JP2005127518A - 半径方向型ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】マシニングセンタへの組込みと既存の装置への後付けが簡単になり、かつ狭いスベースに組み込むことができるように、半径方向型ロータリジョイントを形成する。
【解決手段】半径方向型ロータリジョイントは少なくとも１個のロータ４と、少なくとも１個の固定された部品１とを備え、少なくとも１個のロータ４が少なくとも２つのシール面を備え、固定された部品とロータの間に、全部で少なくとも２つのシール面を有する２個のスライドリング２，３が配置され、スライドリング２，３のシール面１５，１７がロータシール面１６，１８と協働し、協働するシール面の対１５，１６：１７，１８の間に半径方向の供給通路を備えている。ロータ４のシール面の法線は軸方向において互いに離れる方向に向いており、スライドリング２，３のシール面の法線は軸方向において相互の方に向いている。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも１個のロータと、少なくとも１個の固定された部品とを備え、少なくとも１個のロータが少なくとも２つのシール面を備え、固定された部品とロータの間に、全部で少なくとも２つのシール面を有する２個のスライドリングが配置され、スライドリングのシール面がロータシール面と協働し、協働するシール面の対の間に半径方向の供給通路を備えている、半径方向型ロータリジョイントに関する。

固定された機械部品から回転する機械部品に流体を案内するロータリジョイントは技術水準によって知られている。すべてのロータリジョイントによって解決すべき技術的な問題は、相対回転する２つの部品の間に封止接続部分を作ることである。

技術水準で知られているロータリジョイントは軸方向型と半径方向型がある。軸方向型では流体が回転軸線に沿ってまたは回転軸線に対して平行に移送される。半径方向型ロータリジョイントは特許文献１に開示されている。本発明はこの半径方向型ロータリジョイントから出発している。この半径方向型ロータリジョイントの場合、流体は回転する機械部品の回転軸線に対して垂直な方向に、固定された部品から回転する部品に移送される。その際、回転する部品（以下、ロータと言う）にはリング状の２つの突出部が設けられている。この突出部は軸方向シール面を備え、このシール面の法線は回転軸線の方に向き、ロータの回転軸線の回りをリング状に回転する。その際、リング状の両突出部のシール面は互いに向き合っている。ロータのシール面には２個のスライドリングのシール面が支持されている。スライドリングはロータと一緒に回転しないように固定された部品に保持され、そのシール面は固定された部品の部分に支持されたばねによって、ロータのシール面に押し付けられている。流体の供給は両スライドリングの間の通路によってロータの回転軸線に対して垂直な方向に行われる。流体の流出はロータと両スライドリングの平らに合わさるシール面によっておよび固定された部品とスライドリングの間のシールによって防止される。

特許文献１によって知られているロータリジョイントは非常に複雑でかさばる構造をしている。スライドシール面を有する、軸に連結された部品は、軸方向に離隔された２個のロータリングからなっている。このロータリングにはそれぞれスライドリングが付設されている。ロータリングは軸にシールして固定しなければならない。各ロータリングには固有のスライドリングが付設されている。このスライドリングは一緒に回転しないが軸方向に浮動し弾性的に付勢されて軸上に設けられている。それによって、万一の部品誤差や組み立て誤差に関係なく、そのスライドシール面を常に密封接触させることができる。固定された部品はスライドリングを支承および支持するために、半径方向内側に向いた突出すつばを備えている。このつばはスライドリングの間に配置され、ばねを介してスライドリングをロータリングに押し付ける。この構造は軸方向において半径方向においても比較的に広い空間を有する。

半径方向（および軸方向）のロータリジョイントは特に、工作機械の内部の冷却媒体供給のために使用される。このロータリジョイントの欠点は、比較的にかさばり、工具スピンドルに広い場所を必要とする。これは特に最新のマシニングセンタにおいて邪魔になる。マシニングセンタは工作機械と回転ヘッドのために場所を必要とする。冷却媒体供給部を備えていないスピンドルを、冷却媒体供給部を備えたスピンドルに交換することによって冷却媒体供給装置を後付けすることも、ロータリジョイントのために付加的に必要な場所が原因でしばしば失敗に終わった。
特開平９−１９６２６５号公報

この技術水準に対して、本発明の根底をなす課題は、マシニングセンタへの組込みと既存の装置への後付けが簡単になり、かつ狭いスベースで成功するように、半径方向型ロータリジョイントを構造的に形成することである。

この課題は、少なくとも１個のロータと、少なくとも１個の固定された部材とを備え、少なくとも１個のロータが少なくとも２つのシール面を備え、固定された部材とロータの間に、全部で少なくとも２つのシール面を有する２個のスライドリングが配置され、スライドリングのシール面がロータシール面と協働し、協働するシール面の対の間に半径方向の供給通路を備えている、半径方向型ロータリジョイントにおいて、ロータのシール面の法線（垂線）が軸方向において互いに離れる方向に向いており、スライドリングのシール面の法線が軸方向において相互の方に向いていることによって解決されている。

この構造の場合、ロータのスライドシール面は１つの同じ部品に設けられ、この構造の場合、軸方向の高さが低くなるという特別な利点がある。

本発明の好ましい実施の形態では、ロータリジョイントの軸方向の高さ、すなわちロータの回転軸線に対して平行な方向におけるロータリジョイントの寸法は４０ｍｍよりも短く、好ましくは２０ｍｍよりも短く、特に１８ｍｍよりも短い。これは、個々の部品を最適化することにより、２０〜１００ｍｍの軸の普通の公称径の場合、本発明の構造に基づいて容易に達成可能である。

軸方向の構造高さがこのように低いので、軸の軸受の間隔が短い場合でも、工作機械のスピンドル軸受の間にロータリジョイントを直接組み込むことができる。従って、付加的なスペースを必要としない。軸受の間にロータリジョイントを配置したので、ここで使用されるロータリジョイントが漏れを全く発生せず、隣接する軸受に悪影響を与えないようにすることが賢明である。

隣接する要素に悪影響を与えないようにするために、スライドリングシールの軸方向外側に位置するロータリジョイントの漏洩室を、軸に押し付けられるリング状の漏洩室シールによってシールすることが合目的である。

一般的に、ロータリジョイントの軸方向高さに対する軸の軸の直径の比が、１よりも大きく、好ましくは１．５よりも大きく、特に２よりも大きいと有利である。これは大きな軸直径に関しても、ロータリジョイントの比較的に小さな組込み寸法を保証する。

ロータリジョイントの半径方向厚さと軸の直径との間の最大比が１／３よりも小さく、好ましくは１／５よりも小さく、特に１／６よりもよりも小さいと合目的である。それによって、軸が比較的に大きい場合でも、半径方向の組込み寸法が制限される。

更に、ロータが一体に形成されていると合目的である。これは製作時、特にロータの組み立て時に時間とコストを節約する。

本発明の有利な実施形では、ロータがリング状の突出部を備え、この突出部の端面またはその一部がシール面を形成している。両シール面がリング状の突出部の一部であるので、各々のシール面のために支持体を１個使用する場合よりも、必要スペースが狭くて済む。更に、リング状の突出部を半径方向において比較的に薄く形成することができる。というのは、シール面がリング状突出部の対向する被覆面に設けられるので、シール面に作用する力が相殺されるからである。これによって、軸方向の構造高さを低くすることができる。突出部の軸方向の高さは、突出部の端面によって形成されるスライドシール面の間に、例えば長穴の非円形の狭い横断面を有する半径方向穴または通路を形成するために充分な大きさでなければならない。

本発明の他の実施形では、ロータが複数の部材から形成され、少なくとも１個のコアと嵌め込まれる少なくとも１個のリングとを備えている。その際、嵌め込まれるリングの端面またはその一部がシール面を形成している。この実施形は、ロータの製作と組み立てが簡単に可能であるという利点がある。その際嵌め込まれたリングは好ましくはリング状の突出部を形成するかまたは軸方向シール面を設けたリング状の突出部を備えている。

その際、嵌め込まれた少なくとも１個のリングが少なくとも１個の連行ピンを介して少なくとも１個のコアに連結されているときわめて有利である。コアと嵌め込まれたリングの回転運動は互いに結びつけられる。

本発明のきわめて有利な実施形では、固定された部品がＵ字形の横断面を有し、リング状に延びるクランプを形成し、Ｕ字状横断面の脚部がスライドリングとロータまたはその一部を軸方向外側から取り囲んでいる。これにより、構造がきわめてコンパクトになる。

その際、固定された部材がＬ字状横断面を有するリングと、このリングに固定されＬ字形をＵ字形にするリングとからなっていると合目的である。固定された部品はリングを除いて一体に形成可能である。残りの部品の組み立て後、リングを固定し、Ｌ字形部を、スライドイングとロータまたはその一部を取り囲むＵ字形部にする。リングは好ましくはその外面にねじを備えている。このねじによって、リングはＬ字形部にねじ込み可能である。その代わりに、付加的なボルトによってリングをＬ字形部に固定することができる。溶接連結、ろう付け連結または接着連結でもよい。

その際、ロータリジョイントの（一体の）ロータと固定された部品が軸方向においてロータリジョイントの全高にわたって延びていると合目的である。この場合、ロータは固定された部品内で半径方向に配置され、ロータのリング状突出部が半径方向において固定された部品の内側に突出するＵ字状脚部とオーバーラップし、このオーバーラップした部分の間にスライドリングが配置されている。このスライドリングの１つは、固定された部品と一体に形成可能である。

スライドリンツシールが静液圧的に相殺されると有利である。圧力付勢する流体がスライドリングの同じ大きさの対向する端面の周りを流れると、両側からスライドリングに作用する力は同じ大きさであり、スライドリングは力を受けない。回転する部品の反対側のシール面と擦過するスライドリングのシール面に対する静液圧的な圧力は、流体を充填した室から離れるにつれて低下し、スライドリングの他端で零になる。従って、スライドリングの上側と下側の面が同じである場合、スライド面の側の力は、反対側の力よりも小さい。この力の不つりあいが相殺されないと、スライドリングはばねに加えて圧力下んいある流体によって、第２のシール面にしっかりと押しつけられ、極端な場合無潤滑運転され、食い込んで動かなくなる。これは、スライドリングの上側と下側の面（その周りを流体が流れる）の大きさが次のように採寸されることによって回避される。すなわち、スライド面に対する圧力が半径方向に低下しても、作用する力が相殺されるように採寸されることによって回避される。その際、スライドリングシールがほぼ完全に、すなわち実際には９０〜１００％、好ましくは約９５％静液圧的に相殺されると有利である。

所定の流体を通過案内するための、本発明の実施形では、スライドリングが工業セラミックスまたは硬質金属から作られていると有利である。このようなセラミックスまたは硬質金属は高強度であり、良好な滑り特性を有し一方、摩耗しにくい。その代わりに、技術水準から知られているように、スライドリングを鋼と青銅の合金で作ることができる。

本発明の他の特徴、効果および用途は、添付の図面と共に、好ましい実施の形態の次の説明から明らかである。

図１，２に示した本発明によるロータリジョイントの実施の形態は４個の重要な機能要素、すなわち固定された部品１とスライドリング２，３とロータまたは回転する部品４とからなっている。ロータリジョイントの固定された部品１はリング状のクランプを形成するような形をしている。このクランプは他の要素を少なくとも部分的に取り囲んで保持している。両スライドリング２，３とロータ４の組み立てを可能にするためおよび両スライドリングとロータを両側で支持するために、固定された部品１の上側端面がねじ込みリング５からなっている。リング５のねじから流体が外側にしみ出ないようにするために、ねじは下端において周方向のＯリング６によってシールされている。図示した実施の形態では、ロータ４は一体に形成され、ほぼ中空円筒形である。この場合、円筒の外側には半分の高さ位置にリング状の突出部７が対称に設けられている。中空円筒状ロータ４は中空軸に嵌込み可能である。この場合、周方向に延びる２個の半径方向のＯリングシール８，９は軸に対してロータをシールする。Ｏリング８，９上におけるロータの装着に加えて、ロータを更に軸に固定するときには、ロータを接着またはボルト止めによって固定可能である。固定された部品１とロータ４はほぼ同じ軸方向高さすなわち長さを有し、同じ半径方向平面内に配置されている。それによって、固定された部品とロータはロータリジョイントの共通の軸方向高さを形成している。

流体が軸の中に流入できるようにするために、図示した実施の形態ではロータが対向するように配置された２つの流路１０，１１を備えている。この流路はリング状突出部７の中心に関して対称に配置されている。理解されるように、１つの流路を設けてもよいし、周囲に分配された複数の流路を設けてもよい。というのは、室１４が突出部７に接続する空間として突出部をリング状に取り囲んでいるからである。

ロータ４と軸の間から流体が流出しないようにするために、Ｏリングシール８，９が軸方向において流路１０，１１の両側に配置されている。ロータ４の中空円筒は実質的に、その外径が固定された部品１の内径よりも小さくなるように採寸されている。リング状の突出部７の外径だけが固定された部品１によって形成されたリング状のクランプ内に達している。

固定された部品１はロータ４と同様に、流路１２，１３を備えている。この流路は固定された部品１の外側と、固定された部品１によって形成されたクランプの内室１４とを接続している。クランプの内室１４から、流体がロータ４の流路１０，１１を通って軸内に流れるかまたはそれと逆に流れる。固定された部品１の内室１４と流路１０，１１，１２，１３をロータリジョイントの外側範囲に対してシールするために、流路１０，１１，１２，１３の上側または下側にそれぞれ１個のスライドリングシールが設けられている。このスライドリングシールは実質的に、互いに擦過または滑動する各々２つの滑り面１５，１６または１７，１８からなっている。先ず最初に上側のスライドリングシールを考察すると、固定された部品１とロータ４の間にはＬ字状のスライドリング２が設けられている。このスライドリングは小さな遊びをもって固定された部品１と回転部品４の間に装着されている。Ｌ字状のスライドリング２の一方の脚部は回転軸線に対して垂直に半径方向外側に延びている。スライドリング２は回転軸線に対して垂直なその脚部の下面に、突出部３０を備えている。この突出部の平らな下面１５はスライドリングシールのシール面を形成している。スライドリング２のシール面１５は第２の滑り面１６上を滑動する。この第２の滑り面はロータ４のリング状突出部７の被覆面の１つによって形成される。流路１０，１１，１２，１３の下方の第２のスライドリングシールは第１のスライドリングシールと同じ特徴を有し、流路１０，１１，１２，１３の軸線を中心に関して鏡像対称である。互いに滑動するシール面１５，１６または１７，１８がシール作用をすることができるようにするために、スライドリング２，３は、シールの周囲にわたって分配されかつ固定部品１に支持されたばね１９，２０によって、ロータ４のリング状突出部７のシール面１６，１８に押圧されている。Ｌ字状のスライドリング２，３の第２の側はリング状シール面２１，２２によって固定部品１に対してシールされている。その際、シールリング２１，２２は回転軸線に対して平行なＬ字状スライドリング２，３の脚部に配置されている。シールリング２１，２２はほぼＵ字状の横断面を有する。従って、スライドリング２，３はシールリング２１，２２に沿って容易に摺動可能である。スライドリング２，３がロータ４と共に回転しないようにするために、固定された部品１にピン２３，２４が設けられている。このピンは固定された部品１の上側の脚部または下側の脚部から内室１４内に達し、スライドリング２，３に係合している。それによって、このスライドリングはもはや固定された部品１と相対的に回転しない。

図示した実施の形態では、スライドリング２，３は工業セラミックスで作られている。このセラミックスは良好な滑り特性を示し、強度が高く、摩耗しにくい。

スライドリング２，３のＬ字状の形と、流体が回転軸線に対して垂直なスライドリングの脚部の上側２７と下側２８を流れるという事実は、スライドリング２，３の静液圧的な相殺を可能にする。静液圧的な相殺機能は、図２に基づいてきわめて簡単に理解される。回転軸線に対して垂直なＬ字状スライドリング３の脚部の、半径方向外側に位置する端部２５が、固定された部品１に対して充分な間隔を有するので、通路２６が形成される。この通路を通って、流体がリング状の室１４から、回転軸線に対して垂直な脚部の上側２７に流れることができる。その際、流体の圧力は一定であり、スライドリング３のすべての側で同じ大きさである。ばね２０の力に加えて、回転軸線に対して垂直な脚部の上側２７の面３２に作用する力は、圧力と上側の面３２の大きさの積に等しい。回転軸線に対して垂直な脚部の下側２８には同様に、静液圧の力が作用する。下側２８の面は２つの区間からなっている。すなわち、半径方向外側に位置する端部２５とリング状突出部３０の始端との間の脚部の面２９と、リング状突出部３０のシール面１５とからなっている。面２９に作用する力は、流体の圧力と面２９の大きさの積に等しい。これに対して、シール面１５に対する力を計算するために、室１４からの距離が増大するにつれて、圧力がシール面１５に沿って低下することを考慮しなければならない。面に作用する力は、面積による圧力の積分として計算される。シール面１５がロータのシール面１６との協働によって、リング状突出部３０の背後にある範囲３１への流体の流出を阻止するので、そこでは静液圧の力が脚部に作用しない。脚部の下側２８に作用する全体の力は、両区間の合計に等しい。表面２９とシール面１５の合計は脚部の上面２７に等しいので、シール面１５に沿った圧力低下に基づいて、力が上側から脚部に効果的に作用する。シール面の位置は、下側から脚部に作用する力と上側から脚部に作用する力が相殺されるように選定されている。この状態を静液圧的な相殺と呼ぶ。第２のスライドリング３も図示した実施の形態では静液圧的に相殺される。

相殺状態で、シールリング２，３はばね１９，２０によってのみロータのシール面１６，１８に対して押圧されるので、スライドリングシールの無潤滑運転（乾いた状態での運転）が防止される。

図３は本発明の他の実施の形態を示している。この場合、漏洩室３１′，３３′，３４′はスライドリングシール１５′，１６′または１７′，１８′の外側で、リング状漏洩室シール３５′，３６′によって、ロータリジョイントの周囲３７′に対してシールされている。スライドリングシール１５′，１６′または１７′，１８′を通って流出する不可避の流体は、ロータリジョイントの外側の範囲３７′に達しない。

図４は、図１，２に示したシロータリジョイントの実施の形態の代替的な実施の形態を示している。この場合、ロータ４″は２つの部分から形成されている。ロータは中空円筒状のコア３８″と、このコア３８″の半分の高さ位置に嵌め込まれたリング３９″とからなっている。それによって、ロータ４″の両部分３８″，３９″は図１，２の一体型のロータ４とほぼ同じ外形を有する。嵌め込まれたリング３９″はコア３８″に対して遊びを有し、両要素３８″，３９″の間の部分は２個のＯリング４０″，４１″によって周囲に対してシールされている。嵌め込まれたリング３９″は流体のための流通穴を備えている。この流通穴はコア３８″の穴と一直線上に並んでいるので、流体は軸内に流入可能である。嵌め込まれたリング３９″が軸およびロータ４″のコア３８″と一緒に回転できるようにするために、リングはロータリジョイントの対向する側に配置された２個の回転駆動ピン４２″によってコア３８″に連結されている。一体型ロータ４のリング状突出部７の場合のように、嵌め込まれたリング３９″の端面もロータ４″のシール面１６″，１８″を形成している。

本発明の好ましい実施の形態を示す図である。 図１に示した本発明の実施の形態の拡大破断図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図である。 本発明の他の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 固定された部品
２ スライドリング
３ スライドリング
４ ロータ
５ リング
６ Ｏリング
７ リング状突出部
８ Ｏリングシール
９ Ｏリングシール
１０ 流路
１１ 流路
１２ 流路
１３ 流路
１４ 内室
１５ スライド面
１６ スライド面
１７ スライド面
１８ スライド面
１９ ばね
２０ ばね
２１ シールリング
２２ シールリング
２３ ピン
２４ ピン
２５ 外側の端部
２６ 通路
２７ 上側
２８ 下側
２９ 面
３０ リング状突出部
３１ リング状突出部の背後の範囲
３２ 上側の面
３３ スライドリングシールの外側の範囲
３４ スライドリングシールの外側の範囲
３５′ 摩擦シール
３６′ 摩擦シール
３７′ ロータリジョイントの周囲
３８″ ２つの部材からなるロータのコア
３９″ 嵌め込まれたリング
４０″ Ｏリングシール
４１″ Ｏリングシール
４２″ 回転駆動ピン

Claims (15)

1. 少なくとも１個のロータ（４）と、少なくとも１個の固定された部品（１）とを備え、少なくとも１個のロータ（４）が少なくとも２つのシール面を備え、固定された部品とロータの間に、全部で少なくとも２つのシール面を有する２個のスライドリング（２，３）が配置され、スライドリング（２，３）のシール面（１５，１７）がロータシール面（１６，１８）と協働し、協働するシール面の対（１５，１６：１７，１８）の間に半径方向の供給通路を備えている、半径方向型ロータリジョイントにおいて、ロータ（４）のシール面の法線が軸方向において互いに離れる方向に向いており、スライドリング（２，３）のシール面の法線が軸方向において相互の方に向いていることを特徴とする半径方向型ロータリジョイント。
2. ロータ（４）が一体に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の半径方向型ロータリジョイント。
3. ロータ（４）がリング状の突出部（７）を備え、この突出部の端面またはその一部がシール面を形成しているかまたは有していることを特徴とする、請求項１または２記載の半径方向型ロータリジョイント。
4. 固定された部品（１）がＵ字形の横断面を有し、リング状に延びるクランプを形成し、Ｕ字状横断面の脚部がスライドリング（２，３）とロータ（４）またはその一部を軸方向外側から取り囲んでいることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
5. 固定された部品（１）がＬ字状横断面を有するリングと、このリングに固定されＬ字形をＵ字形にするリング（５）とからなっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
6. スライドリング（２，３）がＵ字状の固定された部品（１）の脚部とロータ（４）のリング状の突出部（７）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
7. スライドリングシールが静液圧的に相殺されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
8. スライドリングシールが９０〜１００％、好ましくは約９５％だけ静液圧的に相殺されていることを特徴とする、請求項７記載の半径方向型ロータリジョイント。
9. ロータリジョイントが４０ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ、特に１８ｍｍよりも低い軸方向高さを有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
10. ロータリジョイントの軸方向高さに対する公称幅（軸の直径）の比が、１、好ましくは１．５、特に２よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
11. ロータリジョイントの半径方向厚さと公称幅との最大幅が１／３、好ましくは１／４、特に１／６よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
12. スライドリング（２，３）が工業セラミックスまたは硬質金属から作られていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
13. スライドリングシール（１５′，１６′または１７′，１８′）の外側にあるロータリジョイントの漏洩室（３１′，３３′，３４′）が、リング用の漏洩室シール（３５′，３６′）によって周囲（３７′）に対してシールされていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
14. ロータ（４″）が複数の部材によって形成され、少なくとも１個のコア（３８″）と少なくとも１個の嵌め込みリング（３９″）を備え、嵌め込みリング（３９″）の端面またはその一部がシール面を形成しているかまたはシール面を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。
15. 少なくとも１個の嵌め込みリング（３９″）が少なくとも１個の回転駆動ピン（４２″）によって少なくとも１個のコア（３８″）に連結されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の半径方向型ロータリジョイント。

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