JP2005344851A - シール構造及び十字軸継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 シールの締め代にばらつきがあっても、安定した確実なシール性能を発揮するシール構造及び十字軸継手を提供する。
【解決手段】 シール４の軸方向に平行に互いに異なる長さだけ延び出た２つの筒状のアキシャルリップ４２１，４２２のみによりリップ部を構成する（ラジアルリップは設けない。）とともに、十字軸２のネック部２２には軸に対して４５度を成す円錐面のネック斜面部２２１を設け、ここに、軸方向から２つのアキシャルリップ４２１，４２２を押し当てる構成とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シール構造に関し、特に、十字軸継手のシール構造に関する。

例えば自動車のドライブシャフトやステアリング装置に使用されているユニバーサルジョイントは、タイヤから飛び散る泥水や、路面からはね返る泥水がかかるため、耐泥水性が求められる。図１３は、このようなユニバーサルジョイントを構成する主要な部材である十字軸継手１を示す正面図（一部断面図）である。図において、十字軸２の４つの軌道部２１にはそれぞれ、ベアリングカップ３が装着されている。ベアリングカップ３は、カップ３１の内側に針状ころ３２を備えたもので、カップ３１は、軌道部２１に対して回転自在である。カップ３１の外周面には、周溝３ａが形成されている（なお、周溝３ａが無いタイプのカップもある。）。また、ベアリングカップ３の端部にはリング状のシール４が取り付けられており、これにより、十字軸２のネック部２３とカップ３１との隙間を封止している。

図１４は、図１３のXIV部の拡大図である（同様の構造は、例えば特許文献１〜３参照。）。図において、十字軸２は、軌道部２１の根元側に、シール４を圧接させるためのネック部２３を備えている。ネック部２３は、図示の断面形状において、軌道部２１の中心軸に平行な直線状（立体的には円筒面状）のストレート部２３１と、このストレート部２３１に対して急角度（例えば約７５度）で傾斜した直線状（立体的には円錐面状）のネック斜面部２３２と、その中間にあって円弧状に形成されたネックＲ部２３３とによって構成されている。一方、シール４は、カップ３１に圧入して固定される金属環体４１と、この金属環体４１に一体成形されたゴム製のシール体４３とによって構成されている。なお、シール体４３は、自由な状態における形態で表しているが、実際には十字軸２に押し当てられて弾性変形する。

上記シール体４３は、ネック斜面部２３２に押し当てられるアキシャルリップ４３ａと、ストレート部２３１に押し当てられるラジアルリップ４３ｒとを有している。なお、このシール４の場合、軌道部２１の中心軸に対して、アキシャルリップ４３ａの延び出る方向は例えば約２５度、ラジアルリップ４３ｒの延び出る方向は例えば約−４０度である。

上記の十字軸２を図示しないヨークに取り付けるには、軌道部２１をヨークの孔に挿入した後、ベアリングカップ３（シール４が圧入されたもの）を軌道部２１に装着する。そして、一軸両端の２つのベアリングカップ３の周溝３ａに止め輪（図示せず。）を嵌めることにより、十字軸継手１と一方のヨークとが接続される。他方のヨークについても同様にして接続される。
上記のようにして接続することにより、ベアリングカップ３は、十字軸２に対して所定の軸方向位置まで押し込まれ、アキシャルリップ４３ａがネック斜面部２３２に対して、所定の締め代分だけ押し当てられる。また、ラジアルリップ４３ｒは、締め代とは関係なく、ストレート部２３１に押し当てられる。これにより、耐泥水性のあるシール構造が実現される。

特開２００２−１０６５９４号公報（第２〜３頁、図１，図２） 実開昭５３−８８６４６号公報（第１図） 特開平１１−２２３２２３号公報（第４〜５頁、図１〜８）

上記のような従来の十字軸継手では、ヨークとの位置関係によって、十字軸２に対するベアリングカップ３の相対的な軸方向位置が決まり、シール４の締め代が決まる。しかしながら、各部材の寸法許容誤差や組み付け許容誤差により、シール４の締め代を厳密に一定値に維持することは困難であり、実際にはばらつきがある。アキシャルリップ４３ａは急傾斜のネック斜面部２３２に押し当てられているため、軸方向への僅かな位置変化によっても当たり方がかなり違ってくる。その結果、耐泥水性能が安定しないという問題点がある。他方、ラジアルリップ４３ｒに関しては、ストレート部２３１に押し当てられている限り、上記ばらつきは問題とならないが、最大誤差の場合にはネックＲ部２３３に押し当てられることがある。このネックＲ部２３３への押し当てによっては、十分なシール性能が得られない。

上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、シールの締め代にばらつきがあっても、安定した確実なシール性能を発揮するシール構造及び十字軸継手を提供することを目的とする。

本発明のシール構造は、全体としてリング状であって、リップ部が、軸方向に互いに異なる長さだけ延び出た複数の筒状のアキシャルリップのみからなるシールと、前記シールと同軸に位置する円錐面を有し、当該円錐面にその中心軸方向から前記複数のアキシャルリップを接触させる被シール部とを備えたものである。
上記のようなシール構造においては、円錐面に対してその中心軸方向から押し当てられた複数の筒状のアキシャルリップが、軸方向及び径方向に緊迫力を得て、シール性能が確保される。このようなシール構造は、シールの締め代の変化に対して接触面圧分布の変化が小さい。

また、本発明のシール構造は、全体としてリング状であって、軸方向に略平行に延び出たアキシャルリップを有するシールと、前記シールと同軸に位置し、かつ、中心軸に対して略４５度傾斜した円錐面を有し、当該円錐面にその中心軸方向から前記アキシャルリップを接触させる被シール部とを備えたものであってもよい。
上記のようなシール構造においては、略４５度傾斜した円錐面に対してその中心軸方向から押し当てられたアキシャルリップが、軸方向及び径方向に緊迫力を得て、シール性能が確保される。このようなシール構造は、シールの締め代の変化に対して接触面圧分布の変化が小さい。

また、本発明の十字軸継手は、軌道部の根元側に当該軌道部の軸に対して所定角度傾斜した円錐面のネック斜面部が形成された十字軸と、前記軌道部に装着されるベアリングカップと、前記ベアリングカップに装着され、全体としてリング状であって、前記ネック斜面部にその中心軸方向から接触させるリップ部が、軸方向に延び出た複数の筒状のアキシャルリップのみからなるシールとを備えたものである。
上記のような十字軸継手においては、ネック斜面部に対してその中心軸方向から押し当てられた複数の筒状のアキシャルリップが、軸方向及び径方向に緊迫力を得て、シール性能が確保される。このような十字軸継手は、シールの締め代の変化に対して接触面圧分布の変化が小さい。

また、本発明の十字軸継手は、軌道部の根元側に当該軌道部の軸に対して略４５度傾斜した円錐面のネック斜面部が形成された十字軸と、前記軌道部に装着されるベアリングカップと、前記ベアリングカップに装着され、全体としてリング状であって、前記ネック斜面部にその中心軸方向から接触させるリップ部が、軸方向に略平行に延び出たアキシャルリップからなるシールとを備えたものであってもよい。
上記のような十字軸継手においては、略４５度傾斜したネック斜面部に対してその中心軸方向から押し当てられたアキシャルリップが、軸方向及び径方向に緊迫力を得て、シール性能が確保される。このような十字軸継手は、シールの締め代の変化に対して接触面圧分布の変化が小さい。

本発明のシール構造又は十字軸継手によれば、シールの締め代の変化に対して接触面圧分布の変化が小さい。従って、シールの締め代にばらつきがあっても、安定した確実なシール性能を発揮するシール構造を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態による十字軸継手１を示す正面図（一部断面図）である。この十字軸継手１は、例えば、自動車のドライブシャフトやステアリング装置に使用されているユニバーサルジョイントを構成する主要な部材である。図において、Ｘ，Ｙ２方向の２軸からなる十字軸２は、４つの軌道部２１を有し、各軌道部２１にベアリングカップ３が装着される。ベアリングカップ３は、カップ３１の内側に針状ころ３２を備えたもので、カップ３１は、軌道部２１に対して回転自在である。また、本例のカップ３の外周面には周溝３ａが形成されている（なお、周溝３ａが無いタイプもある。）。ベアリングカップ３の端部には、全体としてリング状のシール４が取り付けられており、これにより、十字軸２のネック部２２とカップ３１との隙間を封止し、カップ３１内部に泥水やほこりが浸入することを防止している。ここで、軌道部２１、ネック部２２、シール４及びベアリングカップ３は、相互に同軸の位置関係にある。

図２は、図１のII部の拡大図である。図において、十字軸２は、軌道部２１の根元側に、シール４を圧接させるための「被シール部」としてのネック部２２を備えている。実線は本実施形態のネック部２２の形状を示し、二点鎖線は従来のネック部の形状（図１４）を示している。ネック部２２は、図示の断面形状において、軌道部２１の中心軸（Ｘ軸）に対して４５度傾斜した直線（立体的には４５度傾斜した円錐面）状のネック斜面部２２１と、その上下端にあって円弧状に形成されたネックＲ部２２２，２２３とによって構成されている。なお、従来のような、シール４を径方向外方から圧接させるためのストレート部は設けられていない。ストレート部が存在しないことで、上記のように４５度傾斜したネック斜面部２２１を設けても、ネック部２２全体のＸ，Ｙ方向の寸法は、従来の寸法範囲内に収まっている。言い換えれば、従来のストレート部を廃止することにより、十字軸２の基本的寸法を変えることなく、４５度傾斜したネック斜面部２２１を設けることが可能となった。

なお、従来のネック部２３（図１４）ではネックＲ部２３３に応力集中が生じて、ここに亀裂や変形を生じることがあった。しかし、本実施形態の上記ネック部２２によれば、４５度傾斜したネック斜面部２２１による補強効果や、従来に比べて、ネックＲ部２２３が荷重のかかる軌道部２１に接近し、かつ、その曲率半径が大きくなったこと等により、機械的強度が大幅に向上し、亀裂や変形の発生を防止することができる。また、ネック部２２の形状が従来より単純であり、従って加工が容易である。

一方、シール４は、カップ３１に圧入して固定される金属環体４１と、この金属環体４１に一体成形されたゴム製のシール体４２とによって構成されている。なお、シール体４２は、自由な状態における形態で表しているが、実際には十字軸２に押し当てられて弾性変形する。図３，４，５，６，７及び８はシール４単体の図面であり、それぞれ、正面図、背面図、側面図、図３におけるVI−VI線断面図、正面側の斜視図、背面側の斜視図である。

図３〜図８を参照しつつ、図２において、上記シール体４２は、ネック斜面部２２１の上方に押し当てられる第１アキシャルリップ４２１と、ネック斜面部２２１の下方に押し当てられる第２アキシャルリップ４２２と、これらに共通の基部４２３とを有している。各リップ４２１，４２２は、軌道部２１の中心軸と平行に、基部４２３に対して左方へ延び出た筒状の形態となっている。また、ネック斜面部２２１の傾斜に合わせるように、第１アキシャルリップ４２１は、第２アキシャルリップ４２２より長く延び出ている。なお、当該シール体４２には従来のようなラジアルリップは設けられておらず、上記アキシャルリップ４２１，４２２のみによってシールのリップ部が構成されている。
一方、シール４の内径Ｄ２は、軌道部２１の外径Ｄ１との関係において、Ｄ２＞Ｄ１となっている。また、その隙間（（Ｄ２−Ｄ１）／２）はごく僅かなものではなく、図示する程度に余裕のある隙間となっている。
なお、他の３つの軌道部２１においても、同様のシール構造が設けられている。

上記の十字軸２を図示しないヨークに取り付けるには、軌道部２１をヨークの孔に挿入した後、ベアリングカップ３（シール４が圧入されたもの）を軌道部２１に装着する。そして、一軸（例えばＸ軸）両端の２つのベアリングカップ３の周溝３ａに止め輪（図示せず。）を嵌めることにより、十字軸継手１と一方のヨークとが接続される。他方のヨークについても同様にして接続される。このようにして接続することにより、ベアリングカップ３は、十字軸２に対して所定の軸方向位置まで押し込まれる。ベアリングカップ３を軌道部２１に装着する際、図１における全周の針状ころ３２の左端内周縁を、軌道部２１の右端外周縁に沿わせるようにすることにより、軌道部２１とベアリングカップ３とは相互に「芯出し」される。このとき、前述のようにシール４の内径Ｄ２が軌道部２１の外径より大きいことにより、第２アキシャルリップ４２２は、軌道部２１との間に隙間を確保し、軌道部２１と干渉しない。また、軌道部２１と干渉しないため、各アキシャルリップ４２１，４２２がネック斜面部２２１に当接するまでは、シール体４２の内圧が上昇しない。そのため、十字軸２への、ベアリングカップ３の取り付けが容易である。

一方、各アキシャルリップ４２１，４２２は、ネック斜面部２２１との当接部において、ネック斜面部２２１の法線方向に押し返される力Ｆを受ける。この力Ｆは、軸方向へのシール４の緊迫力となるアキシャル成分Ｆａと、径方向へのシール４の緊迫力となるラジアル成分Ｆｒとを含んでおり、Ｆａの大きさ（Ｆの大きさ×ｃｏｓ４５°）は、Ｆｒの大きさ（Ｆの大きさ×ｓｉｎ４５°）と基本的に同じである。従って、各アキシャルリップ４２１，４２２は、軸方向へシール作用を発揮するのみならず、径方向へも同程度のシール作用を発揮することになり、リップ自体は軸方向に延び出たアキシャルリップでありながら、ネック斜面部２２１との関係において、ラジアルリップと同等のシール作用をも発揮する。
また、各アキシャルリップ４２１，４２２の延び出る方向が軸方向と平行であることによって、軸方向に対して所定角度（約２５度）傾斜して延び出ている従来のアキシャルリップ４３ａ（図１４）に比べて、シール４の締め代がばらついても接触面圧分布が変化しにくく、それによりシール性能の安定化に寄与すると考えられる。

次に、ＦＥＭ解析によるシールの接触面圧分布について説明する。なお、発明者らは、接触面圧分布についてのＦＥＭ解析の結果は、実測値と大きな誤差がないことを確認した。従って、ＦＥＭ解析の結果は、実際の接触面圧分布をほぼ正確に表しているといえる。図９は、締め代を変化させながら上記シール４の接触面圧分布を調べた結果の概略を示すグラフである。締め代は、この例では、（イ）が最も小さく、以下順に増加し、（ト）が最も大きい。図中の接触幅とは、例えば第１アキシャルリップ４２１とネック斜面部２２１との接触面の、ネック斜面部２２１の表面に沿った内外方向への幅である。また、各分布の左方が大気側（図２の第１アキシャルリップ４２１の上方）、右方がグリース側（第１アキシャルリップ４２１の下方）である。

図示のように、締め代が小さいほど鋭く尖った山を成す分布となり、締め代の増加とともに、接触幅が拡がり、接触圧力のピーク値が下がってくる。ここで、ピークを中心とした分布の左右の幅を図示のようにａ及びｂとして、図９の（イ）〜（ト）に対応するａ／（ａ＋ｂ）の値を、締め代に対応してプロットし、変化の概略を連続した実線で表したものが、図１０のグラフである。図中、横線はａ／（ａ＋ｂ）＝０．５のラインである。図示のように、各プロット点のａ／（ａ＋ｂ）は０．５より小さく、かつ、締め代が変化してもａ／（ａ＋ｂ）の値はあまり変化しない。

基本的に、シール面は、面圧分布のなだらかな方から急峻な方へ流体を押し出すような特性を有する。従って、上記ａ／（ａ＋ｂ）の値は、シール性能を示す指標となる。すなわち、上記のようにａ／（ａ＋ｂ）が０．５より小さいときは、グリース側から大気側へグリースを押し出そうとする特性が生じ、良好なシール性能を確保することができる。逆に、ａ／（ａ＋ｂ）が０．５より大きいときは、外部から流体（水等）を吸い込もうとする特性となり、シール性能が確保されない。

上記のように、本実施形態のシール構造によれば、締め代が変化してもａ／（ａ＋ｂ）の値はあまり変化せず、かつ、０．５より小さいので、締め代の変化にほとんど影響されることなく、安定したシール性能を確保することができる。
従って、シール４の締め代にばらつきがあっても、安定した確実な耐泥水性能を発揮するシール構造及び十字軸継手を提供することができる。
なお、ネック斜面部２２１の傾斜角度は、締め代の変化に対するシール性能（ａ／（ａ＋ｂ））の安定性の点から、ここに示した４５度の場合が最も優れていることが、ＦＥＭ解析により確認された。但し、実用上は、正確に４５度でなくても略４５度であれば足り、また、±１０度以内であれば相応にシール性能安定の効果は得られるので、この程度の前後範囲を排除するものではない。

図１１は、比較のために、従来例（図１４）のシールについて同様にＦＥＭ解析を行った結果を示すグラフである。（イ）〜（ホ）の締め代は、図９における（イ）〜（ホ）の締め代とそれぞれ同じである。図１１における各分布（各締め代）のａ／（ａ＋ｂ）の値をプロットすると図１２に示すようになり、締め代に対してのａ／（ａ＋ｂ）の値の変化が大きい。また、締め代によって、ａ／（ａ＋ｂ）の値が０．５より小さい場合と、０．５より大きい場合とがあるので、明らかにシール性能が不安定である。０．５より大きくなる締め代（イ）及び（ロ）については、前述のようにシール性能が確保されない。また、（ホ）のように接触圧力が大幅に下がり、しかも左側のピーク値の他に右側にも山が存在する場合は、シール性能が良くないことがわかっている。従って、従来例では、締め代（ハ）及び（ニ）のときしか、シール性能が確保されないことになる。
これに対して、本実施形態では図９の（イ）〜（ト）のすべての締め代においてシール性能を確保することができる。また、締め代（イ）〜（ホ）を従来例と比較すると本実施形態は接触幅が小さい。従って、摩擦抵抗が小さく、リップの引きずりトルクが従来より低減され、ベアリングカップ３の回転の低トルク化に寄与する。

なお、上記実施形態において、アキシャルリップ４２１，４２２の延び出る方向は、軸方向と平行としたが、厳密に平行でなくてもよく、例えば、平行を０度とすると、０±１０度であってもよい。
また、アキシャルリップ４２１，４２２の数は２個に限定されない。必要により３個以上設けることもできるし、逆に、１個の場合もあり得る。
また、上記実施形態のシール構造は、十字軸継手に限らず、アキシャル方向に動きを生じる各種のシール構造に適用可能である。

本発明の一実施形態による十字軸継手を示す正面図（一部断面図）である。 図１のII部の拡大図である。 図１の十字軸継手におけるシール単体の正面図である。 上記シールの背面図である。 上記シールの側面図である。 上記シールの、図３におけるVI−VI線断面図である。 上記シールの正面側の斜視図である。 上記シールの背面側の斜視図である。 締め代を変化させながら上記シールの接触面圧分布を調べた結果の概略を示すグラフである。 図９の（イ）〜（ト）に対応するａ／（ａ＋ｂ）の値を、締め代に対応してプロットし、変化の概略を連続した実線で表したものである。 従来のシールについて、締め代を変化させながら接触面圧分布を調べた結果の概略を示すグラフである。 図１１の（イ）〜（ホ）に対応するａ／（ａ＋ｂ）の値を、締め代に対応してプロットし、変化の概略を連続した実線で表したものである。 従来の十字軸継手を示す正面図（一部断面図）である。 図１３のXIV部の拡大図である。

符号の説明

１ 十字軸継手
２ 十字軸
３ ベアリングカップ
４ シール
２１ 軌道部
２２ ネック部（被シール部）
２２１ ネック斜面部（円錐面）
４２１ 第１アキシャルリップ
４２２ 第２アキシャルリップ

Claims (4)

1. 全体としてリング状であって、リップ部が、軸方向に互いに異なる長さだけ延び出た複数の筒状のアキシャルリップのみからなるシールと、
   前記シールと同軸に位置する円錐面を有し、当該円錐面にその中心軸方向から前記複数のアキシャルリップを接触させる被シール部と
   を備えたことを特徴とするシール構造。
2. 全体としてリング状であって、軸方向に略平行に延び出たアキシャルリップを有するシールと、
   前記シールと同軸に位置し、かつ、中心軸に対して略４５度傾斜した円錐面を有し、当該円錐面にその中心軸方向から前記アキシャルリップを接触させる被シール部と
   を備えたことを特徴とするシール構造。
3. 軌道部の根元側に当該軌道部の軸に対して所定角度傾斜した円錐面のネック斜面部が形成された十字軸と、
   前記軌道部に装着されるベアリングカップと、
   前記ベアリングカップに装着され、全体としてリング状であって、前記ネック斜面部にその中心軸方向から接触させるリップ部が、軸方向に延び出た複数の筒状のアキシャルリップのみからなるシールと
   を備えたことを特徴とする十字軸継手。
4. 軌道部の根元側に当該軌道部の軸に対して略４５度傾斜した円錐面のネック斜面部が形成された十字軸と、
   前記軌道部に装着されるベアリングカップと、
   前記ベアリングカップに装着され、全体としてリング状であって、前記ネック斜面部にその中心軸方向から接触させるリップ部が、軸方向に略平行に延び出たアキシャルリップからなるシールと
   を備えたことを特徴とする十字軸継手。

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