JP6140276B2 - ラジアル軸封止およびそれを備える組立体 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１２年６月４日に提出された米国仮出願シリアル番号第６１／６５５２２６号に基づく優先権の利益を主張し、その開示全体が引用により本明細書中に援用される。

発明の背景
１．技術分野
本発明は、一般に、回転軸とハウジングとの間に流体密封を作る動的オイル封止に関する。

２．関連技術
動的ラジアル軸オイル封止は、軸封止のいわゆる「オイル側」と「空気側」とを有するように設計されている。「オイル側」と「空気側」とは、軸封止を設置する時の向きに関連して指定される。空気側は、空気に暴露するように外側に面しており、オイル側は、オイルと連通し、ハウジングの内部に面する。

ラジアル軸オイル封止を設置できる方法は、少なくとも２つの異なる方法がある。「空気側からの設置」方法では、最初に、軸封止をハウジングのボア内に設置し、その後、軸（または軸の摩耗スリーブ）を空気側から軸線方向に沿って（ハウジングの内側へ）軸封止組立体内に設置することによって、軸封止と環状の密封を形成する。他方の「オイル側からの設置」方法では、ハウジングおよび軸が既に設置されており、軸封止組立体を軸方向に沿ってハウジング内に滑動させると同時に、軸（または軸の摩耗スリーブ）上に滑動させることによって、軸が軸封止のオイル側から軸封止組立体に進入し、環状の密封を形成する。さもなければ、「オイル側」からの設置は、まず、軸封止組立体がキャリアと呼ばれるハウジングに設置され、その後、軸がオイル側から軸封止を通過するように、内部に軸封止が設置されたハウジングは、「既に適所に」設置された軸を通ってエンジンに組立てられ、環状の密封を形成する。

使用された設置方法の種類に関係なく、軸封止は、設置中に、軸封止の封止リップの反転を引起こすことなく、設置中に生じた軸方向の荷重に耐えることができなければならない。さもなければ、軸封止が変位し、完全に設置された状態において封止リップが効果を有しない。封止リップに与えられた軸方向の荷重は、主に、封止本体／封止リップと軸の外周面とを軸方向に沿って相対的に移動させるときに両者の間に生じた摩擦によるものである。したがって、軸封止を通って軸を設置するときに生成された摩擦を最小限にすることが望ましいが、封止リップと軸との間に所望の密封を達成するためには、そのバランスを微妙に維持する必要がある。また、封止リップのオイル側の正または負の圧力が封止リップを封止面との密封係合から抜け出すことを防止するとともに、空気側の汚染物質が軸封止のオイル側に到達することを防止することも重要である。

発明の要約
一般的に、本発明は、設置時および使用中に、封止組立体のオイル側の正または負の圧力にさらされても適切な密封を容易に維持することができるラジアル軸封止を提供する。この軸封止は、さらに、汚染物質が軸封止の空気側からオイル側に侵入することを防止する。

本発明の１つの現時点で好ましい局面によれば、ラジアル軸封止は、ハウジング内に収納され、軸封止のオイル側と軸封止の空気側とを密封隔離するように軸の周りに設置される。軸封止は、環状の取付部と、取付部に接合された封止本体とを含む。封止リップは、封止材料から形成され、オイル側端部と空気側自由端部との間に延在する環状の封止面を有する。封止面は、軸に沿って軸方向に延在するように構成される。環状のブリッジ部は、ヒンジによって封止リップのオイル側端部に接続され、別のヒンジによって封止本体の中央部に接続される。ブリッジ部は、封止リップを径方向に覆う形で延在する。主要粉塵リップは、空気側端部から直接延在する。主要粉塵リップは、軸の運動面と密封当接するように構成された環状リブを有する。環状リブは、少なくとも１つの通気孔を有する。補助粉塵リップは、封止本体の中央部から、軸の運動面と密封当接するように構成された自由端部まで延在する。補助粉塵リップの自由端部は、環状リブの少なくとも１つのリブ通気孔から周方向に離間した少なくとも１つの通気孔を有する。よって、これらの通気孔は、軸方向において互いに整列されない。

本発明の別の局面によれば、ラジアル軸封止組立体が提供される。ラジアル軸封止組立体は、中心軸に沿って延在し、運動面を提供する軸を含む。組立体はさらに、ハウジング内に収納され、軸封止のオイル側と軸封止の空気側とを密封隔離するように軸の周りに設置されたラジアル軸封止を含む。ラジアル軸封止は、環状の取付部と、取付部に接合された封止本体とを含む。封止リップは、封止材料から形成され、オイル側端部と空気側自由端部との間に延在する環状の封止面を有する。封止面は、軸に沿って軸方向に延在するように構成される。環状のブリッジ部は、ヒンジによって封止リップのオイル側端部に接続され、別のヒンジによって封止本体の中央部に接続される。ブリッジ部は、封止リップを径方向に覆う形で延在する。主要粉塵リップは、空気側端部から直接延在する。主要粉塵リップは、軸の運動面と密封当接するように構成された環状リブを有する。環状リブは、少なくとも１つの通気孔を有する。補助粉塵リップは、封止本体の中央部から、軸の運動面と密封当接するように構成された自由端部まで延在する。補助粉塵リップの自由端部は、環状リブの少なくとも１つのリブ通気孔から周方向に離間した少なくとも１つの通気孔を有する。よって、これらの通気孔は、軸方向において互いに整列されない。

それぞれの通気孔が互いに周方向に離間され、軸方向において互いに整列されないため、正および負の圧力が封止リップのオイル側に形成されることが防止されるとともに、汚染物質が封止リップの空気側からオイル側に侵入することが抑制される。

本発明の上記および他の側面、特徴および利点は、以下の現時点で好ましい実施形態および最良実施形態の詳細な説明、特許請求の範囲および添付図面に関連して考えればより簡単に理解できるようになるであろう。

本発明の一側面に従って構成されたラジアル軸封止の断面図である。 本発明に係るラジアル軸封止組立体を形成するように、ハウジング内において軸上に配置された図１の軸封止を示す断面図である。 空気側からオイル側に向かって見た、図１および図２の軸封止の一次補助封止リップにおける通気孔と二次補助封止リップにおける通気孔との相対位置を示す正面図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照して、図１および２は、本発明の一局面に従って構成されたラジアル軸封止を例示している。以下、このラジアル軸封止を軸封止１０と称する。限定することなく例示として、この軸封止は、クランク室のような装置における応用に適している。図２に示すように、軸封止１０は、クランク室のようなハウジング１６に設置されると、ハウジング１６のボア１４を通って延在する回転軸１２の周りを密封するラジアル軸封止組立体１３を形成するように構成されている。別の方法として、軸封止１０をキャリアハウジング内に設置した後、キャリアハウジングおよび１０軸封止をエンジンに取付けることもできる。図１および図２を参照して、軸封止１０は、軸封止１０が設置されるときの向きに関連するオイル側Ｏと、軸方向に対向する空気側Ａとを有する。オイル側Ｏは、クランク室１６の内部に面しており、空気側Ａは、オイル側Ｏから外部環境に向かって面している。軸封止１０は、ケースなどの取付部を備えている。取付部は、コアまたはカラー１８とも呼ばれ、好ましくは金属製環状構造または金属製リング状構造として形成される。取付部には、エラストマー封止材２０が取付けられる。エラストマー封止材２０は、軸方向に延在する封止リップ２４を有するエラストマー封止本体２２の少なくとも一部を形成する。封止リップ２４は、使用中に軸１２との接触の動的摩擦が低いため、軸１２と封止リップ２４との間に低トルクをもたらす。たとえば、新規設置された場合、使用中および使用時のトルクは、約０．０７〜０．３５Ｎ＊ｍ（ニュートンメートル）である。したがって、軸封止１０による摩擦損失が最小限であるため、エンジンの効率の損失は、最小限に抑えられる。

環状の金属カラー１８は、リング状であってもよく、または当技術分野で知られているように、特定の用途の要求に応じて、例として、Ｃ字形、Ｓ字形または図示されたＬ字形の任意の構成にすることもできる。図示された金属カラー１８は、少なくとも径方向外側に面する表面２６上において、弾性封止材２０により部分的に覆われている。クランク室１６のボア１４内に快適な流体密封設置を提供するために、弾性封止材２０の輪郭に起伏３０を設けることができる。金属コア１８から径方向内側へ延在する封止本体２２の中央部２３を形成するために、封止本体２２の封止材２０は、金属コア１８の内側表面３２の周囲から径方向内側へ延在する。コア１８と封止本体２２とは比較的剛性であるが、封止材２０は、封止リップ２４を形成するのに充分な弾力性を有する。

封止リップ２４は、設置されていないの弛緩状態（図１）にあるとき、たとえば軸封止１０の水平中心軸３３から約１〜１０°の角度で若干傾斜した向きに延在しており、径方向内側に面する環状の封止面３４と、オイル側端部３８と空気側自由端部３９との間に延在しかつ径方向外側に面する反対側の裏当て面３６とを有する。封止面３４は、自由状態にあるとき、オイル側端部３８で最大の直径を有する。この最大の直径は、軸１２の運動面３７の外径よりも小さい。よって、軸１２の周りに軸封止１０の設置が完了した後、封止面３４の全体が必ず運動面３７と密封係合する関係になる。

封止面３４は、軸１２の回転時にオイルを軸封止１０のオイル側Ｏに送り込むように機能するリブ状または糸状の流体力学的特徴４０を有するように構成することができる。さらに、以下で主要粉塵リップ４２と呼ばれる粉塵排除リップは、封止リップ２４の空気側端部３９から空気側Ａに向かって直接延在している。主要粉塵リップ４２は、軸封止組立体１３の空気側Ａからオイル側Ｏへの汚染物質の侵入を阻止し、さらに、軸封止組立体１３のオイル側Ｏの潤滑油を保持することを容易にする。主要粉塵リップ４２は、運動面３７と当接するように構成された環状リブ４３を有する。少なくとも１つのリブ通気孔４４がリブ４３に形成されている。図３には、複数のリブ通気孔４４が示されている。以下、これらのリブ通気孔を通気孔４４と称する。これらの通気孔４４は、主要粉塵リップ４２のリブ４３の周方向周りに互いに等間隔で離間するように示されているが、他の構成も考えられる。空気の通過を可能にするとともに、汚染物質の通過を最小限に抑制するために、通気孔４４は、リブ４３の内部から径方向外側に向って広がる径方向外側大きくなるＶ字形の切欠（ノッチ）として形成される。

軸封止１０はさらに、以下で補助粉塵リップ４６と称される環状の補助粉塵排除リップを含む。補助粉塵リップ４６は、補助粉塵リップ４６の自由端部４７と軸１２の運動面３７との間に密封接触を確立するために、金属コア１８の内側面３２と隣接する封止本体２２の中央部２３から空気側に向かって径方向内側へ充分延在している。したがって、補助粉塵リップ４６がオイル側Ｏから、一般に封止リップ２４から分岐しており、軸１２上に軸封止１０を設置するときに、補助粉塵リップ４６が主要粉塵リップ４２を妨げないことが保証される。さらに、補助粉塵リップ４６が空気側Ａに向かって延在することは、オイル側からの組立を容易にする。主要粉塵リップ４２と同様に、補助粉塵リップ４６は、軸方向に沿って自由端部４７の内部に延在する少なくとも１つのリップ通気孔４８を有する。図３には、複数のリップ通気孔４８が示されている。以下、これらのリップ通気孔を通気孔４８と称する。これらの通気孔４８は、補助粉塵リップ４６の周方向周りに互いに等間隔で離間するように示されているが、他の構成も考えられる。図示のように、通気孔４４、４８の各々は、通気孔４４、４８のうち２つが軸方向に互いに整列されないように、互いに周方向にオフセットをもって離間する。このようにして、通気孔４４、４８は、連携して機能することによって、主要封止リップ２４の内部およびオイル側Ｏに真空または正圧の形成を防ぐとともに、連携して機能することによって、汚染物質が侵入する直線経路の形成を回避することにより、空気側Ａからオイル側Ｏへの汚染物質の侵入を阻止する。

軸封止１０の動作性能をさらに強化するために、補助粉塵リップ４６は、中央部２３と隣接する環状のヒンジ５０を有する。ヒンジ５０は、薄くなった厚さを有するように封止材２０から形成される。したがって、ヒンジ５０は、第１厚さｔ１を有し、補助粉塵リップ４６は、ヒンジ５０と直接隣接しかつヒンジ５０から径方向内側へ延在する第２厚さｔ２を有する。ｔ１は、ｔ２よりも小さい（ｔ１＜ｔ２）。これにより、軸封止１０動作時の回転トルクは最小になる。

環状のブリッジ部５２は、封止リップ２４を封止本体２２と動作可能に連結している。環状ブリッジ部５２は、第１ヒンジ５４を介して封止リップ２４のオイル側端部３８に連結され、第２ヒンジ５６を介して５２に中央部２３に連結される。ブリッジ部５２は、封止リップ２４を径方向に覆う形で第１ヒンジ５４から第２ヒンジ５６に延在するため、軸封止組立体１３の空気側Ａに面する環状ポケット５８を形成する。第１ヒンジ５４および第２ヒンジ５６は、ブリッジ部５２の厚さｔ５に対して、それぞれ薄くなった厚さｔ３およびｔ４を有する。したがって、相対的厚さ関係では、ｔ３およびｔ４がｔ５よりも小さい（ｔ３，ｔ４＜ｔ５）。

限定することなく例として示された軸封止１０は、概ね第１ヒンジ５４の上方から延在しかつ封止リップ２４およびブリッジ部５２から軸封止１０のオイル側Ｏへ向かって軸方向に離れた環状の突起６０をさらに有する。突起６０は、設置中に封止リップ２４およびブリッジ部５２の広がりを防止することによって、オイル側からの設置を支援するように構成されている。さらに、突起６０は、設置時および使用中に軸の運動面３７と接触しないように構成されている。

複数の補強リブ（以下、リブ６２と称する）は、一枚の材料として封止本体２２に成形することができる。リブ６２は、組立時および組立中において、組立てを容易にし、封止リップ２４の封止面３４を軸１２の運動面３７と適切な密閉関係に維持することを容易にする。リブ６２は、ブリッジ部５２に沿って軸方向に延在しており、図面において、突出部６０の上面または径方向外側に面する表面に沿って、ブリッジ部５２の全長に亘って延在し、封止本体２２の中央部２３で終結すると示されている。リブ６２は、組立中にブリッジ部５２および主封止リップ２４の逆折曲を充分防止するのに任意の適切な数で提供することができる。リブ６２は、好ましくは、封止本体２２の周囲に互いに等距離で離間している。リブ６２の高さは、軸封止１０が軸１２に設置されたときに、それらが封止本体２２から離間するように、設定される。

上記の教示を考慮すると、本発明に多くの修正および変更ができることは明らかである。したがって、理解すべきことは、最終的に許可された請求の範囲に属する本発明は、詳細説明以外の方法で実施することが可能であることである。

Claims (10)

1. ハウジング内に収納され、軸封止のオイル側と軸封止の空気側とを密封隔離するように軸の周りに設置されたラジアル軸封止であって、
   環状の取付部と、
   前記取付部に接合された封止本体と、
   オイル側端部と空気側自由端部との間に延在する環状の封止面を有する封止リップとを含み、前記封止面は、前記軸に沿って軸方向に延在するように構成され、
   ヒンジによって前記封止リップの前記オイル側端部に接続されかつ別のヒンジによって前記封止本体の中央部に接続された環状のブリッジ部を含み、前記ブリッジ部は、前記封止リップを径方向に覆う形で延在し、
   前記空気側端部から延在する主要粉塵リップを含み、前記主要粉塵リップは、前記軸の運動面と密封当接するように構成された環状リブを有し、前記環状リブは、少なくとも１つのリブ通気孔を有し、
   前記封止本体の前記中央部から、前記軸の前記運動面と密封当接するように構成された自由端部まで延在する補助粉塵リップを含み、前記補助粉塵リップの前記自由端部は、前記環状リブの前記少なくとも１つのリブ通気孔から周方向に離間した少なくとも１つのリップ通気孔を有する、ラジアル軸封止。
2. 前記主要粉塵リップは、複数の前記リブ通気孔を有し、前記補助粉塵リップは、複数の前記リップ通気孔を有する、請求項１に記載のラジアル軸封止。
3. 前記リブ通気孔は、互いに等間隔に配置され、前記リップ通気孔は、互いに等間隔に配置される、請求項２に記載のラジアル軸封止。
4. 前記補助粉塵リップは、前記封止リップから空気側に向って分岐する、請求項１に記載のラジアル軸封止。
5. 前記補助粉塵リップは、第１厚さを有する環状ヒンジと、前記ヒンジに直接隣接しかつ前記ヒンジから径方向内側へ延在し、第２厚さを有する部分とを備え、前記第１厚さは、第２厚さよりも小さい、請求項１に記載のラジアル軸封止。
6. ラジアル軸封止組立体であって、
   中心軸に沿って延在し、運動面を提供する軸と、
   ハウジング内に収納され、軸封止のオイル側と軸封止の空気側とを密封隔離するように軸の周りに設置されたラジアル軸封止とを含み、前記ラジアル軸封止は、
   環状の取付部と、
   前記取付部に接合された封止本体と、
   オイル側端部と空気側自由端部との間に延在する環状の封止面を有する封止リップとを含み、前記封止面は、前記軸の前記運動面に沿って軸方向に延在するように構成され、
   前記封止リップの前記オイル側端部と前記封止本体の中央部とに接続された環状のブリッジ部を含み、前記ブリッジ部は、前記封止リップを径方向に覆う形で延在し、
   前記封止リップの前記空気側端部から延在する主要粉塵リップを含み、前記主要粉塵リップは、前記軸の運動面と密封当接するように構成された環状リブを有し、前記環状リブは、少なくとも１つのリブ通気孔を有し、
   前記封止本体の前記中央部から、前記軸の前記運動面と密封当接するように構成された自由端部まで延在する補助粉塵リップを含み、前記補助粉塵リップの前記自由端部は、前記少なくとも１つのリブ通気孔から周方向に離間した少なくとも１つのリップ通気孔を有する、ラジアル軸封止組立体。
7. 前記主要粉塵リップは、複数の前記リブ通気孔を有し、前記補助粉塵リップは、複数の前記リップ通気孔を有する、請求項６に記載のラジアル軸封止組立体。
8. 前記リブ通気孔は、互いに等間隔に配置され、前記リップ通気孔は、互いに等間隔に配置される、請求項７に記載のラジアル軸封止組立体。
9. 前記補助粉塵リップは、前記封止リップから空気側に向って分岐する、請求項６に記載のラジアル軸封止組立体。
10. 前記補助粉塵リップは、第１厚さを有する環状ヒンジと、前記ヒンジに直接隣接しかつ前記ヒンジから径方向内側へ延在し、第２厚さを有する部分とを備え、前記第１厚さは、第２厚さよりも小さい、請求項６に記載のラジアル軸封止組立体。

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