JP6243155B2

JP6243155B2 - 密封装置

Info

Publication number: JP6243155B2
Application number: JP2013140405A
Authority: JP
Inventors: 昭宏山中; 一将坂尾
Original assignee: Koyo Sealing Techno Co Ltd
Current assignee: Koyo Sealing Techno Co Ltd
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: JP2015014309A

Description

本発明は、円筒状の内軸収容部と、この内軸収容部内に回動可能に配設される内軸との間の環状空間を密封する密封装置に関する。

自動車のステアリングホイールの回転を車軸方向への直線運動に変換する機構としてラック・ピニオン機構がある。かかるラック・ピニオン機構では、ステアリングホイールと共回りするピニオン軸が当該ピニオン軸と略直交するラック軸と噛合している。

ラック・ピニオン機構は、ピニオン軸と、当該ピニオン軸の一部を収容している有底円筒状のピニオン軸収容部とを備えている。そして、ピニオン軸収容部のステアリングホイール側の開口部に、ピニオン軸とピニオン軸収容部との間の環状空間を密封して外部からの泥水や塵の侵入を防ぐ密封装置が配設されている。

ラック・ピニオン機構に用いられる従来の密封装置１１０は、例えば、図４に示すような構成である。図示例の密封装置１１０は、芯金１１１とシール部１１４とで構成されている。芯金１１１は、円筒部１１２と、この円筒部１１２の一端から径内方向に延設された円環部１１３とで構成されている。また、シール部１１４は、ニトリルゴム等の弾性材で作製されており、芯金１１１の外側面に加硫接着された接着部１１５と、この接着部１１５の径内方向に当該接着部１１５と連続するように形成されたリップ部１１８とで構成されている。

リップ部１１８は、芯金１１１の径方向内側の端部付近から軸方向内方（円筒部１１２の基端１１２ａから先端１１２ｂに向かう向き）且つ径内方向に突出している第１リップ１１８ａと、軸方向外方且つ径内方向に突出している第２リップ１１８ｂとで構成されている。

密封装置１１０は、ピニオン軸１２０とピニオン軸収容部１４１との間に配設されていない状態の径方向寸法が、ピニオン軸１２０とピニオン軸収容部１４１の間の隙間Ｓの径方向寸法よりも僅かに大きく形成されている。このため、密封装置１１０がピニオン軸収容部１４１の開口部１４１ａに内嵌されると、第１リップ１１８ａ及び第２リップ１１８ｂは、径外方向に向かって僅かに変形してピニオン軸１２０の外周面に当接する。これにより、ピニオン軸１２０とピニオン軸収容部１４１の間の閉空間Ｓ（環状空間）が密封される。

ところで、ラック・ピニオン機構では、ドライバーがステアリングホイールを急に大きく回転させると、ピニオン軸１２０の回転力がラック軸に作用する際に当該ピニオン軸１２０がラック軸から大きな反力を受けることがある。そしてラック軸からの反力を受けて、ピニオン軸１２０が、密封装置１１０を内嵌する際の第１リップ１１８ａ及び第２リップ１１８ｂの径外方向への変形量Ｃと同程度か或いはそれよりも大きく偏心することがある。この場合、リップ部１１８がピニオン軸１２０の外周面に当接する力が不充分となったり、図５に示すように、変形量Ｃよりも大きく偏心（偏心量Ｂ）すると、リップ部１１８とピニオン軸１２０との間に間隙が生じたりする。そしてこのために密封状態を維持できなくなり、閉空間Ｓに泥水や塵が侵入する虞がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、内軸収容部に対して内軸が大きく偏心しても密封状態を維持することができる密封装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、円筒状の内軸収容部と、この内軸収容部内に回動可能に配設される内軸との間の環状空間を密封する密封装置であって、
前記内軸収容部に固設される円筒部と、この円筒部の軸方向の一端から径内方向にのみ延設された円環部と、を有する芯金と、
弾性材で作製され、この芯金の前記円環部に接着された接着部と、この接着部の径方向内側の端部から径内方向に向かうにつれて軸方向の一方に向かって延び、ついで径内方向に向かうにつれて軸方向の他方に向かって延びているバネ部と、前記内軸の外周に当接するシールリップを備えており、且つ、前記バネ部の先端部に形成されたリップ部を有するシール部と、
を備え、
前記リップ部には、第１シールリップ、第２シールリップおよび第３シールリップの３個のシールリップが形成されており、前記リップ部の基端部から先端部に向かって、前記第３シールリップ、前記第１シールリップ、及び前記第２シールリップがこの順に形成され、前記第１シールリップの先端は、前記第３シールリップの先端よりも径方向内側に位置しており、前記第２シールリップの先端は、前記第１シールリップの先端よりも径方向内側に位置していることを特徴とする密封装置である。

本発明の密封装置において、シール部は、接着部の径方向内側の端部から径内方向に向かうにつれて軸方向の一方に向かって延び、ついで径内方向に向かうにつれて軸方向の他方に向かって延びているバネ部を有している。また、シール部は、弾性材で作製されている。このため、本発明の密封装置は、前記バネ部を有していない従来の密封装置に比べて径方向寸法を大きく形成して、前記バネ部を径方向に折り畳んで縮めることで、従来の密封装置よりも自然長から径方向に大きく縮めて内軸と内軸収容部との間に配設することができる。そして、本発明の密封装置を径方向に大きく縮めて内軸と内軸収容部との間に配設すると、内軸収容部に対して内軸が比較的大きく偏心しても、従来の密封装置に比べて内軸を強い力で付勢することができる。したがって、本発明の密封装置は、内軸が大きく偏心して従来の密封装置では内軸に対する付勢力が弱くなり過ぎたり、シールリップと内軸との間に間隙が生じて密封性が損なわれる場合であっても、内軸をより強い力で付勢でき、密封状態を維持することができる。

前記リップ部は、径内方向に突出している第２のシールリップを備えており、この第２のシールリップは、前記密封装置が前記内軸と前記内軸収容部との間に配設されていない状態において、前記シールリップよりも径方向内側に突出していることが好ましい。
この場合、シールリップに加えて第２のシールリップも内軸の外周面に当接させることができる。また、第２のシールリップを備えていない密封装置よりも、内軸を付勢する状態を維持し得る内軸の上限偏心量が大きくなる。したがって、第２のシールリップを備えていない密封装置よりも、密封状態を維持できる内軸の上限偏心量をさらに大きくすることができる。

前記リップ部の径方向外側面に、当該リップ部を径内方向に付勢し得るガータスプリングが全周に亘って巻回されていることが好ましい。この場合、本発明の密封装置を自然長から径外方向に縮めて内軸と内軸収容部との間に備えると、ガータスプリングの付勢力が常に内軸に向かって加えられる。このため、リップ部により内軸をさらに強い力で付勢することができる。また、内軸を付勢する状態を維持できる内軸の上限偏心量をさらに大きくすることができる。

本発明の密封装置によれば、内軸が内軸収容部に対して大きく偏心しても密封状態を維持することができる。

自動車のステアリング装置のラック・ピニオン機構の断面説明図である。本発明の実施形態に係る密封装置の構成及びピニオン軸収容部に内嵌された状態を示す断面説明図である。ピニオン軸がピニオン軸収容部に対して偏心した際の図２に示す密封装置の状態を示す断面説明図である。従来の密封装置の構成及びピニオン軸収容部に内嵌された状態を示す断面説明図である。ピニオン軸がピニオン軸収容部に対して偏心した際の従来の密封装置の状態を示す断面説明図である。

以下、自動車のステアリング装置のラック・ピニオン機構１に用いられる本発明の実施形態に係る密封装置１０を図面に基づいて説明する。
図１は、密封装置１０が配設されているラック・ピニオン機構１を示す断面説明図である。なお、簡単のため、後述するステアリングホイール、ステアリングシャフト、タイロッド、及びナックル等の周知の構成については図示を省略している。
ラック・ピニオン機構１を備えたステアリング装置では、ステアリングホイールが固定されているステアリングシャフトは、コラム軸等を介して図１に示すピニオン軸２０に連結されている。さらに、このピニオン軸２０は、当該ピニオン軸２０と略直交するラック軸３０と噛合している。これにより、ステアリング操作に伴うステアリングホイールの回転がラック軸３０の車軸方向への直線運動に変換される。そして、ステアリングホイールの回転に伴うラック軸３０の車軸方向への直線運動が、ラック軸３０の両端に連結されたタイロッドを介してナックルに伝達されて、転舵輪の舵角が変更される。

ラック・ピニオン機構１では、ラック軸３０に形成されたラック歯３１とピニオン軸２０に形成されたピニオン歯２１とが噛合している。ラック歯３１は、その歯すじがラック軸３０の軸線に対して傾斜するように形成されたヘリカルギアである。また、ピニオン歯２１は、その歯すじがピニオン軸２０の軸線に対して傾斜するように形成されたヘリカルギアである。そして、ラック軸３０は、ハウジング４０内においてピニオン軸２０と所定の交差角をなすように配置されている。また、ラック・ピニオン機構１は、ラック軸３０をピニオン軸２０に押し付けつつ、ラック軸３０の軸方向の往復直線運動が可能なように支持するラックガイド７０を備えている。

ハウジング４０は、ピニオン軸１０を収容しているピニオン軸収容部４１と、ラック軸３０を挟んでピニオン軸収容部４１と対向配置されており、ラックガイド７０を収容しているラックガイド収容部４２と、で構成されている。ピニオン軸収容部４１は、ピニオン軸２０の軸方向に延び、ステアリングホイール側の端部（図１における上端部）が開口した有底円筒状に形成されている。一方、ラックガイド収容部４２は、ピニオン軸２０及びラック軸３０に略直交する方向に延びる円筒形状に形成されている。

ピニオン軸２０は、ステアリングホイール側の端部がピニオン軸収容部４１から突出する態様でピニオン軸収容部４１内に収容されている。ピニオン軸収容部４１の底部にはピニオン軸２０の車両底部側の端部（図１における下端部）をピニオン軸収容部４１に対して回転自在に支持する第１軸受装置５０が配設されている。また、ピニオン軸収容部４１のピニオン歯２１よりも開口部４１ａ側には、ピニオン軸２０のピニオン歯２１よりもステアリングホイール側をピニオン軸収容部４１に対して回転自在に支持する第２軸受装置６０が配設されている。

ラックガイド７０は、ラック軸３０を軸方向に往復運動可能に支持するサポートヨーク７１と、サポートヨーク７１をラック軸３０側に付勢するコイルバネ７２と、を備えている。また、サポートヨーク７１は、ラックガイド収容部４２内において、ラック軸３０及びピニオン軸２０の各軸方向と略直交する方向、すなわちラック軸３０に対して離接する方向に移動可能に収容されている。ラックガイド収容部４２の外部に開口している開口部は筒蓋７３が螺着されることによって閉塞されている。そして、コイルバネ７２は、サポートヨーク７１と筒蓋７３との間に圧縮された状態で配置されており、サポートヨーク７１をラック軸３０に押圧している。

ピニオン軸収容部４１の開口部４１ａには、ピニオン軸収容部４１とピニオン軸２０との間の閉空間Ｓを密封する密封装置１０が内嵌されている。この密封装置１０は、外部から開口部４１ａを通って閉空間Ｓに泥水や塵が侵入することを防止している。

図２は、密封装置１０の構成及び密封装置１０のピニオン軸収容部４１に内嵌された状態を示す断面説明図である。
密封装置１０は、円環状且つ断面Ｌ字状の芯金１１にニトリルゴム等の弾性材からなる円環状のシール部１４が加硫接着されている構成である。
芯金１１は、ピニオン軸収容部４１の内径よりもやや小径に形成された、当該ピニオン軸収容部４１の内周面に固設される円筒部１２と、この円筒部１２の一端から円筒部１２の径内方向に沿って延設された円環部１３と、で構成されている。

シール部１４は、芯金１１に加硫接着されている接着部１５と、芯金１１に接着されていない非接着部１６と、で構成されている。非接着部１６は、接着部１５から径内方向に延びている断面Ｕ字形状のバネ部１７と、このバネ部１７の径方向内側の先端部に形成されているリップ部１８と、で構成されている。

接着部１５は、芯金１１の外側面に対して加硫接着されており、芯金１１とほぼ同形の断面Ｌ字状に形成されている。また、接着部１５は、芯金１１の円筒部１２の先端面にまで回り込んでおり、当該先端面に加硫接着されている。さらに、接着部１５は、芯金１１の円環部１３の先端部において円環部１３の内側面にまで回り込んでおり、円環部１３の先端面及び円環部１３の内側面の先端部分に加硫接着されている。

バネ部１７は、接着部１５の径方向内側の端部から径内方向に向かうにつれて芯金１１の軸方向内方（円筒部１２の基端１２ａから先端１２ｂに向かう向き）に延びて、途中で滑らかに湾曲し、ついで径内方向に向かうにつれて軸方向外方に向かうように延びることにより断面Ｕ字形状を呈している。バネ部１７の先端部は、円環部１３よりも軸方向内側に位置している。接着部１５とバネ部１７の接続部分の角部１７ａ及び隅部１７ｂは、共に断面が円弧状になるように丸められている。

リップ部１８は、バネ部１７の先端部の径内方向に当該バネ部１７の先端部と連続するように形成されている。リップ部１８は、軸方向外方に向かって延びている。リップ部１８の先端部は、円環部１３よりも軸方向外側に位置している。リップ部１８の径方向内側には、リップ部１８の基端部から先端部に向かって第３リップ１８ｃ、第１リップ１８ａ、及び第２リップ１８ｂがこの順に形成されている。

第１リップ１８ａは、リップ部１８の軸方向の基端部と先端部の間に形成されている。第１リップ部１８ａは、径内方向に突出する断面三角形状の凸部である。第２リップ１８ｂは、リップ部１８の先端部において径内方向に向かうにつれて軸方向外方に向かうように突出している。第３リップ部１８ｃは、リップ部１８の基端部において径内方向に向かうにつれて軸方向内方に向かうように突出している。

第１リップ１８ａの先端は、第３リップ１８ｃの先端よりも径方向内側に位置しており、第２リップ１８ｂの先端は、第１リップ１８ａの先端よりも径方向内側に位置している。リップ部１８の径方向外側面には、環状且つ断面円弧状の溝１８ｅが全周に亘って形成されている。ガータスプリング１９は、この溝１８ｅに全周に亘って嵌め込まれることでリップ部１８の径方向外側面に自然長を保って巻回されている。ガータスプリング１９は、円環部１３よりも軸方向外側且つ第１リップ１８ａと同じ軸方向位置で巻回されている。

密封装置１０は、径外側端部から第１リップ１８ａまでの径方向の自然長Ｘが、想定される最大偏心量Ｂだけピニオン軸２０が偏心したときの隙間Ｓの径方向最大寸法Ｙよりも充分に長くなるように形成されている。換言すると、密封装置１０は、内嵌されることで径方向へ縮められる寸法Ａが最大偏心量Ｂよりも充分に大きくなるように形成されている。密封装置１０はバネ部１７を備えているので、最大偏心量Ｂは、バネ部を備えていない従来の密封装置１１０の内嵌時の径方向の変形量Ｃに比べて大きな量とすることができる。

図２に示すように、密封装置１０がピニオン軸収容部４１の開口部４１ａに内嵌されると、バネ部１７は、径方向に自然長から折り畳まれて縮められる。また、ガータスプリング１９は、径方向に付勢力が生じない自然状態よりも径外方向に押し広げられた状態となる。

そして、第１リップ１８ａ、第２リップ１８ｂ、及び第３リップ１８ｃは、バネ部１７とガータスプリング１９の径内方向への付勢力によりピニオン軸２０の外周面に押し付けられるように当接する。密封装置１０は、このようにして開口部４１ａに配設されて外部から閉空間Ｓへの泥水や塵の侵入を防止することができる。

図３は、ピニオン軸収容部４１に対してピニオン軸２０が想定される最大偏心量Ｂだけ偏心した際の密封装置１０の状態を示す断面説明図である。ピニオン軸２０が最大偏心量Ｂだけ任意の向き（図３におけるＤ２の向き）に偏心すると、密封装置１０の隙間Ｓが広がる部分（図３のＤ１側）では、バネ部１７が径方向に広げられる。また、密封装置１０の隙間Ｓが狭くなる部分（図３のＤ２側）では、バネ部１７が径方向にさらに折り畳まれて縮められる。

特に、隙間Ｓの寸法が最大となる部分（図３に示されているＤ１側の部分）では、バネ部１７が径方向に長さＢだけ広げられる。しかし、密封装置１０の径外側端部から第１リップ１８ａまでの径方向の自然長Ｘが、最大偏心量Ｂだけ偏心したときの隙間Ｓの径方向最大寸法Ｙよりも充分に長いので、バネ部１７の付勢力により第１リップ１８ａがピニオン軸２０を強く付勢する状態が維持されている。

また、第２リップ１８ｂの先端は、第１リップ１８ａの先端よりも径方向外側に位置しているので、第２リップ１８ｂは、第１リップ部１８ａと同様、バネ部１７の付勢力によりピニオン軸２０を付勢している状態を維持している。さらに、第１リップ１８ａと第２リップ１８ｂは、ガータスプリング１９の付勢力によってもピニオン軸２０を付勢する状態が維持されている。

一方、隙間Ｓが最も狭くなる部分（図３に示されているＤ２側の部分）では、バネ部１７が径方向に長さＢだけさらに折り畳まれて縮められ、バネ部１７の付勢力により第１リップ１８ａ、第２リップ１８ｂ、及び第３リップ１８ｃがピニオン軸２０をさらに強く付勢する。

第２リップ部１８ｂは、第１リップ１８ａよりも径方向内側に位置している。このため、ピニオン軸２０が最大偏心量Ｂを超えて偏心したとしても、隙間Ｓの径方向寸法が密封装置１０の径方向寸法を超えるまでは、第２リップ部１８ｂがピニオン軸２０の外周面に当接する状態を維持し得る。また、仮に、ピニオン軸２０が最大偏心量Ｂを超えて偏心して、バネ部１７により第１リップ１８ａがピニオン軸２０を付勢する力が働かなくなっても、ガータスプリング１９により第１リップ１８ａがピニオン軸２０を付勢し得る。したがって、密封装置１０は、ピニオン軸２０が最大偏心量Ｂを超えても、閉空間Ｓの密封状態を維持することが可能である。

実施形態に係る密封装置１０において、シール部１４は、接着部１５の径方向内側の端部から径内方向に向かうにつれて軸方向の一方に向かって延び、ついで径内方向に向かうにつれて軸方向の他方に向かって延びているバネ部１７を有している。また、シール部１４は、弾性材で作製されている。

このため、前記密封装置１０は、バネ部１７を備えていない従来の密封装置１１０に比べて径方向寸法を大きく形成して、バネ部１７を径方向に折り畳んで縮めることで、従来の密封装置１１０よりも径方向に自然長から大きく縮めてピニオン軸２０とピニオン軸収容部４１との間に配設することができる。そして、密封装置１０を径方向に大きく縮めてピニオン軸２０とピニオン軸収容部４１との間に配設すると、ピニオン軸収容部４１に対してピニオン軸２０が同じ量だけ偏心しても、従来の密封装置１１０に比べてピニオン軸２０を強い力で付勢することができる。したがって、前記密封装置１０は、ピニオン軸１２０が大きく偏心して従来の密封装置１１０では密封性が損なわれる場合であっても、ピニオン軸２０をより強い力で付勢でき、密封状態を維持することができる。

また、リップ部１８は、径内方向に突出している第２リップ１８ｂを備えている。そして、この第２リップ１８ｂは、前記密封装置１０がピニオン軸２０とピニオン軸収容部４１との間に配設されていない状態において、第１リップ１８ａよりも径方向内側に突出している。

このため、第１リップ１８ａに加えて第２リップ１８ｂもピニオン軸２０の外周面に当接させることができる。また、第２リップ１８ｂを備えていない場合に比べて、ピニオン軸２０を付勢する状態を維持できる内軸の上限偏心量がさらに大きくなる。したがって、第２リップ１８ｂを備えていない密封装置に比べて、密封性能がさらに向上すると共に密封状態を維持できるピニオン軸２０の上限偏心量をさらに大きくすることができる。

また、リップ部１８の径方向外側面に、当該リップ部１８を径内方向に付勢し得るガータスプリング１９が全周に亘って巻回されている。このため、密封装置１０を自然長から径方向に縮めてピニオン軸２０とピニオン軸収容部４１との間に配設すると、ガータスプリング１９は径方向に付勢力が生じない自然状態よりも径外方向に押し広げられた状態となる。

このため、ガータスプリング１９の付勢力が常にピニオン軸２０に向かって加えられ、バネ部１７に加えてガータスプリング１９によってもピニオン軸２０を付勢できる。また、ガータスプリング１９を設けることでピニオン軸２０を付勢する状態を維持できるピニオン軸２０の上限偏心量が大きくなる。したがって、ガータスプリング１９を備えていない密封装置に比べて、密封性能がさらに向上すると共に密封状態を維持できるピニオン軸２０の上限偏心量をさらに大きくすることができる。

なお、本発明の密封装置は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、密封装置１０は、ラック・ピニオン機構１のみならず円筒状の内軸収容部に対して内軸が偏心する他の機構に対しても適用することができる。また、バネ部１７は、断面Ｖ字状、蛇腹状等とすることができる。

１：ラック・ピニオン機構、１０：密封装置、１１：芯金、１２：円筒部、１３：円環部、１４：シール部、１５：接着部、１７：バネ部、１８：リップ部、１８ａ：第１リップ（シールリップ）、１８ｂ：第２リップ（第２のシールリップ）、１９：ガータスプリング、２０：ピニオン軸（内軸）、４１：ピニオン軸収容部（内軸収容部）、Ｓ：隙間・閉空間（環状空間）

Claims

円筒状の内軸収容部と、この内軸収容部内に回動可能に配設される内軸との間の環状空間を密封する密封装置であって、
前記内軸収容部に固設される円筒部と、この円筒部の軸方向の一端から径内方向にのみ延設された円環部と、を有する芯金と、
弾性材で作製され、この芯金の前記円環部に接着された接着部と、この接着部の径方向内側の端部から径内方向に向かうにつれて軸方向の一方に向かって延び、ついで径内方向に向かうにつれて軸方向の他方に向かって延びているバネ部と、前記内軸の外周に当接するシールリップを備えており、且つ、前記バネ部の先端部に形成されたリップ部を有するシール部と、
を備え、
前記リップ部には、第１シールリップ、第２シールリップおよび第３シールリップの３個のシールリップが形成されており、前記リップ部の基端部から先端部に向かって、前記第３シールリップ、前記第１シールリップ、及び前記第２シールリップがこの順に形成され、前記第１シールリップの先端は、前記第３シールリップの先端よりも径方向内側に位置しており、前記第２シールリップの先端は、前記第１シールリップの先端よりも径方向内側に位置していることを特徴とする密封装置。