JP2018168974A - オイルシール及びシール付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】所定範囲内の油温で、流体潤滑による低トルク性と、要求されるシール性とを実現する。【解決手段】シール部材１のシールリップ１０に形成された複数の突起１１でシールリップ１０と相手部材のシール摺動面との間を流体潤滑状態にする。突起１１の摺接領域の位置が油温変化に基づくシールリップ１０の弾性変形に応じて変化する。突起１１は、油温上昇に基づいて摺接領域の位置を変える一方側に向かって周方向長さが長くなる形状である。突起１１の周方向長さは、所定範囲内の油温で油膜の厚さを一定範囲内に維持できるように変化している。当該一定範囲は、流体潤滑状態を保て、かつ周方向に隣り合う突起１１間に亘る表面部１３とシール摺動面との間の隙間を一定以下に保てるように設定する。【選択図】図１

Description

この発明は、潤滑油中の異物が装置の内部空間へ侵入することを防ぐために用いられるオイルシール、及びそのオイルシールを備えるシール付軸受に関する。

例えば、自動車、各種建設用機械等の車両に搭載されたトランスミッション内にはギヤの摩耗粉等の異物が混在する。トランスミッションの回転軸を回転可能に支持する転がり軸受として、オイルシールを備えるシール付軸受を採用することにより、軸受の内部空間への異物侵入を防ぎ、軸受の早期破損を防止するようにしている。

このようなオイルシールとして、ゴム材で形成されたシールリップを有するシール部材と、シール部材に対して周方向に相対回転する相手部材とを備えるものが利用されている。相手部材は、例えば軌道輪、スリンガ等であり、シールリップを摺接させるシール摺動面を有する。シール部材と相手部材との間に偏心がある場合でもシールリップがシール摺動面に十分に追従できるようにするため、シールリップと、相手部材のシール摺動面との間に締め代を設定することが一般的である。シール部材と相手部材を所定に配置すると、その締め代により、シールリップが、相手部材のシール摺動面を緊迫する。このため、シール部材と相手部材との間の相対回転時、シール摺動面に摺接するシールリップの引き摺り抵抗（シールトルク）が生じる。また、その摺接の摩擦は、温度上昇の原因になる。この温度上昇が進むと、内部空間と外部との間の圧力差による吸着作用を招き、その摩擦が大きくなる。

これに対し、シールリップと相手部材のシール摺動面間を流体潤滑状態にすることが提案されている（特許文献１）。特許文献１で開示されたシール部材は、周方向に所定間隔で並ぶ多数の突起が形成されたシールリップを有する。突起は、相手部材のシール摺動面との間にくさび状の隙間を形成する。相手部材がシール部材に対して相対的に所定速度以上で回転しているとき、そのくさび状の隙間に潤滑油が引き摺り込まれ、くさび効果によって油膜形成が促進され、各突起が、相手部材のシール摺動面と流体潤滑状態で摺接する。このため、シールリップとシール摺動面とが完全に分離される。

ここで、流体潤滑状態は、流体力学的な原理によって潤滑油の流体膜を二面間に形成し、摩擦面の直接接触が生じていない状態のことをいう。二面間の最小油膜厚さが二乗平均粗さと比較して大きい、一般に三倍以上である場合に流体潤滑状態であるとみなすことができる。シールリップと相手部材のシール摺動面との間が流体潤滑状態になると、摺動抵抗がほぼゼロになるため、シールトルクを極めて軽減することが可能であり、従来のオイルシールでは不可能だった高周速での使用が可能となる。また、突起の高さ設定により、所定以上の粒径の異物が突起間の隙間を通過できないようにして、装置の内部空間への侵入を防ぐことも可能である。

国際公開第ＷＯ２０１６／１４３７８６号

シールリップの突起と相手部材のシール摺動面間でくさび効果によって形成される油膜の厚さは、油温に依存する。高温では潤滑油の粘度が低くなるため、油膜が薄くなる。低温では潤滑油の粘度が上昇するため、油膜が厚くなる。油膜が薄くなり過ぎると、流体潤滑が実現されず、突起とシール摺動面が直接に接触してシールトルクが大きくなる懸念が生じる。逆に油膜が厚くなり過ぎると、シールリップのうちの周方向に隣り合う突起間に亘る表面部とシール摺動面との間の隙間が拡大し過ぎるため、異物の侵入を防止できない懸念が生じる。

上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、シール部材のシールリップに形成された複数の突起でシールリップと相手部材との間を流体潤滑状態にすることが可能なオイルシールにおいて、所定範囲内の油温で、流体潤滑による低トルク性と、要求されるシール性とを実現することにある。

上記の課題を達成するため、この発明は、ゴム材で形成されたシールリップを有するシール部材と、前記シール部材に対して周方向に相対回転する相手部材とを備え、前記相手部材に形成されたシール摺動面と、前記シールリップとの間に締め代が設定されており、 前記シールリップは、前記シール摺動面と流体潤滑状態で摺接する複数の突起を周方向に所定間隔で有し、前記シール摺動面と油膜を挟む前記突起上の摺接領域の位置が油温変化に基づく前記シールリップの弾性変形に応じて変化するようになっているオイルシールにおいて、前記突起は、油温上昇に基づいて前記摺接領域の位置が変わる一方側に向かって周方向長さが長くなる形状になっており、当該突起の周方向長さは、所定範囲内の油温で前記油膜の厚さを一定範囲内に維持できるように変化しており、当該一定範囲の最小値は、前記流体潤滑状態を保てるように設定されており、当該一定範囲の最大値は、前記シールリップのうちの周方向に隣り合う前記突起間に亘る表面部と前記シール摺動面との間の隙間を一定以下に保てるように設定されている構成を採用した。

シール部材のシールリップと相手部材のシール摺動面とが流体潤滑状態で摺接するとき、シールリップの各突起は、シール摺動面と油膜を挟む摺接領域を有する。その突起上の摺接領域と相手部材のシール摺動面間でのくさび効果により、油膜の形成が促進されて、突起とシール摺動面とが完全に分離されている。一般に、二面間の流体潤滑では、面圧と油膜の厚さとの間に対応性がある。すなわち、面圧が低い程に油膜が厚くなり、面圧が高い程に油膜が薄くなる。また、突起上における摺接領域の位置と、油温との間にも対応性がある。すなわち、油温が上昇すると、その潤滑油と広範囲で接するシールリップの温度も上昇するので、ゴム材製のシールリップが熱膨張する。この熱膨張に対して油膜側が抵抗するため、シールリップは、より撓むように弾性変形する。上昇した油温が低下すると、シールリップは、油温上昇前の形状に戻る。このようなシールリップの弾性変形に伴い、シール摺動面に対する突起の姿勢が変化する。この変化時も流体潤滑を実現可能とするため、突起は、油温変化に基づくシールリップの弾性変形に応じて摺接領域の位置が変化するように形成されている。つまり、油温が上昇すると、その摺接領域の位置は、シールリップの弾性変形に対応の一方側へ変わり、上昇した温度が低下すると、当該一方側と反対の他方側へ変わる。上述の面圧と油膜厚さ間の対応性、摺接領域の位置と油温間の対応性を考慮すると、油温上昇に基づいて摺接領域の位置が変わる一方側に向かって突起の周方向長さが長くなる突起形状を採用しておけば、油温上昇に伴い、突起上の摺接領域の位置がより突起の周方向長さの長いところに移り、当該摺接領域での面圧が低くなるため、油膜が厚く形成され易くなり、また、油温低下に伴い、突起上の摺接領域の位置がより突起の周方向長さの短いところに移り、当該摺接領域での面圧が高くなるため、油膜が薄く形成され易くなる。この突起の周方向長さ変化に基づく油膜厚さの変動抑制作用を利用すると、所定範囲内の油温で、突起上の摺接領域とシール摺動面間における油膜の厚さを一定範囲内に維持することが可能である。ここで、流体潤滑状態を保てるように当該一定範囲の最小値を設定しておけば、所定範囲内の油温で、流体潤滑による低トルク性を実現することができる。また、周方向に隣り合う突起間に亘る表面部とシール摺動面との間の隙間を一定以下に保てるように当該一定範囲の最大値を設定しておけば、所定範囲内の油温で、要求されるシール性を実現することができる。

理想的には、油温変化が生じても油膜厚さを一定値に維持できることが好ましいが、この実現には、油温変化時、潤滑油の粘度変化による油膜厚化作用又は油膜薄化作用に対して、突起の周方向長さ変化による油膜厚さの変動抑制作用が常に均衡することが求められる。実用上は油膜厚さの変動をある程度許容できるので、面圧、潤滑油の粘度、隙間に影響するパラメータ、例えば、突起の高さ、許容する油温の範囲、使用する潤滑油の種類、シール摺動面の表面粗さ性状、シールリップの締め代に基づく緊迫力等を考慮し、油膜厚さが上述の一定範囲に収まるように適宜の突起形状を決定すればよい。

例えば、前記突起の高さは、前記一定範囲内の油膜の厚さを維持可能な全範囲で同一であることが挙げられる。シールリップのうちの周方向に隣り合う突起間に亘る表面部と相手部材のシール摺動面との間における隙間の大きさは、油膜厚さを考慮しなければ、摺接領域での突起の高さで決まる。一定範囲の油膜厚さを維持可能な全範囲で突起の高さを同一にすると、その隙間を一定以下に保つことが容易になる。

突起の周方向長さを変化させて油膜厚さの変動抑制を図っても過大な油膜厚さになるような場合、突起間に亘る表面部とシール摺動面間における隙間が過大になって、要求されるシール性を実現できない。例えば、寒冷地で使用するトランスミッションでは、運転開始時に潤滑油の粘度が特に上昇するので、突起の周方向長さ変化だけで対応できない可能性がある。

このような場合に好適な例として、前記突起は、前記一方側と反対の他方側に向かって低くかつ周方向に短くなる高さ変化部を有し、当該高さ変化部は、油温変化に基づいて前記摺接領域となる範囲の最も他方側に配置されていることが挙げられる。油温変化時、突起上の摺接領域の位置は、一方側と反対側の他方側に変わる。突起のうち、摺接領域となる範囲の中で最も他方側に位置するところは、最も低温時に摺接領域となる。つまり、高さ変化部は、許容する油温範囲の中でも最低温領域において摺接領域となる。その高さ変化部が油温低下時に摺接領域を変える他方側に向かって低くかつ周方向に短くなる形状であれば、周方向長さの短化（面圧上昇）によって前述の隙間の拡大を抑えると共に、その高さ低下によって前述の隙間を狭めることができ、これにより、過大な隙間にならないようにすることができる。

突起上の摺接領域が周方向に沿った断面で有する形状は、くさび効果で流体潤滑を実現可能な任意の形状にすればよい。

例えば、前記突起上の前記摺接領域は、周方向に沿った断面で円弧状であり、当該円弧状の曲率半径は、前記一方側に向かって大きく設定されていることが挙げられる。

また、別例として、前記突起上の前記摺接領域は、周方向に沿った断面で矩形状であり、当該矩形状の底辺の周方向長さは、前記一方側に向かって長く設定されていることが挙げられる。

さらに別例として、前記突起上の前記摺接領域は、周方向に沿った断面で傾斜辺を有する形状であり、当該傾斜辺の周方向長さは、前記一方側に向かって長く設定されていることが挙げられる。

前記突起の周方向長さは、突起上において一方側に向かって次第に（連続的に）変化してもよいし、階段状（段階的）に変化してもよい。

好ましくは、前記突起は、前記一方側に向かって次第に周方向に長くなる形状であるとよい。このようにすると、突起の周方向長さ変化による面圧変化が連続的になるので、油温変化に応じて油膜の厚さを一定範囲に維持し易くなる。

オイルシールの適用先として代表的な軸受の場合、要求されるシール性は、一般に、軸受寿命に悪影響を及ぼさないことを目的とする。

軸受への適用を考慮すると、例えば、前記突起の高さが０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満であるとよい。このようにすると、シールリップの成形が困難にならず、突起とシール摺動面間のくさび効果でシールリップとシール摺動面間の流体潤滑を実現することができ、軸受寿命に悪影響を及ぼすような異物が軸受内部空間に侵入するのを効果的に防止することができる。

この発明に係るオイルシールを備え、前記シール部材が、軸受内部空間と外部との間を区切るものとなっているシール付軸受は、軸受の内部空間への異物侵入をシール部材で防止しつつ、シールトルクの著しい低減によって軸受回転トルクの低減されたものとなる。このため、このシール付軸受は、自動車のトランスミッションの回転軸を支持する用途に好適である。

この発明は、上記構成の採用により、シール部材のシールリップに形成された複数の突起でシールリップと相手部材との間を流体潤滑状態にすることが可能なオイルシールにおいて、所定範囲内の油温で、流体潤滑による低トルク性と、要求されるシール性とを実現することができる。

この発明の第一実施形態に係るシール部材のシールリップを自然状態で示す正面図 第一実施形態に係るオイルシール及びシール付軸受を示す断面図 第一実施形態のシールリップとシール摺動面間が流体潤滑状態のときを示す部分断面図 図３のＩＶ−ＩＶ線の断面を示す部分拡大断面図 図４の突起の曲率半径と最小油膜厚さとの関係を示すグラフ 図３の状態から油温が上昇したときを示す部分断面図 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線の断面を示す部分拡大断面図 この発明の第二実施形態に係るシールリップの流体潤滑状態を最も低温時で示す部分断面図 この発明の第三実施形態に係るシールリップを自然状態で示す正面図 図９のＸ−Ｘ線の断面を示す部分拡大断面図 この発明の第四実施形態に係るシールリップを自然状態で示す正面図 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線の断面を示す部分拡大断面図 この発明に係るシール付軸受を備えるトランスミッションの一例を示す断面図

以下、この発明に係る第一実施形態を添付図面に基づいて説明する。第一実施形態は、オイルシールを備えるシール付軸受の一例である。このオイルシールは、図２に示すように、シール部材１と、シール部材１に対して周方向に相対的に回転する相手部材２とを備える。

このシール付軸受は、内輪からなる相手部材２と、相手部材２との間に環状の軸受内部空間３を形成する外輪４と、相手部材２の軌道と外輪４の軌道間に介在する所定数の転動体５とを備える。

シール部材１は、軸受内部空間３と外部（軸受周辺）との間を区切るものとなっている。

相手部材２は、回転軸（図示省略）に取り付けられ、回転軸と一体に回転する。回転軸は、例えば、車両のトランスミッション、ディファレンシャル、等速ジョイント、プロペラシャフト、ターボチャージャ、工作機械、風力発電機、又はホイール軸受の回転部として設けられる。外輪４は、ハウジング、ギヤ等、回転軸からの荷重を負荷させる部材（図示省略）に取り付けられる。このシール付軸受は、回転軸を回転可能に支持する。

このシール付軸受には、はねかけ、オイルバス等の適宜の手段により、外部から潤滑油が供給される。シール部材１を境界とした外部側には、ギヤの摩耗粉、クラッチの摩耗粉、微小砕石等、軸受の組み込み先に応じた異物が存在する。このような粉状の異物は、潤滑油や雰囲気の流れによって、このシール付軸受付近に到達し得る。シール部材１は、外部から軸受内部空間３への異物侵入を防止する。

以下、シール部材１の中心軸（図示省略）に沿った方向を「軸方向」という。軸方向は、図２中左右方向に相当する。また、軸方向に対して直角な方向を「半径方向」という。半径方向は、図２中上下方向に相当する。また、その中心軸回りの円周方向を「周方向」という。相手部材２の中心軸は、設計上、シール部材１の中心軸と同軸に設定されている。

外輪４の内周の端部にシール溝６が形成されている。相手部材２の外周には、周方向に沿うシール摺動面７が形成されている。シール部材１の外周縁がシール溝６に圧入されることにより、シール部材１が外輪４に取り付けられる。このシール付軸受の運転時、相手部材２がシール部材１に対して相対的に回転し、シール部材１と相手部材２との間は、潤滑油によって潤滑される。

シール摺動面７は、円筒面状になっている。シール摺動面７の最大高さ粗さＲｚは、２．５μｍ以下（好ましくは、１μｍ未満）になっている。ここで、最大高さ粗さＲｚは、ＪＩＳ規格のＢ０６０１：２０１３で規定された最大高さ粗さのことをいう。

シール部材１は、金属板によって形成された環状の芯金８と、芯金８に付着しているゴム材９とを有する。シール部材１の全体は、芯金８とゴム材９とで構成されている。芯金８は、周方向全周に連続する円環板状になっている。芯金８の材料は、ゴム材９の剛性よりも高剛性の金属からなる。例えば、プレス加工に好適な芯金８の材料として、鋼板が挙げられる。ゴム材９は、芯金８に加硫接着されている。ゴム材９の種類は特に問わないが、例えば、ニトリルゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。

シール部材１は、ゴム材９により形成されたシールリップ１０を有する。シールリップ１０は、芯金８の縁部８ａからシール摺動面７側に延びるゴム材９の一部分からなる。なお、芯金８の縁部は、芯金８の内径又は外径のうち、シール摺動面７に近い方の径寸を規定する芯金８の内周縁又は外周縁である。

シールリップ１０は、ラジアルリップになっている。ここで、ラジアルリップとは、シール摺動面７のような軸方向に沿ったシール摺動面又は軸方向に対して４５°以内の鋭角の勾配をもったシール摺動面と密封作用を奏するシールリップであって、当該シール摺動面との間に半径方向の締め代をもったもののことをいう。

図２中には、シール部材１が外輪４に取り付けられて相手部材２と同軸に配置された状態のときの断面を実線で示し、シール部材１を外輪４に取り付ける前の状態（シール部材１が外力によって製造時の形状から変形していない自然状態に相当）で同断面を視たときのシールリップ１０付近の外形を二点鎖線で描いた。同図に示すように、自然状態のシール部材１を外輪４に取り付けると、シールリップ１０は、シール摺動面７に対する締め代δにより、シール摺動面７に押し付けられる。このため、シールリップ１０は、撓むように弾性変形し、シール摺動面７を半径方向に緊迫する力（緊迫力）を生じる。シール部材１の取り付け誤差、製造誤差、相手部材２と外輪４間の偏心等は、シールリップ１０の弾性変形によって吸収される。

シールリップ１０としてラジアルリップを例示したが、アキシアルリップに変更してもよい。アキシアルリップとは、半径方向に沿ったシール摺動面又は半径方向に対して４５°未満の鋭角の勾配をもったシール摺動面と密封作用を奏するシールリップであって、当該シール摺動面との間に軸方向の締め代をもったもののことをいう。

シールリップ１０とシール摺動面７間が流体潤滑状態のときのシールリップ１０付近を図２と同様の断面で図３に示す。また、シールリップ１０が自然状態のときを軸受内部空間３側から軸方向に視たときの様子を図１に示す。これらに図示するように、シールリップ１０は、周方向に所定間隔で並ぶ複数の突起１１と、周方向全周に連続する中実部１２とを有する。

中実部１２は、周方向全周に同一断面構造をもって連続している。中実部１２は、周方向に隣り合う突起１１間に亘る表面部１３を含む。シール部材１の中心軸を一辺とした任意の仮想アキシアル平面でシールリップ１０を切断した断面を考えたとき、シールリップ１０のうち、周方向に隣り合う突起１１間にあって（すなわち、突起１１の断面を含まない周方向領域にあって）、シール摺動面７と対面する部分が、表面部１３に相当する。

突起１１は、図３に示すように、中実部１２からシール摺動面７側へ高さＨをもっている。突起１１は、図１に示すように、周方向に一定の間隔で並んでおり、周方向に均等な配置でシールリップ１０に分布している。すなわち、シール部材１の中心軸回りで考えたとき、複数の突起１１は、一定のピッチ角度で配置されている。その間隔は、例えば、０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下（好ましくは０．２ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下）に設定することができる。

突起１１は、自然状態のときにシールリップ１０のリップ先端１４から半径方向に一定の長さを有する形状に形成されている。なお、リップ先端１４は、自然状態のときにシールリップ１０の径寸（シールリップ１０の内径又は外径）を規定するシールリップ１０の周縁部である。同図例のリップ先端１４はシールリップ１０の内径上にあるが、シールリップを外輪のシール摺動面に摺接させる場合、リップ先端は自然状態のシールリップの外径上にある。

図２に示すようにシール部材１を外輪４に取り付けると、シールリップ１０は図１に示す突起１１からシール摺動面７に接触して図２に示すように弾性変形し、図３に示すよう、突起１１は、シール摺動面７と半径方向に向き合うように配置される。この配置状態において、シールリップ１０は腰部１５から撓んでおり、突起１１は、その一部分でシール摺動面７に接触している。なお、腰部１５は、シールリップ１０の芯金８の縁部近傍に位置する部分であり、シール部材１の取り付け時に撓み反力を蓄積する。

突起１１は、図４に示すように、シール摺動面７との間にくさび状の隙間を形成する。ここで、くさび状の隙間とは、周方向に当該突起１１側に向かって次第に半径方向に狭くなる隙間のことをいう。

突起１１の表面は、周方向に沿った断面で円弧状である。ここで、周方向に沿った断面とは、シール摺動面７に直交しかつ周方向に沿って延びる仮想面で突起１１を切断したときの突起１１の断面のことをいう。

この断面形状において、前述の円弧状の曲率半径Ｒは、例えば、０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満（好ましくは０．４ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下、より好ましくは、０．４ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下）に設定することができる。

突起１１の高さＨは、突起１１の曲率半径Ｒよりも小さく、例えば、０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下）に設定することができる。

図４に示すように、シールリップ１０の表面部１３とシール摺動面７との間に隙間１６が形成される。隙間１６は、軸受内部空間３と外部との間に亘って連通する（図２参照）。図４に示す隙間１６は、シール摺動面７に対して直角な方向の大きさに関して、突起１１の高さＨよりも大きくならないが、当該高さＨに対して所定の割合以上に確保される。すなわち、シール部材１は、複数の突起１１のみで相手部材２と直接に接触することができ、かつ各表面部１３においてシール摺動面７と直接に接触することができない。

このシール付軸受の運転時、図２に示す相手部材２がシール部材１に対して相対的に回転する。その運転中に外部から供給される潤滑油（図４中に潤滑油をドット模様で示す。）は、図３、図４に示すように隙間１６に入り込み、図４中に矢線Ａで示す相対回転方向に引き摺られ、シールリップ１０と相手部材２との間を潤滑する。

ここで、シールリップ１０の各突起１１が、周方向に沿った断面で０．４ｍｍ以上、９．０ｍｍ未満の曲率半径Ｒをもつ円弧状なので、相手部材２のシール摺動面７が各突起１１に対して周方向に移動したときに、隙間１６内の潤滑油は、その各突起１１の表面に沿って、各突起１１とシール摺動面７との間に効果的に引き摺り込まれる。このとき、くさび効果により油膜の形成が促進され、その相対回転速度が所定以上の場合、各突起１１と相手部材２との間の潤滑状態が流体潤滑状態となり、シールトルクが飛躍的に低減する。勿論、このシール付軸受の停止時から相対回転時において、各表面部１３とシール摺動面７が直接に接触することはない。また、シールトルクが小さいため、シールリップ１０と相手部材２との間の摩擦熱が発生しにくい。さらに、外部から供給される潤滑油が隙間１６を通ってシールリップ１０とシール摺動面７との間を通過することにより、シールリップ１０とシール摺動面７との間の摩擦熱が放熱される。そのため、このシール付軸受の温度上昇を極めて効果的に抑えることが可能である。

上述のように、シールリップ１０とシール摺動面７とが流体潤滑状態で摺接するとき、シールリップ１０の各突起１１は、シール摺動面７と油膜を挟む摺接領域を有する。ここで、突起１１の摺接領域は、シールリップ１０の緊迫力の作用でシール摺動面７と挟む油膜をシール摺動面７側へ押し、かつ、くさび効果に基づく当該油膜内の圧力を受ける突起１１の表面部分のことをいう。突起１１は、摺接領域で受ける圧力により、シール摺動面７から完全に浮上させられる。このとき、突起１１とシール摺動面７間における距離は、当該摺接領域の一箇所とシール摺動面７間で最短となる。また、突起１１とシール摺動面７間における油膜厚さｔは、その最短距離のところで最小となる。

図５は、突起の曲率半径が大中小の三水準の場合に、油温と最小油膜厚さとの関係を調べた数値解析結果を示すグラフである。これら三水準は、突起の曲率半径Ｒで０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内から選択し、突起の高さを同じにしている。潤滑油としてＣＶＴＦを想定している。シールリップ１０に対するシール摺動面７の相対回転の周速度として２．５１ｍ／ｓを想定している。図５からは、油温が低い程に、突起の摺接領域とシール摺動面間における最小油膜厚さが厚くなることが分かる。これは、潤滑油の粘度が上昇するためと考えられる。また、突起の曲率半径が大きい程に、油膜が厚くなることが分かる。これは、突起の曲率半径を大きくすると、突起がシール摺動面と摺接し弾性変形したときの摺接領域の周方向長さが長くなり、突起の摺接領域に作用する面圧（基本的に、前述のシールリップの緊迫力と、くさび効果の動圧作用とによる圧力）が低下するためと考えられる。すなわち、油温に応じて突起の摺接領域での周方向長さを変化させること、具体的には、低温では突起の摺接領域での曲率半径を小さくし、高温では突起の曲率半径を大きくすることにより、全ての油温で、ある油膜厚さを維持することが可能であると考えられる。

このような面圧と油温間の対応性が認められる流体潤滑状態において、シールリップ１０及びシール摺動面７がある油温で熱平衡状態にあるとき、突起１１は、図３に示す摺接領域１７においてシール摺動面７と油膜を挟む。図３の状態から油温が高まると、その潤滑油と広範囲で接するシールリップ１０の温度も高くなるので、ゴム材製のシールリップ１０が熱膨張する。この熱膨張に対して油膜側が抵抗するため、シールリップ１０は、より撓むように弾性変形する。この弾性変形に伴い、シール摺動面７に対する突起１１の姿勢が変わるため、突起１１の摺接領域の位置は、摺接領域１７から次第に一方側（図中右側、腰部１５側）へ変わる。

図３の状態に比して数十℃高い油温でシールリップ１０及びシール摺動面７が熱平衡状態のときの様子を図６に示す。このとき、突起１１は、この摺接領域１８においてシール摺動面７と油膜を挟む。図６の状態から油温が低下すると、シールリップ１０は、図３に示す形状へ次第に戻るように弾性変形する。この弾性変形に伴い、シール摺動面７に対する突起１１の姿勢が戻るため、突起１１の摺接領域の位置は、摺接領域１８から次第に他方側（すなわち前記一方側と反対側である図中左側、リップ先端１４側）へ変わる。図３に示す熱平衡状態に戻ったとき、突起１１は、再び摺接領域１７においてシール摺動面７と油膜を挟む。図６の状態から油温がさらに上昇する場合、突起１１の摺接領域の位置は、図６の摺接領域１８に比してより一方側（図中右側）に変わり、図３の状態から油温がさらに低下する場合、突起１１の摺接領域の位置は、図３の摺接位置１７に比してより他方側（図中左側）に変わるだけのことである。このように、突起１１は、摺接領域の位置が油温変化に基づくシールリップ１０の弾性変形に応じて変わるように形成されている。

所定範囲内の油温のとき、突起１１は、図３中に矢線で示す特定範囲Ｂ内に摺接領域を有する。突起１１の高さＨは、特定範囲Ｂ内で一定になっている。突起１１は、特定範囲Ｂよりも高い部分をもたない。シール摺動面７に対して直角な方向（図示例では半径方向であり、図中上下方向）に関し、図４に示す隙間１６の大きさ（最大値）は、油膜厚さｔを考慮しなければ、特定範囲Ｂでの突起１１の高さＨで決まる。つまり、隙間１６の大きさは、流体潤滑状態のとき、突起１１の高さＨと、突起１１の摺接領域での油膜厚さｔ（最小油膜厚さ）との合計から突起の高さ方向弾性変形量を引いたもので決まると考えられる。

突起１１の摺接領域での油膜厚さｔは、前述の数値解析結果で示されるように、突起１１の摺接領域での面圧が低い程に厚くなり、摺接領域での面圧が高い程に薄くなる。突起１１の摺接領域での面圧は、当該摺接領域の面積に応じて決まり、その面積は、当該摺接領域での突起１１の周方向長さに応じて決まる。突起１１上で摺接領域となり得る特定範囲Ｂが周方向に沿った断面で円弧状であるから、その円弧状の曲率半径の大小及び曲率中心の位置設定に基づいて、ある位置の摺接領域における突起１１の周方向長さと高さを決めることができる。

そこで、突起１１は、図１に示すように、半径方向に一方側（リップ先端１４と反対側）に向かって次第に周方向に長くなる形状に形成されている。

例えば、図４は図３の摺接領域１７における円弧状を示すが、これに対して、図６の摺接領域１８における円弧状を図７に示す。図４に示す曲率半径Ｒに比して、図７に示す曲率半径Ｒを大きくし、図４に示す曲率中心Ｏの位置に比して、図７に示す曲率中心Ｏを中実部１２側へ位置を変えることにより、図４に示す断面での突起１１の高さＨと、図７に示す断面での突起１１の高さＨとを同一にしながら、図４に示す断面での突起１１の周方向長さＬｒに比して、図７に示す断面での突起１１の周方向長さＬｒを大きくすることができる。このように、突起１１の摺接領域は、周方向に沿った断面で円弧状であって、当該円弧状の曲率半径Ｒは、図１に示す一方側（リップ先端１４と反対側）に向かって大きく設定されている。

図１に示す突起１１の周方向長さの変化は、所定範囲内の油温で、すなわち図３に示す特定範囲Ｂ内のいずれかの位置の摺接領域でシール摺動面７と油膜を挟む場合に、その油膜厚さｔ（図４、図７参照）を一定範囲内に維持できるように設定されている。この突起１１の周方向長さ変化は、理論上、油膜厚さｔを一定値に維持できるように設定するとよい。実際には、油温の変化に遅れてシールリップ１０の熱膨張が起こることや、軸受内部空間と外部間の圧力変動がシールリップ１０の弾性変形に影響することがあり、油膜厚さｔを厳密に一定値に維持することは困難であるが、油膜厚さｔを一定範囲内に維持することは可能である。

その油膜厚さｔとして許容する一定範囲の最小値は、突起１１とシール摺動面７間の流体潤滑状態を保てる値に設定されている。この最小値は、例えば、シール摺動面７と突起１１の摺接領域の合成の二乗平均粗さと比較して大きい値、好ましくは三倍以上の値に設定することができる。ここで、二乗平均粗さは、ＪＩＳ規格のＢ０６０１：２０１３で規定された二乗平均平方根粗さＲｑのことをいう。

その油膜厚さｔとして許容する一定範囲の最大値は、隙間１６を一定以下に保てる値に設定されている。この最大値は、隙間１６の通過を阻止したい所望の粒径に応じて決定すればよい。例えば、突起１１の摺接位置での高さＨと、当該一定範囲の最大値での油膜厚さｔの合計から突起の高さ方向弾性変形量を引いた値が所望の粒径未満となるように当該最大値を設定することができる。

このオイルシール及びシール付軸受は、上述のようなものであり、図２に示すシール部材１のシールリップ１０と相手部材２とが流体潤滑状態で摺接するとき、図３、図６に例示するように、突起１１は、特定範囲Ｂ内のいずれかにおいて、シール摺動面７と油膜を挟む摺接領域を有する。所定範囲内で油温が上昇すると、潤滑油の粘度低下による油膜薄化作用が生じるが、突起１１の摺接領域の位置が特定範囲Ｂ内の一方側（図中右側、腰部１５側）へ変わり、突起１１の当該摺接領域での周方向長さが長くなり、当該摺接領域での面圧が低下し、油膜が厚く形成され易くなることにより、油膜厚さｔ（図４、図７参照）が一定範囲内（好ましくは一定値）に維持される。一方、所定範囲内で温度が低下すると、潤滑油の粘度上昇による油膜厚化作用が生じるが、突起１１の摺接領域の位置が図３に示す特定範囲Ｂ内の他方側（図中左側、リップ先端１４側）へ変わり、突起１１の当該摺接領域での周方向長さが短くなり、当該摺接領域での面圧が上昇し、油膜が薄く形成され易くなることにより、油膜厚さｔ（図４、図７参照）が一定範囲内（好ましくは一定値）に維持される。油膜厚さｔが一定範囲内にある限り、突起１１とシール摺動面７間の流体潤滑状態が保たれると共に、隙間１６の大きさが一定以下に保たれる。したがって、このオイルシール及びシール付軸受は、所定範囲内の油温で、流体潤滑による低トルク性と、要求されるシール性とを実現することができる。

また、このオイルシール及びシール付軸受は、突起１１の高さＨが一定範囲内の油膜厚さｔを維持可能な全範囲（特定範囲Ｂ）で同一になっているので、一定範囲における油膜厚さｔの最大値と、所望のシール性（異物粒径）とに基づいて隙間１６の大きさを決めることができ、隙間１６を一定以下に保つことが容易になる。

また、このオイルシール及びシール付軸受は、図１に示すように、突起１１が一方側（リップ先端１４と反対側）に向かって次第に周方向に長くなる形状であるので、突起１１の周方向長さ変化による面圧変化が連続的になり、油温変化に応じて油膜厚さｔ（図４、図７参照）を一定範囲に維持し易くなる。

また、このオイルシール及びシール付軸受は、突起１１の高さＨ（図４、図７参照）が０．０１ｍｍ以上とされているので、一般的な軸受の使用条件において、効果的にくさび効果を発生させることが可能であり、また、金型で図１に示すシールリップ１０を製造するときに確実に突起１１を形成することも可能であり、また、突起１１の高さＨ（図４、図７参照）が０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０５ｍｍ以下）とされているので、軸受寿命に悪影響を及ぼすような異物が軸受内部空間３（図２参照）に侵入するのを効果的に防止することも可能である。

また、軸受内部空間３の潤滑油に含まれる異物の粒径が５０μｍ以下であれば、転がり軸受の寿命比（実際寿命の計算寿命に対する比）が、自動車のトランスミッションでの実用に十分耐えうる値（例えば７〜１０倍程度）を示す。このオイルシール及びシール付軸受は、突起１１の高さＨ（図４、図７参照）を０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満（好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０８ｍｍ以下、より好ましくは０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下）とされているので、特に、自動車のトランスミッションでの実用において、軸受のシール性能を確保するのに好適である。

この発明に係る第二実施形態を図８に基づいて説明する。なお、以下では、第一実施形態との相違点を述べるに留め、第一実施形態と対応の構成要素を同じ名称で使用する。

図８に示すように、突起２０のうちの最も他方側（図中左側、リップ先端２１側）に位置する突起端２２は、リップ先端２１の近傍にあって、突起２０の中で最も低く、実質的な高さをもたない。突起２０は、他方側（図中左側）に向かって次第に低くなる高さ変化部２３を有する。高さ変化部２３は、突起２０のうち、油温変化に基づいて摺接領域となる範囲の中で、最も他方側に配置されている。すなわち、高さ変化部２３は、許容する油温の範囲の中でも最低温度を含む連続領域（最低温領域）において摺接領域となる。高さ変化部２３と突起端２２との間は、高さ変化部２３から他方側（図中左側）に向かって連続的に低くなっているが、この間が摺接領域になることはない。

また、高さ変化部２３は、他方側（図中左側）に向かって次第に周方向に短くなる形状である。高さ変化部２３における周方向長さ変化は、第一実施形態と同様に曲率半径と曲率中心の設定の仕方が異なるだけなので、図示説明を省略する。

第二実施形態は、その最低温領域で摺接領域となる高さ変化部２３が他方側（図中左側）に向かって低くかつ周方向に短くなる形状であるので、その最低温領域において、突起２０の周方向長さの短化によって前述の隙間の拡大を抑えると共に、高さ低下によって前述の隙間を狭めることができ、これにより、過大な隙間にならないようにすることができる。

なお、図８では、突起２０の一部を高さ変化部２３とした例を示したが、突起２０の中で摺接領域として許容する全範囲を他方側に向かって低くかつ周方向に短くなる形状に変更することも可能である。

上述の第一実施形態や第二実施形態では、突起上の摺接領域を周方向に沿った断面で円弧状にしたが、くさび効果によって流体潤滑を実現可能な他の突起形状に変更することも可能である。

その一例としての第三実施形態を図９、図１０に基づいて説明する。図９は、突起３０付近の自然状態を図１と同様に示すものであり、図中上側が一方側（リップ先端３１と反対側）に相当する。図１０は、突起３０上の摺接領域の周方向に沿った断面を示すものである。なお、油膜の図示を省略した。

図１０に示すように、突起３０上の摺接領域は、周方向に沿った断面で矩形状である。当該矩形状における底辺３２の周方向長さＬｒｂは、図９に示すように、一方側（図中上側）に向かって次第に長く設定されている。これにより、突起３０の周方向長さ変化が実現されている。

第四実施形態を図１１、図１２に基づいて説明する。第四実施形態は、さらに別の突起形状への変更例を示すものである。図１１は、突起４０付近の自然状態を図１と同様に示すものであり、図中上側が一方側（リップ先端４１と反対側）に相当する。図１２は、突起４０上の摺接領域の周方向に沿った断面を示すものである。なお、油膜の図示を省略した。

図１２に示すように、突起４０上の摺接領域は、周方向に沿った断面で傾斜辺４２を有する形状である。傾斜辺４２は、相対回転方向Ａに向かって次第にシール摺動面７に接近する勾配をもつ。傾斜辺４２から周方向に延びる底辺４３の周方向長さ及び高さは、図１１の突起４０上のどの位置においても一定である。当該断面形状における傾斜辺４２の周方向長さＬｒｔは、図１１に示すように、一方側（図中上側）に向かって次第に長く設定されている。これにより、突起４０の周方向長さ変化が実現されている。

突起の周方向長さ変化は、特に面圧に影響するくさび効果に寄与する表面領域、すなわちシール摺動面との間にくさび状隙間を形成する表面領域での周方向長さを変化させれば、効果的に面圧を増減させることができる。前述の第一〜三実施形態に例示したように周方向に対称形の突起であれば、前述の相対回転によって潤滑油が引き摺られる方向を問わずに、同等に前述の低トルク性とシール性を実現することができる点で、第四実施形態に例示したような周方向に非対称形の突起よりも有利である。その代わり、周方向に対称形の突起の場合、くさび状隙間を形成する突起上の表面領域が突起の周方向長さの半分程度に限られるのに対し、同じ突起の周方向長さを有する第四実施形態の突起形状の場合（図１２参照）、突起４０の周方向長さの大部分を傾斜辺４２にしてくさび状隙間を比較的周方向に長く形成することが可能なため、面圧を比較的大きく増減させることができる点で有利である。

上述の実施形態のいずれかに該当するシール付軸受が自動車のトランスミッションの回転軸を支持する一例を図１３に示す。図示のトランスミッションは、段階的に変速比を変化させる多段変速機になっており、その回転軸（例えば入力軸Ｓ１および出力軸Ｓ２）を回転可能に支持するシール付軸受１００として、上述の実施形態のいずれかに該当するものを備えている。図示のトランスミッションは、エンジンの回転が入力される入力軸Ｓ１と、入力軸Ｓ１と平行に設けられた出力軸Ｓ２と、入力軸Ｓ１から出力軸Ｓ２に回転を伝達する複数のギヤ列Ｇ１〜Ｇ４と、各ギヤ列Ｇ１〜Ｇ４と入力軸Ｓ１または出力軸Ｓ２との間に組み込まれた図示しないクラッチとを有し、そのクラッチを選択的に係合させることで使用するギヤ列Ｇ１〜Ｇ４を切り替え、これにより、入力軸Ｓ１から出力軸Ｓ２に伝達する回転の変速比を変化させるものである。出力軸Ｓ２の回転は出力ギヤＧ５に出力され、その出力ギヤＧ５の回転がディファレンシャルギヤ等に伝達される。入力軸Ｓ１と出力軸Ｓ２は、それぞれシール付軸受１００で回転可能に支持されている。また、このトランスミッションは、ギヤの回転に伴う潤滑油（例えば、トランスミッションオイル）のはね掛けにより、又はハウジングＨの内部に設けられたノズルからの潤滑油の噴射により、はね掛け又は噴射された潤滑油が各シール付軸受１００の側面にかかるようになっている。

上述の実施形態では、内輪回転型の軸受を例に挙げて説明したが、この発明は、外輪回転型の軸受（シール部材が内輪に固定され、相手部材が外輪側となる軸受）に適用することも可能である。

また、上述の実施形態では、転動体として玉を使用する形式の軸受を例に挙げて説明したが、この発明は、円筒ころまたは円すいころを転動体として使用する形式の軸受に適用してもよい。

また、上述の実施形態では、軸受内部空間の両側にシール部材を設けた例で説明したが、シール部材は、軸受内部空間の片側にのみ設けるようにしてもよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ シール部材
２ 相手部材
３ 軸受内部空間
４ 外輪
５ 転動体
７ シール摺動面
８ 芯金
９ ゴム材
１０ シールリップ
１１、２０、３０、４０ 突起
１２ 中実部
１３ 表面部
１６ 隙間
１７、１８ 摺接領域
２３ 高さ変化部
３２ 底辺
４２ 傾斜辺
１００ シール付軸受
Ｓ１ 入力軸（回転軸）
Ｓ２ 出力軸（回転軸）

Claims (10)

1. ゴム材で形成されたシールリップを有するシール部材と、前記シール部材に対して周方向に相対回転する相手部材とを備え、
   前記相手部材に形成されたシール摺動面と、前記シールリップとの間に締め代が設定されており、
   前記シールリップは、前記シール摺動面と流体潤滑状態で摺接する複数の突起を周方向に所定間隔で有し、
   前記シール摺動面と油膜を挟む前記突起の摺接領域の位置が油温変化に基づく前記シールリップの弾性変形に応じて変化するようになっているオイルシールにおいて、
   前記突起は、油温上昇に基づいて前記摺接領域の位置を変える一方側に向かって周方向長さが長くなる形状になっており、当該突起の周方向長さは、所定範囲内の油温で前記油膜の厚さを一定範囲内に維持できるように変化しており、当該一定範囲の最小値は、前記流体潤滑状態を保てるように設定されており、当該一定範囲の最大値は、前記シールリップのうちの周方向に隣り合う前記突起間に亘る表面部と前記シール摺動面との間の隙間を一定以下に保てるように設定されていることを特徴とするオイルシール。
2. 前記突起の高さは、前記一定範囲内の油膜の厚さを維持可能な全範囲で同一である請求項１に記載のオイルシール。
3. 前記突起は、前記一方側と反対の他方側に向かって低くかつ周方向に短くなる高さ変化部を有し、当該高さ変化部は、油温変化に基づいて前記摺接領域となる範囲の最も他方側に配置されている請求項１に記載のオイルシール。
4. 前記突起上の前記摺接領域は、周方向に沿った断面で円弧状であり、当該円弧状の曲率半径は、前記一方側に向かって大きく設定されている請求項１から３のいずれか１項に記載のオイルシール。
5. 前記突起上の前記摺接領域は、周方向に沿った断面で矩形状であり、当該矩形状の底辺の周方向長さは、前記一方側に向かって長く設定されている請求項１から３のいずれか１項に記載のオイルシール。
6. 前記突起上の前記摺接領域は、周方向に沿った断面で傾斜辺を有する形状であり、当該傾斜辺の周方向長さは、前記一方側に向かって長く設定されている請求項１から３のいずれか１項に記載のオイルシール。
7. 前記突起は、前記一方側に向かって次第に周方向に長くなる形状である請求項１から５のいずれか１項に記載のオイルシール。
8. 前記突起の高さが０．０１ｍｍ以上、０．１０ｍｍ未満である請求項１から７のいずれか１項に記載のオイルシール。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のオイルシールを備え、前記シール部材が、軸受内部空間と外部との間を区切るものとなっているシール付軸受。
10. 自動車のトランスミッションの回転軸を支持する請求項９に記載のシール付軸受。

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