KR102226803B1

KR102226803B1 - 오일 씰

Info

Publication number: KR102226803B1
Application number: KR1020180171328A
Authority: KR
Inventors: 조영진
Original assignee: 평화오일씰공업 주식회사
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2021-03-12
Also published as: KR20200081635A

Abstract

케이스와, 케이스를 관통하는 샤프트 사이의 누유를 방지하는 오일 씰이 개시된다. 개시된 오일 씰은, 강체 프레임, 및 고무 소재로 형성되고 강체 프레임에 접합 지지되는 것으로, 자신의 말단이 샤프트의 외주면에 탄성 밀착되도록 내측으로 돌출된 메인 립을 구비한 고무 부재를 구비한다. 고무 부재는, 샤프트의 외주면과 마주보는 고무 부재의 내주면에 샤프트 외주면 측으로 돌출된 복수의 내주면 블레이드를 더 구비한다. 복수의 내주면 블레이드는, 메인 립의 말단보다 케이스의 내부 공간으로부터 더 이격된 위치에 형성되고, 샤프트 외주면에 접촉되지 않으며, 샤프트의 길이 방향에 대해 경사지게 연장된다. 샤프트가 회전할 때 샤프트의 외주면 주변의 공기는 샤프트의 회전 방향과 같은 방향으로 유동하다가 내주면 블레이드에 의해 방향 전환하여 메인 립의 말단을 향해 펌핑된다.

Description

오일 씰{Oil seal}

본 발명은 케이스를 외부에서 내부로 관통한 상태로 회전하는 샤프트와 상기 케이스 사이의 누유를 방지하는 오일 씰(oil seal)에 관한 것이다.

예컨대, 차량의 엔진, 변속기, 파워 스티어링(power steering) 장치와 같은 차량 장치에는 케이스(case)와, 상기 케이스의 외부에서 내부로 관통하는 샤프트(shaft)와, 상기 케이스와 샤프트 사이의 누유를 방지하는 오일 씰이 구비된다. 상기 오일 씰은 상기 케이스 내부의 윤활유와 같은 오일이 케이스 외부로 누유되지 않도록 차단하고, 상기 케이스 외부에서 먼지 등의 이물질이 케이스 내부로 침투하지 않도록 차단한다.

현재 오일 씰은 전기 자동차(EV: electric vehicle) 또는 수소 연료전지 자동차(HEV: hydrogen fuel cell electric vehicle)에서 모터(motor)의 동력에 의해 회전하는 샤프트와 상기 샤프트가 회전 가능하게 장착된 케이스 사이의 틈새의 누유를 방지하는 용도로도 사용되고 있으며, 상기 모터 동력에 의해 회전하는 샤프트는 10,000 rpm 이상의 고속으로 회전한다. 오일 씰이 이처럼 고속으로 회전하는 샤프트에 적용되는 경우에, 오일 씰의 립(lip)과 샤프트의 마찰로 인해 상기 립이 빨리 마모되어 오일 씰의 내구성이 저하되는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1579957호

본 발명은, 고속 회전하는 샤프트에 적용되더라도 메인 립(main lip)의 마모와 이로 인한 케이스 외부로의 누유가 억제되고, 샤프트의 회전 동력 손실이 저감되는 오일 씰을 제공한다.

본 발명은, 케이스(case)와, 상기 케이스를 관통하는 샤프트(shaft) 사이의 누유를 방지하는 오일 씰로서, 강체 프레임, 및 고무 소재로 형성되고 상기 강체 프레임에 접합 지지되는 것으로, 자신의 말단이 상기 샤프트의 외주면에 탄성 밀착되도록 내측으로 돌출된 메인 립(main lip)을 구비한 고무 부재를 구비하고, 상기 고무 부재는, 상기 샤프트의 외주면과 마주보는 상기 고무 부재의 내주면에 상기 샤프트 외주면 측으로 돌출된 복수의 내주면 블레이드(blade)를 더 구비하고, 상기 복수의 내주면 블레이드는, 상기 메인 립의 말단보다 상기 케이스의 내부 공간으로부터 더 이격된 위치에 형성되고, 상기 샤프트 외주면에 접촉되지 않으며, 상기 샤프트의 길이 방향에 대해 경사지게 연장되고, 상기 샤프트가 회전할 때 상기 샤프트의 외주면 주변의 공기는, 상기 샤프트의 회전 방향과 같은 방향으로 유동하다가 상기 내주면 블레이드에 의해 방향 전환하여 상기 메인 립의 말단을 향해 펌핑(pumping)되는 오일 씰을 제공한다.

상기 내주면 블레이드의 양 측 말단 중에서 상기 케이스 내부 공간에 더 가까운 일 측 말단이 반대 측 말단보다 상기 샤프트의 회전 방향에 순응하여 상기 반대 측 말단보다 더 전진하여 위치하도록 상기 내주면 블레이드가 경사질 수 있다.

상기 복수의 내주면 블레이드는 상기 샤프트의 회전 축선을 중심으로 등각도 간격으로 배치될 수 있다.

상기 고무 부재는, 상기 메인 립보다 상기 케이스의 내부 공간으로부터 더 이격되게 위치하는 것으로, 자신의 말단이 상기 샤프트의 외주면에 접촉되도록 내측으로 돌출된 더스트 립(dust lip)을 더 구비하고, 상기 복수의 내주면 블레이드는 상기 메인 립의 말단과 상기 더스트 립의 말단 사이에 배치될 수 있다.

상기 샤프트의 외주면과 상기 내주면 블레이드 사이 간격은 0.2 내지 1.0mm 일 수 있다.

본 발명의 오일 씰은 샤프트의 외주면에 접촉되지 않게 고무 부재의 내주면에서 돌출된 복수의 내주면 블레이드를 구비한다. 상기 복수의 내주면 블레이드는 샤프트의 회전으로 샤프트 외주면에서 샤프트의 회전 방향을 따라 회전 유동(流動)하는 공기를 메인 립의 말단을 향해 펌핑(pumping)한다. 상기 펌핑된 공기에 의해 메인 립의 말단이 샤프트의 외주면에 과도한 압력으로 밀착되지 않으므로, 상기 메인 립의 과도한 마모나 편마모로 인한 누유(漏油)가 억제되고 내구성이 향상된다. 특히, 샤프트가 10,000 rpm 이상의 속도로 고속 회전하는 경우에 두드러진 내구성 향상 효과뿐만 아니라, 메인 립의 강한 밀착으로 인한 샤프트의 회전 동력 손실이 저감되어 효율이 향상되는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오일 씰이 적용된 예를 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오일 씰의 사시도로서, 도 2는 위에서 본 도면이고, 도 3은 아래에서 본 도면이다.
도 4는 도 3의 IV 부분을 확대 도시한 단면도로서, 내주면 블레이드(blade)의 기능을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 오일 씰을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오일 씰이 적용된 예를 도시한 단면도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오일 씰의 사시도로서, 도 2는 위에서 본 도면이고, 도 3은 아래에서 본 도면이며, 도 4는 도 3의 IV 부분을 확대 도시한 단면도로서, 내주면 블레이드(blade)의 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 오일 씰(10)은 케이스(2)와 상기 케이스(2)를 관통하는 샤프트(shaft)(6)를 구비하는 장치에서, 상기 케이스(2)와 샤프트(6) 사이의 누유를 방지하기 위해 사용된다.

상기 오일 씰(10)은 강체 프레임(11), 고무 부재(15), 및 탄성 보조 스프링(40)을 구비한다. 강체 프레임(11)은 예컨대, 스테인레스스틸(stainless steel)과 같은 강체로 이루어진 링(ring) 형상의 부재이다. 상기 강체 프레임(11)의 단면의 형상은 대체로 알파벳 'L' 또는 한글 자음 'ㄱ' 및 'ㄴ' 과 유사하다.

상기 고무 부재(15)는 고무 소재로 형성되고 상기 강체 프레임(11)에 접합 지지되는 부재로서, 메인 립(main lip)(20), 더스트 립(dust lip)(25), 외주부(16), 및 복수의 내주면 블레이드(blade)(30)를 구비한다. 메인 립(20)은 자신의 말단(21)이 샤프트(6)의 외주면(7)에 탄성 밀착되도록 내측, 즉 샤프트(6)의 회전 축선(CL)을 향한 방향으로 돌출된다. 메인 립(20)은 케이스(2)의 내부 공간(5)에서 케이스(2)의 외부를 향하여 흐르는 예컨대, 윤활제와 같은 오일(oil)의 누유를 방지한다.

더스트 립(25)은 말단(26)이 샤프트(6)의 외주면(7)에 접촉되도록 내측, 즉 상기 회전 축선(CL)을 향한 방향으로 돌출된다. 더스트 립(25)은 케이스(2)의 외부에서 상기 내부 공간(5)을 향한 예컨대, 먼지, 미세 입자와 같은 이물질의 침입을 방지한다. 더스트 립(25)과 메인 립(20)의 말단(26, 21)은 상기 회전 축선(CL)을 중심으로 하는 원 궤도를 따라 연장된다. 더스트 립(25)과 메인 립(20)은 이격되게 위치하고, 더스트 립(25)은 메인 립(20)보다 케이스(2)의 내부 공간(5)으로부터 더 이격되게, 즉 케이스(2)의 외부에 더 가깝게 위치한다.

고무 부재(15)의 외주부(16)는 오일 씰(10)이 상기 케이스(2)의 내주면(3)에 억지 끼움에 의해 설치될 때 상기 케이스 내주면(3)에 밀착되는 부분이다. 구체적으로, 상기 외주부(16)의 최외곽의 외주면이 상기 케이스 내주면(3)에 밀착된다. 탄성 보조 스프링(40)은, 메인 립(20)이 샤프트(6)의 외주면(7)에 밀착되는 밀착력이 커지도록 메인 립(20)의 외측면을 내측으로 조여준다. 도면에서 상기 탄성 보조 스프링(40)은 마치 호스(hose)처럼 단순화하여 도시되었으나, 실제로는 코일 스프링(coil spring)이 링(ring) 형태가 되도록 코일 스프링의 일 단부와 타 단부가 서로 연결된 스프링일 수 있다.

복수의 내주면 블레이드(30)는 샤프트 외주면(7)과 마주보는 고무 부재(15)의 내주면(28)에서 샤프트 외주면(7) 측으로 돌출되게 형성된다. 복수의 내주면 블레이드(30)는 메인 립(20)의 말단(21)보다 케이스 내부 공간(5)으로부터 더 이격된 위치에 형성된다. 더스트 립(25)을 구비한 본 발명의 오일 씰(10)에서 상기 복수의 내주면 블레이드(30)는 상기 메인 립 말단(21)과 더스트 립(25)의 말단(26) 사이에 배치된다. 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 내주면 블레이드(30)의 길이 방향 양 측 말단(31, 32) 중에서 케이스(2)의 내부 공간(5)에 더 가까운 일 측 말단(31)과 상기 메인 립(20)의 말단(21) 사이의 이격된 거리(D1)가, 상기 일 측 말단(31)의 반대 측 말단(32)과 상기 더스트 립(25)의 말단(26) 사이의 이격된 거리(D2)보다 더 크다.

각각의 내주면 블레이드(30)는 샤프트(6)의 길이 방향에 대해 경사지게 연장된다. 즉, 샤프트(6)의 회전 축선(CL)과 평행한 임의의 수직선(VL)에 대해 내주면 블레이드(30)의 길이 방향으로 연장된 경사선(DL)은 일정 각도(DA)만큼 기울어진다. 구체적으로, 내주면 블레이드(30)의 양 측 말단(31, 32) 중에서 상기 케이스 내부 공간(5)에 더 가까운 일 측 말단(31)이, 반대 측 말단(32)보다 샤프트(6)의 회전 방향(RD)에 순응하여 상기 반대 측 말단(32)보다 더 전진하여 위치하도록 내주면 블레이드(30)가 경사지게 연장된다.

부연하면, 도 2 내지 도 4에서 샤프트(6)는 회전 축선(CL)을 중심으로 반시계 방향(RD)으로 회전한다. 도 4에만 한정해서 보면, 샤프트(6)의 회전 방향은 X축 음(-)의 방향과 평행하다. 도 4에서 보여지는 상기 내주면 블레이드(30)의 일 측 말단(31)의 X축 방향 좌표값은 같은 내주면 블레이드(30)의 반대 측 말단(32)의 X축 방향 좌표값보다 작다. 즉, 상기 일 측 말단(31)이 상기 반대 측 말단(32)보다 X축 음(-)의 방향과 평행하게 더 전진하여 위치하도록 내주면 블레이드(30)가 경사지게 연장된다.

만약 샤프트(6)의 회전 방향이 도 2 내지 도 4에 이점 쇄선으로 표시된 회전 방향(RD)과 반대 반향이면, 도 2 내지 도 4에 도시된 내주면 블레이드(30)가 기울어진 방향과 반대 방향으로 기울어진 내주면 블레이드가 고무 부재(15)의 내주면(28)에 형성된다. 한편, 상기 내주면 블레이드(30)가 샤프트(6)의 길이 방향에 대해 기울어진 각도(DA)는 20 내지 70°일 수 있다.

샤프트(6)가 회전 축선(CL)을 중심으로 반시계 방향으로 회전할 때, 샤프트(6)의 외주면 주변의 공기는 샤프트(6)의 회전 방향과 같은 방향으로 유동하다가 상기 내주면 블레이드(30)에 의해 방향 전환하여 메인 립(20)의 말단(21)을 향해 펌핑(pumping)된다. 부연하면, 도 4에서 샤프트(6)가 회전 축선(CL)을 중심으로 반시계 방향(RD)으로 회전할 때 샤프트 외주면(7) 주변의 공기의 흐름은 이점 쇄선 화살표 AR로 표시된다. 즉, 샤프트(6) 주변의 공기 흐름(AR)은 샤프트(6)의 회전 방향과 같이 X축 음(-)의 방향과 평행하게 유동(流動)하다가 내주면 블레이드(30)에 가로 막혀서 Z축 상측, 즉 메인 립 말단(21)을 향해 방향 전환하여 유동한다.

이처럼 메인 립 말단(21)을 향해 펌핑된 공기에 의해 상기 메인 립 말단(21)이 샤프트(6)의 외주면(7)에 과도한 압력으로 밀착되지 않게 된다. 그러므로, 샤프트(6)의 회전으로 인한 메인 립(20)의 과도한 마모나 편마모로 인한 누유(漏油)가 억제되고 내구성이 향상된다. 다만, 상기 공기를 메인 립 말단(21) 측으로 펌핑하는 압력은 메인 립 말단(21)을 샤프트 외주면(7)에서 이격시킬 정도로 크지는 않다. 따라서, 샤프트(6)의 회전 도중에 메인 립 말단(21)이 샤프트 외주면(7)으로부터 이격되어 누유량이 확대되는 부작용은 발생되지 않는다.

상술한 바와 같이 내주면 블레이드(30)에 의해 펌핑된 공기에 의해 메인 립 말단(21)이 샤프트 외주면(7)에 큰 하중으로 밀착되지 않으므로, 메인 립(20)의 강한 밀착으로 인한 샤프트(6)의 회전 동력 손실이 저감되어, 샤프트(6)의 회전 출력 및 토크(torque)가 증대되고, 에너지 효율이 증대되는 효과가 있다. 상기 오일 씰(10)의 내구성 향상 및 샤프트(6)의 출력 및 효율 증대 효과는 특히, 샤프트(6)가 10,000 rpm 이상의 속도로 고속 회전하는 경우에 더욱 두드러진다.

바람직하게는, 상기 복수의 내주면 블레이드(30)는 상기 회전 축선(CL)을 중심으로 등각도 간격으로 배치된다. 그렇지 않으면, 메인 립(20)의 말단(21)을 향해 펌핑되는 공기의 압력이 메인 립 말단(21)의 원 궤도를 따라 균일하게 분포되지 않아서, 메인 립 말단(21)과 샤프트 외주면(7)이 부분적으로 이격될 수 있고, 이렇게 형성된 틈새를 통해 누유와 이물질 침투가 확대될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 오일 씰(10)에 구비된 복수의 내주면 블레이드(30)는 종래의 일부 오일 씰에 구비된 경사 돌기, 소위 헬릭스(helix)와 달리 샤프트 외주면(7)에 접촉되지 않는다. 상기 헬릭스는 샤프트 외주면에 접촉되어 케이스 내부 공간에서 외부로 향하는 누유를 차단해 주지만, 샤프트 외주면에 접촉되어 있으므로 쉽게 마모되고, 샤프트의 동력 손실이 커지는 문제가 있다. 그러나, 본 발명에 구비된 내주면 블레이드(30)는 샤프트 외주면(7)에 접촉되지 않으므로, 내주면 블레이드(30) 마모로 인한 내구성 열화, 및 샤프트(6)의 회전 동력 손실 증대의 문제가 없다.

바람직하게는, 상기 샤프트 외주면(7)과 내주면 블레이드(30) 사이의 간격(GP)은 0.2 내지 1.0mm 이다. 상기 간격(GP)이 0.2mm 보다 작으면 오일 씰(10)을 실제 적용할 때 공차로 인하여 내주면 블레이드(30)가 샤프트 외주면(7)에 접촉될 수 있다. 또는, 메인 립 말단(21)이 약간만 마모되더라도 내주면 블레이드(30)가 샤프트 외주면(7)에 접촉될 수 있다. 한편, 상기 간격(GP)이 1.0mm 보다 크면 내주면 블레이드(30)의 공기 펌핑 능력이 저하되어서 메인 립 말단(21)의 밀착력 감소 효과가 만족스럽지 않을 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 오일 씰 11: 강체 프레임
15: 고무 부재 17: 더스트 립
20: 메인 립 25: 파동형 댐
26, 27: 피크부 28, 29: 사선부

Claims

케이스(case)와, 상기 케이스를 관통하는 것으로 10,000 rpm 보다 크거나 같은 회전 속도로 회전하는 샤프트(shaft) 사이의 누유를 방지하는 오일 씰로서,
강체 프레임; 및, 고무 소재로 형성되고 상기 강체 프레임에 접합 지지되는 고무 부재;를 구비하고,
상기 고무 부재는, 자신의 말단이 상기 샤프트의 외주면에 탄성 밀착되도록 내측으로 돌출된 메인 립(main lip), 상기 메인 립보다 상기 케이스의 내부 공간으로부터 더 이격되게 위치하며, 자신의 말단이 상기 샤프트의 외주면에 접촉되도록 내측으로 돌출된 더스트 립(dust lip), 및 상기 메인 립의 말단과 상기 더스트 립의 말단 사이에 배치되고, 상기 샤프트의 외주면에 접촉되지 않고 0.2 내지 1.0mm의 간격으로 이격되도록 상기 샤프트의 외주면 측으로 돌출되며, 상기 샤프트의 길이 방향에 대해 경사지게 연장된 복수의 내주면 블레이드(blade)를 구비하고,
상기 샤프트가 회전할 때 상기 샤프트의 외주면 주변의 공기는, 상기 샤프트의 회전 방향과 같은 방향으로 유동하다가 상기 내주면 블레이드에 의해 방향 전환하여 상기 메인 립의 말단을 향해 펌핑(pumping)되고,
상기 내주면 블레이드의 길이 방향 양 측 말단 중에서 상기 케이스의 내부 공간에 더 가까운 일 측 말단과 상기 메인 립의 말단 사이의 이격된 거리가, 상기 일 측 말단의 반대 측 말단과 상기 더스트 립의 말단 사이의 이격된 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 오일 씰.
제1 항에 있어서,
상기 내주면 블레이드의 양 측 말단 중에서 상기 케이스 내부 공간에 더 가까운 일 측 말단이 반대 측 말단보다 상기 샤프트의 회전 방향에 순응하여 상기 반대 측 말단보다 더 전진하여 위치하도록 상기 내주면 블레이드가 경사진 것을 특징으로 하는 오일 씰.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 내주면 블레이드는 상기 샤프트의 회전 축선을 중심으로 등각도 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 오일 씰.
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