JP6910260B2

JP6910260B2 - 密封構造体

Info

Publication number: JP6910260B2
Application number: JP2017183916A
Authority: JP
Inventors: 吉夫東
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: JP2019060367A

Description

本発明は、密封構造体に係り、特に、低摩擦の運動用密封構造体に関する。

自動車の無段変速機（ＣＶＴ）や、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）等にあっては、流体密封構造として樹脂リングが使用され、低リーク，低摩耗性及び低トルク等の特性が要求される。
例えば、従来、図５に示すような横断面矩形の樹脂リング40が、横断面矩形のシール凹溝41に内装されて、相対的に回転Ｒ₄₆又は直線運動Ｎ₄₆する第１部材46と第２部材47の間隙42を密封する密封構造が用いられてきた。
近年、環境問題対策として自動車の低燃費化が要望され、上記樹脂リング40とシール凹溝41から成る密封構造体についても、摺動（摩擦）抵抗の低減が強く求められている。
従来例を示す図５に於て、樹脂リング40の第２部材47に対する接触幅Ｗ₁ ´を小さく設定する程、摺動（摩擦）抵抗が低下できる。
即ち、樹脂リング40の底面40Ａの受圧面積が、横断面矩形状の樹脂リング40の幅寸法（軸方向寸法）を小さくすれば、減少するため、第２部材47に対する押圧力Ｋは、接触幅Ｗ₁ ´の小さな図５（Ｂ）の方が同図（Ａ）よりも小さい。

しかしながら、図５（Ｂ）のように接触幅Ｗ₁ ´を小さくすると、シール凹溝41内での樹脂リング40の姿勢が不安定となり、流体漏れの虞が生ずる。これは、樹脂リング40の全体の径が大きくなる程、顕著になる。後述する図４に於て、Ｗ₁ ´＝2.32mmの樹脂リング（従来品）については、摩擦抵抗の測定試験は可能であったが、Ｗ₁ ´＝ 1.1mmの樹脂リング40にあっては、試験中に姿勢が不安定となり流体漏れが多く、摩擦抵抗の測定ができなくなった。
そこで、従来、姿勢が安定して、流体漏れが少なく、かつ、摺動抵抗が小さい樹脂リング（シールリング）として複雑な切欠きや小孔や小凸部を形成したものが提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／１９６４０３号

上記特許文献１に記載の樹脂リングは、シール凹溝内での姿勢が安定して、摺動抵抗が小さいという利点があるが、複雑な切欠きや小孔や小凸部を有するため、応力集中による疲労破損を発生する虞があって、自動車のＣＶＴ，ＡＴ等の内部密封構造の故障や寿命の面で、不安があるといえる。
そこで、本発明は、接触幅を減少させることなく、十分に大きい接触幅を備えたままで、摺動（摩擦）抵抗を低く抑制可能であり、姿勢が安定し、流体漏れを生じにくく、耐久性にも優れた密封構造体を提供することを、目的とする。

そこで、本発明は、第１部材と第２部材が相互に摺動自在に対面する対応面相互の微小間隙を密封する密封構造体であって、かつ、上記第１部材に形成したシール凹溝と、該シール凹溝に内装されて上記第２部材に摺接する樹脂リングと、弾性リングを、備えた密封構造体に於て；上記シール凹溝の低圧側の溝側面が、溝底面に向かうにつれて低圧側に近づくような傾斜面に形成され；上記樹脂リングは、上記溝側面に対して常時平行状に対応すると共に受圧状態で上記溝側面に当接する低圧側勾配面を、備えると共に、上記樹脂リングの横断面形状は、平行な上辺と下辺、及び上記勾配面と垂直辺とから成る仮想基本台形における上記垂直辺と下辺によって形成される直角状角部から、略４半円型に切除した切欠凹部又は面取り線にて切除した面取り部を、有する形状とし；さらに、上記弾性リングは、上記樹脂リングの上記切欠凹部又は面取り部に圧接すると共に、上記シール凹溝の溝底面に圧接させて、シール凹溝の溝底面と、上記樹脂リングの溝底対応面との間隙への圧力侵入を遮断して、圧力ゼロ領域を形成した構成である。
また、上記シール凹溝の低圧側の溝側面が、溝底面と成す角度を、40°〜60°に設定した。

本発明によれば、樹脂リングに複雑な切欠き、小孔、小凸部を有さないシンプルな横断面として、疲労破損の発生の虞がなく、耐久性と信頼性に優れ、かつ、摺動（摩擦）抵抗が、流体圧力の高低にかかわらず、安定して低く抑えられ、シール凹溝内での姿勢も安定し、流体漏れも生じにくく、密封性能が優れている。

本発明の実施の形態を示した要部断面図であって、（Ａ）はシール凹溝が第１部材の外周面に設けられている場合、（Ｂ）は第１部材の内周面に設けられている場合を、示す図である。本発明の実施の一形態を示す図であって、（Ａ）は受圧状態における圧力分布及び作用を説明するための拡大要部断面図であり、（Ｂ）はベクトル分解図である。本発明の種々の実施例を説明するための要部断面説明図である。横軸に圧力Ｐをとり、縦軸に摩擦抵抗Ｙをとって示したグラフ図であり、本発明と従来例について実際に比較試験を行った結果を示すグラフ図である。寸法・形状の異なる２種類の従来例を比較のために示した作用説明用要部断面図であって、（Ａ）は接触幅が大きい場合、（Ｂ）は接触幅が小さい場合を示す。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１に示すように、本発明に係る密封構造体は、シール凹溝３と、このシール凹溝３に内装される樹脂リング４と、Ｏリング等の弾性リング５を、備えており、第１部材１にシール凹溝３が形成され、シール凹溝３内の樹脂リング４が第２部材２に接触（圧接）して、第１部材１と第２部材２の間の密封を行う。
第１部材１と第２部材２は、微小間隙６を介して、又は、摺動自在に当接状として、対面する。21，22は、相互に対面した対応面を示す。

図１（Ａ）では、第１部材１が一軸心Ｌ₁ 廻りに回転Ｒ₁ する回転軸やその他の回転体から成り、又は、点線の矢印Ｎ₁ とその逆方向に、直線移動するピストン等の直線往復体から成り、対応面21は円形外周面を示し、対応面22は円形内周面を示す。
図１（Ｂ）では、第２部材２が一軸心Ｌ₂ 廻りに回転Ｒ₂ する回転軸やその他の回転体から成り、又は、点線の矢印Ｎ₂ とその逆方向に、直線移動するピストン等の直線往復体から成り、対応面21は円形内周面を示し、対応面22は円形外周面を示す。
このように、シール凹溝３は、図１（Ａ）のように外周面に設けられる場合と、図１（Ｂ）のように内周面に設けられる場合が、ある。
図１，図２に示すように、シール凹溝３の断面形状は、いわゆる（片）蟻溝状であって、溝底面11の幅寸法よりも、溝開口幅寸法が、小さく設定されている。

このシール凹溝３の低圧側Ｌの溝側面30は、溝内方向―――溝底面11に近づく方向―――に傾いた傾斜状として形成される。他方、シール凹溝３の高圧側Ｈの溝側面31は、断面形状に於て、溝底面11と直角を成す。
低圧側Ｌの上記溝側面30が溝底面11と成す角度θは、30°〜80°とする。好ましくは、35°〜70°であって、特に、望ましいのは、40°〜60°である。下限値未満では、シール凹溝３の（溝底面11寄りの）溝幅寸法が過大となり、コンパクト化を阻害する。逆に、上限値を越すと、（後述するところの）低摩擦効果がほとんど得られなくなる。

そして、樹脂リング４は、傾斜状の上記溝側面30に、平行状に対応して、受圧状態で溝側面30に当接する低圧側勾配面８を、有する。材質は、充填剤入りポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂組成物、充填剤入りポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）樹脂組成物、充填剤入りポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂組成物、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂組成物等が使用される。また、樹脂リング４の全体形状は、閉円環状の場合と、円周一箇所に合せ目（切れ目）を有する円環状の場合が、ある。
そして、弾性リング５は、シール凹溝３の溝底面11と、樹脂リング４の溝底対応面15との間隙17への（高圧側Ｈからの流体圧による）圧力侵入を遮断するように、配設される。

樹脂リング４の横断面形状は、図３（Ｅ）に示すような平行な上辺24と下辺25、及び、（上記低圧側勾配面８に対応した）斜辺26と、垂直辺27から成る仮想基本台形28から、点線Ｘに沿って切除した形状である。即ち、図３（Ａ）（Ｂ）は略４半円型に切除された切欠凹部13を有し、また、図３（Ｃ）（Ｄ）では、垂直辺27と下辺25の直角状角部29から45°の面取り線にて切除したストレート状面取り部14を有する。
図１（Ａ）と図２の実施形態は、図３（Ａ）に対応し、図１（Ｂ）は図３（Ｂ）に対応している。

弾性リング５は、Ｏリングである。材質はシリコーンゴム組成物、エチレンプロピレンジエンゴム組成物（ＥＰＤＭ組成物）、アクリロニトリル・ブタジエンゴム組成物（ＮＢＲ組成物）、水素添加アクリロニトリル・ブタジエンゴム組成物（ＨＮＢＲ組成物）、フッ素ゴム組成物などの公知のゴム組成物から成り、横断面形状は、図３に示す円形や、楕円形などが挙げられるが、これらの形状に限定されるものではない。

図２に於て、本発明の作用・作動について説明すると、高圧側Ｈから圧力Ｐ₃ を有する流体が凹溝３内へ浸入すると、高圧側溝側面31に対面する、樹脂リング４の端面９と、弾性リング５の高圧側面５Ａに対して、圧力Ｐ₃ が作用する。
弾性リング５は、高圧側面５Ａから受ける圧力Ｐ₃ によって弾性的に圧縮されて、点線をもって示した圧力Ｐ₅₀，Ｐ₅₁，Ｐ₅₂が、切欠凹部13の内面、及び、溝底面11に対して、作用する。
樹脂リング４に対して、端面９において直接的に、及び、弾性リング５を介して矢印Ｐ₅₁のように間接的に、圧力Ｐ₃ が負荷され、それ等を合計した、溝底面11に平行なベクトルＰ₃₀₀ が、凹溝３の溝側面30に作用する（図２（Ｂ）参照）。

溝側面30から反力Ｆ₂₀が、樹脂リング４の勾配面８に対して作用するが、この反力Ｆ₂₀を合計したベクトルをＦ₂₀₀ とすると共に、傾斜状溝側面30に平行な、ベクトルＰ₃₀₀ の分力を、Ｐ₄₀₀ とすれば、図２（Ｂ）に示すようなベクトル分解図が得られる。この図２（Ｂ）に示すように、Ｆ₂₀₀ ＝Ｐ₃₀₀ として、傾斜状溝側面30と低圧側勾配面８との圧接部位に於て、垂直方向のベクトルＦ₂₀₀ とＰ₃₀₀ とは釣合う（バランスが取れる）のであるが、平行な方向の（分力）ベクトルＰ₄₀₀ が残留するために、樹脂リング４は、図２（Ａ）のベクトルＰ₄₀₀ を示した矢印の方向に移動しようとする。いわば、勾配面８と溝底対応面15から形成された断面鋭角三角形状のクサビが（ベクトルＰ₄₀₀ を示した）矢印の方向に凹溝３の内方（奥方）へ打込まれるように、移動しようとする。
一方、弾性リング５において点線矢印をもって示した圧力Ｐ₅₀によって、樹脂リング４は第２部材２の対応面22に押圧される。

図２に於て、この対応面22から、樹脂リング４の密封摺動面10が受ける反力Ｆ₁₀は、弾性リング５によって押圧される圧力Ｐ₅₀に対する反力であり、比較的小さい。
図２に於て、弾性リング５によって圧力Ｐ₃ が遮断されることで、溝底面11と対応面15との間隙17の流体圧力は、零乃至極めて低圧であって、圧力ゼロ領域Ｚが形成されているので、密封摺動面10に作用する反力Ｆ₁₀は、前述の如く、弾性リング５からの圧力Ｐ₅₁に対する小さ目の値となる。
このような状況下で、前述のベクトルＰ₄₀₀ が、傾斜状溝側面30と低圧側勾配面８との圧接部位に於て、残っているので、樹脂リング４は溝底面11へ接近する方向（図２の下方向）へ移動しようとして反力Ｆ₁₀は、一層、減少する。

ところで、圧力ゼロ領域Ｚの大きさは、図２と図３（Ａ）では比較的小さ目であるが、図３（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）と順に大きく設定した場合を例示している。このようにして、図２の反力Ｆ₁₀の値を、所望により、さらに小さくすることが可能であることを示す。
即ち、第１部材１と第２部材２の相対的回転運動、又は、相対的直線運動において、密封構造体（樹脂リング４）の摩擦抵抗の値は、図２にて説明した反力Ｆ₁₀の大きさによって直接的に決定されるのであるから、密封構造体の使用条件・用途等に、広く対応できることとなる。かつ、図５（Ｂ）に示したように接触幅Ｗ₁ ´を、特に小さく設定せずに、十分な接触幅Ｗ₁ を有したままで、樹脂リング４の強度・剛性を保持し、凹溝３内での安定姿勢を保ちつつ、十分に小さな摩擦抵抗を達成可能である。

次に、図４は、本発明の実施品と、従来品について摩擦抵抗の流体圧力に対する変化の比較試験を実施した結果を示すグラフ図である。
横軸に流体圧力Ｐをとり、縦軸に摩擦抵抗Ｙをとって示す。なお、摩擦抵抗Ｙは、樹脂リングを２個使用した場合の数値である。
試験条件等は、次の通りである。
流体：ＡＴＦ油
速度：２０mm／ｓ
樹脂リングの材質：充填剤入りＰＰＳ組成物
弾性リングの材質：ＮＢＲ組成物
各樹脂リングの全体の外径寸法：１４３mm
図４に於て、本発明の実施品は、図２，図３（Ａ）に相当する形状・構造のものであり、従来品は、図５（Ａ）に相当するものである。接触幅Ｗ₁ ，Ｗ₁ ´は、いずれも2.32mmとした。

この図４に示した試験結果から以下のことが判る。
(ｉ) 従来品は、圧力Ｐの増加に略比例して、摩擦抵抗Ｙが増加する。
(ii) 本発明の実施品では、圧力Ｐが増加しても、略一定の、かつ、小さな、摩擦抵抗Ｙを示す。
(iii) また、試験中の流体洩れについては、本発明実施品は従来品の半分以下と少なかった。
(iv) さらに、試験中に従来品はスティックスリップが発生したが、本発明実施品では、発生しなかった。
(ｖ) 特に、図２に於て、ベクトルＰ₄₀₀ をもって示した傾斜方向の力によって、樹脂リング４の密封摺動面10が第２部材２の対応面22から離れる方向の力を受けることにより、摩擦抵抗Ｙが“略一定を保つ”という驚異的な結果が得られた。
(vi) なお、傾斜角度θをさらに小さく設定し、圧力ゼロ領域Ｚを広く設定すれば、圧力Ｐに反比例して、しだいに摩擦抵抗を減少させることまでも、可能であることを、実験にて、確認した。
(vii) なお、本発明実施品において、圧力ゼロの場合も、摩擦抵抗を示したのは、樹脂リング４自体が全体の外径寸法が増加する方向に弾発付勢して第２部材２の対応面22に圧接しているからと推察される。

以上のように、図４のグラフ図から、本発明の密封構造体の優れている点が明らかとなった。特に、自動車のＡＴ（Automatic Transmission）の内部に於て、作動油等を密封したり、あるいは、ＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）の内部に於て、作動油等を密封するのに、好適な密封構造体である。

ところで、本発明の密封構造体では、いわゆる蟻溝状のシール凹溝を有しているため、一体溝とすると樹脂リング４の装着が困難となるので、その場合には、シール凹溝を分割構造とすればよい。あるいは、樹脂リング４を、合せ部（合口）のある円環状とすればよい。

本発明は、以上詳述したように、第１部材１と第２部材２が相互に摺動自在に対面する対応面21，22相互の微小間隙６を密封する密封構造体であって、かつ、上記第１部材１に形成したシール凹溝３と、該シール凹溝３に内装されて上記第２部材２に摺接する樹脂リング４と、弾性リング５を、備えた密封構造体に於て；上記シール凹溝３の低圧側Ｌの溝側面30が、溝底面11に向かうにつれて低圧側Ｌに近づくような傾斜面に形成され；上記樹脂リング４は、上記溝側面30に対して常時平行状に対応すると共に受圧状態で上記溝側面30に当接する低圧側勾配面８を、備えると共に、上記樹脂リング４の横断面形状は、平行な上辺24と下辺25、及び上記勾配面８と垂直辺27とから成る仮想基本台形28における上記垂直辺27と下辺25によって形成される直角状角部29から、略４半円型に切除した切欠凹部13又は面取り線にて切除した面取り部14を、有する形状とし；さらに、上記弾性リング５は、上記樹脂リング４の上記切欠凹部13又は面取り部14に圧接すると共に、上記シール凹溝３の溝底面11に圧接させて、シール凹溝３の溝底面11と、上記樹脂リング４の溝底対応面15との間隙17への圧力侵入を遮断して、圧力ゼロ領域Ｚを形成したので、摺動（摩擦）抵抗を、流体圧力Ｐにかかわらず、低くかつ安定して保つことができ、摺動（摩擦）抵抗が小さいことが要望される自動車のＡＴ，ＣＶＴ，その他の油圧機器に好適であり、低リーク，低摩耗性，低トルク等の厳しい要求にも十分対応できる。
また、摺動部位での接触幅Ｗ₁ を極端に小さくする必要がなく、凹溝３内での姿勢も安定し、密封性能及び耐久性についても優れている。特に、シール凹溝に、いわゆる蟻溝を適用するのは、従来は、静的な固定密封構造のみであったのに対し、本発明では、動的（摺動）部位の密封に適用したものであり、いわばクサビ作用にて樹脂リング４を、傾斜状の溝側面30に沿って溝内方向へ誘導して、密封摺動部の接触面圧（摩擦抵抗）を低下させるという独特の着想に基づいた発明であるといえる。
また、上記シール凹溝３の低圧側Ｌの溝側面30が、溝底面11と成す角度θを、40°〜60°に設定したので、上記シール凹溝３の（溝底面11寄りの）溝幅寸法が過大となってコンパクト化を阻害することを防止できると同時に、（図４に示す如く）樹脂リング４の第２部材２に対する摺動摩擦抵抗Ｙが、十分に小さくなり、しかも、流体圧力Ｐの高低にかかわらず、略一定とすることができる。

１第１部材
２第２部材
３シール凹溝
４樹脂リング
５弾性リング
６微小間隙
８低圧側勾配面
11 溝底面
13 切欠凹部
14 面取り部
15 溝底対応面
17 間隙
21 （円形）外周面
22 （円形）内周面
24 上辺
25 下辺
27 垂直辺
28 仮想基本台形
29 直角状角部
30 溝側面
Ｌ低圧側
Ｚ圧力ゼロ領域

Claims

第１部材（１）と第２部材（２）が相互に摺動自在に対面する対応面（21）（22）相互の微小間隙（６）を密封する密封構造体であって、かつ、上記第１部材（１）に形成したシール凹溝（３）と、該シール凹溝（３）に内装されて上記第２部材（２）に摺接する樹脂リング（４）と、弾性リング（５）を、備えた密封構造体に於て、
上記シール凹溝（３）の低圧側（Ｌ）の溝側面（30）が、溝底面（11）に向かうにつれて低圧側（Ｌ）に近づくような傾斜面に形成され、
上記樹脂リング（４）は、上記溝側面（30）に対して常時平行状に対応すると共に受圧状態で上記溝側面（30）に当接する低圧側勾配面（８）を、備えると共に、上記樹脂リング（４）の横断面形状は、平行な上辺（24）と下辺（25）、及び上記勾配面（８）と垂直辺（27）とから成る仮想基本台形（28）における上記垂直辺（27）と下辺（25）によって形成される直角状角部（29）から、略４半円型に切除した切欠凹部（13）又は面取り線にて切除した面取り部（14）を、有する形状とし、
さらに、上記弾性リング（５）は、上記樹脂リング（４）の上記切欠凹部（13）又は面取り部（14）に圧接すると共に、上記シール凹溝（３）の溝底面（11）に圧接させて、シール凹溝（３）の溝底面（11）と、上記樹脂リング（４）の溝底対応面（15）との間隙（17）への圧力侵入を遮断して、圧力ゼロ領域（Ｚ）を形成したことを特徴とする密封構造体。
上記シール凹溝（３）の低圧側（Ｌ）の溝側面（30）が、溝底面（11）と成す角度（θ）を、40°〜60°に設定した請求項１記載の密封構造体。