JPWO2019182034A1 - 環状ダストシール - Google Patents

Abstract

優れたダストシール機能を有しながら、局所摩耗、ヘタリ（変形）やスティックスリップ（鳴き、振動）が改善された環状ダストシールを提供する。弾性材料からなり、ハウジングにより支持され、円環状のダストリップ（４）を有し、前記ハウジング内に配置され、先端側を大気側に突出させた往復動軸の外周面に前記ダストリップ（４）表面を接触させる環状ダストシールであって、前記ダストリップ（４）の縦断面において、該ダストリップ（４）の頂部より前記ハウジング内方側における凸曲率を有する表面（４ｂ）の平均曲率半径は、該ダストリップ（４）の頂部より大気側における凸曲率を有する表面（４ａ）の平均曲率半径よりも、大きくなっている。

Description

本発明は、環状ダストシールに関し、詳しくは、優れたダストシール機能を有しながら、局所摩耗、ヘタリ（変形）やスティックスリップ（鳴き、振動）が生じない環状ダストシールに関する。

従来、建設機械の油圧シリンダやサスペンション、及び自動車のショックアブソーバ等においてロッドシール部に用いられるダストシールには、図８に示すように、往復動軸（ロッド）２００の外周面に摺動可能に密封接触する環状ダストシール３００がある（特許文献１）。

往復動軸２００は、図示しないハウジング内に配置され、図８中矢印Ａで示すように、軸方向に往復動可能となっている。この往復動軸２００は、基端側（図８中左方）をハウジング内に位置させ、先端側（図８中右方）をハウジングの開口端部より軸方向外側（以下「大気側」という。）に突出させている。ハウジング内には油が充填されているが、油圧シリンダ等にはダストシールのハウジング内方側（以下「油圧側」という。）に、外部油漏れを防ぐリップパッキン、及び高負荷時の油圧緩衝と高温油カットを目的としたバッファリングが併用されることが多く、ダストシールにはリップパッキンと軸間を通過した油膜が供給される。

環状ダストシール３００は、ゴム状弾性材料により一体的に円環状に形成されており、外周側に金属環３１０が取付けられている。環状ダストシール３００は、ハウジングに形成された環状溝内に配置されている。環状溝は、往復動軸２００の外周面を囲むように形成されている。

環状ダストシール３００は、油圧側に、往復動軸２００の周面に当接される円環状のオイルリップ３２０を有している。また、環状ダストシール３００は、大気側に、往復動軸２００の周面に当接される円環状のダストリップ３３０を有している。

環状ダストシール３００は、ゴム状弾性材料の弾性力により、オイルリップ３２０を往復動軸２００の外周面に圧接させている。また、環状ダストシール３００は、ゴム状弾性材料の弾性力により、ダストリップ３３０を往復動軸２００の外周面に圧接させている。これらオイルリップ３２０及びダストリップ３３０が往復動軸２００の外周面に圧接されることにより、ハウジング内が密封される。

環状ダストシール３００は、オイルリップ３２０により、ハウジング内の油をシールする。また、環状ダストシール３００は、ダストリップ３３０により、土砂等がハウジング内に浸入することを阻止する。この環状ダストシール３００は、ダストリップ３３０よりも油圧側にある油圧保持部品や、軸受、歯車等の摺動部品の良好な潤滑状態を長期維持させることにより、機器の長寿命化に貢献している。また、ダストリップ３３０は、往復動軸２００の外周面に適度の油膜を形成するようになっている。

特開２０１４−２１４７６９号公報

環状ダストシール３００は、ダストリップ３３０により外部異物のハウジング内への浸入を防止するため、往復動軸２００の外周面との間の隙間を密封できる弾性材料として、各種ゴム、ウレタン、ＰＴＦＥなどにより形成される。また、環状ダストシール３００は、往復動軸２００の外周面に固着した外部異物を掻き落とす必要もあることから、剛性が求められ、高硬度のゴムやウレタンなどの合成樹脂材料により形成される。

また、環状ダストシール３００は、往復動軸２００の外周面に対するシール接触圧力を高くして、往復動軸２００の外周面に固着した外部異物に対するシール性を高めることにより、機器の長寿命化に貢献することができる。

ところが、環状ダストシール３００は、往復動軸２００の外周面に対するシール接触圧力を高くすると、面圧勾配が高くなるため、軸がハウジング内方側へストロークする時に、ダストリップを通過する油膜が薄くなり、かき出し漏れが多くなるおそれがある。また、環状ダストシール３００は、シール接触圧力を高くするために、緊迫力を高くした場合、局所摩耗、ヘタリ（変形）、スティックスリップ（鳴き、振動）などが発生するおそれがある。

そこで、本発明は、優れたダストシール機能を有しながら、局所摩耗、ヘタリ（変形）やスティックスリップ（鳴き、振動）が改善された環状ダストシールを提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．
弾性材料からなり、ハウジングにより支持され、円環状のダストリップを有し、前記ハウジング内に配置され、先端側を大気側に突出させた往復動軸の外周面に前記ダストリップ表面を接触させる環状ダストシールであって、
前記ダストリップの縦断面において、該ダストリップの頂部より前記ハウジング内方側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径は、該ダストリップの頂部より大気側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径よりも、大きくなっていることを特徴とする環状ダストシール。
２．
前記ダストリップの頂部より前記ハウジング内方側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径は、該ダストリップの頂部より大気側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径の１．５倍〜４倍であることを特徴とする前記１記載の環状ダストシール。
３．
前記ダストリップの頂部より前記ハウジング内方側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径は、該ダストリップの頂部より大気側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径の２倍〜３倍であることを特徴とする前記１又は２記載の環状ダストシール。
４．
前記往復動軸の外周面に前記ダストリップ表面を接触させたときに、
大気側に臨む端面の、少なくとも前記往復動軸の外周面近傍は、該外周面の母線に対してなす角度が９０°以上となることを特徴とする前記１、２又は３記載の環状ダストシール。
５．
前記往復動軸の外周面に前記ダストリップ表面を接触させたときに、
大気側に臨む端面は、前記往復動軸の外周面に近い側ほど大気側に突出したテーパ形状となることを特徴とする前記１〜４の何れかに記載の環状ダストシール。

本発明によれば、優れたダストシール機能を有しながら、局所摩耗、ヘタリ（変形）やスティックスリップ（鳴き、振動）が改善された環状ダストシールを提供することができる。

本発明の環状ダストシールの第１の実施形態（装着状態）を示す縦断面図である。 図１に示す環状ダストシール（未装着状態）を示す縦断面図である。 図１に示す環状ダストシールの要部を示す要部拡大縦断面図である。 図１に示す環状ダストシールの往復動軸に対する接触圧力を示すグラフである。 本発明の環状ダストシールの第２の実施形態（未装着状態）を示す縦断面図である。 図５に示す環状ダストシールの要部を示す要部拡大縦断面図である。 図５に示す環状ダストシールの往復動軸に対する接触圧力を示すグラフである。 従来の環状ダストシールを示す縦断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の環状ダストシールの第１の実施形態（装着状態）を示す縦断面図である。

この環状ダストシール１の第１の実施形態は、建設機械の油圧シリンダやサスペンション、及び自動車のショックアブソーバ等においてロッドシールに用いられる。本実施の形態は、建設機械、土木機械、運搬車輌等のアクチュエータとして用いられる油圧シリンダ（全体を図示せず）に採用されるロッドシーリングシステムへの適用例である。

図１に示すように、ロッドシーリングシステムは、往復直線運動をする可動部としてのピストンロッド１０２と、このピストンロッド１０２を収納する固定部としてのシリンダハウジング１０１との間に設けられている。ロッドシーリングシステムはハウジング１０１により支持されている。ハウジング１０１は、大気側（図１中右方）が開口部１０１ａとされ、図示しない油圧側（図１中左方、内方側）が閉蓋されている。

ハウジング１０１内には、往復動軸（ロッド）１０２が配置されている。この往復動軸１０２は、先端側一方をハウジング１０１内の油圧側に位置させ、先端側他方をハウジング１０１の開口部１０１ａより突出させている。往復動軸１０２は、図１中矢印Ａで示すように、軸方向に往復動可能となっている。往復動軸１０２は、ハウジング１０１内の流体によって、軸方向への往復動の速度が規制される。

ロッドシーリングシステムは、ロッドパッキン（図示せず）と、ロッドパッキンの油圧側に配置されたバッファリング（図示せず）と、ロッドパッキンの大気側に配置されたダストシール１とを備えている。したがって油圧側から大気側に向かい、バッファリング、ロッドパッキン、ダストシール１の順に配列されている。

ロッドパッキンは、外部への作動油の漏れを防止するメインシールとなるもので、円環状のＵパッキンを主体として、このＵパッキンに平形ワッシャ状のバックアップリングを隣接させた構造のものである。これらのＵパッキンとバックアップリングとは、ともにシリンダハウジング１０１の内周面に設けられた装着溝に収納されている。

バッファリングは、高負荷時の衝撃圧や変動圧を緩衝したり、高温の作動油がロッドパッキンの側へ流入することを抑止したりして、ロッドパッキンの耐久性を維持する役割を果たしている。このようなバッファリングは、円環状のＵパッキンを主体として、このＵパッキンのヒール部にバックアップリングを嵌め込んだ構造のものである。これらのＵパッキンとバックアップリングとは、ともにシリンダハウジング１０１の内周面に設けられた装着溝に収納されている。

図２は、図１に示す環状ダストシール（未装着状態）を示す縦断面図である。

環状ダストシール１は、図２に示すように、弾性材料により、一体的に円環状に形成されている。環状ダストシール１をなす材料としては、往復動軸１０２の外周面１０２ａとの間の隙間を密封できる弾性材料として、各種ゴム、ウレタン、ＰＴＦＥなどの合成樹脂材料が好ましい。

環状ダストシール１は、外周側に金属環２が取付けられている。金属環２は、円環板部２ａと、この円環板部２ａの外周部分が屈曲されて形成された円筒部２ｂとを有している。金属環２は、円筒部２ｂを環状ダストシール１の外周面に沿わせ、円環板部２ａが環状ダストシール１に埋設されることにより、環状ダストシール１に取付けられている。

環状ダストシール１は、図１に示すように、ハウジング１０１に形成された環状溝１０３内に配置されている。環状溝１０３は、ハウジング１０１の開口部１０１ａの近傍に位置し、往復動軸１０２の外周面１０２ａを囲んで、往復動軸１０２に同軸に形成されている。

環状ダストシール１は、図１及び図２に示すように、油圧側（内方側）に、往復動軸１０２の外周面に接触される円環状のオイルリップ３を有している。また、環状ダストシール１は、大気側に、往復動軸１０２の外周面に接触される円環状のダストリップ４を有している。

環状ダストシール１は、弾性材料の弾性力により、オイルリップ３の表面を往復動軸１０２の外周面１０２ａに圧接させている。また、環状ダストシール１は、弾性材料の弾性力により、ダストリップ４の表面を往復動軸１０２の外周面１０２ａに圧接させている。これらオイルリップ３及びダストリップ４が往復動軸１０２の外周面１０２ａに圧接されることにより、ハウジング１０１内が密封される。

図３は、図１に示す環状ダストシールの要部を示す要部拡大縦断面図である。

ダストリップ４の表面は、トーラス形状に形成され、図３に示すように、縦断面が円弧状となされている。ダストリップ４の縦断面において、ダストリップ４の頂部４ｃより油圧側における凸曲率を有する表面４ｂの平均曲率半径（≒（Ｒ１＋Ｒ２）／２）は、ダストリップ４の頂部４ｃより大気側における凸曲率を有する表面４ａの平均曲率半径（＝Ｒ２）よりも、大きくなっている。

ダストリップ４の縦断面において、ダストリップ４の頂部４ｃより油圧側における凸曲率を有する表面４ｂの平均曲率半径（≒（Ｒ１＋Ｒ２）／２）は、ダストリップ４の頂部４ｃより大気側における凸曲率を有する表面４ａの平均曲率半径（Ｒ２）の１．５倍〜４倍であることが好ましい。

ダストリップ４の縦断面において、ダストリップ４の頂部４ｃより油圧側における凸曲率を有する表面４ｂの平均曲率半径（≒（Ｒ１＋Ｒ２）／２）は、ダストリップ４の頂部４ｃより大気側における凸曲率を有する表面４ａの平均曲率半径（Ｒ２）の２倍〜３倍であることがさらに好ましい。

この実施形態のように、建設機械の油圧シリンダやサスペンション、及び自動車のショックアブソーバにおけるロッドシールに用いられる場合の一般的な材質、温度条件及びダストの種類において、油圧側の曲率半径Ｒ１は、０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、大気側の曲率半径Ｒ２は、０．１５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度であることが好ましい。ただし、これらの具体的数値の最適値は、環状ダストシール１をなす材質や、温度条件、ダストの種類等によって変動する。

図４は、図１に示す環状ダストシールの往復動軸に対する接触圧力を示すグラフである。

図４において、接触圧力が正になっている領域は、ダストリップ４が弾性変形して潰れて往復動軸１０２の外周面１０２ａに接触している領域である。この接触領域の大気側が横軸右端であり、横軸左側が油圧側への距離を示している。

図４中の従来品において、接触圧力が最大となっている箇所は、ダストリップの頂部である。本実施形態の環状ダストシール１においては、頂部４ｃの位置は従来品と同じであるが、ダストリップ４の表面の曲率半径の違いから、頂部４ｃにおいて接触圧力が最大とならないことがある。

ダストリップ４の往復動軸１０２の外周面１０２ａに対する接触圧力は、図４に示すように、前述した従来品に比較して、ピーク値が低くなっており、また、ピーク値をとる部分の軸方向長さが油圧側に長くなっている。接触圧力が必要面圧ｐを超えている必要面圧幅ｗ１が、従来品よりも広くなっている。これは、油圧側の曲率半径Ｒ１を大きくしたためである。図４に示す従来品と本実施形態の環状ダストシール１とは、材質、全体形状、温度条件等が同一のものである。

ダストリップ４は、油圧側の曲率半径Ｒ１が大きいことにより、往復動軸１０２の外周面１０２ａに対する接触圧力が下がり、局所摩耗、ヘタリ（変形）やスティックスリップ（鳴き、振動）が防止され、液体（油）の掻き出し漏れが防止される。また、往復動軸１０２外周面１０２ａに付着した液体膜（油膜等）が適度な厚さとなる。そして、ダストリップ４は、大気側の曲率半径Ｒ２が小さいことにより、往復動軸１０２の外周面１０２ａに対して十分な接触圧力をかけるので、優れたダストシール機能を有する。

すなわち、この環状ダストシール１は、外部異物（土砂、鉱石、油、水、氷、樹液等）がハウジング１０１内に浸入することを阻止するダストシール機能が優れており、環状ダストシール１よりも油圧側にある油圧保持部品や、軸受、歯車等の摺動部品を良好な潤滑状態とする。この環状ダストシール１は、優れたダストシール機能を長期維持することができ、機器の長寿命化に貢献することができる。

〔第２の実施形態〕
図５は、本発明の環状ダストシールの第２の実施形態（未装着状態）を示す縦断面図であり、図６は、図５に示す環状ダストシールの要部を示す要部拡大縦断面図である。図５及び図６において、図１〜図３と同一符号の部位は同一構成の部位であるため、これらの説明は上記実施形態の説明を援用し、ここでは省略する。

環状ダストシール１は、図５及び図６に示すように、大気側に臨む大気側端面１ａが、装着状態において、往復動軸１０２の外周面１０２ａに近い側ほど大気側に突出したテーパ形状となっていることが好ましい。

このように、大気側端面１ａの形状が、往復動軸１０２の外周面１０２ａに近い側ほど大気側に突出したテーパ形状であることにより、大気側端面１ａにより、外周面１０２ａに付着した異物の掻き落としを良好に行うことができる。

また、環状ダストシール１の大気側端面１ａは、円錐面（縦断面が直線）である必要はなく、少なくとも往復動軸１０２の外周面１０２ａ近傍が、装着状態において、外周面１０２ａの母線に対してなす角度が９０°以上であればよい。

環状ダストシール１は、大気側端面１ａの外周面１０２ａ近傍が、外周面１０２ａの母線に対して９０°以上の角度をなすことにより、外周面１０２ａに付着した異物の掻き落としを良好に行うことができる。大気側端面１ａの外周面１０２ａ近傍が、外周面１０２ａの母線に対して９０°未満の角度である場合には、外周面１０２ａに付着した異物は、往復動軸１０２の往復動に伴って、良好に掻き落とされずに、往復動軸１０２及び環状ダストシール１の間に浸入してしまうおそれがある。

なお、環状ダストシール１は、図５に示すように、往復動軸１０２の周囲に装着していない状態においては、大気側端面１ａは、装着される往復動軸１０２の外周面１０２ａの母線に対してなす角度が９０°未満であって、外周面１０２ａから遠くなる側ほど大気側に突出したテーパ形状となっていてもよい。すなわち、環状ダストシール１は、図６に示すように、往復動軸１０２の周囲に装着されたときに、往復動軸１０２の外周面１０２ａに押圧されて変位し、大気側端面１ａの外周面１０２ａの母線に対してなす角度が９０°以上になり、外周面１０２ａに近い側ほど大気側に突出したテーパ形状となる。このときの環状ダストシール１の変位量が、しめ代となる。

図７は、図５に示す環状ダストシールの往復動軸に対する接触圧力を示すグラフである。

図７において、接触圧力が正になっている領域は、ダストリップ４が弾性変形して潰れて往復動軸１０２の外周面１０２ａに接触している領域である。この接触領域の大気側が横軸右端であり、横軸左側が油圧側への距離を示している。

図７中の従来品において、接触圧力が最大となっている箇所は、ダストリップの頂部である。本実施形態の環状ダストシール１においては、頂部４ｃの位置は従来品と同じであるが、ダストリップ４の表面の曲率半径の違いから、頂部４ｃにおいて接触圧力が最大とならないことがある。

この実施形態においても、ダストリップ４の往復動軸１０２の外周面１０２ａに対する接触圧力は、図７に示すように、前述した従来品に比較して、ピーク値が低くなっており、また、ピーク値近傍をとる部分の軸方向長さが油圧側に長くなっている。接触圧力が必要面圧ｐを超えている必要面圧幅ｗ２が、従来品よりも広くなっている。これは、油圧側の曲率半径Ｒ１を大きくしたためである。図７に示す従来品と本実施形態の環状ダストシール１とは、材質、全体形状、温度条件等が同一のものである。

したがって、この環状ダストシール１は、ダストシール機能が優れており、また、優れたダストシール機能を長期維持することができ、機器の長寿命化に貢献することができる。また、本実施形態の環状ダストシール１は、大気側端面１ａにより、往復動軸１０２の外周面１０２ａに付着した異物の掻き落としを良好に行うことができる。

以上の各実施形態の説明における具体的な構成、形状、材質、動作及び数値等は、本発明を説明するための例示に過ぎず、これらによって本発明が限定的に解釈されることがあってはならない。

また、以上説明した環状ダストシールは、建設機械、土木機械、運搬車輌等のアクチュエータとして用いられる油圧シリンダのロッドシーリングシステムに用いているが、この環状ダストシールは、油圧シリンダのロッドシーリングシステムに限られずに、シャフトの周囲においてハウジング内を大気からシールする必要がある装置であれば、あらゆる装置に適用可能である。

１： 環状ダストシール
１ａ： 大気側端面
２： 金属環
３： オイルリップ
４： ダストリップ
４ａ： ダストリップの頂部より大気側における凸曲率を有する表面
４ｂ： ダストリップの頂部より油圧側における凸曲率を有する表面
Ｒ１： 油圧側の曲率半径
Ｒ２： 大気側の曲率半径
１０１： ハウジング
１０１ａ：開口部
１０２： 往復動軸（ロッド）
１０２ａ：外周面
１０３： 環状溝

Claims (5)

1. 弾性材料からなり、ハウジングにより支持され、円環状のダストリップを有し、前記ハウジング内に配置され、先端側を大気側に突出させた往復動軸の外周面に前記ダストリップ表面を接触させる環状ダストシールであって、
   前記ダストリップの縦断面において、該ダストリップの頂部より前記ハウジング内方側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径は、該ダストリップの頂部より大気側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径よりも、大きくなっていることを特徴とする環状ダストシール。
2. 前記ダストリップの頂部より前記ハウジング内方側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径は、該ダストリップの頂部より大気側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径の１．５倍〜４倍であることを特徴とする請求項１記載の環状ダストシール。
3. 前記ダストリップの頂部より前記ハウジング内方側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径は、該ダストリップの頂部より大気側における凸曲率を有する表面の平均曲率半径の２倍〜３倍であることを特徴とする請求項１又は２記載の環状ダストシール。
4. 前記往復動軸の外周面に前記ダストリップ表面を接触させたときに、
   大気側に臨む端面の、少なくとも前記往復動軸の外周面近傍は、該外周面の母線に対してなす角度が９０°以上となることを特徴とする請求項１、２又は３記載の環状ダストシール。
5. 前記往復動軸の外周面に前記ダストリップ表面を接触させたときに、
   大気側に臨む端面は、前記往復動軸の外周面に近い側ほど大気側に突出したテーパ形状となることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の環状ダストシール。

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