JP5533372B2 - 密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングと、ハウジングの軸孔に挿通された回転軸との間を密封するための密封構造に関する。

回転軸を支持するための軸受装置は、通常、ハウジング等に収納される。ハウジングには、軸孔が形成されており、回転軸は、この軸孔に挿通されて外部の機構等に接続される。
上記ハウジングと、回転軸との間には、軸孔の内周面と、回転軸の外周面との環状隙間を密封するためのシール部材が設けられており、外部の水分や塵埃がハウジング内部に侵入するのを防止するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、上記のようなハウジングと、回転軸との間を密封するための一般的な密封構造を示す断面図である。図中、ハウジング１００の内周面１０１には、回転軸１０２の外周面１０３に摺接する環状のシール部材１０４が設けられている。
このような密封構造では、シール部材１０４のシールリップ１０５が回転軸１０２の外周面１０３と摺接することで、ハウジング１００に対して相対回転する回転軸１０２と、ハウジング１００との間の環状隙間を密封している。

特開昭５６−３３５４号公報

しかし、上記従来の密封構造においては、使用期間が長期に亘ると、シールリップ１０５自身が回転軸１０２に摺接することで摩耗することに加えて、シールリップ１０５は、回転軸１０２の外周面１０３に対して常にほぼ同じ位置で摺接するため、回転軸１０２におけるシールリップ１０５が摺接する部分のみが摩耗する。このように、シール部材１０４の摩耗に加えて回転軸１０２も摩耗するため、シール部材４による密封性が低下し、使用期間が長期に亘ると密封性能を維持することができない場合があった。
さらに、摩耗したシール部材１０４を新たなシール部材１０４に交換したとしても、その交換したシールリップ１０５は、回転軸１０２における、それまで使用していたシール部材１０４の摺接により大きく摩耗した部分に摺接することとなり、密封性能を元の状態に回復させることができない場合もあった。
このように、従来の密封構造では、シール部材を交換したとしても、長期的に密封性能を維持することが困難な場合があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ハウジングと、回転軸との間の密封性能をより長期に亘って維持することができる密封構造を提供することを目的とする。

本発明は、ハウジングに設けられた軸孔と、前記軸孔に挿通された回転軸との間の環状隙間を密封する密封構造であって、前記ハウジングの内周面及び前記回転軸の外周面のいずれか一方周面に突設され、円環状のシールリップを他方周面に摺接させて前記環状隙間を密封する環状のシール部材と、前記他方周面に突設されるとともに、前記環状のシール部材に対して軸方向に対向配置された環状部材と、前記シール部材のシールリップと前記環状部材との間に介在し、前記シールリップを前記環状部材に対して離間する方向へ弾性的に撓ませるとともに、前記シールリップと前記環状部材のいずれか一方部材との摺接に伴う軸方向の摩耗によって、前記撓ませたシールリップを前記環状部材に接近する方向へ漸次復元させて、前記他方周面に対するシールリップの摺接位置を漸次移動させる摺接位置規定部材と、を備えていることを特徴としている。

上記のように構成された密封構造によれば、摺接位置規定部材が、シールリップと環状部材のいずれか一方部材との摺接に伴って軸方向に摩耗することによって、撓ませたシールリップを環状部材に接近する方向へ漸次復元させて、他方周面に対するシールリップの摺接位置を漸次移動させることができる。このため、シール部材の摺接によって、他方周面における特定の一部分のみが大きく摩耗してしまうのを防止でき、シール部材による密封性能を長期に亘って維持することができる。
さらに、他方周面における特定の一部分のみが大きく摩耗してしまうのを防止できるので、摩耗したシール部材を新たに交換することにより、密封性能を元の状態に十分に回復させることができる。

上記密封構造において、より摺接位置規定部材の摩耗を促進するために、前記摺接位置規定部材が摺接する前記一方部材の摺接面には、当該摺接位置規定部材の摩耗を促進させるための粗面部を設けてもよい。

また、上記密封構造において、前記摺接位置規定部材は、前記シールリップに、当該シールリップと同一の材質で一体形成されていることが好ましく、この場合、当該摺接位置規定部材を容易に設けることができる。

さらに、摺接位置規定部材とシールリップとが同一の材質で形成されていれば、接触面積がより小さい方がより摩耗が促進されるため、前記摺接位置規定部材における前記一方部材に対する接触面積が、前記シールリップの前記他方周面に対する接触面積よりも小さく設定されていることが好ましい。
この構成によれば、摺接位置規定部材がシールリップと同一の材質で一体形成されているので、他方周面に摺接することによるシール部材の摩耗よりも、一方部材に摺接することによる摺接位置規定部材の摩耗の方が促進される。これによって、長時間に亘って軸方向の一定部分にシール部材の摺接位置が留まってしまうのを防止でき、より効果的に他方周面における特定の一部分のみが摩耗するのを防止できる。

本発明の密封構造によれば、ハウジングと、回転軸との間の密封性能をより長期に亘って維持することができる。

本発明の一実施形態に係る密封構造を適用した軸受装置の要部断面図である。 図１中、シール部材の部分を拡大した断面図である。 本発明に係る密封構造の他の実施形態を示す要部断面図である。 （ａ）は、摺接位置規定部材の他の態様を示したシールリップの部分外観図であり、（ｂ）は、摺接位置規定部材のさらに異なる他の態様を示したシールリップの部分外観図である。 円板部の他の態様を示したスリンガの部分外観図である。 スリンガに代えて、主軸に大径部を設けた場合の軸受装置の要部断面図である。 スリンガに代えて、主軸に鍔部を設けた場合の軸受装置の要部断面図である。 ハウジングと、回転軸との間を密封するための一般的な密封構造を示す断面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る密封構造を適用した軸受装置の要部断面図である。
図１において、軸受装置１は、風力発電用風車の主軸２を支持するためのものであり、ブレード（図示せず）が取り付けられた主軸２を回転自在に支持する転がり軸受（図示せず）を収納するハウジング３を備えている。

本実施形態である密封構造は、主軸２とハウジング３との間を密封するためのものであり、ハウジング３の内周面３ａ（一方周面）に設けられたシール部材４と、主軸２の外周面２ａ（他方周面）に一体回転可能に突設されシール部材４に対向して配置された環状部材としてのスリンガ５と、ハウジング３の内周面３ａに固定されシール部材４を保持しつつスリンガ５との間でラビリンスシールを構成する環状のシール保持部材６とを備えている。

ハウジング３は、前記転がり軸受を内部に収納するものであり、軸方向端部の壁部３ｂには、前記転がり軸受が回転自在に支持する主軸２が挿通されている軸孔３ｃが形成されている。軸孔３ｃの内周面と、主軸２の外周面２ａとの間には、環状隙間が設けられており、主軸２は、ハウジング３に対して相対回転可能に支持されている。

シール部材４は、合成ゴム等を用いて形成された環状の部材であり、ハウジング３の内周面３ａ及び壁部３ｂに密接した状態で固定された基部４ａと、この基部４ａから径方向内側に延びて主軸２の外周面２ａに摺接する環状のシールリップ４ｂとを備えている。シール部材４は、ハウジング３に密接固定されると共に、主軸２の外周面２ａに摺接することで、上記環状隙間を密封しており、外部からの水分や塵埃がハウジング３の内部に侵入するのを防止している。
シールリップ４ｂのスリンガ５に向く側面４ｂ１には、軸方向ハウジング３の内側に向けて突出した摺接位置規定部材７が一体に形成されている。シールリップ４ｂに一体形成された摺接位置規定部材７は、合成ゴム等により環状に形成されており、その先端がシール部材４に対して対向配置されたスリンガ５に当接し、主軸２の回転によって摺接するように設けられている。この摺接位置規定部材７については、後に詳述する。

スリンガ５は、例えば、鋼板を用いて断面Ｌ字型に形成された環状の部材であり、主軸２に外嵌固定された筒部５ａと、筒部５ａの軸方向ハウジング３外側の端部から径方向外側に延びシールリップ４ｂに対向している円板部５ｂとを備えており、主軸２に一体回転可能に固定されている。

シール保持部材６は、金属あるいは樹脂等を用いて形成されており、シール部材４を壁部３ｂとの間で挟持して当該シール部材４を保持している。また、シール保持部材６は、その側面と内周面とが断面Ｌ字型に形成されたスリンガ５に対してわずかな隙間が形成されるように形成されており、スリンガ５とともにラビリンスシールを構成している。

次に、上記シール部材４、及び摺接位置規定部材７について詳述する。図２は、図１中、シール部材４の部分を拡大した断面図である。
図に示すように、シールリップ４ｂの側面４ｂ１には、摺接位置規定部材７が突設されている。この摺接位置規定部材７は、スリンガ５の円板部５ｂにおいてシールリップ４ｂ側に向く側面５ｂ１に当接することで、シールリップ４ｂとスリンガ５との間に介在配置されている。

シール部材４のシールリップ４ｂは、摺接位置規定部材７によって、先端がスリンガ５から離間する方向に向くように弾性的に撓んで配置されている。
さらに詳しく説明すると、シールリップ４ｂは、自由状態においては、図２中の二点鎖線で示すように、径方向に沿った状態で基部５ａから延びるように形成されている。摺接位置規定部材７は、シールリップ４ｂからスリンガ５側へ突設されるとともに、円板部５ｂの側面５ｂ１と、自由状態にあるシールリップ４ｂの側面４ｂ１との間の距離よりも軸方向に長い寸法に形成されている。このため、摺接位置規定部材７は、シールリップ４ｂを円板部５ｂに対して離間する方向に撓むように弾性変形させており、この弾性変形に伴う復元力によってその先端面７ａで円板部５ｂを押圧する。言い換えると、摺接位置規定部材７は、その先端面７ａで円板部５ｂの側面５ｂ１を押圧しつつ、その反力でシールリップ４ｂを円板部５ｂに対して離間する方向に撓むように弾性変形させている。

また、シールリップ４ｂは、その径方向の寸法が、基端部である基部４ａから主軸２の外周面２ａまでの径方向における距離よりも、径方向に長い寸法となるように形成されている。このため、上記のように摺接位置規定部材７によって弾性的に撓んだ状態で配置されることで、シールリップ４ｂは、主軸２の外周面２ａに対する摺接位置が、当該シールリップ４ｂの基端部の軸方向位置よりも円板部５ｂに対して離間する方向に位置している。
このように、摺接位置規定部材７は、円板部５ｂを押圧することで、当該シールリップ４ｂを弾性的に撓ませ、シールリップ４ｂ先端の外周面２ａに対する摺接位置がスリンガ５の円板部５ｂに対して離間する方向に位置するように規制している。

上記構成の密封構造において、円板部５ｂは、ハウジング３等に対して主軸２と一体に相対回転する。このため、摺接位置規定部材７の先端面７ａは、上記軸受装置１の運転に伴って円板部５ｂの側面５ｂ１に摺接する。従って、摺接位置規定部材７は、軸受装置１の運転時間の増加に伴って序々に摩耗して、軸方向に減寸が生じる。また、摺接位置規定部材７は、シールリップ４ｂの復元力によって側面５ｂ１に向けて押圧されているので、減寸したとしても、側面５ｂ１に摺接した状態が維持される。

摺接位置規定部材７が側面５ｂ１に摺接した状態で軸方向の寸法に減寸が生じると、当該摺接位置規定部材７によって撓んだ状態に規制されているシールリップ４ｂの撓み量が序々に少なくなり、シールリップ４ｂは、序々に撓んでいない自由状態に近づく。つまり、摺接位置規定部材７は、スリンガ５（一方部材）との摺接に伴う軸方向の摩耗によって、撓ませたシールリップ４ｂをスリンガ５に接近する方向へ漸次復元させる機能を有している。

上記のように構成された密封構造によれば、摺接位置規定部材７が、円板部５ｂの側面５ｂ１との摺接に伴って軸方向へ摩耗することによって、撓ませたシールリップ４ｂをスリンガ５に接近する方向へ漸次復元させることができる。このため、シールリップ４ｂが、摺接位置規定部材７の摩耗による軸方向の減寸に応じて撓んでいない状態に漸次復元され、その摺接位置がスリンガ５に近づく方向に漸次移動する。

つまり、摺接位置規定部材７が摩耗によって減寸する前においては、シールリップ４ｂは、主軸２の外周面２ａに対して、図２中、軸方向範囲Ｐが摺接位置となるが、摺接位置規定部材７が序々に摩耗して軸方向に減寸すると、その減寸に応じて、シールリップ４ｂは、序々に、図２中の二点鎖線で示す自由状態（撓んでいない状態）に向かって復元しようとする。そして、最終的に、シールリップ４ｂは、撓んでいない自由状態にまで復元する。
図２で示す、撓んでいない状態のシールリップ４ｂは、主軸２の外周面２ａに対して、軸方向範囲Ｑで摺接しており、このシールリップ４ｂの摺接位置は、軸方向位置Ｐから、摺接位置規定部材７の減寸に応じて軸方向範囲Ｑに近づくように軸方向に漸次移動する。

このように、摺接位置規定部材７は、スリンガ５との摺接に伴う軸方向の摩耗によって、撓ませたシールリップ４ｂをスリンガ５に接近する方向へ漸次復元させて、外周面２ａに対するシールリップ４ｂの摺接位置を漸次移動させる。
このため、シールリップ４ｂの摺接によって、主軸２の外周面２ａにおける特定の一部分のみが摩耗してしまうのを防止でき、シール部材４による密封性能を長期に亘って維持することができる。

なお、図２では、摺接位置規定部材７の摩耗によって、シールリップ４ｂが撓んでいない状態にまで復元する場合を示したが、例えば、摺接位置規定部材７が円板部５ｂに押圧されない程度に復元力が弱まることで、当該摺接位置規定部材７の摩耗による減寸が生じなくなった段階で、シールリップ４ｂは撓んだ状態にあっても良い。この場合においても、減寸していない状態から減寸が生じなくなった段階にまで摺接位置規定部材７が摩耗すれば、その減寸に応じてシールリップ４ｂの摺接位置が軸方向に移動するからである。

さらに、主軸２の外周面２ａにおける特定の一部分のみが大きく摩耗してしまうのを防止できるので、摩耗したシール部材４を新たに交換することにより、密封性能を元の状態に十分に回復させることができる。

また、本実施形態では、摺接位置規定部材７をシール部材４に一体に形成したので、当該摺接位置規定部材７を容易に設けることができる。

また、本実施形態において、摺接位置規定部材７の円板部５ｂの側面５ｂ１に対する接触面積は、シールリップ４ｂの先端における主軸２の外周面２ａに対する接触面積よりも小さく設定されている。具体的には、シールリップ４ｂが外周面２ａに摺接している軸方向範囲Ｐ（Ｑ）と、摺接位置規定部材７が側面５ｂ１に摺接している先端面７ａの径方向範囲Ｒとを調整し、接触面積全体として摺接位置規定部材７の接触面積が小さくなるように設定されている。
ここで、摺接位置規定部材７とシールリップ４ｂとが同一の材質で形成されていれば、接触面積がより小さい方がより摩耗が促進されるところ、シールリップ４ｂに一体に形成された摺接位置規定部材７は、シールリップと同一の材質で形成されている。このため、この構成によれば、主軸２の外周面２ａに摺接することによるシール部材４の摩耗よりも、円板部５ｂに摺接することによる摺接位置規定部材７の摩耗の方が促進される。これによって、長時間に亘って軸方向の一定部分にシールリップ４ｂの摺接位置が留まってしまうのを防止でき、より効果的に主軸２の外周面２ａにおける特定の一部分のみが摩耗するのを防止できる。

図３（ａ）は、本発明に係る密封構造の他の実施形態を示す要部断面図である。本実施形態は、摺接位置規定部材７が、スリンガ５の円板部５ｂに突設されている点で上記実施形態と相違している。
本実施形態の摺接位置規定部材７は、円板部５ｂの側面５ｂ１に突出して一体回転可能に固定され、その先端面７ａは、シールリップ４ｂの側面４ｂ１に摺接する。摺接位置規定部材７は、合成ゴム等からなるシールリップ４ｂとの間の摺動によって適度に摩耗しかつ、シールリップ４ｂの復元力を支持することが可能な材料によって形成されている。
本実施形態の場合、摺接位置規定部材７が円板部５ｂに突設されているので、摺接位置規定部材７を形成するための材料の選択範囲が広がる。これによって、より好適にシールリップ４ｂを規制しうる摺接位置規定部材７とすることができる。

図３（ｂ）は、本発明に係る密封構造における、さらに異なる他の実施形態を示す要部断面図である。本実施形態では、摺接位置規定部材７が、スリンガ５及びシールリップ４ｂとは、別部材で構成されている点で上記実施形態と相違している。
本実施形態の摺接位置規定部材７は、スリンガ５とシールリップ４ｂとの間に介在する介在部７ｂと、介在部７ｂを支持するとともに主軸２の外周面２ａに一体回転可能に外嵌された内筒部７ｃとを備えている。この摺接位置規定部材７は、内筒部７ｃが主軸２に固定されることで、主軸２と一体回転可能であり、介在部７ｂの先端面７ａは、シールリップ４ｂの側面４ｂ１に摺接する。
本実施形態の場合も、図３（ａ）に示したものと同様、摺接位置規定部材７を形成するための材料の選択範囲を広げることができる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。
上記各実施形態では、ハウジング３側にシール部材４、回転軸である主軸２側にスリンガ５を設けたが、主軸２側にシール部材、ハウジング３側にスリンガを設けることもできる。
また、上記各実施形態では、摺接位置規定部材７は、環状に形成した場合を例示したが、例えば、図４（ａ）に示すように、円弧状に形成された複数の摺接位置規定部材７を周方向等間隔に配置してもよいし、図４（ｂ）に示すように、柱状に形成された複数の規制部材を周方向等間隔に配置してもよい。
この場合、摺接位置規定部材７が周方向に複数配置されているので、その個数を調整することで、当該摺接位置規定部材７の側面５ｂ１に対する接触面積を容易に調整することができる。さらに、摺接位置規定部材７としてシールリップ４ｂの復元力を支持するのに必要な強度を確保するために、摺接位置規定部材７が側面５ｂ１に摺接している先端面７ａの径方向範囲Ｒ（図２）（摺接位置規定部材７の径方向の寸法）について一定の厚みを確保したとしても、個数を調整することで、前記接触面積を減少するように調整でき、先端面７ａにおける面圧を高めることで、摺接位置規定部材７の摩耗を促進させることができる。

また、摺接位置規定部材７の摩耗を促進させるために、例えば、図５に示すように、スリンガ５の円板部５ｂの側面５ｂ１にローレット加工や、径方向に沿って形成された多数の凸条を設けることで粗面化された粗面部８を設けても良い。粗面部８は、摺接位置規定部材７が摺接する径方向の範囲に設けられる。
この場合、摺接位置規定部材７は、粗面部８に摺接することで、その摩耗が促進され、より効果的に主軸２の外周面２ａにおける特定の一部分のみが摩耗するのを防止できる。

また、上記各実施形態では、シール部材４に対向して配置された環状部材が、主軸２に一体回転可能に固定されたスリンガ５である場合を例示したが、環状部材は、図６に示すように、主軸２に一体的に形成された、シールリップ４ｂが摺接する外周面２ａよりも大径の大径部１０により構成されていてもよい。この場合、摺接位置規定部材７は、シール部材４に対向するように形成された大径部１０の段差面１０ａに摺接する。
さらに、環状部は、図７に示すように、主軸２の外周面２ａから径方向外側に突出して一体的に形成された鍔部１１により構成されていてもよい。この場合、摺接位置規定部材７は、鍔部１１の側面１１ａに摺接する。

また、上記実施形態では、本発明の密封構造を、風力発電用風車の主軸を支持するための軸受装置に適用した場合を例示したが、これに限定されるものではなく、自動車の車軸を支持する軸受装置等、回転軸が挿通される軸孔を有するハウジングを備えた軸受装置であれば、本発明を適用することができる。

２ 主軸（回転軸） ２ａ 外周面 ３ ハウジング
３ａ 内周面 ３ｃ 軸孔 ４ シール部材
４ｂ シールリップ ５ スリンガ（環状部材） ７ 摺接位置規定部材
８ 粗面部 １０ 大径部（環状部材）
１１ 鍔部（環状部材）

Claims (4)

1. ハウジングに設けられた軸孔と、前記軸孔に挿通された回転軸との間の環状隙間を密封する密封構造であって、
   前記ハウジングの内周面及び前記回転軸の外周面のいずれか一方周面に突設され、円環状のシールリップを他方周面に摺接させて前記環状隙間を密封する環状のシール部材と、
   前記他方周面に突設されるとともに、前記環状のシール部材に対して軸方向に対向配置された環状部材と、
   前記シール部材のシールリップと前記環状部材との間に介在し、前記シールリップを前記環状部材に対して離間する方向へ弾性的に撓ませるとともに、前記シールリップと前記環状部材のいずれか一方部材との摺接に伴う軸方向の摩耗によって、前記撓ませたシールリップを前記環状部材に接近する方向へ漸次復元させて、前記他方周面に対するシールリップの摺接位置を漸次移動させる摺接位置規定部材と、を備えていることを特徴とする密封構造。
2. 前記摺接位置規定部材が摺接する前記一方部材の摺接面には、当該摺接位置規定部材の摩耗を促進させるための粗面部が設けられている請求項１に記載の密封構造。
3. 前記摺接位置規定部材は、前記シールリップに、当該シールリップと同一の材質で一体形成されている請求項１又は２に記載の密封構造。
4. 前記摺接位置規定部材における前記一方部材に対する接触面積が、前記シールリップの前記他方周面に対する接触面積よりも小さく設定されている請求項３に記載の密封構造。

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