WO2005119106A1

WO2005119106A1 - シール構造及び十字軸継手

Info

Publication number: WO2005119106A1
Application number: PCT/JP2005/009617
Authority: WO
Inventors: Koichiro Mizuno; Koji Kawaguchi; Tomotaka Nakagawa
Original assignee: Jtekt Corporation
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2005-12-15
Also published as: US20090026714A1; US8182350B2

Abstract

　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。

Description

シール構造及び十字軸継手

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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、タイヤ力飛び散る泥水や、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。ベアリングカツプ 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。 ) o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。

[0003] 図 14は、図 13の XIV部の拡大図である（同様の構造は、例えば特開 2002— 1065 94号公報、実開昭 53— 88646号公報及び特開平 11 223223号公報参照。 ) ₀ 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ヽる。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。

[0004] 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。

[0005] 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をヨークの孔に揷入した後、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、締め代とは関係なぐストレート部 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。

[0006] 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力なり違ってくる。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。

発明の開示

[0007] 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つても、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。

[0008] 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力なるシールと、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力押し当てられた複数の筒状のアキシャルリップ力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。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。

[0009] 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力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力押し当てられたアキシャルリップ力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。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。

[0010] 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力軸方向に延び出た複数の筒状のアキシャルリップのみ力も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力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。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。

[0011] 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力も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ぉヽては、略 45度傾斜したネック斜面部に対してその中心軸方向力押し当てられたアキシャルリップ力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。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。

[0012] また、上記十字軸継手において、シールは、自由な状態における最内周のリップ内径が軌道部の外径より大き、ことが好ま、。

この場合、ベアリングカップを軌道部に装着する際、軌道部に干渉するリップが存在しないので、リップの反転を生じることがない。従って、シール性能を損なうことなくリップの反転を防止する構造を備えた十字軸継手を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]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 2]図 1の II部の拡大図である。

[図 3]図 1の十字軸継手におけるシール単体の正面図である。

[図 4]上記シールの背面図である。

[図 5]上記シールの側面図である。

[図 6]上記シールの、図 3における VI— VI線断面図である。

[図 7]上記シールの正面側の斜視図である。

[図 8]上記シールの背面側の斜視図である。

[図 9]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 10]図 9の (i)〜(vii)に対応する aZ (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。

[図 11]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 12]図 11の (i)〜(v)に対応する aZ (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。

[図 13]従来の十字軸継手を示す正面図（一部断面図）である。

[図 14]図 13の XIV部の拡大図である。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 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軸力もなる十字軸 2は、 4つの軌道部 21を有し、各軌道部 21にべアリングカップ 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。 ) ₀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。

[0015] 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を径方向外方カゝ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ぐ 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。

[0016] 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が荷重の力かる軌道部 21に接近し、かつ、その曲率半径が大きくなつたこと等により、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。

[0017] 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 4 1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力実際には十字軸 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。

[0018] 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。各リツプ 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 (最内周のリップ内径) 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) Z2)はごく僅かなものではなぐ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。

[0019] 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をヨークの孔に揷入した後、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。他方のョ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、ベアリング力ップ 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。従って、第 2アキシャルリップ 422の先端が反転する（まくれる）ことはなぐまた、反転したままベアリングカップ 3を押し込んでしまう恐れがない。すなわち、リップの反転を確実に防止することができる。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。

[0020] 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 X cos45° )は、 Frの大きさ（Fの大きさ X 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、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つて、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ぐそれによりシール性能の安定ィ匕に寄与すると考えられる。

[0021] 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、（0が最も小さぐ以下順に増加し、（vii)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。

[0022] 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 (i)〜(vii)に対応する aZ (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力図 10のグラフである。図中、横線は aZ (a+b) =0. 5のラインである。図示のように、各プロット点の aZ (a + b)は 0. 5より小さく、かつ、締め代が変化しても aZ (a + b )の値はあまり変ィ匕しない。

[0023] 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 aZ (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 aZ (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、 aZ (a + b)が 0. 5より大きいときは、外部力も流体 (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。

[0024] 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 aZ (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 (aZ (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力 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、。

[0025] なお、従来の十字軸継手（図 14)では、軌道部 21にベアリングカップ 3を装着する際、ラジアルリップ 43rが軌道部 21に干渉し、その結果、ベアリングカップ 3を押し込む方向とは反対側にラジアルリップ 43rが反転する（まくれる）場合がある。このように反転した状態ではラジアルリップ 43rの所望のシール性能は得られな、。このような反転は、ラジアルリップ 43rの剛性を高めれば防止することができる力その場合、高い剛性によってシール性能が若干損なわれる。

し力しながら、本実施形態の十字軸継手によれば、径方向外方から軌道部 21に押し当てられるラジアルリップなしでも、ネック斜面部 221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 421, 422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。また、最内周のリップ内径 D2は軌道部の外径 D1より大きいので、ベアリングカップ 3を軌道部 21に装着する際、軌道部 21に干渉するリップが存在しない。従って、「リップの反転」を生じることはない。こうして、シール性能を損なうことなくリップの反転を防止するシール構造を備えた十字軸継手を提供することができる。

[0026] 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解析を行つた結果を示すグラフである。（i)〜(v)の締め代は、図 9における (0〜(： V)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 aZ (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 aZ (a + b)の値の変化が大きい。また、締め代によって、 aZ (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 (0及び GO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、（V)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力つている。従って、従来例では、締め代 (m)及び Gv)のときしか、シール性能が確保されなヽことになる。

これに対して、本実施形態では図 9の G)〜(vii)のすベ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①〜 (V)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、摩擦抵抗が小さぐ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ぐ例えば、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。

Claims

請求の範囲

[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力もなるシールと、

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ノレリップからなるシーノレと

を備えたことを特徴とする十字軸継手。

[5] 前記シールは、自由な状態における最内周のリップ内径が前記軌道部の外径より大き!ヽ請求項 3記載の十字軸継手。