JP7331053B2

JP7331053B2 - シール付軸受

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Publication number: JP7331053B2
Application number: JP2021151995A
Authority: JP
Inventors: 克明佐々木; 泰裕上堀; 暦秦
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2023-08-22
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Also published as: WO2023042815A1; JP2023044125A; CN117957381A; KR20240058912A

Description

この発明は、転がり軸受及びシール部材を備えるシール付軸受に関する。

転がり軸受の早期破損を防止するため、シール部材が利用されている。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アの摩耗粉等の異物が混在するため、シール部材により、摩耗粉等の軸受内部への侵入を防止している。

従来、転がり軸受に備わる一般的なシール部材として、環状の芯金と、ゴム状材料等の弾性材とで構成し、その弾性材でシールリップ部を形成したものが利用されている。一方、軌道輪、スリンガ等、軸受回転に伴ってシール部材に対して周方向に相対回転する相手部品には、シールリップ部と摺接するシール摺動面が形成されている。

一般的な接触シールは、シールリップ部とシール摺動面が全周で滑り接触し、微視的には固体接触領域を伴っている。シールリップ部の引き摺り抵抗（シールトルク）は、軸受トルクの上昇を招く。また、その滑り接触は、転がり軸受の温度上昇の一因となる。また、軸受内部が外部に対してシール部材で閉塞されるので、軸受内部と外部間の圧力差によってシールリップ部がシール摺動面に押し付けられる吸着作用が生じてシールトルクが増大することがある。これらのことから、一般的な接触シールでは、軸受の高速回転に限界がある。

一方、シール部材を相手部品と非接触に配置し、その相手部品との間にラビリンスシールを形成する非接触シールは、相手部材と固体接触しないため、軸受の高速回転に適するが、シール部材及び相手部品間の隙間の大きさについて所定粒径の異物侵入を防止できるような各種誤差の管理が難しい。

これに対し、特許文献１には、芯金の内径を規定する内周縁にシールリップ部のヒールを接着し、そのシールリップ部には径方向に延びる腰と、この腰から外部側へ延びるリップ頭とを形成し、このリップ頭を、周方向全周に形成した中実部と、この中実部からシール摺動面側へ突き出た複数の突起部とで構成したシール付軸受が開示されている。このシール付軸受は、所定粒径の異物侵入を防ぐことが可能な隙間を通じて転がり軸受の内部空間と外部間で潤滑油を流通させ、シール摺動面上での潤滑油を潤沢とし、軸受回転に伴って潤滑油を突起部とシール摺動面間に引き摺り込ませ、この際のくさび効果により各突起部とシール摺動面を油膜で完全に分離させて流体潤滑状態にすることが可能なため、所定粒径の異物侵入を防ぎ、シールリップ部の吸着も防ぎ、シールトルクを著しく低減することができる。

国際公開第２０１６／１４３７８６号

特許文献１に開示されたシール付軸受は、各種誤差を吸収するため、シールリップ部の中実部とシール摺動面間に締め代が設定されている。このため、シールリップ部は、シール摺動面を締め付ける方向の緊迫力を生じる。この緊迫力は、各突起部とシール摺動面の弾性接触域に作用する。軸受回転に伴って前述の流体潤滑状態へ遷移させるには、その弾性接触域において、油膜に発生する圧力スパイクを緊迫力よりも大きくする必要がある。緊迫力が小さければ小さい程、シールトルクが下がる傾向になるが、緊迫力が小さ過ぎると、所定粒径を超える異物が軸受内部に侵入し易くなる。

上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、シール部材の芯金の内周縁上から内方へ延びる弾性材製シールリップ部の複数の突起部によって軸受回転時にシール摺動面とシールリップ部間の流体潤滑状態を実現すると共に、シールリップ部の緊迫力を適切にすることにある。

上記の課題を達成するため、この発明は、芯金と弾性材とで構成されたシール部材と、前記シール部材に対して周方向に摺動するシール摺動面とを備え、前記シール部材は、径方向に延びる腰と、前記腰から径方向内側に向かって外部側へ傾いた方向に延びるリップ頭とを含む弾性材製のシールリップ部を有し、前記リップ頭は、周方向全周に形成された中実部と、前記中実部からシール摺動面側へ突き出た複数の突起部とからなり、前記複数の突起部は、周方向に隣り合う前記突起部同士の間に隙間を生じさせ、かつ軸受回転に伴って前記隙間から前記突起部と前記シール摺動面間に引き摺り込まれる潤滑油の油膜によって前記シールリップ部及び前記シール摺動面間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で形成されているシール付軸受において、前記芯金の高さをＡとし、前記シール部材の外径から前記中実部のリップ先端上までの高さをＢとし、前記芯金の内径を規定する内周縁から前記中実部のリップ先端上までの高さをＣとし、前記腰の厚さをＤとし、前記中実部のリップ先端上での内径をＥとし、前記中実部と前記シール摺動面間に設定された締め代をＦとし、（前記引き摺り込まれる潤滑油の圧力スパイク／接触楕円の面積）と緊迫力の比率をＲとして、０．５０＜Ａ／Ｂ＜０．８０かつ０．１０＜Ｃ／Ｂ＜０．３１かつ０．０５＜Ｄ／Ｃ＜０．２２かつ０．００２＜Ｆ／（Ｅ／２）＜０．０２０かつ１＜Ｒ＜４５を満足する構成を採用した。

上記構成のように、シール部材の芯金の内周縁とシール摺動面間でのシールリップ部の撓み変形の態様に影響するパラメータであるＡ／Ｂ、Ｃ／Ｂ、Ｄ／Ｃ、Ｆ／（Ｅ／２）について、０．５０＜Ａ／Ｂ＜０．８０かつ０．１０＜Ｃ／Ｂ＜０．３１かつ０．０５＜Ｄ／Ｃ＜０．２２かつ０．００２＜Ｆ／（Ｅ／２）＜０．０２０を満足する範囲に設定すれば、圧力スパイクと緊迫力の比率Ｒについて１＜Ｒを成立させることができる。突起部とシール摺動面間に引き摺り込まれる潤滑油の圧力スパイクが発生する箇所で油膜厚さが最小になるため、圧力スパイクと緊迫力の比率Ｒ≦１である場合、突起部とシール摺動面の固体接触が生じてしまう。圧力スパイクは温度、流れの周速等の条件で変化するが、比率Ｒの上限を４５に見込んでおけば、流体潤滑状態を実現する低トルク性と異物侵入防止性の両立を図る観点から過小でない緊迫力にすることできる。したがって、１＜Ｒ＜４５を成立させると、流体潤滑状態を実現しつつ、緊迫力を適切にすることができる。

ここで、圧力スパイクは、レイノルズ方程式に基づいて計算により求めることができる。また、シールトルクＴ（Ｎ・ｍ）＝摩擦係数μ×緊迫力Ｗ×接線半径ｒの関係式より緊迫力を逆算で求めることができる。

前記弾性材の硬さは６０ＨＳ以上、８０ＨＳ以下であることが好ましい。このようにすると、シールリップ部を形成する弾性材として一般的な材料を用いて緊迫力を適切化することができる。

前記圧力スパイクと緊迫力の比率Ｒは２１．１＜Ｒ＜４４．９を満足することが好ましい。この比率Ｒの数値範囲は公差の二乗平均を考慮した値であり、これにより、量産性と緊迫力の適切化の両立を図ることができる。

前記弾性材としては、熱硬化性エラストマー及び熱可塑性エラストマーのいずれを用いてもよい。

この発明に係るシール付軸受は、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、ターボチャージャ及び駆動モータ、並びに工作機械、風力発電機及びホイール軸受の中のいずれか一つの回転部を支持する用途に好適である。

上述のように、この発明は、上記構成の採用により、シール部材の芯金の内周縁上から内方へ延びる弾性材製シールリップ部の複数の突起部によって軸受回転時にシール摺動面とシールリップ部間の流体潤滑状態を実現すると共に、シールリップ部の緊迫力を適切にすることができる。

この発明の実施形態に係るシール付軸受のシール部材を示す断面図この発明の実施形態に係るシール付軸受を示す断面図図１に示すシール部材のリップ頭付近の左側面図図２のリップ頭付近の拡大図図４のＶ－Ｖ線の断面図実施形態に係る突起部とシール摺動面間の油膜圧力分布と油膜厚さの計算例を示すグラフ

この発明の一例としての実施形態に係るシール付軸受を添付図面の図１～図６に基づいて説明する。

図２に示すこのシール付軸受は、転がり軸受１と、転がり軸受１の両側に配置された二つのシール部材２と、を備える。

転がり軸受１は、内輪３と、外輪４と、内輪３と外輪４との間に介在する複数の転動体５と、複数の転動体５を保持する保持器６とで構成されている。シール部材２は、転がり軸受１の内部空間７を外部に対して密封する。この密封の目的は、このシール付軸受の周囲である外部の異物が内外輪３、４間の内部空間７に侵入することを抑制して転がり軸受１の早期損傷を防止することであり、内部空間７を液密に密封することではない。

内輪３及び外輪４は、転動体５に対応の軌道面を有する。内輪３は、回転軸Ｓに取り付けられ、回転軸Ｓと一体に回転する。外輪４は、ハウジング、ギア等、回転軸からの荷重を負荷させる部材に取り付けられる。転動体５は、内輪３及び外輪４間に介在しながら公転する。

外輪４の内周の端部に、シール部材２を保持するシール溝８が形成されている。

転動体５として、玉が採用されている。このシール付軸受は、深溝玉軸受となっている。

内部空間７は、外部から供給される潤滑油（図示省略。以下、同じ。）によって潤滑される。潤滑方式としては、例えば、潤滑油をシール付軸受に掛けるはね掛け方式、又はシール付軸受の下部をオイルバスに漬ける油浴方式が挙げられる。初期潤滑剤として内部空間７に適量のグリースが封入されていてもよい。

回転軸Ｓ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、ターボチャージャ及び駆動モータ、並びに工作機械、風力発電機及びホイール軸受の中のいずれか一つの回転部として設けられる。ここで、車両の駆動モータは、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等に動力源として備わる電気モータを意味する。

図２において、シール付軸受１の中心軸（図示省略、以下、同じ。）と、回転軸Ｓの中心軸（図示省略、以下、同じ。）と、シール部材２の中心軸（図示省略、以下、同じ。）は同軸に配置されている。以下、軸方向は、その対象物の中心軸に沿った方向を意味し、径方向は、その対象物の中心軸に直交する方向を意味し、周方向は、その対象物の中心軸を中心として一周する円周に沿った方向を意味する。また、軸方向に転動体から遠ざかる側を軸方向外部側といい、反対に転動体に接近する側を軸方向内部側という。また、径方向に中心軸に近づく側を径方向内側という。軸方向は図２において左右方向に相当し、径方向は図２において上下方向に相当する。

このシール付軸受を囲む外部には、ギアの摩耗粉、クラッチの摩耗粉、微小砕石等、このシール付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シール部材２付近に到達し得る。シール部材２は、外部から内部空間７への異物侵入を抑制するためのものである。

シール部材２は、芯金９と、弾性材１０とからなる。

図１は、シール部材２の製造形状を示す半断面であり、実質的に重力以外の外力が作用しない自然状態でのシール部材２の半断面に相当する。この半断面は、シール部材２の中心軸を一辺に含む仮想平面上の断面である。

図１に示すように、芯金９は、周方向及び軸方向に沿う円筒板部１１と、円筒板部１１の軸方向外部側から径方向内側へ延びる円環板部１２と、円環板部１２から軸方向内部側へ延びる円すい板部１３とからなる。これら円筒板部１１～円すい板部１３は、鋼板等の金属板によって形成されている。鋼板として、例えば、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）が挙げられる。

円筒板部１１の外周は、芯金９の外径を規定する。芯金９の内径を規定する内周縁１４は、円すい板部１３の先端からなり、全周で周方向及び軸方向に沿う平坦面状に形成されている。

シール部材２は、芯金９の円筒板部１１に接着された嵌合部１５と、芯金９の内周縁１４よりも径方向内側に位置するシールリップ部１６と、嵌合部１５とシールリップ部１６とを繋ぐ側面部１７とを有する。これら嵌合部１５～側面部１７は、弾性材１０により形成されている。

弾性材１０の硬さは、６０ＨＳ以上、８０ＨＳ以下である。このショア硬さ（ＨＳ）は、ＪＩＳＫ６３０１「加硫ゴム物理試験方法」に準拠したショア硬さ試験方法での値である。

弾性材１０として、熱硬化性エラストマー及び熱可塑性エラストマーのいずれか一つを使用することができる。熱硬化性エラストマーとして、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等が挙げられる。熱可塑性エラストマーとして、例えば、ポリスチレン系（ＴＰＳ）、オレフィン/アルケン系（ＴＰＯ）、ポリアミド系（ＴＰＡＥ）等が挙げられる。

図２に示すように、内輪３の外周には、シールリップ部１６に対して周方向に摺動するシール摺動面１８が形成されている。シール摺動面１８は、全周で周方向に沿う円筒面状になっている。

図１に示すシール部材２の嵌合部１５の外周縁は、シール部材２の外径を規定する。嵌合部１５を図２に示すシール溝８に圧入することにより、シール部材２が外輪４に取り付けられる。

図１に示すように、シールリップ部１６は、径方向に延びる腰１９と、腰１９から径方向内側に向かって軸方向外部側へ傾いた方向に延びるリップ頭２０と、腰１９と芯金９の内周縁１４との間に連続するヒール２１とからなる。

腰１９は、全周で周方向及び径方向に沿う円環状に形成されている。したがって、腰１９は、一定の厚さに形成されている。

ヒール２１は、芯金９の内周縁１４に接着されており、芯金９の内周縁１４に近くなる程に厚くなり、芯金９の軸方向内部側と軸方向外部側に接着された側面部１７に連続している。

図３は、図１のシールリップ部１６の軸方向内部側の側面を示す。図１、図３に示すように、リップ頭２０は、周方向全周に形成された中実部２２と、中実部２２からシール摺動面１８側へ突き出た複数の突起部２３とからなる。

中実部２２の軸方向外部側の側面は、全周で腰１９に対して軸方向外部側に位置する。中実部２２の軸方向内部側の側面は、中実部２２の先端から腰１９の軸方向内部側の側面まで連続する。中実部２２の先端は、シールリップ部１６のリップ先端に含まれる。このリップ先端は、シールリップ部１６の軸方向内部側の側面と軸方向外部側の側面との境界である。

突起部２３は、中実部２２の軸方向内部側の側面に対する法線方向に突き出ている。複数の突起部２３は、周方向に並んでいる。複数の突起部２３の周方向ピッチは一定になっている。突起部２３は、その全長に亘って周方向と直交する方向に延びている。中実部２２に対する突起部２３の突出高さは、シール摺動面１８と摺動し得る部位において一定になっている。シールリップ部１６の全体的な形状は、突起部２３のピッチに対応した回転対称形になっている。

シールリップ部１６とシール摺動面１８との間に径方向の締め代が設定されている。シール部材２を図２に示す状態となるように外輪４に取り付ける際、シールリップ部１６は、複数の突起部２３からシール摺動面１８に押し付けられて、図４に示すように腰１９からリップ頭２０が撓む。この弾性変形により、シールリップ部１６は、シール摺動面１８を締める方向の緊迫力を生む。シール部材２の取り付け誤差、製造誤差等は、シールリップ部１６の撓み具合の変化によって吸収される。

図５は、図４のＶ－Ｖ線の切断面を示す。この切断面は、軸方向に直角な仮想平面上の断面である。図５に示すように、突起部２３の断面形状は、曲率半径ｒの半円状に形成されている。シール部材２の取り付け時、複数の突起部２３は、シール摺動面１８に接触し、シールリップ部１６の緊迫力に抗して突っ張る。このとき、シールリップ部１６の全周部の弾性変形で生じる緊迫力の作用により、シール摺動面１８に向けて押される突起部２３は、その頂上部において僅かに圧縮され、中実部２２は、僅かにシール摺動面１８へ接近する側に撓むもシール摺動面１８と非接触の状態に配置される。周方向に隣り合う突起部２３同士の間かつシール摺動面１８と中実部２２との間には、内部空間７と外部に連通する隙間２４が生じさせられる。軸受回転時、シールリップ部１６は、複数の突起部２３上でのみシール摺動面１８と摺動する。

突起部２３は、シール摺動面１８との間に隙間２４側で大、当該突起部２３側で小となるくさび状隙間を形成する。また、突起部２３とシール摺動面１８の弾性接触域は、突起部２３の弾性変形により、図４に示すように軸方向に有限長Ｌ（ただしＬは誇張して図示している）で生じる。軸受回転時、シールリップ部１６とシール摺動面１８は、周方向に相対回転する。突起部２３とシール摺動面１８の弾性接触域においては、突起部２３が隙間２４内の潤滑油（図５においてシール摺動面１８が右回りに回転するときの潤滑油：Ｏｉｌの流れを模式的に矢線で例示する。）をシール摺動面１８との間に周方向に引き摺り込む際のくさび効果によって油膜形成が促進され、突起部２３とシール摺動面１８との間に介在する油膜厚さが厚くなる。

軸受停止時や軸受回転速度が一定未満のとき、微視的には、突起部２３とシール摺動面１８の弾性接触域に固体接触領域が含まれており、その潤滑モードは境界潤滑又は混合潤滑である。突起部２３とシール摺動面１８の相対回転の周速が一定以上になると、突起部２３とシール摺動面１８間の油膜厚さは、突起部２３とシール摺動面１８間の合成粗さσを余裕で上回り、各突起部２３とシール摺動面１８が油膜で完全に分離させられた流体潤滑状態になる。これにより、シールリップ部１６とシール摺動面１８間を油膜で完全に分離させた流体潤滑状態にすることができる。このような流体潤滑状態になれば、シール部材２によるシールトルクを非接触式のシールと同等まで低減し、ひいてはシール付軸受の温度上昇を抑制し、シールリップ部１６の吸着作用を防止することができる。

例えば、車両のトランスミッション内の回転部を支持する用途では、一般に、跳ねかけ、オイルバス等の適宜の方式でシール付軸受に給油される。その潤滑油は、トランスミッション内に存在するギア等の他の潤滑部分でも共通に用いられ、オイルポンプで循環されており、その循環経路に設けられたオイルフィルタによって濾過される。粒径０．０５ｍｍを超える大きさの異物侵入は軸受寿命に悪影響を及ぼすと考えられる。隙間２４を生じさせるための突起部２３の高さＨ（図５参照）を０．０７ｍｍ以下に設定すれば、そのような大きな異物が隙間２４を容易に通過できない。突起部２３の高さＨが０．０７ｍｍ以下の場合、例えば、周方向に隣り合う突起部２３同士の間隔を０．３ｍｍ以上２．６ｍｍ以下、突起部２３の周方向幅Ｗを０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、かつ突起部２３の表面の曲率半径ｒを０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の範囲に設定することができる。この設定例では、その油温３０～１２０℃、シールリップ部１６とシール摺動面１８の相対的な周速が０．２ｍ／ｓ以上の場合に、計算上、Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ－Ｊｏｈｎｓｏｎの決めた無次元数である粘性パラメータｇｖと弾性パラメータｇｅに基づく潤滑領域図（Ｊｏｈｎｓｏｎチャート）において等粘度-剛体領域（Ｒ－Ｉモード）又は等粘度-弾性体領域（Ｅ－Ｉモード，ソフトＥＨＬ）のいずれかの潤滑モード、すなわち前述の流体潤滑状態になると考えられる。なお、突起部２３の高さ、間隔、幅等を前述の設定例の数値範囲よりも小さくしても流体潤滑状態を実現することは可能だが、潤滑油の引き摺りせん断抵抗が増えて低トルク性に不利となり、また、突起部２３を成形するための転写面をエンドミル加工で金型に形成することが困難になる。

油膜パラメータΛ≧３であれば、流体潤滑状態であると考えられる。油膜パラメータΛは、突起部２３とシール摺動面１８の弾性接触域（弾性流体潤滑理論における接触楕円）での最小の油膜厚さｈに対する合成粗さσの比であり、Λ＝ｈ／σである。

合成粗さσ＝√（Ｒｑ₁ ^２＋Ｒｑ₂ ^２）である。Ｒｑ_１は、シール摺動面１８の二乗平均平方根粗さである。Ｒｑ_２は、突起部２３の表面における二乗平均平方根粗さである。ここで、二乗平均平方根粗さは、ＪＩＳ（Ｂ０６０１：２０１３）に規定された二乗平均平方根粗さＲｑの値（μｍ）である。

前述のエラストマー製の突起部２３と、鋼製の軌道輪に形成されたシール摺動面１８との合成粗さσは、一般に、１μｍよりも十分に小さい値となる。合成粗さσは、例えば、突起部２３の成形時に得られる表面粗さ性状とシール摺動面１８の研削仕上げ時に得られる表面粗さ性状により、０．２２μｍ程度にすることが可能である。

油膜厚さｈは、弾性流体潤滑理論に基づいて求められる。突起部２３とシール摺動面１８間の油膜圧力ｐの分布と油膜厚さｈの関係は、図６に示すグラフのような傾向となる。図６のグラフから明らかなように、最小の油膜厚さｈは、接触楕円内に生じる圧力スパイクのところ（図６の計算例においてはｘ＝０付近）で最小になる。

なお、同図の横軸に示す流れ方向ｘは周方向に相当し、横軸の原点０の位置は接触楕円の中心に相当する。また、同図のグラフに示す計算結果は、図１に示す弾性材１０がアクリルゴム、シール摺動面１８の直径が６４ｍｍ、自然状態の突起部２３の半円状を規定する曲率半径が１．５ｍｍ、自然状態の突起部２３の中実部２２からの高さが４０μｍ、突起部２３の総数が１８０個のモデルにおいて、潤滑油の動粘度（４０℃）が２６ｍｍ^２／ｓ、軸受回転速度が１５００ｒｐｍのときを想定している。この計算は、シール部材２の全体の弾性変形と潤滑油の流体圧力とを連成させて解くソフトＥＨＬ解析により行った。

図２に示す転がり軸受１が回転するとき、図４、図５に示すシールリップ部１６の緊迫力は圧力スパイクの箇所に作用する。圧力スパイクと緊迫力の比率Ｒ≦１である場合、緊迫力が圧力スパイクに勝り、油膜の形成が不十分となり、突起部２３とシール摺動面１８の固体接触が生じてしまう。一方、比率Ｒ＞１が成立する場合、圧力スパイクが緊迫力に勝るので、突起部２３とシール摺動面１８を油膜で完全に分離させることが可能である。

ここで、圧力スパイクと緊迫力の比率Ｒは、圧力スパイク（ＭＰａ）／接触楕円の面積（ｍｍ^２）の値（Ｎ）を求め、これを緊迫力（Ｎ）で除算した値である。

その緊迫力は、シールリップ部１６における弾性変形で発生する。そのゴム弾性変形は、図１に示す断面における各部の高さＡ～Ｃ、腰１９の厚さＤ、中実部２２の内径Ｅ、及び中実部２２とシール摺動面１８間に設定された締め代Ｆに依存する。

ここで、芯金９の高さＡは、芯金９の外径を規定する外周縁から内径を規定する内周縁１４までの高さである。高さＡは、芯金９の外径と内径との差分の１／２の寸法に相当する。高さＢは、シール部材２の外径から中実部２２のリップ先端上までの高さである。高さＢは、シール部材２の外径と中実部２２の内径Ｅとの差分の１／２の寸法に相当する。中実部２２の内径Ｅは、中実部２２のリップ先端上に径方向に内接する仮想円の直径である。高さＣは、芯金９の内径を規定する内周縁１４から中実部２２のリップ先端上までの高さである。高さＣは、芯金９の内径と中実部２２の内径Ｅとの差分の１／２の寸法に相当する。腰１９の厚さＤは、腰１９の軸方向外部側の側面から軸方向内部側の側面までの厚さである。締め代Ｆは、シール摺動面１８の直径（中実部２２と軸方向に重なる部位での直径）と中実部２２の内径Ｅとの差分である。

比率Ａ／Ｂは、シール部材２の全周部の総高さに占める芯金９の高さの配分を示す。比率Ｃ／Ｂは、シール部材２の全周部の総高さに占めるシールリップ部１６の全周部の高さの配分を示す。比率Ｆ／（Ｅ／２）は、締め代Ｆが中実部２２の高さに占める配分を示す。シールリップ部１６の全周部の高さと、緊迫力に耐える芯金９の強度と、締め代Ｆの配分がシールリップ部１６の弾性変形に影響するので、緊迫力は、比率Ａ／Ｂ、比率Ｃ／Ｂ、及び比率Ｆ／（Ｅ／２）に依存する。特に、緊迫力に影響する腰１９からリップ頭２０にかけての撓み変形は、腰１９の厚さとシールリップ部１６の全周部の高さの比である比率Ｄ／Ｃと、比率Ｆ／（Ｅ／２）に依存する。

シールリップ部１６の材料として通常使用される前述の熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー等であって６０ＨＳ～８０ＨＳの硬さである弾性材１０を前提とする場合、０．５０＜Ａ／Ｂ＜０．８０かつ０．１０＜Ｃ／Ｂ＜０．３１かつ０．０５＜Ｄ／Ｃ＜０．２２かつ０．００２＜Ｆ／（Ｅ／２）＜０．０２０を満足することにより、芯金９の強度と、締め代Ｆによるシールリップ部１６の弾性変形を適切にして、１＜Ｒを成立させることができる。

ここで、前述の寸法Ａ～Ｆに基づくＡ／Ｂ、Ｃ／Ｂ、Ｄ／Ｃ、及びＦ／（Ｅ／２）の数値範囲から、緊迫力が小さくなる側に外れた場合と、緊迫力が大きくなる側に外れた場合とを考える。緊迫力が小さくなる側に寸法が外れた場合は、比較的問題が少ないが、極端に外れて緊迫力が極小になると、シール性が低下する。一方、緊迫力が大きくなる側に寸法が外れた場合は、圧力スパイクよりも緊迫力が勝る状態から、１＜Ｒが成立するまで（流体潤滑になるまで）の回転数（周速）が上昇してしまい、例えば、アイドリングストップ機能を有する車両だと、停車の度にエンジン回転数が０ｒｐｍになるため、そこからアイドリング回転（例えば７００ｒｐｍ）になるまで流体潤滑にならない可能性がある。

比率Ａ／Ｂは、シール部材２の全周部の総高さにおいて芯金９が占める比率なので、緊迫力の大きさに影響する要素であるシールリップ部１６の剛性に関係がある。適切な緊迫力を得るため、比率Ａ／Ｂについては、０．５４＜Ａ／Ｂ＜０．７７を満足することが好ましく、より好ましくは０．５７＜Ａ／Ｂ＜０．７４を満足するとよい。

比率Ｃ／Ｂは、シールリップ部１６の腰１９の長さを示す比率なので、これもシールリップ部１６の剛性に関係がある。適切な緊迫力を得るため、比率Ｃ／Ｂについては、０．１３＜Ｃ／Ｂ＜０．３０を満足することが好ましく、より好ましくは０．１６＜Ｃ／Ｂ＜０．２９を満足するとよい。

比率Ｄ／Ｃは、シールリップ部１６の腰１９の厚さと腰１９の長さの比率なので、シールリップ部１６の剛性に関係がある。適切な緊迫力を得るため、比率Ｄ／Ｃについては、０．０６＜Ｄ／Ｃ＜０．２１を満足することが好ましく、より好ましくは０．０７＜Ｄ／Ｃ＜０．２０を満足するとよい。

比率Ｆ／（Ｅ／２）は、締め代を示す比率なので、シール性に関係がある。適切なシール性を得るため、比率Ｆ／（Ｅ／２）については、０．００３＜Ｆ／（Ｅ／２）＜０．０１５を満足することが好ましく、より好ましくは０．００４４＜Ｆ／（Ｅ／２）＜０．０１３６を満足するとよい。

前述の比率Ａ／Ｂ、比率Ｃ／Ｂ、比率Ｄ／Ｃ、比率Ｆ／（Ｅ／２）の好ましい数値範囲については適宜に全部又は複数を組み合わせて採用してもよい。

図６例の計算で想定したモデルは、前述の比率Ａ／Ｂ、比率Ｃ／Ｂ、比率Ｄ／Ｃ、比率Ｆ／（Ｅ／２）の各数値範囲を満足するものである。図６例の計算条件のとき、その接触楕円の面積は０．０３５ｍｍ^２（短軸長さ０．１５ｍｍ、長軸長さ０．３ｍｍ）となり、圧力スパイクは約０．２１ＭＰａとなり、圧力スパイク／接触楕円の面積の値は約５．９４Ｎとなり、緊迫力は約０．２１Ｎとなった。つまり、図６例の計算条件のときの比率Ｒは約３０倍である。図６例の計算条件における比率Ｒの値は、想定モデルでの中央値的な値である。温度、流れの速度等の条件が異なれば、圧力スパイクは比較的大きく変化する一方、シールリップ部の全周部の弾性変形に依存する緊迫力はさほど変化しないため、圧力スパイクの変化に伴って比率Ｒは変化し、最小で約２１倍、最大で約４５倍となる。比率Ｒが４５倍のときでも、図４、図５に示すシールリップ部１６の全周部の弾性変形はシール摺動面１８から遠ざかる方向において少なく、異物侵入防止性の観点から問題となる程の隙間２４の拡大は生じない。

圧力スパイクと緊迫力の比率Ｒは、緊迫力を小さく設定する程、大きくなり、緊迫力を大きく設定する程、小さくなる。緊迫力を小さくする程、流体潤滑状態に遷移し易くなりかつ潤滑油の引き摺りせん断抵抗が小さくなるので低トルク性が良好になる反面、シールリップ部１６がシール摺動面１８から遠ざかる方へ浮き易くなるので、所定粒径を超える異物の内部空間７への侵入が起こり易くなる。緊迫力を大きくする程、シールリップ部１６の浮きを防止することは可能だが、低トルク性を損ねることになる。許容する比率Ｒの上限を過大に設定すると、低トルク性及び異物侵入防止性を両立させる上で緊迫力を過小に設定することになる。図６例のモデルで示された比率Ｒの変化範囲を踏まえると、比率Ｒの上限を４５倍とすれば、低トルク性及び異物侵入防止性を両立させる観点から適切な緊迫力と考えられる。

比率Ｒは２１．１＜Ｒ＜４４．９を満足することが好ましい。この比率Ｒの数値範囲は、図１に示す各寸法Ａ～Ｆの公差の二乗平均から算出した値である。これにより、シール部材２の量産性と緊迫力の適切化の両立を図ることができる。比率Ｒの下限を２１．１とすることにより、量産下で１＜Ｒを確実に成立させつつ、緊迫力の過大設定を避けて良好な低トルク性を得ることができる（以下、適宜、図１～図５参照のこと。）。

実施形態に係るシール付軸受は、上述のようなものであり、芯金９と弾性材１０とで構成されたシール部材２と、シール部材２に対して周方向に摺動するシール摺動面１８とを備え、シール部材２が径方向に延びる腰１９と、腰１９から径方向内側に向かって外部側へ傾いた方向に延びるリップ頭２０とを含む弾性材１０製のシールリップ部１６を有し、リップ頭２０が周方向全周に形成された中実部２２と、中実部２２からシール摺動面１８側へ突き出た複数の突起部２３とからなり、複数の突起部２３が周方向に隣り合う突起部２３同士の間に隙間２４を生じさせ、かつ軸受回転に伴って隙間２４から突起部２３とシール摺動面１８間に引き摺り込まれる潤滑油の油膜によってシールリップ部１６及びシール摺動面１８間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で形成されているものであって、特に、芯金９の高さをＡとし、シール部材２の外径から中実部２２のリップ先端上までの高さをＢとし、芯金９の内径を規定する内周縁１４から中実部２２のリップ先端上までの高さをＣとし、腰１９の厚さをＤとし、中実部２２のリップ先端上での内径をＥとし、中実部２２とシール摺動面１８間に設定された締め代をＦとし、前記引き摺り込まれる潤滑油の圧力スパイクと緊迫力の比率をＲとして、０．５０＜Ａ／Ｂ＜０．８０かつ０．１０＜Ｃ／Ｂ＜０．３１かつ０．０５＜Ｄ／Ｃ＜０．２２かつ０．００２＜Ｆ／（Ｅ／２）＜０．０２０かつ１＜Ｒを満足することにより、シール部材２の芯金９の内周縁１４上から内方へ延びる弾性材１０製シールリップ部１６の複数の突起部２３によって転がり軸受１の回転時にシール摺動面１８とシールリップ部１６間の流体潤滑状態を実現すると共に、シールリップ部１６の緊迫力を適切にすることができる。

また、実施形態に係るシール付軸受は、弾性材１０の硬さが６０ＨＳ以上、８０ＨＳ以下であることにより、シールリップ部を形成する弾性材として一般的な材料を用いて緊迫力を適切化することができる。

また、実施形態に係るシール付軸受は、圧力スパイクと緊迫力の比率Ｒが２１．１＜Ｒ＜４４．９を満足することにより、量産性と緊迫力の適切化の両立を図ることができる。

なお、この実施形態では、シールリップ部１６がラジアルリップである例を示したが、この発明は、アキシアルリップに変更することも可能である。ここで、ラジアルリップは、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部のことをいい、アキシアルリップは、軸方向に対して４５°を超える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部のことをいう。

また、この実施形態では、内輪回転のラジアル玉軸受を例示したが、この発明は、外輪回転の軸受、スラスト軸受、ころ軸受等の適宜の形式にも適用することも可能である。

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転がり軸受
２シール部材
３内輪
４外輪
７内部空間
９芯金
１０弾性材
１４内周縁
１５嵌合部
１６シールリップ部
１８シール摺動面
１９腰
２０リップ頭
２２中実部
２３突起部
２４隙間

Claims

芯金と弾性材とで構成されたシール部材と、前記シール部材に対して周方向に摺動するシール摺動面とを備え、
前記シール部材は、径方向に延びる腰と、前記腰から径方向内側に向かって外部側へ傾いた方向に延びるリップ頭とを含む弾性材製のシールリップ部を有し、前記リップ頭は、周方向全周に形成された中実部と、前記中実部からシール摺動面側へ突き出た複数の突起部とからなり、前記複数の突起部は、周方向に隣り合う前記突起部同士の間に隙間を生じさせ、かつ軸受回転に伴って前記隙間から前記突起部と前記シール摺動面間に引き摺り込まれる潤滑油の油膜によって前記シールリップ部及び前記シール摺動面間を流体潤滑状態にすることが可能な態様で形成されているシール付軸受において、
前記弾性材として熱硬化性エラストマー及び熱可塑性エラストマーのいずれかが使用されており、
前記弾性材の硬さは６０ＨＳ以上、８０ＨＳ以下であり、
前記芯金の高さをＡとし、前記シール部材の外径から前記中実部のリップ先端上までの高さをＢとし、前記芯金の内径を規定する内周縁から前記中実部のリップ先端上までの高さをＣとし、前記腰の厚さをＤとし、前記中実部のリップ先端上での内径をＥとし、前記中実部と前記シール摺動面間に設定された締め代をＦとし、（前記引き摺り込まれる潤滑油の圧力スパイク／接触楕円の面積）と緊迫力の比率をＲとして、０．５０＜Ａ／Ｂ＜０．８０かつ０．１０＜Ｃ／Ｂ＜０．３１かつ０．０５＜Ｄ／Ｃ＜０．２２かつ０．００２＜Ｆ／（Ｅ／２）＜０．０２０かつ２１．１＜Ｒ＜４４．９を満足することを特徴とするシール付軸受。
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、ターボチャージャ及び駆動モータ、並びに工作機械、風力発電機及びホイール軸受の中のいずれか一つの回転部を支持する請求項１に記載のシール付軸受。