JP5765670B2 - 密封装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や建設機械等、各種機械の回転部に設けられる密封装置に関し、特に、高い流体圧がかかり且つ低トルクで回転する回転部の密封性に優れた密封装置に関する。

近年、工作機械等の分野においては、作業効率向上の観点から、油圧など流体圧で駆動される部分の動作速度の向上が求められる一方、機械効率向上の観点から、流体の漏れを防ぎつつ回転する回転部の低トルク化が求められている。
このような事情の下、高い流体圧がかかり且つ低トルクで回転する回転部の密封性を向上させた密封装置が各種提案されている。
その一例として、図２（Ａ）に示すように、互いに同軸的に相対回転する内外二部材１１、１２間に形成される環状の隙間Ｓを密封するべく、第１部材（外側の部材）１１の軸孔１１ａの内面部に周方向に沿って形成されたシール用環状溝１３に、Ｏリング（バックリング）１４とその内側に嵌合したシールリング１５とを装着するとともに、シールリング１５の第２部材（内側の部材）１２との摺動面の軸方向（流体圧Ｐがかかる方向）両側に傾斜面１５ａ、１５ｂを形成したものがある。この密封装置は、図２（Ｂ）に示すように、流体圧Ｐが加えられたときに作動流体と接触する側（反圧力側）の傾斜面１５ａと第２部材１２との間に流体が入り込むことによりシールリング１５の第２部材１２との接触面積が減少し、シールリング１５と第２部材１２との摩擦抵抗が小さくなることにより、高い密封性能と回転部の低トルク化を同時に実現する。（たとえば、特許文献１参照）

特表２００５−５０４２３７号公報

しかし、上述した従来の密封装置は、バックリング１４としてＯリングを用いているため、バックリング１４とシール用環状溝１３の底面１３ａとの接触が不完全である。高い流体圧Ｐが作用したときには、作動流体と接触する側におけるバックリング１４とシール用環状溝１３の底面１３ａとの間の空間が拡大するため、両者の接触がより不完全になる。その結果、バックリング１４の弾性復元力がシールリング１５を第２部材１２側に付勢する押圧力として有効に作用しなくなる場合があり、密封性能が不安定になるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、高い流体圧が作用しているときでも常に安定した高い密封性能を発揮しつつ回転部の低トルク化を実現し得る密封装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかる密封装置は、互いに同軸的に相対回転する内外二部材間に形成される環状の隙間を密封する密封装置であって、
一方の部材に周方向に沿って形成された断面矩形状のシール用環状溝の底面に接触させて設けられたバックリングと、
前記シール用環状溝の開口側に設けられ、前記バックリングにより押圧されて他方の部材に全周に亘って摺接して相対的に回転摺動するシールリングと、を有し、
前記バックリングの前記底面との接触面は円筒形状の面であり且つ前記シールリングとの接触面は軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面であり、
前記シールリングの前記バックリングとの接触面は円筒形状の面であり且つ前記他方の部材との接触面は軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面であることを特徴とするものである。

互いに同軸的に相対回転する内外二部材の典型は、軸とハウジングである。シール用環状溝がハウジングに設けられている場合には、シールリングはバックリングの内周側に装着され、バックリングによる径方向内向きの押圧力を受けて軸（の外周面）に摺動する。逆に、シール用環状溝が軸に設けられている場合には、シールリングはバックリングの外周側に装着され、バックリングによる径方向外向きの押圧力を受けてハウジング（の内周面）に摺動する。

上記のように構成された密封装置に作動流体圧が作用すると、バックリング及びシールリングが一方の部材に形成されたシール用環状溝の反圧力側すなわち作動流体と接触しない側の側面に押しつけられる。また、バックリングは作動流体圧により弾性圧縮を受けて、その弾性復元力でシールリングを他方の部材側に押圧する。
シールリングは、バックリングとの接触面が円筒形状の面であり且つ他方の部材との接触面が軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面になっているため、作動流体圧とバックリングによる押圧力とを受けて傾き、その反圧力側の端面をシール用環状溝の反圧力側の側面に面接触させるとともに、その内周面の反圧力側部分を他方の部材に面接触させた姿勢で安定する。そして、シールリングの内周面の作動流体が接触している部分に作動流体圧が作用することにより、その部分と他方の部材との間の空間が拡大し、シールリングと他方の部材との接触面積が小さくなる。その結果、シールリングの他方の部材と接触している部分にバックリングの押圧力が集中的に作用するため高い密封性能が確保され、シールリングと他方の部材との摩擦抵抗が小さくなるため回転部の低トルク化が実現される。
バックリングのシール用環状溝の底面との接触面が円筒形状の面であることにより、高い作動流体圧が作用しているときでもバックリングとシール用環状溝の底面との間に作動流体が入り込む余地はなく、バックリングのシール用環状溝の底面との接触面全体がシール用環状溝の底面に常に接触した状態に保たれる。すなわち、シール用環状溝の底面もバックリングの当該底面との接触面も共に円筒形状の面であるので、両面間に隙間が発生しない。したがって、バックリングの弾性復元力をシールリングを他方の部材側に付勢する押圧力として常に有効に作用させて、常に安定した密封性能を実現できる。

本発明の密封装置において、前記バックリングは、ゴム製のＤリングであり、
前記シールリングは、ポリエチレン又はポリアミドからなる樹脂製リングであることが望ましい。
バックリングとして、ゴム製のＤリングを使用することにより、シールリングに対しゴム弾性による適度な押圧力を作用させつつ、シールリングを傾動させることができる。シールリングとして、ポリエチレン又はポリアミドからなる樹脂製リングを使用することにより、両リング間の摩擦によるゴム製のＤリングの摩耗を極力少なくするとともに、高い流体圧に対するシールリングの耐久性及び他方の部材との摺動性を確保できる。

本発明の密封装置において、前記シールリングの端面は、前記シール用環状溝の底面に近づくほど前記シール用環状溝の側面との間隔が拡大するように傾斜したテーパ面を有していることが望ましい。
この構成によれば、シールリングが作動流体圧とバックリングによる押圧力とを受けて傾いたときに、シールリングの反圧力側の端面がシール用環状溝の反圧力側の側面に良好に面接触するので、より安定した密封性能を実現できる。

本発明の密封装置によれば、高い作動流体圧が作用しているときでも、バックリングの弾性復元力をシールリングを付勢する押圧力として常に有効に作用させて常に安定した密封性能を実現しつつ、シールリングによる摩擦抵抗を小さくして回転部の低トルク化を実現できる。

本発明の密封装置の実施形態を例示する部分断面図であり、（Ａ）は流体圧が作用していない時のバックリング及びシールリングの状態を、（Ｂ）は流体圧が作用している時のバックリング及びシールリングの状態をそれぞれ示している。 従来の密封装置を例示する部分断面図であり、（Ａ）は流体圧が作用していない時のバックリング及びシールリングの状態を、（Ｂ）は流体圧が作用している時のバックリング及びシールリングの状態をそれぞれ示している。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
この実施形態の密封装置は、油圧工作機械などの回転部に適用されるものであり、図１（Ａ）に示すように、ハウジング（一方の部材）１とハウジング１の軸孔１ａに挿通された円柱状の軸（他方の部材）２との間に形成される環状の隙間Ｓを両部材１、２の相対回転を許容しつつ密封するものである。

この密封装置は、Ｄリング（バックリング）３とシールリング４とを有する。両リング３、４は、軸孔１ａの内面部に周方向に沿って形成された断面矩形状のシール用環状溝５内に装着される。

Ｄリング３は、シール用環状溝５の底面５ａに接触させて設けられる。Ｄリング３は、その外周面３ａがシール用環状溝５の底面５ａと同じく円筒形状の面であり且つその内周面３ｂが軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面である略Ｄ字形の断面形状を有するゴム製の密封部材である。

シールリング４は、その外周面４ａが円筒形状の面であり且つその内周面４ｂが軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面である、ポリエチレン又はポリアミドからなる樹脂製の密封部材である。シールリング４の内周面４ｂの軸方向の曲率は、Ｄリング３の内周面３ｂの軸方向の曲率よりも小さく選定されている。シールリング４は、バックリング３の内周面３ｂに全周に亘って密に嵌合させて設けられ、軸２の外周面全周に密に圧接しつつ相対的に回転摺動する。

Ｄリング３の内径寸法とシールリング４の外径寸法はほぼ等しく、Ｄリング３とシールリング４は互いに密着した状態でシール用環状溝５内に装着される。Ｄリング３は装着時にシールリング４とシール用環状溝５の底面５ａとの間に挟まれて径方向に圧縮される。このＤリング３の弾性復元力がシールリング４を軸２側に付勢する押圧力として働く。また、シールリング４の両端面部には、シール用環状溝５の底面５ａに近づくほど溝５の側面５ｂとの間隔が拡大するように傾斜したテーパ面４ｃ、４ｄが形成されている。

上記のように構成された密封装置において、図１（Ｂ）に示すように、油圧Ｐが作用すると、Ｄリング３及びシールリング４がシール用環状溝５の反圧力側の側面５ｂに押しつけられる。また、Ｄリング３は油圧Ｐにより弾性圧縮を受けて、その弾性復元力でシールリング４を軸２側に押圧する。

シールリング４は、その外周面４ａが円筒形状の面であるのに対しその内周面４ｂが軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面になっているため、油圧ＰとＤリング３による押圧力とを受けて傾き、その反圧力側のテーパ面４ｃ全体をシール用環状溝５の反圧力側の側面５ｂに面接触させた姿勢で安定する。軸２と接するシールリング４の内周面４ｂが軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面になっており、その曲率がＤリング３の内周面３ｂの軸方向の曲率よりも小さく選定されていることにより、油圧ＰとＤリング３による押圧力とを受けてなされるシールリング４の安定姿勢への傾動が無段階にスムーズになされる。そして、シールリング４の内周面４ｂの作動油が接触する部分４ｂ１に油圧Ｐが作用することにより、その部分４ｂ１と軸２との間の空間が拡大し、シールリング４と軸２との接触面積が小さくなる。その結果、シールリング４の軸２と接触している部分４ｂ２にＤリング３の押圧力が集中的に作用するため高い密封性能が確保され、シールリング４と軸２との摩擦抵抗が小さくなるため回転部の低トルク化が実現される。

そして、Ｄリング３の外周面３ａが円筒形状の面であることにより、油圧Ｐが作用しているときでもＤリング３とシール用環状溝５の底面５ａとの間に作動油が入り込む余地はなく、Ｄリング３の外周面３ａ全体がシール用環状溝５の底面５ａに常に接触した状態に保たれる。したがって、Ｄリング３の弾性復元力をシールリング４を軸２側に付勢する押圧力として常に有効に作用させて、常に安定した密封性能を実現できる。

また、油圧Ｐが作用しているとき、Ｄリング３の反圧力側の端面３ｃがシール用環状溝５の反圧力側の側面５ｂに全周に亘って面接触するため、Ｄリング３とシール用環状溝５との摩擦力が増大する。これにより、シールリング４との周方向の摩擦力によってＤリング３がハウジング１に対して回転摺動することを防止できる。

また、シールリング４として、ポリエチレン又はポリアミドからなる樹脂製リングを使用していることにより、両リング３、４間の摩擦によるゴム製のＤリング３の摩耗を極力少なくするとともに、高い流体圧に対するシールリング４の耐久性及び軸２との摺動性を確保できる。

また、シールリング４の両端面がテーパ面４ｃ、４ｄになっているので、軸方向のどちらの側から油圧Ｐが作用しても、上述した作用効果を奏することができる。よって、作動中に油圧Ｐの作用する向きが切り替わるような油圧機械の回転部に対しても、この密封装置を好適に用いることができる。

なお、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定されるものではない。
たとえば、上記実施形態では、シールリング４の両端面部にテーパ面４ｃ、４ｄが形成されているが、反圧力側の端面部のみにテーパ面を設けてもよい。
また、上記実施形態では、ハウジング（一方の部材）１の軸孔１ａに設けられたシール用環状溝５にＤリング３とシールリング４とを装着して、シールリング４を軸（他方の部材）２に接触させる構成を例示したが、本発明は、軸（一方の部材）２に設けられたシール用環状溝にＤリングとシールリングとを装着して、シールリングをハウジング（他方の部材）１の軸孔１ａに接触させる構成にも好適に用いることができる。

１ ハウジング
１ａ 軸孔
２ 軸
３ バックリング
３ａ 外周面（シール用環状溝の底面との接触面）
３ｂ 内周面（シールリングとの接触面）
４ シールリング
４ａ 外周面（バックリングとの接触面）
４ｂ 内周面（軸との接触面）
４ｃ、４ｄ テーパ面
５ シール用環状溝
５ａ 底面
Ｓ 隙間

Claims (3)

1. 互いに同軸的に相対回転する内外二部材間に形成される環状の隙間を密封する密封装置であって、
   一方の部材に周方向に沿って形成された断面矩形状のシール用環状溝の底面に接触させて設けられたバックリングと、
   前記シール用環状溝の開口側に設けられ、前記バックリングにより押圧されて他方の部材に全周に亘って摺接して相対的に回転摺動するシールリングと、を有し、
   前記バックリングの前記底面との接触面は円筒形状の面であり且つ前記シールリングとの接触面は軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面であり、
   前記シールリングの前記バックリングとの接触面は円筒形状の面であり且つ前記他方の部材との接触面は軸方向に一定の曲率を有する円環状の凸曲面であり、
   前記シールリングの凸曲面の曲率は、前記バックリングの凸曲面の曲率よりも小さいことを特徴とする密封装置。
2. 前記バックリングは、ゴム製のＤリングであり、
   前記シールリングは、ポリエチレン又はポリアミドからなる樹脂製リングである、請求項１に記載の密封装置。
3. 前記シールリングの端面は、前記シール用環状溝の底面に近づくほど前記シール用環状溝の側面との間隔が拡大するように傾斜したテーパ面を有している、請求項１又は２に記載の密封装置。

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