JP4034822B2 - ２方向シャフトシール - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、シャフトと係合可能なシール表面（封止面）を含む環状のシールディスク（封止円板）を有するシャフトシール（軸封止装置）に関する。詳しく言えば、液体潤滑剤がシールの潤滑剤側から空気側に漏れるのを防止するためシール表面に形成された螺旋形の溝型に関する。
従来技術の説明
米国特許３，８５７，１５６は、プラスチック物質から形成された環状のシールディスクを有するオイルシールを開示している。ディスクの内縁（内へり）は回転シャフトの表面上に乗って（跨がり）、油がシールを通ってシャフトに沿って動くのを防止し、それによって油がシャフトベアリングから漏れるのを防止する。このシールディスクは、そのシール表面に、油がシャフトとディスクのシール表面との間の滑動界面を通って漏れようとするのを妨害するようにシャフトベアリングの方に油を送るためのポンプとして、溝を作用をさせる方向に形成された螺旋形の溝（以下「螺旋溝」と称する）を有する。
この米国特許の螺旋溝は、溝が適切な方向、即ち漏れの方向とは反対方向に油を送るごときシャフト回転の方向に関連した特定の方向に螺旋回転する。もしシャフトが二方向に、すなわち時計回りと逆時計回りに可動ならば、シャフトが二つの方向の一つで回転している場合、螺旋溝はシールの補助器具としては余り効果がない。
米国特許３，６２０，５４０は、そのシール表面に多数のリッジ（うね）を有する弾性のシール剤要素を含むシャフトシールを示している。これらのリッジは、シール表面に液体受けのポケット、またはチャンネル（流路）を形成するように、シール表面の周りにクロス（十字形）型に配列されている。
これらのリッジはシャフト回転面と傾斜した角度をなし、したがって、シャフトとともに回転する加圧された油は、選択されたリッジを叩いて、そのリッジから斜め方向へ逃げるよう反射される。これらのリッジの十字クロス形状に起因して、リッジシステムはシャフトの運動のどちらの方向でも、すなわち時計回り、或いは逆時計回りのシャフト運動においても作用する。
米国特許３，６７２，６９０には、くさび型形状を有するシールバンド、またはリップを有するシール機構が示されている。シールの縁（へり）を通ってシールの油側に油を掃きもどすため、シールの縁の空気側に多数の波形のフルート（小溝）が具えられている。波形のフルートは、シャフト回転のどの方向でも有効であるように、互いにクロス形をなしている。
米国特許４，４２０，１６２には、環状のシール部材が２セットのクロス関係にある狭い或いは微細な溝を含む平らな表面を有するシャフトシールが示されている。１つのセットの溝はシール部材の平らな表面の上に潤滑剤を分布し、もう１つのセットの溝はシールの潤滑剤側の方に潤滑剤を向け、或いは送る。
米国特許４，１１８，８５６は、特許請求の範囲第１項の前提に依る二方向流体力学的シャフトシールを開示している。備えられた溝は円または部分的に円形である。米国特許４，５４２，５７３に示された一方向流体力学的シャフトシールを形成する方法はバイトに依るシール表面の溝切削から成る。
発明の要約
本発明は、どの方向にも回転可能なシャフトに使用するのに適した特許請求の範囲第１項に定義したシャフトシールに関する。シャフト軸に法線の（直角に交わる）半径方向（ラジアル）平面に配置された環状の耐磨耗性のシールディスクは、軸方向に回転してシャフト表面に乗って動的シールを与える内縁を含む。
このディスクのシール表面は、シャフトの回転の方向に関わらず、シールの液体側の方向に潤滑剤のごとき液体を送るため、その中に形成された少なくとも１つのらせん溝を有する。溝は、シールの中心軸の周りを少なくとも１回３６０°回転するため反対方向に螺旋回転する。
本発明は、さらに特許請求の範囲に定義したごときシャフトシールを形成する方法に関する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によって構成されたシャフトシール機構の横断面図である。
第２図は、第１図のシャフトシール機構に用いられるシールディスクの部分の断面拡大図である。
第３図は、第１図のシャフトシール機構に用いられるシールディスクを形成するのに使用する切断装置の説明図である。
第４図は、本発明の特徴を具体的に説明するシールディスクの平面図である。
第５図は、第４図のシールディスクに用いられる溝システムを具体化した溝交差点の構造の部分拡大図である。
好ましい具体例の詳細な説明
第１図は、固定ハウジング（１２）にプレス嵌めされたメタルケース（１０）を含むシャフトシール（８）を示す。環状のシールディスク１４は、ディスクの環状の内縁部分１６がシャフト１８の表面と滑り接触を持つようにメタルケース１０に取り付けられている。シャフト１８は、中心軸２０の周りを回転するように、減磨ベアリングに取り付けられる。図にはケース１０が示されているけれども、ディスク１４は、ケース１０なしに、ハウジング１２に直接取り付けてもよい。
シャフトベアリング用の潤滑剤のごとき液体は、シャフトシール８の右側の環状域２２に含まれている。シャフトシール８は、液体がこのシールを通って、第１図におけるシールの左側の域２４、すなわちシールの空気側に移行するのを防止する。
シールディスク１４はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又は同様の耐磨耗性プラスチック物質で作成される。最初、ディスクは、約１０ｍｍ（０．０４インチ）の軸方向の厚さを有する平らな環状の柔軟なワッシャー形である。このプラスチックディスクは、メタルケース１０に装着の過程中、第１図に描かれているように、その内縁部分を軸方向の形状に湾曲させられる。
第２図は、ディスク１４の内縁の部分を拡大形で示す。この部分においてディスク上のシール表面２５は、シール表面２５上に液体潤滑剤を分布するため、シャフト表面に沿って延長する２つの狭い溝２７および２９を持っている。シャフトトがどちらかの方向に回転している間、溝システムは潤滑剤を溝を通り潤滑剤域２２に戻るように循環する。
第３図は、シールディスク１４を形成する一方法を示す。ＰＴＦＥから作られた環状ビレット３０を中心軸３１の周りに回転させるため取り付ける。矢印３２によって示すように、溝切削器具３３は、途切れのない連続機械切削サイクルを用いて、中心軸３１から半径方向に離れ、ついで直ちに中心軸の方にバックして連続的に前進して、ビレットの端部表面３７に２つの螺旋溝を形成する。
ビレットの回転速度は、溝切削器具３３の半径方向送り速度と整合され、２つの螺旋溝２７と２９の角度を制御する。溝切削装置は、米国特許３，８５７，１５６に記載されたものと同じものであることができる。ビレット回転速度と溝切削器具３３の半径方向送り速度は、溝切削操作に用いられる数値制御された切断機械と連携した適当なコンピュータープログラムによって制御される。
２つの螺旋溝がビレットの端部面３７に形成された後、切断器具３９はビレット回転軸３１の方に半径方向に前進してビレットからディスクを薄片にスライスする。ディスクの厚さは端部面３７から切断器具３９の軸方向スペースによって定められる。典型的には、ディスクは約１０ｍｍ（０．０５インチ）の軸方向の厚さを有する。
第４図は、溝切削器具３３と切断器具３９によって形成されたディスクの平面図を示す。螺旋溝２７は、ディスクの内縁３５から時計回りの方向において外方向に螺旋形に進む。もう１つの螺旋溝２９は、ディスクの内縁３５から逆時計回りの方向で外方向に螺旋形に進む。各螺旋溝は、ディスク中心軸の周りを少なくとも１回３６０°回転する。
この２つの螺旋溝２７、２９は、溝２７での各回転が溝２９での対応する回転と２つの交差点を有するように約１８０°離れて互に食い違う。ここでは各回転方向において１つの螺旋溝のみが説明されているけれども、互いに円周方向に間隔を置いた複数個の溝を回転の各方向に形成してもよい。このようなセットの溝は、当該技術において「マルチプルスタート」溝、またはスレッドとして知られている。
螺旋溝２７は、ディスク内縁３５に内端部４１を、ディスクの内縁と外縁との中間点に外端部４３を有する。また、螺旋溝２９は、ディスク内縁３５に内端部４５を有し、螺旋溝２７の端部点４３と一致して外端部を有する。これらの溝は特定の応用に対する要求に従って、ディスク１４の全半径方向範囲を超えて延長してもよく、また中心部分、その他の任意の部分に限定されてもよい。
２つの螺旋溝２７、２９は、溝切削器具を半径方向に外方に送って溝２７を作り、次に半径方向に内方に送って溝２９を作ることによって、形成される。２つの螺旋溝の共通の終点４３は、器具の送り方向が逆の時の点と一致する。器具の全運動サイクルは、機械作業を促進し生産性を増進するように、実質上は、連続的に行われる。
螺旋溝２７、２９は、ディスク軸４７を中心とする円に関して同じ角度の接近または接触を有することが好ましい。典型的には、各溝２７、２９に対する接触またはピッチの角度は１°以下である。第５図における角Ａは、このピッチアングルを表すものである。
第４図は、比較的大きい半径距離による最大巾分離の点において半径方向に分離された二つの溝２７、２９が示されている。第４図において、２つの溝での対応する転回点間の最大半径方向分離距離は数字４９で示される。分離距離４９は２つの螺旋溝２７、２９の螺旋性を説明するため、第４図において誇張されている。実際の代表的シールディスクでは、最大分離距離４９は、僅か約０．６３５ｍｍ（０．０２５インチ）である。各螺旋溝は、約０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）、または約０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）のオーダーで計る巾寸法を有する。
前述のように、２つの螺旋溝２７、２９は約１８０°離れて互いに食い違う。かくして、螺旋溝２７は螺旋溝２９の出発点４５から１８０°離れた出発点４１を有する。これら２つの螺旋溝は、ディスク軸４７を通る延長線の仮想の直径５３に置かれた交差点を有する。しかしながら、螺旋溝２７と２９との出発点間は任意の間隔をとることができる。
螺旋溝２７、２９は、共通の結合点、或いは交差点４３を有し、そこで、２つの溝は出会い、重なり合って単一のチャンネルを集合的に形成し、交差点４３の一方の側において一方向にディスク内縁３５から外方に螺旋形に進み、次に交差点４３の他方の側において他方向にディスク内縁に戻る。
一方向におけるシャフト１８の回転運動中、油のごとき液体は、最初に、螺旋溝の１つに送入され、溝システム中を循環し、螺旋溝の内端を経てシールの油側２２に戻る。
第５図は、螺旋溝２７と螺旋溝２９間の交差点５１を拡大して説明する。シャフトが矢印５５の方向に回転していると仮定すると、矢印５７の方向に溝２７に沿って油の小さい流れがあり、矢印５８の方向に油のより大きい流れがある。油の若干は溝２７の下流の部分に流入するかも知れないが、残りの大部分の油は溝２９の下流部分に流入して液体域２２に戻される。
各溝交差点５１は、交差点に流入する液体に対する潜在的方向変化点を表す。交差点から流出する実際の量と方向は、交差点の下流側での２つの溝における相対抵抗、または静圧力によって定められる。結局、油は、溝システムの一部分を通って再循環しシールディスクの内縁３５に戻る。
シャフトの回転の方向が逆になる時は、溝２７、２９を通る流れの方向もまた逆になり、流れの大部分は溝２７を通って内縁３５の方に流れる。
螺旋溝の設計は、簡単で効率的な機械プロセスを用いて、比較的に狭い、例えば、約０．０２５ｍｍ、または０．０５１ｍｍ（０．００１、または０．００２インチ）の巾寸法の溝が得られる。成形プロセス、あるいはその他の成形法を用いて極めて狭い精密な溝を作ることは困難である。ここに記載の溝切削法では、溝切削器具は１つの方向に半径方向に送られて１つの螺旋溝を形成し、次に他の方向に半径方向に送られてもう１つの螺旋溝を形成する。溝切削操作は、数値制御、またはプログラムした機械を用いて、迅速に、かつ所望の程度の精密さをもって達成される。
添付の図は、時計回りの方向に螺旋回転する１つの溝と逆時計回りの方向に螺旋回転する第２の溝を含む螺旋溝システムを示している。しかしながら、時計回りの方向に螺旋回転する２またはそれ以上の溝、および逆時計回りの方向に螺旋回転する２またはそれ以上の溝のある溝システムも可能である。
また、上に説明した溝システムの変形も可能である。

Claims (10)

1. 中心軸（４７）の周りに同心円をなす外縁と内縁（３５）を有し、該内縁の周りでシャフト表面（１８）と係合可能なシール表面（１６）を有する環状のプラスチックディスク（１４）と、
   該シール表面に備えられた第１及び第２螺旋溝（２７、２９）であって、液体をシャフトの回転の両方向へ該各溝を通してボンプ作用で送るための前記第１及び第２螺旋溝（２７、２９）とから成るシャフトシールにおいて、
   該第１螺旋溝（２７）は該中心軸（４７）から半径方向外方に第１方向に螺旋回転し、該第２螺旋溝（２９）は該中心軸（４７）から半径方向外方に反対の第２方向に螺旋回転し、
   各螺旋溝（２７、２９）は中心軸（４７）の周りを該第１および第２方向の各々において少なくとも１回３６０°の螺旋回転をし、該螺旋溝（２７、２９）は、該第１螺旋溝（２７）が該第２螺旋溝（２９）の対応する回転と交差（５１）するよう食い違い状に配設され、
   該第１溝（２７）はディスクの内縁に向いて置かれた内側端部（４１）とディスクの内縁と外縁との間の中間点に置かれた外側端部（４３）とから成り、該第２溝（２９）は該第１溝の外側端部に連結した外側端部を有することを特徴とするシャフトシール。
2. 特許請求の範囲第１項のシャフトシールであって、該螺旋溝（２７、２９）は同じピッチ角度を有することを特徴とするシャフトシール。
3. 特許請求の範囲第１項のシャフトシールであって、第１および第２溝間の交差（５１）はディスク軸を通って伸びる直径（５３）上の複数の交差点を規定することを特徴とするシャフトシール。
4. 特許請求の範囲第１項のシャフトシールであって、該らせん溝はディスク軸を中心とする円に関して同じ接触角（Ａ）を有し、該接触角は１°より小さいことを特徴とするシャフトシール。
5. 特許請求の範囲第１項の記載によるシャフトシールであって、該第１溝はディスク内縁に隣接する位置（４１）からディスクシール表面上の予め定められた点（４３）まで外方に螺旋回転し、該第２溝は該予め定められた点（４３）からディスク内縁の方に内方に螺旋回転することを特徴とするシャフトシール。
6. 特許請求の範囲第１項の記載によるシャフトシールであって、該第１および第２螺旋溝は結合した外縁（４３）を有し、それによって該溝は連続したチャンネルを形成することを特徴とするシャフトシール。
7. 特許請求の範囲第１項の記載によるシャフトシールであって、各螺旋溝の回転間の半径方向の間隔は各溝の巾の少なくとも１０倍であることを特徴とするシャフトシール。
8. 特許請求の範囲第７項によるシャフトシールであって、各溝の巾は約０．０５１mm（０．００２インチ）以下であることを特徴とするシャフトシール。
9. 特許請求の範囲第１項に記載のシャフトシールを製造する方法であって、
   シャフトシールの前記プラスチックディスク（１４）に、１つの方向（５７）に少なくとも１回３６０°外方に半径方向に螺旋回転する第１螺旋溝（２７）を形成し、
   該第１方向と反対の第２方向（５８）に少なくとも１回３６０°外方に半径方向に螺旋回転する第２螺旋溝（２９）を形成することを特徴とする前記方法。
10. 特許請求の範囲第９項の方法であって、連続機械切削サイクルで該第１および第２螺旋溝を形成することにより、該第１および第２螺旋溝が連続溝を形成することを特徴とする方法。

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