JP6515805B2 - ガソリンエンジン用シール - Google Patents

Description

本発明は、ガソリンエンジン用シールに関する。さらに詳しくは、ガソリンエンジンのクランクシャフト用密封装置のリップ型端面シールとして有効に用いられるガソリンエンジン用シールに関する。

密封装置(オイルシール)は、自動車、産業機械等の分野で重要な機械部品として広く用いられている。自動車等のエンジンのクランクシャフト用密封装置は、例えば図３に示されるような密封装置が互いに同心的に相対回転自在に組み付けられる２部材としてのハウジングと回転軸間の環状の隙間より漏れる液体としての油をシールするものである。この密封装置は、ハウジングの内周に嵌合固定される金属環６と、回転軸の外周に取り付けられるスリンガー５の半径方向外方に伸びるフランジ部のシール相手面に摺動自在に密封接触するリップ型の端面シール３とから構成されている。

一般にオイルシール材料としては、ニトリルゴム〔NBR〕あるいはアクリルゴム〔ACM〕等の材料が使用されている。しかるにガソリンエンジン内の油温は耐久試験時に100℃程度まで達しており、オイルシールの摺動面温度はそれ以上になると予想されることから、エンジンシール用途では耐熱温度が100〜120℃のNBR、120〜160℃のACM、120〜150℃の水素化NBRは耐熱性の点より使用されず、例えばディーゼルエンジンのクランクシャフト用密封装置のパッキン材としては耐熱性にすぐれた同温度が180〜200℃シリコーンゴム〔FVMQ〕あるいは同温度が200〜250℃と高いフッ素ゴム〔FKM〕を用いたリップ型端面シールが用いられている。

特開２００４−３１６６８１号公報

ガソリンエンジンのクランクシャフト用シールでは、ディーゼルエンジンに比べてさらに高温雰囲気下となるため、FVMQではやはり耐熱性の点で対応が難しいといった問題がある。

ここで端面シールは軸リップシールに比べてリップ反力が小さいといった傾向があり、これによって摺動トルクが低減されて自動車では省燃費が実現されることとなるが、その一方で、端面シール材料としてFVMQに比べてさらに耐熱性の高い、ポリテトラフルオロエチレンなど一般的に用いられているフッ素樹脂あるいはフッ素ゴムを用いると、ガソリンエンジンの高回転下では追随性が悪く漏れが生じてしまうという問題があった(特許文献１)。従って、ガソリンエンジンのクランクシャフト用密封装置のパッキン材としては、例えば230℃といった高熱に耐えうる耐熱性に加えてリップ追随性にすぐれていることが必要とされる。

本発明の目的は、高温高回転下においても良好に流体を密封し続けることを可能とすることにより、ガソリンエンジンのクランクシャフト用密封装置等のパッキン材として有効に用いられるシールを提供することにある。

かかる本発明の目的は、周波数80Hz、雰囲気温度100℃での損失正接tanδが0.105以下であり、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン-パーフルオロ(メチルビニルエーテル)3元共重合体の加硫物よりなる、ガソリンエンジンのクランクシャフト用であって、互いに同心的に相対回転自在に組み付けられる２部材としての、ハウジングと回転軸間の環状の隙間をシールする密封装置のリップ型の端面シールとして用いられるガソリンエンジン用シールによって達成される。

リップの追随性はスリンガーからリップへ圧縮および引張方向の変形が与えられることにより生じるが、ゴムは粘弾性体であることから、スリンガーからの圧縮、引張が与えられた際に粘性の影響で動的遅れが発生し、その結果スリンガーとリップの間で隙間が生じることとなる。本発明は、このゴムの粘性を表す物性がtanδであることからこの値に着目して発明を完成するに至ったものである。

本発明に係るガソリンエンジン用シールは、耐熱性にすぐれており、高温下においても良好に流体を密封し続けることを可能とするので、ガソリンエンジンのクランクシャフト用密封装置のパッキン材として好適に用いられる。

実施例等で用いられた金属環の一部を切除したオイルシールの評価サンプルを示す図である 実施例等で行われたリップ追随性試験評価方法の概略図を示す図である 密封装置の一例を示す断面図である

ガソリンエンジンのクランクシャフト用であって、互いに同心的に相対回転自在に組み付けられる２部材としての、ハウジングと回転軸間の環状の隙間をシールする密封装置のリップ型の端面シールとしては、損失正接tanδ(80Hz、100℃)0.105以下のフッ素ゴムが用いられる。tanδ(80Hz、100℃)が0.105より大きいものを用いると、後記参考例２および比較例１に示される通り、高速摺動下で用いられるガソリンエンジンのクランクシャフト用シールに要求される耐久性およびリップ追随性を満足させることはできない。

ここで損失正接tanδは、粘弾性体に正弦波形の応力とひずみが作用する場合に、ひずみが応力よりも遅れて生じることとなるが、この応力に対するひずみの位相の遅れ角度である損失角(δ)の正接であって、変形の間に熱として散逸されるエネルギー量の尺度となるものである。ゴム成形物の損失正接(tanδ)の値は、ゴム成形物に正弦振動の荷重を付与する動的粘弾性試験を行うことによって測定される。

tanδ(80Hz、100℃)が0.105以下であり、かつ230℃といった高熱に耐えうるゴムとしてはパーフルオロ(メチルビニルエーテル)〔FMVE〕を共重合単位として含有するフッ素ゴムが挙げられる。かかるフッ素ゴムとしては、VdF-TFE-FMVE 3元共重合体、例えばその共重合組成がVdF 55〜80モル％、TFE 10〜30モル％、FMVEが1〜25モル％のものが用いられ、実際には市販品、例えばデュポン社製品バイトンGFLT、GLT505、GLT305、GLT600S等をそのまま用いることができる。FMVEが共重合されていないフッ素ゴムを用いた場合には、その加硫成形品であるシール材は本発明の目的とする追随性を達成することができない。

フッ素ゴム加硫物は、カーボンブラックによって代表される補強剤、タルク、クレー、グラファイト、けい酸カルシウムなどの充填剤、ステアリン酸、パルミチン酸、パラフィンワックスなどの加工助剤、酸化亜鉛、酸化マグネシウムなどの受酸剤、加硫剤、老化防止剤、可塑剤などのゴム工業で一般に使用されている各種配合剤が、必要に応じて適宜添加され、加硫成形することにより得られる。

VdF-TFE-FMVE 3元共重合体の加硫は、好ましくは3元共重合体中に導入された架橋性基(臭素基および／またはヨウ素基)を利用し、有機過酸化物によって行われ、密封装置のリップ型端面シールが成形される。

有機過酸化物としては、例えば第3ブチルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、第3ブチルクミルパーオキサイド、1,1-ジ(第3ブチルパーオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン、2,5-ジメチル-2,5-ジ(第3ブチルパーオキシ)ヘキサン、2,5-ジメチル-2,5-ジ(第3ブチルパーオキシ)ヘキシン-3、1,3-ジ(第3ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン、2,5-ジメチル-2,5-ジ(ベンゾイルパーオキシ)ヘキサン、第3ブチルパーオキシベンゾエート、第3ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、n-ブチル-4,4-ジ(第3ブチルパーオキシ)バレレートなどが3元共重合体100重量部当り約0.5〜4重量部、好ましくは約0.5〜2重量部の割合で用いられる。

有機過酸化物架橋剤を用いた場合には、多官能性不飽和化合物を架橋助剤として併用することが好ましく、これは3元共重合体100重量部当り約0.5〜10重量部、好ましくは約1〜8重量部の割合で用いられる。多官能性不飽和化合物としては、例えばトリアリルイソシアヌレート、トリアリルシアヌレート、トリメチルアリルイソシアヌレート、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレートなどが用いられる。

架橋成形されるゴム組成物の調製は、インタミックス、ニーダ、バンバリーミキサなどの混練機またはオープンロールなどを用いて混練することによって行われ、成形(架橋または加硫)は、公知の方法、例えば射出成形機、圧縮成形機、加硫プレスなどを用いて、一般に約150〜200℃で約3〜60分間加熱することによって行われ、必要に応じて約150〜250℃で約1〜24時間程度加熱する二次架橋(二次加硫)も行われる。

密封装置としては、例えば図３に示されるようなものが挙げられ、これは互いに同心的に相対回転自在に組み付けられる２部材としての、ハウジングと回転軸間の環状の隙間より漏れる液体としてのエンジン油やギア油等の密封対象をシールするものである。この密封装置は、ハウジングの内周に嵌合固定される金属環６と、回転軸の外周に取り付けられるスリンガー５の半径方向外方に伸びるフランジ部のシール相手面に摺動自在に密封接触するリップ型の端面シール３とから構成されており、加硫形成されたVdF-TFE-FMVEよりなるフッ素ゴム製シールは、この端面シールとして用いられる。

次に、実施例について本発明を説明する。

実施例
VdF-TFE-FMVE 3元共重合体(デュポン社製品バイトンGLT600S) 100重量部
カーボンブラック(東海カーボン製品シーストGSO) 20 〃
2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン 2 〃
(日本油脂製品パーヘキサ25B-40;シリカ混合物)
トリアリルイソシアヌレート 2 〃
(日本化成製品タイク；ケイ酸カルシウム混合物)
以上の各成分よりなるFMVE共重合フッ素ゴム組成物について、180℃、10分間の一次加硫、および200℃、15時間の二次加硫を行い、図３に示される密封装置のリップシールを加硫成形し、さらに密封装置を作製して、常態物性、tanδ、耐熱性、リップ追随性およびシール耐久評価を行った。
常態物性(硬さ)：ISO 7169：2004に対応するJIS K6253(1997)準拠
常態物性(100％モジュラス、破断強度、破断時伸び)：ISO 37：2011に対
応するJIS K6251
(2010)準拠
tanδ：東洋精機製作所製粘弾性スペクトロメータを用い、初期歪3％、歪
振幅0.03％、周波数80Hz、雰囲気温度100℃の条件下で測定
耐熱性：ISO 188に対応するJIS K6257(2003)に準拠し、230℃、500時間後
における硬さ変化が10ポイント未満のものを○、10ポイント以上
のものを×と評価
リップ追随性：25℃で100rpm、1000rpmまたは8000rpmで回転後のリップ先
端の浮き量が0.1mm未満のものを○、0.1以上0.3mm未満の
ものを△、0.3mm以上のものを×と評価
リップ先端の浮き量は、図１に示されるように金属環の一
部を切除した密封装置を回転試験機にセットし、約１°傾
けて嵌合させたスリンガーが回転した際のリップ先端部お
よびスリンガー面の変位量をレーザー変位計により計測し
(図２参照)、それらの変位差を算出することにより行われ
た
シール耐久評価：端面シール(内径75mm、外径110mm、幅9.5mm)のダストリ
ップを切除したうえで密封装置を回転試験機にセットし
、潤滑油(トヨタ純正キャッスルオイルSN級0W-20)を回
転軸を中心とした状態で密封して、油温120℃、回転数
8000rpmの条件下で120時間を上限として油漏れが生じる
までの時間を測定

参考例１
実施例において、FMVE共重合フッ素ゴム組成物の代わりに下記配合よりなるNBR組成物について、180℃、10分間の一次加硫および150℃、3時間の二次加硫が行われ、リップシールが加硫成形された。
アクリロニトリル・ブタジエン共重合体 100重量部
(JSR製品JSR260S；アクリロニトリル含量 15％)
カーボンブラック(シーストGSO) 40 〃
酸化亜鉛(堺化学工業製品酸化亜鉛１種) 5 〃
ステアリン酸・パルミチン酸混合物 1.5 〃
(ミヨシ油脂製品ステアリン酸)
2,2,4-トリメチル-1,2-ジヒドロキノリン重合物 2 〃
(川口化学工業製品老防RD)
硫黄(鶴見化学工業製品コロイド硫黄A) 0.5 〃
テトラメチルチウラムジスルフィド 3 〃
(ゼオン化成製品レビタルマスターTT70N；アクリロニトリル・
ブタジエン共重合物-ステアリン酸混合物マスターバッチ)
N-シクロヘキシル-2-ベンゾチアゾリルスルフェンアミド 2 〃
(ゼオン化成製品レビタルマスターCZ70N；アクリロニトリル・
ブタジエン共重合物-ステアリン酸混合物マスターバッチ)

参考例２
参考例１において、ゴム組成物中のアクリロニトリル・ブタジエン共重合体として、JSR製品JSR220S(アクリロニトリル含量 41％)100重量部が用いられた。

比較例１
実施例において、FMVE共重合フッ素ゴム組成物の代わりに、下記配合よりなるFMVE非共重合フッ素ゴム組成物について、180℃、10分間の一次加硫および200℃、15時間の二次加硫が行われ、端面シールの加硫成形および密封装置の作製が行われた。
VdF-HFP共重合体(デュポン製品バイトンA500) 100重量部
カーボンブラック(シーストGSO) 15 〃
酸化マグネシウム(協和化学工業製品キョーワマグ150) 3 〃
水酸化カルシウム(近江化学工業製品CALDIC 2000) 6 〃
4,4´-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノール 2 〃
(ダイム共栄製品CHEMINOX AF-50)
トリフェニル(フェニルメチル)フォスフォニウムクロライド 1 〃
(ダイム共栄製品CHEMINOX B-35F)

比較例２
実施例において、FMVE共重合フッ素ゴム組成物の代わりに、下記配合よりなるシリコーンゴム組成物について、180℃、10分間の一次加硫および170℃、10時間の二次加硫が行われ、リップシールの加硫成形および密封装置の作製が行われた。
ジメチルシリコーンゴム-フロロシリコーンゴム共重合体 100重量部
(信越化学工業FE2611U)
カーボンブラック(シーストGSO) 15 〃
ジメチルシリコーンオイル(信越化学工業製品WETTER-No.5) 1 〃
2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン 25 2 〃
(ダイム共栄製品C-8)

以上の実施例、各参考例および比較例で得られた結果は次の表に示される。

表
測定・評価項目 実施例 参考例１ 参考例２ 比較例１ 比較例２
常態物性
硬さHs (Duro A) 75 74 78 75 81
100％モジュラス(MPa) 6.9 5.9 6.2 4.0 5.2
破断強度 (MPa) 13.1 17.2 18.2 11.3 5.9
破断時伸び (％) 390 370 480 240 170
tanδ (80Hz、100℃) 0.0632 0.105 0.137 0.147 0.0897
耐熱性 ○ × × ○ ×
リップ追随性 100rpm ○ ○ ○ △ ○
1000rpm ○ ○ △ × ○
8000rpm ○ ○ × × ○
耐久時間 (時間) >120 >120 18 3 >120

以上の結果より、80Hz、100℃でのtanδが0.105より大きい参考例２および比較例１では所望のリップ追随性を満足させることができないが、tanδが0.105以下の実施例、参考例１、比較例２では良好なリップ追随性を示すとともに、耐久性についても120時間以上であることが確認され、このうちFMVE共重合フッ素ゴム組成物を用いた実施例のみが230℃、500時間といった高温条件下での使用にも耐えうる耐熱性を示すことが確認された。

１ 密封装置
２ シールリップ
３ 端面シール
４ ダストシール
５ スリンガー
６ 金属環
７ 回転軸
８ レーザー変位計

Claims (3)

1. 周波数80Hz、雰囲気温度100℃での損失正接tanδが0.105以下であり、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン-パーフルオロ(メチルビニルエーテル)3元共重合体の加硫物よりなる、ガソリンエンジンのクランクシャフト用であって、互いに同心的に相対回転自在に組み付けられる２部材としてのハウジングと回転軸間の環状の隙間をシールする密封装置のリップ型の端面シールとして用いられるガソリンエンジン用シール。
2. 密封装置が、ハウジングの内周に嵌合固定される金属環と、回転軸の外周に取り付けられるスリンガーの半径方向外方に伸びるフランジ部のシール相手面に摺動自在に密封接触するリップ型の端面シールとから構成されている請求項１記載のガソリンエンジン用シール。
3. 請求項１または２記載のガソリンエンジン用シールを、エンジンのクランクシャフト用シールとして用いた密封装置。

Images