JP3945661B2

JP3945661B2 - 回転用シール装置

Info

Publication number: JP3945661B2
Application number: JP00221595A
Authority: JP
Inventors: 渡湯本; 重雄飯沼
Original assignee: 株式会社阪上製作所
Priority date: 1995-01-10
Filing date: 1995-01-10
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: JPH08189567A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、流体圧機械における回転部材あるいは揺動部材などに見られる、相対的に運動する２つの円筒形部材間の流体圧力を密封するための回転用シール装置に関し、特に高圧条件下における回転部材あるいは揺動部材のシール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から流体圧機器の高圧・高速の回転部に使用されるシール装置としては、メカニカルシールが広く使用されているが、取り付け構造が複雑であり、かつスペースも大きいものである。また、比較的回転数が少ない流体圧機器などに見られるような揺動運動部、あるいは回転運動部のシール装置としては、ポリテトラフルオロエチレン (以下、ＰＴＦＥと記す）などの合成樹脂製の略矩形断面のシールリングが単体で使用されている。
【０００３】
このようなシールリングは、前述したように低速の回転や揺動運動用の取扱いが容易で、かつ構造がコンパクトなシール装置として実用化されており、今日、パワーステアリングの回転バルブギア部、センタースイベルジョイントなどのローター部などに広く使用されている。
【０００４】
図７および図８に示すように、従来のシールリング71単体からなるシール装置70は、相手部材１の相手運動面２とは密着状態で略矩形断面の装着溝４に取付けられ、装着構４内に導入された流体圧力がシールリング71を溝側面におよび相手運動面２に押し付けることによって密封性を得ているが、流体圧力に比例して相手運動面２および装着溝４の側面に対する接触力が高くなるため、高圧条件の場合には、相手運動面との摩擦力が装着溝側面との摩擦力より大きくなることがある。このような場合には、シールリングが相手運動面と一体的に回転運動する、いわゆる共回り現象が発生して、シールリング71の側面と装着溝４の側面との相対的な回転運動となり、特に高速回転時にはシールリング側面および装着溝側面の異常摩耗が発生し耐久性が得られなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、本発明の目的は、高圧・高速回転条件下でそのような共回り現象が発生しても問題とならない回転用シール装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、シールリングを高圧条件下で回転運動もしくは揺動運動を行う部材 (以下、単に回転運動および回転部材という) に使用することについて種々の検討を行った結果、シールリングの断面において径方向寸法を軸方向寸法より大きく偏平断面にすること、および装着溝の側面の表面粗さを良くすることにより耐久性は改善されるが、圧力、回転数などの使用条件によっては共回りが避けられないこと、また一体溝の側面の表面粗面化は加工が難しいことなどから根本的な解決には至らなかった。
【０００７】
このような状況からさらに検討を加えた結果、高圧の回転条件においてはシールリングの共回り現象は避けられないとの知見から、むしろシールリングと装着溝側面との直接の回転運動を避ければ良いとの着想を得た。
【０００８】
つまり、相対的に回転運動するシールリングの側面と装着溝の側面との当接領域にスリップリング、好ましくはシールリングより硬質の弾性材料製のスリップリングを設けることにより、シールリングとスリップリングとの相対的な回転運動に置き換えるのである。
【０００９】
このときスリップリングもシールリングとの摩擦により回転運動するが、スリップリングとシールリングとの摩擦力に比較して、スリップリングと装着溝側面との摩擦力がより大きくなるような、シールリングとスリップリングおよび装着溝側面との組合わせにより、スリップリングの回転 (揺動も含む、以下同じ) が規制されるとともに、スリップリングの表面は装着溝の側面に比べ表面粗さが良いため、シールリングとスリップリング間の摩擦、摩耗が低減され、高圧・高速の回転運動においても十分な耐久性が得られることを見い出し本発明を完成した。
【００１０】
ここに、本発明の要旨とするところは、相対的に回転運動あるいは揺動運動する２つの円筒形部材の、いずれか一方の対向面に設けられた略矩形断面の環状の装着溝に装着されるシール装置であって、相手部材の運動面に当接する合成樹脂製の略矩形断面のシールリングと、該シールリングの受圧側の軸方向側面に、好ましくは弾性材料からなるスリップリングとを共回り状態に組み合わせて装着したことおよびスリップリングとシールリングとの摩擦力に比較して、スリップリングと装着溝との摩擦力をより大きくすることを特徴とする回転用シール装置である。
【００１１】
本発明の好適態様によれば、前記スリップリングは、前記シールリングの材料より硬質の材料から構成する。
さらに別の好適態様によれば、前記シールリングの圧力側の側面あるいは圧力側のスリップリングと装着溝側面との間に、該シールリングを軸方向に押圧する弾性付与リングをさらに組み合わせて設けてもよい。
【００１２】
【作用】
このように、本発明にあっては従来の共回りを不可避と考えてさらにスリップリングを組み合わせたのであって、シールリング、スリップリング、さらには装着溝の材質をそれぞれ考慮することで、特に高圧条件下でも回転接触面がシールリング側面とスリップリング側面との間に形成されるようにすれば、回転接触面における異常摩耗を効果的に防止できる。
【００１３】
本発明において用いるシールリングの合成樹脂材料としては、フッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェンレンサルファイド樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などの熱可塑性あるいは熱硬化性樹脂などの各種の合成樹脂が使用でき、さらにこれらの樹脂に、液状あるいは固体の潤滑剤、合成樹脂の繊維あるいは粉末、炭素繊維、金属粉末、無機質の繊維あるいは粉末などを充填し、物性を改良したものが使用できる。
【００１４】
スリップリングの材料は、前記したシールリングの材料として示したものがあり、特にそのうちでも弾性材料が好ましく、さらに装着溝を構成する材料より軟質の金属材料 (例：アルミニウム合金など) も使用できる。
【００１５】
すでに述べたように、いずれの材料にせよ、シールリングと、スリップリングと、装着溝とをそれぞれ構成する材料同士の組合せが、例えばその材料の硬さにおいて、スリップリングの材料の硬さがシールリングの材料よりも硬くかつ装着溝を構成する材料よりも柔らかければ良く、シールリングとスリップリングの摩擦力が、スリップリングと装着溝との摩擦力より小さくなるように構成すれば良い。
【００１６】
スリップリングは好ましくは略偏平断面であって、スリップリングの幅寸法は、シールリングの材料の耐圧強度が十分上回る場合は幅狭でも良いが、通常シールリングの径方向の幅寸法と同等以上であることが望ましい。
【００１７】
また、スリップリングの装着溝底面の側の固定側周面には軸方向の切欠きを複数設けてもよい。このような切欠きは、シール装置の両方向から圧力が作用する両圧用の場合において流体圧力を装着溝内に容易に導入して、シールリングの固定側周面に流体圧力を確実に作用させて密封性を維持するための手段として有効である。
【００１８】
シールリングの略矩形断面の角部にＲ面またはＣ面を設けてもよく、また、シールリングのスリップリングと接する面に相手運動面と接する接触周面とは反対側の受圧面に開口端をもち、接触周面側に連通しない複数の放射状溝、あるいは１ないし複数の環状溝と、受圧面に開口端をもち環状溝までに流体圧力を導入するための圧力導入溝とからなる接触面圧低減手段を設けることができる。
【００１９】
このような接触面圧低減手段を設けることにより、シールリングとスリップリングの間に流体圧力が導入されることにより、シールリングのスリップリングに対する接触面圧が下がり、かつ潤滑効果が得られるため、耐久性の向上と摩擦力が低減される。
【００２０】
シールリングの装着溝側面に対する密着力は、装着溝内に導入された流体圧力によっている。従って流体圧力が低い場合には、シールリングをスリップリングへ押圧する力がほとんど発生しないため、シールリングとスリップリングおよびスリップリングと溝側面の接触が不安定となるため、漏れが発生することがある。このような漏れを防止するには、シールリングの圧力側の側面にシールリングを受圧側の側面に押し付ける弾性付与リングをさらに組み合わせて設けることが好ましい。かかる構成によってそのような漏れの問題は解消される。
【００２１】
この弾性付与リングは、例えば径方向に波状に成形された金属あるいは合成樹脂、エラストマー材料製のワッシャーリング状のものを用いても良く、シールリングと装着溝の間、もしくはスリップリングと装着溝の間に設けられる。
【００２２】
このような弾性付与リングを併用することは、シールリングを押圧するほかに流体圧力を装着溝内にスムーズに導入して、密封性を向上させる点において効果がある。
【００２３】
【実施例】
次に図面によって、実施例を説明する。
図１は、本発明にかかる回転用シール装置の片側断面図であり、図２はそれを装着溝に装着した場合の同じく部分断面図である。
【００２４】
図１から分かるように、本発明にかかる回転用シール装置10は、合成樹脂製の略矩形断面のシールリング11と、このシールリングの受圧側の軸方向側面に組み合わせて設けた好ましくは弾性材料からなるスリップリング21とから構成される。シールリング11は、運動側周面12と装着溝側周面15と、さらに圧力側の側面13と受圧側の側面14とを備えている。スリップリング21はこの側面14の側に接触して設けられ、内径はシールリング11のそれと実質同一とし、外径は僅かに大きくすることが好ましい。例えば、軸径70mmで0.3 mm程度である。
【００２５】
図２に示すように、本発明にかかる回転用シール装置10は、回転軸１とその外周ハウジング３に設けられた略矩形断面の装着溝４に取り付けられ、ロッド表面２に接するシールリング11の圧力の作用する圧力側の側面13とは反対側の受圧側の側面14と装着溝４の受圧側の側面６との間にスリップリング21が設けられている。
【００２６】
このような構成をとることによって、図中Ｐで示す流体圧力はシールリング11の圧力側の側面13と装着溝の側面５との隙間から装着溝内に入り、シールリング11の外周面に相当する周面15と圧力側の側面13に作用して、シールリング11の運動側周面12をロッド表面２に密着させると共に、スリップリング21を装着溝４の受圧側の側面６に押圧するように作用する。
【００２７】
このとき流体圧力は、シールリング11の運動側周面12と回転軸の表面２の接触面と、シールリング11の受圧側の側面14とスリップリング21との接触面、およびスリップリング21と装着溝の側面６との接触面において密封される。
【００２８】
ここに、シール装置10に高圧が作用した場合など、シールリング11がロッド１と共に回転するいわゆる共回りの状態となるが、そのときはシールリング11の受圧側の側面14とスリップリング21との相対運動となるため摩耗の発生はほとんどなく、またシールリング11とスリップリング21の摩擦抵抗も、シールリング11の側面14と装着溝側面６との直接的な摩擦抵抗に比べ小さな値となる。
【００２９】
図３は、ピストン部に取付けられ軸方向両側から交互に流体圧力が加わる場合の本発明にかかる回転用シール装置40の例を示し、図４はそれを装着溝64内に装着した場合を示す。本例は、スリップリング51、51を圧力側および受圧側のそれぞれに設けた場合である。
【００３０】
図３および図４からわかるように、シールリング41の軸方向両側面43、44と装着溝側の側面65と66の間にスリップリング51、51を設けた状態を示す図である。図示例では、このようなシール装置が圧力供給路69をはさんで下２段に設けられている。なお、符号68はローター部のポートを示す。
【００３１】
図５は、シールリング11の圧力側の側面13に弾性付与リング31を設けた状態を示す片側断面図で、図６はこれを装着溝に装着した状態を示す断面図であり、弾性付与リング31によりシールリング11をスリップリング21に密着させ、さらにスリップリング21を装着溝４の側面６に密着させて無圧あるいは低圧時の密封性を確実なものとすることができる。符合８、９はそれぞれドレンポート、オイルシールハウジングを示す。
【００３２】
弾性付与リング31は、合成樹脂、金属等で円周方向に波形に成形されたばね座金状のものを使用している。合成樹脂材料製の場合は、シールリングに直接接するように取付けられるが、金属材料製の場合はスリップリングあるいは平ワッシャー状のスペーサーリングを間に挟むことが好ましい。
【００３３】
次に、以上説明したような各シール装置のシール特性を評価するために、性能試験を、表１および表２に示す条件で行い、そのときの作動油の漏れをもってそのシール特性を評価した。
【００３４】
図10は試験装置の概略を示す説明図であり、軸100 にシール装置101 を設置し、中央部の加圧ポートから圧力室102 に所定圧をかけそのときのシール装置の外側に設けた回収路104 を経て外部に漏れる作動油の量を受皿106 に受けて、その量を計測するのである。
【００３５】
図９にその結果を示すように、従来シールリング装置( 図７参照) は36時間程度でシールリングの摩耗が進み、破損も見られ耐久性がない。
一方、本発明にかかるシール装置( 図１、図５および表２参照) は、耐久168 時間の時点でも１分間当たり１cc程度以下であり、シールリング、スリップリングとも異常な摩耗は認められなかった。
【００３６】
このように本発明にかかる回転用シール装置は、僅かではあるが漏れの発生することがあるが、わずかな漏れも嫌われるロッド部に使用する場合には、本発明のシール装置の外部側に、図６に示すようにオイルシール９などを組合わせ、その間にドレン回路８を設けることにより、油圧モーターなどのロッド部のシール装置としても使用が可能である。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明にかかるシール装置は、シールリングと装着溝の側面の間に合成樹脂等の弾性材料からなるスリップリングを組み合わせるという単純な構成ではあるが、高圧の回転部のシール装置として、耐久性、密封性に優れた効果を発揮し、しかも取扱が容易でかつ低価格であるなど経済性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる回転用シール装置の片側断面図である。
【図２】図１のシール装置をロッド部の装着溝に取付けた状態を示す片側断面である。
【図３】本発明にかかる回転用シール装置を溝方向両側から交互に流体圧力が加わる両圧用とした例を示す片側断面図である。
【図４】図３のシール装置をピストン部に取付けた状態を示す片側断面である。
【図５】波バネ状の弾性付与リングを併用した例を示す片側断面図である。
【図６】図５のシール装置をロッド部に取付けた状態を示す略式断面図である。
【図７】従来のシールリング単体で用いるシール装置の片側断面である。
【図８】図７のシール装置をロッド部に取付けた状態を示す略式断面図である。
【図９】本発明のシール装置と従来からのシールリングを単体で用いたシール装置の性能を示すグラフである。
【図１０】実施例で用いたシール装置の漏れ試験装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１：ロッド３：ロッドハウジング４：装着溝
５：圧力側溝側面６：受圧側溝側面７：溝底面
10：回転用シール装置 11：シールリング 12：運動側周面
13：圧力側側面 14：受圧側側面 15：固定側周面
21：スリップリング 31：弾性付与リング 41：シールリング
51：スリップリング 61：ローター 62：ボディ
71：シールリング

Claims

相対的に回転運動あるいは揺動運動する２つの円筒形部材の、いずれか一方の対向面に設けられた略矩形断面の環状の装着溝に装着されるシール装置であって、相手部材の運動面に当接する合成樹脂製の略矩形断面のシールリングと、該シールリングの受圧側の軸方向側面にスリップリングとを共回り状態に組み合わせて装着したことおよびスリップリングとシールリングとの摩擦力に比較して、スリップリングと装着溝との摩擦力をより大きくすることを特徴とする回転用シール装置。
前記スリップリングが、前記シールリングの材料より硬質の材料から構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転用シール装置。
前記シールリングの圧力側の側面あるいは圧力側のスリップリングと装着溝側面との間に、該シールリングを軸方向に押圧する弾性付与リングをさらに組み合わせて設けた請求項１または２に記載の回転用シール装置。