JP7476682B2

JP7476682B2 - 密封部材

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Publication number: JP7476682B2
Application number: JP2020100945A
Authority: JP
Inventors: 友嗣川野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2024-05-01
Anticipated expiration: 2040-06-10
Also published as: JP2021001313A

Description

本発明はオイルシール等の密封部材に関する。

トランスミッションやディファレンシャルギヤ用のオイルシールをはじめ、自動車では多くのオイルシールが用いられている。
自動車用途のオイルシールは、オイルの密封性とともに低燃費化の要求に伴い低トルク化が求められている。

密封部材の低トルク化を図る手法としては、相手部材と摺動するゴム部材を低摩擦化する手法が提案されている。
具体的には、例えば、黒鉛、二硫化モリブテン、ポリテトラフルオロエチレンなどの固体潤滑剤を上記ゴム部材に配合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、固体潤滑剤は通常、オイルが切れた状態等の貧潤滑状態になってはじめて自己潤滑性を発現する。そのため、内部空間に封入した多量のオイルによる良好な潤滑下で常時使用されるオイルシールに上記固体潤滑剤を配合しても、更なる低摩擦化を図ることは困難であった。

また、オイルシールの低トルク化を図る手法として、例えば、特許文献２は、オイルシールの摺動部に梨地加工とコーティング処理とを施す手法を提案している。

特開２００１－３４８４６０号公報特開２０１１－２４１８６８号公報

特許文献２で提案されたオイルシールによれば、摺動部に梨地加工とコーティング処理とが施されているため、相手部材との接触面積を低減してオイルシールの低トルク化を図ることができる。しかしながら、コーティング層が磨滅すると、その後は早期に低トルク化効果が消失するという問題があった。

本発明は、このような状況のもと、密封性を維持しつつ、長期間に亘って低トルク化を図ることができる密封部材を提供することを目的する。

本発明の密封部材は、カルボキシル基含有アクリルゴムと、ウォラストナイトと、金属石けんとを含み、
上記金属石けんは、アルミニウムモノステアレート及びアルミニウムジステアレートの少なくとも一方であり、
上記ウォラストナイトの含有量が、上記カルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して２０～４０重量部であり、
上記金属石けんの含有量が、上記カルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して３～１０重量部であるゴム組成物
の加硫物からなる摺動部を有する。

本発明の密封部材は、密封部材の摺動部を構成する上記ゴム組成物の加硫物がウォラストナイトと特定の金属石けん（アルミニウムモノステアレート及び／又はアルミニウムジステアレート）とを含むため、低トルク化に適している。これは、密封部材の相手部材との摺接面において、加硫ゴムの摩耗、金属石けんの脱落及びウォラストナイトの露出による突起の形成によって、充分な粗さを有する摺接面が継続的に生じるためと考えている。このような摺接面を有する密封部材をオイルシールとして使用した際には、上記摺接面と相手部材との間に液膜が効率良く形成されて潤滑状態が良好になり、オイルのせん断抵抗を下げ、オイルシールの低トルク化が達成され、更には低トルク状態が維持される。
なお、本発明の密封部材を構成する上記加硫物に含まれるアルミニウムモノステアレートやアルミニウムジステアレートは固体であり、上記加硫物中に分散している。そのため、上記加硫ゴムの摩耗に伴って摺動面から脱落すると考えられる。
また、上記密封部材は、金属石けんとして特定のアルミニウムステアレートを含有しているため、上記摺動部に相手部材に対する適切な締め付け力を付与し、密封部材として要求される密封性を確保することができる。後述する通り、金属石けんとしてアルミニウムトリステアレートを採用した場合は密封性を確保することが困難である。

本発明の密封部材によれば、密封性を維持しつつ、長期間に亘って低トルク化を図ることができる。

本発明の第１実施形態にかかるオイルシールの断面斜視図である。実施例及び比較例において、トルクの測定に使用したシールトルク試験機の一部を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態にかかる密封部材について図面を参照しながら詳述する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかるオイルシールの断面図である。
オイルシール１０は環状に形成され、その外周部の外周面が、例えばトランスミッションのハウジング３５等に固定され、内周部のリップ先端２４が回転軸３６等の相手部材の軸表面のリップ当たり面３６ａに摺接し、ハウジング３５と回転軸３６との間の空間内に封入した潤滑油等を密封する。
オイルシール１０は、金属環１１と弾性部材１２とを加硫接着してなる。金属環１１は、軸方向に平行な部分１４と、垂直な部分１５とによって断面Ｌ字形状に屈曲して形成されている。弾性部材１２は、金属環１１の平行部分１４の外周面及び垂直部分１５の軸方向一側面を覆うように接着されるとともに、径方向内側に保護リップ１９及び回転軸３６との摺接部となるリップ先端２４を備えるリップ頭部１８を備えている。リップ頭部１８の外周面には、締め付け力を補助するためのガータばね１３が設けられている。

保護リップ１９は、回転軸３６に向かって延び、回転軸３６との間の粉塵の通過を阻止している。また、保護リップ１９は、リップ頭部１８から離れる方向へ向けて斜めに延びている。
リップ頭部１８は、金属環１１の平行部分１４の内周側に配置されるとともに、その外周面にガータばね１３を嵌合するばね溝１８ａを有し、内周面は、径方向内方に向けて先細り形状となっている。したがって、リップ頭部１８の内周面には、先細り形状のリップ先端（境界縁）２４を境として軸方向両側に、互いに反対方向側に傾斜する２つのリップ側面２０，２３が形成されている。

保護リップ１９から離れて配置された一方のリップ側面２０は、密封流体側に配置されたリップ密封液側面とされ、保護リップ１９側に配置された他方のリップ側面２３は、リップ大気側面とされている。リップ頭部１８では、主にリップ先端２４が、回転軸３６のリップ当たり面（軸の表面）３６ａに摺接する。なお、リップ頭部１８は、リップ先端２４が回転軸３６のリップ当たり面３６ａに接触することによって径外方向に湾曲し、変形したリップ先端２４とその近傍のリップ密封液側面２０とリップ大気側面２３とがリップ当たり面３６ａに接触するが、図１では、湾曲していない状態のリップ頭部１８を示している。

リップ頭部１８を含む弾性部材１２は、ゴム組成物の加硫物からなる。上記ゴム組成物は、カルボキシル基含有アクリルゴムと、ウォラストナイトと特定の金属石けんとを含む。ここで、ウォラストナイトの含有量はカルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して２０～４０重量部であり、金属石けんの含有量はカルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して３～１０重量部である。
オイルシール１０は、弾性部材１２が上記加硫物からなるため、優れた密封性を維持しつつ、長期間に亘って低トルク化を図ることができる。
オイルシール１０のリップ先端２４は、回転軸３６のリップ当たり面３６ａとの摺接によって、加硫ゴムの摩耗、加硫物中に分散した金属石けんの脱落及びウォラストナイトの露出による突起の形成が継続的に生じ、これによってリップ先端２４は、充分な粗さを持続すると考えている。その結果、オイルシール１０のトルクが低下し、その状態が長期間に亘って維持されると考えている。

以下、上記ゴム組成物について詳述する。
上記ゴム組成物は、未加硫のカルボキシル基含有アクリルゴムと、ウォラストナイトと特定の金属石けんとを含む。
上記カルボキシル基含有アクリルゴムとしては特に限定されず、例えば、カルボキシル基含有モノマーとアクリルモノマーとの共重合体である、下記式（１）で表されるポリマー等が挙げられる。

（式（１）中、ｍ、ｎはそれぞれ独立して正の整数である。Ｒは、－Ｃ_２Ｈ_５、－Ｃ_４Ｈ_９、又は、－Ｃ_２Ｈ_４ＯＣＨ_３である。）
上記式（１）において、ｍとｎの比率（ｎ／ｍ）は、０．０００１～０．１５が好ましい。上記比率（ｎ／ｍ）が０．０００１よりも小さいと、加硫物の機械的特性が不十分になるとともに、加硫物の切断時伸びが大きく低下し、上記加硫物からなる摺動部を有するオイルシールは、長期に亘って密封性を維持できないことがある。上記比率（ｎ／ｍ）が０．１５よりも大きい場合も、加硫物の切断時伸びが大きく低下し、この場合も上記加硫物からなる摺動部を有するオイルシールは、長期に亘って密封性を維持できないことがある。

上記式（１）で表される上記カルボキシル基含有アクリルゴムは、カルボキシル基を有するユニットが架橋点としての役割を果たし、加硫剤との共存下で加熱することにより加硫ゴムとなる。
上記カルボキシル基含有アクリルゴムは、カルボキシル基含有モノマーと、アクリルモノマーと、更に第三のモノマーとを反応させて形成された共重合体であっても良い。上記第三のモノマーとしては、例えば、アクリル酸ブトキシエチル、エチレン、アクリル酸メチル等の１種または複数種の組み合わせが挙げられる。

上記カルボキシル基含有アクリルゴムとしては、市販品を用いることもできる。上記カルボキシル基含有アクリルゴムの市販品としては、例えば、Ｎｉｐｏｌ（登録商標）ＡＲ１２や、ＮｉｐｏｌＡＲ１４（いずれも日本ゼオン社製）、ＮＯＸＴＩＴＥ（登録商標）ＰＡ－５２１、ＮＯＸＴＩＴＥＰＡ－５２２ＨＦ、ＮＯＸＴＩＴＥＰＡ－５２６、ＮＯＸＴＩＴＥＰＡ－５２４（いずれもユニマテック社製）、ラクレスター（登録商標）ＣＨ、ラクレスターＣＴ、ラクレスターＣＵＣ（いずれも大阪ソーダ社製）等が挙げられる。
上記カルボキシル基含有アクリルゴムとしては、１種類のカルボキシル基含有アクリルゴムを用いても良いし、２種類以上のカルボキシル基含有アクリルゴムを併用しても良い。

上記ウォラストナイトは、上記ゴム組成物中に配合できるものであれば良い。
上記ウォラストナイトの寸法は特に限定されないが、例えば、繊維径が５～１０μｍ、繊維長が１０～１００μｍ、アスペクト比が１～２０程度が好ましい。このようなウォラストナイトを特定の金属石けんとともに用いた場合、オイルシールの摺接面に当該ウォラストナイトに基づく適切な突起を形成するのに適している。そのため、上記寸法のウォラストナイトを用いることは、オイルシールの低トルク化を図るのに好適である。

上記ウォラストナイトの繊維長及び繊維径は、無作為に選択した１００本のウォラストナイトを顕微鏡で観察して各ウォラストナイトの繊維長及び繊維径を測定し、繊維長及び繊維径のそれぞれの平均値を算出したものである。このとき、顕微鏡としては、光学顕微鏡や捜査型電子顕微鏡などを用いることができる。
上記ウォラストナイトのアスペクト比は、上記繊維長を上記繊維径で除した値である。

上記ゴム組成物における上記ウォラストナイトの含有量は、上記カルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して、２０～４０重量部である。
上記ウォラストナイトの含有量がこの範囲にあれば、オイルシールにおける上記加硫物の硬さを、密封性を確保するのに適した硬さとすることができる。また、上記オイルシールの摺接面に低トルク化に適した凹凸を形成するのに好適である。
これに対して、上記ウォラストナイトの含有量が２０重量部未満では、摺接面に充分な凹凸を形成することができず、トルクが高くなる。また、上記ウォラストナイトの含有量が４０重量部を超えると、切断時引張強さ（Ｔｂ）が低下し、架橋物の摩擦が過大となり、長期間に亘って密封性能を維持できなくなる。
上記ウォラストナイトは、シランカップリング剤で表面処理されたものでも良い。

上記金属石けんは、アルミニウムモノステアレート及びアルミニウムジステアレートの少なくとも一方である。
これらの金属石けんを配合することにより、オイルシールにおける上記加硫物の硬さを密封性を確保するのに適した硬さとしつつ、当該オイルシールの摺接面に低トルク化に適した凹凸を形成することができる。
なお、本発明では、金属石けんとして、アルミニウムトリステアレートは採用することができない。アルミニウムトリステアレートを採用した場合、上記カルボキシル基含有アクリルゴムの架橋が阻害され、上記加硫物の硬さをオイルシールが密封性を確保するのに必要な硬さにできないからである。

上記ゴム組成物における上記金属石けんの含有量は、上記カルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して、３～１０重量部である。
これに対して、上記金属石けんの含有量が３重量部未満では、オイルシールの低トルク化を図ることができない。一方、上記金属石けんの含有量が１０重量部を超えると、加硫物の硬さが低下し、オイルシールとしての密封性を確保できない。

上記ゴム組成物は、更に、加硫剤を含有する。上記加硫剤は、アミン系加硫剤等のカルボキシル基含有アクリルゴムを架橋できるものであれば良い。
また、上記ゴム組成物は、必要に応じて、グアニジン化合物、スルフェンアミド化合物、１，８－ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデカ－７－エン、３級アミン等の加硫促進剤、飽和脂肪酸（例えば、ステアリン酸等）、マイクロクリスタリンワックス等の加工助剤、老化防止剤を含有しても良い。更にはオイルシールに配合される他の公知の添加剤等を含有しても良い。

上記ゴム組成物の加硫物のデュロメータＡ硬さは、Ａ６５～Ａ７５が好ましい。
上記加硫物のデュロメータＡ硬さがＡ６５未満では、弾性部材１２の相手部材（回転軸３６）に対する締め付け力が不十分となり、オイルシールとしての密着性を確保することができず、オイル漏れが発生することがある。
一方、上記加硫物のデュロメータＡ硬さがＡ７５を超えると、弾性部材１２の相手部材に対する追従性が不十分となり、この場合もオイル漏れが発生することがある。
上記デュロメータＡ硬さは、ＪＩＳＫ６２５３－３：２０１２に準拠した方法で測定すれば良い。

上記ゴム組成物の加硫物の切断時引張強さ（Ｔｂ）は、８．０ＭＰａ以上が好ましい。
また、上記ゴム組成物の加硫物の切断時伸び（Ｅｂ）は、１００％以上が好ましい。
上記加硫物がこれらの引張特性を充足する場合、弾性部材１２は十分な機械強度を有し、長期間に亘ってオイルシールとしての密封性を確保するのに適している。
上記切断時引張強さ（Ｔｂ）及び上記切断時伸び（Ｅｂ）は、ＪＩＳＫ６２５１：２０１７に準拠した方法で測定すれば良い。

本実施形態に係るオイルシール１０は、例えば下記の工程を経て製造することができる。
（１）まず、未加硫のカルボキシル基含有アクリルゴム、ウォラストナイト、特定の金属石けん（アルミニウムモノステアレート及び／又はアルミニウムジステアレート）、並びに、加硫剤、更には、必要に応じて配合する加硫促進剤や加工助剤等の各種添加剤を含有するゴム組成物を調製する。このゴム組成物は、予め各配合成分を計量し、ロール、ニーダ等の混錬機で混練することによって調製すれば良い。

（２）次に、金型内に、上記ゴム組成物を注型し、所定の条件で加硫成形する。
この工程では、上記ゴム組成物を加硫成形する際に、金属環１１を金型内に予め設けておき、金属環１１と弾性部材１２とを加硫接着させることが好ましい。これにより、製造工数を低減することができる。

（３）その後、成形品を金型から取り出し、ガータばね１３を嵌合させ、オイルシール１０を完成する。

（他の実施形態）
本発明の実施形態に係る密封部材は、オイルシールに限定されず、例えば、ダストシールや、他のシール部材等であっても良い。

以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の実施形態は、以下の実施例に限定されるものではない。
実施例及び比較例のそれぞれでは、図１に示した形状のオイルシールと、物性を測定するためのシートとを作製した。

実施例及び比較例で、ゴム組成物の調製に用いたカルボキシル基含有アクリルゴム、ウォラストナイト、及び、金属石けんは以下の通りである。
・カルボキシル基含有アクリルゴム：
ＮｉｐｏｌＡＲ１２（日本ゼオン社製）
・ウォラストナイト：
ＮＹＡＤ４００（ＮＹＣＯＭｉｎｅｒａｌｓ社製）、繊維径＝７μｍ、繊維長＝３５μｍ、アスペクト比＝５．０
・金属石けん
アルミニウムステアレート３００（日油社製、アルミニウムモノステアレート）
アルミニウムステアレート９００（日油社製、アルミニウムトリステアレート）

（実施例１）
（１）カルボキシル基含有アクリルゴム（ＮｉｐｏｌＡＲ１２）１００重量部、ウォラストナイト（ＮＹＡＤ４００）３５重量部、アルミニウムモノステアレート（アルミニウムステアレート３００）、及び、添加剤（フィラー、加硫剤、加硫促進剤及び加工助剤など）８０．６重量部をロールで混練し、ゴム組成物を得た。

（２－１）金属環を設置した金型に上記（１）で得たゴム組成物を注型した後、１８０℃、１０分間の条件で一次加硫を行い、更に、１８０℃、４時間の条件で二次加硫を行い、図１に示した形状のオイルシールを作製した。
（２－２）上記（２－１）とは別に、上記（１）で得たゴム組成物を金型を用いて上記の加熱条件でシート状に加硫成形し、上記ゴム組成物の加硫物からなる厚さ２ｍｍのシートを作製した。

（比較例１）
アルミニウムモノステアレートを配合しなかった以外は、実施例１と同様にして、オイルシールとシートとを作製した。

（比較例２）
ウォラストナイト及びアルミニウムモノステアレートを配合しなかった以外は、実施例１と同様にして、オイルシールとシートとを作製した。

（比較例３）
アルミニウムモノステアレートの配合量を２重量部に変更した以外は、実施例１と同様にして、オイルシールとシートとを作製した。

（比較例４）
アルミニウムモノステアレートに代えて、アルミニウムトリステアレート（アルミニウムステアレート９００）を配合した以外は、実施例１と同様にして、オイルシールとシートとを作製した。

実施例及び比較例のそれぞれで作製したオイルシール又はシートを使って下記の評価を行った。結果を表１に示した。
（１）シートを使った評価
（１－１）デュロメータＡ硬さ：
シートを３０×５０ｍｍの寸法に切り出し、タイプＡデュロメータを使用して「ＪＩＳＫ６２５３－３：２０１２」に準拠した方法でデュロメータＡ硬さを測定した。測定は、試験片を３枚重ねて行った。

（１－２）切断時引張強さ（Ｔｂ）及び切断時伸び（Ｅｂ）：
シートを切り切り出し、ダンベル状３号形の試験片を作製した。
作製した試験片を使用して「ＪＩＳＫ６２５１：２０１７」に準拠した引張試験を行った。このとき、引張り速度は、５００ｍｍ／ｍｉｎとし、試験片の数は３個とした。

（２）オルシールを使った評価
（２－１）トルク：
図２に示したように、オイルシール１０の外周部をシールトルク試験機１００のハウジング１３５に固定しつつ、オイルシール１０の内周部を回転軸１３６に挿通し、オイル１４０を密封した状態で回転軸１３６を回転させ、そのときのトルク[ｍＮ・ｍ]をロードセル（図示せず）で測定した。このとき、試験条件としては、
試験温度：室温（２５℃）
周速：４．５ｍ／ｓ
なじみ試験：３０ｍｉｎ
トルク試験：２ｍｉｎ
を採用した。

これらの評価により、実施例１のオイルシールは、オイルシールが密封性を確保するために求められるデュロメータＡ硬さを有しつつ、低トルク化に寄与できることが明らかとなった。
また、オイルシールの摺接面を顕微鏡観察したところ、実施例１のオイルシールは、比較例１、２のオイルシールに比べて大きな突起（凹凸）が形成されていることが確認された。

１０：オイルシール、１１：金属環、１２：弾性部材、１３：ガータばね、
１８：リップ頭部、１９：保護リップ、２０：リップ密封液側面、２３：リップ大気側面

Claims

カルボキシル基含有アクリルゴムと、ウォラストナイトと、金属石けんとを含み、
前記金属石けんは、アルミニウムモノステアレート及びアルミニウムジステアレートの少なくとも一方であり、
前記ウォラストナイトの含有量が、前記カルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して２０～４０重量部であり、
前記金属石けんの含有量が、前記カルボキシル基含有アクリルゴム１００重量部に対して３～１０重量部であるゴム組成物
の加硫物からなる摺動部を有する密封部材。