JP4154161B2

JP4154161B2 - ウォーターポンプ軸受シール装置

Info

Publication number: JP4154161B2
Application number: JP2002064582A
Authority: JP
Inventors: 治義吉田
Original assignee: Yamada Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Apic Yamada Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2003262232A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に装着されるウォーターポンプのインペラ回転用のウォーターポンプ軸受において、特にインペラ装着側におけるシール構造を極めて簡単で部品点数を少なくし、且つ密封性は極めて良好に維持することができるウォーターポンプ軸受シール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ウォーターポンプ軸受において、インペラ装着側のシール構造として、シールに３箇のリップが形成され、その３箇のリップのうち、２箇のリップがウォーターポンプ軸の軸周表面に接触し、残りの一箇のリップが軸方向に延出して、ウォーターポンプ軸に装着されたスリンガに接触させた構造のものが存在している。このようなシール構造が特開平１１−１５３０９６号に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ウォーターポンプ軸受のシール装置における３箇のリップによるシール構造は、軸受の密封性を高めることが可能であるが、３箇のリップの接触において必ず１箇以上のリップは、ウォーターポンプ軸とは別材となるスリンガに接触させている。特に、典型的なスリンガとしては、その断面形状がほぼコ字形状又はＬ字形状等に形成され、シールリップとの接触面が、多面的であり、たとえばスリンガを構成する面の少なくとも一面が軸方向と直交する方向に突出している。
【０００４】
そして、そのスリンガの軸から突出した面部分にシールリップが接触する構造であり、これによって３個のシール間の間隔が適宜に広がることになり、たとえ最初のシールリップから水が浸入しても、次位のシールリップに向かって水が移動するときに、その水を低減させ、次位のシールリップではほぼ確実に水の浸入を遮断し、密封性をより一層，良好にするものである。このため従来のシール構造では、複数のシールリップを形成したシール材とスリンガとが必要となり、構成部品の点数が増えることになる。
【０００５】
また、そのスリンガの加工工程、すなわち軸へスリンガを装着する工程においては、軸に対してスリンガを極めて正確に装着しなければならないので、シール表面の振れ精度の管理が必要になる。しかも、スリンガの取付精度は、軸の回転動作時にシールリップが均一な圧力で接触しなければならないために、その工作精度には、極めて高い技術力が要求される。このようなことから、従来のウォーターポンプ軸受は、極めて高価なものであった。
【０００６】
このようにスリンガと，該スリンガに接触する３箇のシールリップを有するシール材との組み合わせによる構造におけるシール装置は、極めて高価で且つそのコスト低減が困難なものであった。したがって、本発明の目的は、ウォーターポンプ軸受において、従来の良好な密封性は維持しつつも、そのシール構造をさらに極めて簡単なものとし、且つ低価格に提供可能にすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意，研究を重ねた結果、本発明を、主リップ，第１副リップ及び第２副リップを有するシール材と、前記主リップ及び第２副リップが接触する大径軸部と、該大径軸部と共に段差面部を間にして形成された小径部とからなる軸と、該軸を転動体を介して包囲する外輪とからなり、該外輪箇所がハウジング本体部のボス孔部内に支持固着されたウォーターポンプ軸受と、ハウジング本体部のボス孔部開口箇所に固着されたメカニカルシールとからなり、該メカニカルシールには、前記軸の外周面に装着固定される内筒部と、該内筒部の軸受部側に対向する端部から外径方向に向って拡開形成され、且つ、前記メカニカルシールの端部から前記軸の軸受部側に向って伸びるように形成され、前記軸の段差面部付近に達すると共に前記内筒部に対してほぼ直角状に形成される拡開部から前記軸の外側に面する摺動接触面とからなる摺動面部とを有する内環体が構成され、前記メカニカルシールの内環体から構成された摺動接触面と前記第１副リップとを接触してなることを特徴とするウォーターポンプ軸受シール装置としたことにより、シール構造を簡単にするとともに、その密封性を一定の水準に維持することができ上記課題を解決したものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、本発明は、自動車等の輸送機等や産業機械等のエンジンにおいて装着されるウォーターポンプの軸受に適用されるものである。まず、ウォーターポンプの軸受は、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、ハウジング本体部２０とハウジングカバー部とから構成されたポンプハウジング内に納められており、ポンプ室内のインペラ２１を回転させるものである。そのポンプハウジングには、軸受を装着するためのボス孔部２０ａが形成されており、該ボス孔部２０ａ内に後述する軸受の外輪１２部分が装着される。
【０００９】
軸受は、主にシール材Ａ，軸Ｂ，外輪１２及び転動体１３等から構成されている。まずその第１実施形態から述べると、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、そのシール材Ａは、環状部１の内周面側に主リップ２，第１副リップ３及び第２副リップ４が形成されている。これら３個のリップは、断面ほぼ三角山形状に形成されたもので、各リップは、前記軸Ｂの外表面の適宜の位置に接触状態となるものである。主リップ２は、前記第１副リップ３と第２副リップ４との中間に位置して形成されており、また第１副リップ３は軸Ｂの外側に面する位置となり、第２副リップ４は軸Ｂの内部側に位置するものである。さらに、主リップ２と第２副リップ４とは、前記環状部１の同一内周面上に形成されている。
【００１０】
また、前記第１副リップ３は、前記主リップ２及び第２副リップ４とは、異なる方向に向かって突出形成されるものであり、具体的には、図１（Ｂ），図２（Ｂ）等に示すように、前記主リップ２の突出方向と、第１副リップ３の突出方向とが直交し，且つリップ接触方向は同一方向としたり、或いは図４（Ａ）に示すように、前記主リップ２の突出方向と第１副リップ３との突出方向を反対となるようにしたり、図４（Ｂ）に示すように、主リップ２突出と第１副リップ３とのリップ接触方向をほぼ直角となるようにしたもの等が存在する。また、前記環状部１の外周側には、ほぼ鍔状に外方に向かって広がって形成された固定環状部１ａが設けられている。前記環状部１には、図２（Ｂ）に示すように、補強環７が装着され、シール材Ａは、その補強環７によって後述する外輪１２に強固に装着固定することができるようになっている。
【００１１】
前記環状部１は、ゴム材にて形成されたものであり、前記補強環７は、金属材にて形成される。さらに前記シール材Ａの第１副リップ３より外方側には、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、非接触包囲部５が形成されている。該非接触包囲部５は、前記環状部１に対して扁平円筒状をなしており、その内周側面と、前記軸Ｂの外周面との間には、微小隙間ｓが形成されるようになっている。その非接触包囲部５は、比較的肉厚に形成されており、特に、その非接触包囲部５のほぼ全体或いは先端部分の断面形状がほぼ円形状に形成されることもある。この厚肉状としたことで、リップ部，特に第１副リップ３を弾性的に強化し、変形しにくくすることができる。また前記非接触包囲部５は、ラビリンス効果を発揮し、メカニカルシールより漏れる水の浸入を抑制することができる。また、図５（Ｂ）に示すように、前記非接触包囲部５の軸Ｂ側面、即ち微小隙間ｓ側には、凹凸面５ａが形成されることもある。その凸部位は、前記軸Ｂの軸周面とは非接触状態にある。このように凹凸面５ａが形成されることで、前記ラビリンス効果がより一層発揮されることになる。
【００１２】
次に、軸Ｂは、図３（Ｃ）に示すように、大径軸部８と小径軸部９とからなり、前記大径軸部８と小径軸部９との間に段差面部１０が形成されている。その大径軸部８は、後述する外輪とともに回転支持部を構成する部位である。また、前記小径軸部９は、前記ポンプ室内に向かって突出し、その先端箇所には、インペラ２１が装着される。前記段差面部１０は、前記軸Ｂの大径軸部８から小径軸部９に変化する段差箇所であり、且つ前記シール材Ａの第１副リップ３が接触する部位である。
【００１３】
その段差面部１０の段差面は、前記軸Ｂの軸方向に直交する平坦面となるように形成された直角段差面としたものである。また、その段差面部１０が円錐状段差面として形成されることもある。その軸Ｂの大径軸部８の外周には、その軸周方向に沿って形成された外周転動溝８ａが軸方向に複数列設けられている。また、外輪１２は、円筒状に形成され、前記大径軸部８とともに前記軸Ｂの回転支持部分を構成する部材であるが、その外輪１２の内周面には、前記外周転動溝８ａ，８ａ，…に対応する位置に複数の内周転動溝１２ａ，１２ａ，…が形成されている。
【００１４】
そして、大径軸部８の外周転動溝８ａ，８ａ，…及び外輪１２の内周転動溝１２ａ，１２ａ，…との間に前記転動体１３，１３，…が配列され、該転動体１３，１３，…がリテーナ等にて所定間隔を維持するように設定され、大径軸部８の外周を包囲するようにして外輪１２が装着される。前記転動体１３は、具体的には球体であるが、その他の形状として円筒状或いはローラ状のものであってもよい。また、図示された大径軸部８の外周転動溝８ａ，８ａ，…及び外輪１２の内周転動溝１２ａ，１２ａ，…は、夫々２箇所に形成されている。
【００１５】
次に、その外輪１２のインペラ装着側の開口付近の内周側には、前記シール材Ａの固定環状部１ａが装着される固定溝１２ｂが周方向に形成されている。該固定溝１２ｂにシール材Ａの固定環状部１ａが挿入状態で固着され、そのシール材Ａの内周側においては、主リップ２，第２副リップ４が軸Ｂに接触している。
【００１６】
次に、メカニカルシールＣは、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、ポンプのハウジング本体部２０のボス孔２０ａ開口周縁に支持固着されるものである。そのメカニカルシールＣは、内環体Ｃ₁と外環体Ｃ₂とから構成されている。そして、その外環体Ｃ₂が前記ボス孔２０ａに圧入状態に配置されメカニカルシールＣがボス孔２０ａに固着され、また外環体Ｃ₂にはスプリングなどが組み込まれている。その内環体Ｃ₁と外環体Ｃ₂には耐蝕性の高いステンレス材等により形成されることが好ましいが、それに限定されることなく、その他の金属材，非金属材，合成樹脂等が適宜選択される。
【００１７】
前記内環体Ｃ₁は、図１（Ｂ），図３（Ｂ）等に示すように、メカニカルシールＣを前記軸Ｂへ圧入固着するための部位として、円筒状に形成された内筒部１７を有している。そして、図１（Ｂ）及び図２（Ａ），（Ｂ）等に示すように、その内筒部１７の軸受部側に対向する端部から外径方向に向かって拡開する摺動面部１８が屈曲形成されている。該摺動面部１８には、前記第１副リップ３が接触する部位である。また、前記摺動面部１８は、メカニカルシールＣの端部から前記軸Ｂの軸受部側に向かって伸びるように延出形成されたものである。したがって、その摺動面部１８は、前記軸Ｂの段差面部１０付近に達しており、さらにその摺動面部１８の先端部分は大径軸部８に対して軸方向に交わる状態となっている。
【００１８】
前記摺動面部１８は、断面形状は、前記内筒部１７の端部から外方に拡開形成された前記内筒部１７に対してほぼ直角状の拡開部１８ｂが形成され、該拡開部１８ｂから摺動接触面１８ａが形成される。その摺動接触面１８ａと拡開部１８ｂとが、ほぼ逆「Ｌ」字形状となる。その摺動面部１８の外周側にて前記第１副リップ３と接触する構造となっている。その接触構造には、種々のタイプが存在し、その第１タイプとしては、図１（Ｂ），図２（Ａ），（Ｂ）等に示すように、前記摺動面部１８の外方側を摺動接触面１８ａとして第１副リップ３と接触したり、或いはその第２タイプとして図４（Ａ）に示すように、摺動面部１８の内方側を摺動接触面１８ａとして第１副リップ３と接触する構造としている。さらに、第３タイプとして、図４（Ｂ）に示すように、摺動面部１８の摺動接触面１８ａがほぼ垂直面状に形成され、第１副リップ３がその垂直面状の摺動接触面１８ａに接触する構造とすることもある。
【００１９】
次に、本発明の第２実施形態としては、前記軸Ｂの軸周方向に、図６に示すように、シール溝１１が形成されたものである。具体的には、図６（Ｂ）に示すように、前記大径軸部８の軸周方向に沿ってシール溝１１が形成され、図６（Ａ）に示すように、そのシール溝１１内に前記シール材Ａの主リップ２，第２副リップ４が接触したり、或いは前記主リップ２又は第２副リップ４のいずれか一方が接触する構造としたものである。なお、前記第１副リップ３は、前記摺動面部１８の摺動接触面１８ａに接触している。
【００２０】
次に、本発明の第３実施形態としては、前記軸Ｂの段差面部１０付近には、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、カラー材Ｂ₁が装着されることもある。すなわち、軸Ｂは、前記大径軸部８，小径軸部９及び段差面部１０からなる軸本体と、カラー材Ｂ₁とから構成される２部材構成としたものである。そのカラー材Ｂ₁の材質は、主に金属材であるが、特に好ましくはステンレス製である。カラー材Ｂ₁をステンレス材とすることで、錆びることがなく、且つシール材Ａとの接触性も極めて良好である。また、カラー材Ｂ₁のその他の材質としては、耐久性のある合成樹脂材，非金属材等で、特に回転作動部位を構成する部材として好適な材質で且つ所望の形状への加工性が良好なものであれば、その材質はどのようなものでも構わない。
【００２１】
カラー材Ｂ₁は、図７（Ｂ）に示すように、前記段差面部１０を被覆する段差被覆部１４と、前記大径軸部８の段差面部１０寄側の軸周面を被覆する大径軸被覆部１５とから構成される。そして、前記大径軸被覆部１５が大径軸部８を被覆し、且つ前記段差被覆部１４が段差面部１０に対してほぼストッパとしての役目をなすようにして、前記カラー材Ｂ₁が軸Ｂに装着固定されるものである。そして、前記カラー材Ｂ₁の大径軸被覆部１５に前記主リップ２及び第２副リップ４とが接触する。また、前記大径軸被覆部１５には、主リップ２のみが接触し、第２副リップ４は軸Ｂの大径軸部８の軸周面に接触することもある。
【００２２】
これによって、第１副リップ３，主リップ２，第２副リップ４は、内環体Ｃ₁の摺動面部１８及び軸Ｂ（カラー材Ｂ₁も含む）に対して夫々異なる面での接触となり、多面的なシール接触とすることができる。それゆえに、前記シール材Ａと軸Ｂとの接触構造は、実際にはスリンガを使用しないものでありながら、あたかもスリンガを使用した場合の構造とほぼ同一にすることができ、その密封性を良好に維持することができる。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、主リップ２，第１副リップ３及び第２副リップ４を有するシール材Ａと、前記主リップ２及び第２副リップ４が接触する大径軸部８と、該大径軸部８と共に段差面部１０を間にして形成された小径部９とからなる軸Ｂと、該軸Ｂを転動体１３を介して包囲する外輪１２とからなり、該外輪１２箇所がハウジング本体部２０のボス孔部２０ａ内に支持固着されたウォーターポンプ軸受と、ハウジング本体部２０のボス孔部２０ａ開口箇所に固着されたメカニカルシールＣとからなり、該メカニカルシールＣには、前記軸Ｂの外周面に装着固定される内筒部１７と、該内筒部１７の軸受部側に対向する端部から外径方向に向って拡開形成され、且つ、前記メカニカルシールＣの端部から前記軸Ｂの軸受部側に向って伸びるように形成され、前記軸Ｂの段差面部１０付近に達すると共に前記内筒部１７に対してほぼ直角状に形成される拡開部１８ｂから前記軸Ｂの外側に面する摺動接触面１８ａとからなる摺動面部１８とを有する内環体Ｃ_１が構成され、前記メカニカルシールＣの内環体Ｃ_１から構成された摺動接触面１８ａと前記第１副リップ３とを接触してなるウォーターポンプ軸受シール装置としたことにより、まず第１に、従来のシール装置に装着されていたスリンガを廃止することでき、ひいては構成部品の点数及びコストを低減し、組立，製造が極めて容易にできるし、第２に製造における組付精度の負担を低減することができ、第３に密封性を良好に維持することができる等の効果を奏する。
【００２４】
上記効果を詳述すると、本発明では、シール材ＡとともにメカニカルシールＣを使用するものであり、メカニカルシールＣを装着するのみで、メカニカルシールＣ装着箇所のみならず、シール材Ａ装着箇所の密封性をさらに向上させようとすることができる。シール材Ａの軸Ｂへの接触と同時にメカニカルシールＣと接触することで、メカニカルシールＣの内環体Ｃ₁が軸Ｂを包囲するので水分が直接、触れることなく、軸Ｂを保護することができる。
【００２５】
さらに、メカニカルシールＣには、前記軸Ｂの外周面に装着固定されるとともに、前記シール材Ａ側に向かって外径方向に拡開形成された摺動面部１８を有する内環体Ｃ₁から構成され、前記摺動面部１８には前記第１副リップ３が接触してなることにより、第１副リップ３と摺動面部１８との接触が最も行いやすい構造にできる。
【００２６】
請求項２の発明は、請求項１において、前記シール材Ａには前記内環体Ｃ₁の外周面との間に微小隙間ｓが形成される扁平円筒状とした非接触包囲部５が形成されてなるウォーターポンプ軸受シール装置としたことにより、非接触包囲部５は、その非接触包囲部５から浸入しようとする流体が第１副リップ３に達するまでに低減させるラビリンス効果とほぼ同等の現象を生じることができる。これによって、非接触包囲部５の開口から浸入した流体は、前記第１副リップ３の箇所に到達した状態でさらに低減させることができ、第１副リップ３からの水の浸入をより一層抑制し、ひいては密封性をより一層向上させることができる。
【００２７】
請求項３の発明は、請求項２において、前記非接触包囲部５は、ほぼ全体或いは先端部分の断面形状がほぼ円形状に形成されることで厚肉状にしてなるウォーターポンプ軸受シール装置としたことにより、リップを強固にすることができる。
【００２８】
請求項４の発明は、請求項１，２又は３のいずれか１項の記載において、前記軸Ｂには軸周方向にシール溝１１が形成され、該シール溝１１に前記主リップ２，第２副リップ４の少なくとも一つが接触してなるウォーターポンプ軸受シール装置としたことにより、さらに一層，密封性を向上させることができる。すなわち、前記主リップ２，第２副リップ４の少なくとも一つがシール溝１１に接触することで、シール溝１１による深さの分だけ主リップ２，第１副リップ３或いは第２副リップ４とのリップ間距離を大きくしたり、広くしたりすることができるので、たとえ水が浸入したとしても、そのリップ間距離が増加した分だけ水の浸入が減り、それ以上の浸入が生じないようにすることができ、ひいては密封性をより一層良好にできる。
【００２９】
請求項５の発明は、請求項１，２，３又は４のいずれか１項の記載において、前記軸Ｂには前記主リップ２，第２副リップ４の少なくとも一つが接触するカラー材Ｂ₁が装着されてなるウォーターポンプ軸受シール装置としたことにより、カラー材Ｂ₁は前記軸Ｂの軸本体とは異なる材質のものから、該軸Ｂの外周面を構成することができるし、カラー材Ｂ₁を所望の形状に形成して軸Ｂの段差面部１０の形状を適宜変形させることができる。上記効果を詳述すると、カラー材Ｂ₁は軸Ｂの段差面部１０箇所及びその付近における外周面を構成するものであり、該カラー材Ｂ₁の材質をステンレス材とすることにより錆びることがなく、シール材Ａの各リップとの接触状態を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は第１実施形態の第１タイプにおけるハウジング本体部に装着された軸受の縦断側面図
（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大断面図
【図２】（Ａ）は図１（Ｂ）の要部拡大断面図
（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大断面図
【図３】（Ａ）は第１実施形態の第１タイプにおけるシール材の断面図
（Ｂ）は第１実施形態の第１タイプにおけるメカニカルシールの断面図
（Ｃ）は第１実施形態の第１タイプにおける軸の一部断面にした要部側面図
【図４】（Ａ）は第１実施形態の第２タイプにおける摺動面部とシール材との接触構造の拡大断面図
（Ｂ）は第１実施形態の第３タイプにおける摺動面部とシール材との接触構造の拡大断面図
【図５】（Ａ）は非接触包囲部の拡大断面図
（Ｂ）は非接触包囲部の変形例の拡大断面図
【図６】（Ａ）は本発明の第２実施形態における要部拡大断面図
（Ｂ）は第２実施形態における一部断面にした軸の要部側面図
【図７】（Ａ）は本発明の第３実施形態における要部拡大断面図
（Ｂ）は第３実施形態における一部断面にした軸の要部側面図
【符号の説明】
Ａ…シール材
Ｂ…軸
Ｂ₁…カラー材
Ｃ…メカニカルシール
Ｃ₁…内環体
２…主リップ
３…第１副リップ
４…第２副リップ
５…非接触包囲部
１１…シール溝
１２…外輪
１３…転動体
１８…摺動面部
２０…ハウジング本体部
２０ａ…ボス孔部
ｓ…微小隙間

Claims

主リップ，第１副リップ及び第２副リップを有するシール材と、前記主リップ及び第２副リップが接触する大径軸部と、該大径軸部と共に段差面部を間にして形成された小径部とからなる軸と、該軸を転動体を介して包囲する外輪とからなり、該外輪箇所がハウジング本体部のボス孔部内に支持固着されたウォーターポンプ軸受と、ハウジング本体部のボス孔部開口箇所に固着されたメカニカルシールとからなり、該メカニカルシールには、前記軸の外周面に装着固定される内筒部と、該内筒部の軸受部側に対向する端部から外径方向に向って拡開形成され、且つ、前記メカニカルシールの端部から前記軸の軸受部側に向って伸びるように形成され、前記軸の段差面部付近に達すると共に前記内筒部に対してほぼ直角状に形成される拡開部から前記軸の外側に面する摺動接触面とからなる摺動面部とを有する内環体が構成され、前記メカニカルシールの内環体から構成された摺動接触面と前記第１副リップとを接触してなることを特徴とするウォーターポンプ軸受シール装置。
請求項１において、前記シール材には前記内環体の外周面との間に微小隙間が形成される扁平円筒状とした非接触包囲部が形成されてなることを特徴とするウォーターポンプ軸受シール装置。
請求項２において、前記非接触包囲部は、ほぼ全体或いは先端部分の断面形状がほぼ円形状に形成されることで厚肉状にしてなることを特徴とするウォーターポンプ軸受シール装置。
請求項１，２又は３のいずれか１項の記載において、前記軸には軸周方向にシール溝が形成され、該シール溝に前記主リップ，第２副リップの少なくとも一つが接触してなることを特徴とするウォーターポンプ軸受シール装置。
請求項１，２，３又は４のいずれか１項の記載において、前記軸には前記主リップ，第２副リップの少なくとも一つが接触するカラー材が装着されてなることを特徴とするウォーターポンプ軸受シール装置。