特開 2023-164018 運動用シール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023164018

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】運動用シール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/447 20060101AFI20231102BHJP

   F16C 33/80 20060101ALI20231102BHJP

   F16C 33/78 20060101ALI20231102BHJP

   F16J 15/3204 20160101ALI20231102BHJP

【ＦＩ】

F16J15/447

F16C33/80

F16C33/78

F16J15/3204 201

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022075311

(22)【出願日】2022-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】000211695

【氏名又は名称】中西金属工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100177264

【弁理士】

【氏名又は名称】柳野 嘉秀

(74)【代理人】

【識別番号】100074561

【弁理士】

【氏名又は名称】柳野 隆生

(74)【代理人】

【識別番号】100124925

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 則夫

(74)【代理人】

【識別番号】100141874

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 久由

(74)【代理人】

【識別番号】100163577

【弁理士】

【氏名又は名称】中川 正人

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 孝彦

(72)【発明者】

【氏名】飯澤 佑亮

【テーマコード（参考）】

3J006

3J042

3J216

【Ｆターム（参考）】

3J006AE12

3J006AE15

3J006AE30

3J006AE34

3J006AE41

3J006CA01

3J042AA09

3J042CA10

3J042CA12

3J042CA18

3J216AA01

3J216AB01

3J216AB31

3J216BA13

3J216BA16

3J216CA01

3J216CB06

3J216CB12

3J216CB13

3J216CC03

3J216CC27

3J216CC35

3J216CC68

3J216DA01

3J216DA11

(57)【要約】

【課題】回転する径方向内方部材に取り付けて使用する運動用シールにおいて、前記径方向内方部材が高速で回転しても破損しない運動用シールを提供する。
【解決手段】芯金２よりも径方向外方ＲＯに、弾性体である膜状部５及び周辺錘部６を有する。自由状態で、膜状部５は、径方向外方部材の側面９Ａに向かう方向へ傾斜する。自由状態で、膜状部５の基端部５Ａの厚み方向中点Ａからなる第１の円Ｃ１を上面の円とし、膜状部５の先端部５Ｂの厚み方向中点Ｂからなる第２の円Ｃ２を底面の円とする円錐台ＴＣにおいて、円錐台ＴＣの側面Ｅを延長した面Ｆ内に、周辺錘部６の、軸方向及び径方向Ｒを含む平面で切断した断面形状における重心Ｇがある。運動用シール１は、径方向内方部材の回転速度が所定値以下である場合は接触シールであり、径方向内方部材の回転速度が所定値よりも大きい場合は非接触シールになる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

径方向内方部材と径方向外方部材との間の環状開口を塞ぐ、回転する前記径方向内方部材に取り付けて使用する運動用シールであって、
円環状の芯金に弾性体を被覆したものであり、
前記芯金よりも径方向外方に、前記弾性体である膜状部及び周辺錘部を有し、
前記膜状部は円環状であり、前記膜状部の径方向外方に、シールリップとなる前記周辺錘部が位置し、
自由状態で、前記膜状部は、前記径方向外方部材の略径方向へ延びる側面に向かう方向へ傾斜し、
自由状態で、前記膜状部の基端部の厚み方向中点からなる第１の円を上面の円とし、前記膜状部の先端部の厚み方向中点からなる第２の円を底面の円とする円錐台において、
前記円錐台の側面を延長した面内又は前記延長した面の近傍に、
前記周辺錘部の、軸方向及び径方向を含む平面で切断した断面形状における重心があり、
前記径方向内方部材に取り付けた際には、前記周辺錘部の側面が前記径方向外方部材の前記側面に当接した状態となり、
前記径方向内方部材の回転速度が所定値よりも大きくなると、前記周辺錘部に作用する遠心力により、前記周辺錘部の前記側面が前記径方向外方部材の前記側面から離間した状態となる、
運動用シール。

【請求項2】

自由状態で、前記膜状部の前記基端部の厚み方向中点と前記膜状部の前記先端部の厚み方向中点との距離は、前記膜状部の厚みの２～５倍である、
請求項１に記載の運動用シール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、径方向内方部材と径方向外方部材との間の環状開口を塞ぐ運動用シールに関わり、さらに詳しくは、回転する径方向内方部材に取り付けて使用する運動用シールに関する。

【背景技術】

【0002】

径方向内方部材と径方向外方部材との間の環状開口を塞ぐ運動用シールとして、回転する径方向内方部材に取り付けて使用するものがある（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１の運動用シールは、例えば、転がり軸受の回転する内輪２に取り付けて使用するものであり、可撓部６を介して内輪２と接続されたシール部５を有し、シール部５の先端にはシールリップ４が形成されている。シールリップ４は、転がり軸受の外輪１の側部に取り付けられた金属製のリング板に形成されたシール面７に接触する。

【0004】

特許文献１の運動用シールにおいて、シール部５の重心とシールリップ４は、可撓部６に対して軸方向で同じ側にずれた位置にある。内輪２及び前記運動用シールの回転に基づきシール部５に働く遠心力Ｃによる曲げモーメントは、シール部５の重心に対して、シールリップ４をシール面７から離す方向Ｍに作用する。それにより、シールリップ４のシール面７への接触力を小さくし、シールリップ４が許容されないような温度にまで昇温してしまうことを回避している。

【0005】

また関連技術として、径方向内方部材ではなく、回転する径方向外方部材に取り付けて、遠心力により回転トルク及び昇温を防ぐ構造の運動用シールも従来からあった。（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開昭６３－１３５６５８号公報

【特許文献2】特開２０１０－２６５９６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

以上のような特許文献１の運動用シールは、自動調心ころ軸受に好適なものであり、産業機械用ころ軸受であるので、一般に高速回転用ではない。特許文献１の運動用シールを高速回転する転がり玉軸受に使用した場合、シール部５に働く遠心力Ｃによる曲げモーメントが大きくなって必要以上の変形が生じ、可撓部６に発生する応力が過大になって破損するおそれがある。

【0008】

その上、特許文献１の運動用シールは、シール面７を形成するために、金属製のリング板を外輪１に取り付ける必要があるので、その分の製造コストが嵩む。

【0009】

また、関連技術として提示した径方向外方部材に取り付ける特許文献２の運動用シールは、遠心力の軸方向分力が外側に作用するように、先端部のシールリップの重心位置は、括れ部の中央位置から外れた外側に位置する形状としている。回転速度が速くなるとシールリップが内輪から離間し、より高速回転となるとシール本体に形成した当止部にリップが当止してリップのばたつきを抑える構造であるが、リップが弾性体に接触することにより、リップの摩耗や破損の問題がある。

【0010】

本発明は、回転する径方向内方部材に取り付けて使用する運動用シールにおいて、前記径方向内方部材の直径が例えば２０ｍｍ～６０ｍｍの場合、１２，０００ｒｐｍ以上の高速回転でも破損しない運動用シールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る運動シールは、径方向内方部材と径方向外方部材との間の環状開口を塞ぐ、回転する前記径方向内方部材に取り付けて使用する運動用シールである。円環状の芯金に弾性体を被覆したものであり、前記芯金よりも径方向外方に、前記弾性体である膜状部及び周辺錘部を有する。前記膜状部は円環状であり、前記膜状部の径方向外方に、シールリップとなる前記周辺錘部が位置する。自由状態で、前記膜状部は、前記径方向外方部材の略径方向へ延びる側面に向かう方向へ傾斜する。自由状態で、前記膜状部の基端部の厚み方向中点からなる第１の円を上面の円とし、前記膜状部の先端部の厚み方向中点からなる第２の円を底面の円とする円錐台において、前記円錐台の側面を延長した面内又は前記延長した面の近傍に、前記周辺錘部の、軸方向及び径方向を含む平面で切断した断面形状における重心がある。前記径方向内方部材に取り付けた際には、前記周辺錘部の側面が前記径方向外方部材の前記側面に当接した状態となる。前記径方向内方部材の回転速度が所定値よりも大きくなると、前記周辺錘部に作用する遠心力により、前記周辺錘部の前記側面が前記径方向外方部材の前記側面から離間した状態となる。

【0012】

ここで、自由状態で、前記膜状部の前記基端部の厚み方向中点と前記膜状部の前記先端部の厚み方向中点との距離は、前記膜状部の厚みの２～５倍であるのが好ましい実施態様である。

【0013】

このような運動シールの構成によれば、運動用シールを取り付けた径方向内方部材の回転速度が所定値以下である場合は、膜状部の形態が「皿ばね座金」状であり、弾性体であるシールリップとなる周辺錘部の側面が径方向外方部材の略径方向へ延びる側面を摺動する接触シールである。前記回転速度が所定値よりも大きくなると、前記周辺錘部に作用する遠心力により、前記膜状部の形態が「平座金」状となり、前記周辺錘部の側面が径方向外方部材の前記側面から離間した状態となるので、非接触シールになる。したがって、前記径方向内方部材の回転速度が高速になっても、前記シールリップとなる周辺錘部のトルクが増大してリップ部の許容応力を超えることがないので、前記弾性体が破損しない。

【0014】

また、前記径方向内方部材の回転速度がより高速となっても、前記膜状部の形態は「平座金」状のままであり、その形態が遠心力により保持されて安定することから、運動シールの弾性体が不必要に大きく変形をすることがなく、過大な応力が発生しないので、前記弾性体が破損しない。

【0015】

さらに、前記径方向内方部材の回転速度が所定値よりも大きくなって運動用シールが非接触シールになった状態では、前記周辺錘部が前記径方向外方部材の前記側面に摺動しないことから、摩擦トルクが大幅に小さくなる。

【発明の効果】

【0016】

以上のように、本発明に係る運動シールによれば、回転する径方向内方部材に取り付けて使用する運動用シールにおいて、前記径方向内方部材が高速で回転しても破損しない。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態に係る運動シールの使用状態の一例を示す縦断面端面図である。

【図2】前記運動用シールの自由状態を示す要部拡大縦断面端面図である。

【図3】前記運動用シールの使用状態で径方向内方部材の回転速度が小さい場合を示す要部拡大縦断面端面図である。

【図4】前記運動用シールの使用状態で径方向内方部材の回転速度が大きい場合を示す要部拡大縦断面端面図である。

【図5】前記運動用シールの変形例を示す縦断面端面図である。

【図6】前記運動用シールの別の変形例を示す縦断面端面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

【0019】

本明細書において、回転する径方向内方部材の回転軸の方向を「軸方向」、「軸方向」に直交する方向を「径方向」（図中の矢印Ｒ参照）という。「径方向」において、前記回転軸に近づく方向を「径方向内方」（図中の矢印ＲＩ参照）、前記回転軸から離れる方向を「径方向外方」（図中の矢印ＲＯ参照）という。

【0020】

＜運動用シールの使用状態の例＞
図１の縦断面端面図に示すように、本発明の実施の形態に係る運動シール１は、円環状の芯金２に弾性体３を被覆したものである。運動用シール１は、回転する径方向内方部材８に取り付けて使用するものであり、径方向内方部材８と径方向外方部材９との間の環状開口Ｈを塞ぐ。

【0021】

＜芯金、弾性体の材料＞
芯金２は金属材料からなり、例えば鋼板（ＪＩＳ規格：ＳＰＣＣ、ＳＥＣＣ等）製である。弾性体３は例えばゴム材料からなる。前記ゴム材料としては、耐油性の良好なゴム素材として、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、エチレン・アクリルゴム（ＡＥＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＰＭ）、シリコーンゴム（ＶＱＭ）等のゴムから、１種、あるいは２種以上のゴムを適当にブレンドして使用することができる。

【0022】

また、前記ゴム材料の練り加工性、加硫成形性、芯金２との接着性を考慮した場合、他種のゴム、例えば、液状ＮＢＲ、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）等とブレンドして使用することも好ましい使用態様である。

【0023】

＜弾性体の構造＞
弾性体３は、基部４、膜状部５、及び周辺錘部６からなる。基部４の内径側端部４Ａを径方向内方部材８のシール溝８Ａに嵌め入れた状態で、運動用シール１は径方向内方部材８に取り付けられる。基部４は、径方向外方ＲＯの端部に、グリスリップ７を有し、径方向外方部材９の内周面との間でラビリンス隙間を設定して、内部に封入されたグリス等の潤滑剤の流出を防止している。

【0024】

膜状部５及び周辺錘部６は、芯金２よりも径方向外方ＲＯに位置し、膜状部５は円環状である。膜状部５の径方向外方ＲＯに、シールリップＳとなる周辺錘部６が位置する。

【0025】

図２の要部拡大縦断面端面図に示すように、自由状態の運動用シール１において、膜状部５は、径方向外方部材９の略径方向Ｒへ延びる側面９Ａに向かう方向へ傾斜する。すなわち膜状部５は「皿ばね座金」状（円錐台の側面状）である。図１のように運動用シール１を径方向内方部材８に取り付けると、周辺錘部６の側面６Ａが径方向外方部材９の前記側面９Ａに当接して、外部からの塵芥、異物などの浸入を防止している。周辺錘部６の形状は、図１の例では、軸方向及び径方向Ｒを含む平面で切断した断面形状が略正三角形状で底面と側面との交点部に曲面を設けている。

【0026】

図２に示す自由状態で、膜状部５の基端部５Ａの厚み方向中点Ａからなる第１の円Ｃ１を上面の円とし、膜状部５の先端部５Ｂの厚み方向中点Ｂからなる第２の円Ｃ２を底面の円とする円錐台ＴＣにおいて、膜状部５の厚み方向中央面である、円錐台ＴＣの側面Ｅを延長した面Ｆ内に、周辺錘部６の、軸方向及び径方向Ｒを含む平面で切断した断面形状における重心Ｇがある。前記重心Ｇは、円錐台ＴＣの側面Ｅを延長した面Ｆ内ではなく、前記面Ｆの近傍にあってもよい。

【0027】

図２に示す自由状態で、膜状部５の基端部５Ａの厚み方向中点Ａと膜状部５の先端部５Ｂの厚み方向中点Ｂとの距離Ｄは、膜状部５に必要な変形量と発生する応力とのバランスから、膜状部５の厚みＴの２～５倍とする。なお、周辺錘部６の揺動性確保と高速回転時の強度確保のために、膜状部５の厚みＴは０．２～０．５ｍｍが望ましい。

【0028】

＜径方向内方部材の回転速度が小さい場合＞
図１の縦断面端面図の実線、及び図３の要部拡大縦断面端面図に示す運動用シール１は、径方向内方部材８の回転速度が小さい場合を示している。すなわち、運動用シール１を取り付けた径方向内方部材８の回転速度が所定値以下である場合は、膜状部５の形態が「皿ばね座金」状であり、シールリップＳとなる周辺錘部６の側面６Ａが径方向外方部材９の略径方向Ｒへ延びる側面９Ａを摺動するので、運動シール１は接触シールである。

【0029】

＜径方向内方部材の回転速度が大きい場合＞
図１の縦断面端面図の二点鎖線、及び図４の要部拡大縦断面端面図に示す運動用シール１は、径方向内方部材８の回転速度が大きい場合を示している。すなわち、運動用シール１を取り付けた径方向内方部材８の回転速度が所定値よりも大きい場合は、周辺錘部６に作用する遠心力により、膜状部５の形態が「平座金」状となり、周辺錘部６の側面６Ａが径方向外方部材９の前記側面９Ａから離間した状態となるので、運動用シール１は非接触シールになる。

【0030】

＜作用効果＞
運動用シール１は、径方向内方部材８の回転速度が所定値以下である場合は接触シールであり、径方向内方部材８の回転速度が所定値よりも大きい場合は非接触シールになるので、径方向内方部材８の回転速度が高速になっても、シールリップＳとなる周辺錘部６のトルクが増大してリップ部の許容応力を超えることがないので、弾性体３が破損しない。

【0031】

また、径方向内方部材８の回転速度がより高速となっても、膜状部５の厚み方向中点Ａ、Ｂを結ぶ線上に周辺錘部６の重心が存在する構造であるので、径方向内方部材８の回転軸と直交する方向に遠心力が作用して、膜状部５の形態は「平座金」状のままであり、その形態が遠心力により保持されて安定することから、運動シール１の弾性体３が不必要に大きく変形をすることがなく、過大な応力が発生しないので、弾性体３が破損しない。

【0032】

さらに、径方向内方部材８の回転速度が所定値よりも大きくなって運動用シール１が非接触シールになった状態では、周辺錘部６が径方向外方部材９の前記側面９Ａに摺動しないことから、摩擦トルクが大幅に小さくなる。

【0033】

＜構造解析＞
図１及び図２の形状である以下の諸元の運動用シール１をモデル化した構造解析を行った。その結果、径方向内方部材８の回転速度が約１５，０００ｒｐｍで運動用シール１が非接触シールになり、径方向内方部材８を３０，０００ｒｐｍで高速回転させても、図４に示すように、膜状部５の形態が「平座金」状に保持され、膜状部５及び周辺錘部６の位置が安定するとともに膜状部５に発生する応力が許容範囲内であることを確認できた。

【0034】

（構造解析における運動用シールの諸元）
・外径：φ３６ｍｍ
・内径：φ２３ｍｍ
・膜状部５の厚みＴ：０．２ｍｍ
・膜状部５の距離Ｄ：０．６ｍｍ
・膜状部５の先端部５Ｂの厚み方向中点Ｂと、面Ｆと周辺錘部６の外径面との交点Ｉとの距離Ｊ：０．６ｍｍ

【0035】

＜変形例＞
図５の縦断面端面図に示す運動用シール１は、図１の縦断面端面図に示す運動用シール１とは、主に芯金２の形状及び径方向内方部材８への取り付け構造が異なる。すなわち、図５の運動用シール１は、芯金２の内径側を折り曲げて露出させて内周面２Ａとした構造で、芯金２の内周面２Ａを径方向内方部材８の外周面８Ｂに嵌合させることで、運動用シール１を径方向内方部材８に取り付ける。芯金２の内周面２Ａと径方向内方部材８との金属同士の嵌合になるので、締結力が大きく設定でき、径方向内方部材８のシール溝の形成を省略できる。また、芯金２を被覆している弾性体３の基部４と膜状部５の外表面を連続させた構造なので、軸方向にコンパクトな構造である。

【0036】

図６の縦断面端面図に示す運動用シール１は、図５の縦断面端面図に示す運動用シール１とは、周辺錘部６の形状が異なる。すなわち、図６の運動用シール１の周辺錘部６の形状は、軸方向及び径方向Ｒを含む平面で切断した断面形状が菱形状である。

【0037】

周辺錘部６の形状は、任意の多角形状であってもよく、円形状又は楕円形状等であってもよい。周辺錘部６の形状は、運動用シール１の自由状態において、軸方向及び径方向を含む平面で切断した断面形状における周辺錘部６の重心Ｇが、膜状部５の厚み方向中央面Ｅを延長した面Ｆ内又は前記延長した面Ｆの近傍に位置するものであればよい。なお、本発明の運動用シールは、内輪回転の転がり軸受の密封装置の他に、自動車、建設機械、工作機械、産業機械などの回転部材を有する様々な機械の環状の隙間を塞ぐために、回転する径方向内方部材に装着する密封装置として使用可能である。

【0038】

以上の実施の形態の記載はすべて例示であり、これに制限されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく種々の改良及び変更を施すことができる。

【符号の説明】

【0039】

１ 運動用シール
２ 芯金
２Ａ 内周面
３ 弾性体
４ 基部
４Ａ 内径側端部
５ 膜状部
５Ａ 基端部
５Ｂ 先端部
６ 周辺錘部
６Ａ 側面
７ グリスリップ
８ 径方向内方部材
８Ａ シール溝
８Ｂ 外周面
９ 径方向外方部材
９Ａ 略径方向へ延びる側面
Ａ 基端部の厚み方向中点
Ｂ 先端部の厚み方向中点
Ｃ１ 第１の円
Ｃ２ 第２の円
Ｄ 距離
Ｅ 円錐台の側面（膜状部の厚み方向中央面）
Ｆ 延長した面
Ｇ 重心
Ｈ 環状開口
Ｉ 交点
Ｊ 距離
Ｒ 径方向
ＲＩ 径方向内方
ＲＯ 径方向外方
Ｓ シールリップ
Ｔ 厚み
ＴＣ 円錐台

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】