JP2022148773A - 密封装置及びこれを備える転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のシール性能を長期間安定して維持できる密封装置を低コストに実現する。【解決手段】転がり軸受１の軸受内部空間Ｓ１をシールするシール部材２３に設けた環状の第１リップ２５ｂ及び第２リップ２５ｃの先端が後蓋４の外周面４ａに摺接することにより、両リップ２５ｂ，２５ｃ間に軸受内部空間Ｓ１及び大気とは隔絶されたリップ間空間Ｓ２が形成される密封装置２０である。両リップ２５ｂ，２５ｃのうち、反転がり軸受側に設けられた第２リップ２５ｃのリップ内面２５ｄに凹部２５ｅが設けられ、リップ間空間Ｓ２が負圧になるのに伴って変形した第２リップ２５ｃが後蓋４との間に形成する隙間Ｇと、凹部２５ｅとを介してリップ間空間Ｓ２が大気に開放される。【選択図】図６

Description

本発明は、密封装置及びこれを備える転がり軸受装置に関する。

例えば下記の特許文献１には、鉄道車両の車軸を支持する転がり軸受装置が開示されている。この転がり軸受装置は、複列円すいころ軸受からなる転がり軸受と、転がり軸受の内部空間（軸受内部空間）をシールする密封装置とを備える。密封装置は、転がり軸受の外輪に固定された筒状のシールケースと、シールケースの内周に固定された環状のシール部材とを備える。

シール部材は、ゴム等の弾性材料からなるリップ部と、リップ部を保持した芯金とを有する。リップ部は、軸方向に間隔を空けて設けられた２つのシールリップ（メインリップ及びダストリップ）を有し、両シールリップは、それぞれ、先端が車軸に取り付けられた摺動相手部材（油切り又は後蓋）の外周面と摺接することにより、軸受内部空間への異物侵入、及び軸受内部空間に介在する潤滑剤（例えば、グリース）の外部漏洩を防止する。

上記構成を有する密封装置では、２つのシールリップの先端が摺動相手部材と常に接触している関係上、両シールリップ間には軸受内部空間及び軸受外部空間（大気）と隔絶された環状のリップ間空間が形成される。転がり軸受装置の使用条件によっては、リップ間空間が負圧になるのに伴って生じる、リップ間空間と軸受内部空間等との間の気圧差のために、両シールリップが摺動相手部材の外周面に強く押し付けられる、いわゆる吸着状態となる場合がある。この吸着状態で車軸が回転すると、シールリップと摺動相手部材の間の摺動抵抗が、シールリップが摺動相手部材に吸着していない非吸着状態の時よりも増すため、シールリップの発熱が助長される他、シールリップの異常摩耗に起因したシール性能の低下を招くおそれがある。

そこで、特許文献１には、リップ間空間で発生する負圧（シールリップの吸着）を迅速に解消可能とする技術手段が記載されている。具体的には、シール部材にリップ間空間に開口する開口部を設け、リップ間空間を、シール部材を貫通する第１通気路と、シール部材とシールケースの間に形成した第２通気路とを介して大気に連通させる、というものである。上記の第１通気路や第２通気路は、例えば、シール部材を構成するリップ部や芯金、さらにはシールケースに通気孔や凹部を設けることで形成される。

また、下記の特許文献２には、シールリップ（特にダストリップ）の先端に複数のリブを設け、リップ間空間の負圧状態が進むにつれて上記リブを摺動相手部材に突き当てることにより、シールリップと摺動相手部材との間に通気路を形成することが記載されている。

特開２０１７－２２７２３９号公報 特開２０２０－１２４７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術手段を採用する場合には、シール部材を構成するリップ部や芯金、さらにはシールケース等に対して、孔や凹部を形成するといった多くの追加工が必要になるため、コストアップを招くという問題がある。また、特許文献２に記載の技術手段では、シールリップの先端に設けたリブが摺動相手部材と摺接することによって摩耗するため、吸着防止（負圧解消）機能を長期間にわたって安定的に維持することが難しいと考えられる。

上記の実情に鑑み、本発明は、摺動相手部材との摺接によるリップ部の発熱及び異常摩耗を抑えることができ、所望のシール性能を長期間安定して維持できる密封装置を低コストに提供可能とすることを目的とする。

上記の目的を達成するために創案された本発明に係る密封装置は、転がり軸受の軸受内部空間をシールするシール部材を有し、シール部材が、弾性材料からなるリップ部と、リップ部を保持した芯金とを備え、リップ部に軸方向に間隔を空けて設けられた環状の第１リップ及び第２リップの先端が摺動相手部材の外周面と摺接することにより、両リップ間に軸受内部空間及び大気とは隔絶されたリップ間空間が形成されるものにおいて、第１リップ及び第２リップのうち、反転がり軸受側に設けられた第２リップのリップ間空間に臨む面に凹部が設けられ、リップ間空間が負圧になるのに伴って変形した第２リップのリップ間空間に臨む面と摺動相手部材の外周面との間に形成される隙間と、上記凹部とを介してリップ間空間が大気に開放されることを特徴とする。

本発明に係る密封装置では、リップ間空間が負圧になるのに伴って第２リップが変形（弾性変形）したときに第２リップのリップ間空間に臨む面と摺動相手部材の外周面との間に形成される隙間と、第２リップのリップ間空間に臨む面に設けられた凹部とにより「通気路」が形成され、この通気路を介してリップ間空間が大気に開放されることになる。この場合、リップ間空間が負圧になったときに第２リップが摺動相手部材の外周面との間に凹部を大気に開放する隙間を形成するように変形すれば、リップ間空間の負圧状態を適切に解消することができるので、密封装置のうち、リップ部（の第２リップ）以外の部品・部位に対して負圧状態を解消するための孔や凹部を設ける必要はなくなる。また、本発明の構成上、第２リップには、特許文献２に記載されているようなリブを設ける必要がなく、従って、負圧解消時に第２リップが摺動相手部材に対して点接触するのを回避できる。これにより、リップ部（第２リップ）の発熱や異常摩耗などの問題発生を可及的に防止することができる。

凹部は、例えば、周方向に延びる円弧溝、あるいは周方向寸法が第２リップの先端側に向けて漸減した先細り形状の窪みで構成することができる。また、凹部として機能する円弧溝あるいは窪みは、周方向の複数箇所に等配することができる。このようにすれば、上記通気路が形成されることによるシール性能の低下を抑制しつつ、リップ間空間の負圧状態を適切に解消することができる。

凹部の深さ寸法は、第２リップの先端との離間距離が拡大する方向に沿って漸増させることができる。

凹部の第２リップの先端に最も接近した側の端部は、例えば、第２リップの先端から０．１～０．５ｍｍ離れた位置に位置させるのが好ましい。係る構成を採用すれば、凹部を通気路の一部として適切に機能させることができる。

リップ部は、芯金をインサート部品として型成形することができる。この場合、リップ部に設けるべき上記凹部も型成形することができるので、シール部材、ひいては密封装置の高精度化及び低コスト化を図ることができる。

転動体を介して相対回転する内輪及び外輪を有する転がり軸受と、転がり軸受の軸方向外側に配置された摺動相手部材と、以上に述べた本発明に係る密封装置と、を備えた転がり軸受装置は、本発明に係る密封装置が以上に述べたような構成を有していることにより、低コストでありながら信頼性及び耐久性に富む、という特徴を有する。

以上から、本発明によれば、シール部材等に対する追加工を実施せずとも、摺動相手部材との摺接によるリップ部の発熱及び異常摩耗を抑えることができるので、所望のシール性能を長期間安定して維持できる密封装置を低コストに実現することが可能となる。

鉄道車両の車軸を支持する転がり軸受装置の縦断面図である。 図１中のＡ部拡大図である。 図２中のＢ部拡大図である。 図３を同図中の矢印Ｘ方向から見たときの部分平面図である。 （ａ）図は、リップ間空間と大気との気圧差が小さいときのシール部材の縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図よりも上記気圧差が大きくなったときのシール部材の縦断面図、（ｃ）図は（ｂ）図よりも上記気圧差が大きくなったときのシール部材の縦断面図、（ｄ）図は（ｃ）図よりも上記気圧差が大きくなったときのシール部材の縦断面図である。 （ａ）図はリップ間空間の負圧状態が解消されるときの第２リップを図４中のＰ１-Ｐ１線で切断した部分断面図、（ｂ）図はリップ間空間の負圧状態が解消されるときの第２リップを図４中のＰ２－Ｐ２線で切断した部分断面図である。 （ａ）図及び（ｂ）図共に、本発明の他の実施形態に係る密封装置の部分概略斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る密封装置を含む転がり軸受装置を示す。この転がり軸受装置は、鉄道車両の車軸２を回転自在に支持する転がり軸受１と、一対の密封装置２０，２０とを具備する。なお、以下の説明で方向性を示すために使用する「軸方向」、「径方向」及び「周方向」とは、それぞれ、転がり軸受１（車軸２）の軸心Ｏと平行な方向、軸心Ｏを中心とする円の径方向、及び軸心Ｏを中心とする円の周方向である。

転がり軸受１は、図示しない軸箱の内周に装着され、互いに反対方向に傾斜した複列の外側軌道面１１を有する外輪１０と、車軸２の外周に装着され、互いに反対方向に傾斜した複列の内側軌道面１３を有する内輪１２と、対をなす外側軌道面１１と内側軌道面１３の間に配置された複数の転動体（円すいころ）１４と、各列の円すいころ１４を周方向等間隔で保持する一対の保持器１５とを備えた、いわゆる複列円すいころ軸受である。外輪１０の内周面と内輪１２の外周面の間には環状の軸受内部空間Ｓ１が画成され、この軸受内部空間Ｓ１にはグリース等の潤滑剤が充填されている。

一対の密封装置２０，２０は、それぞれ、転がり軸受１の軸方向一方側（図１の紙面左側）及び他方側に配置され、軸受内部空間Ｓ１からの潤滑剤の外部漏洩、及び軸受内部空間Ｓ１への異物侵入を防止している。

外輪１０の軸方向中央部（両外側軌道面１１の間）には、外輪１０の内周面および外周面に開口した貫通孔１６が形成され、この貫通孔１６に差圧弁１７が嵌合されている。この差圧弁１７により、軸受内部空間Ｓ１の気圧が大気圧に維持される。

図示例の内輪１２は、軸方向に間隔を空けて配置された一対の分割内輪１２Ａ，１２Ａと、一対の分割内輪１２Ａの間に介在する間座１２Ｂとで構成される。内輪１２としては、これ以外にも、例えば、一対の分割内輪を転がり軸受１の軸方向中央部で直接突き合わせたものを採用することもできる。

内輪１２の軸方向一方側及び軸方向他方側には、それぞれ、摺動相手部材としての油切り３及び後蓋４が配されている。油切り３は、車軸２の軸端にボルト止めされた蓋部材５と軸方向で係合し、後蓋４は、車軸２の肩部２ａと軸方向で係合している。このような構成により、車軸２に対する転がり軸受１（内輪２０）の軸方向の相対移動が規制され、転がり軸受１が軸方向で位置決めされている。

以下、密封装置２０の構成を説明する。上記のとおり、密封装置２０は転がり軸受１の軸方向両側に配されているが、２つの密封装置２０は実質的に同一の構成を有することから、以下では、図１の紙面右側に配された密封装置２０を代表例にとって密封装置２０の構成を説明する。なお、以下の説明においては、密封装置２０のうち軸方向で転がり軸受１に近い側を「軸受側」、軸方向で転がり軸受１から離れた側を「反軸受側」とも言う。

図１及び図２に示すように、密封装置２０は、シールケース２１と、仕切り板２２と、シール部材２３とを備える。

シールケース２１は段付き円筒状をなし、軸受側の端部２１ａが外輪１０の開口部の内周に圧入固定されている。シールケース２１の反軸受側の端部２１ｂは、摺動相手部材（ここでは後蓋４）の端面に形成された凹部６に隙間を介して挿入され、後蓋４との間に一端が軸受外部空間（大気）に開口したラビリンスシールを形成している。

仕切り板２２は、シールケース２１の内周に固定された円筒状の軸方向部２２ａと、圧入部２２ａの軸受側端部から径方向内向きに延びたフランジ状の径方向部２２ｂとを一体に有する断面Ｌ字状に形成され、径方向部２２ｂの内径端は後蓋４の外周面４ａに近接配置されて非接触シールを形成している。また、この仕切り板２２は、シール部材２３との間に、径方向部２２ｂの内径端と後蓋４の外周面４ａとの間の隙間（径方向隙間）を介して軸受内部空間Ｓ１と連通する軸受側空間Ｓ３を形成している。以上の構成により、軸受内部空間Ｓ１に充填された潤滑剤が直接的に、また多量にシール部材２３に押し寄せる事態が防止される。

シール部材２３は、環状の芯金２４と、芯金２４に保持された環状のリップ部２５とを備える。

芯金２４は、例えばステンレス鋼等の金属材料により、仕切り板２２の内周に固定された円筒状の軸方向部２４ａと、軸方向部２４ａの反軸受側の端部から径方向内向きに延びたフランジ状の径方向部２４ｂとを一体に有する断面Ｌ字状に形成され、径方向部２４ｂの内径端にリップ部２５を保持している。

リップ部２５は、軸方向に間隔を空けて設けられた環状の第１リップ２５ｂ及び第２リップ２５ｃを有する。第１リップ２５ｂ及び第２リップ２５ｃは、それぞれ、「メインリップ」及び「ダストリップ」とも称される。第１リップ２５ｂは、芯金２４に保持された基部２５ａから軸受側に向けて延び、第２リップ２５ｃは上記基部２５ａから反軸受側に向けて延びている。このリップ部２５は、例えば、ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム等のゴム材料、あるいは熱可塑性エラストマーを主成分とする樹脂材料などといった弾性材料で形成される。本実施形態のリップ部２５は、芯金２４をインサート部品としてゴム材料で加硫成形される。

第１リップ２５ｂの先端（内径端）及び第２リップ２５ｃの先端２５ｃ１は、何れも後蓋４の外周面４ａに対して締め代をもって接触している。なお、第１リップ２５ｂの先端は、後蓋４の外周面４ａに対して面接触し、第２リップ２５ｃの先端２５ｃ１は、後蓋４の外周面４ａに対して点（線）接触している。これにより、第１リップ２５ｂと第２リップ２５ｃの間には、リップ部２５と後蓋４（の外周面４ａ）とで囲まれたリップ間空間Ｓ２が形成される。第２リップ２５ｃを挟んでリップ間空間Ｓ２の反軸受側には、リップ間空間Ｓ２とは隔絶され、シールケース２１と後蓋４で形成されるラビリンスシールを介して大気に連通した軸受外部空間Ｓ４が形成される。

第１リップ２５ｂの外周には環状の拘束部材２６が装着されている。この拘束部材２６は、弾性的に拡径及び縮径可能なものであり、弾性的に拡径した状態で第１リップ２５ｂの外周に装着されている。そのため、第１リップ２５ｂの先端（内径端）には、拘束部材２６の縮径方向の弾性復元力、及び上記締め代による緊迫力が付与されている。これにより、第１リップ２５ｂの内径端が後蓋４の外周面４ａに対して圧接されるので、リップ間空間Ｓ２は、上記の軸受側空間Ｓ３、さらには軸受内部空間Ｓ１（図１参照）とも隔絶される。なお、拘束部材２６としては、ガータスプリングやゴムリングなどを使用することができる。

図３に拡大して示すように、第２リップ２５ｃのうち、リップ間空間Ｓ２に臨む面（リップ内面）２５ｄには凹部２５ｅが設けられている。本実施形態では、図４に示すように、凹部２５ｅを第２リップ２５ｃの周方向に延びる円弧溝で構成し、この円弧溝からなる凹部２５ｅを周方向の複数箇所（例えば、四箇所）に等配している（図示省略）。凹部２５ｅは、内径側の端部２５ｅ１が、第２リップ２５ｃの先端２５ｃ１から所定量離れた位置に位置するように設けられる。凹部２５ｅの内径端部２５ｅ１と第２リップ２５ｃの先端２５ｃ１との離間距離は、例えば０．１ｍｍ～０．５ｍｍの範囲内に設定される。なお、本実施形態ではリップ部２５が加硫成形されることから、凹部２５ｅは、リップ部２５を成形するのと同時に型成形することができる。

本実施形態の密封装置２０では、大気に開放された軸受内部空間Ｓ１及び軸受外部空間Ｓ４と隔絶されたリップ間空間Ｓ２が負圧となり、リップ間空間Ｓ２と大気の間の気圧差が所定値を超えると、上記の凹部２５ｅと、リップ間空間Ｓ２が負圧になるのに伴って弾性変形した第２リップ２５ｃのリップ内面２５ｄ（の先端側領域２５ｆ）が後蓋４との間に形成する隙間Ｇ［図６（ａ）参照］とで構成される通気路が形成され、この通気路を介してリップ間空間Ｓ２が大気に開放される（リップ間空間Ｓ２に空気が流入する）ことでリップ間空間Ｓ２の負圧状態が解消されるようになっている。以下、図５（ａ）～（ｄ）及び図６（ａ）（ｂ）を参照して詳細に説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、リップ間空間Ｓ２が負圧になると、リップ部２５の第１リップ２５ｂ及び第２リップ２５ｃがリップ間空間Ｓ２の容積を縮小させる方向に弾性変形する。以降、リップ間空間Ｓ２と大気の間の気圧差が大きくなる（リップ間空間Ｓ２の負圧状態が進展する）につれて、両リップ２５ｂ，２５ｃは、図５（ｂ）～（ｄ）に示すように、リップ間空間Ｓ２の容積をさらに縮小させる方向に弾性変形する。

第２リップ２５ｃの変形過程において、第２リップ２５ｃのうちリップ内面２５ｄに凹部２５ｅが形成された周方向領域では、リップ内面２５ｄのうち凹部２５ｅよりも先端側の領域２５ｆと後蓋４の外周面４ａとの間に、リップ内面２５ｄに形成された凹部２５ｅと軸受外部空間Ｓ４（大気）とを連通させる隙間Ｇが一時的に形成される。つまり、リップ間空間Ｓ２の負圧状態が進展するのに伴う第２リップ２５ｃの変形過程では、図６（ａ）に示すように、上記の隙間Ｇ及び凹部２５ｅからなる通気路が一時的に形成され、この通気路を介して空気Ｍがリップ間空間Ｓ２に流入する。これにより、リップ間空間Ｓ２の負圧状態が解消される。

なお、第２リップ２５ｃのうちリップ内面２５ｄに凹部２５ｅが形成されていない周方向領域では、リップ間空間Ｓ２の負圧状態が進展する際の第２リップ２５ｃの変形過程において、第２リップ２５ｃと後蓋４との間にリップ間空間Ｓ２に空気を流入させ得るような通気路は形成されない［図６（ｂ）参照］。

以上で説明した本実施形態の密封装置２０では、リップ間空間Ｓ２が負圧になったとき（リップ間空間Ｓ２の大気との気圧差が大きくなったとき）に、第２リップとしての第２リップ２５ｃが後蓋４の外周面４ａとの間に凹部２５ｅを大気に開放する隙間Ｇを形成するように変形すれば、リップ間空間Ｓ２の負圧状態を適切に解消することができるので、密封装置２０のうち、リップ部２５（の第２リップ２５ｃ）以外の部品・部位に対して負圧状態を解消するための孔や凹部を設ける必要はなくなる。また、本発明の構成上、第２リップ２５ｃには、特許文献２に記載されているようなリブを設ける必要がなく、従って、負圧解消時に第２リップ２５ｃが後蓋４と点接触状態で摺動するのを回避できる。これにより、リップ部２５（第２リップ２５ｃ）の発熱や異常摩耗などの問題発生を可及的に防止することができる。

また、本実施形態では、円弧溝からなる凹部２５ｅを周方向の複数箇所に等配しているので、凹部２５ｅが形成されていない周方向領域では、大気（軸受外部空間Ｓ４）とリップ間空間Ｓ２との間で空気が行き来することはない［図６（ｂ）参照］。そのため、上記通気路が形成されることによるシール性能の低下を抑制しつつ、リップ間空間Ｓ２の負圧状態を適切に解消することができる。

図７（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る密封装置２０の部分概略斜視図である。この実施形態では、円弧溝からなる凹部２５ｅの深さ寸法が、第２リップ２５ｃの先端２５ｃ１との離間距離が拡大する方向に沿って漸増するように形成されている点において、前述した実施形態と異なる。このようにすれば、リップ間空間Ｓ２の負圧状態が進展するのに伴って第２リップ２５ｃが弾性変形したときに、第２リップ２５ｃと後蓋４、凹部２５ｅと後蓋４との間に形成される隙間Ｇのサイズを必要最小限に抑えることができ、シール性の低下を防止できる。

凹部２５ｅは、以上で説明したような円弧溝で構成する他、図７（ｂ）に示すような窪みで構成することもできる。なお、この窪みからなる凹部２５ｅは、図７（ａ）に示す凹部２５ｅと同様に、その深さ寸法が、第２リップ２５ｃの先端２５ｃ１との離間距離が拡大する方向に沿って漸増するように形成されている。

以上、本発明の実施形態に係る密封装置２０、及びこれを備えた転がり軸受装置について説明したが、本発明の実施の形態はこれに限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、さらになる変更を施すことができる。

１ 転がり軸受
２ 車軸
３ 油切り（摺動相手部材）
４ 後蓋（摺動相手部材）
１０ 外輪
１２ 内輪
１４ 円すいころ（転動体）
２０ 密封装置
２１ シールケース
２３ シール部材
２４ 芯金
２５ リップ部
２５ｂ 第１リップ
２５ｃ 第２リップ
２５ｄ リップ内面
２５ｅ 凹部
Ｇ 隙間
Ｓ１ 軸受内部空間
Ｓ２ リップ間空間
Ｓ４ 軸受外部空間

Claims (6)

1. 転がり軸受の軸受内部空間をシールするシール部材を有し、該シール部材が、弾性材料からなるリップ部と、該リップ部を保持した芯金とを備え、
   前記リップ部に軸方向に間隔を空けて設けられた環状の第１リップ及び第２リップの先端が摺動相手部材の外周面に摺接することにより、両リップ間に前記軸受内部空間及び大気とは隔絶されたリップ間空間が形成される密封装置において、
   前記第１リップ及び前記第２リップのうち、反転がり軸受側に設けられた前記第２リップの前記リップ間空間に臨む面に凹部が設けられ、
   前記リップ間空間が負圧になるのに伴って変形した前記第２リップの前記リップ間空間に臨む面と前記摺動相手部材の外周面との間に形成される隙間と、前記凹部とを介して前記リップ間空間が大気に開放されることを特徴とする密封装置。
2. 前記凹部を周方向に延びる円弧状溝で構成し、該円弧状溝を周方向の複数箇所に等配した請求項１に記載の密封装置。
3. 前記凹部を、周方向寸法が前記第２リップの先端側に向けて漸減した先細り形状の窪みで構成し、該窪みを周方向の複数箇所に等配した請求項１に記載の密封装置。
4. 前記凹部の深さ寸法を、前記第２リップの先端との離間距離が拡大する方向に沿って漸増させた請求項１～３の何れか一項に記載の密封装置。
5. 前記リップ部が、前記芯金をインサート部品として型成形されている請求項１～４の何れか一項に記載の密封装置。
6. 転動体を介して相対回転する内輪及び外輪を有する前記転がり軸受と、前記転がり軸受の軸方向外側に配置された前記摺動相手部材と、請求項１～５の何れか一項に記載の密封装置と、を備える転がり軸受装置。

Images