JPWO2019097845A1 - シールリング - Google Patents

Abstract

シールリングは、相対的に往復運動をする内周部材と外周部材のうち、いずれか一方に設けられた装着溝に装着されて着座し、いずれか他方にシール面を密接させて流体を密封する。シールリングは、ゴム状弾性体である内周側リングと外周側リングとの二部材の組み合わせによって構成されている。内周側リングと外周側リングとのうちシール面を有する一方の部材の方が、もう一方の部材よりも高い硬度に設定されている。内周側リングと外周側リングとの間の接触面上には、これらの内周側リングと外周側リングとの軸方向への位置ずれを規制する凹凸嵌合部が環状方向に沿って設けられている。

Description

本発明は、相対的に往復運動を行う内周部材と外周部材との間で流体を密封するために用いられるシールリングに関する。

自動車のＡＴ（Automatic Transmission）やＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）に用いられるクラッチには、ＯリングやＤリングなどのシールリングが使用されている。シールリングは、受けた圧力を保持することによってクラッチの断続を実現させる。

図５は、特許文献１に記載されているシールリングの一例を示している。このシールリング１００はゴム状弾性体からなり、軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状が扁平なＤ字形に形成されている（図５中の左半分参照）。シールリング１００は外径側へ膨らんだ円弧状断面をなすシール面１０１を外周に備え、軸心Ｏと直交する平面上に位置する両側の側面１０２と、円筒面状に形成されたシール内周面１０３とを有している。このようなシールリング１００は、一般に「Ｄリング」と呼ばれている。

図６に示すように、シールリング１００は、例えばクラッチ（全体を図示せず）の外周部材２００と内周部材３００との間に介在し、外周部材２００と内周部材３００との間を流れる流体を密封する。そのための構造の一例として、シールリング１００は、内周部材３００の外周面３０１に環状に形成された装着溝３０２に隙間を空けて装着され、この装着溝３０２から外径側へシール面１０１を突出させる。シール面１０１は、外周部材２００の内周面２０１と摺動可能に密接する。

シールリング１００は、装着溝３０２に嵌め込まれて溝底面３０２ａにシール内周面１０３を着座させ、高圧空間Ｈ側に密封された作動油の圧力を受けることによって一方の側面１０２を装着溝３０２の内側面３０２ｂに密接させる。シール面１０１は、円弧状断面をなすことによって外周部材２００の内周面２０１に対するシール面圧を局部的に高め、高圧空間Ｈから低圧空間Ｌへの作動油の漏れを防止する。

特開２０１１−１６３４３８号公報 特開平１１−３３６９０８号公報

近年、低炭素化社会への移行を背景として、燃費の向上やエネルギーロスの低減が求められるようになってきている。ＡＴやＣＶＴの分野でも、シールリングが摺動する際の摺動抵抗を低減したいという要求が高まってきている。

シールリングの摺動抵抗を低減する手法としては、潰し代を低減するようにするか、低硬度ゴム材を使用するようにするという措置がとられている。ところが潰し代を低減する手法を採用した場合には、初期シール性が低下してしまったり、長期間の使用によってシール性能が劣化しやすくなってしまったりする。また低硬度ゴム材を使用するという手法を採用した場合には、耐久性が低下してしまう。

この点、特許文献２には、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたシールリング１００が開示されている（特許文献２の図４参照）。このシールリング１００は、図７に例示すように、内周部材３００の装着溝３０２に着座する内周側リング１００ａと、この内周側リング１００ａの外周面に配置されて、外周部材２００の内周面２０１にシール面１０１を密接させる外周側リング１００ｂとによって構成されている。内周側リング１００ａは低硬度ゴム材を用いた低硬度部、外周側リング１００ｂは高硬度ゴム材を用いた高硬度部である。

このような硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたシールリング１００によれば、シール面１０１を有する外周側リング１００ｂの潰し代を低減することなく、また外周側リング１００ｂに低硬度ゴム材を用いることなく、シールリングが摺動する際の摺動抵抗を低減することが可能になる。

ところが図８に示すように、特許文献２に記載されたようなシールリング１００では、機器の組み付け状態や作動状態、圧力の影響などによって、内周側リング１００ａと外周側リング１００ｂとの間に位置ずれが生ずることがある。

外周側リング１００ｂよりも内周側リング１００ａの方が低圧空間Ｌ側にずれた場合（図８参照）、油圧の作用によって（矢印ａ，ｂ）、外周側リング１００ｂに浮き上がり方向（白抜き矢印参照）への力が加わる。すると外周部材２００に対するシール面１０１の反力及びフリクションがともに増大してしまう。

反対に外周側リング１００ｂが内周側リング１００ａよりも低圧空間Ｌ側にずれた場合には（図９参照）、油圧の作用によって（矢印ａ，ｂ）、内周側リング１００ａに溝底面３０２ａへの押し付け方向（白抜き矢印参照）の力が加わる。すると外周部材２００に対するシール面１０１の反力及びフリクションがともに低下し、シール性能を損なってしまう。

以上説明したように、内周側リング１００ａと外周側リング１００ｂとの間に軸方向への位置ずれが生じた場合、外周部材２００に対するシール面１０１の反力及びフリクションが安定しないという現象が生ずるため、改善が求められる。

本発明の課題は、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたシールリングにおいて、二種類の部材の位置ずれに伴う相手面に対するシール面の反力及びフリクションの変動を防止することである。

本発明の一態様は、外周部材に対して相対的に往復運動をする内周部材に密接するゴム状弾性体である内周側リングと、前記内周側リングの外周面に配置されて前記外周部材に密接するゴム状弾性体である外周側リングとの二部材を有するリングと、一方の前記二部材に設けられ、前記内周部材と前記外周部材とのいずれか一方に設けられた装着溝に着座する着座面と、前記一方の二部材よりも硬度が高いもう一方の前記二部材に設けられ、前記内周部材と前記外周部材とのいずれか他方に密接するシール面と、前記内周側リングと前記外周側リングとの間の接触面上で環状方向に沿って設けられ、これらの内周側リングと外周側リングとの軸方向への位置ずれを規制する凹凸嵌合部とを備える。

本発明の別の一態様は、外周部材に対して相対的に往復運動をする内周部材に密接するゴム状弾性体である内周側リングと、前記内周側リングの外周面に配置されて前記外周部材に密接する前記内周側リングよりも硬度が高いゴム状弾性体である外周側リングと、前記内周側リングに設けられ、前記内周部材に設けられた装着溝に着座する着座面と、前記外周側リングに設けられ、前記外周部材に密接するシール面と、前記内周側リングと前記外周側リングとの間の接触面上で環状方向に沿って設けられ、これらの内周側リングと外周側リングとの軸方向への位置ずれを規制する凹凸嵌合部とを備える。

本発明によれば、内周側リングと外周側リングとの間の軸方向への位置ずれが凹凸嵌合部によって規制されるので、二種類の部材の位置ずれに伴う相手面に対するシール面の反力及びフリクションの変動を防止することができる。

本実施の形態のシールリングの一例を示す図で、左半分は軸心Ｏを通る平面で断面にした断面図、右半分は外観正面図。 往復動用シールリングの装着状態を、軸心Ｏを通る平面で断面にして示す半断面図。 各種のシールリングのシール面に生ずる反力の実験結果を示すグラフ。 各種のシールリングのシール面に生ずるフリクションの実験結果を示すグラフ。 従来のシールリングの一例を示す図で、左半分は軸心Ｏを通る平面で断面にした断面図、右半分は外観正面図。 往復動用シールリングの装着状態を、軸心Ｏを通る平面で断面にして示す半断面図。 従来のシールリングの一例として、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたシールリングの一例を示す図で、左半分は軸心Ｏを通る平面で断面にした断面図、右半分は外観正面図。 図７に示す往復動用シールリングの装着状態として、硬度が異なる二種類の部材が軸方向にずれている一態様を、軸心Ｏを通る平面で断面にして示す半断面図。 図７に示す往復動用シールリングの装着状態として、硬度が異なる二種類の部材が軸方向にずれている別の一態様を、軸心Ｏを通る平面で断面にして示す半断面図。

実施の一形態を図１ないし図４に基づいて説明する。本実施の形態は、自動車のＡＴ（Automatic Transmission）やＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）に用いられるクラッチに使用されるシールリングの一例である。

図１に示すように、本実施の形態のシールリング１０はゴム状弾性材料からなり、軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状が扁平なＤ字形を有している（図１中の左半分参照）。シールリング１０は、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせている。二部材のうちの一つは内周側リング１０ａ、もう一つは外周側リング１０ｂである。

内周側リング１０ａは、シールリング１０の内周側を占める環状部材であり、後述する内周部材３０の装着溝３２（図２参照）に着座する。外周側リング１０ｂは、内周側リング１０ａの外周面に配置されてシールリング１０の外周側を占める環状部材であり、後述する外周部材２０の内周面２１にシール面１１を密接させる。

これらの二種類の部材のうち、内周側リング１０ａは低硬度ゴム材を用いた低硬度部、外周側リング１０ｂは高硬度ゴム材を用いた高硬度部である。つまり内周側リング１０ａと外周側リング１０ｂとのうち、シール面１１を有する側（外周側リング１０ｂ）の硬度の方が、装着溝３２に装着されて着座する側（内周側リング１０ａ）の硬度よりも高くなっている。

内周側リング１０ａと外周側リング１０ｂとの間には、凹凸嵌合部１２が設けられている。凹凸嵌合部１２は、内周側リング１０ａの外周面に環状方向に沿って設けられた突条１２ａと、外周側リング１０ｂの内周面に環状方向に沿って設けられた凹溝１２ｂとによって形成されている。突条１２ａと凹溝１２ｂとは、ともに内周側リング１０ａ及び外周側リング１０ｂの周方向の全周に設けられ、互いに嵌合する。したがって凹凸嵌合部１２は、内周側リング１０ａと外周側リング１０ｂとの軸方向への位置ずれを規制する。

内周側リング１０ａの内周面は、円筒面状に形成された着座面としてのシール内周面１３である。外周側リング１０ｂに設けられているシール面１１は、外径側へ膨らんだ円弧状断面を備えている。内周側リング１０ａ及び外周側リング１０ｂは、軸心Ｏと直交する平面上に位置する両側に側面１４を有している。側面１４のうち、内周側リング１０ａが形成する部分は側面１４ａ、外周側リング１０ｂが形成する部分は側面１４ｂである。

したがってシールリング１０は、全体として「Ｄリング」の形態をなしている。

図２に示すように、シールリング１０は、例えばクラッチ（全体を図示せず）の外周部材２０と内周部材３０との間に介在し、外周部材２０と内周部材３０との間を流れる流体を密封する。そのための構造の一例として、シールリング１０は、内周部材３０の外周面３１に円環状に形成された装着溝３２に隙間を空けて装着され、この装着溝３２から外径側へシール面１１を突出させる。シール面１１は、外周部材２０の内周面２１と摺動可能に密接する。

シールリング１０は、装着溝３２に嵌め込まれて溝底面３２ａに着座面としてのシール内周面１３を着座させ、高圧空間Ｈ側に密封された作動油の圧力を受けることによって側面１４を装着溝３２の内側面３２ｂに密接させる。シール面１１は、円弧状断面をなすことによって外周部材２０の内周面２１に対するシール面圧を局部的に高め、高圧空間Ｈから低圧空間Ｌへの作動油の漏れを防止する。

本実施の形態のシールリング１０は、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせ、内周側の内周側リング１０ａを低硬度部、外周側の外周側リング１０ｂを高硬度部としている。このためシール面１１を有する外周側リング１０ｂの潰し代を低減することなく、また外周側リング１０ｂに低硬度ゴム材を用いることなく、シールリング１０が摺動する際の摺動抵抗を低減することが可能になる。

図８、図９に基づいて前述したように、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたシールリング、例えば図７に例示したようなシールリング１００では、内周側リング１００ａと外周側リング１００ｂとの間に位置ずれが生ずることがある。このとき外周側リング１００ｂよりも内周側リング１００ａの方が低圧空間Ｌ側にずれた場合には（図８参照）、外周側リング１００ｂに浮き上がる方向への力が加わる。反対に外周側リング１００ｂが内周側リング１００ａよりも低圧空間Ｌ側にずれた場合には（図９参照）、内周側リング１００ａに溝底面３０２ａへの押し付け方向（白抜き矢印参照）への力が加わる。したがって外周部材２００に対するシール面１０１の反力及びフリクションの安定性が損なわれてしまう。

本実施の形態のシールリング１０は、内周側リング１０ａと外周側リング１０ｂとの間の位置ずれを凹凸嵌合部１２が規制するため、内周側リング１０ａと外周側リング１０ｂとの間に位置ずれを生じさせないようにすることができる。その結果、図８に例示するような外周側リング１０ｂの浮き上がり、あるいは図９に例示するような内周側リング１０ａの押し付けに伴い発生する外周部材２０に対するシール面１１の反力及びフリクションの変動を防止することができ、シールリング１０が摺動する際の摺動抵抗の安定性を維持することができる。

本実施の形態のシールリング１０は、外周部材２０に対して相対的に往復運動をする内周部材３０に密接するゴム状弾性体である内周側リング１０ａと、内周側リング１０ａの外周面３１に配置されて外周部材２０に密接する内周側リング１０ａよりも硬度が高いゴム状弾性体である外周側リング１０ｂとを備えている。内周側リング１０ａは、内周部材３０に設けられた装着溝３２に着座する着座面としてのシール内周面１３を備えている。外周側リング１０ｂは、外周部材２０に密接するシール面１１を備えている。シールリング１０は、内周側リング１０ａと外周側リング１０ｂとの間の接触面上で環状方向に沿って設けられ、これらの内周側リング１０ａと外周側リング１０ｂとの軸方向への位置ずれを規制する凹凸嵌合部１２を備えている。

別の実施の形態として、装着溝３２は外周部材２０に設けられていてもよい。この場合には、外周側リング１０ｂの外周面に装着溝３２に着座する着座面が設けられ、内周側リング１０ａの内周面にシール面１１が設けられる。

さらに別の実施の形態として、内周側リング１０ａに凹凸嵌合部１２の凹溝１２ｂを設け、外周側リング１０ｂに突条１２ａを設けるようにしてもよい。

実施に際しては、各種の変形や変更が許容される。

シール面１１に対する反力を比較するために、六種類のシールリング１０のモデルを想定し、有限要素法（ＦＥＭ）による解析をした。いずれのモデルも製品内径φ５０．５、潰し代０．２ｍｍのアクリルゴムからなる。個々の仕様は、次の通りである。

（モデル１）
断面形状の部分の大きさが１．７×３．４（ｍｍ）で、硬度６０の単一素材。
（モデル２）
断面形状の部分の大きさが１．７×３．４（ｍｍ）で、硬度７０の単一素材。
（モデル３）
断面形状の部分の大きさが１．７×３．４（ｍｍ）で、硬度９０の単一素材。
（モデル４）
内周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×１．７（ｍｍ）で、硬度６０。
外周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×１．７（ｍｍ）で、硬度９０。
（モデル５）
内周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×１．１（ｍｍ）で、硬度６０。
外周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×２．３（ｍｍ）で、硬度９０。
（モデル６）
内周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×２．３（ｍｍ）で、硬度６０。
外周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×１．１（ｍｍ）で、硬度９０。

図３は、外周部材２０と内周部材３０との間に密封された流体によって加えられる圧力が０ＭＰａのときと２ＭＰａのときとにおけるシール面１１に生ずる反力の解析結果である。

単一素材のモデル（モデル１〜３）に関しては、硬度６０のモデル１と硬度７０のモデル２とにおいて、流体による圧力が０ＭＰａのときにも２ＭＰａのときにも大きな差がないのに対して、硬度９０のモデル３では反力が大きく上昇することがわかる。

硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたモデル（モデル４〜６）に関しては、外周側リング１０ｂを硬度９０としているにもかかわらず、硬度９０の単一素材からなるモデル３と比較して、モデル４〜６のいずれも反力が大幅に低下している。反力の低下率は、流体による圧力が０ＭＰａのときにも２ＭＰａのときにも、モデル５、４、６の順に大きくなる。つまり低硬度ゴム材を用いた内周側リング１０ａの寸法比率が大きいほど、反力が低下する。

硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたモデル（モデル４〜６）に関しては、硬度６０の単一素材からなるモデル１、硬度７０の単一素材からなるモデル２と比較しても、流体による圧力が２ＭＰａのときには反力が低下する。つまりモデル４〜６では、流体の圧力の変動に対する反力の差が小さくなることがわかる。

以上の解析結果より、０．２ｍｍという同一の潰し代であるにもかかわらず、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたモデル（モデル４〜６）は、単一素材のモデル（モデル１〜３）と比較して、シール面１１に対する反力を低下させ得ることが明らかである。

つぎにシール面１１に生ずるフリクションを比較するために、三種類のシールリング１０のモデルを想定し、有限要素法（ＦＥＭ）による解析をした。いずれのモデルも製品内径φ５０．５、潰し代０．２ｍｍのアクリルゴムからなる。個々の仕様は、次の通りである。

（モデル７）
断面形状の部分の大きさが１．７×３．４（ｍｍ）で、硬度７０の単一素材。
（モデル８）
内周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×２．３（ｍｍ）で、硬度６０。
外周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×１．１（ｍｍ）で、硬度９０。
（モデル９）
内周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×２．３（ｍｍ）で、硬度６０。
外周側リングは、断面形状部分の大きさが１．７×１．１（ｍｍ）で、硬度９０。
内周側リングと外周側リングとの間に凹凸嵌合部。

図４は、外周部材２０と内周部材３０との間に密封された流体によって加えられる圧力が０ＭＰａのときと２ＭＰａのときとにおけるシール面１１に生ずるフリクションの解析結果である。

流体によって加えられる圧力が０ＭＰａのときには、モデル７〜９のいずれについても、シール面１１に生ずるフリクションの値に差異が生じにくい。

流体によって加えられる圧力が２ＭＰａになると、モデル８ではフリクションが急激に増大する。これは図８に例示したような現象、つまりシールリングが用いられる機器の作動状態や圧力の影響によって内周側リングと外周側リングとの間に位置ずれが生じ、外周側リングよりも内周側リングの方が低圧空間側にずれた場合、油圧の作用で、外周側リングに、内周側リングから浮き上がる方向に力が加わるという現象が生ずるからである。これによって外周部材に対するシール面のフリクションが増大する。

この点、モデル９について着目すると、モデル８と同様に、硬度が異なる二種類の部材を組み合わせたシールリングであるにもかかわらず、シール面１１に生ずるフリクションがモデル８に比べて格段に低い。これは内周側リングと外周側リングとの間に凹凸嵌合部が介在し、これらの内周側リングと外周側リングとが軸方向に位置ずれしないからであると推察される。つまり図８に例示したような現象がそもそも発生しないため、外周側リングが浮き上がらないのである。

モデル９については、単一素材からなるモデル７と比較しても、シール面１１に生ずるフリクションが低い。これは内周側リングの硬度が、モデル７の硬度７０よりも低い硬度６０であるからであると推察される。

以上の解析結果より、シール面１１に生ずるフリクションに関して、モデル９の優位性が証明される。

１０ シールリング
１０ａ 内周側リング
１０ｂ 外周側リング
１１ シール面
１２ 凹凸嵌合部
１２ａ 突条
１２ｂ 凹溝
１３ シール内周面（着座面）
１４ 側面
１４ａ 側面
１４ｂ 側面
２０ 外周部材
２１ 内周面
３０ 内周部材
３１ 外周面
３２ 装着溝

Claims (4)

1. 外周部材に対して相対的に往復運動をする内周部材に密接するゴム状弾性体である内周側リングと、前記内周側リングの外周面に配置されて前記外周部材に密接するゴム状弾性体である外周側リングとの二部材を有するリングと、
   一方の前記二部材に設けられ、前記内周部材と前記外周部材とのいずれか一方に設けられた装着溝に着座する着座面と、
   前記一方の二部材よりも硬度が高いもう一方の前記二部材に設けられ、前記内周部材と前記外周部材とのいずれか他方に密接するシール面と、
   前記内周側リングと前記外周側リングとの間の接触面上で環状方向に沿って設けられ、これらの内周側リングと外周側リングとの軸方向への位置ずれを規制する凹凸嵌合部と、
   を備えることを特徴とするシールリング。
2. 前記凹凸嵌合部は、前記内周側リングと前記外周側リングとのいずれか一方に環状方向に沿って設けられた突条と、この突条が嵌り込むいずれか他方に環状方向に沿って設けられた凹溝とを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシールリング。
3. 外周部材に対して相対的に往復運動をする内周部材に密接するゴム状弾性体である内周側リングと、
   前記内周側リングの外周面に配置されて前記外周部材に密接する前記内周側リングよりも硬度が高いゴム状弾性体である外周側リングと、
   前記内周側リングに設けられ、前記内周部材に設けられた装着溝に着座する着座面と、
   前記外周側リングに設けられ、前記外周部材に密接するシール面と、
   前記内周側リングと前記外周側リングとの間の接触面上で環状方向に沿って設けられ、これらの内周側リングと外周側リングとの軸方向への位置ずれを規制する凹凸嵌合部と、
   を備えることを特徴とするシールリング。
4. 前記凹凸嵌合部は、前記内周側リングに環状方向に沿って設けられた突条と、この突条が嵌り込む前記外周側リングに環状方向に沿って設けられた凹溝とを有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のシールリング。

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