JP5411990B2 - シール構造体 - Google Patents

Description

本発明は、シール収容構造、好ましくは溝を有する第１の機械部品と、シール面を含むと共に第１の機械部品に対して移動できる第２の機械部品との間のシール面を封止するためのシールを有するシール構造体であって、このシールが機械部品間の高圧エリアを低圧エリアから封止するシール構造体に関する。

このタイプのシール構造体は、シール収容構造内にシールを位置的に固定するための保持要素と、エラストマー材料、すなわち、例えばポリウレタン又はゴムなどのゴム弾性材料のシールリップとを有するシールを備え、このシールリップは、保持要素に接して形成されると共にシール面に当接するためにシールリップの自由端に形成されたシール縁部を有する。このシールリップは、高圧エリアに隣接する高圧表面エリアと、低圧エリアに隣接する低圧表面エリアとを有する。シールは、通常、シールリングとして設計され、ロータリシール（ラジアルシャフトシール）として、及びピストンシール、すなわち並進シールとしても、それら両方で使用することができる。シールがロータリシールとして使用されるときは、２つの機械部品のうちの一方は、他方の機械部品におけるフィードスルー内部に回転可能に支持されるシャフトとして設計される。シールがピストンシールとして使用されるときは、２つの機械部品は、互いに対して前後に軸方向に移動する。したがって、シールは、油圧用途、例えば空気圧シリンダもしくは空気圧弁などの空気圧用途、及び／又は、例えば高圧用途のロータリシールにおける封止目的のためのロッドシール又はピストンシールとして使用することができる。

このタイプのシールは、通常、機械部品のうちの一方の表面内の溝中で互いに対して軸方向に及び／又は回転方式で移動される２つの機械部品の間に挿入され、この表面は、第２の機械部品の表面によって形成されたシール面の反対側に配置される。これらの表面間において封止されるべきシールギャップが存在する。シールリングの場合、２つの表面は、互いに同心円状に位置合わせされる。この場合、溝は通常、外側の機械部品の対応する表面内に配置される。しかし、溝は、内側の機械部品に配置することもできる。弾性シールリップは、シール縁部がプレテンション状態においてシール面に当接するようにシール縁部と保持要素の間でばねのように働く。保持要素は、保持要素によって、シールが、好ましくは、例えば溝の底に位置的に固定されることが可能になるような寸法に作製される。

このタイプのシールが、例えば、油圧シリンダ、空気圧シリンダ、又は、例えばエンジンのドライブシャフトなどの軸封に使用されるとき、このシールは、動作中に、この高圧表面エリアで、シリンダ又はエンジン内の高圧エリアに位置する加圧媒体によって、すなわち、例えばオイル及び／又は空気などの流体によって負荷を受ける。所望の封止効果を実現するために、シールは、シール収容構造にプレテンション状態で挿入される。

シールリップは弾性があるので、高圧表面エリアを加圧することによって、シール縁部をシール面に押し付ける際の圧力が増加する。これにより、静的な場合においては封止力が増加する。動的な場合においては、シール縁部は、封止力の増加によって変形させられる可能性があり、それにより好ましくない圧力分布によってシール縁部の封止機能が低下するようになる。さらに、シールリップは、シール縁部がシール面からリフトオフするように変形させられる可能性がある。後者は特に、シールリップが、シールリップの低圧表面エリア、すなわち、通常外気に隣接するために形態を保持できない外側の低圧エリアに向かって面しているシールリップの表面エリア側に対して弾性的に及び／又は可塑的に変形させられるときに起こり得る。

例えば空気圧シリンダ又はエンジンの動作中のシールのこれらの不具合は、シール面の表面が摩耗の増加を受けることになり得るようなシール縁部エリア内の望ましくない変形によって、高圧エリアにおける漏れを、及び／又はシール面同士の間の潤滑膜の破れを引き起こし得る。

ＤＥ３２１２４７６Ｃ１は、耐摩耗性が改善されたシールを備えるシール構造体を開示する。このシールは、第２の機械部品から離れて配置された支持要素を有し、この支持要素は、低圧表面側にシールリップの支持部を形成する。支持部は、シールリップの高圧表面エリアをシール縁部側の部分表面、及び保持要素側の部分表面に分割する。このため、回転中心がシール縁部と支持要素との間、且つ支持要素と保持要素との間に発生し、この回転中心を中心にしてシールリップは、シャフトが保持要素に対して突出しているときに枢動できる。これにより、シャフトが突出している場合に、シール縁部の摩耗は低減する。シールリップの高圧表面エリアが加圧されるとき、このシールリップは、保持要素に対してシール縁部側の回転中心の周りに撓まされ、それによって、シール縁部側の部分表面に作用するだけの圧力に基づいてこのシール縁部をシール面に対して押し付ける。

ＤＥ２５４６５８８Ａ１は、保持要素に接して形成されたシールリップを含むシールリングを備えるシール構造体を開示しており、このシールリップは、その自由端にシール縁部を備える。シールリングは、半径方向内側の環状の支持要素と半径方向外側の環状の支持要素との間において、シール縁部と保持要素との間に固定される。このため、半径方向内側の支持要素は、低圧表面側にシールリップの支持部を形成し、この支持部は、シール縁部とほぼ平行に延び、この支持部は、シールリップの高圧表面エリアを保持要素側の部分表面及びシール縁部側の部分表面に分割する。シールリップの低圧表面エリアは、シールリップ及び支持部と保持要素の間において封止されるべき機械部品によって画定される自由空間に隣接し、この自由空間の中にシールリップが、シールリップの変形により押され得る。このため、保持要素側の高圧表面エリアの部分表面は、シール縁部側の部分表面より大きい。このシール構造体のシールリップは、封止されるシャフトの突出に容易に従うものであり得る。シールの圧力作動状態では、シールリップは、自由空間の中に変形させられ、それによって軸方向にシールリップの位置を変え、シールリップは、シール縁部で支持部によって補強される。圧力が増加すると、増加した力によってシール縁部は常にシャフトのシール面に対して押され、それによってとりわけシールリングの摩耗を増加させる。

ＥＰ１７６０３７１Ａ１は、支持要素が低圧表面側にシールリップの支持部を形成するラジアルシャフトシールを備えるシール構造体であって、このシールリップが、シール縁部と保持要素の間に配置されるシール構造体を開示する。これによって、支持部は、シールリップの高圧表面エリアを保持要素側の部分表面及びシール縁部側の部分表面に分割する。このシールのシールリップの高圧表面エリアの加圧は、シール縁部に負荷をかけることにもなり得、特に圧力が最大になる場合に大きな摩耗を引き起こし得る。

ＷＯ２００５／０３６０３３Ａ１は、低圧側でシールリップの支持部を形成する支持要素とシールリップの間に小さい間隙が形成されたシール構造体を開示する。シールリップの高圧表面エリアを加圧すると、最初にシール縁部の負荷を緩和することができ、それによってシールリップを自由空間の中に変形させる。圧力がさらに増加すると、シールリップは、シールリップの全表面で支持要素に当接し、シール縁部は、増加する力によってそれに関連したシール面に押し付けられる。

類似のシール構造体は、ＤＥ１０８８３００Ｂ、米国特許第２７４３９５０（Ａ）号、及びＤＥ１０２００８０１７３４７Ａ１に開示されている。

本発明の根底にある目的は、従来技術の欠点を無くす、特に、シールの摩耗を減少させるのと同時に封止機能の優れた信頼性を与えるシール構造体を提供することである。

この目的は、独立請求項の記述によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい実施の形態を表す。

本発明によるシール構造体は、シール収容構造を有する第１の機械部品、及びシール面を含むと共に第１の機械部品に対して移動できる第２の機械部品、並びに第１の機械部品と第２の機械部品の間のシール面を封止するシールを備える。これによって、このシールは、機械部品間の高圧エリアを低圧エリアから封止する。この高圧エリアは、より高い圧力を有するエリアを示し、すなわち、高圧エリア及び低圧エリアという用語は、相対的に理解されるべきである。高圧エリアの圧力は、例えば大気圧に対する絶対的な高圧である必要はない。例えば、低圧エリアの圧力は、大気圧と比較して過剰な圧力である可能性があり、この場合、高圧エリアの圧力は、その過剰な圧力より高いものである。

シールを備えるシール構造体の動作中、圧力比も変わる可能性があり、例えば、シールリップ及びシール縁部について２つの圧力エリアの位置が入れ替えられる可能性がある。この場合の高圧エリアは、低圧エリア内より高い圧力を有する瞬時領域を意味する。シールは、シール収容構造内にシールを位置的に固定するための保持要素を有する。シールリップは、保持要素に接して形成されると共にエラストマー材料から作製され、シール面に当接するシールリップの自由端に形成された、好ましくは動的なシール縁部を有する。シール面とシール収容構造の間のシールギャップを封止するようにシール面に当接するために形成されるシールリップの縁部は、したがって、シール縁部として示される。シールリップは、高圧エリアに隣接する高圧表面エリアと、低圧エリアに隣接する低圧表面エリアとを有する。高圧表面エリア及び低圧表面エリアは、高圧表面エリア及び低圧表面エリアが、少なくとも部分的に互いの反対側であるように配置される。低圧表面エリアは、自由空間に隣接しており、シールリップは、この自由空間に向かって又はこの自由空間の中に、シールリップの変形により押され得る。このため、この自由空間は、例えば空気で満たされ得る。この自由空間はまた、弾性的に圧縮できる材料で満たすこともできる。本発明によれば、自由空間は、シールリングの低圧表面エリアよって、及び第２の機械部品によっても画定される。

このシールリップのエリアでは、シールが単一の支持要素を有し、この支持要素は、低圧表面側にシールリップの支持部を形成し、支持部は、シール縁部とほぼ平行に延び、シール縁部と保持要素の間に配置される。

支持要素は、低圧表面側で支持され、これによってシールリップ、及び、したがってシール縁部が、過剰な力でシール面に押し付けられるのを防ぐ。支持部は、シールリップ、及び、したがってシールリップの高圧表面エリアをも、シール縁部側のエリア及び保持要素側のエリアに分割する。本発明によれば、保持要素側の高圧表面エリアの部分表面は、シール縁部側の部分表面より大きい。高圧表面エリアが加圧されるとき、圧力によって傾斜モーメントをシールリップに及ぼすことができ、傾斜モーメントは、支持部を中心に作用し、シール縁部の負荷を緩和する。この傾斜モーメントは、シールリップの材料内において引張応力を生じさせ、この引張応力は、シール縁部の負荷を緩和する。

この結果、本発明に係る支持部が、シール縁部の封止効果を阻害するシールリップの変形を防ぎ、それによってシール縁部が望ましくない過剰な圧力をシール面に及ぼすのを防ぐ。

シールは、ラジアルシャフトシールリングの形態で、環状に設計される。このため、本発明に係るシールは、例えば、ロータリシールとして使用することができる。

支持要素が、有利に、シールリップに部分的に埋め込まれる。その結果、この埋め込みによって回転軸を定めるシールリップの表面が形成され、この回転軸の周りで傾斜モーメントが作用できる。

シールリップは、支持部に隣接するシールリップのエリア内の材料によって補強されるように設計されてもよく、すなわち、シールリップは、この位置でより厚いものであることができ、それによって望ましくない変形を防ぐ。

とても単純な実施の形態では、支持要素は、円形断面を有する。この支持要素が、ほぼＴ形の断面を有しており、このＴの断面部品は、低圧表面エリアを通り越して少なくとも部分的に突き出すときに、シールリップは断面部品に隣接するエリア内で補強される。支持要素は、この支持要素の方向においてシールリップに支持の効果を与える任意の断面形状を有することができる。

保持要素は、有利に、好ましくはＬ形の断面を有する補強要素を有する。このため、この補強要素は、例えば、金属又は硬質複合材料から製造することができる。この補強要素は、機械部品の動作中に保持要素の変形を大いに防ぐ。さらに、この補強要素は、シール収容構造に正確にしっかりと適合することを保証する。

支持要素が、補強要素に直に連結し、又は補強要素と一部品で設計され、支持部が補強要素の自由端によって形成されるとき、そこでシール全体が、ただ１つの作業ステップで１つの単一構成要素の形態で挿入できるので、シール収容構造の中へのシールの挿入は大いに容易になる。シール構造体内における支持要素の滑りもまた防がれる。

補強要素は、有利なことに、シールリップのエラストマー材料によって少なくとも部分的に囲まれ、その補強要素が保持要素内で確実に保持されるようになっており、それによってシールリップの永続的な位置決めが保証される。

本発明に係るシールは、金属又はプラスチック材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はセラミック材料から支持要素及び／又は補強要素を製造することによって、簡単で費用のかからないやり方で製造することができる。したがって、支持要素は、剛性要素として設計される。

本発明に係るシールの構成は、シール収容構造、好ましくは溝を含む第１の機械部品と、シール面を含むと共に、第１の機械部品、及びシール収容構造に挿入される本発明に係るシールに対して移動できる第２の機械部品とを有する。シール収容構造内にシールの保持要素を備えるシールは、そのシールが所定の位置に固定されるように配置される。シールのシール縁部は、シールのシールリップのエラストマー材料の弾性によりプレテンション状態でシール面に当接する。シールは、機械部品間の高圧エリアを低圧エリアに対して封止する。

本発明に係るシールの支持要素は、低圧表面側、すなわちシールリップの低圧表面エリアに位置するシールリップの支持部を形成し、この支持部は、シール縁部と平行に延びる。支持部が、シール縁部と保持要素の間に配置されるので、シールリップの高圧表面エリアに作用する力、例えば圧力が、シール縁部の負荷を緩和する傾斜モーメントをシールリップに及ぼすことができる。

以下、図面を参照し、実施の形態によって、より詳細に本発明を説明する。

シール縁部が過度の力を受けるのを防ぐ支持要素を含む本発明に係るシール構造体を示す断面図である。 シール縁部が過度の力を受けるのを防ぐ支持要素を含む本発明に係るシール構造体を示す断面図である。 シール縁部が過度の力を受けるのを防ぐ支持要素を含む本発明に係るシール構造体を示す断面図である。 シール縁部が過度の力を受けるのを防ぐ支持要素を含む本発明に係るシール構造体を示す断面図である。 シール縁部が過度の力を受けるのを防ぐ支持要素を含む本発明に係るシール構造体を示す断面図である。 本発明に係るシールがシールリングとして設計された場合の、本発明に係るシール構造体の一部の断面を示す、図１に基づく斜視断面図である。

例示の図は、非常に概略的な図で本発明の主題を示しており、縮尺通りとなっていない。本発明の主題の個々の構成要素は、構成要素の構造を明確に示すように示されている。

図１〜図５の各々は、本発明に係るシール構造体の断面図を示しており、回転軸に対して対称である断面の半分だけが示されている。シール構造体の各々は、第１の機械部品１及び第２の機械部品３を有し、第２の機械部品３は、封止されるべきシール面２を含むと共に第１の機械部品１に対して移動できる。第１の機械部品１は、シール収容構造内にシールを位置的に固定するためのシールリングとして設計された本発明に係るシールの保持要素５に当接するための角のある接触面を有するシール収容構造を有する。シール縁部７を有するシールリップ６は、各保持要素５に従う。各シールの保持要素５は、１つの補強要素８を有しており、図１〜図１１における実施の形態の補強要素８は、ほぼＬ形の断面を有する。図６及び図７における実施の形態の補強要素８は、シールリップ６のエラストマー材料によって完全に囲まれる。したがって、これらの実施の形態の保持要素５は、エラストマー材料によって囲まれる補強要素８の形態で設計される。

シールは、機械部品１，３の間の各高圧エリアを低圧エリアから封止する。これらの図では、いずれの場合にも、高圧エリア（Ｈ）は本説明図の左手側に配置され、低圧エリア（Ｎ）は右手側に配置される。高圧エリアは、例えば通常オイルを収容しているエンジンハウジング又は圧力シリンダの内部に形成される。したがって、このシールを使用して、オイルがこのような内部から漏出するのを防ぐ。

保持要素５に接して形成されるエラストマー材料の各シールリップ６は、シール面２に当接するために自由端に形成されたシール縁部７を含む。高圧エリアに隣接する高圧表面エリア１０と、高圧表面エリア１０の反対側に部分的に配置されると共に低圧エリアに隣接する低圧表面エリア１１とは、シールリップ６に接して形成される。

各シールは、支持要素１５を有し、この支持要素１５は、低圧表面側にシールリップ６の支持部を形成し、この支持部は、シール縁部７とほぼ平行に延びる。この支持部は、シール縁部７と保持要素５の間に配置される。高圧表面エリア１０が加圧されるとき、支持部の両側の高圧表面エリア１０の表面エリアに作用する圧力によって発生する圧縮力が、傾斜モーメントをシールリップ６に及ぼし、この傾斜モーメントは、支持部を中心にして作用し、シール縁部７の負荷を緩和する。これは、圧縮力が、シールリップ内に引張応力を発生させることを意味する。傾斜モーメントは図１において、曲がった矢印２０によって象徴的に示される。傾斜モーメントが所望の方向に作用することを保証するために、すなわち傾斜モーメントがシール縁部７の負荷を緩和するように、支持部は、シールリップ６の高圧表面エリア１０の部分表面が、すなわち圧力の力が高圧エリア内において作用する表面が、支持部の両側で異なる大きさを有するように位置する。したがって、保持要素側のこの部分表面は、シール縁部側の部分表面より大きい。

図１によるシールの実施の形態のシールリップ６は、支持要素１５によって形成された支持部に隣接するシールリップ６のエリア内の材料で補強される。このシールリップ６の材料は、この位置において、保持要素５に隣接するシールリップ６のエリア内においてよりも厚い。

図１〜図５による本発明に係るシールの実施の形態において、支持要素１５は、保持要素５から偏位している、例えば鋼鉄のリングの形態で設計される。支持要素１５は、図４によるシールを除いて、円形断面を有する。これとは対照的に、図４による支持要素１５は、ほぼＴ形の断面を有する。これによって、このＴの断面部品は、シールリップ６の低圧表面エリア１１を通り越して部分的に突出する。各支持要素１５は、シールリップ６に部分的に埋め込まれる。このため、シールリップ６及び支持要素１５は、堅固な、すなわち、結合材相互接続を形成する必要がない。

図６は、本発明に係るシール構造体の一部の図１による斜視断面図を示す。本発明に係るシールは、シールリングとして設計される。この図の斜視図は、支持要素１５によって形成された支持部が、シール縁部７に平行に延びることを示す。このことは、シールリングのシール縁部７及び支持部が、互いに同心円状に延びる円を形成することを意味する。第２の機械部品３は、中空円筒の形態で設計される。この中空円筒は、例えば、エンジンのドライブシャフトに焼き嵌めすることができる。この中空円筒自体は、中空シャフトとして使用することもできる。もちろん、第２の機械部品３はまた、中実金属円筒としてやはり設計することができ、すなわち、例えばエンジンのドライブシャフトに相当し得る。

本発明は、上述の実施の形態に限定されない。むしろいくつかの変形例が実現可能であり、実施の形態は基本的に異なり得るが、この変形例は、本発明の特色を利用する。

Claims (9)

1. シール収容構造を含む第１の機械部品（１）と、シール面（２）を含むと共に前記第１の機械部品（１）に対して移動できる第２の機械部品（３）とを備え、前記第１の機械部品（１）と前記第２の機械部品（３）との間の前記シール面（２）を封止するためのシールを備えるシール構造体であって、前記シールは、ラジアルシャフトシールとして環状に設計され、前記シールは、前記シールが所定の位置に固定されるように、前記シール収容構造内に前記シールを配置する保持要素（５）を備え、前記シールは、前記保持要素（５）に接して形成されると共にエラストマー材料から作製されるシールリップ（６）であって、シールリップ（６）の自由端に形成されたシール縁部（７）を有するシールリップ（６）を有し、前記シールは、前記機械部品（１、３）間の高圧エリアを低圧エリアから封止するように、前記シール縁部（７）が、前記シールの前記シールリップ（６）の前記エラストマー材料の弾性によりプレテンション状態で前記シール面（２）に当接し、前記シールリップ（６）は、前記高圧エリアに隣接する高圧表面エリア（１０）と、前記低圧エリアに隣接する低圧表面エリア（１１）とを有し、前記シールは、前記シールのシールリップのエリア内に単一の硬質の支持要素（１５）を有し、前記支持要素は、低圧表面側に前記シールリップ（６）の支持部を形成し、前記支持部は、前記シール縁部（７）と平行に延び、前記支持部は、前記シール縁部（７）と前記保持要素（５）との間に配置され、前記シールリップ（６）の前記高圧表面エリア（１０）を保持要素側の部分表面及びシール縁部側の部分表面に分割し、前記シールリップ（６）の前記低圧表面エリア（１１）は、前記支持部と前記保持要素（５）との間の自由空間に隣接し、前記シールリップ（６）は、前記シールリップ（６）の変形により前記自由空間の中に押されることが可能であり、前記自由空間は、前記シールリップ（６）の前記低圧表面エリア（１１）及び前記第２の機械部品によって画定され、前記保持要素側の前記高圧表面エリア（１０）の前記部分表面は、前記高圧表面エリア（１０）の加圧時に前記支持部を中心に作用すると共に前記シール縁部（７）の負荷を緩和する傾斜モーメントが前記シールリップ（６）に作用するように、前記シール縁部側の前記部分表面より大きいシール構造体。
2. 前記支持要素（１５）は、前記シールリップ（６）に少なくとも部分的に埋め込まれることを特徴とする請求項１記載のシール構造体。
3. 前記シールリップ（６）は、前記支持部に隣接するエリア内の材料が補強されることを特徴とする請求項１又は２記載のシール構造体。
4. 前記支持要素（１５）は円形断面を有し、又は前記支持要素（１５）はＴ形の断面を有しており、前記Ｔ形の断面を有する支持要素は、前記低圧表面エリア（１１）を通り越して少なくとも部分的に突き出すことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシール構造体。
5. 前記保持要素（５）が補強要素（８）を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシール構造体。
6. 前記補強要素（８）は、Ｌ形の断面を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシール構造体。
7. 前記補強要素（８）は、前記シールリップ（６）の前記エラストマー材料によって少なくとも部分的に囲まれることを特徴とする請求項５又は６記載のシール構造体。
8. 前記支持要素（１５）及び／又は前記補強要素（８）は、金属又はプラスチック材料又はセラミック材料から作製されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシール構造体。
9. 前記シール収容構造は溝であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシール構造体。

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