JP2011047516A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】硬度を低下させても良好なシール性の発揮しうる密封装置を提供する。
【解決手段】硬度Ｈｓが９０のゴム状弾性体で構成された密封装置おいて、環状溝２０の溝底面２１に接触する第１リップ１１の先端１１ａにおける径をＲ１、軸３の外周面３０に摺動自在に接触する第２リップ１２の先端１２ａにおける径をＲ２、溝底面２１の径をｒ１、軸外周面３０の径をｒ２、としたときに、
｜Ｒ１−Ｒ２｜／２＝（｜ｒ１−ｒ２｜／２）×１．３（±０．０３）
を満たし、受圧溝１３の溝底における外径をＲ３、受圧溝１３の溝底における内径をＲ４、としたときに、
４≦（（Ｒ３−Ｒ４）／｜ｒ１−ｒ２｜−１）×１００≦８
を満たし、基部１０の内周面１４が、低圧側に向かって基部１０の径方向断面幅を徐々に減少させるように傾斜したテーパ面であり、該テーパ面の軸方向に対してなす傾斜角度αが、
３°≦α≦７°
を満たすことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧シリンダ等に使用される密封装置に関するものである。

図８〜図１０を参照して、従来技術に係る密封装置について説明する。図８は、従来技術に係る密封装置の模式的半断面図である。図９は、従来技術に係る密封装置の使用時の様子を示す模式的半断面図であり、（ａ）は無圧時、（ｂ）は加圧時をそれぞれ示す。図１０は、従来技術に係る密封装置の接触面圧分布を示すグラフであり、（ａ）は低圧時、（ｂ）は高圧時をそれぞれ示す。

油圧シリンダのロッド用の密封装置として、従来から、図８に示すようなリップパッキン１００が使用されている。リップパッキン１００は、環状のシール部材であり、シリンダ内周面に設けられた環状溝に装着されて使用される。

リップパッキン１００は、内径方向に突出する内周リップ１０１と、外径方向に突出する外周リップ１０２と、リップパッキン１００が圧力を受ける高圧側の端面において軸方向に窪んだ断面略Ｕ字状の環状の溝（以下、Ｕ溝という）１０３と、を備えている。

リップパッキン１００は内周側及び外周側がそれぞれロッド外周面及び環状溝の溝底面に密着するとともに、内周リップ１０１及び外周リップ１０２が設けられている部分において、接触面圧が高くなることにより、油圧シリンダ内の作動油が外部に漏れるのを防止している。

リップパッキン１００の材料は、使用条件に応じて種々のものから選択されるが、代表的には、黒ゴム材料とウレタン材料のどちらかが選択される。黒ゴム材料は、耐油性・耐圧縮永久歪性に優れている。一方、ウレタン材料は、耐圧・耐摩耗性に優れている。

使用条件として、圧力が高い、潤滑が悪い、といった条件の場合、ウレタン材料が選定される。しかし、ウレタン材料は一般に硬度が高いため、装着溝への装着が困難となる場合がある。そのような場合には、比較的低硬度のウレタン材料（Ｈｓ（ＪＩＳ Ａ）９０程度）が選定される。ちなみに、一般的なリップパッキンに使用するウレタン材料の硬度はＨｓ９４程度、黒ゴム材料の硬度はＨｓ９０程度である。

リップパッキン１００は、接触相手面に加わる接触面圧勾配によりリップパッキン１００を通過する油膜の厚みをコントロールする（外へ出る油膜の厚みよりも中に戻る油膜の厚みを厚くする）ことにより優れたシール性を発揮する。しかし、低硬度のウレタン材料からなるリップパッキン１００の場合、加圧時の変形量が大きくなる（図９参照）。また、これに伴い、リップ側の面圧勾配がなだらかとなってシール性が低下してしまう場合がある（図１０参照）。

さらに、材料を低硬度にするとリップパッキン１００の耐圧性も低下しやすい。例えば、加圧時の変形量が大きいため環状隙間へのはみ出しが生じて破損等を生じ易くなる。そのため、リップパッキン１００の形状を、耐圧性を考慮した設計としなければならなくなる。

特開２００８−１２８３７７号公報

本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、硬度を低下させても良好なシール性を発揮しうる密封装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明における密封装置は、
相対的に往復移動する軸と該軸が挿入される軸孔を有するハウジングのうちの一方の部材に設けられた環状溝に装着されて、これら２部材間の環状隙間を密封する密封装置であって、
前記環状溝に収容される環状の基部と、
前記基部の高圧側かつ一方の周側に設けられ前記環状溝の溝底面に接触する第１リップと、
前記基部の高圧側かつ他方の周側に設けられ他方の部材の周面に摺動自在に接触する第２リップと、
前記第１リップと前記第２リップとの間で高圧側に開口し、高圧側から作用する圧力を受けて前記第１リップ及び前記第２リップの密着性を高める受圧溝と、
を備え、
硬度Ｈｓが９０のゴム状弾性体で構成された密封装置おいて、
前記第１リップの先端における径をＲ１、
前記第２リップの先端における径をＲ２、
前記環状溝の溝底面の径をｒ１、
前記他方の部材の周面の径をｒ２、
としたときに、
｜Ｒ１−Ｒ２｜／２＝（｜ｒ１−ｒ２｜／２）×１．３（±０．０３） … （１）
を満たし、
前記受圧溝の溝底における外径をＲ３、
前記受圧溝の溝底における内径をＲ４、
としたときに、
４≦（（Ｒ３−Ｒ４）／｜ｒ１−ｒ２｜−１）×１００≦８ … （２）
を満たし、
前記基部の前記他方の周側の周面が、低圧側に向かって前記基部の径方向断面幅を徐々に減少させるように傾斜したテーパ面であり、該テーパ面の軸方向に対してなす傾斜角度αが、
３°≦α≦７° … （３）
を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、上記（１）、（２）の関係式を満たすようにリップパッキンのＲ１〜Ｒ４の寸法が設定されることにより、リップ先端側における面圧勾配が高い状態で維持され、リップ先端において接触面圧のピークを発生させることができる。これにより、接触面圧の面圧勾配が高圧側において高い状態となって、高圧側へ通過する油膜の厚さが薄くなり、作動油の漏れが低減される。したがって、安定したシール性が確保される。

また、本発明によれば、上記（２）、（３）の関係式を満たすようにリップパッキンのＲ３、Ｒ４、αの寸法が設定されることにより、加圧時の基部の変形が抑制されるとともに、基部の低圧側端部における他方の周側の縁が環状隙間から逃がされた構成となる。これにより、環状隙間へのはみ出しによる破損等が抑制され、耐圧性が向上される。

本発明によれば、硬度を低下させても良好なシール性を発揮させることができる。

本発明の実施例に係る密封装置の模式的半断面図である。 本発明の実施例に係る密封装置の模式的半断面図である。 本発明の実施例に係る密封装置の接触面圧分布を示すグラフである。 評価試験の結果を示す図表である。 耐圧性確認試験の試験装置の模式図である。 製品低温偏心追随性確認試験の試験装置の模式図である。 密封装置の接触面圧分布を示すグラフである。 従来技術に係る密封装置の模式的半断面図である。 従来技術に係る密封装置の使用時の様子を示す模式的半断面図である。 従来技術に係る密封装置の接触面圧分布を示すグラフである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図３を参照して、本発明の実施例に係る密封装置について説明する。図１は、本実施例に係る密封装置の模式的半断面図である。図２は、本実施例に係る密封装置の模式的半断面図であり、（ａ）はリップのしめ代の寸法設定、（ｂ）はＵ溝におけるつぶしの寸法設定、（ｃ）は基部のテーパ面の傾斜角度設定、をそれぞれ説明している。図３は、本実施例に係る密封装置の接触面圧分布を示すグラフであり、（ａ）は低圧時、（ｂ）は高圧時をそれぞれ示す。なお、図２（ａ）、（ｂ）においては、寸法設定をわかり易く示すため、密封装置が変形を生じていない状態で示している。

＜密封装置の概要及び構成＞
本実施例に係る密封装置は、油圧シリンダにおけるロッド用の密封装置であり、ロッドの往復動において油圧シリンダ内の作動油が外部に漏れるのを防止するために設けられるリップパッキンである。

図１に示すように、本実施例に係るリップパッキン１は、環状のシール部材であり、環状の基部１０と、第１リップとしての外周リップ１１と、第２リップとしての内周リップ１２と、受圧溝としてのＵ溝１３と、を備える。リップパッキン１の材料としては、硬度Ｈｓが９０の比較的低硬度のウレタンゴムが用いられる。

図２に示すように、リップパッキン１は、軸孔を有するハウジング（シリンダ）２と該軸孔に挿入される軸（ロッド）３との間の環状隙間を密封する。リップパッキン１は、基部１０の軸方向一方側（高圧（Ｈ）側）の領域に、外周リップ１１、内周リップ１２、Ｕ溝１３が設けられた構成となっている。リップパッキン１は、ハウジング２の軸孔の内周面に設けられた環状溝２０に装着される。

基部１０は、高圧（Ｈ）側において外周リップ１１及び内周リップ１２を支えるような構成となっている。また、基部１０の内周面（他方の周側の周面）１４は、低圧（Ｌ）側に向かって基部１０の径方向断面幅を徐々に減少させるように傾斜したテーパ面となっている。これにより、基部１０の低圧側端面における内周縁が環状隙間から逃げるような構
成となっている。

外周リップ１１は、基部１０の外周側から軸方向かつ外径方向に突出したような構成となっており、リップ先端が外径方向に突出している。外周リップ１１は、リップ先端１１ａの径が環状溝２０の溝底面２１の径よりも大きく設定されており、リップパッキン１の外周側の領域において最も高い面圧で環状溝２０の溝底面２１に接触する。

内周リップ１２は、基部１０の内周側から軸方向かつ内径方向に突出したような構成となっており、リップ先端が内径方向に突出している。内周リップ１２は、リップ先端１２ａの径が軸３の外周面３０の径よりも小さく設定されており、リップパッキン１の内周側の領域において最も高い面圧で軸３の外周面３０に摺動自在に接触する。

Ｕ溝１３は、基部１０の周に沿って環状に設けられており、外周リップ１１と内周リップ１２との間で高圧（Ｈ）側に開口している。Ｕ溝１３は、高圧（Ｈ）側から作用する圧力（油圧）Ｐを受けとめることで、環状溝２０の溝底面２１及び軸３の外周面３０に対する外周リップ１１及び内周リップ１２の密着性を高めるように構成されている。

＜密封装置の寸法設定＞
本実施例に係るリップパッキン１における各種寸法設定について説明する。

＜＜リップのしめ代＞＞
図２（ａ）に示すように、本実施例に係るリップパッキン１は、
外周リップ１１の先端における径をＲ１［ｍｍ］、
内周リップ１２の先端における径をＲ２［ｍｍ］、
環状溝２０の溝底面２１の径をｒ１［ｍｍ］、
軸３の外周面３０の径をｒ２［ｍｍ］、
としたときに、
｜Ｒ１−Ｒ２｜／２＝（｜ｒ１−ｒ２｜／２）×１．３（±０．０３） … （１）
を満たすように構成されている。

すなわち、リップパッキン１のリップ断面幅（｜Ｒ１−Ｒ２｜／２）が、リップパッキン１の装着スペースの幅（｜ｒ１−ｒ２｜／２）に対して、１２７〜１３３％となるように、Ｒ１及びＲ２が設定される。

＜＜Ｕ溝におけるつぶし＞＞
図２（ｂ）に示すように、本実施例に係るリップパッキン１は、
Ｕ溝１３の溝底１３ａにおける外径をＲ３［ｍｍ］、
Ｕ溝１３の溝底１３ａにおける内径をＲ４［ｍｍ］、
としたときに、
４≦（（Ｒ３−Ｒ４）／｜ｒ１−ｒ２｜−１）×１００≦８ … （２）
を満たすように構成されている。

すなわち、Ｕ溝底部におけるリップパッキン１の断面幅（（Ｒ３−Ｒ４）／２）の、リップパッキン１の装着スペースの幅（｜ｒ１−ｒ２｜／２）に対するつぶしが、４〜８％となるように、Ｒ３及びＲ４が設定される。

＜＜基部テーパ面の傾斜角度＞＞
図２（ｃ）に示すように、本実施例に係るリップパッキン１は、
テーパ面である基部１０の内周面１４が軸方向に対してなす傾斜角度αが、
３°≦α≦７° … （３）
を満たすように構成されている。

＜接触面圧分布＞
図３を参照して、本実施例に係るリップパッキン１の接触面圧分布について説明する。なお、比較として、従来技術に係るリップパッキンの接触面圧分布を破線で示している。

ここで、接触面圧分布を調べた本実施例に係るリップパッキン１の具体的な寸法設定は次の通りである。
リップパッキン１の軸方向幅：１０ｍｍ
基部１０の外径：φ８８．７ｍｍ
基部１０の最も小さい内径（内周リップ１２の付け根部分における内径）：φ７６．５ｍｍ、
外周リップ１１のリップ先端１１ａの径：φ９１．２ｍｍ
内周リップ１２のリップ先端１２ａの径：φ７４．３ｍｍ
Ｕ溝１３の深さ：３．２ｍｍ
外周リップ１１の軸方向端面から基部１０の外周面との境目までの軸方向の幅：３．９ｍｍ
内周リップ１２の軸方向端面から基部１０の内周面１４との境目までの軸方向の幅：３．７ｍｍ

また、リップパッキン１の装着スペースの各寸法は次のとおりである。
軸３の外周面３０の径：φ７５ｍｍ
環状溝２０の溝底３１の径：φ８８ｍｍ
環状溝２０の軸方向幅：１１ｍｍ

図３に示すように、本実施例に係るリップパッキン１では、リップパッキン１に対して高圧（Ｈ）側から作用する圧力が比較的低圧（１０ＭＰａ）のとき（図３（ａ））においても、圧力を高めて高圧（Ｈ）側から作用する圧力が比較的高圧（２１ＭＰａ）となったとき（図３（ｂ））においても、リップ先端側における面圧勾配が高い状態で維持されていることがわかる。また、その結果、図中の矢印Ｘで示すように、本実施例に係るリップパッキン１では、リップ先端１２ａにおいて接触面圧のピークが発生していることがわかる。

この効果は、主として、上記（１）、（２）の関係式を満たすようにリップパッキン１のＲ１〜Ｒ４の寸法が設定されることによりもたらされたものであると考えられる。この効果により、接触面圧の面圧勾配が高圧（Ｈ）側において高い状態となり、高圧（Ｈ）側（すなわち、大気側）へ通過する油膜の厚さが薄くなり、外部への作動油の漏れが低減される。したがって、安定したシール性を確保することが可能となる。

一方、従来例では、リップ先端側における面圧勾配が緩くなり、また、本実施例のような接触面圧のピークが形成されていないことがわかる。

また、図３中の矢印Ｙで示すように、従来例と比較して基部１０の低圧（Ｌ）側部位の接触面圧が減少していることがわかる。この効果は、主として、上記（２）、（３）の関係式を満たすようにリップパッキン１のＲ３、Ｒ４、αの寸法が設定されることによりもたらされたものであると考えられる。これにより、加圧時の基部１０の変形が抑制されるとともに、基部１０の低圧（Ｌ）側端部の内周縁が環状隙間から逃がされた構成となることにより、環状隙間へのはみ出しによる破損等が抑制される。したがって、リップパッキン１の耐圧性が向上される。

一方、従来例では、基部の低圧側部位の接触面圧が高いため、加圧時に基部が変形を生じやすく、基部の低圧側端部の内周縁が環状隙間にはみ出しやすい。したがって、環状隙間へのはみ出しによる破損等が懸念される。

＜評価試験＞
上記（１）、（２）、（３）の関係式を満たす実施例に係るリップパッキンの性能評価について、上記（１）、（２）、（３）の関係式のいずれかを満たさないリップパッキンを比較例として評価試験を行なった。その結果を図４に示す。図４は、評価試験の結果を示す図表である。評価は５つの項目（偏心追随性、摩耗、Ｕ溝底部の破損、はみ出し、接触面圧）について行なった。

評価項目のうち摩耗、はみ出し、Ｕ溝破損については、耐圧性確認試験の実施結果により判定した。当該試験は図５に示す試験装置を用いて行なった。図５は、耐圧性確認試験に用いた試験装置の構成を示す模式図である。

この試験では、試験対象の２つのリップパッキンを、シリンダ２００の内周面に設けられた２つの環状溝２０１にそれぞれ装着し、装着された２つの試験対象品間の密封空間に加圧ポート２０２から所定の圧力を導入し、ロッド２０３をシリンダ２００に対して往復動させた。加圧ポート２０２から導入する圧力は、２１ＭＰａとし、圧力のＯＮ／ＯＦＦを２秒／２．５秒で切り替えた。また、温度は１００℃、ロッド２０３のストロークは±４０ｍｍ、周波数は１Ｈｚとし、１０万回加圧を行なった。２０４は、はみ出し隙間を調整するためのスペーサである。

また、評価項目のうち偏心追随性については、製品低温偏心追随性確認試験の実施結果により判定した。当該試験は図６に示す試験装置を用いて行なった。図６は、製品低温偏心追随性確認試験に用いた試験装置の構成を示す模式図である。

この試験では、試験対象の２つのリップパッキンを、シリンダ３００の内周面に設けられた２つの環状溝３０１にそれぞれ装着し、装着された２つの試験対象品間の密封空間に加圧ポート３０２から所定の圧力を導入し、ロッド３０３をシリンダ３００に対して偏心運動させた（図中の矢印の方向）。加圧ポート３０２から導入する圧力を１ＭＰａ、周波数を１Ｈｚ、温度を−１０℃、−１５℃、−２０℃、振幅（ｍｍ）を±０．１、±０．２、±０．３、±０．４、±０．５の条件で試験を行ない、低温用作動油（Ｍｏｂｉｌ Ｏｉｌ ＭＩＬ−Ｈ−５６０６）の漏れ等を観察した。

ここで、各実施例及び各比較例の構成は以下の通りである。
実施例１：（１）〜（３）の関係式について、それぞれ中心値となるように設計されたリップパッキンである。
実施例２：（１）〜（３）の関係式について、それぞれ下限値となるように設計されたリップパッキンである。
実施例３：（１）〜（３）の関係式について、それぞれ上限値となるように設計されたリップパッキンである。
比較例１：（１）について下限値を越えており、（２）、（３）については、それぞれ中心値となるように設計されたリップパッキンである。
比較例２：（１）について上限値を越えており、（２）、（３）については、それぞれ中心値となるように設計されたリップパッキンである。
比較例３：（２）について下限値を越えており、（１）、（３）については、それぞれ中心値となるように設計されたリップパッキンである。
比較例４：（２）について上限値を越えており、（１）、（３）については、それぞれ中心値となるように設計されたリップパッキンである。
比較例５：（３）について下限値を越えており、（１）、（２）については、それぞれ中心値となるように設計されたリップパッキンである。
比較例６：（３）について上限値を越えており、（１）、（２）については、それぞれ中心値となるように設計されたリップパッキンである。

図４の試験結果に示されるように、（１）〜（３）の関係式のいずれかを満たさない比較例１〜６の場合、５つの評価項目のいずれかにおいて何らかの不具合が発生することがわかった。一方、実施例１〜３の場合、５つの評価項目全てにおいて、製品としての合格基準を満たす評価を得られた。ここで、各評価項目における評価基準は、製品としての使用に耐えることができない何らかの不具合が生じた場合には×とし、不具合が生じなかった場合には○とし、不具合が生じずかつ特に優れた性能を示す結果が得られた場合には◎とした。

（１）の関係式について、リップパッキンのしめ代が１２７％より小さい場合（比較例１）、偏心追随性によるシール性が低下する（偏心した際にシールが抜ける）結果となった。一方、リップパッキンのしめ代が１３３％より大きい場合（比較例２）、つぶしが大きくなり、リップが常に強い力で押し付けられるため、油膜切れが生じやすく、摩耗が大きくなった。

（２）の関係式について、Ｕ溝底部のつぶしが、４％より小さい場合（比較例３）、Ｕ溝底部に亀裂が発生した。一方、つぶしが８％より大きい場合（比較例４）、つぶしが大きくなることでリップが常に強い力で押し付けられるため、油膜切れが生じ、摩耗が大きくなった。

（３）の関係式について、リップパッキン腰部のテーパ面の傾斜角度が、３°より小さい場合（比較例５）、はみ出しによる破損が生じた。一方、テーパ面の傾斜角度が、７°より大きい場合（比較例６）、面圧勾配が緩くなりシール性が低下した。

ここで、（３）の関係式について、テーパ面の傾斜角度の変化による面圧勾配の変化について、図７に示す。図７は、加圧時におけるリップパッキンの接触面圧分布を示すグラフであり、（ａ）はテーパ面の傾斜角度が２°の場合、（ｂ）はテーパ面の傾斜角度が３°の場合、（ｃ）はテーパ面の傾斜角度が５°の場合、（ｄ）はテーパ面の傾斜角度が７°の場合、（ｅ）はテーパ面の傾斜角度が８°の場合をそれぞれ示す。

図７に示すように、テーパ面の傾斜角度が小さくなるほどリップ先端の面圧が大きくなっていく。リップ先端の面圧が大きくなり過ぎると、リップ先端の摩耗によるシール耐久性の低下が懸念される。一方、テーパ面の傾斜角度が大きくなるほど、リップ先端の面圧が徐々に小さくなっていき、面圧勾配が緩やかになっていく。面圧勾配が緩やかになり過ぎてリップ先端の面圧が消失してしまうと（図７（ｅ））、シール性の低下が懸念される。

以上、説明したように、本実施例によれば、硬度を低下させても良好なシール性を発揮させることが可能となる。

なお、上記説明では、リップパッキンがロッド用の密封装置の場合、すなわち、シリンダに設けられた環状溝に装着される構成について説明した。しかし、本発明が適用可能な構成はこれに限られるものではない。例えば、リップパッキンがピストン用の密封装置の場合、すなわち、ロッドの往復動において油圧を保持すべく、ピストン外周に設けられた環状溝に装着されてシリンダ・ピストン間の環状隙間を密封する場合でも好適に適用できる。

１ … リップパッキン（密封装置）
１０ … 基部
１１ … 外周リップ（第１リップ）
１２ … 内周リップ（第２リップ）
１３ … Ｕ溝（受圧溝）
２ … ハウジング
２０ … 環状溝
２１ … 溝底面
３ … 軸
３０ … 外周面

Claims (1)

1. 相対的に往復移動する軸と該軸が挿入される軸孔を有するハウジングのうちの一方の部材に設けられた環状溝に装着されて、これら２部材間の環状隙間を密封する密封装置であって、
   前記環状溝に収容される環状の基部と、
   前記基部の高圧側かつ一方の周側に設けられ前記環状溝の溝底面に接触する第１リップと、
   前記基部の高圧側かつ他方の周側に設けられ他方の部材の周面に摺動自在に接触する第２リップと、
   前記第１リップと前記第２リップとの間で高圧側に開口し、高圧側から作用する圧力を受けて前記第１リップ及び前記第２リップの密着性を高める受圧溝と、
   を備え、
   硬度Ｈｓが９０のゴム状弾性体で構成された密封装置おいて、
   前記第１リップの先端における径をＲ１、
   前記第２リップの先端における径をＲ２、
   前記環状溝の溝底面の径をｒ１、
   前記他方の部材の周面の径をｒ２、
   としたときに、
   ｜Ｒ１−Ｒ２｜／２＝（｜ｒ１−ｒ２｜／２）×１．３（±０．０３）
   を満たし、
   前記受圧溝の溝底における外径をＲ３、
   前記受圧溝の溝底における内径をＲ４、
   としたときに、
   ４≦（（Ｒ３−Ｒ４）／｜ｒ１−ｒ２｜−１）×１００≦８
   を満たし、
   前記基部の前記他方の周側の周面が、低圧側に向かって前記基部の径方向断面幅を徐々に減少させるように傾斜したテーパ面であり、該テーパ面の軸方向に対してなす傾斜角度αが、
   ３°≦α≦７°
   を満たすことを特徴とする密封装置。

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