KR20210121203A - 실링 링 및 밀봉 구조 - Google Patents

실링 링 및 밀봉 구조 Download PDF

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히카리 타다노
마사토시 세키
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엔오케이 가부시키가이샤
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Abstract

수지제의 원환상의 실링 링은 상대적으로 회전하는 외측 부재와 내측 부재 사이에 배치된다. 외측 부재는 액체가 내부에 배치된 액체 공간과, 단면 원형의 내면을 가지고, 내측 부재는 액체 공간 내에 배치되어 있으며 둘레 홈을 가진다. 실링 링은 외측 부재의 내면에 고정되며 내측 부재에 대해 슬라이딩 가능하게 내측 부재의 둘레 홈 내에 배치되어 액체 공간과 외부 공간을 격리시킨다. 실링 링의 외부 공간측의 끝면에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 복수의 홈은 실링 링의 내주면에서 개구된 단부를 가지며, 개구된 단부로부터 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 상기 개구된 단부로부터 상기 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않다.

Description

실링 링 및 밀봉 구조
본 발명은 원환상의 실링 링과, 이를 갖는 밀봉 구조에 관한 것이다.
원환상의 실링 링은, 회전 부재를 갖는 다양한 기계의 환상의 극간을 봉지(封止)하기 위해 사용되고 있다. 예를 들어, 자동차의 동력 전달 축과 하우징 사이에, 하우징 내의 윤활유를 밀봉하는 실링 링이 배치되어 있다.
실링 링은 상대적으로 회전하는 부재 사이에 배치되므로 부재의 회전 토크를 상승시키는 요인이 된다. 그래서 토크를 저감시키기 위해, 실링 링의 끝면에 복수의 홈을 형성하여 부재의 회전을 따라 홈 내에 윤활유를 침입시키는 기술이 제안되고 있다(특허문헌 1 ~ 3).
특허문헌 1: 국제 공개 제 2011/105513 호 특허문헌 2: 국제 공개 제 2011/162283 호 특허문헌 3: 일본 실개평 3-88062 호 공보
상기의 종래 기술에서는, 실링 링의 홈 내에 윤활유를 도입시킴으로써 실링 링과 다른 부재 사이의 유막의 형성을 촉진시켜, 실링 링과 다른 부재 사이의 마찰을 감소시켜 토크를 저감시키려는 시도를 하고 있다. 그러나 유막의 두께가 과대하면 유막의 전단 저항이 증가해 오히려 토크가 증대할 우려가 있다. 또한, 실링 링의 홈 내에 도입되는 윤활유의 양이 과대하면 윤활유가 외부 공간으로 누출될 우려가 있다.
최근 보급되고 있는 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 전기 자동차(xHEV)에 있어서는, 동력 전달 축의 회전수가 내연 기관을 이용한 자동차에 비해 매우 높다. 종래의 실링 링으로는 토크가 증가할 우려가 있으며 윤활유의 누출도 우려된다.
따라서 본 발명은, 부재의 상대 회전의 속도 차이가 큰 경우에도 토크의 저감 효과가 크고 액체의 누출량을 저감시킬 수 있는 실링 링과, 이를 갖는 밀봉 구조를 제공한다.
본 발명의 한 양태에 따른 실링 링은, 상대적으로 회전하는 외측 부재와 내측 부재 사이에 배치되는 수지제의 원환상의 실링 링이다. 상기 외측 부재는 액체가 내부에 배치된 액체 공간과, 단면 원형의 내면을 가지고, 상기 내측 부재는 상기 액체 공간 내에 배치되어 있으며 둘레 홈을 가진다. 상기 실링 링은 상기 외측 부재의 상기 내면에 고정되며 상기 내측 부재에 대해 슬라이딩 가능하게 상기 내측 부재의 상기 둘레 홈 내에 배치되어 상기 액체 공간과 외부 공간을 격리시킨다. 상기 실링 링의 상기 외부 공간측의 끝면에는 복수의 홈이 형성되어 있다. 상기 복수의 홈은 상기 실링 링의 내주면에서 개구된 단부(端部)를 가지며, 상기 개구된 단부로부터 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 상기 개구된 단부로부터 상기 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않다.
본 발명의 한 양태에 따른 밀봉 구조는 상기 실링 링과, 상기 외측 부재와, 상기 내측 부재를 가진다.
본 발명에 있어서는, 복수의 홈이 개구된 단부로부터 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 개구된 단부로부터 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않다. 따라서 복수의 홈은 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 복수의 홈으로부터 액체가 배출되는 것을 촉진시킴으로써 액체의 막을 얇게 하여 전단 저항을 저하시키는 동시에, 캐비테이션에 의해 액체 중에 공기가 기화하는 것을 촉진시켜 복수의 홈 내에 복수의 공기의 막이 형성된다. 공기의 막은 액체의 막보다 훨씬 작은 전단 저항을 갖기 때문에, 실링 링과 다른 부재 사이의 마찰이 현저하게 감소되어 토크가 저감된다. 특히 부재의 상대 회전의 속도 차이가 큰 경우에 이 효과는 현저하다. 또한, 복수의 홈은 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 복수의 홈으로부터 액체가 배출되는 것을 촉진시키므로, 홈 내에 액체를 보내는 경우에 비해 액체의 누출량을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 실링 링을 갖는 밀봉 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 실시형태에 따른 실링 링의 정면도이다.
도 3은 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 예를 나타내는 일부 배면도이다.
도 4는 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 다른 예를 나타내는 일부 배면도이다.
도 5는 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 다른 예를 나타내는 일부 배면도이다.
도 6은 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 다른 예를 나타내는 일부 배면도이다.
도 7은 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 예를 나타내는 단면도이다.
도 8은 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 9는 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 10은 실시형태에 따른 실링 링, 특히 홈의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 11은 실시형태에 따른 실링 링의 사용에 있어서의 홈 내의 유체의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 12는 비교예에 따른 실링 링, 특히 홈의 예를 나타내는 일부 배면도이다.
도 13은 실시형태와 비교예에 대한 무차원 특성수에 대한 마찰 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 실시형태와 비교예에 대한 축과 하우징의 상대 속도에 대한 토크의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시형태와 비교예에 대한 축과 하우징의 상대 속도에 대한 윤활유의 누출량의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 다양한 실시형태를 설명한다. 도면의 축척은 반드시 정확한 것은 아니고, 일부의 특징은 과장 또는 생략될 수도 있다.
이하에 설명하는 본 발명의 실시형태에 따른 실링 링을 갖는 밀봉 구조는, 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 축(모터 출력 축)과 하우징의 환상의 극간을 봉지하기 위해 사용된다. 단, 이하의 설명은 예시이며, 본 발명에 따른 실링 링을 갖는 밀봉 구조는 각종 유압 기기, 수압 기기, 공기압 기기에 있어서, 윤활유 및 냉각수 등의 액체를 밀봉하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 기기는, 예를 들면, 엔진, 모터, 발전기, 펌프, 컴프레서, 자동차의 파워 스티어링, 감속기, 변속기, 냉각기가 포함된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 밀봉 구조(1)는 하우징(외측 부재)(2), 축(내측 부재)(4), 실링 링(6)을 구비한다. 하우징(2)은 고정된 부재이며, 피밀봉 윤활유가 내부에 배치된 윤활유 공간(액체 공간)(A)을 가진다. 윤활유 공간(A)에는 축(4)이 삽입되어 있다. 축(4)은 중심 축 Ax의 주위를 회전하는 회전축이며, 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 축(모터 출력 축)이다.
축(4) 중 윤활유 공간(A)의 단부의 단면 원형의 내면(2A) 내에 배치된 부분의 외주면에는 둘레 홈(8)이 형성되어 있다. 둘레 홈(8)에는 수지제의 원환상의 실링 링(6)이 배치되어 있다. 실링 링(6)은 축(4)과 하우징(2) 사이의 극간을 봉지하여 하우징(2)의 내부의 윤활유 공간(A)으로부터 대기 공간(B)으로 윤활유가 누출되는 것을 방지 또는 저감시킨다.
실링 링(6)의 지름 방향 외측의 부분은 둘레 홈(8)으로부터 지름 방향 외측으로 돌출되어 있으며, 실링 링(6)의 외주면은 내면(2A)에 접촉한다. 실링 링(6)은 하우징(2)의 내면(2A)에 고정된다. 여기에서 "고정된다"라는 것은 실링 링(6)의 위치가 하우징(2)에 대해 정지(靜止)되어 있는 것을 의미하며, 실링 링(6)이 하우징(2)에 분리 불가능하게 결합되어 있는지 아닌지를 한정하려는 의도는 아니다. 이 실시 형태에서는 실링 링(6)은 내면(2A)에 억지 끼워맞춰진다. 또한, 후술하는 바와 같이, 실링 링(6)은 실링 링(6)의 내측의 윤활유로부터 압력을 받음으로써 하우징(2)에 고정되어 있다.
또한, 실링 링(6)은 축(4)에 대해 슬라이딩 가능하게 축(4)의 둘레 홈(8) 내에 배치되어 윤활유 공간(A)과 외부 공간(B)을 격리시켜 윤활유를 하우징(2)의 윤활유 공간(A) 내에 가둔다. 이 밀봉 구조(1)에 있어서, 하우징(2)과 실링 링(6)이 고정되어 있는 반면에, 축(4)은 하우징(2)에 대해 회전한다.
이 실시 형태에서는 실링 링(6)은 사각형의 단면을 갖지만, 실링 링(6)의 단면은 사각형에 한정되지 않는다.
실링 링(6)은 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의, 마찰 계수가 작은 경질의 수지 재료로 형성되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 실링 링(6)은 2개의 단부(6A, 6B)를 갖는 길고 만곡된 봉으로 구성되어 있다. 따라서 실링 링(6)을 축(4)의 외주면에 형성된 둘레 홈(8)에 끼워 넣듯이 실링 링(6)을 축(4)의 주위에 배치하기가 용이하다.
실링 링(6)의 2개의 단부(6A, 6B)는 실링 링(6)의 둘레 방향으로의 확장(나아가서는 지름 방향으로의 확장)을 허용하는 2개의 접촉부를 각각 가진다. 구체적으로는 한쪽 단부(6A)는 돌출 접촉부(6E)와 슬라이딩 안내부(6F)를 가지며, 다른 쪽 단부(6B)는 돌출 접촉부(6G)와 슬라이딩 안내부(6H)를 가진다. 돌출 접촉부(6E, 6G)는 지름 방향 외측 부분이 연장된 형상을 가지며 지름 방향 내측 부분에 공간을 가진다. 슬라이딩 안내부(6F, 6H)는 지름 방향 외측 부분이 움푹 들어간 형상을 가진다.
2개의 단부(6A, 6B)가 맞대게 되면, 단부(6A)의 돌출 접촉부(6E)의 지름 방향 내측의 면(도 2에서는 하면)이 단부(6B)의 슬라이딩 안내부(6H)의 지름 방향 외측의 면(도 2에서는 상면)에 슬라이딩 가능하게 접촉하고, 단부(6A)의 슬라이딩 안내부(6F)의 지름 방향 외측의 면(도 2에서는 상면)이 단부(6B)의 돌출 접촉부(6G)의 지름 방향 내측의 면(도 2에서는 하면)에 슬라이딩 가능하게 접촉한다. 이와 같이, 슬라이딩 안내부(6H)는 돌출 접촉부(6E)의 슬라이딩을 안내하고, 슬라이딩 안내부(6F)는 돌출 접촉부(6G)의 슬라이딩을 안내한다.
단부(6A, 6B)가 서로 슬라이딩하더라도 돌출 접촉부(6E)의 측면이 단부(6B)에 접촉하고 돌출 접촉부(6G)의 측면이 단부(6A)에 접촉하고 있는 한, 실링 링(6)의 외측 부분은 둘레 방향으로 연속된 엔드리스의 링 형상을 유지한다. 따라서 실링 링(6)이 둘레 방향(나아가서는 지름 방향)으로 확장되더라도 실링 링(6)의 봉지 성능은 손상되지 않는다.
도 2에 나타낸 단부(6A, 6B)의 형상은 공지이며, 특수 스텝 커팅이라고 불린다. 실시형태의 단부(6A, 6B)의 형상은 예시이며, 실링 링(6)의 단부의 형상은 특수 스텝 커팅에 한정되지 않고, 스텝 커팅, 스트레이트 커팅, 바이어스 커팅 중 어떠한 것이어도 좋다. 혹은, 실링 링(6)은 하우징(2)의 내면(2A) 내에 끼워 넣을 수 있고 축(4)의 둘레 홈(8)에 끼워 넣을 수 있다면, 단부(6A, 6B)를 갖지 않는 엔드리스의 링이어도 좋다.
도 1로 돌아가서, 상기와 같이, 실링 링(6)의 외주면은 하우징(2)의 내면(2A)에 접촉되게 되어 있다. 실링 링(6) 자체가 지름 방향으로 확장되려는 탄성력을 갖기 때문에, 실링 링(6)은 하우징(2)에 밀착되게 된다. 실링 링(6)의 내주면과, 축(4)의 둘레 홈(8)의 저면(8a) 사이에는 윤활유 공간(A) 내의 윤활유가 유통할 수 있는 극간이 있다. 따라서 실링 링(6)은 실링 링(6)의 내측의 윤활유로부터 압력을 받기 때문에 하우징(2)에 강고히 고정된다.
실링 링(6)의 윤활유 공간(A)측의 끝면(10)에는 윤활유 공간(A) 내의 윤활유로부터 유압(화살표로 표시한다)이 부여되고, 실링 링(6)은 외부 공간(B)측으로 밀린다. 따라서 실링 링(6)의 외부 공간(B)측의 끝면(12)은 축(4)의 둘레 홈(8)의 외부 공간(B)측의 벽면에 밀려진다. 단, 끝면(12)과 둘레 홈(8)의 외부 공간(B)측의 벽면 사이에는 윤활유가 침입하여 엄밀하게는 끝면(12)은 둘레 홈(8)의 외부 공간(B)측의 벽면에 면접촉하지 않고, 양자 간에는 유막(및 후술하는 공기의 막)이 존재한다.
실링 링(6)의 외부 공간(B)측의 끝면(12)에는 복수의 홈(14)이 형성되어 있다.
도 3 내지 도 6의 각각은 실링 링(6)의 끝면(12), 특히 홈(14)의 예를 나타내는 실링 링(6)의 일부 배면도이다. 도 3 내지 도 6에 있어서, 화살표 R은 축(4)의 주 회전 방향(주로 사용되는 회전 방향)을 나타낸다. 축(4)의 주 회전 방향이란, 축(4)이 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 축인 경우, 자동차의 전진시의 동력 전달 축의 회전 방향이다.
실링 링(6)이 자동차의 우측에 배치되는지 좌측에 배치되는지에 의존하여 주 회전 방향은 반대인 것에 유의 바란다. 주 회전 방향이 도면과 반대의 경우에는 홈(14)의 방향도 도면과 반대이다.
바람직하게는 복수의 홈(14)은 서로 동일 형상 동일 크기를 가지고 끝면(12)에 중심 축 Ax를 중심으로 등각 간격을 두고 배치되어 있다. 단, 복수의 홈(14)은 서로 동일 형상이 아니어도 좋으며, 동일 크기가 아니어도 좋다. 홈(14)의 각도 간격은 불규칙해도 좋다.
도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 각 홈(14)은 지름 방향 내측에 배치된 내측 단부(14a)와, 지름 방향 외측에 배치된 외측 단부(14b)를 가진다. 내측 단부(14a)는 실링 링(6)의 내주면에서 개구된다. 외측 단부(14b)는 폐쇄되어 있다(즉, 벽으로 포위되어 있다).
각 홈(14)은 개구된 내측 단부(14a)로부터 축(4)의 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 외측 단부(14b)까지 연장되어 있으며 내측 단부(14a)로부터 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않다. 따라서 축(4)의 회전을 따라, 홈(14)의 내측 단부(14a)에서의 압력이 외측 단부(14b)에서의 압력보다 저하되어 홈(14)에 침입된 유체가 배출되게 되어 있다.
홈(14)은 도 3 내지 도 6 중 어떠한 것에 나타낸 형상을 가져도 좋다. 즉, 홈(14)이 도 3 또는 도 4에 나타낸 원호 또는 소용돌이의 일부와 같은 형상을 가지고 있어도 좋고, 홈(14)이 도 5 또는 도 6에 나타낸 실질적으로 L자 형상을 가지고 있어도 좋다. 도 5 및 도 6의 실질적으로 L자 형상에서는 짧은 부분이 내측 단부(14a)를 가지며 긴 부분이 짧은 부분으로부터 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 외측 단부(14b)까지 연장되어 있다.
홈(14)의 길이 및 폭은 한정되지 않는다. 도 4는 좁은 폭을 갖는 홈(14)을 나타내고, 도 3, 도 5 및 도 6은 보다 넓은 폭을 갖는 홈(14)을 나타낸다.
홈(14)의 간격도 한정되지 않는다. 도 4는 좁은 간격을 갖는 홈(14)을 나타내고, 도 3, 도 5 및 도 6은 보다 넓은 간격을 갖는 홈(14)을 나타낸다.
그 외에도 홈(14)의 길이, 폭 및 간격의 다양한 변형이 생각될 수 있다. 어떤 변형이라도, 홈(14)은 실링 링(6)과 축(4) 사이에 후술하는 공기의 막이 발생되게 되도록, 개구된 내측 단부(14a)로부터 실링 링(6)에 대한 축(4)의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 내측 단부(14a)로부터 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않다.
도 7 내지 도 11의 각각은 홈(14)의 예를 나타내는 실링 링(6)의 단면도이다. 도 7 내지 도 11의 각각은 도 3 내지 도 6의 VII-VII선을 따른 단면에 상당하다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 홈(14)은 내측 단부(14a)로부터 외측 단부(14b)까지 균일한 깊이를 가지고 있어도 좋다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 홈(14)은 내측 단부(14a)로부터 외측 단부(14b)까지 서서히(직선 형상으로) 작아지는 깊이를 가지고 있어도 좋다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 홈(14)은 내측 단부(14a)로부터 외측 단부(14b)까지 서서히(곡선 형상으로) 작아지는 깊이를 가지고 있어도 좋다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 홈(14)은 내측 단부(14a)로부터 외측 단부(14b)까지 계단 형상으로 작아지는 깊이를 가지고 있어도 좋다.
그 외에도 홈(14)의 깊이의 다양한 변형이 생각될 수 있다. 어떤 변형이라도, 홈(14)은 실링 링(6)과 축(4) 사이에 후술하는 공기의 막이 발생되게 되도록 형성되어 있다. 홈(14)의 폭이 예를 들면 0.1mm ~ 수mm인 반면에, 홈(14)의 최대 깊이는 0.005mm ~ 0.05mm이다.
도 11에서, 실링 링(6)의 사용에 있어서의 끝면(12)의 홈(14) 내의 유체의 흐름을 작은 화살표로 나타낸다. 도 3 내지 도 6과 마찬가지로 큰 화살표 R은 축(4)의 주 회전 방향을 나타낸다. 상기와 같이, 실링 링(6)은 정지되어 있는 반면에, 축(4)이 회전하는 것에 의해, 실링 링(6)의 끝면(12)에 접촉하는 윤활유도 동일한 방향으로 회전되게 된다.
이 실시형태에 있어서는, 복수의 홈(14)이 개구된 내측 단부(14a)로부터 실링 링(6)에 대한 축(4)의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 내측 단부(14a)로부터 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않다. 따라서 복수의 홈(14)은 실링 링(6)에 대한 축(4)의 상대적인 주 회전 방향 R로의 회전을 따라, 작은 화살표로 나타내는 바와 같이, 복수의 홈(14)으로부터 윤활유가 배출되는 것을 촉진시킴으로써 윤활유의 막을 얇게 하여 전단 저항을 저하시키는 동시에, 캐비테이션에 의해 윤활유 중의 공기가 기화하는 것을 촉진시켜 각 홈(14) 내의 거의 전역을 차지하는 공기의 막(16)을 형성한다. 공기의 막(16)을 구성하는 공기도 작은 화살표로 표시된 방향으로 배출되지만, 축(4)의 주 회전 방향 R로의 회전이 계속되는 한, 캐비테이션에 의해 차례차례로 공기가 발생되기 때문에, 공기의 막(16)이 홈(14) 내에 지속적으로 존재한다. 이는 축(4) 대신에 투명한 판을 실링 링(6)의 끝면(12)에 밀어 붙여서 회전시키면, 투명한 판을 통해 관찰할 수 있다.
따라서 축(4)의 주 회전 방향 R로의 회전시에 실링 링(6)의 끝면(12)과 축(4)의 둘레 홈(8)의 외부 공간(B)측의 벽면 사이에는 유막뿐만 아니라 공기의 막(16)이 계속 끼워진다. 일반적으로 윤활유에는 다량의 공기가 녹아 있어 캐비테이션이 발생하기 쉽다. 다른 관점에서 말하면, 윤활유에서 캐비테이션에 의해 기화된 기포의 에너지는 수중에서 발생되는 그것과 비교하여 작기 때문에, 실링 링(6) 및 축(4)이 기포로 인해 손상을 받을 우려는 작다.
한편, 특허문헌 1 ~ 3에 개시된 종래 기술에서는, 실링 링의 홈 내에 윤활유를 도입시킴으로써 실링 링과 다른 부재 사이의 유막의 형성을 촉진시켜 실링 링과 다른 부재 사이의 마찰을 감소시켜 토크를 저감시키려는 시도를 하고 있다. 그러나 유막의 두께가 과대하면 유막의 전단 저항이 증가해 오히려 토크가 증대할 우려가 있다. 또한, 실링 링의 홈 내에 도입되는 윤활유의 양이 과대하면 윤활유가 외부 공간으로 누출될 우려가 있다.
이 실시형태에서 발생되게 되는 공기의 막(16)은 윤활유의 막보다 훨씬 작은 전단 저항을 갖기 때문에, 실링 링(6)과 둘레 홈(8)의 외부 공간(B)측의 벽면 사이의 마찰이 현저하게 감소되어 토크가 저감된다. 특히, 하우징(2)과 축(4)의 상대 회전의 속도 차이가 큰 경우에 이 효과는 현저하다. 또한, 복수의 홈(14)은 실링 링(6)에 대한 축(4)의 상대적인 주 회전 방향 R로의 회전을 따라, 복수의 홈(14)으로부터 윤활유가 배출되는 것을 촉진시키므로 홈(14) 내에 윤활유를 보내는 경우에 비해 윤활유의 누출량을 저감시킬 수 있다.
발명자는 상기의 효과를 확인하는 실험을 실시했다. 실험에서는 실시형태에 따른 실링 링(6)과, 도 12에 나타낸 비교예의 실링 링(20)을 사용했다. 실링 링(6, 20)의 재료는 PEEK였다.
비교예의 실링 링(20)의 외부 공간(B)측의 끝면(12)에는 복수의 홈(24)이 형성되어 있다. 각 홈(24)은 실질적으로 T자 형상이며, 지름 방향 내측에 배치된 내측 단부(24a)와, 지름 방향 외측에 배치된 2개의 외측 단부(24b, 24c)를 가진다. 내측 단부(24a)는 실링 링(6)의 내주면에서 개구된다. 외측 단부(24b, 24c)는 폐쇄되어 있다.
비교예의 실링 링(20)에서는, 실링 링(6)에 대한 축(4)의 상대적인 주 회전 방향 R로의 회전을 따라 외측 단부(24b)로부터 내측 단부(24a)로 윤활유가 배출되는 동시에, 외측 단부(24b)로부터 내측 단부(24a)의 부분에는 공기의 막이 형성되지만, 내측 단부(24a)로부터 외측 단부(24c)로 윤활유가 보내져 내측 단부(24a)로부터 외측 단부(24c)의 부분에는 유막이 형성된다.
실험 결과를 도 13 내지 도 15에 나타낸다. 도 13 내지 도 15에 있어서, 둥근 점은 실시형태에 대응하며 사각 점은 비교예에 대응한다.
도 13의 가로축의 무차원 특성수 G는 하기의 식으로 계산했다.
G = ηUB/W
여기서, η는 윤활유의 점도(Pa·s)이고, U는 하우징(2)과 축(4)의 상대 속도(m/s)이고, B는 실링 링과 둘레 홈(8)의 둘레 방향에서의 접촉 길이(m)이고, W는 윤활유에 의해 실링 링에 부여되는 누르는 힘(N)이다.
도 13에는, 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(xHEV)에 대한 표준 사용 환경에서의 무차원 특성수 G의 범위와, 자동 변속기(AT) 및 무단 변속기(CVT)에 대한 표준 사용 환경에서의 무차원 특성수 G의 범위를 나타낸다.
도 13의 세로축의 마찰 계수 μ는 실링 링과 축(4)의 둘레 홈(8)의 외부 공간(B)측의 벽면 사이의 마찰 계수이다. 실험에서는 실시형태에 따른 실링 링(6)과 비교예의 실링 링(20)에 동일한 축(4)을 사용했다.
도 13에서 알 수 있듯이, 자동 변속기 및 무단 변속기에 대한 표준 사용 환경에서는 비교예의 실링 링(20)은 작은 마찰 계수를 제시했다. 그러나 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에 대한 표준 사용 환경인 무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상인 경우에는 홈(14) 내에 윤활유를 보내 유막의 형성을 촉진시키는 비교예의 실링 링(20)은 마찰 저항의 현저한 증가를 일으켰다. 반면에, 홈(14) 내에 공기의 막이 형성되는 실시형태에 따른 실링 링(6)에 있어서는, 무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상이어도 마찰 저항의 증가가 억제되었다.
도 14 및 도 15의 실험에서는 윤활유에 의해 실링 링에 부여되는 압력은 15kPa이었다. 윤활유는 오토매틱 트랜스미션 플루드였다.
도 14의 세로축의 토크는 실링 링에 의해 축(4)의 둘레 홈(8)의 외부 공간(B)측의 벽면에 부여된 토크이다. 실험에서는 실시형태에 따른 실링 링(6)과 비교예의 실링 링(20)에 동일한 축(4)을 사용했다.
도 14에서 알 수 있듯이, 비교예의 실링 링(20)에 비해 실시형태에 따른 실링 링(6)은 현저한 토크 저감 효과를 달성했다. 실시형태에 따른 실링 링(6)에 관한 토크는 비교예의 실링 링(20)에 관한 토크의 약 40%였다.
도 14의 실험에서는, 윤활유에 의해 실링 링에 부여되는 압력은 15kPa이었다. 실링 링에 부여되는 압력이 1MPa 이하인 경우에는, 홈(14) 내에 윤활유를 보내 유막의 형성을 촉진시키는 비교예의 실링 링(20)에서는, 홈(14) 내 및 슬라이딩면에의 윤활유의 도입량이 감소되어 마찰 저항의 현저한 증가 나아가서는 토크의 증가를 일으킬 우려가 크다. 반면에, 홈(14) 내에 공기의 막이 형성되는 실시형태에 따른 실링 링(6)에 있어서는, 실링 링(6)에 부여되는 압력이 1MPa 이하여도 홈(14) 내에서 공기의 막이 형성되고, 또한, 유막도 얇게 되므로 마찰 저항의 증가가 억제되며 토크의 증가도 억제된다.
도 15의 세로축의 누출량은 윤활유 공간(A)으로부터 외부 공간(B)으로 윤활유가 유출된 양이다.
도 15에서 알 수 있듯이, 비교예의 실링 링(20)에 비해 실시형태에 따른 실링 링(6)은 현저한 누출량 저감 효과를 달성했다. 실시형태에 따른 실링 링(6)에 관한 윤활유의 누출량은 비교예의 실링 링(20)에 관한 윤활유의 누출량의 약 20%였다.
도 15의 결과에서 이하와 같이 이해된다. 실링 링에 대한 축(4)의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상인 경우에는, 홈(14) 내에 윤활유를 보내 유막의 형성을 촉진시키는 비교예의 실링 링(20)은 마찰 저항의 현저한 증가 나아가서는 토크의 증가를 일으킬 우려가 크다. 반면에, 홈(14) 내에 공기의 막이 형성되는 실시형태에 따른 실링 링(6)에 있어서는, 실링 링(6)에 대한 축(4)의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상이어도 마찰 저항의 증가가 억제되며 토크의 증가도 억제된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 참조하면서 본 발명을 도시하여 설명했지만, 당업자에게 특허 청구 범위에 기재된 발명의 범위에서 일탈하지 않고 형식 및 세부 사항의 변경이 가능한 것이 이해될 것이다. 이러한 변경, 개변 및 수정은 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.
예를 들어, 상기의 실시형태에 있어서는, 외측 부재인 하우징(2)과 실링 링(6)이 고정되어 있는 반면에, 내측 부재인 축(4)은 하우징(2)에 대해 회전한다. 그러나 본 발명에 따른 실링 링은 고정된 내측 부재와 회전하는 외측 부재 사이에 배치되며 회전하는 외측 부재의 내면에 고정, 예를 들면 억지 끼워맞춰져도 좋다.
본 발명의 태양은 하기의 번호가 부여된 조항에도 기재된다.
조항 1. 상대적으로 회전하는 외측 부재와 내측 부재 사이에 배치되는 수지제의 원환상의 실링 링으로서,
상기 외측 부재는 액체가 내부에 배치된 액체 공간과, 단면 원형의 내면을 가지고,
상기 내측 부재는 상기 액체 공간 내에 배치되어 있으며 둘레 홈을 가지고 있고,
상기 실링 링은 상기 외측 부재의 상기 내면에 고정되며 상기 내측 부재에 대해 슬라이딩 가능하게 상기 내측 부재의 상기 둘레 홈 내에 배치되어 상기 액체 공간과 외부 공간을 격리시키고,
상기 실링 링의 상기 외부 공간측의 끝면에는 복수의 홈이 형성되고,
상기 복수의 홈은 상기 실링 링의 내주면에서 개구된 단부를 가지며, 상기 개구된 단부로부터 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 상기 개구된 단부로부터 상기 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않는 것
을 특징으로 하는 실링 링.
이 태양에서는, 복수의 홈이 개구된 단부로부터 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 개구된 단부로부터 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않다. 따라서 복수의 홈은 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 복수의 홈으로부터 액체가 배출되는 것을 촉진시키는 동시에, 캐비테이션에 의해 액체 중의 공기가 기화하는 것을 촉진시켜, 복수의 홈 내에 공기의 막이 형성된다. 공기의 막은 액체의 막보다 훨씬 작은 전단 저항을 갖기 때문에, 실링 링과 다른 부재 사이의 마찰이 현저하게 감소되어 토크가 저감된다. 특히 부재의 상대 회전의 속도 차이가 큰 경우에 이 효과는 현저하다. 또한, 복수의 홈은 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 복수의 홈으로부터 액체가 배출되는 것을 촉진시키므로 홈 내에 액체를 보내는 경우에 비해 액체의 누출량을 저감시킬 수 있다.
조항 2. 상기 복수의 홈은 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 상기 복수의 홈으로부터 상기 액체가 배출되는 것을 촉진시키는 동시에, 캐비테이션에 의해 상기 액체 중의 공기가 기화하는 것을 촉진시켜, 상기 복수의 홈 내에 공기의 막이 형성되게 되도록 구성되어 있는 것
을 특징으로 하는 조항 1에 기재된 실링 링.
조항 3. 상기 실링 링은 적어도 무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
을 특징으로 하는 조항 1 또는 2에 기재된 실링 링.
무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상인 경우에는, 홈 내에 액체를 보내 액체 막의 형성을 촉진시키는 실링 링은, 마찰 저항의 현저한 증가 나아가서는 토크의 증가를 일으킬 우려가 크다. 반면에, 홈 내에 공기의 막이 형성되는 태양에서는, 무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상이어도 마찰 저항의 증가가 억제되며 토크의 증가도 억제된다.
조항 4. 상기 실링 링은 적어도 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
을 특징으로 하는 조항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 실링 링.
실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상인 경우에는, 홈 내에 액체를 보내 액체 막의 형성을 촉진시키는 실링 링은, 마찰 저항의 현저한 증가 나아가서는 토크의 증가를 일으킬 우려가 크다. 반면에, 홈 내에 공기의 막이 형성되는 태양에서는, 실링 링에 대한 내측 부재의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상이어도 마찰 저항의 증가가 억제되며 토크의 증가도 억제된다.
조항 5. 상기 실링 링은 적어도 상기 실링 링에 부여되는 압력이 1MPa 이하인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
을 특징으로 하는 조항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 실링 링.
실링 링에 부여되는 압력이 1MPa 이하인 경우에는, 홈 내에 액체를 보내 액체 막의 형성을 촉진시키는 실링 링에서는, 홈 내 및 슬라이딩면에의 액체의 도입량이 감소되어 마찰 저항의 현저한 증가 나아가서는 토크의 증가를 일으킬 우려가 크다. 반면에, 홈 내에 공기의 막이 형성되는 태양에서는, 실링 링에 부여되는 압력이 1MPa 이하여도 홈 내에서 공기의 막이 형성되고, 또한, 액체 막도 얇게 되므로 마찰 저항의 증가가 억제되며 토크의 증가도 억제된다.
조항 6. 액체가 내부에 배치된 액체 공간과, 단면 원형의 내면을 갖는 외측 부재와,
상기 외측 부재에 상대적으로 회전하는 내측 부재로서, 상기 액체 공간 내에 배치되어 있으며 둘레 홈을 갖는 내측 부재와,
상기 외측 부재와 상기 내측 부재 사이에 배치되는 수지제의 원환상의 실링 링을 가지고,
상기 실링 링은 상기 외측 부재의 상기 내면에 고정되며 상기 내측 부재에 대해 슬라이딩 가능하게 상기 내측 부재의 상기 둘레 홈 내에 배치되어 상기 액체 공간과 외부 공간을 격리시키고,
상기 실링 링의 상기 외부 공간측의 끝면은 복수의 홈을 가지고,
상기 복수의 홈은 상기 실링 링의 내주면에서 개구된 단부를 가지며, 상기 개구된 단부로부터 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 상기 개구된 단부로부터 상기 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않는 것
을 특징으로 하는 밀봉 구조.
조항 7. 상기 복수의 홈은 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 상기 복수의 홈으로부터 상기 액체가 배출되는 것을 촉진시키는 동시에, 캐비테이션에 의해 상기 액체 중의 공기가 기화하는 것을 촉진시켜, 상기 복수의 홈 내에 공기의 막이 형성되게 되도록 구성되어 있는 것
을 특징으로 하는 조항 6에 기재된 밀봉 구조.
조항 8. 상기 실링 링은 적어도 무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
을 특징으로 하는 조항 6 또는 7에 기재된 밀봉 구조.
조항 9. 상기 실링 링은 적어도 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
을 특징으로 하는 조항 6 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 밀봉 구조.
조항 10. 상기 실링 링은 상기 실링 링에 부여되는 압력이 1MPa 이하인 조건을 적어도 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
을 특징으로 하는 조항 6 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 밀봉 구조.
A 윤활유 공간(액체 공간)
B 외부 공간
R 축의 주 회전 방향
1 밀봉 구조
2 하우징(외측 부재)
2A 내면
4 축(내측 부재)
6 실링 링
8 둘레 홈
8a 저면
10 끝면
12 끝면
14 홈
14a 내측 단부(端部)
14b 외측 단부(端部)
16 공기의 막

Claims (10)

  1. 상대적으로 회전하는 외측 부재와 내측 부재 사이에 배치되는 수지제의 원환상의 실링 링으로서,
    상기 외측 부재는 액체가 내부에 배치된 액체 공간과, 단면 원형의 내면을 가지고,
    상기 내측 부재는 상기 액체 공간 내에 배치되어 있으며 둘레 홈을 가지고 있고,
    상기 실링 링은 상기 외측 부재의 상기 내면에 고정되며 상기 내측 부재에 대해 슬라이딩 가능하게 상기 내측 부재의 상기 둘레 홈 내에 배치되어 상기 액체 공간과 외부 공간을 격리시키고,
    상기 실링 링의 상기 외부 공간측의 끝면은 복수의 홈을 가지고,
    상기 복수의 홈은 상기 실링 링의 내주면에서 개구된 단부(端部)를 가지며, 상기 개구된 단부로부터 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 상기 개구된 단부로부터 상기 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않는 것
    을 특징으로 하는 실링 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 홈은 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 상기 복수의 홈으로부터 상기 액체가 배출되는 것을 촉진시키는 동시에, 캐비테이션에 의해 상기 액체 중의 공기가 기화하는 것을 촉진시켜, 상기 복수의 홈 내에 공기의 막이 형성되게 되도록 구성되어 있는 것
    을 특징으로 하는 실링 링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실링 링은 적어도 무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
    을 특징으로 하는 실링 링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실링 링은 적어도 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
    을 특징으로 하는 실링 링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실링 링은 적어도 상기 실링 링에 부여되는 압력이 1MPa 이하인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
    을 특징으로 하는 실링 링.
  6. 액체가 내부에 배치된 액체 공간과, 단면 원형의 내면을 갖는 외측 부재와,
    상기 외측 부재에 상대적으로 회전하는 내측 부재로서, 상기 액체 공간 내에 배치되어 있으며 둘레 홈을 갖는 내측 부재와,
    상기 외측 부재와 상기 내측 부재 사이에 배치되는 수지제의 원환상의 실링 링을 가지고,
    상기 실링 링은 상기 외측 부재의 상기 내면에 고정되며 상기 내측 부재에 대해 슬라이딩 가능하게 상기 내측 부재의 상기 둘레 홈 내에 배치되어 상기 액체 공간과 외부 공간을 격리시키고,
    상기 실링 링의 상기 외부 공간측의 끝면은 복수의 홈을 가지고,
    상기 복수의 홈은 상기 실링 링의 내주면에서 개구된 단부를 가지며, 상기 개구된 단부로부터 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향과 반대 방향을 향해 연장되어 있으며 상기 개구된 단부로부터 상기 주 회전 방향을 향해 연장되어 있지 않는 것
    을 특징으로 하는 밀봉 구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 홈은 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 주 회전 방향으로의 회전을 따라 상기 복수의 홈으로부터 상기 액체가 배출되는 것을 촉진시키는 동시에, 캐비테이션에 의해 상기 액체 중의 공기가 기화하는 것을 촉진시켜, 상기 복수의 홈 내에 공기의 막이 형성되게 되도록 구성되어 있는 것
    을 특징으로 하는 밀봉 구조.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조는 적어도 무차원 특성수 G가 1.0×10-6 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
    을 특징으로 하는 밀봉 구조.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조는 적어도 상기 실링 링에 대한 상기 내측 부재의 상대적인 속도 차이가 3m/s 이상인 조건을 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
    을 특징으로 하는 밀봉 구조.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조는 상기 실링 링에 부여되는 압력이 1MPa 이하인 조건을 적어도 포함하는 사용 환경에서 사용되는 것
    을 특징으로 하는 밀봉 구조.
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