WO2007097175A1

WO2007097175A1 - 往復動用密封リング

Info

Publication number: WO2007097175A1
Application number: PCT/JP2007/051761
Authority: WO
Inventors: Satoshi Horie; Masashi Nakao
Original assignee: Nok Corporation
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2007-08-30
Also published as: JP5293914B2; JP2007255694A; US7954823B2; EP1988312B1; US20090166979A1; EP1988312A1; EP1988312A4

Abstract

　相対に移動する二部材のうちの一方の部材に保持されて他方の部材に摺動自在に密接する往復動用密封リング２１であって、他方の部材に摺動自在に密接する断面円弧形の先端摺動部２１ａを有する密封リング２１において、先端摺動部２１ａの曲率半径をR、当該密封リング２１の軸方向幅をAとして、 A／２＜R＜１３A２の関係を充足し、軸方向両側面と背面のうち少なくとも一方に、凹面２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを有し、その最深部間の軸方向肉厚Cを、 0.5A＜C＜A とすることによって、低摩擦を実現した往復動用密封リング２１を提供する。

Description

明細書

往復動用密封リング

技術分野

[0001] 本発明は、密封技術に係る密封リングに係り、更に詳しくは、往復動シールに用いられるのに適した密封リングに関するものである。本発明の密封リングは例えば、自動車または産業機械等の分野にぉ、て用いられる。

背景技術

[0002] 自動車または産業機械等の分野においては、往復動用の密封リングとして Oリングや Dリング等のスクイーズパッキンが多用されている力 Oリングのように捩れが発生することが少なぐまたコスト面などの理由により、断面 D字状をなす Dリングが使用されることが多!ヽ (特許文献 1参照)。

[0003] しかしながら何れにしても、省資源や省エネルギーの観点からすると、これらの往復動用密封リングには、その摺動特性に関して低摩擦であることが要求される。

[0004] 特許文献 1 :実開平 04— 84863号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、摺動特性に関して低摩擦を実現し、耐久性が高ぐもって省資源及び省エネルギーに貢献することができる往復動用密封リングを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0006] 上記課題を解決するため、本発明に係る密封リングは、相対に移動する二部材のうち一方の部材に保持されると共に他方の部材に摺動自在に密接され、前記他方の部材との摺動部が断面円弧形をなす往復動用密封リングにおいて、前記摺動部の曲率半径を R、当該密封リングの軸方向幅を Aとして、次式

A/2< R< 13A²- - - (1)

の関係を充足し、軸方向両側面と、前記摺動部の反対側の背面のうち少なくとも一方に、凹面を有する形状としたことを特徴とするものである。 [0007] 上記構成を備えた本発明の密封リングは、本願発明者らによる以下の鋭意研究の結果として案出されたものである。

[0008] 自動車及び産業機械用往復動シールに用いられる Oリング、 Dリング、ゴムパッキンなどの密封リングには、省資源、省エネルギーの観点から、低摩擦の要求がある。そこで、シールの低摩擦ィ匕を探るベぐ Dリングの摩擦特性 (ストライベック曲線)の研究を行なった。

[0009] 実験は、図 1に示す油圧サーボ振動試験機 1を利用して行なった。すなわち、摺動部は、摩擦力測定用ロードセル 2に接続した固定内筒 3と、上下に正弦波状で往復運動する円筒 4とにより構成される。図 2に拡大して示すように、 Dリング 21は固定内筒 3の装着溝 3aに装着し、 Dリング 21の圧縮（つぶし量）は円筒 4により 0.37mmを狙いセットする（一般的なつぶし率は 8〜30%)。潤滑油 5は Dリング 21の片側に充填した。尚、図 1及び図 2において、符号 6はクロスヘッド、 7は支柱、 8は恒温槽、 9は軸（上側）、 10, 11はフランジ、 12は軸（下側）、 13はシリンダー、 14は加振機をそれぞれ示している。

[0010] 実験は、温度 40°Cの下、ストロークを 6mmに固定し、サイクル数を 0.05〜2.5Hzの範囲で変えることによって実施した。

[0011] 潤滑油には 3種類の油を用いた。それらの性状を表 1に示す。

[表 1]

表 1. 潤滑油

[0012] 摩擦の計測手順は以下のとおりである。まず慣らし運転 30往復 (ストローク 6mm、周波数 0.17Hz)を行ない、 3分間放置後、所定サイクル数にて摩擦力が安定した時点にてデータ取りを行なった。

[0013] 以下、 Dリングが潤滑油側に向力、運動する行程を押し行程 (Pumping stroke),その逆を引き行程 (Motoring stroke)と呼ぶ。また、摩擦特性を左右する潤滑特性数 G及び行程中央での平均摩擦係数 fcを次のように定義する。

G= (S V )/(Pr/L) · · · (2)

fc= Fc/Pr · · · (3)

r?：潤滑油粘度 (Pa ' s), S :ストローク (m),

v：サイクル数 (1/s),し：軸周長 )， Pr :緊迫力 (N)

Fc：行程中央での摩擦力 (N)

[0014] 往復動用 Dリングとして図 3に示す 5形状の Dリングを用いた。いずれの形状も Dリング内径は Φ 50とした。 Dリング材料は ACMゴム材であり、その物性値を表 2に示す。

[表 2]

表 2. Dリング材料

項目物性値

硬さ (IRHD) 70 引張り強さ (MPa 11.8 伸び (％) 1 190 比重 1.31

[0015] 図 4に各潤滑特性数における代表的な摩擦波形を示す。図 5は行程中央での平均摩擦係数 fcと潤滑特性数 Gの関係を示したものである。

[0016] 平均摩擦係数 fcは、潤滑特性数 Gの増加に対し、 Gの値が小さ、領域 (Gく 10"⁶)では減少し、 Gの値が大き、領域 (G > 10— ⁴)では増加し、 10— ⁶く G< 10— ⁴域で最小値を示している。この最小値を示す Gの値を限界潤滑特性数と呼び、 Gcで示すと、この値は各シール形状に対して大略次のようになる。形状 a (R=0.3mm)： Gc = 3.0 X 10— ⁵

形状 b (R=0.5mm)： Gc= 1.9 X 10— ⁵

形状 c (R=0.7mm)： Gc=6.9 X 10— ⁶

形状 d (R=1.0mm)： Gc=5.7 X 10— ⁶

形状 e (R=2.0mm)： Gc = 3.9 X 10— ⁶

すなわち、 Gcの値は、接触部である Dリング先端の曲率半径 Rの増加と共に減少している。

[0017] G>Gcの領域では、 fc^G^1/2の関係が認められる。また、摩擦波形は行程中央部で最大値を呈している（図 4参照)。これらの特徴は、この領域では流体潤滑が支配的であることを示して、る。この流体潤滑が支配的である領域にぉ、ても平均摩擦係数 fcは、接触部である Dリング先端の曲率半径 Rに依存し、 Rが大きいほど流体くさび作用の影響によって平均摩擦係数 fcは減少する傾向にあるが、その減少率は顕著ではない。これは、膜厚の増大が曲率半径 Rの影響を緩和するためと考えられる。

[0018] 一方、 Gく Gcの領域では、接触面に直接接触が発生すると考えられている。しかし

、 Gく 1.0 X 10— ⁵の領域での平均摩擦係数 fcは、接触部である Dリング先端の曲率半径 Rが大きくなるに伴い小さくなる傾向を示した。これは、 Dリング先端の曲率半径尺の増大と共に、例え時間 ·空間的に接触が存在したとしても、流体くさび効果が顕著に作用することが原因であると考えられる。

[0019] すなわち、 Dリング先端の曲率半径 Rを大きくすることによって油膜形成を容易にし

、全 G領域にぉ、て平均摩擦係数を低下させることができる。

[0020] ここで、図 3における「形状 d」が従来公知の Dリング形状である（R=A/2)ため、同じ図 3における「形状 e」のように、「形状 d」よりも曲率半径 Rを大きくした方が、平均摩擦係数 fcが小さくなることが判明した (図 5)。

[0021] なお、曲率半径 Rの上限値を Rく 13A²としたのは、曲率半径 Rがひたすら大きくなると、断面矩形状のいわゆる角リングに限りなく近づく形状となり、或る曲率半径 Rの上限を超えてしまうと「流体くさび効果」が作用せず、往復動シールとして機能しなくなることから、このような限界値を設定したものである。

[0022] ところ力図 3における「形状 d」のような従来公知の Dリングに比較して、曲率半径 R を大きくした「形状 e」の密封リングは、上述の実験結果力も明らかなように、摩擦係数を低下させることはできるが、曲率半径 Rの増大に伴い摺動部側で断面積 (ボリユーム）が大きくなるので、相手摺動面に対する緊迫力が僅かに上昇することになる。そして、上述の式（3)から、

Fc=fc-Pr · · · (4)

であり、摩擦係数 fcが低下しても、緊迫力 Prの増大によって摩擦力 Fcの低下が抑えられてしまう。

[0023] そこで本発明は、先端摺動部の曲率半径 R及び密封リングの軸方向幅 Aを上述の式（1)の関係を充足するように規定することによって摩擦係数を低下させると共に、軸方向両側面と、前記先端摺動部の反対側の背面のうち少なくとも一方に、凹面を形成することによって、緊迫力 Prを減少させ、摩擦力 Fcを十分に低下させることに成功したものである。すなわち、軸方向両側面に凹面を形成した場合は、径方向中間部の剛性が低下し、背面に凹面を形成した場合は、この密封リングを保持している一方の部材にバックアップされている背面側の剛性が低下することによって、他方の部材の摺動面に対する前記先端摺動部の面圧 (緊迫力）が低下する。

[0024] また、軸方向両側面に凹面を形成する場合、その最深部間の軸方向肉厚 Cは、

0.5A< C<A · · · (5)

とすることが好適である。すなわち上記（5)式において、 0.5Aく Cと規定したのは、軸方向両側面の凹面によってその最深部間の軸方向肉厚が 0.5A以下になると、肉厚が最も小さい径方向中間部分で、径方向に対する剛性が低くなり過ぎて、座屈を起こしゃすくなるからである。また、軸方向両側面に凹面を形成した場合は、当然 Cく A となる。

発明の効果

[0025] 本発明に係る往復動用密封リングによれば、摩擦係数を低下させると共に緊迫力を減少させることによって、軸方向往復摺動に伴う摩擦力を低減させることができ、ひいては耐久性を向上させることができる。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]実験に用いた油圧サーボ振動試験機の説明図 [図 2]同試験機の要部拡大断面図

[図 3]同実験に用いた試験試料を示す説明図

圆 4]同実験における摩擦波形を示す説明図

[図 5]同実験における平均摩擦係数と潤滑特性数の関係を示す説明図

[図 6]本発明に係る往復動用密封リングの第一の形態を、軸心を通る平面で切断した半断面図

[図 7]本発明に係る往復動用密封リングの第二の形態を、軸心を通る平面で切断した半断面図

[図 8]起動時の摩擦力を計測した結果を示す線図

[図 9]摺動時の摩擦力を計測した結果を示す線図

[図 10]本発明に係る往復動用密封リングの第三の形態を、軸心を通る平面で切断した半断面図

符号の説明

[0027] 21 密封リング

21a 先端摺動部

21b 背面

21c, 21d, 21e, 21h 凹面

21f, 21g リップ

発明を実施するための最良の形態

[0028] 図 6は、本発明に係る往復動用密封リングの第一の形態を、軸心 Oを通る平面で切断した断面図である。すなわち、この密封リング 21は、 ACMゴム材を成形材料として環状に成形されたものであって、外周側の先端摺動部 21aは、断面形状が外周へ凸の円弧状をなしており、その反対側（内周側）の背面 21bは円筒面状をなしており、軸方向両側面には、互いに対称の緩やかな凹面 21c, 21dが形成されている。

[0029] 具体的な寸法の例としては、この密封リング 21の内径は φ 50mm,軸方向幅 Aは 2.0 mm、径方向幅 Bは 3.8mmであり、先端摺動部 21aの曲率半径 Rは、軸方向幅 Aと同じく 2.0mmに設定され、上記（1)式の範疇に属している。また、凹面 21c, 21dの曲率半径は先端摺動部 21aの曲率半径 Rより大きぐ凹面 21c, 21dにおける径方向中間部 (最深部）の深さ Dが 0.16〜0.17mm程度となって!/、る。

[0030] このような断面形状とすれば、先に説明したように、先端摺動部 21aの曲率半径尺が大きいことによって油膜形成が容易になるので、摩擦係数が低下し、し力も軸方向両側面の凹面 21c, 21dによって径方向中間部の肉厚が減少してその剛性が低下するので、先端摺動部 21aの面圧が低下して、軸方向往復摺動に伴う摩擦力を低減させることがでさる。

[0031] 次に図 7は、本発明に係る往復動用密封リングの第二の形態を、軸心 Oを通る平面で切断した断面図である。すなわち、この密封リング 21は、先に説明した図 6に示される第一の形態の構成に加え、背面 21bにおける軸方向中間部に凹面 21eを形成したものである。言い換えれば、凹面 21eによって、背面側に一対のリップ 21f, 21g を有する形状となっている。具体的な寸法としては、例えば凹面 21eの深さは約 0.39 mm、凹面 21e及びリップ 21f, 21gの曲率半径は、それぞれ約 0.33mmとした。また、内径 Φ、軸方向幅 A、径方向幅 B、摺動部 21aの曲率半径 R、凹面 21c, 21dの曲率半径及びその最深部の深さ Dなどは、第一の形態と同様である。

[0032] このような断面形状とすれば、この密封リング 21を保持している不図示の部材 (溝の内面）にバックアップされている背面側の剛性が低下するので、第一の形態による作用と相俟って、先端摺動部 21aの軸方向往復摺動に伴う摩擦力を一層低減させることができる。また、軸方向両側面は平面状に形成し、背面部にのみ凹面 21eを形成したものでも、背面側の剛性低下によって、摩擦力の十分な低減が可能である。

[0033] ここで、上述した第一の形態（図 6)又は第二の形態（図 7)による密封リング 21は、軸方向幅 A力 ¾.0mm、軸方向両側の凹面 21c, 21dの最深部の深さ Dが 0.16〜0.17m mであるから、凹面 21c, 21dの最深部間における密封リング 21の軸方向肉厚 Cは 1. 66〜1.68程度となっており、先に説明した（2)式を満足するものであるため、径方向に対する密封リング 21の座屈が防止される。特に、密封リング 21がデュロメータ Aの硬度が 70度の ACMゴム材カなるものである場合は、前記軸方向肉厚 Cは、第一の形態又は第二の形態のように 0.8A< C< 0.85Aとすることが好適である。

[0034] 図 8は、図 7に示される第二の形態における密封リング 21を実施例とし、図 3における「形状 d」の Dリング (R= 1.0mm)を比較例として、ストローク長さ： 6mm,摺動速度： 2 mm/sec,圧力： OMPaの条件で摺動試験を行い、起動時における先端摺動部 21aの摩擦力を、異なる温度条件で計測した結果を示す線図、図 9は、同じく往復摺動時の摩擦力を、異なる温度条件で計測した結果を示す線図である。

[0035] この試験結果から、実施例の密封リングは、低温時の摩擦力が小さくなり、特に起動時において、低温時の摩擦力の低下が顕著であることが確認された。

[0036] 次に図 10は、本発明に係る往復動用密封リングの第三の形態を、軸心 Oを通る平面で切断した断面図である。すなわち、この密封リング 21は、先に説明した図 7に示される第二の形態の構成に加え、先端摺動部 21aの軸方向中間部に、背面側の凹面 21eよりも浅い凹面 21hを形成したものである。

[0037] この構成によれば、先端摺動部 21aに形成した凹面 21hが、グリースなどの潤滑油を保持する油溜まりとして機能するので、先端摺動部 21aへの油膜形成が容易になるので、摩擦力を一層小さくすることができる。

産業上の利用可能性

[0038] 本発明に係る往復動用密封リングは、自動車又は産業機械の往復動シールとして利用可能であり、低摩擦を実現することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 相対に移動する二部材のうちの一方の部材に保持されると共に他方の部材に摺動自在に密接され、前記他方の部材との摺動部（21a)が断面円弧形をなす往復動用密封リング（21)において、

前記摺動部（21a)の曲率半径を R、当該密封リング（21)の軸方向幅を Aとして、次式

A/2< R< 13A²

の関係を充足し、軸方向両側面と、前記摺動部（21a)の反対側の背面（21b)のうち少なくとも一方に、凹面（21c, 21d, 21e)を有する形状としたことを特徴とする往復動用密封リング。

[2] 軸方向両側面の凹面（21c, 21d)の最深部間の軸方向肉厚 Cを、

0.5A< C<A

としたことを特徴とする請求項 1に記載の往復動用密封リング。