JP5409592B2 - 軸受用シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両の軸受に好適なシール構造に関する。

車体フレームに、軸受を介して車軸を設け、この車軸で車輪を支える構造が、車両に採用される。車輪が跳ね上げる泥や水などの異物が軸受内へ入らないように、軸受にシール構造が付設される（例えば、特許文献１（図１１、図１３）参照。）。

特許文献１を図面に基づいて説明する。
図１１は従来の軸受の基本構造を説明する断面図であり、軸受１００は、内輪１０１と、外輪１０２と、内輪１０１と外輪１０２との間に設けられる転動体１０３と、これらの転動体１０３を保持する保持器１０４とからなる。そして、軸受１００は、外部から転動体１０３へ異物が侵入することを防止するオイルシール１０５、１０５を備える。

このような軸受１００を車両に適用した例を次図で説明する。
図１２に示すように、車体フレーム１０６に、外輪１０２がボルト１０７で固定され、この外輪１０２に転動体１０３を介して内輪１０１が取付けられ、この内輪１０１に車輪を止めるボルト１０８が設けられ、内輪１０１にドライブ軸１０９が連結される。
ドライブ軸１０９で内輪１０１が回され、ボルト１０８を介して車輪が回される。
内輪１０１と外輪１０２との間に、オイルシール１０５、１０５が設けられている。

図１３に示すように、オイルシール１０５は、Ｌ字断面を呈し内輪１０１に嵌合されるスリンガ１１１と、Ｌ字断面を呈し外輪１０２に嵌合される芯金１１２と、この芯金１１２に付設されるシール材本体１１３と、このシール材本体１１３からスリンガ１１１へ延ばされるリップ１１４、１１５、１１６をからなる。
リップ１１４、１１５、１１６を含むシール材本体１１３及び芯金１１２は、外輪１０２と共に静止しており回転しない。一方、スリンガ１１１は内輪１０１と共に回転する。

リップ１１４、１１５、１１６がスリンガ１１１に接触するため、シール性能が確保される。
しかし、リップ１１４、１１５、１１６がスリンガ１１１に接触することにより発生する摺動抵抗が大きく、エンジンの動力の一部を消費するため、燃費に悪影響を及ぼす。
また、リップ１１４、１１５、１１６は、使用に伴って表面が摩耗し、この摩耗量が一定値を超えるとシール性の低下が懸念される。

そこで、摺動抵抗が小さく且つシール性能が長く保てるシール構造が望まれる。

特開２００４−３５８６公報

本発明は、摺動抵抗が小さく且つシール性能が長く保てるシール構造を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、回転側の内輪と、非回転側の外輪と、前記内輪と前記外輪との間に設けられる転動体とからなる軸受に付設されるものであり、
外部から前記転動体へ異物が侵入することを防止する軸受用シール構造において、
前記内輪に設けられ外周部に突条部を有するインナーシールリングと、前記外輪に設けられ内周部に前記突条部と所定の隙間を保って対向配置される凹条部を有するアウターシールリングと、前記突条部と前記凹条部との間の隙間に封入されるグリースとからなり、
前記軸受の回転軸を含む断面における、前記回転軸と垂直な線に対する前記インナーシールリング外壁の傾斜角を、前記アウターシールリング内壁の傾斜角より大きくし、
前記アウターシールリングは、前記回転軸の軸方向に２分割される一対のリング半体から構成され、
前記一対のリング半体の分割面の内端と対向する位置に前記突条部の先端を配置したこことを特徴とする。

請求項２に係る発明では、所定の隙間は、軸受の軸方向において、インナーシールリングの中央の隙間に対して、インナーシールリングの両端の隙間が小さく設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、内輪と共に回転するインナーシールリングに突条部を設け、外輪と共に非回転状態にあるアウターシールリングに凹条部を設け、凹条部と突条部との間にグリースを封入した。
インナーシールリングが回転することで遠心力がグリースに加わる。グリースに突条部の先端に向かる遠心力分力が加わる。グリースは凹条部に集まろうとする。グリースがシール構造内に保持されるため、グリースが洩れたり飛散する心配はない。

インナーシールリングにアウターシールリングが、接触していない。回転に伴ってグリースの剪断抵抗のみが発生する。グリースの剪断抵抗は、従来のリップとスリンガの摺動抵抗より格段に小さい。結果、本発明によれば、摺動抵抗を大幅に小さくすることができる。

また、インナーシールリングにアウターシールリングが、接触していないため、インナーシールリングやアウターシールリングが摩耗する心配はなく、シール性能を長期にわたって良好に確保することができる。

請求項２に係る発明では、インナーシールリングの両端の隙間が小さく設定されている。
停止中又は低速回転時は遠心力が期待できない。グリースによっては、停止中又は低速回転時にグリースがインナーシールリングの両端の隙間から外へ洩れることが心配される。
本発明では、インナーシールリングの両端の隙間が小さく設定されているため、グリースの洩れを抑えることができる。グリースの種類の選択幅が広くなるとも言える。

本発明に係るシール構造を備える軸受の断面図である。 図２の要部拡大図である。 シール構造の作用図である。 実験のために準備したシール構造である。 トルク測定器の原理図である。 実験条件を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 隙間Ｃ１とトルクの相関グラフである。 隙間Ｃ２とトルクの相関グラフである。 シール構造の変更例を示す図である。 従来の軸受の断面図である。 車両用軸受の断面図である。 図１２の１３部拡大図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、軸受１０は、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間に設けられる転動体１３とからなる。転動体１３は、鋼球、円筒ころ、円錐ころ、ニードルの何れであっても良い。そして、軸受１０は、外部から転動体１３へ異物が侵入することを防止するシール構造２０、２０を備える。

このような軸受１０は、外輪１２が、例えば車体フレーム１５にボルト１６で固定される形態にて、車両に取付けられる。この場合は、内輪１１にドライブ軸１７が挿入され、内輪１１の外面にボルト１８にて車輪が取付けられ、ドライブ軸１７で内輪１１が回され、車輪が回される。
すなわち、内輪１１が回転体であり、外輪１２が非回転体となる。

車両では車輪で跳ね上げる泥水や砂などの異物が軸受１０に当たる。シール構造２０で、異物が軸受１０の内部に侵入することを防止する。
図２に示すように、シール構造２０は、内輪１１に設けられ外周部２１に突条部２２を有するインナーシールリング２３と、外輪１２に設けられ内周部２５に突条部２２と所定の隙間を保って対向配置される凹条部２６を有するアウターシールリング２７と、突条部２２と凹条部２６との間にできたグリース溜まり２８に封入されるグリース２９とからなる。
インナーシールリング２３が回転体で、アウターシールリング２７が非回転体となる。

突条部２２は、転動体１３側の内側斜面２２ａと、反転動体１３側の外側斜面２２ｂとで形成される。この例では、内側斜面２２ａと外側斜面２２ｂは同一傾斜角で同一長さである。
凹条部２６は、中心の平坦部２６ａと、この平坦部２６ａの一端から転動体１３側へ延びる内側斜面２６ｂと、平坦部２６ａの他端から反転動体１３側へ延びる外側斜面２６ｃとからなる。この例では、内側斜面２６ｂと外側斜面２６ｃは同一傾斜角で同一長さである。

なお、アウターシールリング２７は、組立ての都合で、一対のリング半体２７ａ、２７ｂで構成する。
すなわち、インナーシールリング２３を挟むようにして一対のリング半体２７ａ、２７ｂを合わせ、継ぎ目３１を接着剤３２で接合することで、一対のリング半体２７ａ、２７ｂを一体化して、アウターシールリング２７とする。
出来上がった後は、一対のリング半体２７ａ、２７ｂを分離することはないので、以下、継ぎ目の無いアウターシールリング２７の形態で説明する。

インナーシールリング２３及びアウターシールリング２７の素材は、非強化タイプのＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）が好適である。ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）は、結晶性の熱可塑性エンジニアリングプラスチックの一種であり、金属に近い機械的強度と剛性に加えて、高い耐熱性を有する。
非強化タイプは、素材にガラス繊維などの強化材を混入しないものを指す。

なお、インナーシールリング２３及びアウターシールリング２７の素材は、非強化タイプのＰＰＳの他、強化タイプのＰＰＳ、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の芳香族系プラスチック、ＰＡ６６（ポリアミド）、その他のエンジニアリングプラスチックであってもよい。
また、軸受の内外輪に圧入することを及びインナーシールリング２３がアウターシールリング２７に接触しないことを考えると、インナーシールリング２３及びアウターシールリング２７の素材は、ステンレス等の金属であってもよい。

グリース２９は、増ちょう剤がウレアで、混和ちょう度が２８６である、新日本石油製「パイロノックユニバーサル Ｎ６Ｃ」が好適である。
なお、グリース２９は、「パイロノックユニバーサル Ｎ６Ｃ」の他、耐水性を向上させることを目的に増ちょう剤をアルミニウムコンプレックスとしたグリースや、耐内圧変動性を向上させることを目的とした低ちょう度グリース（硬いグリース）等が適用可能である。

以上に述べた構造のシール構造２０の作用を次に説明する。
図３において、インナーシールリング２３が回転体で、アウターシールリング２７が非回転体である。
インナーシールリング２３の回転角速度をω、グリース２９の質量をｍ、グリース２９の回転半径をｒとすれば、グリース２９に掛かる遠心力Ｆは、ｍｒω^２となる。

突条部２２の中心線に対する傾斜角をθとすれば、グリース２９にＦ・ｃｏｓθの遠心力分力ｆが作用する。すなわち、グリース２９は、遠心力分力ｆにより突条部２２の斜面２２ａ、２２ｂを登り、グリース溜まり２８に向かう。すなわち、インナーシールリング２３が回転することで、遠心力が発生し、グリース２９はグリース溜まり２８に集まる。よって、グリース２９はシール構造２０内に良好に保持される。

この作用が発揮されるか否かを実験で確認することにする。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

図４で実験に供した供試材の形態を説明する。
（ａ）に示すように、アウターシールリング２７の幅をＷ、凹条部２６の底（平坦部）の幅をｗ１、アウターシールリング２７の外径をＤ、凹条部２６の底（平坦部）の直径Ｄ１、アウターシールリング２７の内径（最小値）をＤ２、インナーシールリング２３の内径をｄとし、凹条部２６の底（平坦部）と突条部２２（先端）との隙間をＣ１、左右側面におけるアウターシールリング２７とインナーシールリング２３の隙間（グリースの洩れ部３３の隙間）をＣ２とする。インナーシールリング２３の幅もＷである。

比較対象のために、（ｂ）に示す形態のオイルシール１０５、（ｃ）に示すオイルシール１０５Ｂを準備した。符号は図１３と共通であるため、説明を省略する。

図５は試験機の原理図を示し、（ａ）に示すように、試験機ベース３６に、モータ軸３７が下位になるようにしてモータ軸３７を鉛直配置した可変速モータ３８を取付け、ドライブ軸１７が鉛直になるように軸受１０を取付け、モータ軸３７とドライブ軸１７とをベルト３９で連結してなる試験機３５を準備する。

加えて、試験機３５に、（ｂ）に示すようにロードセル（荷重計）４１を設け、このロードセル４１のセンサ軸４２を外輪１２に連結する。外輪１２は、本来は非回転側の部品であるが、実験のために回転可能にし、センサ軸４２で回転止めを図るようにした。

ドライブ軸１７及び内輪１１が図反時計方向に回転すると、転動体１３やシール構造（図４（ａ）、（ｂ）又は（ｃ））の接触抵抗やグリースの剪断抵抗により、外輪１２が連れ回る。この連れ回りの大きさは、センサ軸４１で計測する力Ｆ５と、回転中心からセンサ軸４１までの距離Ｌとの積、すなわちＦ５×Ｌで求まる。このＦ５×Ｌはトルクである。

トルクの計測は、シール構造（図４（ａ）、（ｂ）又は（ｃ））の評価を行うものであるから、転動体１３に係るトルクは除外する必要がある。そこで、表１に示す要領でトルクを求めた。

測定トルクＴａ１は、転動体に係るトルクである。
測定トルクＴａ２は、転動体とシール構造（又はオイルシール）に係るトルクである。
Ｔａ２−Ｔａ１で求めたトルクＴが、シール構造（又はオイルシール）に係るトルクとなる。

ドライブ軸１７は、図６に示すパターンで回転速度を変更しながら実施する（１次実験、２次実験共）。すなわち、８００ｒｐｍ（毎分回転数）で６０分間回し、以降、１０分毎に１００ｒｐｍ速度を落とし、合計、１３０分間の回転実験を行う。

実験に供するシール構造の寸法は、表２に示す通りである。

寸法Ｗ、ｗ１、Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、ｄは、実施例１〜６において、共通にした。すなわち、隙間Ｃ１と隙間Ｃ２とに差を付けた。
この条件で、１次実験及び２次実験を実施した。得られたトルクを次に示す。

図７に示すように、オイルシールを用いた比較例１，２はトルクが大きかった。
一方、本発明のシール構造（実施例１〜６）は、格段にトルクが小さかった。

本発明のシール構造（実施例１〜６）の評価をするために、８００ｒｐｍでのトルクを比較する。

実施例６は、グリースの洩れが認められた。実施例１〜５はグリースの洩れは認められなかった。実施例１〜５では、実施例３が好成績である。
実施例３を基準（１．０）にすると、実施例１は７．８倍のように、相対比較ができる。この相対差は、隙間Ｃ１、Ｃ２の大きさに関係すると考えられる。

そこで、隙間Ｃ１とトルクの相関と、隙間Ｃ２とトルクの相関を各々考察する。
図８は表２に示す隙間Ｃ１と表３に示すトルクの相関を調べたグラフである。
実１（実施例１）は隙間Ｃ１が小さく、グリース溜まりの体積が小さい。そのため、トルクが大きくなっていると考えられる。
実３は隙間Ｃ１が大きく、グリース溜まりの体積が大きい。そのため、トルクが小さくなっていると考えられる。

図９は表２に示す隙間Ｃ２と表３に示すトルクの相関を調べたグラフである。
実４は隙間Ｃ２が０．２ｍｍと小さいため、トルクが大きくなったと考えられる。
実６は隙間Ｃ２が大きいため、トルクが小さくなった。しかし、実６（実施例６）はグリースの洩れが発生した。
このグラフからは、隙間Ｃ２は０．５〜１．０ｍｍの範囲にすることが推奨される。

また、図８のグラフからは、隙間Ｃ１は１．０〜１．５ｍｍの範囲にすることが推奨される。さらには、図７において、実３が低トルクである。実３でのＣ１は１．５ｍｍ、Ｃ２は０．５ｍｍである。この設定がより好ましいと言える。

ところで、車軸を支える軸受は、車両の大きさによって寸法が変化する。一般化を目的に、シール構造の大きさと隙間Ｃ１、Ｃ２とに相関があることが望まれる。
表２から、シール構造の平均径は、（Ｄ＋ｄ）／２＝（６９＋５５．５）／２＝６２．２５の計算により、６２．２５ｍｍとなる。

隙間Ｃ１の範囲１．０〜１．５ｍｍを６２．５ｍｍで割ると、０．０１６〜０．０２４になる。隙間Ｃ１がシール構造の大きさに比例すると仮定すると、隙間Ｃ１＝（０．０１６〜０．０２４）×軸受平均径となる。

また、隙間Ｃ２の範囲０．５〜１．０ｍｍを６２．５ｍｍで割ると、０．００８〜０．０１６になる。隙間Ｃ２がシール構造の大きさに比例すると仮定すると、隙間Ｃ２＝（０．００８〜０．０１６）×軸受平均径となる。

図７の実１〜６の曲線によれば、回転数１００〜８００ｒｐｍの範囲ではトルクは殆ど変わらない。回転数１００〜８００ｒｐｍは、通常走行における車輪の回転数に相当する。
したがって、一般車両において、本発明のシール構造は、隙間Ｃ１＝（０．０１６〜０．０２４）×軸受平均径とし、隙間Ｃ２＝（０．００８〜０．０１６）×軸受平均径とすれば、グリースの洩れが無く、抵抗トルクを小さくすることができると言える。

次に、シール構造の変更例を、図面に基づいて説明する。
図１０（ａ）に示すように、外側斜面２２ｂより内側斜面２２ａを長くし、外側斜面２６ｃより内側斜面２６ｂを長くしてもよい。
また、（ｂ）に示すように、外側斜面２６ｃに内側斜面２６ｂを直接連結してもよい。（ａ）に示す平坦部２６ａが不要になるため、構造が簡単になる。

また、（ｃ）に示すように、内側斜面２２ａ、２６ｂを複数の面で屈曲形成してもよい。
また、（ｄ）に示すように、アウターシールリング２７からインナーシールリング２３へリップ４３、４３を膨出形成してもよい。リップ４３、４３でグリースの洩れを抑制することができる。

尚、軸受用シール構造は、車両に好適であるが、車両以外の一般機械に適用することは差し支えない。

本発明の軸受用シール構造は、車両に好適である。

１０…軸受、１１…内輪、１２…外輪、１３…転動体、２０…シール構造、２１…外周部、２２…突条部、２３…インナーシールリング、２５…内周部、２６…凹条部、２７…アウターシールリング、２８…グリース溜まり、２９…グリース、Ｃ１…インナーシールリングの中央の隙間、Ｃ２…インナーシールリングの両端の隙間。

Claims (2)

1. 回転側の内輪（１１）と、非回転側の外輪（１２）と、前記内輪（１１）と前記外輪（１２）との間に設けられる転動体（１３）とからなる軸受（１０）に付設されるものであり、
   外部から前記転動体（１３）へ異物が侵入することを防止する軸受用シール構造において、
   前記内輪（１１）に設けられ外周部（２１）に突条部（２２）を有するインナーシールリング（２３）と、前記外輪（１２）に設けられ内周部（２５）に前記突条部（２２）と所定の隙間（Ｃ１、Ｃ２）を保って対向配置される凹条部（２６）を有するアウターシールリング（２７）と、前記突条部（２２）と前記凹条部（２６）との間の隙間（Ｃ１、Ｃ２）に封入されるグリース（２９）とからなり、
   前記軸受（１０）の回転軸を含む断面における、前記回転軸と垂直な線に対する前記インナーシールリング外壁の傾斜角を、前記アウターシールリング内壁の傾斜角より大きくし、
   前記アウターシールリング（２７）は、前記回転軸の軸方向に２分割される一対のリング半体（２７ａ、２７ｂ）から構成され、
   前記一対のリング半体（２７ａ、２７ｂ）の分割面（３１）の内端と対向する位置に前記突条部（２２）の先端を配置したことを特徴とする軸受用シール構造。
2. 前記所定の隙間（Ｃ１、Ｃ２）は、前記軸受（１０）の軸方向において、前記インナーシールリング（２３）の中央の隙間（Ｃ１）に対して、前記インナーシールリング（２３）の両端の隙間（Ｃ２）が小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載の軸受用シール構造。

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