１２を有し、複数の突起１２が周方向に隣り合う突起１２同士の間に隙間１３を生じさせ、かつ軸受回転に伴って隙間１３から突起１２とシール摺動面１１間に引き摺り込まれる潤滑油の油膜によってシールリップ１０及びシール摺動面１１間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で形成されており、突起１２がシール摺動面１１に対する接線方向に延びる平面状に形成された先端部１２ａを有し、先端部１２ａの周方向幅をＤとし、シール摺動面１１の曲率半径をＲ１として、Ｄ／Ｒ１≧０．０００７５を満足していることにより、突起１２の先端部１２ａとシール摺動面１１の摺動部を周方向に拡大して、摺動部の面積を大きくすることができる。これにより、その摺動部における先端部１２ａの面圧を抑制し、ひいては、先端部１２ａとシール摺動面１１間での潤滑油のせん断抵抗を抑制してシールトルクの抑制を図ることができる。

また、このシール付軸受は、突起１２が先端部１２ａの周方向両側からそれぞれ突起１２の根元側に曲がる接続部１２ｂと、これら両側の接続部１２ｂ，１２ｂからそれぞれ突起１２の根元まで連続する端部１２ｃとを有し、これら両側の端部１２ｃ，１２ｃが突起１２の根元側に向かって互いに周方向に遠ざかる方へ傾斜した斜面状に形成されていることにより、突起１２の周方向横断面が略台形状となるため（図５参照）、シール摺動面１１と突起１２間の相対回転の方向がいずれであっても、比較的幅広な突起１２の根元側での弾性変形を抑えて、斜面状の端部１２ｃから先端部１２ａまでシール摺動面１１との間に一連のくさび状隙間を形成することができる（図６参照）。

第一実施形態では、突起１２の先端部１２ａを平面状に形成したが、先端部を凹曲面状に変更することにより、シール摺動面１１との摺動部の面積をより大きくすることが可能である。その一例としての第二実施形態を図７に示す。なお、以下では、第一実施形態との相違点を述べるに留める。

第二実施形態に係るシールリップ２０の突起２１は、シール摺動面１１と同方向に曲がりかつシール摺動面１１の曲率に対して同等以下の曲率をもった凹曲面状に形成された先端部２１ａを有する。

図７例において、突起２１の先端部２１ａは、曲率半径Ｒ３で規定された円孤面からなる。先端部２１ａの曲率半径Ｒ３とシール摺動面１１の曲率半径Ｒ１は、同一に設定されている。従い、先端部２１ａは、シール摺動面１１と同等の曲率をもった凹曲面状に形成されている。

突起２１の接続部２１ｂは、角張った形状になっている。接続部２１ｂを角張った形状に変更したことで第一実施形態よりも小さくした分、突起２１の端部２１ｃが先端部２１ａの近傍まで延長されている。このように角張った接続部２１ｂを採用した突起２１であっても、突起２１に作用する抵抗によって、シール摺動面１１と突起２１との間に流体潤滑状態への移行に要するくさび状隙間を形成するように突起２１が弾性変形させられる（図６参照）。

第二実施形態に係るシール付軸受は、上述のように、突起２１の先端部２１ａがシール摺動面１１と同方向に曲がりかつシール摺動面１１の曲率に対して同等以下の曲率をもった凹曲面状に形成されていることにより、第一実施形態の先端部に比して、先端部２１ａとシール摺動面１１の摺動部を周方向により拡大して、その面積をより大きくすることができる。

また、第二実施形態に係るシール付軸受は、特に、突起２１の先端部２１ａがシール摺動面１１の曲率と同等の曲率をもった凹曲面状に形成されていることにより、同等未満の曲率を採用した場合に比して、先端部２１ａの周方向幅を最大限に活用して先端部２１ａとシール摺動面１１の摺動部の面積を大きくすることができる。

第一、第二実施形態では、突起の周方向横断面形状を略台形状にしたが、他の周方向横断面形状を採用することも可能である。その一例としての第三実施形態を図８に示す。ここでは、第二実施形態との更なる相違点を述べるに留める。

第三実施形態に係るシールリップ３０の突起３１では、先端部３１ａの周方向両側の接続部３１ｂからそれぞれ連続する両側の端部３１ｃが、互いに平行な平面状に形成されている。このため、突起３１の周方向横断面は略矩形状となるため、第一、第二実施形態の略台形状の突起に比して、先端部３１ａの周方向幅をよりも大きくする場合に好適である。

突起の周方向横断面形状の他の例としての第四実施形態を図９に示す。

第四実施形態に係るシールリップ４０の突起４１では、先端部４１ａの周方向両側にある接続部４１ｂが、それぞれ突起４１の根元まで連なる円孤面状に形成されている。このため、突起４１の周方向横断面形状は、突起４１の根元側で比較的幅広になっており、接続部４１ｂは、シール摺動面１１との間にくさび状隙間を形成することになる。したがって、第四実施形態に係るシール付軸受は、シール摺動面１１と突起４１間の相対回転の方向がいずれであっても、比較的幅広な突起４１の根元側での弾性変形を抑えつつ、接続部４１ｂから先端部４１ａまでシール摺動面１１との間に一連のくさび状隙間を形成することができる。

なお、第三、第四実施形態において、突起３１，４１の先端部３１ａ，４１ａは、上述の平面状又は凹曲面状のいずれでもよい。

また、上述の各実施形態では、シール部材を芯金と加硫ゴム材とから構成したものを例示したが、この発明は、単材の弾性材により形成されるシール部材に適用することも可能である。

また、上述の各実施形態では、ラジアルリップを例示したが、この発明は、軸方向に対して４５°を超える勾配をもったシール摺動面と密封作用を奏するシールリップ（アキシアルリップ）に適用することも可能である。

また、上述の各実施形態では、内輪回転のラジアル玉軸受を例示したが、この発明は、外輪回転の軸受、スラスト軸受、ころ軸受等の適宜の形式にも適用することも可能である。また、シール摺動面を回転輪に形成した例を示したが、固定輪に形成する場合にこの発明を適用することも可能である。

また、近年では、自動車に代わる移動手段として飛行可能な自動車、いわゆる空飛ぶクルマが注目されている。空飛ぶクルマは、上記の社会的問題の解消に期待されており、地域内移動、地域間移動、観光・レジャー、救急医療、災害救助など、様々な場面での活用が期待されている。

空飛ぶクルマとしては、垂直離着陸機（ＶＴＯＬ；Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔａｋｅ－Ｏｆｆ ａｎｄ Ｌａｎｄｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ）が注目されている。垂直離着陸機は、空と離発着場を垂直に昇降できることから、滑走路が必要とならず、利便性に優れる。特に、近年ではＣＯ_２の削減に向けた社会的要請などからバッテリとモータで飛行するタイプの電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ）が開発の主流となっている。なお、ここでの垂直離着陸機の概念には、車輪を具備しないものも含まれる。

この発明に係るシール付軸受は、上述のように高速回転に好適で低トルク性（省エネ運転性）にも優れるので、電動モータのバッテリ駆動で回転翼の高速回転を行う電動垂直離着陸機の駆動部にも好適である。その一例として、この発明に係るシール付軸受が搭載される電動垂直離着陸機を図１０に示す。

図１０に示す電動垂直離着陸機１０１は、機体中央に位置する本体部１０２と、前後左右に配置された４つの駆動部１０３を有するマルチコプターである。駆動部１０３は、電動垂直離着陸機１０１の揚力および推進力を発生させる装置であり、駆動部１０３の駆動によって電動垂直離着陸機１０１が飛行する。電動垂直離着陸機１０１において駆動部１０３は複数あればよく、４つに限定されない。

本体部１０２は乗員（例えば１～２名程度）が搭乗可能な居住空間を有している。この居住空間には、進行方向や高度などを決めるための操作系や、高度、速度、飛行位置などを示す計器類などが設けられている。本体部１０２からは４本のアーム１０２ａがそれぞれ延び、各アーム１０２ａの先端に駆動部１０３が設けられている。図１０において、アーム１０２ａには、回転翼１０４を保護するため、回転翼１０４の回転周囲を覆う円環部が一体に設けられている。また、本体部１０２の下部には、着陸時に機体を支えるスキッド１０２ｂが設けられている。

駆動部１０３は、回転翼１０４と、該回転翼１０４を回転させるモータ１０５とを有する。駆動部１０３において、回転翼１０４はモータ１０５を挟んで軸方向両側に一対設けられている。各回転翼１０４は、径方向外側へ延びる２枚の羽根をそれぞれ有する。

本体部１０２には、バッテリ（図示省略）および制御装置（図示省略）が設けられている。制御装置はフライトコントローラとも呼ばれる。電動垂直離着陸機１０１の制御は、制御装置によって、例えば以下のように実施される。制御装置が、現姿勢と目標姿勢の差から揚力を調整すべきモータ１０５に回転数変更の指令を出力する。その指令に基づいて、モータ１０５に備えられたアンプがバッテリからモータ１０５へ送る電力量を調整し、モータ１０５（および回転翼１０４）の回転数が変更される。また、モータ１０５の回転数の調整は、複数のモータ１０５に対して、同時に実施され、それによって機体の姿勢が決まる。

図１１は、駆動部におけるモータの一部断面図を示している。図１１において、モータ１０５の回転軸１０７の一端側（図上側）には上述の回転翼が取り付けられ、他端側（図下側）にはロータが取り付けられる。ロータは、ハウジング１０６に固定されたステータに対向配置され、該ステータに対して回転可能になっている。なお、モータ１０５は、アウターロータ型のブラシレスモータや、インナーロータ型のブラシレスモータの構成を採用できる。

モータ１０５は、ハウジング（装置ハウジング）１０６と、ロータ（図示省略）と、ステータ（図示省略）と、アンプ（図示省略）と、２個の転がり軸受１１０、１１０とを備える。ハウジング１０６は外筒１０６ａと内筒１０６ｂを有し、これらの間には冷却媒体流路１０６ｃが設けられている。この流路１０６ｃに冷却媒体を流すことにより、過度の温度上昇を防止できる。ハウジング１０６の材質は特に限定されず、例えば鉄系材料やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などを用いることができる。

また、転がり軸受１１０は、上述の第一～第四実施形態のいずれかに該当するものである。転がり軸受１１０は、ハウジング１０６内で回転軸１０７を回転自在に支持している。転がり軸受１１０の外輪１１１の外径形状は、ハウジング内周の嵌合部と同一の形状であり、ハウジング１０６に対して、軸受ハウジングなどを介さずに直接嵌合される。転がり軸受１１０，１１０の内輪１１２同士の間には内輪間座１０８が挿入され、外輪１１１同士の間には外輪間座１０９が挿入され、予圧が印加されている。

なお、駆動部における軸受構成は、図１１の構成に限定されない。図１１では、モータの回転軸と回転翼の回転軸とを同一の回転軸としたが、モータの回転軸と回転翼の回転軸とが伝達機構を介して接続された構成であってもよい。この場合、駆動部における回転軸を支持する転がり軸受は、モータの回転軸を支持する転がり軸受でもよく、回転翼の回転軸を支持する転がり軸受でもよい。

今回開示された実施形態はすべ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。したがって、本発明の範囲は上記した説明ではなくて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すべての変更が含まれることが意図される。

１、１１０ 転がり軸受
２ シール部材
３ 内輪
４、１１１ 外輪
５ 転動体
６ 保持器
７ 内部空間
１０、２０、３０、４０ シールリップ
１１ シール摺動面
１２、２１、３１、４１ 突起
１２ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ 先端部
１２ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ 接続部
１２ｃ、２１ｃ、３１ｃ 端部
１３ 隙間
１０１ 電動垂直離着陸機
１０３ 駆動部
１０４ 回転翼
１０５ モータ
１０７ 回転軸

Claims (8)

1. 転がり軸受の内部空間を外部に対して密封するシール部材と、前記シール部材に対して周方向に摺動するシール摺動面とを備え、
   前記シール部材は、弾性材により環状に形成されたシールリップを有し、前記シールリップは、周方向に並んだ複数の突起を有し、前記複数の突起は、周方向に隣り合う前記突起同士の間に隙間を生じさせ、かつ軸受回転に伴って前記隙間から前記突起と前記シール摺動面間に引き摺り込まれる潤滑油の油膜によって前記シールリップ及び前記シール摺動面間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で形成されているシール付軸受において、
   前記突起は、前記シール摺動面に対する接線方向に延びる平面状又は前記シール摺動面と同方向に曲がりかつ前記シール摺動面の曲率に対して同等以下の曲率をもった凹曲面状に形成された先端部を有し、
   前記先端部の周方向幅をＤとし、前記シール摺動面の曲率半径をＲ１として、Ｄ／Ｒ１≧０．０００７５を満足していることを特徴とするシール付軸受。
2. 前記突起の前記先端部は、前記シール摺動面と同方向に曲がりかつ前記シール摺動面の曲率に対して同等以下の曲率をもった凹曲面状に形成されている請求項１に記載のシール付軸受。
3. 前記突起の前記先端部は、前記シール摺動面の曲率と同等の曲率をもった凹曲面状に形成されている請求項２に記載のシール付軸受。
4. 前記突起は、前記先端部の周方向両側からそれぞれ前記突起の根元側に曲がる接続部と、これら両側の接続部からそれぞれ前記突起の根元まで連続する端部とを有し、これら両側の端部は、前記突起の根元側に向かって互いに周方向に遠ざかる方へ傾斜した斜面状に形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のシール付軸受。
5. 前記突起は、前記先端部の周方向両側からそれぞれ前記突起の根元側に曲がる接続部と、これら両側の接続部からそれぞれ前記突起の根元まで連続する端部とを有し、これら両側の端部は、互いに平行な平面状に形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のシール付軸受。
6. 前記突起は、前記先端部の周方向両側からそれぞれ前記突起の根元側に曲がる接続部を有し、これら接続部は、それぞれ前記突起の根元まで連なる円孤面状に形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のシール付軸受。
7. 車両のトランスミッション、ディファレンシャル、等速ジョイント、プロペラシャフト、ターボチャージャ、工作機械、風力発電機及びホイール軸受の中のいずれか一つの回転部を支持する請求項１から６のいずれか１項に記載のシール付軸受。
8. 回転翼および該回転翼を回転させるモータを有する駆動部を複数備え、前記回転翼の回転によって飛行する電動垂直離着陸機に搭載されるものであって、
   内輪と、外輪と、該内輪および外輪の間に介在する複数の転動体と、これら転動体を保持する保持器とを備え、
   前記駆動部における回転軸を支持する請求項１から６のいずれか１項に記載のシール付軸受。

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