KR101487636B1

KR101487636B1 - 시일 링

Info

Publication number: KR101487636B1
Application number: KR1020137016774A
Authority: KR
Inventors: 준야 나가이; 미카 사이토; 도모야 시바노
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2015-01-29
Also published as: US20140319779A1; MX2013012407A; EP2653756B1; US9506564B2; WO2013094654A1; CN103339423B; JP5337926B1; CN103339423A; JPWO2013094654A1; EP2653756A4; EP2653756A1; KR20130100003A

Abstract

본 발명은, 저프릭션 특성과 저누설 특성을 겸비하며, 자동 변속기의 구동 손실을 개선하여 자동차의 연비 향상에 공헌할 수 있는 시일 링을 제공한다.
본 발명의 시일 링은, 축의 외주면에 형성된 축홈에 장착되는 시일 링의 적어도 축홈과 접촉하는 측면의 내주측에, 기둥부를 거쳐 둘레 방향으로 이격시킨 복수의 오목부를 형성한다. 오목부는 축방향 폭이 가장 큰 최심부와 최심부의 둘레 방향 양측에 위치하는 2개의 경사부로 구성하며, 회전 방향 반대측에 위치하는 경사부와 인접하는 기둥부를, 기둥부를 향한 볼록형의 곡면으로 연결하고, 또한 회전 방향측의 경사부의 둘레 방향 폭을 회전 방향 반대측의 경사부의 둘레 방향 폭보다 작게 한다.

Description

시일 링{SEAL RING}

본 발명은 시일 링에 관한 것으로, 특히 자동차의 자동 변속기 등의 유압 기기에 이용되는 시일 링에 관한 것이다.

최근 자동차의 연비 향상을 도모하기 위해, 자동 변속기의 구동 손실의 저감이 요구되고 있다. 자동 변속기에는, 유압 시일을 목적으로 시일 링이 장착되지만, 시일 링의 프릭션 로스는 자동 변속기의 구동 손실로 이어진다. 그 때문에, 시일 링의 프릭션의 저감이 중요한 과제가 되었다. 또한, 자동 변속기의 오일 펌프의 용량은, 구동 손실 중에서 큰 비중을 차지하기 때문에, 시일 링으로부터의 오일 누설량을 저감하고, 오일 펌프를 소용량화하는 것이 요구되고 있다. 이와 같이, 자동 변속기의 구동 손실을 저감하고, 자동차의 연비를 향상시키기 위해, 시일 링에는 저프릭션 및 저누설 기능이 요구되고 있다.

도 1에 시일 링을 이용한 유압 회로의 기본 구조를 도시한다. 시일 링(1)은, 축(2)의 외주면의 유압 통로(3)의 축방향 양측에 형성된 축홈(링홈)(4)에 장착된다. 유압 통로(3)로부터 공급되는 작동유를 시일 링의 수압측면(受壓側面)(11)과 내주면(12)에서 받고, 시일 링의 외주면(13)이 하우징(5)의 내면과 접촉하며, 시일 링의 접촉측면(14)이 축홈(4)의 측면과 접촉함으로써, 유압을 시일한다. 일반적으로는 축(2)이 회전하고 하우징(5)이 고정되지만, 그 반대의 조합도 있다.

시일 링의 프릭션(프릭션 로스)을 저감하기 위해서는, 통상, 슬라이딩 주체면이 되는 시일 링의 접촉측면을 링홈에 압박하는 수압 하중을 저감하는 수법이 채택되고 있다. 구체적으로는, 시일 링의 접촉측면과 링홈의 사이에 공급 유압이 작용하는 단면 형상을 갖는 시일 링을 채택하여, 캔슬 하중의 작용에 의해 수압 하중을 저감시키고 있다.

특허문헌 1에는, 시일 링의 측면을, 외주측으로부터 내주측으로 갈수록 축방향 폭이 작아지는 테이퍼 형상으로 함으로써, 시일 링 측면과 링홈의 사이에 캔슬 하중을 발생시켜, 수압 하중의 저감을 도모하는 방법이 기재되어 있다. 측면 테이퍼 형상은, 수압 하중을 대폭 저감할 수 있어, 현재 가장 프릭션이 작은 시일 링의 형상으로서 알려져 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 적어도 접촉측면의 내주측에 둘레 방향으로 이격되어 형성된 오목부(포켓)(6)와 오목부(6) 사이에 배치된 기둥부(7)를 갖는 시일 링이 기재되어 있다. 도 2의 (B) 및 (C)에 도시하는 바와 같이, 오목부(6)는, 내주 방향으로 갈수록 시일 링의 축방향 폭(두께)이 얇아지도록 마련된 최심 경사부(51)와, 최심 경사부(51)의 둘레 방향 양측에 위치하고, 인접하는 기둥부(7)의 가장 내주측의 점을 향하여 수속되는 수속부(52)로 이루어진다. 이 구성에서는, 시일 링의 회전에 의해, 오목부(6) 내에 채워진 오일을 수속부(52)의 사면(斜面)에서 스로틀함으로써 발생하는 양력(60)과, 접촉측면의 오목부(6)에 유압이 작용하여, 프레스 하중을 저감시키는 효과[캔슬압(61)]에 의해 프릭션이 저감된다. 또한, 특허문헌 2의 시일 링에서는, 도 2의 (D)에 도시하는 바와 같이, 시일 링의 측면이 링홈과 면에서 슬라이딩 접촉하기 때문에, 이음매 간극의 누설 유로가 형성되지 않아, 저누설 특성을 얻을 수 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 시일 링의 측면에, 내주면에 개구되며, 회전축의 회전 방향으로 진행됨에 따라서 내주면측의 최심부(最深部)로부터 외경 방향 및 둘레 방향으로 넓어지고, 또한 최심부로부터 외경 방향 및 둘레 방향으로 서서히 얕아지는 홈을 형성한 시일 링이 개시되어 있다. 이 구성에서는, 고리형 홈의 반밀봉 유체측의 측벽면과 슬라이딩하는 측면에 넓게 오일막을 형성할 수 있어 측벽면과의 직접적인 접촉을 없애고, 마모를 저감할 수 있어 내구성이 우수하다는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 1의 시일 링에서는, 시일 링의 측면과 링홈의 슬라이딩 접촉이 선접촉이 되고, 슬라이딩 직경이 시일 링의 이음매 간극 상에 위치하기 때문에, 이음매 간극으로부터 오일의 누설(리크)이 발생한다고 하는 문제가 있다. 한편, 특허문헌 2의 오목부를 채택함으로써, 프릭션은 저감되지만, 특허문헌 1의 시일 링에는 미치지 않아, 한층 더 프릭션의 저감이 요구되고 있다. 또한, 특허문헌 3의 오일홈(오목부) 구성에서는, 오일의 스로틀에 의한 양력의 발생은 기대할 수 없어, 프릭션의 저감에는 한계가 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제3437312호 공보 특허문헌 2 : WO2004/090390 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2006-9897호 공보

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 저프릭션 특성과 저누설 특성을 겸비하고, 자동 변속기의 구동 손실을 저감시켜, 자동차의 연비 향상에 공헌할 수 있는 시일 링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 감안하여 예의 연구한 결과, 본 발명자들은, 축홈과 접촉하는 측면의 내주측에 둘레 방향으로 이격시켜 복수의 오목부를 형성하고, 그 사이에 기둥부를 배치한 시일 링에 있어서, 오목부를, 축방향 폭이 가장 큰 최심부와, 그 둘레 방향 양측에 위치하는 2개의 경사부로 구성하고, 회전 방향 반대측에 위치하는 경사부와 인접하는 기둥부를, 기둥부를 향한 볼록형의 곡면으로 연결하고, 또한 회전 방향측의 경사부의 둘레 방향 폭을, 회전 방향 반대측의 경사부의 둘레 방향 폭보다 작게 함으로써, 저누설 특성을 유지하면서 프릭션이 저감되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다. 즉, 본 발명의 시일 링은, 축의 외주면에 형성된 축홈에 장착되고, 적어도 축홈과 접촉하는 측면의 내주측에, 둘레 방향으로 이격시켜 형성한 복수의 오목부와, 오목부 사이에 배치한 기둥부를 구비한 시일 링으로서, 오목부를, 축방향 폭이 가장 큰 최심부, 및 최심부의 둘레 방향 양측에 위치하는 2개의 경사부로 구성하며, 회전 방향 반대측에 위치하는 경사부와 인접하는 기둥부를, 기둥부를 향한 볼록형의 곡면으로 연결하고, 또한 회전 방향측의 경사부의 둘레 방향 폭을, 회전 방향 반대측의 경사부의 둘레 방향 폭보다 작게 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 회전 방향 반대측의 경사부와 인접하는 기둥부를, 기둥부를 향한 볼록형의 곡면으로 연결하고, 또한 회전 방향측의 경사부의 둘레 방향 폭을, 회전 방향 반대측의 경사부의 둘레 방향 폭보다 작게 한다. 이 구성에서는, 축(또는 하우징)이 회전함으로써, 회전 방향 반대측의 경사부(면)의 선단에 오일이 스로틀되고 양력이 발생하여(쐐기 효과), 프릭션이 저감된다. 여기서, 오목부의 회전 방향 반대측은 기둥부와 완만한 경사 곡면으로 연결되어 있기 때문에, 스로틀 효과가 향상되고 양력이 증가하기 때문에, 우수한 프릭션 저감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 쐐기 효과를 기대할 수 없는 회전 방향측의 경사면을 최대한 줄임으로써, 더욱 쐐기 효과가 향상되어 프릭션을 저감할 수 있다. 그리고, 본 발명의 시일 링에서는, 접촉측면과 링홈측면이 면으로 접촉하기 때문에, 오일의 누설도 억제할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 시일 링은, 저프릭션 및 저누설 양자 모두의 특성을 겸비하므로, 자동 변속기의 구동 손실을 효과적으로 저감할 수 있다.

도 1은 시일 링이 장착된 유압 회로를 도시하는 단면도이다.
도 2는 특허문헌 2에 기재된 시일 링의 구조를 도시하는 평면도(A), 사시도(B), 오목부 형상을 내주면에서 본 원주 방향의 직동 전개도(C) 및 특허문헌 2에 기재된 시일 링이 링홈에 장착된 상태를 도시하는 개략도(D)이다.
도 3은 본 발명의 시일 링의 일 양태를 도시하는 사시도(A) 및 (A)의 시일 링의 오목부 형상을 내주면에서 본 원주 방향의 직동 전개도(B)이다.
도 4는 본 발명의 시일 링의 다른 양태를 도시하는 사시도(A) 및 (A)의 시일 링의 접촉측면의 스캔 화상(B)이다.
도 5는 본 발명의 시일 링의 이음매의 일 양태를 도시하는 사시도이다.
도 6은 프릭션 측정 장치를 도시하는 개략도이다.
도 7은 실시예 1∼실시예 5(●) 및 실시예 6∼실시예 10(■)의 시일 링의 최심부 깊이와 프릭션의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 8은 내벽의 길이와 프릭션의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9는 실시예 8 및 비교예 1의 시일 링의 회전수와 프릭션의 관계를 도시하는 그래프이다.

이하에 본 발명의 시일 링에 관해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3의 (A)에는, 본 발명의 시일 링의 일 양태의 사시도를 도시하고, 도 3의 (B)에는, (A)의 시일 링의 내주면으로부터 본 원주 방향의 직동 전개도를 도시한다. 한편, 이하의 기재에 있어서, 상기 전개도에서의 직선부를 평면 또는 평탄면이라고 하고, 곡선부를 곡면이라고 한다. 도 3의 (A) 및 (B)에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 시일 링은, 오목부(6)의 회전 방향 반대측의 단부가, 기둥부(7)를 향한 볼록형의 곡면, 즉 내주면으로부터 본 원주 방향의 직동 전개도[도 3의 (B)]에 있어서, 위로 볼록형의 곡면으로 이루어진 스로틀부(20)로 구성되고, 기둥부(7)와 완만하게 연결되어 있다. 한편, 도면에서는, 오목부(6)의 회전 방향측의 단부는, 최심부(21)로부터 기둥부(7)까지 급한 경사부(면)(23)로 연결되어 있다. 이 때문에, 시일 링이 회전함으로써, 회전 방향 반대측의 스로틀부(20) 선단에 오일이 스로틀되고 양력이 발생하여(쐐기 효과), 프릭션이 저감된다. 여기서, 오목부(6)의 회전 방향 반대측의 단부와 기둥부(7)가 완만한 경사 곡면으로 연결되어 있기 때문에, 스로틀 효과가 향상되고 양력이 증가하여, 프릭션이 더욱 저감된다. 또한, 쐐기 효과를 기대할 수 없는 회전 방향측은, 급한 경사면(23)으로 구성함으로써 사면 면적을 최대한 줄여, 대부분이 쐐기 효과를 갖는 사면으로 구성된 오목부(6) 구조로 했다. 이에 따라, 더욱 쐐기 효과가 향상되어, 프릭션을 저감할 수 있다. 회전 방향측의 경사면의 둘레 방향 폭을, 회전 방향 반대측의 경사면의 둘레 방향 폭보다 작게 하여, 쐐기 효과를 발휘하지 않는 경사면의 면적을 감소시킴으로써 프릭션 저감 효과를 얻을 수 있다. 보다 우수한 프릭션 저감 효과를 얻기 위해서는, 회전 방향측의 경사면의 둘레 방향 폭을, 회전 방향 반대측의 경사면의 둘레 방향 폭을 100으로 하여 0 초과, 10 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이형성 등을 고려하면, 회전 방향측의 경사면(23)의 경사 각도 θ, 즉 경사면(23)과 시일 링측면이 이루는 각도는 8°∼45°로 하는 것이 바람직하다.

도 3의 (B)에서는, 최심부(21)는, 소정의 둘레 방향 길이 b를 가지며, 측면과 평행한 평탄면으로 형성되어 있다. 그리고, 회전 방향 반대측의 최심부(21)의 한쪽 단부로부터 스로틀부(20)를 향하고, 최심부(21)를 향한 볼록형, 즉 도 3의 (B)에 있어서 아래로 볼록형의 곡면으로 이루어진 사면부(斜面部)(22)가 형성되어 있다. 그리고, 사면부(22)와 스로틀부(20)의 경계도 완만한 곡면으로 연결되어 있다. 사면부(22)를 이러한 구성으로 함으로써, 보다 우수한 프릭션 저감 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명의 시일 링의 사면부(22)는, 이러한 곡면에 한정되지 않고, 평면 단독으로 해도, 평면과 곡면으로 이루어진 구성으로 해도 좋다.

또한, 도 3의 (B)에서 최심부(21)는 소정의 둘레 방향 길이 b를 가지며, 측면과 평행한 평탄면으로 형성되어 있지만, 평탄면을 형성하지 않는 구성으로 할 수도 있다. 예컨대, 회전 방향 반대측의 오목부(6)의 선단으로부터 스로틀부(20)와 사면부(22)의 경계까지를, 기둥부(7)를 향한 볼록형, 즉 도 3의 (B)에 있어서 위로 볼록형의 곡면으로 형성하고, 스로틀부(20)와 사면부(22)의 경계로부터 최심부(21)까지를, 최심부(21)를 향한 볼록형, 즉 도 3의 (B)에 있어서 아래로 볼록형인 하나의 곡면으로 이루어진 사면부(22)로 형성하며, 최심부(21)에 도달 후, 즉 급한 경사면(23)으로 기둥부(7)에 연결하는 오목부(6) 구성으로 할 수도 있다. 단, 보다 우수한 프릭션 저감 효과를 얻기 위해서는, 최심부(21)는, 측면과 평행한 평탄면으로 구성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 최심부(21)의 둘레 방향의 폭 b는, 1개의 오목부(6)의 둘레 방향 폭 a를 100으로 하여 2∼20으로 하는 것이 바람직하고, 8∼16으로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 스로틀부(20)의 R 곡면의 새그 길이 c, 즉 오목부(6) 선단으로부터 스로틀부(20)와 사면부(22)의 경계까지의 둘레 방향 폭은, 스로틀부(20)와 사면부(22)로 구성되는 회전 방향 반대측의 경사부의 둘레 방향 폭의 합(c+d)을 100으로 하여, 5∼20으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 스로틀부(20)의 깊이 e, 즉, 스로틀부(20)와 사면부(22)의 경계에서의 축방향의 감퇴량은, 오목부(6)의 최심부(21)의 깊이 h(축방향의 감퇴량)를 100으로 하여, 0 초과, 20 이하로 하는 것이 바람직하다.

오목부(6)의 수(1개의 시일 링의 한쪽 측면에 형성되는 오목부의 수)는, 시일 링의 사이즈에 따르지만, 외경(호칭경)이 20 mm∼70 mm 정도인 시일 링에서는, 4개∼16개가 바람직하다. 오목부(6)의 둘레 방향 폭은, 프릭션의 저감 효과에 큰 영향을 미치는 인자이며, 둘레 방향 폭이 작은 오목부(6)를 다수 형성하는 것보다, 둘레 방향 폭이 큰 오목부(6)를 형성하는 편이 현저한 프릭션 저감 효과가 보인다. 오목부(6) 1개당 둘레 방향 폭 a는, 시일 링의 외주 길이를 100으로 하여, 3∼25인 것이 바람직하고, 5∼15인 것이 보다 바람직하다. 또한, 오목부(6) 1개당 둘레 방향 폭 a는, 기둥부(7) 1개당 둘레 방향 폭 f의 5배∼20배로 하는 것이 바람직하다. 오목부(6)의 깊이 h, 즉 최심부(21)의 축방향 감퇴량은, 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여, 2∼17로 하는 것이 바람직하고, 5∼10으로 하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 시일 링에는, 도 4의 (A)에 도시하는 바와 같이, 오목부(6)의 내주측에 내벽(8) 및 내주면(12)을 향하여 개구된 오일 도입 구멍(10)을 형성할 수도 있다. 여기서 내벽(8)은, 스로틀부(20)와 사면부(22)로 구성되는 경사부의 선단으로부터 내측 둘레 단부를 따라서 둘레 방향으로 연장되고, 오목부(6)의 회전 방향측에 내주면(12)을 향하여 개구된 오일 도입 구멍(10)이 형성되어 있다. 오목부(6)의 내주측(단부)에 내벽(8)을 마련함으로써, 스로틀된 오일의 쐐기 사면으로부터 내주면(12)으로의 흐름이 억제되고, 쐐기 단면의 깊이와 원주 방향의 삼차원에서의 스로틀 효과에 의해, 더욱 큰 양력이 작용한다. 이 때문에, 기둥부(7)에 오일막이 형성되며, 기둥부(7)가 부상하는 동시에, 오목부(6)의 외주측에 위치하는 고리형의 시일면에 대한 오일의 개재가 촉진되고, 시일면이 유체 윤활 상태로 이행되어, 마찰계수가 저감된다. 또한, 접촉측면의 오목부(6)에 유압이 작용하고, 프레스 하중이 저감된다. 이들의 시너지 효과에 의해, 프릭션이 더욱 저감된다. 본 발명의 시일 링에서는, 오목부(6)의 회전 방향 반대측은, 기둥부(7)와 오목부(6)가 완만한 경사가 되는 R 형상으로 연결되어 있기 때문에, 내벽(8)을 마련함으로써, 종래의 시일 링보다 더욱 윤활화가 촉진되고, 마찰계수가 저감되기 때문에, 프릭션이 더욱 저감된다.

또한, 도 4의 (A)에서는, 회전 방향 반대측의 경사면에만 내벽(8)을 마련하고 있다. 시일 링(축)이 우회전함으로써, 회전 방향 반대측(좌측)의 스로틀부 선단에 오일이 스로틀되어, 양력이 발생한다(쐐기 효과). 이와 같이 쐐기 효과는 회전 방향 반대측의 스로틀부(20)에서 발생하고, 한편, 회전 방향측에서는 사면의 오일막이 형성되기 어려워, 윤활 상태가 저해되는 경향이 있기 때문에, 회전 방향 반대측에만 내벽을 설치함으로써, 더욱 프릭션이 저감된다. 또한, 본 발명의 시일 링에서는, 쐐기 효과를 기대할 수 없는 회전 방향측의 사면을 최대한 줄이고, 대부분이 쐐기 효과를 갖는 사면으로 구성되어 있기 때문에, 내벽(8)을 마련함으로써 쐐기 효과가 더욱 향상되어, 프릭션을 저감할 수 있다.

내벽(8)의 둘레 방향 길이는, 1개의 오목부(6)의 둘레 방향 길이를 100으로 하여, 5∼95로 하는 것이 바람직하고, 50∼95로 하는 것이 보다 바람직하다. 이 범위에서는, 보다 우수한 쐐기 효과를 얻을 수 있어, 프릭션이 더욱 저감된다.

도 4의 (B)에는, 도 4의 (A)의 시일 링의 접촉측면의 스캔 화상을 도시한다. 여기서, 내벽(8)은, 오목부(6)의 스로틀부(20) 및 사면부(22)로 구성되는 경사부측의 선단으로부터 약 4.5 mm의 지점으로부터 오목부(6) 선단으로 갈수록 직경 방향 폭이 커지도록, 즉 오목부(6)의 직경 방향 폭이 작아지도록 경사 각도 4°로 경사져 있다. 또한, 오목부(6)의 외주측의 시일면은, 오목부(6)의 선단부로 갈수록 직경 방향 폭이 커지도록, 즉, 오목부(6)의 직경 방향 폭이 작아지도록 경사 각도 3°로 경사져 있다. 이와 같이, 본 형태의 시일 링에서는, 선단부로 갈수록 직경 방향 폭이 작아지고, 또한 축방향 폭도 작아지는(깊이가 얕아지는) 끝이 가늘어지는 형상의 오목부(6)를 갖기 때문에, 삼차원의 스로틀 효과가 더욱 향상된다. 이 때문에, 양력이 증가하고, 유체 윤활이 되어, 프릭션이 더욱 저감된다. 또한, 본 형태에서는, 오목부(6)의 선단은 곡면으로 형성되어 있다.

도면에서는, 내벽(8)의 축방향의 높이는, 측면의 높이와 거의 같게 설정되고, 즉 내벽(8)의 선단면과, 오목부(6)가 형성되어 있지 않은 측면이 동일 평면이 되도록 설정되어 있다. 그리고, 내벽(8)은 오목부(6)의 둘레 방향의 일부(회전 방향 반대측)에 배치되고, 내벽(8)과 기둥부(7) 사이에, 내주면(12)을 향하여 개구된 오일 도입 구멍(10)이 형성되어 있다. 그러나, 오일 도입 구멍(10)의 구성은, 이에 한정되지 않고, 오목부(6)의 둘레 방향 전체에 걸쳐서 내벽(8)을 형성하며, 축방향의 높이를 부분적으로 시일 링측면보다 낮아지도록 함으로써, 오일 도입 구멍으로 할 수도 있다.

본 발명의 시일 링은, 장착성을 고려하여 이음매를 형성하지만, 이음매 형상은 특별히 한정되지 않고, 직각(스트레이트) 이음매, 경사(앵글) 이음매, 단차식(스텝) 이음매 외에, 더블 앵글 이음매, 더블 컷 이음매 및 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매 등을 채택할 수 있다. 이음매 간극부로의 오일의 유통을 차단하고, 시일성을 향상시키기 위해서는, 더블 앵글 이음매, 더블 컷 이음매 및 트리플 스텝 이음매가 바람직하다.

본 발명의 시일 링의 재료는, 특별히 한정되지 않고, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌술파이드(PPS), 폴리이미드(PI) 등 외에, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 변성 폴리테트라플루오로에틸렌, 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 등의 불소계 수지 등이 이용된다. 일반적으로, 이들 수지에 카본 분말이나 카본 섬유 등의 첨가제를 충전한 재료가 바람직하게 이용된다.

본 발명의 시일 링의 제조방법은, 특별히 한정되지 않지만, 시일 링 재료로서, PEEK, PPS, PI 등의 열가소성 수지를 이용하는 경우는, 사출 성형으로 제조하는 것이 바람직하다. 사출 성형용 금형을 이용함으로써, 복잡한 오목부 구조나 내벽 구조를 갖는 시일 링도 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 불소계 수지를 이용하는 경우에는, 프레스 성형에 의해 제조할 수 있다.

실시예

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

카본 섬유를 첨가한 PEEK재를 이용하여, 사출 성형에 의해, 도 3의 (A)에 도시하는 구조의 오목부 형상을 갖는 시일 링을 제작했다. 여기서, 스로틀부의 곡률을 R100으로 하여, 최심부의 깊이가 0.15 mm, 둘레 방향의 폭이 25 mm인 오목부를 접촉측면에 8개 형성했다. 시일 링의 외경(호칭경)은 67 mm, 두께(직경 방향 폭)는 2.3 mm, 폭(축방향 폭)은 2.32 mm로 하고, 이음매는, 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매로 했다. 한편, 최심부의 깊이는, 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여 6.5이고, 최심부의 둘레 방향의 폭은, 1개의 오목부의 둘레 방향 길이를 100으로 하여 8이며, 스로틀부의 R 곡면의 새그 길이는, 스로틀부와 사면부의 둘레 방향 폭의 합을 100으로 하여 10이고, 스로틀부의 깊이는, 오목부의 최심부의 깊이를 100으로 하여 17이었다.

(비교예 1)

카본 섬유를 첨가한 PEEK재를 이용하여, 사출 성형에 의해, 도 2의 (B)에 도시하는 구조의 오목부 형상을 갖는 시일 링을 제작했다. 여기서, 오목부의 사면 각도 θ는 16°, 최심 경사부(51)의 깊이 h는 0.42 mm로 하여, 접촉측면에 8개의 오목부를 형성했다. 한편, 시일 링의 외경(호칭경)은 67 mm, 두께(직경 방향 폭)는 2.3 mm, 폭(축방향 폭)은 2.32 mm로 하고, 이음매는 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매로 했다.

(비교예 2)

카본 섬유를 첨가한 PEEK재를 이용하여, 사출 성형에 의해, 외주측으로부터 내주측으로 갈수록 축방향 폭이 작아지도록 양 측면을 경사 각도 5도로 경사지게 한 단면이 사다리꼴인 시일 링을 제작했다. 한편, 시일 링의 외경(호칭경)은 67 mm, 두께(직경 방향 폭)는 2.3 mm, 폭(축방향 폭)은 2.32 mm로 하고, 이음매는 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매로 했다.

(비교예 3)

특허문헌 3에 기초하여, 카본 섬유를 첨가한 PEEK재를 이용하여, 회전 방향측이 완만한 경사면이고, 회전 방향 반대측이 급한 경사면으로 되어 있는 오목부 구조를 갖는 시일 링을 제작했다. 여기서, 최심부의 깊이가 0.15 mm, 둘레 방향의 폭이 5.0 mm인 오목부를 접촉측면에 8개 형성했다. 한편, 시일 링의 외경(호칭경)은 67 mm, 두께(직경 방향 폭)는 2.3 mm, 폭(축방향 폭)은 2.32 mm로 하고, 이음매는 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매로 했다.

(비교예 4)

특허문헌 3(도 8)에 기초하여, 카본 섬유를 첨가한 PEEK재를 이용하여, 회전 방향측이 완만한 경사면이고, 회전 방향 반대측이 급한 경사면인 오목부(제1 홈)와, 회전 방향측이 급한 경사면이고, 회전 방향 반대측이 완만한 경사면인 오목부(제2 홈)를 갖는 시일 링을 제작했다. 여기서, 시일 링의 접촉측면에, 최심부의 깊이가 0.15 mm, 둘레 방향의 폭이 5.0 mm인 제1 홈과 제2 홈을 각각 교대로 8개 형성했다. 한편, 시일 링의 외경(호칭경)은 67 mm, 두께(직경 방향 폭)는 2.3 mm, 폭(축방향 폭)은 2.32 mm로 하고, 이음매는 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매로 했다.

(프릭션 및 오일 누설량의 측정)

실시예 1 및 비교예 1∼비교예 4의 시일 링을, 도 6에 도시하는 바와 같이 유압 회로를 마련한 고정축(S45C제)의 외주면에 형성된 축홈에 장착하여, 시험 장치에 설치했다. 여기서, 실시예 1의 시일 링은, 도 3에 도시하는 바와 같이 스로틀부를 포함하는 완만한 경사면이 회전 방향 반대측이 되도록 설치하고, 한편, 비교예 3의 시일 링은, 완만한 경사면이 회전 방향측이 되도록 설치했다. 다음으로, 하우징(S45C제)을 장착하고, 회전수 2000 rpm으로 회전시켜, 시험 장치에 부착한 토크 검출기로부터 회전 토크ㆍ로스를 검출했다. 또한, 동시에 오일의 누설량을 측정했다. 오일은 오토매틱 트랜스미션 플루이드(ATF)를 이용하고, 오일 온도 80℃, 유압 0.8 MPa로 했다.

실시예 1의 시일 링은, 비교예 1의 시일 링에 비하여, 프릭션이 15% 이상 저감되었다. 실시예 1의 시일 링에서는, 회전시에 회전 방향 반대측의 기둥부와 완만한 경사 곡면으로 연결한 스로틀부 선단에 오일이 스로틀되어 양력이 발생(쐐기 효과)하기 때문에, 프릭션이 저감된다. 그리고, 본 구성에서는 윤활 상태를 저해하는 경향이 있는 회전 방향측의 사면 면적을 감소시키고 있기 때문에, 보다 우수한 프릭션 저감 효과를 얻을 수 있었다고 고려된다. 또한, 비교예 3에서는, 비교예 1보다 프릭션이 15% 정도 증가했다. 이것은, 회전 방향측에 완만한 경사면을 배치하고, 회전 방향 반대측에 급한 경사면을 배치한 비교예 3의 구성에서는, 오일의 스로틀에 기인하는 양력이 발생하지 않기 때문이라고 고려된다. 비교예 4의 시일 링에서는, 비교예 1에 비하여, 5% 정도 프릭션의 증가가 보였다. 그 원인으로는, 회전 방향 반대측이 완만한 경사면으로 형성된 오목부에서 생기는 프릭션 저감 효과가, 회전 방향측이 완만한 경사면으로 형성된 오목부에서 생기는 반작용에 의해 상쇄된 것 및 본 구성에서는, 오목부의 둘레 방향 폭이 작기 때문에, 회전 방향 반대측이 완만한 경사면으로 형성된 오목부에 있어서도 충분한 양력이 발생하지 않아, 프릭션 저감 효과가 작았던 것으로 고려된다.

또한, 실시예 1의 시일 링의 오일 누설량은, 비교예 1과 마찬가지로, 비교예 2의 오일 누설량의 2/3 정도로 저감되어 있어, 본 발명의 시일 링은 우수한 시일 특성도 갖는 것이 확인되었다. 한편, 비교예 3 및 비교예 4의 시일 링의 오일 누설량도 실시예 1과 동일한 정도였다.

(실시예 2∼실시예 5)

실시예 1과 마찬가지로, 카본 섬유를 첨가한 PEEK재를 이용하여, 사출 성형에 의해, 도 3의 (A)에 도시하는 구조의 오목부 형상을 갖는 시일 링을 제작했다. 여기서, 스로틀부의 곡률을 바꾸어, 최심부의 깊이 h가 각각 0.02 mm(실시예 2), 0.07 mm(실시예 3), 0.25 mm(실시예 4) 및 0.40 mm(실시예 5)가 되도록 했다. 한편, 시일 링의 외경(호칭경)은 67 mm, 두께(직경 방향 폭)는 2.3 mm, 폭(축방향 폭)은 2.32 mm로 하고, 이음매는 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매로 했다. 각각의 실시예의 최심부의 깊이는, 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여 0.9(실시예 2), 3.0(실시예 3), 10.8(실시예 4) 및 17.2(실시예 5)였다. 얻어진 시일 링의 프릭션 및 오일 누설량을 실시예 1과 동일하게 측정했다.

실시예 1∼실시예 5의 시일 링의 최심부의 깊이 h와 프릭션의 관계를 플로팅한 결과를 도 7에 도시한다(●). 여기서, 종축은 비교예 1의 시일 링의 프릭션을 100으로 하여 상대치로 나타냈다. 또한, 횡축은 시일 링의 최심부의 깊이 h를, 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여 상대치로 나타냈다.

오목부의 회전 방향 반대측의 단부를 기둥부를 향한 볼록형의 곡면으로 이루어진 스로틀부로 구성하고, 회전 방향측을 급한 경사면으로 구성한 본 발명의 실시예에서는, 종래의 오목부 형상에 비하여, 프릭션이 저감되는 것이 확인되었다. 특히, 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여, 최심부의 깊이 h가 2∼17인 범위에서 프릭션이 저감되고, 5∼10의 범위에서 더욱 우수한 프릭션 저감 효과가 보였다.

한편, 실시예 1∼실시예 5의 시일 링의 오일 누설량은, 프릭션의 저감과 반비례하여 약간 증가하는 경향이 보였지만, 비교예 1과 마찬가지로, 비교예 2의 오일 누설량의 2/3 정도이며, 본 발명의 시일 링은 우수한 시일 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.

(실시예 6∼실시예 10)

카본 섬유를 첨가한 PEEK재를 이용하여, 사출 성형에 의해, 도 4의 (A)에 도시하는 구조의 오목부 형상을 갖는 시일 링을 제작했다. 오목부의 회전 방향 반대측의 단부로부터 내측 둘레단을 따라서, 폭 0.3 mm, 둘레 방향 길이가 21 mm인 내벽을 마련하고, 회전 방향측에 둘레 방향 길이 4 mm의 오일 도입 구멍을 형성했다. 여기서, 스로틀부의 곡률을 바꾸어, 최심부의 깊이 h가 각각 0.02 mm(실시예 6), 0.07 mm(실시예 7), 0.15 mm(실시예 8), 0.25 mm(실시예 9) 및 0.40 mm(실시예 10)인 시일 링을 제작했다. 한편, 시일 링의 외경(호칭경)은 67 mm, 두께(직경 방향 폭)는 2.3 mm, 폭(축방향 폭)은 2.32 mm로 하고, 이음매는 도 5에 도시하는 트리플 스텝 이음매로 했다. 각각의 시일 링의 프릭션 및 오일 누설량을 실시예 1과 동일하게 측정했다.

실시예 6∼실시예 10의 시일 링의 프릭션을 측정한 결과를 도 7에 도시한다(■). 여기서, 종축은 비교예 1의 시일 링의 프릭션을 100으로 하여 상대치로 나타냈다. 또한, 횡축은 각각 시일 링의 최심부의 깊이 h를 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여 상대치로 나타냈다. 도 7에서, 본 발명의 시일 링에 내벽을 마련함으로써, 프릭션이 대폭 저감되는 것을 알 수 있다. 이것은, 본 실시예에서는, 회전 방향 반대측의 오목부의 단부가 기둥부를 향한 볼록형의 곡면으로 구성되고, 기둥부와 오목부가 완만한 경사 각도로 연결되어 있기 때문에, 내벽을 설치함으로써, 오일이 보다 효과적으로 오목부의 선단에 스로틀되어 양력이 증가하고, 기둥부에 오일막이 형성되기 쉬워져 시일면이 효과적으로 윤활화되고, 마찰계수가 저감되었기 때문이라고 고려된다. 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여, 최심부의 깊이 h가 2∼17의 범위에서 우수한 프릭션 저감 효과가 보이고, 5∼10의 범위에서 더욱 프릭션 저감 효과가 현저하며, 본 발명에서는 비교예 1에 비하여 40% 정도의 프릭션 저감이 실현되는 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 6∼실시예 10의 시일 링의 오일 누설량은, 프릭션의 저감과 반비례하여 약간 증가하는 경향이 보였지만, 비교예 1과 마찬가지로, 비교예 2의 오일 누설량의 2/3 정도이며, 본 실시예의 시일 링도 우수한 시일 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.

(실시예 11∼실시예 15)

회전 방향 반대측에 마련하는 내벽의 둘레 방향 길이를 각각, 24 mm(실시예 11), 15 mm(실시예 12), 10 mm(실시예 13), 6.6 mm(실시예 14), 3.3 mm(실시예 15)로 한 것 외에는 실시예 8과 동일한 구성의 시일 링을 제작했다. 한편, 여기서 오목부의 둘레 방향 길이는 25 mm이기 때문에, 실시예 8, 실시예 11, 실시예 12, 실시예 13, 실시예 14 및 실시예 15의 내벽의 둘레 방향 길이는, 각각 오목부의 둘레 방향 길이의 84%, 96%, 60%, 40%, 26% 및 13%에 상당한다. 각각의 시일 링의 프릭션 및 오일 누설량을 실시예 8과 동일하게 측정했다.

실시예 8 및 실시예 11∼실시예 14의 시일 링의 내벽의 길이와 프릭션의 관계를 플로팅한 결과를 도 8에 도시한다. 여기서, 내벽의 길이는 오목부의 둘레 방향 길이를 100으로 하여, 각각의 내벽의 길이를 상대치로 나타내고, 프릭션은 내벽이 없는 실시예 1의 프릭션을 100으로 하여, 각각의 프릭션을 상대치로 나타냈다. 내벽이 없는 실시예 1에 비하여, 회전 방향 반대측에 내벽을 마련한 모든 실시예에서 프릭션 저감 효과를 볼 수 있었다.

오목부의 둘레 방향 길이를 100으로 하여, 회전 방향 반대측에 마련하는 내벽의 둘레 방향 길이를 5∼95, 바람직하게는 50∼95로 함으로써, 보다 우수한 프릭션 저감 효과가 얻어진다는 것을 알 수 있었다. 통상은 캔슬 면적이 클수록, 즉 유압이 작용하는 면적이 클수록, 반압(反壓)으로서 되돌아오는 힘이 커지기 때문에, 수압 하중이 저감되어 프릭션은 저감된다. 그러나, 본 발명의 시일 링에서는 내벽을 길게 하는, 즉 캔슬 면적이 작은 구성으로, 보다 우수한 프릭션 저감 효과를 보였다. 이것은, 내벽을 설치함으로써, 내주면으로 오일이 유출되는 것이 억제되어, 오일이 스로틀부의 경사면에 효율적으로 유도되는 것에 기인한다고 고려된다. 그 때문에, 시일 링(축)이 회전하면, 보다 큰 양력이 작용하여 기둥부에 오일막이 형성되기 쉬워지고, 오일막 형성에 의해, 시일 링의 내주측이 부상하여, 오목부의 외주측에 위치하는 고리형의 시일면으로 오일이 개재되는 것도 촉진되어, 슬라이딩면이 유체 윤활로 이행되므로, 마찰계수가 감소하여 큰 프릭션 저감 효과를 얻을 수 있다고 고려된다. 즉, 본 발명의 시일 링의 프릭션 저감 효과는, 프레스 하중의 저감보다, 슬라이딩면의 윤활화에 의한 마찰계수의 저감에 크게 의존하고 있다고 고려된다. 이와 같이, 보다 작은 캔슬 면적으로 프릭션을 저감할 수 있는 본 발명의 시일 링에서는, 캔슬 면적에 크게 의존한 종래의 시일 링보다, 한계 특성을 향상시키거나, 마모량을 저감시키는 것이 가능해진다.

도 9에, 실시예 8의 시일 링에 관해, 1000 rpm∼4000 rpm의 사이에서 회전수를 바꿔 프릭션을 측정한 결과를 도시한다. 비교로서, 비교예 1의 시일 링에 관해서도 마찬가지로 프릭션을 측정한 결과도 도 9에 도시한다. 여기서, 종축은 비교예 1의 시일 링의 1000 rpm에서의 프릭션을 100으로 하여 상대치로 나타냈다. 도 9에서, 종래의 비교예 1의 시일 링에서는, 회전수의 증가와 함께 프릭션이 증가하는 데 비해, 본 발명의 실시예 8의 시일 링에서는, 회전수가 증가하면 프릭션이 저감되는 경향이 있는 것이 확인되었다. 이것은, 실시예 8의 시일 링에서는, 오일의 스로틀 효과가 우수하고, 오일막이 형성되기 쉬운 회전 방향 반대측에만 쐐기 효과를 갖는 완만한 사면을 형성하며, 내벽을 설치했기 때문에, 회전 방향측에서의 윤활 저해의 영향을 받지 않아, 양력이 효과적으로 작용하여, 기둥부에서 형성되는 오일막이 두꺼워짐으로써, 유체 윤활로 이행된 것에 기인한다고 고려된다. 유체 윤활 상태에서는, 회전수의 증가와 함께 양력 및 오일막 두께가 증가하기 때문에, 프릭션이 저감된다고 추측된다.

한편, 본 발명의 시일 링에서는, 단면이 사다리꼴인 비교예 2의 시일 링 이하의 프릭션을 얻을 수 있어, 본 발명에 의해, 종래의 저프릭션 사양의 시일 링보다 프릭션을 더 저감할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

1 : 시일 링 2 : 축(샤프트)
3 : 유압 통로 4 : 축홈
5 : 하우징 6 : 오목부(포켓)
7 : 기둥부 8 : 내벽
10 : 오일 도입 구멍 11 : 수압측면
12 : 내주면 14 : 접촉측면
20 : 스로틀부 21 : 최심부
22 : 사면부 51 : 최심 경사부
52 : 수속부 60 : 양력
61 : 캔슬압

Claims

축의 외주면에 형성된 축홈에 장착되고, 적어도 상기 축홈과 접촉하는 측면의 내주측에, 둘레 방향으로 이격시켜 형성한 복수의 오목부와, 상기 오목부 사이에 배치한 기둥부를 구비하는 시일 링으로서, 상기 오목부를, 축방향 폭이 가장 큰 최심부 및 상기 최심부의 둘레 방향 양측에 위치하는 2개의 경사부로 구성하며, 회전 방향 반대측에 위치하는 경사부와 인접하는 기둥부를, 기둥부를 향하여 둘레 방향으로만 볼록형의 곡면으로 연결하고, 회전 방향측의 경사부의 둘레 방향 폭을, 회전 방향 반대측의 경사부의 둘레 방향 폭보다 작게 하며, 회전 방향 반대측의 경사부는 둘레 방향으로만 경사지고, 상기 최심부가 상기 측면과 평탄한 평탄면이며, 상기 오목부의 회전 방향 반대측의 내주측에 내벽을 마련하고 있고, 상기 회전 방향측의 경사부가 상기 시일 링의 측면에 대하여 이루는 경사 각도가 8°∼45°인 것을 특징으로 하는 시일 링.
제1항에 있어서, 상기 최심부의 축방향 폭 h는, 시일 링의 축방향 폭을 100으로 하여 2∼17인 것을 특징으로 하는 시일 링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 오목부의 둘레 방향 폭은, 시일 링의 외주 길이를 100으로 하여 3∼25인 것을 특징으로 하는 시일 링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시일 링의 축홈과 접촉하는 측면에 형성되는 오목부의 수는, 4개∼16개인 것을 특징으로 하는 시일 링.
삭제