JP6878209B2 - シールリング - Google Patents

Description

本発明は、オートマチックトランスミッション（以下、ＡＴと記す）や無段変速機（以下、ＣＶＴと記す）など、油圧作動油などの流体の流体圧を利用した機器において、該流体を封止するために使用されるシールリングに関する。

ＡＴ、ＣＶＴなどの機器では、作動油を密封するためのオイルシールリングが要所に取り付けられている。例えば、ハウジングの軸孔に挿通される回転軸に設けられた対の離間した環状溝に取り付けられ、両環状溝間にある油路から供給される作動油を両シールリングの側面と内周面で受け、反対側の側面と外周面とで環状溝の側壁とハウジング内周面とをシールする。シールリングにおける各シール面は、環状溝の側壁、ハウジング内周面とそれぞれ摺動接触しつつ、両シールリング間の作動油の油圧を保持している。このようなシールリングは、摩擦損失が少なく、かつ充分なオイルシール性が要求される。特に近年では、燃費向上が重要な課題とされており、ＡＴ、ＣＶＴなどの機器において、良好なシール性を維持しつつ、更なる低トルク性の向上が望まれている。

従来、このようなシールリングとして、図７に示すような特許文献１の樹脂製のシールリングが提案されている。図７は該シールリングの斜視図である。図７に示すように、このシールリング１１は、摺動面となるリング側面１１ａの内径側端部に、環状溝の側壁面との非接触部となる、リング周方向に沿ったＶ字状の凹部１２を有している。この凹部１２に作動油が導入され、摺動面間の面圧を軽減するように動圧を発生させている。

特開２０１５−２８３８２号公報

特許文献１の樹脂製のシールリングは、回転時での動圧による油膜形成効果が期待でき、低トルク性に優れる。しかし、近年、自動車における燃費向上は重要な課題とされており、燃費基準は今後益々厳しくなることが予想される。このため、シールリングには、オイルシール性を維持しつつ、より一層トルクを低減することが求められている。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、優れた低トルク性を有する樹脂製のシールリングを提供することを目的とする。

本発明のシールリングは、ハウジングの軸孔に挿通される回転軸に設けられた環状溝に装着されて、該環状溝の非密封流体側の側壁面に摺動自在に接触し、かつ上記軸孔の内周面に接触して、これら回転軸と軸孔との間の環状隙間を封止するシールリングであって、該シールリングは、合成樹脂製であり、上記側壁面との摺動面となるリング側面の内径側端部に、上記側壁面との非接触部となる、リング周方向に沿ったＶ字状の複数の凹部と、隣り合う上記凹部同士の間を連結する柱部を有し、上記柱部が、上記側壁面との非接触部であることを特徴とする。

上記柱部は、周方向に沿って、上記側壁面との摺動面となるリング側面からリング幅方向内側に凹んで形成され、該リング側面に平行な面で構成されていることを特徴とする。

上記凹部の上記リング側面からの深さは、該凹部のリング周方向の端部以外に最深部があり、該最深部からリング周方向の両端部に向けて浅くなっており、上記凹部のリング周方向の端部と上記柱部との境界部が上記柱部に対して急勾配に形成されていることを特徴とする。

上記凹部のリング周方向の端部の上記リング側面からの深さは、上記柱部の上記リング側面からの深さに対して１．６〜５．５倍であることを特徴とする。

上記合成樹脂がポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳと記す）樹脂またはポリエーテルエーテルケトン（以下、ＰＥＥＫと記す）樹脂であることを特徴とする。

本発明のシールリングは、ハウジングの軸孔に挿通される回転軸に設けられた環状溝に装着されて、該環状溝の非密封流体側の側壁面に摺動自在に接触し、かつ軸孔の内周面に接触して、これら回転軸と軸孔との間の環状隙間を封止する合成樹脂製のシールリングであり、側壁面との摺動面となるリング側面の内径側端部に、側壁面との非接触部となる、リング周方向に沿ったＶ字状の複数の凹部と、隣り合う凹部同士の間を連結する柱部を有し、柱部は、側壁面との非接触部となっているので、回転軸の環状溝との接触面積を小さくでき、面圧の増加により摩擦係数を下げることができる。この結果、該柱部が非接触部でない場合、つまり該柱部が接触する場合に比べて、低トルクとなる。これにより、優れた低トルク性を有するシールリングを得ることができる。

柱部は、周方向に沿って、側壁面との摺動面となるリング側面からリング幅方向内側に凹んで形成されているので、確実に回転軸の環状溝との接触面積を小さくでき、低トルクとすることができる。また、上記柱部は、該リング側面に平行な面で構成されているので、摺動面が摩耗した場合でも、接触面積の増加を抑制することができ、低トルクを維持することができる。

凹部の上記リング側面からの深さは、該凹部のリング周方向の端部以外に最深部があり、該最深部からリング周方向の両端部に向けて浅くなっており、凹部のリング周方向の端部と柱部との境界部が柱部に対して急勾配に形成されているので、作動油が凹部および柱部に沿って流れる際に、流路の大きさの変化に伴って負荷容量が生じる。この負荷容量によって、シールリングが側壁面に押し付けられる力を軽減することができるため、低トルクとすることができる。

凹部のリング周方向の端部のリング側面からの深さは、柱部の上記リング側面からの深さに対して１．６〜５．５倍であるので、流路のすきま比と負荷容量との関係から、高い負荷容量を生じさせることができる。これにより、シールリングが側壁面に押し付けられる力を軽減することができる。

シールリングを構成する合成樹脂がＰＰＳ樹脂またはＰＥＥＫ樹脂であるので、曲げ弾性率、耐熱性などに優れ、溝に組み込む際に拡径しても割れることがなく、シールする作動油の油温が高くなる場合でも使用できる。

本発明のシールリングの一例を示す平面図である。 図１のシールリングの断面図である。 図１のシールリングを環状溝に組み込んだ状態を示す断面図である。 図１のシールリングの一部をリング内径側から見た図である。 図４におけるＢ図の拡大断面図である。 流体による負荷容量と流路のすきま比との関係を示す図である。 従来のシールリングの一例を示す図である。

本発明のシールリングの一例を図１〜図３に基づいて説明する。図１はシールリングの平面図であり、図２（ａ）はＡ−Ａ線断面図であり、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。また、図３は、このシールリングを油圧装置の環状溝に組み込んだ状態の断面図である。図１に示すように、シールリング１は、樹脂組成物の成形体であり、一箇所の合い口５を有する断面が略矩形の環状体である。リングの両側面２の内径側端部には、リング周方向に沿ったＶ字状の凹部３が離間して複数個設けられている。さらに、内径側端部には、隣り合う凹部３同士の間を連結する柱部４が設けられている。リング内周面１ｂとリングの両側面２（凹部３および柱部４を含む）との角部は直線状、曲線状の面取りが設けられていてもよく、シールリングを射出成形で製造する場合、該部分に金型からの突出し部分となる段部１ｃを設けてもよい（図２参照）。

図３に示すように、シールリング１は、ハウジング７の軸孔７ａに挿通される回転軸６に設けられた環状溝６ａに装着される。図中の矢印が作動油からの圧力が加わる方向であり、図中右側が非密封流体側である。シールリング１は、そのリング側面２で、環状溝６ａの非密封流体側の側壁面６ｂに摺動自在に接触している。また、その外周面１ａで軸孔７ａの内周面に接触している。このシール構造により、回転軸６と軸孔７ａとの間の環状隙間を封止している。また、作動油は用途に応じた種類が適宜用いられる。本発明では、油温として３０〜１５０℃程度、油圧として０．５〜３．０ＭＰａ程度、回転軸の回転数として１０００〜７０００ｒｐｍ程度の条件を主に想定している。

シールリング１は、一箇所の合い口５（図１参照）を有するカットタイプのリングであり、弾性変形により拡径して環状溝６ａに装着される。シールリング１は、合い口５を有することから、使用時において作動油の油圧によって拡径されて、外周面１ａが軸孔７ａの内周面と密着する。合い口５の形状については、ストレートカット型、アングルカット型などにすることも可能であるが、シール性に優れることから、図１に示す複合ステップカット型を採用することが好ましい。

図１〜図３に示すように、シールリング１は、一方のリング側面２が環状溝６ａの側壁面６ｂとの摺動面となり、このリング側面（摺動面）２のリング内径側端部に、側壁面６ｂとの非接触部となるＶ字状の凹部３が形成されており、その隣り合う凹部３同士の間が柱部４となっている。柱部４は、リング側面（摺動面）２からリング幅方向内側に凹んで形成されており、側壁面６ｂとの非接触部となっている。図７に示す従来のシールリング１１では、隣り合う凹部１２同士の間は、摺動面の一部を構成している。つまり、当該部分は側壁面６ｂとの接触部となっている。これに対して、本発明のシールリング（図１）は、シールリング１１の隣り合う凹部１２同士の間に肉ぬすみ部としての柱部４を設けた構成となっている。このように、側壁面６ｂとの非接触部となる柱部４を設けることで、環状溝６ａの側壁面６ｂとの接触面積を小さくすることができる。ここで、樹脂の特徴として面圧依存性があり、面圧が高くなると摩擦係数が下がる。シールリングにおいて、上記のとおり環状溝との接触面積を小さくすることで、摺動面における面圧としては大きくなり、上記特性により該摺動面での摩擦係数を下げることができる。

図４には、図１のシールリングの一部をリング内径側から見た図を示す。柱部４は、リング側面（摺動面）２からリング幅方向内側に凹んで形成されており、リング側面（摺動面）２に対し平行な面で構成されている。なお、柱部４の摺動面からの深さは、リング径方向には一定である。柱部４と凹部３は連続的な形状となっており、凹部３は、柱部４からリング幅方向内側にさらに凹んでおり、周方向に沿ってＶ字状の構成となっている。つまり、凹部３および柱部４は、一体的に摺動面から凹んだ溝部を形成している。一方、摺動面と凹部３および柱部４との境界部は非連続的な形状（段差）となっているため、作動油は、摺動面に流出しにくくなっている。このため、オイルシール性が維持されている。

図４において、凹部３の摺動面からの深さは、凹部３のリング周方向の端部以外に最深部３ｃがあり、最深部３ｃからリング周方向の両端部（両柱部４）に向けて浅くなる。すなわち、リング周方向で柱部に近い領域程浅くなる。また、凹部３の摺動面からの深さは、リング径方向には一定である。図４では、凹部３の底面は、柱部４から、リング幅方向内側に向けてリング周方向に沿って傾斜した平面３ａと平面３ｂとから構成される。

凹部３の最深部３ｃの摺動面からの深さは、リング総幅の４５％以下とすることが好ましく、３０％以下とすることが更に好ましい。なお、ここでの「深さ」は、凹部をリングの両側面に形成する場合には、各側面の凹部の深さを合計したものである。リング総幅の４５％をこえる場合、リングが使用時に大きく変形する等のおそれがある。また、凹部３のそれぞれのリング周方向の長さは、個数に応じて、リング全周の約３〜２０％とすることが好ましい。潤滑溝のリング径方向の長さは、リング総厚みの１０〜４５％とすることが好ましい。

凹部３のリング周方向の端部と柱部４との境界部について図５に基づいて説明する。図５は図４におけるＢ部（境界部）の拡大断面図である。図５に示すように、凹部３のリング周方向の端部と柱部４との境界部３ｄは、柱部４に対して急勾配に形成されている。すなわち、凹部３において、境界部３ｄの柱部４の表面に対する勾配は、該境界部３ｄ以外の部分の柱部４に対する勾配よりも大きくなっている。

以下に、柱部４の摺動面からの深さの寸法について説明する。まず、図３に示すように、側壁面６ｂ側の凹部および柱部４には密封流体である作動油が入りこんでいる。シールリング１が回転すると、作動油は溝部を構成する凹部および柱部４を周方向に移動することになる。例えば、図４を参照すると、作動油が図中左側から図中右側に向かって流れることになる。この際、凹部３（特に柱部４との境界部）から柱部４にかけて作動油の流路が狭くなるため、作動油が凹部３に対して力を及ぼすことになる。つまりこの場合、凹部３を押え付けるように力（負荷容量）が働く。図３において、この負荷容量は、側壁面６ｂからみると、シールリング１を側壁面６ｂから離そうとする力である。そのため、負荷容量を適度に生じさせることで、シールリング１を摺動面に押し付ける力を弱め、トルクを低減させることができる。

ここで、流動体が入口すきま（ｈ１）と出口すきま（ｈ２）が異なる流路を流れる際に生じる負荷容量の変化を図６に示す（参考文献：J.Frene、D.Nicolas、B.Degueurce、D.Berthe、M.Godet著、「Hydrodynamic Lubrication Bearings and Thrust Bearings」、Elsevier、1997年）。図６では、傾斜面で構成された流路１と段差面で構成された流路２の異なる形態の流路における、すきま比（ｈ１／ｈ２）と負荷容量Ｗの関係を示している。図６より、負荷容量Ｗは、いずれの流路においてもすきま比（ｈ１／ｈ２）が２の時に、最も高い値となっている。すなわち、入口すきま（ｈ１）が出口すきま（ｈ２）の２倍である場合に、最大の負荷容量を得ることができる。このことから、流路の大きさが変化する場合において、負荷容量を得るためには、すきま比（ｈ１／ｈ２）が１．６〜５．５であることが好ましく、１．７〜３．０であることがより好ましい。

図６に示す結果を、柱部４の摺動面からの深さの寸法に反映するとよい。図５において、図６のｈ１を、凹部３のリング周方向の端部の摺動面からの深さＨａとみなし、図６のｈ２を、柱部４の摺動面からの深さＨｂとみなすことができる。この場合、凹部３の端部の深さＨａは、柱部４の深さＨｂの１．６〜５．５倍であることが好ましく、１．７〜３．０倍であることがより好ましい。また、凹部３端部の柱部４からの深さをＨｃとすると、ＨｃとＨｂの比は、Ｈｃ：Ｈｂ＝５０：１０〜５０：９０であることが好ましく、５０：３０〜５０：７０であることが好ましい。なお、凹部３の端部の柱部４からの深さＨｃは、リング総幅にもよるが、例えば０．０５ｍｍに設定され、Ｈｂは０．０３〜０．０７ｍｍに設定される。このように、柱部４の深さＨｂを、凹部３の端部の深さに対して相対的に規定することで、適度な負荷容量を生じさせ、トルクを低減させることができる。

ここで、柱部４のリング径方向の長さの寸法について説明する。柱部４のリング径方向の長さは、凹部３のリング径方向の長さの長さ以下とすることができる。図１および図２では、柱部４のリング径方向の長さＴｂは、凹部３のリング径方向の長さＴａと同じ長さとなっている。この場合、ＴｂおよびＴａは、リング総厚みの１０〜８０％とすることが好ましい。また、柱部４のリング径方向の長さＴｂのその他の形態として、凹部３のリング径方向の長さＴａよりも短く（例えば半分の長さ）することができる。この場合でも、柱部４を設けない場合に比べ、側壁面との接触面積を減少させることができる。

図１のシールリング１のその他の形態として、リング側面の外径側端部に、周方向に沿って環状溝の側壁部との非接触部となるヌスミ部を設けてもよい。ヌスミ部は肉ぬすみ部であり、リング側面２における凹部として形成される。ヌスミ部を設けることで、側壁面との摺動面積をより小さくすることができる。なお、ヌスミ部の大きさは、凹部３とは干渉しない大きさとする。

また、図１のシールリング１のその他の形態として、シールリング１では、凹部３のリング周方向の端部と柱部４との境界部を、柱部４に対して急勾配としたが、これに限定されない。例えば、境界部を急勾配とせずに、Ｖ字状の傾斜面に沿って滑らかに凹部３と柱部４を連結してもよい。

本発明のシールリングは、上述のとおり合成樹脂の成形体とする。使用できる合成樹脂としては、例えば、熱硬化性ポリイミド樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、全芳香族ポリエステル樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）樹脂等のフッ素樹脂、ＰＰＳ樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂などが挙げられる。なお、これらの樹脂は単独で使用しても、２種類以上混合したポリマーアロイとしてもよい。

凹部、柱部、複合ステップカットの合い口などを有するシールリングの製造が容易であり低コストであること、機械加工された場合より回転トルクが低く安定すること等から、シールリングは合成樹脂を射出成形してなる射出成形体にすることが好ましい。このため、合成樹脂としては、射出成形が可能である熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。その中でも特に、摩擦摩耗特性、曲げ弾性率、耐熱性、摺動性などに優れることから、ＰＥＥＫ樹脂またはＰＰＳ樹脂を用いることが好ましい。これらの樹脂は高い弾性率を有し、溝に組み込む際に拡径しても割れることがなく、シールする作動油の油温が高くなる場合でも使用でき、また、ソルベントクラックの心配もない。

また、必要に応じて上記合成樹脂に、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの繊維状補強材、球状シリカや球状炭素などの球状充填材、マイカやタルクなどの鱗状補強材、チタン酸カリウムウィスカなどの微小繊維補強材を配合できる。また、ＰＴＦＥ樹脂、グラファイト、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤、リン酸カルシウム、硫酸カルシウムなどの摺動補強材、カーボンブラックなども配合できる。これらは単独で配合することも、組み合せて配合することもできる。特に、ＰＥＥＫ樹脂またはＰＰＳ樹脂に、繊維状補強材である炭素繊維と、固体潤滑剤であるＰＴＦＥ樹脂とを含むものが、本発明のシールリングに要求される特性を得やすいので好ましい。炭素繊維を配合することで、曲げ弾性率などの機械的強度の向上が図れ、ＰＴＦＥ樹脂の配合により摺動特性の向上が図れる。

射出成形体とする場合には、以上の諸原材料を溶融混練して成形用ペレットとし、これを用いて公知の射出成形法により所定形状に成形する。射出成形のゲート位置は特に限定されないが、シール性の確保の観点および後加工が不要になることからリング内周面に設けた方が好ましい。また、ゲート位置は、リング内周面の合い口対向部に設けることが、射出成形における流動バランスの面から好ましい。

本発明のシールリングは、優れた低トルク性を有するので、回転軸とハウジングとの間で低トルク性が要求されるシールリングとして使用できる。特に、自動車におけるＡＴやＣＶＴなどの油圧機器に燃費向上のために好適に使用できる。

１ シールリング
２ リング側面
３ 凹部
４ 柱部
５ 合い口
６ 回転軸
７ ハウジング

Claims (3)

1. ハウジングの軸孔に挿通される回転軸に設けられた環状溝に装着されて、該環状溝の非密封流体側の側壁面に摺動自在に接触し、かつ前記軸孔の内周面に接触して、これら回転軸と軸孔との間の環状隙間を封止するシールリングであって、
   該シールリングは、合成樹脂製であり、前記側壁面との摺動面となるリング側面の内径側端部に、前記側壁面との非接触部となる、リング周方向に沿ってリングの幅方向内側に凹んでＶ字状の複数の凹部と、隣り合う前記凹部同士の間を連結する柱部を有し、
   前記柱部は、該柱部と前記凹部のリング周方向の端部との境界部を合わせた部分の径方向断面が台形状であり、
   前記柱部における上底面が、前記側壁面との非接触部であり、周方向に沿って、前記側壁面との摺動面となるリング側面からリング幅方向内側に凹んで形成され、該リング側面に平行な面で構成され、
   前記凹部の前記リング側面からの深さは、該凹部のリング周方向の中央部に最深部があり、該最深部からリング周方向の両端部に向けて浅くなっており、前記境界部が前記上底面に対して急勾配に形成され、前記凹部において、前記境界部の前記上底面に対する勾配は、該境界部以外の部分の前記上底面に対する勾配よりも大きくなっており、
   前記凹部のリング周方向の端部の前記リング側面からの深さＨａは、前記上底面の前記リング側面からの深さＨｂに対して１.６〜３.０倍であることを特徴とするシールリング。
2. 前記凹部のリング周方向の端部の前記上底面からの深さＨｃと、前記上底面の前記リング側面からの深さＨｂの比が、Ｈｃ：Ｈｂ＝５０：１０〜５０：９０であることを特徴とする請求項１記載のシールリング。
3. 前記合成樹脂がポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリエーテルエーテルケトン樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のシールリング。

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