JP4949274B2 - フローティングシール - Google Patents

Description

本発明は、建設機械等の回転機構部において、泥水や土砂等が内部に侵入することを防止すると共に、潤滑油が内部から漏洩することを防止するためのフローティングシールに関する。

油圧ショベル、クレーン、ホイールショベル等の自走式の建設機械の回転機構部のように、泥水や土砂等が侵入し易い劣悪な環境下に置かれる回転機構部においては、泥水や土砂等が内部に侵入することを防止すると共に、潤滑油が内部から漏洩することを防止するために、フローティングシールが用いられている。

図１１は、従来のフローティングシールを示す部分断面図である。図１１に示すように、フローティングシール１１は、１対のハウジング部１３ａ及び１４ａがそれぞれ形成され、軸１２の周りで相対的に回転運動を行う２つのボス１３及び１４と、１対のハウジング部１３ａ及び１４ａ内に配置されて側面部が互いに摺接する１対のシールリング１５及び１６と、１対のハウジング部１３ａ及び１４ａの内周面と１対のシールリング１５及び１６の外周面との間にそれぞれ挟持された１対のＯリング１７及び１８とによって構成される。

シールリング１５及び１６の側面部は互いに当接しているので、ボス１３及び１４が相対的に回転運動を行うと、シールリング１５及び１６の側面部が摺動する。それらの摺動面１９には、Ｏリング１７及び１８によって相互に力Ｆが働いているが、摺動面同士の当接状態のバラツキによって油洩れが発生する可能性がある。

シールリング１５及び１６の製造方法としては、耐焼付き性と耐磨耗性を得るために、切削加工が困難な程度の硬さを有する合金鋼を鋳造によって成形し、摺動面１９を研削又はラッピングして形成するのが一般的である。鋳造品の形状精度は切削加工品ほどに高くないので、シールリング１５及び１６の摺動面１９はラジアル方向に互いにずれて当接し、それが油洩れの原因となる。さらに、摺動面１９の外周側エッジ部は泥水や土砂等に接して潤滑不足となるから、長期の稼動によって、摺動面１９の外周部から内周部に向かって磨耗が進行する。

このような問題を解決するために、１対のシールリングが相互にずれて当接してもそれらの摺動面において環状の当接面が形成されるように、また、摺動面の外周部の磨耗が進行しても所定の寿命が確保できるように、摺動面の幅を広くしたフローティングシールが考えられている。

図１２は、摺動面の幅を広くしたフローティングシールにおけるシールリングを示す部分断面図である。図１２に示すように、シールリング１５及び１６の摺動面１９の幅Ｗは、約２〜３ｍｍと広く設定されており、対向する１対の摺動面１９が互いにずれて当接した場合においても、環状の当接面が形成されるようになっている。また、幅Ｗが広く設定された摺動面１９が全面で当接して摺動抵抗トルクが過大になることを避けるために、僅かな角度αを有する凹状の円錐面又は球面として摺動面１９が形成されている。その際に、Ｏリング１７及び１８（図１１）から受ける力Ｆと距離Ｌとによって生ずるモーメントＭにより摺動面１９が弾性変形することを見越して、角度αの値は、弾性変形を僅かに上回るように設定される。以下においては、摺動面の弾性変形のことを「ダレ」ともいい、角度αのことを「ダレ見越し角」ともいう。

図１２に示すシールリングにおいては、しかしながら、シールリング１５とシールリング１６とが実際に当接する当接面の幅（当接幅）Ｂが、ダレ見越し角αの僅かなバラツキによって大きく変動して、シールリング１５及び１６の相互の摺動抵抗トルクに大きなバラツキが生じてしまう。

関連する技術として、特許文献１には、組み立てた時のシールリングの摺動抵抗トルク及びそのバラツキが小さく、低コストで製造できることを目的とするフローティングシールが開示されている。このフローティングシールは、軸周りに相対的に回転する２つのボスの対向する端部にそれぞれ配設されて互いに対向して開口する１対のハウジングと、両ハウジングの略中間位置にそれぞれ配設されて、対面する側面部の摺動面で互いに摺接する１対のシールリングとを備えており、前記１対のシールリングの少なくとも一方の摺動面を、ダレ見越し角α１を有する凹状の円錐面又は球面で形成された第１摺動面と、該第１摺動面の内縁側に隣接して、ダレ見越し角α２を有する凹状の円錐面又は球面で形成された第２摺動面とで構成し、α２＞α１なる関係としている。

特許文献１のフローティングシールによれば、１対のシールリングは第１摺動面で当接するから、互いの摺動面が全面で当接することを確実に防止することができる。これにより、シールリングの摺動抵抗トルクのバラツキを抑制できるので、発熱や油洩れの発生を防止することが可能である。また、第１摺動面は全面で当接しても良いので、第１摺動面のダレ見越し角α１の製造許容範囲を角度ゼロ近傍の小さい角度領域に設定することにより、シールリングの研削シロを少なくして製造コストを低減することができる。
特開２００４−２８２２８号公報（第６頁、図１）

このようなフローティングシールにおいて、従来の材料よりも衝撃力や熱応力に対して強靭性を有し、かつ、耐土砂磨耗性にも優れるバランスの取れた新たなシールリングの開発が望まれている。しかしながら、衝撃力や熱応力に対する強靭性を求めるために材料の硬度を下げると、初期当接面形成段階において摺動抵抗トルクが増加すると共に、油洩れも発生するという問題が生じた。

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、従来の材料よりも衝撃力や熱応力に対して強靭性を有する材料をシールリングに使用しながら、摺動抵抗トルクの増加を抑えることができるフローティングシールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係るフローティングシールは、１対のハウジング部がそれぞれ形成され、軸の周りで相対的に回転運動を行う２つの部材と、１対のハウジング部内に配置されて、対向する面の一部において互いに摺接する１対のシールリングと、１対のハウジング部と１対のシールリングとの間にそれぞれ挟持された１対のＯリングとを具備するフローティングシールであって、各々のシールリングの対向する面が、軸に直交する面に対して第１の角度を有するシール面と、シール面の内周側に隣接して、軸に直交する面に対して第１の角度よりも大きい第２の角度を有するテーパー面とを含み、シール面の幅をＡとし、シール面の幅の公差をΔＡとし、シールリングの直径の公差をΔＤとしたときに、０．１１ｍｍ以上で（Ａ−ΔＡ−ΔＤ−０．２ｍｍ）以下の曲率半径を有する丸みがシール面の外周側エッジ部に形成されている。

本発明の１つの観点によれば、所定の曲率半径を有する丸みをシール面の外周側エッジ部に形成することにより、従来の材料よりも衝撃力や熱応力に対して強靭性を有する材料をシールリングに使用しながら、摺動抵抗トルクの増加を抑えることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係るフローティングシールを示す部分断面図である。図１に示すように、フローティングシール１は、１対のハウジング部３ａ及び４ａがそれぞれ形成され、軸２の周りで相対的に回転運動を行う２つの部材（ボス）３及び４と、１対のハウジング部３ａ及び４ａ内に配置されて、対向する側面の一部において互いに摺接する１対のシールリング５及び６と、１対のハウジング部３ａ及び４ａの内周面と１対のシールリング５及び６の外周面との間にそれぞれ挟持された１対のＯリング７及び８とによって構成される。

シールリング５及び６の側面は互いに当接しているので、ボス３及び４が相対的に回転運動を行うと、シールリング５及び６の側面は摺動する。それらの摺動面９には、Ｏリング７及び８によって相互に力が働いている。従来は、シールリング５及び６の材料として、耐焼付き性と耐磨耗性を得るために、ヤング率が約２１０ＧＰａでロックウェル硬度ＨＲＣが６５〜６７程度の合金鋼を使用していた。

一方、従来の材料よりも衝撃力や熱応力に対して強靭性を有し、かつ、耐土砂磨耗性にも優れるバランスの取れた新たなシールリングの開発が望まれている。そこで、シールリング５及び６の材料として、衝撃力や熱応力に対する強靭性を求めるために、ヤング率が１９０ＧＰａ〜２２０ＧＰａ程度でロックウェル硬度ＨＲＣが５４〜６２程度の合金を用いることが検討された。そのような材料としては、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＫＤ１１、ＳＵＪ２等の鉄系合金や、ＳＦＮｉ４等の自溶ニッケル合金や、ＳＦＣｏ２等の自溶コバルト合金等が該当する。さらに、浸炭処理を行えば、ＳＣＭ、ＳＭｎ、ＳＣｒ、Ｓ＊＊Ｃ、ＳＮＣＭ、ＳＫ＊等も、表面硬度が上記の条件を満たすようになる。

しかしながら、シールリング材のロックウェル硬度を下げると、許容接触応力が小さくなるので、シールリング５及び６の初期当接面形成段階において摺動抵抗トルクが増加すると共に、油洩れも発生するという問題が生じた。そこで、本発明においては、シールリング５及び６の摺動面の外周側エッジ部に所定の曲率半径を有する丸みを付けることにより、この問題を解決している。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るフローティングシールにおけるシールリングを示す部分断面図であり、図３は、一方のシールリングの一部を拡大して示す断面図である。なお、図３においては、シールリング６のみを示しているが、シールリング５も同様の形状を有している。

図２に示すシールリング６の摺動面９は、図３に示すように、軸２（図１）の軸方向に対して直交する面と角度αをなす凹状の円錐面又は球面で形成されたシール面６ａと、軸方向に対して直交する面と角度βをなすテーパー面６ｂとによって構成され、角度α及びβは、α＜βなる関係を有している。

シールリング６のシール面６ａの外周側エッジ部には、曲率半径Ｒを有する丸みが形成されている。ここで、シール面６ａの幅をＡとし、シール面幅Ａの公差をΔＡとし、シールリング６の直径をＤとし、シールリング直径Ｄの公差をΔＤとする。なお、本実施形態においては、シール面幅Ａが約２．５ｍｍであり、シールリング直径Ｄが約４８２ｍｍである。当接面の幅（当接幅）の最小値Ｂは、次式（１）で表される。
Ｂ＝Ａ−ΔＡ−ΔＤ ・・・（１）

さらに、当接面の初期なじみ、及び、シール性の観点から、シール面６ａの初期当接幅として０．２ｍｍを確保することにすると、シール面６ａの外周側エッジ部に形成される丸みの曲率半径Ｒは、次式（２）の条件を満たすことが望ましい。
０．１１ｍｍ≦Ｒ≦Ａ−ΔＡ−ΔＤ−０．２ｍｍ ・・・（２）
曲率半径Ｒの最小値を０．１１ｍｍとした根拠については、後で詳しく説明する。

このように、シール面６ａの外周側エッジ部がなだらかな曲線形状を有することにより、シール面６ａの初期当接幅が広がるので、先端部分における応力集中が緩和される。従って、初期の摺動時において当接面がきれいに形成され、初期の摺動抵抗トルクが低減されると共に、油洩れも防止される。

本実施形態によれば、シールリング材として、ヤング率が１９０ＧＰａ〜２２０ＧＰａ程度でロックウェル硬度ＨＲＣが５４〜６２程度の合金を用いるので、従来のシールリング材よりも衝撃力や熱応力に対して強靭性を有すると共に、シール面６ａの先端部分における応力集中が緩和されるので、ロックウェル硬度が比較的小さくても摺動面の接触応力に耐えられるシールリングを実現することができる。また、当接面がシールリングの外周先端から曲率半径Ｒの分だけ内側に形成され、かつ、初期当接面が幅広く形成されるので、寸法公差による当接状態の許容範囲が増加して、シール性が向上する。

次に、曲率半径Ｒの適切な範囲を求めるための摺動トルク試験及びシミュレーションについて説明する。
図４は、各種のフローティングシールにおけるフローティングシールの線圧と摺動抵抗トルクとの関係を示す図である。この摺動トルク試験においては、フローティングシールの線圧を１、２、３、４、５ｋｇ／ｃｍと変化させながら、摺動抵抗トルク（ｋｇ・ｍ）が測定された。

図４に示すように、ロックウェル硬度ＨＲＣが６５〜６７程度のシールリング材（旧材料）を用いたフローティングシールにおいては、フローティングシールの線圧を増加させても摺動抵抗トルクはあまり増加しない。また、シールリングのシール面の外周側エッジ部に、０．２ｍｍの曲率半径Ｒを有する丸みを形成しても、摺動抵抗トルクはあまり変化しない。

一方、ロックウェル硬度ＨＲＣが５４〜６２程度のシールリング材（新材料）を用いたフローティングシールにおいては、フローティングシールの線圧を増加させると摺動抵抗トルクが大幅に増加してしまう。そこで、シールリングのシール面の外周側エッジ部に、０．２ｍｍの曲率半径Ｒを有する丸みを形成すると、摺動抵抗トルクの増加が抑えられ、フローティングシールの線圧が３ｋｇ／ｃｍ以下の範囲であれば、従来のシールリング材を用いたフローティングシールと比較しても遜色のない結果が得られた。なお、通常用いられる最大線圧は、２．４ｋｇ／ｃｍである。

図５は、シールリング材のヤング率が１９０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒと線圧とを変化させたときの接触応力をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。ここで、曲率半径Ｒが０．２ｍｍである場合に、フローティングシールの線圧が３ｋｇ／ｃｍであるときの摺動トルク試験結果は良好であり、フローティングシールの線圧が４ｋｇ／ｃｍであるときの摺動抵抗トルクは増加していた。従って、フローティングシールの線圧が３ｋｇ／ｃｍであるときの接触応力６３．８ｋｇ／ｍｍ^２とフローティングシールの線圧が４ｋｇ／ｃｍであるときの接触応力６９．８ｋｇ／ｍｍ^２との間に、最大許容接触応力の値が存在すると考えられる。

図６は、シールリング材のヤング率が１９０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒに対する接触応力の変化を示す図である。５本の実線の曲線は、パラメータとしてフローティングシールの線圧を１、２、３、４、５ｋｇ／ｃｍと変化させたときの接触応力を指数関数で近似したものであり、１本の破線の曲線は、通常用いられる最大線圧２．４ｋｇ／ｃｍにおける接触応力を指数関数で近似したものである。この破線の曲線が、最大許容接触応力６３．８ｋｇ／ｍｍ^２〜６９．８ｋｇ／ｍｍ^２を表す直線（横軸に平行な直線）と交わる位置における曲率半径Ｒの値は、０．０８ｍｍ〜０．１４ｍｍである。

図７は、シールリング材のヤング率が２０５ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒと線圧とを変化させたときの接触応力をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。ここで、曲率半径Ｒが０．２ｍｍである場合に、フローティングシールの線圧が３ｋｇ／ｃｍであるときの摺動トルク試験結果は良好であり、フローティングシールの線圧が４ｋｇ／ｃｍであるときの摺動抵抗トルクは増加していた。従って、フローティングシールの線圧が３ｋｇ／ｃｍであるときの接触応力６７．５ｋｇ／ｍｍ^２とフローティングシールの線圧が４ｋｇ／ｃｍであるときの接触応力７３．２ｋｇ／ｍｍ^２との間に、最大許容接触応力の値が存在すると考えられる。

図８は、シールリング材のヤング率が２０５ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒに対する接触応力の変化を示す図である。５本の実線の曲線は、パラメータとしてフローティングシールの線圧を１、２、３、４、５ｋｇ／ｃｍと変化させたときの接触応力を指数関数で近似したものであり、１本の破線の曲線は、通常用いられる最大線圧２．４ｋｇ／ｃｍにおける接触応力を指数関数で近似したものである。この破線の曲線が、最大許容接触応力６７．５ｋｇ／ｍｍ^２〜７３．２ｋｇ／ｍｍ^２を表す直線（横軸に平行な直線）と交わる位置における曲率半径Ｒの値は、０．０８ｍｍ〜０．１４ｍｍである。

図９は、シールリング材のヤング率が２２０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒと線圧とを変化させたときの接触応力をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。ここで、曲率半径Ｒが０．２ｍｍである場合に、フローティングシールの線圧が３ｋｇ／ｃｍであるときの摺動トルク試験結果は良好であり、フローティングシールの線圧が４ｋｇ／ｃｍであるときの摺動抵抗トルクは増加していた。従って、フローティングシールの線圧が３ｋｇ／ｃｍであるときの接触応力７０．２ｋｇ／ｍｍ^２とフローティングシールの線圧が４ｋｇ／ｃｍであるときの接触応力７６．１ｋｇ／ｍｍ^２との間に、最大許容接触応力の値が存在すると考えられる。

図１０は、シールリング材のヤング率が２２０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒに対する接触応力の変化を示す図である。５本の実線の曲線は、パラメータとしてフローティングシールの線圧を１、２、３、４、５ｋｇ／ｃｍと変化させたときの接触応力を指数関数で近似したものであり、１本の破線の曲線は、通常用いられる最大線圧２．４ｋｇ／ｃｍにおける接触応力を指数関数で近似したものである。この破線の曲線が、最大許容接触応力７０．２ｋｇ／ｍｍ^２〜７６．１ｋｇ／ｍｍ^２を表す直線（横軸に平行な直線）と交わる位置における曲率半径Ｒの値は、０．０８ｍｍ〜０．１４ｍｍである。

以上のことから、少なくともシールリング材のヤング率が１９０ＧＰａ〜２２０ＧＰａである場合には、通常用いられる最大線圧２．４ｋｇ／ｃｍにおいて、０．０８ｍｍと０．１４ｍｍとの中間値（加算平均値）である０．１１ｍｍが、通常用いられる最大線圧２．４ｋｇ／ｃｍにおいて摺動抵抗トルクを増加させないための曲率半径Ｒの最小値ということになる。

以上説明したように、シールリングのシール面の外周側エッジ部に所定の曲率半径Ｒを有する丸みを形成することにより、初期の摺動抵抗トルクを低減して、シールリングの発熱を抑制し、熱脆性によるシールリングの破壊の可能性を低減することができる。また、Ｏリングの保持トルクに対する摺動抵抗トルクの余裕が増えるので、Ｏリングの連れ回りの危険性を低減することができる。Ｏリングがしっかりと保持されることによって、Ｏリング面からの油洩れが防止されると共に、Ｏリングが滑ることによって発生する摩擦熱による熱膨張を伴った破壊を起こす危険性も低減される。さらに、シールリングの当接面を、幅広く、かつ、内周側に形成することが可能となるので、寸法公差による当接面の変化や外荷重に対する余裕度が飛躍的に向上する。

本発明は、建設機械等の回転機構部において、泥水や土砂等が内部に侵入することを防止すると共に、潤滑油が内部から漏洩することを防止するためのフローティングシールにおいて利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係るフローティングシールを示す部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るフローティングシールにおけるシールリングを示す部分断面図である。 一方のシールリングの一部を拡大して示す断面図である。 各種のフローティングシールにおけるフローティングシールの線圧と摺動抵抗トルクとの関係を示す図である。 シールリング材のヤング率が１９０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒと線圧とを変化させたときの接触応力をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。 シールリング材のヤング率が１９０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒに対する接触応力の変化を示す図である。 シールリング材のヤング率が２０５ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒと線圧とを変化させたときの接触応力をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。 シールリング材のヤング率が２０５ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒに対する接触応力の変化を示す図である。 シールリング材のヤング率が２２０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒと線圧とを変化させたときの接触応力をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。 シールリング材のヤング率が２２０ＧＰａである場合において、曲率半径Ｒに対する接触応力の変化を示す図である。 従来のフローティングシールを示す部分断面図である。 摺動面の幅を広くしたフローティングシールにおけるシールリングを示す部分断面図である。

符号の説明

１…フローティングシール、 ２…軸、 ３、４…ボス、 ３ａ、４ａ…ハウジング部、 ５、６…シールリング、 ６ａ…シール面、 ６ｂ…テーパー面、 ７、８…Ｏリング、 ９…摺動面

Claims (3)

1. １対のハウジング部がそれぞれ形成され、軸の周りで相対的に回転運動を行う２つの部材と、
   前記１対のハウジング部内に配置されて、対向する面の一部において互いに摺接する１対のシールリングと、
   前記１対のハウジング部と前記１対のシールリングとの間にそれぞれ挟持された１対のＯリングと、
   を具備するフローティングシールであって、
   各々のシールリングの前記対向する面が、前記軸に直交する面に対して第１の角度を有するシール面と、前記シール面の内周側に隣接して、前記軸に直交する面に対して第１の角度よりも大きい第２の角度を有するテーパー面とを含み、前記シール面の幅をＡとし、前記シール面の幅の公差をΔＡとし、前記シールリングの直径の公差をΔＤとしたときに、０．１１ｍｍ以上で（Ａ−ΔＡ−ΔＤ−０．２ｍｍ）以下の曲率半径を有する丸みが前記シール面の外周側エッジ部に形成されている、前記フローティングシール。
2. 前記１対のシールリングが、ロックウェル硬度がＨＲＣ５４〜６２である材料を用いて形成されている、請求項１記載のフローティングシール。
3. 前記１対のシールリングが、ヤング率が１９０ＧＰａ〜２２０ＧＰａである材料を用いて形成されている、請求項１又は２記載のフローティングシール。