JP7133399B2 - フローティングシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸封するフローティングシール装置に関する。

従来、走行モータ、ローラー、アイドラ、アクスル等のように、固定側構造に対して相対的に回転可能に回転側構造を連結するにあたって、固定側構造と回転側構造との間を軸封するフローティングシール装置が知られている。このようなフローティングシール装置は、一対のシールリングを相対摺動させて被密封流体をシールするものであり、一般に二次シールとして弾性リングを用いることで、軸の傾動を許容するフローティングの機能が備わっている。

フローティングシール装置の一例を示すと、特許文献１に示されるように、固定側構造または回転側構造の一部として機能する固定側、回転側各ハウジングの内周部と固定側、回転側各シールリングの外周部との間には、それぞれに１つ弾性リングが介在されている。各ハウジングの内周部は、ハウジングの開口側から軸方向に離間するほどに縮径するシール面と、弾性リングが軸方向へ過剰に移動することを規制する壁とを備えている。また、前記したシールリングの外周部には、シールリングの摺動面から軸方向に離間するほどに縮径するテーパ面が形成されている。

弾性リングは、ハウジングのシール面とシールリングのテーパ面間に押し込まれ弾性変形された状態で配置されており、その弾性変形によって発生した力が、シールリングのテーパ面を介してシールリングの摺動面を対向するシールリングの摺動面に押し付ける摺動面圧として作用する。これにより、一対のシールリングの摺動面同士は一次シールとして機能することとなる。また、シール面とテーパ面間に押し込まれた弾性リングが二次シールとして機能することとなる。これらにより、各シールリング及び各弾性リングよりも機内側に土砂や泥といった異物の侵入を確実に防止することができるようになっている。

特許第５９３８４６５号公報（第３～５頁、第１図）

このように、特許文献１に示されるようなフローティングシール装置にあっては、例えば各ハウジングの内周部に侵入した土砂等の圧力が高い場合に、弾性リングがハウジングのシール面及びシールリングのテーパ面に沿ってハウジングの壁側へと移動することで好適な摺動面圧が維持されている。しかしながら、土砂圧等が極めて高圧であったり、侵入した水が凍結したりする等、極めて高い圧力が弾性リングにかかった場合には、弾性リングが壁まで移動し、壁から受ける反力がテーパ面に作用することとなる。テーパ面に作用する力はシールリングを対向するシールリング側へ押し付ける摺動面圧となることから、摺動面に焼き付きが起こるといった虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、極めて高い圧力が弾性リングにかかった場合でも、シールリングの摺動面圧の増加量を小さくし、シールリングの摺動面の焼き付き等を防止できるフローティングシール装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のフローティングシール装置は、
環状の弾性リングと、当該弾性リングが外嵌されるテーパ面を有する環状のシールリングと、前記弾性リングが密接するシール面及び前記弾性リングの軸方向移動を規制する壁を有する内周部を備えるハウジングと、を備えるフローティングシール装置であって、
前記ハウジングの内周部における壁には、外径側寄りに窪部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、土砂圧や凍結による体積膨張によって極めて高い圧力が弾性リングにかかった場合、弾性リングは壁に当接するとともに弾性変形して外径側寄りに設けられた窪部の内へと一部が侵入することになる。この窪部に侵入した弾性リングの一部に対しては内径方向への移動が規制されることになり、弾性リングがテーパ面に及ぼす力は軽減される。このように、シールリングの摺動面圧の増加量は小さいから、シールリングの摺動面の焼き付き、発生する摩擦熱による弾性リングの熱変性等が防止されることになる。

好適には、前記窪部は、周方向に連続する環状溝である。
これによれば、弾性リングの一部が周方向に連続する環状溝に嵌まり、均等にかつ確実にテーパ面に作用する力が低減される。

好適には、前記壁に形成された窪部は、その内径側寄りの壁と曲面によって連続して構成されている。
これによれば、弾性リングが曲面に沿って窪部内へ侵入し易くなるばかりか、弾性リングに掛かる圧力が低圧となった際に窪部から瞬時に離脱できシール機能を維持できる。

好適には、前記窪部は、前記ハウジング側のシール面から延設されるように連続して構成されている。
これによれば、弾性リングが窪部の外周側に延びるシール面に沿って移動することで当該窪部に誘導され易いばかりか、弾性リングに掛かる圧力が低圧となった際に窪部から瞬時に離脱できシール機能を維持できる。

好適には、前記壁に形成された窪部は、前記シール面と曲面によって連続して構成されている。
これによれば、弾性リングが曲面に沿って窪部内へ侵入し易くなるばかりか、弾性リングに掛かる圧力が低圧となった際に窪部から瞬時に離脱できシール機能を維持できる。

好適には、前記窪部の開口幅は、前記壁と前記シールリングとの隙間幅よりも広く形成されている。
これによれば、弾性リングが壁とシールリングとの隙間に誘導されることなく、より確実に窪部内へ誘導されることとなる。

本発明の実施例１におけるフローティングシール装置を示す断面図である。 弾性リングが壁に押圧された状態を示す断面図である。 本発明の実施例２の窪部を示す断面図である。 本発明の実施例３の窪部を示す断面図である。

本発明に係るフローティングシール装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係るフローティングシール装置につき、図１と図２を参照して説明する。

本実施例１に係るフローティングシール装置１は、無限軌道を支持するサイドフレーム（固定側構造）に固定された固定軸９（図１参照）（固定側構造）に対して相対的に回転可能にトラックローラ３（回転側構造，ハウジング）を連結する際に、固定側ハウジング２とトラックローラ３との隙間から固定軸９側に土砂や泥等の異物が侵入することを防止するために用いられるものである。

図１に示されるように、フローティングシール装置１は、固定軸９に外嵌した状態で固定された固定側ハウジング２と、固定軸９を遊嵌した状態で当該固定軸９に連結されたトラックローラ３と、固定側ハウジング２の内周部２Ａまたはトラックローラ３の内周部３Ａに挿嵌された対向する一対のシールリング５，５と、内周部２Ａまたは内周部３Ａと各シールリング５，５との間にそれぞれ１つ介在されるＯリング６，６とから主に構成されている。

トラックローラ３は、回転側、固定側の各シールリング５，５及び回転側、固定側の各Ｏリング６，６により固定側ハウジング２と軸方向に離間した状態で当該固定側ハウジング２に連結されており、固定側ハウジング２に対して相対的に回転可能である。また、各シールリング５，５及び各Ｏリング６，６により、固定側ハウジング２とトラックローラ３との隙間を含む機外側空間Ｓ１及び固定軸９側の機内側空間Ｓ２は区画されているとともに、それらの境界がシールされている。以降、固定側ハウジング２、トラックローラ３、シールリング５及びＯリング６について説明する。

先ず、固定側ハウジング２について説明する。図１を参照して、固定側ハウジング２は、固定軸９に外嵌可能な段付き円筒状に形成されており、その周壁の内径側には、対向するトラックローラ３側の開口から軸方向に凹む内周部２Ａが形成されている。

内周部２Ａには、対向配置されるトラックローラ３側から軸方向に離間するほどに内径側に縮径するシール面２０が形成されている。また、内周部２Ａのトラックローラ３側の開口とは反対側には、径方向に延び周方向に連続する環状の壁２１が形成されている。壁２１の外径側寄りには、軸方向に凹み周方向に連続する環状溝である窪部２２が凹設され、壁２１の内径側には、窪部２２に対して相対的に軸方向トラックローラ３側の開口側へ突出した環状の突部２３（内径側寄りの壁）が設けられている。尚、突部２３は、窪部２２の凹設により残された壁２１の残存部とも言える。

窪部２２は、シール面２０の端部と連続し内径側へ四半円弧状に湾曲する外径側曲面２２ａ、外径側曲面２２ａの端部と連続し径方向に直線状に延びる鉛直平坦面、鉛直平坦面の端部と連続し軸方向に直線状に延びる水平平坦面２２ｂ、水平平坦面２２ｂの端部と連続し内径側へ四半円弧状に湾曲するとともに、突部２３の壁面２３ａに連続する内径側曲面２２ｃを有している。突部２３の壁面２３ａは、周方向に連続する環状の平坦面であり、固定側ハウジング２の開口と略平行に形成されている。

次に、トラックローラ３について説明する。図１を参照して、トラックローラ３は、固定軸９を遊嵌可能な段付き円筒状に形成されており、その周壁の内径側には、対向する固定側ハウジング２側の開口から軸方向に凹む内周部３Ａが形成されている。

内周部３Ａには、対向配置される固定側ハウジング２側から軸方向に離間するほどに内径側に縮径するシール面３０が形成されている。また、内周部３Ａの固定側ハウジング２側の開口とは反対側には、径方向に延び周方向に連続する環状の壁３１が形成されている。壁３１の外径側寄りには、軸方向に凹み周方向に連続する環状溝である窪部３２が凹設され、壁３１の内径側には、窪部３２に対して相対的に軸方向トラックローラ３側の開口側へ突出し周方向に連続する環状の突部３３（内径側寄りの壁）が設けられている。尚、突部３３は、窪部３２の凹設により残された壁３１の残存部とも言える。

窪部３２は、シール面３０の端部と連続し内径側へ四半円弧状に湾曲する外径側曲面３２ａ、外径側曲面３２ａの端部と連続し径方向に直線状に延びる鉛直平坦面、鉛直平坦面の端部と連続し軸方向に直線状に延びる水平平坦面３２ｂ、水平平坦面３２ｂの端部と連続し内径側へ四半円弧状に湾曲するとともに、突部３３の壁面３３ａに連続する内径側曲面３２ｃを有している。突部３３の壁面３３ａは、周方向に連続する環状の平坦面であり、トラックローラ３の開口と略平行に形成されている。

尚、本実施例において、固定側ハウジング２及びトラックローラ３は、それぞれのシール面２０，３０、壁２１，３１、及び窪部２２，３２の構成（各開口から各壁２１，３１までの周壁の内径側の構成）が線対称関係にある。このことから、以降重複する説明において、特に断らない限り、トラックローラ３を例に説明する。

次に、シールリング５について説明する。シールリング５は、鋳鉄製であり、固定軸９を遊嵌可能な段付き円筒状に形成され、他方のシールリング５と対向する端部に、環状の摺動面５０を備えている。尚、シールリング５を製造するにあたり、Ｃｒ－Ｍｏ鋳鉄、Ｎｉ－Ｃｒ鋳鉄が好ましい材料であり、この他、銅合金、炭素鋼、ＳｉＣ、超硬合金、セラミックス等で製造してもよい。

また、シールリング５は、外径側軸方向中央部に、内径側へ凹む環状の傾斜溝を備えており、傾斜溝の底面は、摺動面５０から離間するほどに縮径するテーパ面５１となっている。

次に、Ｏリング６について説明する。Ｏリング６は、ゴム材製であり、シールリング５の傾斜溝に外嵌可能な環状に形成されている。尚、Ｏリング６は、例えば、水素化ニトリルゴム（Ｈ－ＮＢＲ）、パーフロロエラストマー、ニトリルゴム（ＮＢＲ）の硬度ＤｕｒｏＡ６０から７０、ウレタンゴム（Ｕ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、弾性力を有する樹脂等が好ましい材料である。

次に、図１，図２を用いて、フローティングシール装置１によるシールについて説明する。尚、図２では、説明の都合上、固定側ハウジング２側の図示を省略している。装着前のＯリング６は断面円形であり、その外径がトラックローラ３のシール面３０の内径よりも大きくその内径がシールリング５の外径よりも小さく形成され、その断面径はトラックローラ３のシール面３０とシールリング５のテーパ面５１との法線方向の寸法よりも大きく形成されている。

そのため、Ｏリング６を外嵌したシールリング５を内周部３Ａに挿嵌する際に、トラックローラ３のシール面３０とシールリング５のテーパ面５１との間に押し込まれるＯリング６は、シール面３０とテーパ面５１間に弾性変形しながら密着し、その弾性変形によって発生する内部応力によって、シールリング５のテーパ面５１にシールリング５を対向するシールリング５側へ移動させる力を作用させている。

これにより、Ｏリング６が外嵌されたシールリング５が挿嵌された固定側ハウジング２とＯリング６が外嵌されたシールリング５が挿嵌されたトラックローラ３とを連結することによって、各シールリング５，５の摺動面５０，５０間には軸方向に所定の摺動面圧が付与され、摺動面５０，５０同士は一次シールとして機能することとなる。また、シール面３０とテーパ面５１間に密着したＯリング６は二次シールとして機能することになる。このようにして、機外側空間Ｓ１から機内側空間Ｓ２に土砂や泥といった異物の侵入を確実に防止することができるようになっている。

例えば機外側空間Ｓ１に侵入する土砂等の圧力が高い場合、該圧力に応じてシールリング５を対向するシールリング５側へ移動させるように作用する力が増加する一方で、シール面３０の内径及びテーパ面５１の外径の離間距離は徐々に長くなっているため、Ｏリング６がトラックローラ３のシール面３０及びシールリング５のテーパ面５１に沿ってトラックローラ３の壁２１側へと移動することで、Ｏリング６から作用する摺動面圧は減じられるようになっており、好適な摺動面圧が維持されている。

また、図２に示されるように、土砂圧や凍結による体積膨張によって極めて高い圧力がＯリング６にかかった場合、Ｏリング６は更に軸方向壁３１側に移動して、Ｏリング６の断面における径方向中央部がトラックローラ３の突部３３の壁面３３ａに当接し、その後Ｏリング６は断面における径方向中央部が突部３３に食い込むように弾性変形して壁３１の外周側寄りに設けられた窪部３２の内へと一部が侵入することになる。これにより、土砂等の圧力に応じてシールリング５に対向するシールリング５側へ移動させる力が作用する一方で、窪部３２に侵入したＯリング６の一部に対して内径方向への移動が突部３３の水平平坦面３２ｂや内径側曲面３２ｃ当接することで規制され、換言すればＯリング６の一部から径方向に及ぼす力を突部３３が受けることになるため、これに伴ってＯリング６がシールリング５のテーパ面５１に及ぼす力は軽減され、シールリング５の摺動面５０の焼き付き、発生する摩擦熱によるＯリング６の熱変性等が防止されることになる。

また、トラックローラ３の窪部３２は、周方向に連続する環状溝であるため、極めて高い圧力がＯリング６に作用した際に、Ｏリング６の一部が周方向に連続する環状溝（窪部３２）に嵌まり、均等かつ確実にシールリング５のテーパ面５１に作用する力が低減される。

また、トラックローラ３の窪部３２は、突部３３の壁面３３ａと内径側曲面３２ｃによって連続して構成されていることから、Ｏリング６が内径側曲面３２ｃに沿って窪部３２内へ侵入し易くなるばかりか、Ｏリング６に掛かる圧力が低圧となった際に窪部３２から瞬時に離脱できシール機能を維持できる。

また、トラックローラ３の窪部３２は、トラックローラ３側のシール面３０から延設されるとともに、シール面３０と外径側曲面３２ａによって連続して構成されている。これにより、Ｏリング６が窪部３２の外径側曲面３２ａに延びるシール面３０に沿って移動することで当該窪部３２に誘導され易いとともに、Ｏリング６が外径側曲面３２ａに沿って窪部３２内へ侵入し易くなるばかりか、Ｏリング６に掛かる圧力が低圧となった際に窪部３２から瞬時に離脱できシール機能を維持できる。

また、図２に示されるように、トラックローラ３の窪部３２の開口幅Ｗ１は、トラックローラ３の壁３１とシールリング５との隙間幅Ｗ２よりも広いことから、Ｏリング６が壁２１とシールリング５との隙間に誘導されることなく、窪部３２内へより確実に誘導されることとなる。

また、隙間幅Ｗ２について詳しくは、シールリング５の傾斜溝の一部を構成する壁３１側のフランジ５２（図２参照）によって、トラックローラ３の壁３１との隙間幅Ｗ２が、好適に狭められている。

次に、実施例２に係るフローティングシール装置につき、図３を参照して説明する。尚、前記実施例１に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図３を参照して、トラックローラ１０３の内周部１０３Ａにおける壁１３１は、窪部１３２と突部１３３とを備え、窪部１３２は、シール面１３０の端部と連続し軸方向へ直線状に延びる平坦面１３２ａ、平坦面１３２ａの端部と連続し内径側へ四半円弧状に湾曲する曲面１３２ｂ、曲面１３２ｂの端部と連続し内径側へ向かうほどにトラックローラ１０３の開口側へと傾斜するとともに、突部１３３の壁面１３３ａに連続するテーパ面１３２ｃを有している。

トラックローラ１０３の窪部１３２は、テーパ面１３２ｃと突部１３３の壁面１３３ａとの間の角度が１８０度に近い鈍角（例えば、１５０度）であることから、テーパ面１３２ｃと突部１３３の壁面１３３ａとの間の角１３１ａに沿って弾性変形し易いため、Ｏリング６に掛かる負荷も軽減される。すなわち、窪部の端面との壁の壁面との間の角は、曲面に限らず、鈍角であってもよい。

また、トラックローラ１０３の窪部１３２は、シール面１３０と平坦面１３２ａとの間の角度が１８０度に近い鈍角（例えば、１５０度）であることから、シール面１３０と平坦面１３２ａとの間の角１３０ａに沿って弾性変形し易いため、Ｏリング６に掛かる負荷も軽減される。すなわち、シール面と窪部の端面との間の角は、曲面に限らず、鈍角であってもよい。

また、トラックローラ１０３の窪部１３２の開口幅Ｗ１１は、トラックローラ３の壁１３１とシールリング５との隙間幅Ｗ２よりも広いため、Ｏリング６が窪部１３２内へより誘導され易いとともに、上述したように角１３１ａに沿って弾性変形し易いため、Ｏリング６の一部から内径方向に作用する力を受け易く、トラックローラ３の壁３１に押圧する過剰な力がＯリング６に作用した際に、Ｏリング６からシールリング５のテーパ面５１に作用する内径方向の力を軽減する効率がよい。加えて、窪部１３２の開口幅Ｗ１１は、前記実施例１の窪部３２の開口幅Ｗ１と比較して広くなっていることから、より弾性変形し易い。

次に、実施例３に係るフローティングシール装置につき、図４を参照して説明する。尚、前記実施例１，２に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図４を参照して、トラックローラ２０３の内周部２０３Ａにおける壁２３１は、窪部２３２と突部２３３とを備え、窪部２３２は、シール面１３０の端部と連続し内径側へ半円弧状に延びる外径側曲面２３２ａ、外径側曲面２３２ａの端部と連続し内径側へ四半円弧状に湾曲するとともに、突部２３３の壁面２３３ａに連続する内径側曲面２３２ｃを有している。

トラックローラ２０３の窪部２３２は、半円弧状に凹み、かつシール面２３０及び突部２３３の壁面２３３ａに連続しているとともに、その開口幅Ｗ２１は、トラックローラ３の壁２３１とシールリング５との隙間幅Ｗ２よりも広いことから、窪部２３２の外径側及び内径側から弾性変形するＯリング６が侵入し易くなっているため、Ｏリング６からシールリング５のテーパ面５１に作用する内径方向の力を軽減する効率がよい。加えて、窪部２３２は、半円弧状に凹んでいることから、Ｏリング６の弾性変形が円滑である。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例において、フローティングシール装置１は、無限軌道を構成するサイドフレーム及びトラックローラに使用される態様として説明したが、これに限らず、走行モータ、アイドラ、アクスル等に使用されてもよく、限定されるものではない。

固定側のハウジングは、固定側構造に取付けられる固定側ハウジング２である態様として説明したが、これに限らず、固定側構造の一部、または固定側構造そのものであってもよく、限定されるものではない。同様に、回転側のハウジングは、回転側構造そのものであるトラックローラとして説明したが、これに限らず、回転側構造に取付けられるもの、または回転側構造の一部を構成するものであってもよく、限定されるものではない。

また、固定側ハウジング２及びトラックローラ３は、それぞれのシール面２０，３０、壁２１，３１、及び窪部２２，３２の構成が線対称関係にある態様として説明したが、これに限らず、非対称であってもよい。同様に、固定側ハウジング２及びトラックローラ３には、同じシールリング５及びＯリング６が挿嵌される態様として説明したが、これに限らず、互いに異なるシールリング及びＯリングが挿嵌される態様であってもよい。

トラックローラ３の窪部３２は、周方向に亘って形成されている態様として説明したが、これに限らず、複数等配または複数非等配に形成されていてもよく、限定されるものではない。同様に、突部３３及び壁面３３ａについても、複数等配または複数非等配に形成されていてもよく、限定されるものではない。

弾性リングは、断面円形のＯリング６である態様として説明したが、これに限らず、その断面が円形に限らない。

１ フローティングシール装置
２ 固定側ハウジング
２Ａ 内周部
３，１０３，２０３ トラックローラ（ハウジング）
３Ａ，１０３Ａ，２０３Ａ 内周部
５ シールリング
６ Ｏリング（弾性リング）
２０ シール面
２１ 壁
２２ 窪部
２２ａ 外径側曲面
２２ｃ 内径側曲面
２３ 突部（内径側寄りの壁）
３０，１３０，２３０ シール面
３１，１３１，２３１ 壁
３２，１３２，２３２ 窪部
３２ａ 外径側曲面
３２ｃ 内径側曲面
３３，１３３，２３３ 突部（内径側寄りの壁）
５０ 摺動面
５１ テーパ面
２３２ａ 外径側曲面
２３２ｂ 内径側曲面
Ｓ１ 機外側空間
Ｓ２ 機内側空間
Ｗ１，Ｗ１１，Ｗ２１ 開口幅
Ｗ２ 隙間幅

Claims (5)

1. 固定側ハウジングと、該固定側ハウジングに対して相対的に回転可能な回転側ハウジングと、前記固定側ハウジングの内周部に配置された環状の固定側シールリングと、前記回転側ハウジングの内周部に配置され、前記固定側シールリングと対向して摺動する環状の回転側シールリングと、前記固定側ハウジングの内周部と前記固定側シールリングとの間及び前記回転側ハウジングの内周部と前記回転側シールリングとの間にそれぞれ介在される弾性を有するＯリングと、を備え、前記固定側シールリング及び前記回転側シールリングは、前記Ｏリングが外嵌されるテーパ面をそれぞれ有し、前記固定側ハウジングの内周部及び前記回転側ハウジングの内周部は、それぞれ前記Ｏリングが密接するシール面及び前記Ｏリングの軸方向移動を規制する壁を有してなるフローティングシール装置であって、
   前記固定側ハウジングの内周部及び前記回転側ハウジングの内周部における壁には、外径側寄りに軸方向に窪んだ窪部がそれぞれ形成されているとともに内径側寄りに軸方向に突出した凸部がそれぞれ形成されており、
   前記回転側シールリング及び前記固定側シールリングの前記壁側寄りの端部に外径側に突出するフランジがそれぞれ形成されており、
   前記窪部の開口幅は、前記凸部の内径側の面と前記フランジの外径側の面との間に形成される隙間幅よりも広く形成されており、
   前記凸部は、前記フランジの軸方向端面よりも前記Ｏリング側に突出することを特徴とするフローティングシール装置。
2. 前記窪部は、周方向に連続する環状溝である請求項１に記載のフローティングシール装置。
3. 前記壁に形成された窪部は、その内径側寄りの壁と曲面によって連続して構成されている請求項１または２に記載のフローティングシール装置。
4. 前記窪部は、前記シール面から延設されるように連続して構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載のフローティングシール装置。
5. 前記壁に形成された窪部は、前記シール面と曲面によって連続して構成されている請求項１ないし４のいずれかに記載のフローティングシール装置。

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