JP5584703B2 - ラジアルシャフトシール、ラジアルシャフトシールアセンブリおよび設置方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００９年１月２８日に提出された米国仮出願第６１／１４７，９３８号および２００９年７月１７日に提出された米国仮出願第６１／２２６，３６８号の利益を主張する。これらはともに全体が本明細書に引用により援用される。

発明の背景
１．技術分野
本発明は概して回転軸とハウジングとの間に流体密封シールを形成することを目的とする種類のダイナミックオイルシールに関する。

２．関連技術
ダイナミックラジアルシャフトオイルシールは、シールのいわゆる「オイル側」と「空気側」とを有するように設計される。これらの名称は設置されたときのシールの向きに関連し、オイル側はハウジングの内側に面してオイルと接触し、空気側は外側に面して空気にさらされる。

ラジアルシャフトオイルシールは少なくとも２つの異なるやり方で設置できる。一方は「空気側設置」であり、最初にシールをハウジングの穴の中に設置し、その後シャフト（またはその装着スリーブ）を空気側から軸方向にシールアセンブリの中に（ハウジングの内側方向に）設置してシールを実現する。他方は「オイル側設置」であり、ハウジングおよびシャフトが既にある状態において、軸方向にシールアセンブリをハウジングの中にスライドさせ同時にシャフト（またはその装着スリーブ）の上にスライドさせることで、シャフトがシールのオイル側からシールアセンブリの中に入るようにする。そうでなければ、「オイル側」設置の場合、シールアセンブリをハウジングの中に設置した後、シャフトをシールの「オイル側」からシールを通して挿入することが必要である。

設置中、種類に拘らず、シールは、シールのリップコンタクトが裏返る、さもなければ設置が完了した状態でシールリップが無効となる位置にずれることのないよう、設置中に生じる軸方向の負荷に耐えることができなければならない。

ラジアルシャフトシールは、リークテスト中または使用中に見られるさまざまな軸方向の圧力も受ける。シールを横断するように（シールのオイル側と空気側との間で）圧力差が生じると、シールに対して一方方向または他方方向に軸方向の負荷が加わる可能性があり（ハウジング内の真空または圧力増加）、シールが少なくともある程度シャフトから引き離される可能性があり、極端な場合では圧力を受けたシールが裏返り崩れてシールリップコンタクトが破損する可能性がある。

発明の概要
一般的な表現を用いると、この発明が提供するラジアルシャフトシールアセンブリの特徴は、たとえシャフトと穴が位置ずれした状態であっても適切なオイル側設置を行なうことが容易であり、さらに、設置の際にシールアセンブリのオイル側が正または負の圧力を受けたときにリップコンタクトを破損させるような動きに対抗してシールアセンブリのシールリップを支持することである。

本発明の現在好ましいある局面に従い、ラジアルシャフトシールが提供され、このラジアルシャフトシールは、ハウジング内でシャフトの周りに収容されてシャフトシールの空気側をシャフトシールのオイル側から封止分離するように構成される。ラジアルシャフトシールは、環状の台部分と、オイル側端部と空気側自由端との間に延びる環状シール面を有するシールリップとを備える。このシール面はシャフトに対して軸方向に延びるように構成される。さらに、環状ブリッジが、第１のヒンジによってシールリップのオイル側端部に接続され第２のヒンジによって台部分に接続される。ブリッジは第１のヒンジから第２のヒンジまでシールリップと径方向に重なる関係で延在する。環状の突起が台部分から軸方向にブリッジから遠ざかるように延びる。突起はオイル側を有し、オイル側は、シールリップに面し、シールリップが第１のヒンジを中心として突起に向かって旋回したときにシールリップの空気側自由端に対向するように構成される。

本発明の別の局面に従い、ラジアルシャフトシールアセンブリが提供される。ラジアルシャフトシールアセンブリは、中心軸に沿って延び予め定められた直径を有する滑り面が与えられたシャフトと、ラジアルシャフトシールとを備え、ラジアルシャフトシールは、ハウジング内でシャフトの周りに収容されてラジアルシャフトシールの空気側をラジアルシャフトシールのオイル側から封止分離するように構成される。ラジアルシャフトシールは、環状の台部分、および、環状のシール面と、オイル側端部と空気側自由端との間に延びる反対側の裏面とを有するシールリップを備える。シール面は滑り面と動的封止接触して軸方向に延びるように構成される。さらに、環状ブリッジが、第１のヒンジによってシールリップのオイル側端部に取付けられ第２のヒンジによって台部分に取付けられている。このブリッジは第１のヒンジから第２のヒンジまでシールリップと径方向に重なる関係で延在する。加えて、環状の突起が台部分から軸方向にブリッジから遠ざかるように延びる。この突起はオイル側を有し、オイル側は、シールリップに面し、シールリップが第１のヒンジを中心として突起に向かって旋回したときにシールリップの空気側自由端に対向するように構成される。

本発明のもう１つの局面に従い、ラジアルシャフトシールをシャフト上に設置する方法が提供される。この方法は、滑り面を有するシャフトを与えるステップと、自由状態においてオイル側端部から空気側自由端まで収束してゆく環状のシール面を有するシールリップを、ラジアルシャフトシールに与えるステップとを含む。さらに、第１のヒンジによってオイル側端部に取付けられ自由状態において第２のヒンジまで分岐してゆく環状ブリッジを、ラジアルシャフトシールに与える。第２のヒンジは、ブリッジがシールリップと径方向に重なる関係で延在するように、外側の台部分に取付けられる。ラジアルシャフトシールはさらに、台部分から軸方向にブリッジから遠ざかるように延びる環状の突起を含む。この突起はシールリップに面するオイル側を有する。次に、シールリップのオイル側端部をシャフトの端部と接触させ、シールリップの空気側自由端を移動させて突起のオイル側と接触させる。さらに、シール面を滑り面と封止状態で係合させ、同時に前記シールリップの空気側自由端が移動して前記突起から離れるようにする。

本発明の上記およびその他の局面、特徴および利点は、以下の現在好ましい実施の形態およびベストモードに関する詳細な説明、添付の請求項、および図面と関連付けて考慮されるとより容易に理解されるようになるであろう。

本発明のある局面に従い構成されたラジアルシャフトシールの断面図である。 ハウジング内に配置された状態で示される図１のシールの断面図であり、シャフトはシールのオイル側から前進するようにして設置される。 ハウジング内に配置された状態で示される図１のシールの断面図であり、シャフトはシールのオイル側から前進するようにして設置される。 ハウジング内に配置された状態で示される図１のシールの断面図であり、シャフトはシールのオイル側から前進するようにして設置される。

好ましい実施の形態の詳細な説明
さらに詳しく図面を参照すると、図１は、本発明のある局面に従い構成された、以降シール１０と呼ぶラジアルシャフトシールを示す。限定ではなく一例として、このシールは、クランクケースに応用して使用するのに適しており、シール１０が中に設置されたクランクケース１６の穴１４を通して延びるラジアルシャフトシールアセンブリ１３（図２−図４）の中の回転可能なシャフト１２の周りを封止することを目的とする。シール１０は、設置されたときのシール１０の向きとの関連で、オイル側Ｏと、軸方向に反対の空気側Ａとを有する。オイル側Ｏはクランクケース１６の内側に面する側であり、空気側Ａは外側の周囲に面する側である。シール１０は、エラストマーシール材料２０が装着された金属の輪または環状構造体として設けられたカラー１８とも呼ばれるケース等の台部分を含む。シール材料２０はエラストマーシール本体２２の少なくとも一部を形成する。軸方向に延びるシールリップ２４は、使用中、シャフト１２との動的摩擦接触が小さい。シール１０は台部分１８から延びる環状の突起２３を有し、環状の突起２３は、設置中にシールリップが旋回すると、シールリップ２４と対向する。したがって、突起２３はシールリップ２４が軸方向に開くことを防止する。このため、シールリップ２４は、組立てられたときに、シャフト１２上で確実に適切な封止構成をなす。

金属のカラー１８は、Ｌ字型、または、当該技術で周知のように特定の用途の要求に応じてＣ字型、Ｓ字型または図示のような環状等、任意の数の構成を有していてもよい。示されている金属の強化リング構造体１８は、少なくとも一部が外面上のエラストマーシール材料２０で覆われ、輪郭に凹凸２６を設けることにより、クランクケース１６の穴１４にフィットした流体密封状態の設置を実現してもよい。エラストマーシール材料のカバー２０は、金属カラー１８を中心として成形されたエラストマーシール本体２２の一部を形成する。コア１８およびシール本体２２は比較的硬いが、シール材料２０はシールリップ２４を形成するのに十分な弾力を有する。

シールリップ２４は、弛緩し設置されていない状態のときは、シール１０の水平中心軸２８からたとえば約１−１０度の間の数度だけわずかに傾いて延びており、環状で径方向内側に面するシール面３０と、オイル側端部３４と空気側自由端３６との間に延びる、反対側の、径方向外側に面する裏面３２とを有する。シール面３０は、自由状態にある間、オイル側端部３４で最大の直径ＳＤを有し、この直径はシャフト１２の滑り面３８の外径ＯＤよりも小さいため、シール面３０全体は、使用中、確実に滑り面３８と封止状態で係合する。シール面３０は、シャフトの回転中オイルをシールのオイル側Ｏに押し戻すように作用する、リブまたはねじ山形状の流体力学的特徴４０を有するように構成できる。さらに、空気側端部３６には粉塵排除リップ４１を設けることができる。このリップにより、シールアセンブリ１０の空気側Ａからオイル側Ｏへの汚染物質の浸入の防止が容易になり、さらに、潤滑剤をアセンブリ１０のオイル側Ｏに留めることが容易になる。シールリップ２４は予め定められた厚みｔ１を有するように形成され（この厚みは以下に記載の他の寸法の特徴と同じく図面の煩雑化を避けるために図１のみに示される）、これにより、以下でより詳細に述べるようにシャフト１２に対する低トルクシールが容易に保たれる。

環状ブリッジ４２は、シールリップ２４をシール本体２２に、使用に適した状態で接続する。環状ブリッジ４２は、第１のヒンジ４４によってシールリップ２４のオイル側端部３４に接続されるとともに、第２のヒンジ４６によってシール本体２２に接続される。ブリッジ４２は、長さＬ１に亘り、水平中心軸２８に対してある角度をなして延びる。この角度はたとえば約２０−４０度の間であるが、この角度の範囲は水平面から１−８９度に亘ることができる。ブリッジ４２は、シールリップ２４に対し径方向において重なる関係をなして第１のヒンジ４４から第２のヒンジ４６まで延びる。このため、シールアセンブリ１０の空気側Ａに面する環状のポケット４８が設けられる。ブリッジ４２は厚みｔ２を有するように構成され、第１および第２のヒンジ４４および４６はそれぞれ厚みｔ３およびｔ４を有するように構成される。これらの厚みの相対的関係は、好ましくはｔ１≧ｔ３、ｔ２≧ｔ３、かつｔ２≧ｔ４であり、より好ましくはｔ１＞ｔ３、ｔ２＞ｔ３、かつｔ２＞ｔ４である。加えて、自由状態の間、第１のヒンジ４４は第１の直径Ｈ１Ｄを有し第２のヒンジ４６は第２の直径Ｈ２Ｄを有し、Ｈ１Ｄ＜Ｈ２Ｄである。

シール１０はさらに、突起２３とも呼ばれる、破片・屑排除および反転防止機能を組合せた環状のリップを含む。このリップは全体的に、シール本体２２から径方向内側に向かって自由端５２まで延びる。突起２３は、軸方向にはシール本体２２からシールリップ２４およびブリッジ４２から遠ざかるようにシール１０の空気側Ａに向かって延びる。突起２３は、オイル側Ｏおよびシールリップ２４に面する径方向内側の面５４と、シールリップ２４とは逆の空気側Ａに面する径方向外側の面５６とを有する。自由端５２の内径は、滑り面３８の直径ＯＤよりも大きいため、突起２３は、組立てられた時および使用中、滑り面３８と接触しない状態を保つ。突起２３は、破片・屑の、シール１０のオイル側への侵入に対するバリアとして機能する以外にも、以下でさらに説明するように、オイル側設置を補助し、シールリップ２４およびブリッジ４２が設置中に開くことを防ぐように構成される。突起２３は、面５４と面５６との間に延びる厚みを有し、この厚みは、設置中にその形状および形態を実質的に保つ実質的に硬い環状部分を提供するのに十分である。

図２−図４は、シール１０を通してシャフト１２のオイル側設置が進行する様子を示す。シャフト１２の中心軸５８はシール１０の中心軸２８と同軸で位置合わせされている。設置中、シール１０は予めハウジング１６内に設置されており、その後シャフト１２をシール１０を通して穴１４の中に入れる。シャフト１２が軸方向にスライドして穴１４の中に入ると、シャフト１２の端部６０が最初にシール１０のオイル側端部３４と係合する。この間、主シールリップ２４は径方向外向きに拡がり、シールリップ２４の空気側端部３６は径方向外側に傾くため、ポケット４８は部分的に崩れる。このため、シャフト１２の周りにシール１０を設置するのに必要な軸方向の設置力は減少する。図３に示されるように、設置が進行すると、空気側端部３６は引続き径方向外側に向かってかつ軸方向空気側Ａに向かって移動する。結果として、突起２３の内側５４は、シールリップ２４の空気側端部３６に対向しかつ強固な障害物として機能することにより、シールリップ２４およびブリッジ４２がシールの空気側Ａに向かって軸方向に移動し続けないようにする。このように、突起２３は、シールリップ２４およびブリッジ４２がシール１０の空気側Ａに向かって軸方向外向きに巻き込まれて反転することを防止する。したがって、図４に示されるように、シール１０を通したシャフト１２の設置が完了すると、シールリップ２４は径方向内側に向かって戻りシャフト１２の滑り面３８とともに適切な封止構成を実現することができる。

上記教示に照らし本発明には数多くの変形および変更が可能であることは明らかである。したがって、以下の請求項および最終的に許可される請求項の範囲内で、具体的に記載されたものとは異なるやり方で本発明を実施し得ることが理解されるはずである。

Claims (17)

1. ラジアルシャフトシールであって、前記ラジアルシャフトシールは、ハウジング内でシャフトの周りに収容されて前記シャフトシールの空気側を前記シャフトシールのオイル側から封止分離するように構成され、
   硬質で環状の台部分と、
   前記台部分に装着されたエラストマー材料とを備え、前記エラストマー材料は、オイル側端部と空気側自由端との間に延びる環状シール面を有するシールリップであって前記台部分から径方向内側に離間するシールリップを含むシール本体を形成し、前記シール面は前記シャフトに対して軸方向に延びるように構成され、
   第１のヒンジによって前記シールリップの前記オイル側端部に接続され第２のヒンジによって前記台部分に接続された環状ブリッジを備え、前記ブリッジは前記第１のヒンジから前記第２のヒンジまで前記シールリップと径方向に重なる関係で径方向外側に延在し、
   前記エラストマー材料から前記シール本体が延ばされることで形成され、前記台部分から径方向内側に延び、かつ、前記ブリッジから前記シャフトシールの前記空気側に向かって遠ざかるように軸方向に延びる環状の突起を備え、前記突起はオイル側を有し、前記オイル側は、前記シールリップに面し、前記シールリップが前記第１のヒンジを中心として前記突起に向かって旋回したときに前記シールリップの前記空気側自由端に対向するように構成される、ラジアルシャフトシール。
2. 前記突起は前記シールリップよりも大きな直径を有する環状自由端まで延びる、請求項１に記載のラジアルシャフトシール。
3. 前記第１のヒンジは厚みを有し、前記シールリップの厚みは前記第１のヒンジの前記厚みよりも大きい、請求項１に記載のラジアルシャフトシール。
4. 前記ブリッジは前記第１のヒンジの前記厚みよりも大きい厚みを有する、請求項３に記載のラジアルシャフトシール。
5. 前記シールリップの前記厚みは前記ブリッジの前記厚みよりも大きい、請求項４に記載のラジアルシャフトシール。
6. 前記ブリッジの前記厚みは前記第２のヒンジの前記厚みよりも大きい、請求項５に記載のラジアルシャフトシール。
7. 前記ブリッジは前記第２のヒンジの前記厚みよりも大きい厚みを有する、請求項１に記載のラジアルシャフトシール。
8. 前記ブリッジは前記第１のヒンジの前記厚みよりも大きい厚みを有する、請求項７に記載のラジアルシャフトシール。
9. 前記シールリップは前記第２のヒンジの前記厚みよりも大きい厚みを有する、請求項７に記載のラジアルシャフトシール。
10. 前記シールリップは前記ブリッジの前記厚みよりも大きい厚みを有する、請求項７に記載のラジアルシャフトシール。
11. 前記第１のヒンジは前記シールリップと前記突起との間に延びる、請求項１に記載のラジアルシャフトシール。
12. ラジアルシャフトシールアセンブリであって、
    中心軸に沿って延び予め定められた直径を有する滑り面が与えられたシャフトと、
    ラジアルシャフトシールとを備え、前記ラジアルシャフトシールは、ハウジング内で前記シャフトの周りに収容されて前記ラジアルシャフトシールの空気側を前記ラジアルシャフトシールのオイル側から封止分離するように構成され、
    硬質で環状の台部分と、
    前記台部分に装着されたエラストマー材料とを備え、前記エラストマー材料は、オイル側端部と空気側自由端との間に延びる環状のシール面を有するシールリップであって前記台部分から径方向内側に離間するシールリップを含むシール本体を形成し、前記シール面は前記滑り面と動的封止接触して軸方向に延びるように構成され、
    第１のヒンジによって前記シールリップの前記オイル側端部に接続され第２のヒンジによって前記台部分に接続された環状ブリッジを備え、前記ブリッジは前記第１のヒンジから前記第２のヒンジまで前記シールリップと径方向に重なる関係で延在し、
    前記エラストマー材料から前記シール本体が延ばされることで形成され、前記台部分から径方向内側に延び、かつ、前記ブリッジから前記シャフトシールの前記空気側に向かって遠ざかるように前記滑り面に向かって軸方向に延びる環状の突起を備え、前記突起はオイル側を有し、前記オイル側は、前記シールリップに面し、前記シールリップが前記第２のヒンジを中心として前記突起に向かって旋回したときに前記シールリップの前記空気側自由端に対向するように構成される、ラジアルシャフトシールアセンブリ。
13. 前記突起は前記シャフトよりも大きな直径を有する環状自由端まで延びる、請求項１２に記載のラジアルシャフトシールアセンブリ。
14. 前記第１のヒンジは厚みを有し、前記シールリップおよび前記ブリッジは前記第１のヒンジの前記厚みよりも大きい厚みを有する、請求項１３に記載のラジアルシャフトシールアセンブリ。
15. ラジアルシャフトシールをシャフト上に設置する方法であって、
    滑り面を有するシャフトを与えるステップと、
    自由状態においてオイル側端部から空気側自由端まで径方向内側に収束してゆく環状のシール面を有するシールリップと、第１のヒンジによって前記オイル側端部に取付けられ自由状態において第２のヒンジまで径方向外側にそれてゆく環状ブリッジとを、前記ラジアルシャフトシールに与えるステップとを含み、前記第２のヒンジは、前記ブリッジが前記シールリップと径方向に重なる関係で延在するように、外側の台部分に取付けられ、前記シールはさらに、前記シールリップを形成するエラストマー材料からシール本体が延ばされることで形成され、前記台部分から径方向内側に延び、かつ、前記ブリッジから前記シャフトシールの前記空気側に向かって遠ざかるように軸方向に延びる環状の突起を含み、前記突起は前記シールリップに面するオイル側を有し、
    前記シャフトおよび前記ラジアルシャフトシールを軸方向に、互いに向かって移動させるステップと、
    前記シールリップのオイル側端部を前記シャフトの端部と接触させ、前記シールリップの空気側自由端を移動させて前記突起のオイル側と接触させるステップと、
    前記シール面を前記滑り面と封止状態で係合させ、同時に前記シールリップの空気側自由端が移動して前記突起から離れるようにするステップとを含む、方法。
16. 前記突起に、前記滑り面の直径よりも大きな直径を有する自由端まで延びる予め定められた長さを与えるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記シール面を、少なくとも部分的に前記第１のヒンジを介して旋回させて、前記収束する状態から径方向外側にそれる状態にするステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

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