WO2022059360A1

WO2022059360A1 - 密封装置

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Publication number: WO2022059360A1
Application number: PCT/JP2021/028204
Authority: WO
Inventors: 裕香山口; 耕吉濱本; 英明長浜谷; 祐貴佐藤; 賢哉吉岡
Original assignee: Nok株式会社
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2022-03-24
Also published as: EP4215779A1; JPWO2022059360A1; US20240026977A1; CN116057304A; EP4215779A4; KR20230045090A

Abstract

密封装置は、相対的に回転する内側部材と外側部材との間に配置される。密封装置は、内側部材の外周面に摺動可能に接触し、外側部材の内部空間内の液体を封止するシールリップとを備える。シールリップは、液体側傾斜面と、大気側傾斜面と、液体側傾斜面と大気側傾斜面の間の境界にあって周方向に延びるリップエッジを有する。大気側傾斜面には、内側部材の外周面に接触する複数の螺旋リブが形成されており、複数の螺旋リブはリップエッジに対して傾斜して螺旋状に延びる。各螺旋リブは、互いに平行な側壁を有する直線部と、側壁よりも広がって湾曲する舟底形状部を有し、直線部はリップエッジから延びており、舟底形状部は直線部よりもリップエッジから遠くに配置されている。各直線部の大気側傾斜面に対する高さは、５μm以上、３７μm以下である。

Description

密封装置

　本発明は、相対的に回転する内側部材と外側部材との間に配置される密封装置に関する。

　相対的に回転する内側部材と外側部材との間に配置される密封装置のシールリップの大気側の面には、複数の螺旋状のリブが形成されることがある。この種の密封装置は、外側部材の内部空間に配置された液体（例えば潤滑剤）を封止するために使用され、螺旋状のリブは、大気側に漏れた液体を、内側部材と外側部材の相対回転に伴って、内部空間に戻す作用（ポンピング作用）をもたらす。したがって、大気側への多くの液体の漏れが抑制される。

　より詳細には、螺旋状のリブは、外側部材に対して内側部材が１方向に回転する際にポンピング作用を発揮するようにシールリップのリップエッジに対して傾斜している。

特許３２７８３４９号明細書

　外側部材に対して内側部材が２方向に回転可能である場合には、密封装置は、外側部材に対して内側部材が通常の回転方向とは逆方向に回転する際に、大気側に液体が漏れることを抑制することができると望ましい。例えば、自動車の駆動軸、伝達軸、または車軸は２方向に回転可能である。特に、電気自動車またはハイブリッド自動車の駆動モーターの回転軸は高速で回転する。

　そこで、本発明は、外側部材に対して内側部材が逆方向に高速で回転する際に、大気側に液体が漏れることを抑制することができる密封装置を提供する。

　本発明のある態様に係る密封装置は、相対的に回転する内側部材と外側部材との間に配置され、前記内側部材と前記外側部材との間の間隙を封止する密封装置であって、前記外側部材に取り付けられる取付け部と、前記外側部材の孔の内部に配置され、前記内側部材の外周面に摺動可能に接触し、前記外側部材の内部空間と大気側とを隔てて、前記内部空間内の液体を封止するシールリップとを備える。前記シールリップは、前記内部空間側に配置された液体側傾斜面と、大気側に配置された大気側傾斜面と、前記液体側傾斜面と前記大気側傾斜面の間の境界にあって周方向に延びるリップエッジを有する。前記液体側傾斜面は、前記リップエッジから離れるほど前記内側部材から離れるよう傾斜する。前記大気側傾斜面は、前記リップエッジから離れるほど前記内側部材から離れるよう傾斜する。前記大気側傾斜面には、前記内側部材の前記外周面に接触する複数の螺旋リブが形成されており、前記複数の螺旋リブは前記リップエッジに対して傾斜して螺旋状に延びる。各螺旋リブは、互いに平行な側壁を有する直線部と、前記側壁よりも広がって湾曲する舟底形状部を有し、前記直線部は前記リップエッジから延びており、前記舟底形状部は前記直線部よりも前記リップエッジから遠くに配置されている。各直線部の前記大気側傾斜面に対する高さは、５μm以上、３７μm以下である。

　この態様においては、各螺旋リブの直線部の高さが５μm以上であることによって、外側部材に対して内側部材が順方向に回転する際に、各螺旋リブはポンピング作用を発揮する。一方、各螺旋リブの直線部の高さが３７μm以下であることによって、外側部材に対して内側部材が逆方向に高速で回転しても、大気側に液体が漏れることを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る密封装置を示す部分断面図である。本発明の実施形態に係る密封装置のシールリップの内周面の展開図である。図２のIII-III線に相当するシールリップの断面図である。回転軸を通常の回転方向とは逆方向に回転させた実験での、密封装置の各試料の液体漏出防止結果を示すグラフである。実施形態の変形例に係る密封装置のシールリップの内周面の展開図である。

　以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、一部の特徴は誇張または省略されることもある。

　図１に示すように、本発明の実施形態に係る密封装置１は、静止したハウジング（外側部材）２と、回転軸（内側部材）４との間に配置され、ハウジング２と回転軸４との間の間隙を封止する。ハウジング２には軸孔２Ａが形成されており、軸孔２Ａ内に回転軸４が配置されている。ハウジング２の内部空間には、液体すなわち潤滑剤であるオイルが配置されている。回転軸４は円柱状であり、軸孔２Ａは断面円形であり、密封装置１は環状であるが、図１においては、それらの左半分のみが示されている。

　回転軸４は、例えば、自動車の駆動軸、伝達軸、または車軸である。

　密封装置１は、外側円筒部１０、連結部１２、および内側円筒部１４を有する。外側円筒部１０は、ハウジング２に取り付けられる取付け部である。図示の例では、外側円筒部１０は、軸孔２Ａに締まり嵌め方式で嵌め入れられる（すなわち圧入される）。但し、他の取付け方式を使用してもよい。連結部１２は、外側円筒部１０よりも大気側に配置されて、外側円筒部１０と内側円筒部１４を連結する。

　密封装置１は、弾性環１６および剛性環１８を有する複合構造である。弾性環１６は、弾性材料、例えばエラストマーで形成されている。剛性環１８は、剛性材料、例えば金属から形成されており、弾性環１６を補強する。剛性環１８は、ほぼＬ字形の断面形状を有する。剛性環１８は、弾性環１６に埋設されており、弾性環１６に密着している。具体的には、剛性環１８は、外側円筒部１０と連結部１２にわたって設けられている。

　内側円筒部１４は、弾性材料のみで構成されており、内側円筒部１４には、シールリップ２０とダストリップ２２が形成されている。シールリップ２０とダストリップ２２は、ハウジング２の軸孔２Ａの内部に配置され、回転軸４の外周面に摺動可能に接触する。

　シールリップ２０は、ハウジング２の内部空間と大気側とを隔てて、内部空間内の液体を封止する。すなわち、シールリップ２０は、潤滑剤の流出を阻止する役割を担う。

　ダストリップ２２は、シールリップ２０よりも大気側に配置され、大気側から内部空間への異物（水（泥水または塩水を含む）およびダストを含む）の流入を阻止する役割を担う。ダストリップ２２は、傾斜した円環状の板であり、その基部から大気側かつ径方向内側に向けて斜めに延びる。

　シールリップ２０は、内側円筒部１４の内周面に形成された突起であり、内部空間側に配置された液体側傾斜面２４と、大気側に配置された大気側傾斜面２６と、液体側傾斜面２４と大気側傾斜面２６の間の境界にあって周方向に延びるリップエッジ２８を有する。液体側傾斜面２４は、円錐台の側面の形状を有し、リップエッジ２８から離れるほど回転軸４から離れるよう傾斜する。大気側傾斜面２６も、円錐台の側面の形状を有し、リップエッジ２８から離れるほど回転軸４から離れるよう傾斜する。

　内側円筒部１４の外周面には、シールリップ２０を径方向内側に圧縮するガータースプリング３０が巻かれている。但し、ガータースプリング３０は必ずしも不可欠ではない。

　大気側傾斜面２６には、複数の螺旋リブ３２が形成されている。これらの螺旋リブ３２はリップエッジ２８に対して傾斜して螺旋状に延びる。螺旋リブ３２は、周方向に互いに等角間隔をおいて配置されている。

　図２は、シールリップ２０の内周面の展開図である。図２に示すように、各螺旋リブ３２は、直線部３４と、直線部３４の側壁３４ａよりも広がって湾曲する舟底形状部３６を有する。直線部３４は、特許文献１において「平行ねじ突起」と呼ばれる部分であり、直線状に延びており、互いに平行な側部３４ａを有する。舟底形状部３６は、特許文献１において「舟底ねじ突起」と呼ばれる部分であり、舟底の形状を有する。すなわち、舟底形状部３６の幅は、舟底形状部３６の長手方向に沿って一端から徐々に大きくなり、中央部分から他端に向けて徐々に小さくなる。各螺旋リブ３２において、直線部３４と舟底形状部３６は直列に配置されており、直線部３４はリップエッジ２８から延びており、舟底形状部３６は直線部３４よりもリップエッジ２８から遠くに（大気側に）配置されている。

　各螺旋リブ３２は、回転軸４の外周面に接触する。図３に、螺旋リブ３２を含むシールリップ２０が回転軸４の外周面に接触する状態を示す。図３に示すように、リップエッジ２８および螺旋リブ３２は、回転軸４の外周面に接触して弾性変形させられる。リップエッジ２８の変形量を締め代ＩＮと呼ぶ。

　螺旋リブ３２のうちリップエッジ２８に近い直線部３４は、弾性変形していない状態（仮想線で示す）では、螺旋リブ３２の長手方向にわたって、大気側傾斜面２６に対して一様な高さＨを有する。但し、直線部３４のリップエッジ２８に近い部分は、回転軸４の外周面に接触して弾性変形させられる。実際には、リップエッジ２８の変形量（締め代ＩＮ）は、直線部３４の高さＨより遥かに大きいが、図３では高さＨを誇張して示す。

　一方、リップエッジ２８から離れた舟底形状部３６は回転軸４の外周面に接触しない。但し、直線部３４が摩耗すれば、舟底形状部３６が回転軸４の外周面に接触しうる。上記の直線部３４の高さＨとは、密封装置１の製造後の初期状態での直線部３４の高さを意味する。

　各螺旋リブ３２の傾斜方向は、回転軸４の図２の第１の方向Ｒ１への回転に適合させられている。つまり、回転軸４が第１の方向（順方向すなわち回転軸４の通常の回転方向）Ｒ１に回転する時に、各螺旋リブ３２がポンピング作用を発揮して、液体を大気側から内部空間に戻す。

　しかし、回転軸４が図２の第２の方向（逆方向）Ｒ２に回転する時、螺旋リブ３２のためにシールリップ２０の回転軸４への接触状態が不安定になり、液体が内部空間から大気側に漏出するおそれがある。このような漏出は、螺旋リブ３２を含むシールリップ２０の微小な変形または回転軸４に対するシールリップ２０の緊迫力の低下に起因すると理解されている。液体の漏出は、第２の方向Ｒ２への回転軸４の回転速度が高いほど発生しやすい。第２の方向Ｒ２へ回転軸４が高速で回転しても、大気側に液体が漏れることを抑制することができるのが好ましい。

　そこで、出願人は、螺旋リブ３２の直線部３４の高さＨが異なる複数の密封装置１の試料を用いて、螺旋リブ３２の性能を調査する実験を行った。

　実験に使用した試料において、高さＨは１４μｍ、２５μｍ、３７μｍ、４８μｍであった。試料の弾性環１６の材料はＦＫＭ（フッ素ゴム）であった。シールリップ２０に接触する回転軸４の直径は、６５ｍｍであった。

　内部空間に貯留された液体は、低粘度のＡＴＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｆｌｕｉｄ）である。内部空間において、液体は回転軸４の中心軸線の高さまで入れられた（回転軸４の中心軸線より下部は液体に浸された）。

　実験では、回転軸４を第１の方向Ｒ１と第２の方向Ｒ２の両方に回転させ、液体が大気側に漏出したか否かを判定した。具体的には、液体がダストリップ２２を乗り越えて視認できた場合、液体が大気側に漏出したと判定した。シールリップ２０のリップエッジ２８からダストリップ２２までの距離は、無負荷状態で６ｍｍであった。

　第１の方向Ｒ１への回転での実験では、回転軸４の周速は５０ｍ／ｓであった。いずれの試料でも液体が大気側に漏出しなかった。

　次に、第２の方向Ｒ２への回転での実験について述べる。図４には、回転軸４を第２の方向Ｒ２に回転させた場合、各試料について、液体が大気側に漏出した最低の周速がプロットされている。高さＨが４８μｍの場合には、著しく低い周速でも、液体が大気側に漏出した。他方、高さＨが２５μｍ、３７μｍの場合には、２０ｍ／ｓより高い周速で液体が大気側に漏出した。これは、高さＨが２５μｍ、３７μｍの場合には、回転軸４を周速２０ｍ／ｓで第２の方向Ｒ２に回転させても、液体が大気側に漏出しないことを示す。高さＨがより低ければ、回転軸４を周速２０ｍ／ｓで第２の方向Ｒ２に回転させても、液体が大気側に漏出しないことが明らかと考えられるので、高さＨが１４μｍの試料は実験しなかった。

　したがって、各螺旋リブ３２の直線部３４の大気側傾斜面２６に対する高さＨは、３７μm以下であることが好ましい。各螺旋リブ３２の直線部３４の高さＨが３７μm以下であることによって、ハウジング２に対して回転軸４が第２の方向（逆方向）Ｒ２に高速で回転しても、大気側に液体が漏れることを抑制することができる。

　一方、各螺旋リブ３２の直線部３４の大気側傾斜面２６に対する高さＨは、５μm以上であることが好ましい。各螺旋リブ３２の直線部３４の高さＨが５μm以上であることによって、ハウジング２に対して回転軸４が第１の方向（順方向）Ｒ１に回転する際に、各螺旋リブ３２はポンピング作用を発揮する。

　図５は、実施形態の変形例に係る密封装置のシールリップ２０の内周面の展開図である。この変形例では、異なる方向に延びる複数の螺旋リブ３２が設けられている。具体的には、図５では、シールリップ２０の内周面の一部しか示されていないが、各グループが複数の螺旋リブ３２からなる複数のグループ４２と、各グループが複数の螺旋リブ３２からなる複数のグループ４４が大気側傾斜面２６に設けられており、グループ４２，４４は周方向に交互に並べられている。

　グループ４２においては、各螺旋リブ３２の傾斜方向は、回転軸４の第１の方向Ｒ１への回転に適合させられている。つまり、回転軸４が第１の方向Ｒ１に回転する時に、グループ４２の各螺旋リブ３２がポンピング作用を発揮して、液体を大気側から内部空間に戻す。

　グループ４４においては、各螺旋リブ３２の傾斜方向は、回転軸４の第２の方向Ｒ２への回転に適合させられている。つまり、回転軸４が第２の方向Ｒ２に回転する時に、グループ４４の各螺旋リブ３２がポンピング作用を発揮して、液体を大気側から内部空間に戻す。

　このように、図５の変形例では、回転軸４がいずれの方向に回転しても、いずれかのグループの螺旋リブ３２がポンピング作用を発揮する。本発明は、図５の変形例を排除することを意図しない。

　しかし、すべての螺旋リブ３２が同じ傾斜方向を有する実施形態に関する上記の実験で、第１の方向Ｒ１に回転軸４を周速５０ｍ／ｓで回転させた場合、液体が大気側に漏出しなかったのに対して、第２の方向Ｒ２に回転軸４をより低い周速で回転させた場合、液体が大気側に漏出した。つまり、第２の方向Ｒ２に回転軸４を周速５０ｍ／ｓで回転させると、グループ４２に相当する領域で、液体が大気側に漏出するおそれがあり、第１の方向Ｒ１に回転軸４を周速５０ｍ／ｓで回転させると、グループ４４に相当する領域で、液体が大気側に漏出するおそれがある。

　したがって、この変形例よりも、すべての螺旋リブ３２が同じ傾斜方向を有する実施形態が好ましい。回転軸４が、例えば、自動車の車軸である場合には、左右のいずれに車軸が配置されるかに応じて、回転軸４の回転方向は異なる。この場合には、螺旋リブ３２の傾斜方向が異なる２種類の密封装置が準備され、回転方向に応じて、密封装置を選択するのが好ましい。

　以上、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を図示して説明したが、当業者にとって特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の変更が可能であることが理解されるであろう。このような変更、改変および修正は本発明の範囲に包含されるはずである。

　例えば、上記の実施形態では、密封装置１は、静止したハウジング（外側部材）２と、回転軸（内側部材）４との間に配置されるが、回転する外側部材と静止した内側部材との間に配置されてもよい。

１　密封装置
２　ハウジング（外側部材）
４　回転軸（内側部材）
１０　外側円筒部（取付け部）
１２　連結部
１４　内側円筒部
２０　シールリップ
２２　ダストリップ
２４　液体側傾斜面
２６　大気側傾斜面
２８　リップエッジ
３２　螺旋リブ
３４　直線部
３４ａ　側壁
３６　舟底形状部

Claims

　相対的に回転する内側部材と外側部材との間に配置され、前記内側部材と前記外側部材との間の間隙を封止する密封装置であって、
　前記外側部材に取り付けられる取付け部と、
　前記外側部材の孔の内部に配置され、前記内側部材の外周面に摺動可能に接触し、前記外側部材の内部空間と大気側とを隔てて、前記内部空間内の液体を封止するシールリップと
を備え、
　前記シールリップは、前記内部空間側に配置された液体側傾斜面と、大気側に配置された大気側傾斜面と、前記液体側傾斜面と前記大気側傾斜面の間の境界にあって周方向に延びるリップエッジを有し、
　前記液体側傾斜面は、前記リップエッジから離れるほど前記内側部材から離れるよう傾斜し、
　前記大気側傾斜面は、前記リップエッジから離れるほど前記内側部材から離れるよう傾斜し、
　前記大気側傾斜面には、前記内側部材の前記外周面に接触する複数の螺旋リブが形成されており、前記複数の螺旋リブは前記リップエッジに対して傾斜して螺旋状に延び、
　各螺旋リブは、互いに平行な側壁を有する直線部と、前記側壁よりも広がって湾曲する舟底形状部を有し、前記直線部は前記リップエッジから延びており、前記舟底形状部は前記直線部よりも前記リップエッジから遠くに配置されており、
　各直線部の前記大気側傾斜面に対する高さは、５μm以上、３７μm以下である
ことを特徴とする密封装置。