JP6820931B2 - 回転シール装置と螺旋ばねシール要素を備えた回転シール - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の周りに互いに対して回転可能に配置された２つの機械部品を備えた回転シール装置に関し、２つの機械部品のうちの一方はシール保持構造を形成し、２つの機械部品のうちのそれぞれの他方はシール面を形成する。回転シール装置は、２つの機械部品の間に形成されたシール隙間をシールする回転シールを備え、一方の機械部品のシール保持構造の上又は中に保持される弾性的に変形可能な保持要素と、それぞれの他方の機械部品のシール面上の接触面圧によってシール方式で当接しているシール要素とを有する。

このような回転シール装置は、実際には様々な技術的用途で見られ、例えば駆動システムに用いられる。

動作中、市販の回転シール装置の回転シールは、特に、指定されたシール面上の回転シールの摩擦によって機械的負荷が高く、場合によっては熱負荷も受けるため、回転シールは高いレベルの摩耗を受ける。これは、回転シール装置の誤動作を招き、高いメンテナンスコストが必要となる。

したがって、本発明の目的は、シール面上のシール要素の過度の摩耗が弱められることによって回転シール装置／回転シールの耐用年数が改善される回転シール装置及び回転シールを特定することである。

回転シール装置に関する目的は、請求項１に記載の特徴を有する回転シール装置によって達成される。回転シールは、請求項１２に記載の特徴を有する。本発明の有利な発展形態は、従属請求項及び明細書の主題を形成する。

本発明による回転シール装置において、回転シールのシール要素は、螺旋ばねシール要素として設計されている。螺旋ばねシール要素が、回転運動及び／又は機械部品の互いに対する回転運動によって螺旋ばねシール要素とそれぞれの他の機械部品のシール面との間の摩擦及び／又は摩擦抵抗に比例してねじれ、（結果として）螺旋ばねシール要素とシール面との間で（接触）面圧が減少するように、この螺旋ばねシール要素は回転軸と同軸に延在して配置され、保持要素の周方向溝に配置される。言い換えれば、螺旋ばねシール要素は、螺旋ばねシール要素とシール面との間のより大きな摩擦及び／又はより大きな摩擦抵抗によってますますねじれて、その結果螺旋ばねシール要素とシール面との間の面圧が減少する。摩擦により伝達及び／又は制御される螺旋ばね要素のねじれは、変形、ひいては螺旋ばね要素の（有効）断面積の変化を引き起こし、この変化によりシール面に当接する螺旋ばね要素の負荷が軽減される。その結果、回転シール装置の動作中、螺旋ばね要素とシール面との間の摩擦は、全体として所定の摩擦に制限及び／又は調整されてもよい、すなわち２つの機械部品の回転運動を制限する摩擦抵抗は、所定の摩擦抵抗に制限及び／又は制限されてもよい。したがって、回転シールは、シール面上の過度の摩擦に対する自己保護システムを有する。その結果、シール面の摩擦によるシール要素の過度の応力、ひいてはシール要素の摩耗が効果的に弱められてもよい。それゆえ、回転シールの耐用年数、ひいては回転シール装置を大幅に改善することができる。螺旋ばねシール要素の摩擦制御された自動軽減特性は、対応して選択される螺旋ばねシール要素のばね特性曲線及び／又はばね定数によって設定することができる。螺旋ばねシール要素とシール面との間の摩擦及び／又は摩擦抵抗が減少すると、それに応じて螺旋ばねシール要素のねじれの程度が少なくなり、負荷から解放される。

本発明によれば、回転シール装置の螺旋ばねシール要素は、内周側又は外周側において２つの機械部品の一方のシール面に当接してもよい。最初に述べたケースは内部シール式回転シールのケースであり、最後に述べたケースは外部シール式回転シールのケースである。それゆえ、回転シール装置は広範囲の技術的用途に対応できる。

螺旋ばねシール要素のための保持要素の周方向溝は、好ましくは、少なくとも一端において、螺旋ばねシール要素のための第１の回転停止部を有する。その結果、螺旋ばね要素は停止部上に支持されてもよく、第１の回転方向に回転可能に取り付けられた機械部品の回転運動によって前記停止部がねじれ、摩擦によって伝達され、それに関連する変形によって、螺旋ばね要素とシール面との間の接触面圧が減少する。双方向回転運動のための回転シール装置が、それぞれの他方の機械部品に対して、すなわち第１の回転方向と第１の回転方向に対向する第２の回転方向との両方で回転可能である場合、保持要素は、好ましくは第２の回転停止部を有する。

回転シールが外部シールされるように設計されている場合、螺旋ばねシール要素は、好ましくは、その自由端の少なくとも１つによって保持要素上の定位置に固定保持される。その結果、シール面上の螺旋ばねシール要素の所定の摩擦抵抗が超過／到達されると、螺旋ばねシール要素がねじれることによって螺旋ばねシール要素は径方向に圧縮され、したがってシール面に対する螺旋ばねシール要素の接触面圧が減少する。

螺旋ばねシール要素は、好ましくは形状結合または摩擦結合により保持要素の周方向溝内に保持されるように配置される。その結果、シール隙間の確実なシールが保証される。シール隙間が例えば油で加圧されている場合、螺旋ばね要素は、その全螺旋範囲にわたって低圧側の保持要素の溝側面上で支持され得る。この場合、保持要素の弾性特性は、保持要素上への螺旋ばね要素のシールされた軸方向当接を常に保証する。螺旋ばねシール要素の小さな凹凸は、保持要素によって確実に補償される。

原理的には、螺旋ばね要素は、シール面上に予張力をかけられた状態で取り付けることができ、その結果、螺旋ばねシール要素が２つの機械部品のうちの１つのシール面に当接するための接触面圧は、螺旋ばね要素の固有の弾性復元力から、少なくとも部分的に発生する。

本発明によれば、螺旋ばねシール要素は、代替的に又は追加的に、弾性保持要素によってシール面に対して予張力をかけることができる。この場合の保持要素は、径方向に作用する予張力要素の機能を有する。

本発明による回転シール装置の耐用年数は、シール面に当接する螺旋ばねシール要素の円周面にくぼみ及び／又は溝を有する螺旋ばねシール要素によってさらに改善され、前記くぼみ及び／又は溝は、好ましくは、回転軸に対して螺旋状に延在するように配置されている。回転シール装置の動作中、シール隙間内に配置された流体、例えば潤滑剤の活発な戻り流れは、このようなくぼみ／溝によって達成され得る。その結果、回転シールの部分的又は完全な潤滑が、摩耗しやすいシール面上の螺旋ばねシール要素の当接領域内で達成され得る。

本発明の別の実施形態によれば、螺旋ばねシール要素に乾燥潤滑剤を供給することもできる。その結果、特に低い保守性を必要とする回転シール装置の動作が可能になる。

本発明による螺旋ばねシール要素は、熱可塑性プラスチック又は熱硬化性プラスチック材料、複合材料又は金属からなっていてもよい。そのため、回転シール装置は、動作中に予想される外部からの化学的又は物理的性質の影響に対して設計されてもよい。

回転シールの正確な応答特性のために、螺旋ばね要素及び／又は保持要素は、有利には、減摩コーティングを備えている。減摩コーティングは、例えば、グラファイト又はＰＴＦＲ（ポリテトラフルオロエチレン）を含み得る。

上述した回転シール装置用の本発明による回転シールは、周方向溝を有する弾性的に変形可能な保持要素と、内部に配置された螺旋ばねシール要素として構成されたシール要素とを有する。保持要素の周方向溝は、好ましくは、いずれの場合も、螺旋ばね要素の前面及び／又は端部のための回転停止部を有する。回転シールは、回転シール装置が複数ある場合に使用及び／又は後付けされてもよい。その結果、回転シール装置の耐用年数及び信頼性が費用対効果の高い方法で改善され、必要な保守費が削減される。

本発明を、図面に示す例示的な実施形態を参照して、以下でより詳細に説明する。

第１及び第２の機械部品を備え、そして螺旋ばねシール要素として構成され、径方向に内部シールされるように設計され、弾性的に変形可能な保持要素の周方向溝内において部分的な長手方向断面に配置されるシール要素を備える回転シール装置を示す。 保持要素に対する螺旋ばねシール要素の回転相対位置が部分断面側面図で示される、図１の回転シール装置を示す。 図１の回転シール装置を部分断面図で示す。 図１の回転シール装置を示す。この図において、径方向の内部機械部品が第１の回転方向に回転され、作動された螺旋ばねシール要素を詳細な断面図で示す。 図４の回転シール装置を部分断面図で示す。 径方向の内部機械部品がさらなる回転方向にある図１の回転シール装置を、部分断面図を備える側面図で示す。 シールが径方向に外部シールされるように設計されたさらなる回転シール装置を部分断面図で示す。 図７の回転シール装置を断面図で示す。 図１〜図８による回転シール装置の螺旋ばねシール要素の他の実施形態を断面図で示す。 図１〜図８による回転シール装置の螺旋ばねシール要素の他の実施形態を断面図で示す。

図１は、回転軸１６と同軸に配置された第１及び第２の機械部品１２、１４を含む回転シール装置１０を示している。第２の機械部品１４は、第１の機械部品１２に対して取り付けられており、回転軸１６の周りに回転可能に取り付けられている。第２の機械部品の第１の回転方向（時計回り）は１８で示されている。第１の機械部品１２は、内側に配置された第２の機械部品１４を径方向において環状に包囲するハウジングとして構成されている。第２の機械部品１４は、第２の機械部品のための軸受けを有してもよく、及び／又は軸受けを形成してもよい（図１には図示せず）。

２つの機械部品１２、１４の間に環状シール隙間２０が形成されている。回転シール２２は、シール隙間２０をシールするために使用され、前記回転シールは、弾性的に変形可能な及び／又はエラストマーの保持要素２４及びシール要素を有する。

第１の機械要素１２は、本例では溝として構成されたシール保持構造２６を有する。シール保持構造２６において、回転シール２２の保持要素は、回転によって第１の機械部品１２に確りと留め及び／又は固定されている。第２の機械部品１４は、第２の機械部品１４の外側包絡面によって形成されるシール面２８を有する。弾性的に変形可能な保持要素２４は、シール面２８に面するその表面３０に周方向溝３２を有する。シール要素は、周方向溝３２内に保持されるように配置される。シール要素は、周方向溝３２から径方向に突出しており、第２の機械部品１４のシール面２８に予張力をかけられたシール状態で当接している。

シール要素は、螺旋ばねシール要素３４として構成されている。螺旋ばねシール要素３４は、回転軸１６と同軸に配置され、第２の機械部品１４を環状に取り囲んでいる。螺旋ばねシール要素３４は、内周側で、すなわちその内側の円周面３６で、第２の機械部品のシール面２８に対してする矢印で示す接触面圧３８によって、シール面２８に対して当接する。螺旋ばねシール要素３４のシール面２８に対する接触面圧３８は、螺旋ばね自体の弾性回復特性によって、及び／又は保持要素２４による螺旋ばねシール要素３４の径方向に配向された予張力によって生成されてもよい。この場合の螺旋ばねシール要素３４は、保持要素２４によって付加的に補助され、固有の弾性復元力によって予張力をかけられたシール状態でシール面２８に当接し、ている。したがって、螺旋ばねシール要素は、保持要素２４の周方向溝３２の溝底部４０に隙間なく当接する。螺旋ばねシール要素３４は、周方向溝３２の溝側面４２の間で軸方向に形状結合または摩擦結合により保持される。その結果、シール隙間２０の軸方向の確実なシールがこの領域で達成される。螺旋ばねシール要素３４と保持要素２４との間の摺動摩擦及び／又は静摩擦を低くするために、螺旋ばねシール要素３４は、減摩コーティングでコーティングされてもよい（図２には図示せず）。

図２では、図１による回転シール装置１０の回転シール２２及び第２の機械部品１４が切り取られ、詳細な断面図で示されている。一例としての螺旋ばねシール要素３４は、合計２の巻き取り４４を有する。螺旋ばねシール要素３４は、必要に応じて、さらなる巻き取り４４を有してもよいことは言うまでもない。

保持要素３０の周方向溝３２は、それぞれの場合において螺旋ばねシール要素３４のための回転停止部４６を形成する壁部分によって前面に（周方向に）画定される。その結果、一方で、回転シール装置の取り付け状態では、螺旋ばね要素は、保持要素の周方向溝内に係留保持される。図２に示す回転シール装置の動作状態では、螺旋ばねシール要素３４は、シール面２８上の摩擦抵抗によってはねじれない、及び／又はほんの僅かしかねじれないので、前面４８を備える螺旋ばねシール要素３４は、各場合において、保持要素の回転停止部４６から離間して配置されている。

図３は、図１による回転シール装置１０の回転シール２２及び第２の機械部品１４を、前面の切り欠き部分断面図で示している。螺旋ばねシール要素３４が、保持要素２４の周方向溝３２からシール面２８の方向及び対向方向に径方向に突出していることがはっきりと分かる。

図４及び図５において、回転シール装置１０は、動作状態で示されている。この動作状態において、螺旋ばねシール要素３４として構成されているシールは、回転方向１８に同調する。これは、第１の回転方向１８（図１）で回転する第２の機械部品１４によって螺旋ばねシール要素３４と保持要素２４との間に存在する摩擦抵抗を克服することによる、螺旋ばねシール要素３４とシール面との間の増大した摩擦及び／又は増大した摩擦抵抗によるものである。そして、それぞれの場合において、回転方向１８に面するその前面４８は、前面４８に割り当てられた保持要素２４の回転停止部４６に対向して案内される。

螺旋ばねシール要素３４とシール面２８との間に存在する摩擦及び／又は結果として生じる摩擦抵抗のために、回転停止部４６に支持された螺旋ばねシール要素３４は、第２の機械部品１４の回転運動に起因するねじり力を受けてねじれる。螺旋ばねシール要素３４のねじれは、螺旋ばね要素３４の選択されたばね特性曲線に従って、シール面とそれに当接する螺旋ばねシール要素３４との間の摩擦抵抗に比例して挙動する。螺旋ばねシール要素３４は、その結果、螺旋ばねシール要素３４に固有の弾性復元力と螺旋ばねシール要素３４に向かって内向きに作用する保持要素２４の径方向力とに対向して、径方向に広がる。そして、その結果、螺旋ばねシール要素３４とシール面２８との間の面圧が減少する。その結果、螺旋ばねシール要素とシール面２８との間の摩擦、ひいては摩擦抵抗は、所定の摩擦及び／又は所定の摩擦抵抗に制限される。それゆえ、回転シール装置１０の回転シール２２は自己保護機構を有し、それにより、作動中の螺旋ばねシール要素３４は、摩擦に起因する過度の（機械的及び熱的な）負荷から保護される。

図６は、回転可能に取り付けられた機械部品１４が第１の回転方向と反対の回転方向１８’に動かされて作動している作動状態、すなわちねじれた状態にある、上記の回転シール装置１０を示す。この場合の回転シール２２の螺旋ばねシール要素３４は、その前面４８が保持要素２４の関連する回転停止部４６の回転方向１８’において面している状態で、上記実施形態と同様の方法で支持されている。

上述した機能原理は、径方向外向きにシールする回転シール２２を備えた回転シール装置１０の場合であっても、図７及び図８に示す本発明の実施形態に従って実施することができる。この場合、保持要素２４は、第２の機械部品１４のシール保持構造２６に固定されている、すなわち、径方向内部に配置されている。螺旋ばねシール要素３４として構成されたシール要素は、第１の機械部品１２のシール面２８に対してシール状態で当接する。図１〜図６に示す回転シール装置とは対照的に、螺旋ばねシール要素３４は、シール要素がシール面に当接したときにねじられ径方向内向きに圧縮されることによって、シール面２８上の摩擦による過度の応力から保護するための負荷から解放される。図８によれば、螺旋ばねシール要素３４は、その自由端部分５０が回転方向１８と対向した状態で、保持要素２４に固定されている。自由端部分５０は、図８に示すように、溝底部４０の凹部５２に合わせて角度づけすることができ、溝底部４０の凹部５２に係合する。螺旋ばねシール要素３４の自由端部分５０は、周方向溝３４の２つの溝側面４２の１つの凹部に係合しているか、又は異なる方法で保持要素２４に固定されているとも考えられる。

螺旋ばねシール要素３４と第１の機械部品１２との間の摩擦抵抗が所定の摩擦抵抗値に達するか、及び／又はそれを超えると、螺旋ばねシール要素３４は、任意には、第１の回転方向（図１）に回転する第２の機械部品１２によって、螺旋ばねシール要素３４と保持要素との間に存在する摩擦抵抗と対向して回転方向に同調してねじれ、その結果、螺旋ばねシール要素３４に固有の弾性復元力（径方向外側に向いた復元力）と螺旋ばねシール要素３４に任意に作用する保持要素２４の径方向力とに対向する径方向の螺旋ばねシール要素３４は径方向に圧縮されて、螺旋ばねシール要素３４とシール面２８との間の接触面圧３８が減少する。

螺旋ばねシール要素３４は、特に、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）又は異なる適切なプラスチック及び／又は複合材料からなっていてもよい。保持要素２４は、好ましくは、例えばＰＵ（ポリウレタン）などのゴム弾性があり変形可能な材料からなる。

図１〜図８に関連して上述したそれぞれの場合の回転シール装置１０の螺旋ばねシール要素３４は、回転軸１６に対して螺旋状及び／又は渦巻き状に延在するように配置された１つ以上の溝及び／又はくぼみを有してもよい。その結果、回転軸１６の周りで回転可能な機械部品１２、１４の回転により、シール隙間に配置された流体、例えば潤滑油、の戻り流れは、螺旋ばねシール要素３４によって達成される。図９によれば、例えば、溝及び／又はくぼみ５４は、螺旋ばねシール要素３４の個々の巻き取り４４の渦巻き状の当接領域５６と径方向に整列されてもよい。代替的に又は追加的に、図１０に示すように、螺旋ばね要素３４の円周面３６の渦巻き状の溝／くぼみ５４は、当接領域５６に対して軸方向にずらして配置することができる。この場合、図１０に示す溝／くぼみ５４は、螺旋ばね要素３４のピッチに対応するピッチ（図１０には図示せず）を有する。潤滑油の戻り可能量は、上述した複数の溝／くぼみ５４によってさらに増加させることができる。

Claims (10)

1. −回転軸（１６）の周りに互いに対して回転可能に配置された２つの機械部品（１２、１４）であって、
   前記２つの機械部品（１２、１４）のうちの一方がシール保持構造（２６）を形成し、前記２つの機械部品（１２、１４）のうちのそれぞれの他方がシール面（２８）を形成する機械部品（１２、１４）と、
   −前記２つの機械部品（１２、１４）の間に形成されたシール隙間（２０）をシールする回転シール（２２）であって、
   −前記一方の機械部品（１２、１４）の前記シール保持構造（２６）上に保持されたゴム弾性があり変形可能な材料からなる保持要素（２４）と、前記他方の機械部品（１２、１４）の前記シール面（２８）に対して、接触面圧（３８）によってシール方式で当接しているシール要素とを有する回転シール（２２）とを備え、
   −前記シール要素が、前記回転軸（１６）と同軸に延在するように配置された螺旋ばねシール要素（３４）として設計され、前記螺旋ばねシール要素（３４）が、前記保持要素（２４）の周方向溝（３２）内に軸方向に形状結合または摩擦結合により保持されるように配置され、前記保持要素（２４）によって前記シール面（２８）に対して径方向に張力をかけられ、前記保持要素（２４）の前記周方向溝（３２）が一端において前記螺旋ばねシール要素（３４）のための第１の回転停止部（４６）を有し、前記螺旋ばねシール要素（３４）が前記機械部品の互いに対する回転運動によって前記螺旋ばねシール要素（３４）と前記シール面（２８）との間の摩擦抵抗に比例してねじれ、径方向に広げられることで、前記螺旋ばねシール要素（３４）と前記シール面（２８）との間で前記接触面圧（３８）が減少するように、前記螺旋ばねシール要素（３４）が周方向溝に配置されることを特徴とする回転シール装置（１０）。
2. 前記螺旋ばねシール要素（３４）は、前記シール面（２８）に対して内周側でシール状態で当接していることを特徴とする、請求項１に記載の回転シール装置（１０）。
3. 前記保持要素（２４）の前記周方向溝（３２）が他端において前記螺旋ばねシール要素（３４）の第２の回転停止部（４６）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転シール装置（１０）。
4. −回転軸（１６）の周りに互いに対して回転可能に配置された２つの機械部品（１２、１４）であって、
   前記２つの機械部品（１２、１４）のうちの一方がシール保持構造（２６）を形成し、前記２つの機械部品（１２、１４）のうちのそれぞれの他方がシール面（２８）を形成する機械部品（１２、１４）と、
   −前記２つの機械部品（１２、１４）の間に形成されたシール隙間（２０）をシールする回転シール（２２）であって、
   −前記一方の機械部品（１２、１４）の前記シール保持構造（２６）上に保持されたゴム弾性があり変形可能な材料からなる保持要素（２４）と、前記他方の機械部品（１２、１４）の前記シール面（２８）に対して、接触面圧（３８）によってシール方式で当接しているシール要素とを有する回転シール（２２）とを備え、
   −前記シール要素が、前記回転軸（１６）と同軸に延在するように配置された螺旋ばねシール要素（３４）として設計され、前記螺旋ばねシール要素（３４）が、前記保持要素（２４）の周方向溝（３２）内に軸方向に形状結合または摩擦結合により保持されるように配置され、前記保持要素（２４）によって前記シール面（２８）に対して径方向に張力をかけられ、前記螺旋ばねシール要素（３４）は、その自由端部分（５０）の１つによって、前記保持要素（２４）上の定位置に固定保持され、前記螺旋ばねシール要素（３４）が前記機械部品の互いに対する回転運動によって前記螺旋ばねシール要素（３４）と前記シール面（２８）との間の摩擦抵抗に比例してねじれ、径方向に圧縮されることで、前記螺旋ばねシール要素（３４）と前記シール面（２８）との間で前記接触面圧（３８）が減少するように、前記螺旋ばねシール要素（３４）が周方向溝に配置されることを特徴とする回転シール装置（１０）。
5. 前記螺旋ばねシール要素（３４）は、前記シール面（２８）に対して外周側で当接していることを特徴とする、請求項４に記載の回転シール装置（１０）。
6. 前記螺旋ばねシール要素は、その弾性復元力に起因する予張力をかけられることで、シール状態で前記シール面に当接していることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転シール装置（１０）。
7. 前記螺旋ばねシール要素（３４）は、前記シール面（２８）に当接する円周面（３６）にくぼみ（５４）を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転シール装置（１０）。
8. 前記螺旋ばねシール要素（３４）は、熱可塑性又は熱硬化性のプラスチック材料、複合材料又は金属からなることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転シール装置（１０）。
9. 前記螺旋ばねシール要素（３４）及び／又は前記保持要素（２４）に減摩コーティングが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転シール装置（１０）。
10. 周方向溝（３２）と、螺旋ばねシール要素（３４）として構成され且つ前記周方向溝（３２）内に配置されたシール要素とを有する弾性的に変形可能な保持部分（２４）を備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の、回転シール装置（１０）用の回転シール（２２）。