| 【発明の名称】 |
シ−ル構造 |
| 【発明者】 |
【氏名】加島 光博
【氏名】原 定昭
【氏名】神田 政秀
【氏名】満嶋 弘二
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| 【要約】 |
【課題】シールリングがピストンロッドと接触し、フリクションの増大、摩擦熱による異常摩耗、耐久性の低下を防止する。
【解決手段】ピストンロッド２と、ピストンロッド２を摺動可能に支持するシリンダヘッド１と、ピストンロッド２とシリンダヘッド１との間に介装されたシールリング５とを備えたシール構造において、前記シールリング５はシリンダヘッド１の摺動面に設けられた収納凹部２５に収装され、外周部が収納凹部２５と密着し、内周部がピストンロッドと密着するリップ部１０と、作動油の圧力が上昇し、シールリング５に作用する圧力を収納凹部２５の壁面で支持するヒール部１１と、ヒール側の内周とピストンロッドとの間の隙間４０ａとを有し、前記リップ部１０の受圧面積を前記ヒール部１１の支持面積よりも小さく形成し、ヒール部１１の外周と収納凹部２５の内周との間に所定のシールリング変形吸収用の隙間４０を画成した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ピストンロッドと、ピストンロッドを摺動可能に支持するシリンダヘッドと、ピストンロッドとシリンダヘッドとの間に介装されたシールリングとを備えたシール構造において、前記シールリングはシリンダヘッドの摺動面に設けられた収納凹部に収装され、外周部が収納凹部と密着し、内周部がピストンロッドと密着するリップ部と、作動油の圧力が上昇し、シールリングに作用する圧力を収納凹部の壁面で支持するヒール部と、ヒール部側の内周とピストンロッドとの間の隙間とを有し、前記リップ部の受圧面積を前記ヒール部の支持面積よりも小さく形成し、ヒール部の外周と収納凹部の内周との間に所定のシールリング変形吸収用の隙間を画成したことを特徴とするシ−ル構造。
【請求項２】 ピストンロッドと、ピストンロッドを摺動可能に支持するシリンダヘッドと、ピストンロッドとシリンダヘッドとの間に介装されたシールリングとを備えたシール構造において、前記シールリングはシリンダヘッドの摺動面に設けられた収納凹部に収装され、外周部が収納凹部と密着し、内周部がピストンロッドと密着するリップ部と、作動油の圧力が上昇し、シールリングに作用する圧力を収納凹部の壁面で支持するヒール部と、ヒール部側の内周とピストンロッドとの間に隙間とを有し、前記リップ部の受圧面積とヒール部の支持面積が略同一に形成される一方、ヒール部の外周と収納凹部の内周との間に所定のシールリング変形吸収用の隙間を画成したことを特徴とするシ−ル構造。
【請求項３】 前記ヒール部の内外周隙間の合計容積は、リップ部の受圧面積投影下の環状円柱体の体積の１０〜３５％の容積であり、かつ外周部に設けた隙間の容積は内周部の隙間の容積の０．６倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
【請求項４】 前記ヒール部の内外周隙間の合計容積は、シールリングの体積の２０〜４５％の容積であり、かつ外周部に設けた隙間の容積は内周部の隙間の容積の１．０倍以上であることを特徴とする請求項２に記載のシール構造。
【請求項５】 前記ヒール部の外周隙間をシリンダヘッドの収納凹部に凹状に設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のシール構造。
【請求項６】 前記ヒール部の外周隙間をシールリングに凹状に設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のシール構造。
【請求項７】 前記シールリングのヒール部外周はテーパ形状を有することを特徴する請求項１から４、６のいずれか一つに記載のシール構造。
【請求項８】 前記シールリングのヒール部外周に収納凹部との間で複数の環状隙間を形成する環状溝を形成することを特徴とする請求項１から４、６のいずれか一つに記載のシール構造。
【請求項９】 前記シールリングのリップ部とヒール部の間をテーパ状の中間部で形成し、シールリングの中間部と対面する収納凹部の内周との間に隙間を設けたことを特徴とする請求項１または３に記載のシール構造。
【請求項１０】 前記シールリングの中間部とそれに接する収納凹部の内周を円弧状に形成したことを特徴とする請求項１または３に記載のシール構造。
【請求項１１】 前記シールリングのヒール部外周を径の異なる複数の段差部にて形成したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のシール構造。
【請求項１２】 前記シールリングの外周とシールリングを介装する収納凹部の内周との間の圧力を排出する圧力抜き穴を、シリンダヘッドを貫通するように設けたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載のシール構造。
【請求項１３】 前記シールリングの外周とシールリングを介装する収納凹部の内周との間の圧力をヒール側へ導く圧力抜き溝を設けたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載のシール構造。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、油圧シリンダなどのシ−ル構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来、油圧シリンダなどの軸受部のシ−ル構造としては、実開平４−１３８１６０号に記載されたものがある。これはシールリングの嵌め込み溝が内外径とも平行で、シールリングの軸方向の受圧面積は内外リップ径全面であり、よってヒール部の支持面積は前記受圧面積とほぼ同じとなっている。
【０００３】このため高圧がリップ部に作用すると、これを受けてヒール部の面圧が高くなり、摺動面へのはみ出し変形及び摺動面に対する面圧勾配が大きいため、作動油膜の掻き取り性が大きく、作動条件によっては掻き出しによる油漏れが生じるという問題があった。
【０００４】さらに、高圧になるほど、作動油膜の掻き取り性が強くなる構成となっているため、摺動部が無潤滑状態となりフリクションが増大し、摩擦熱が発生し、長時間の連続作動時に、摺動部の熱変質を引き起こし、異常摩耗するという問題も考えられる。
【０００５】また特表平９‐５０４０８１号には、背面に隙間を有するシ−ルリングにおいて、内外周に隙間を設けた特殊形状シールに関する技術が開示されている。
【０００６】これは圧力によるヒール部へのはみ出し防止の目的で、内外径の隙間を可能な限り（材料の変形応力の許容限界まで）大きく取り、特殊形状リングを追求したものと考えられ、単純なテーパ面に依る大容積隙間の付与では、変形応力的に適用圧力に限界があり、特にヒール部内径には高応力が集中し、耐久疲労上から、その適用条件が制限されると考えられる。
【０００７】さらに特公平６−１００２０２号に記載のバッファリングとシールリングとを組み合わせた構成では、バッファリングは作動油膜を確保するため完全に密閉する構造となってはおらず、たとえば油圧シリンダの伸縮作動のいずれの場合でもロッド側油室が高圧となる流量再生回路においては、シールリングとバッファリング間の圧力が畜圧され、長時間にわたり負荷圧力が作動する状態では、シールリングへの高圧作用を防止できない。
【０００８】本発明は、これらの問題を解決するシ−ル構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、ピストンロッドと、ピストンロッドを摺動可能に支持するシリンダヘッドと、ピストンロッドとシリンダヘッドとの間に介装されたシールリングとを備えたシール構造において、前記シールリングはシリンダヘッドの摺動面に設けられた収納凹部に収装され、外周部が収納凹部と密着し、内周部がピストンロッドと密着するリップ部と、作動油の圧力が上昇し、シールリングに作用する圧力を収納凹部の壁面で支持するヒール部と、ヒール部側の内周とピストンロッドとの間の隙間とを有し、前記リップ部の受圧面積を前記ヒール部の支持面積よりも小さく形成し、ヒール部の外周と収納凹部の内周との間に所定のシールリング変形吸収用の隙間を画成した。
【００１０】第２の発明は、ピストンロッドと、ピストンロッドを摺動可能に支持するシリンダヘッドと、ピストンロッドとシリンダヘッドとの間に介装されたシールリングとを備えたシール構造において、前記シールリングはシリンダヘッドの摺動面に設けられた収納凹部に収装され、外周部が収納凹部と密着し、内周部がピストンロッドと密着するリップ部と、作動油の圧力が上昇し、シールリングに作用する圧力を収納凹部の壁面で支持するヒール部と、ヒール部側の内周とピストンロッドとの間に隙間とを有し、前記リップ部の受圧面積とヒール部の支持面積が略同一に形成される一方、ヒール部の外周と収納凹部の内周との間に所定のシールリング変形吸収用の隙間を画成した。
【００１１】第３の発明は、第１の発明において、前記ヒール部の内外周隙間の合計容積は、リップ部の受圧面積投影下の環状円柱体の体積の１０〜３５％の容積であり、かつ外周部に設けた隙間の容積は内周部の隙間の容積の０．６倍以上である構成とした。
【００１２】第４の発明は、第２の発明において、前記ヒール部の内外周隙間の合計容積は、シールリングの体積の２０〜４５％の容積であり、かつ外周部に設けた隙間の容積は内周部の隙間の容積の１．０倍以上である構成とした。
【００１３】第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記ヒール部の外周隙間をシリンダヘッドの収納凹部に凹状に設けた。
【００１４】第６の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記ヒール部の外周隙間をシールリングに凹状に設けた。
【００１５】第７の発明は、第１から４、６のいずれか一つの発明において、前記シールリングのヒール部外周はテーパ形状を有する。
【００１６】第８の発明は、第１から４、６のいずれか一つの発明において、前記シールリングのヒール部外周に収納凹部との間で複数の環状隙間を形成する環状溝を形成する。
【００１７】第９の発明は、第１または３の発明において、前記シールリングのリップ部とヒール部の間をテーパ状の中間部で形成し、シールリングの中間部と対面する収納凹部の内周との間に隙間を設けた。
【００１８】第１０の発明は、第１または３の発明において、前記シールリングの中間部とそれに接する収納凹部の内周を円弧状に形成した。
【００１９】第１１の発明は、第１から６のいずれか一つの発明において、前記シールリングのヒール部外周を径の異なる複数の段差部にて形成した。
【００２０】第１２の発明は、第１から１１のいずれか一つの発明において、前記シールリングの外周とシールリングを介装する収納凹部の内周との間の圧力を排出する圧力抜き穴を、シリンダヘッドを貫通するように設けた。
【００２１】第１３の発明は、第１から１１のいずれか一つの発明において、前記シールリングの外周とシールリングを介装する収納凹部の内周との間の圧力をヒール側へ導く圧力抜き溝を設けた。
【００２２】
【発明の作用および効果】本発明、特に第１から１１の発明では、リップ部に作用する圧力によってシールリングが変形する体積に相当する容積を有する隙間をヒール部の外周側に設けたので、このような隙間を設けたことによって、作用圧力によるシールリングの変形をこの隙間に導き、シールリング内周側への変形をほとんど無視できるほどに小さくでき、ヒール部のピストンロッドとの干渉を防止し、フリクションの増大や摩擦熱によるシールリングの異常摩耗や耐久性能の低下といった不具合を解消することが可能となる。
【００２３】さらにヒール部のピストンロッド側への変形を抑止することができるので、耐圧性能を向上することもでき、従来以上の高圧条件下でもシール性、耐久性を確保することができる。
【００２４】第１２、１３の発明では、支持部材に圧力抜き穴もしくはシールリングに圧力抜き溝を設けたので、圧力抜き穴または溝を用いて隙間内の圧力を大気圧側へ排出することができ、隙間に残留した流体がシールリングの変形を阻止することを防止できる。
【００２５】
【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２６】図１から図３に示すように、液圧シリンダ２０のピストンロッド２がシリンダヘッド１の摺動孔２１を摺動自由に貫通し、この貫通部には軸受部３０が形成される。この軸受部３０には軸受４と、シールリング５が配置され、さらに最も外側に位置してダストシール９が備えられる。軸受４とダストシール９はそれぞれ溝２４と２９に圧入され、シールリング５は摺動孔２１に形成した収納凹部２５に収装される。
【００２７】このシールリング５は、後で詳しく述べるように、液圧シリンダ２０のロッド側油室３に直接的に開口する収納凹部２５に装着され、作動油の圧力を直接的に受けるリップ部１０と、リップ部１０に作用する圧力をシリンダヘッド１の収納凹部２５で受けるヒール部１１と、これらリップ部１０とヒール部１１を結ぶ中間部１２から構成される。
【００２８】リップ部１０は内周リップ１０ａと外周リップ１０ｂとに大別され、リップ部１０の外周リップ１０ｂの外径がヒール部１１の外径よりも小さく形成されるとともに、中間部１２の外径はリップ部側からヒール部側に向けて徐々に拡大するテーパ面１２ａで形成されている。
【００２９】このシールリング５を収納するシリンダヘッド１の収納凹部２５も、シールリング５の外形に基本的には対応した溝断面を持ち、リップ部１０の外周リップ１０ｂの外周に接するロッド軸心と平行なリップ底壁２５ａ、中間部１２の外周のテーパ面１２ａに接する傾斜壁部２５ｂ、ヒール部１１の支持面１１ａに接するロッド軸心と直交するヒール壁２５ｃ及びヒール部１１の外周部１１ｂと所定の隙間４０を画成するヒール底壁２５ｄの壁からなり、リップ部１０に作用する油圧力が直接的にヒール部１１および中間部１２に作用しないように（すなわち作動油がヒール部１１および中間部１２に漏れないように）、リップ部１０の外周リップ１０ｂの外周が収納凹部２５のリップ底壁２５ａの内面に、また内周リップ１０ａがピストン２の外周に一定の締代を持って密着するようになっている。
【００３０】換言するとリップ部１０の受圧面積Ａｍは、シールリング組み付け時のリップ部１０の外周とピストンロッド２と摺動する内周との間の環状域となり、これに対してヒール部１１の外周と内周との間の環状域がヒール部１１の支持面積Ａｓとなり、これらの関係は、Ａｍ＜Ａｓとなる。
【００３１】なお、図３に示すように、シールリング５の自由状態では、リップ部１０の内周側のリップ１０ａがピストンロッド２に所定の圧力で接触するように内径側に締代分縮径して形成され、外周側の外周リップ１０ｂの外周は外径側に締代分拡径して形成され、収納凹部２５に内面密着する。
【００３２】そして本発明では、ヒール部１１の外周部１１ｂと収納凹部２５のヒール底壁２５ｄとの間に高圧作用時のシールリング５の圧縮変形分を吸収する環状の隙間４０を形成するようにしており、その必要容積など詳細については下記の作用とともに説明する。
【００３３】また収納凹部２５のリップ底壁２５ａは連通穴１５を介してロッド側油室３に直接連通しており、リップ底壁２５ａと連通穴１５はほぼ同じ径を有している。
【００３４】以上のように構成され、次に作用につき説明する。
【００３５】図４に示す従来のものはシールリング５０の嵌め込み溝が内外径とも平行であり、シールリング５０のリップ部５５の受圧面積Ａｐが大きく、ヒール部５６の支持面積Ａｓとほぼ同じとなっている。よってリップ部５５に作用する圧力に起因する推力は大きくなり、ヒール部５６の面圧も大きくなる。従ってヒール部５６はつぶされて変形しようとするが、外径側はシリンダヘッド１によって拘束されており、変形はピストンロッド２側へ集中することになる。これによって、ヒール部５６の一部がピストンロッド２に強く接触し、フリクション増加等の問題を引き起こすことになる。
【００３６】これに対して、図５に示す本発明の形状のものは、リップ部１０の受圧面積Ａｍを小さくしたので、シールリング５に作用する推力を抑え、ヒール部１１の面圧を低下することができる。これにより、シールリング５の変形を小さくすることが可能であり、ヒール部１１のヒール部角部１１ｉがピストンロッド２に向けてのはみ出しを極力防止することができ、フリクションの低減による異常摩耗や作動油の掻き出しによる油漏れを防止することができる。よって低フリクション化により液圧シリンダー等の制御の精度を向上させることができる。
【００３７】また一方で、リップ部１０に作用する圧力を増大することも可能であり、これによって従来、シールリング５への圧力を制限するために設けられていたバッファリング等の減圧部材を廃止することも可能である。
【００３８】さらに、中間部１２の外形をリップ部１０からヒール部１１に向けて徐々に拡大するテーパ面１２ａで形成したので、リップ部１０の圧力分布がそのままヒール部１１の支持面１１ａに作用することなく、テーパ面１２ａに沿うように圧力分布も分散し、ヒール部１１ではヒール部１１の支持面１１ａ全面にわたり圧力を分散分布とすることができる。よって、ヒール部１１に作用する圧力はリップ部１０の作用圧力に対して、その面積比で小さくすることができる。
【００３９】次に本発明の最も特徴のある部分であるヒール部１１の外周部１１ｂに設けられた環状の隙間４０について説明する。
【００４０】シールリング５のヒール部１１外周部１１ｂと環状凹部２５のヒール底壁２５ｄとによって画成される環状の隙間４０の容積は、リップ部１０の受圧面積投影下の体積を受圧面積で除することによって定まる環状円柱の高さＨが、リップ部１０に作用する圧力によって変形する体積に相当するように環状の隙間４０の容積は設定されており、このように設定することにより、圧力が作用することによるシールリング５の変形、すなわち環状円柱の高さＨの減少分に相当する体積はそのほとんどが隙間４０に入り込むことによって吸収され、シールリング５の内径の変形はほとんどなく、摺動部のフリクションの増加や油漏れといったシールリング５の内径側の寸法変化によって引き起こされると考えられる不具合を確実に防止することができる。
【００４１】したがってシールリング５に作用する圧力の広範な領域で、シールリング５の内径側寸法変化を抑えることができ、高圧域まで安定したシール機能を発揮することが可能である。
【００４２】ところで、発明者らはシールリングの変形を環状円柱体の変形と見做し、下面を支持し、上面に一定の分布荷重を負荷した環状円柱状のモデルを作成し、内外周の支持条件を変化させて、モデルの変形を確認する解析を行った。
【００４３】その結果、表１に示すように内外周をフリー状態にするとモデルは内外周ともに拡径し、内周をフリー状態、外周を拘束状態にすると、内周が縮径することがわかった。
【００４４】
【表１】
【００４５】この結果より、本発明のように外径の拡径を制御することによって、内径の変形をゼロとすることができることを確認した。
【００４６】発明者がさらに詳細に内径変形をゼロにする条件を検討した結果では、隙間４０と隙間４０以外に存在する隙間、例えばシールリング５の内径部とピストンロッド２との摺動面に存在する隙間４０ａ等の総容積は、シールリング５の体積の１０〜３５％に相当する容積であることが望ましく、かつシールリング５の外周側に存在する環状の隙間４０を含む外周側隙間の総容積は、内周側隙間の総容積の０．６倍以上の容積を確保することが望ましいことがわかった。
【００４７】図６に第２の実施形態を示し、これは収納凹部２５のヒール底壁２５ｄに対面するシールリング５のヒール部１１近傍の外周部１１ｂをテーパ形状とし、収納凹部２５とヒール部２５との間に三角形断面の環状隙間４１を形成したものである。つまりシールリング５の変形吸収隙間４０は、シールリング５側に設けてもよいのである。
【００４８】図７に第３の実施形態を示す。これは収納凹部２５のヒール底壁２５ｄとシールリング５のヒール部１１外周部１１ｂを接するようにした上で、ヒール部２５外周部１１ｂに複数の環状隙間４２を設けたものである。
【００４９】図８に第４の実施形態を示す。これはヒール部１１の外周部１１ｂと収納凹部２５のヒール底壁２５ｄとの間の隙間４０に加えて、シールリング５の中間部１２のテーパ面１２ａと収納凹部２５の傾斜壁部２５ｂとの間にも隙間４３を設けたものである。
【００５０】図９に第５の実施形態を示す。これはシールリング５の中間部１２のテーパ面１２ａとそれに接する収納凹部２５の傾斜壁部２５ｂを円弧状に形成したものであるが、ヒール部１１の外周部には、上記と同様に隙間４０が形成される。
【００５１】なお本実施形態ではシールリング５の形状が、リップ部１０の受圧面積とヒール部１１の支持面積とが異なるシール形状で説明したが、この形状に特定されるものではない。
【００５２】すなわち従来の受圧面積と支持面積とがほぼ同じシール構造にも適用可能であり、この場合について次に説明する。
【００５３】図１０に第６の実施形態として本発明を従来の環状円柱形状を有するシールリングに適用したものを示す。第１の実施形態と相違する部分は、シールリングが受圧面積と支持面積とがほぼ同じシールリング５に変更になっていること、シールリング５のリップ部１０は油室３への移動を制限する環状の壁４１が設けられることがあげられる。
【００５４】すなわち収納凹部２５は、シールリング５のリップ部１０の密着するリップ底壁２５ａの径と、ヒール部１１との間に隙間４０を画成するヒール底壁２５ｅの径とは異なり、ヒール底壁２５ｅの径が大きい構成となる。この場合にも、リップ部１０に高圧が作用したときに、ヒール部１１の圧縮変形部分は隙間４０に吸収され、ロッド摺動面側への変形が阻止される。
【００５５】この場合のシールリング５の隙間４０の容積について説明する。
【００５６】隙間の必要容積については第１の実施形態と同様に考え、発明者の検討によれば、隙間の総容積は、シールリング５の体積の２０〜４５％に相当する容積であることが望ましく、かつシールリング５の外周側に存在する隙間４０を含む外周側隙間の総容積は、内周側隙間４０ａの総容積の１．０倍以上の容積を確保することが望ましい。
【００５７】図１１に第７の実施形態を示し、シールリング５のヒール部１１外周部１１ｂを径の異なる段差部にて形成し、段差部と収納凹部２５との間で隙間４４を設けたものである。
【００５８】これら第２から７の実施形態は、第１の実施形態で説明したシールリング５が圧力によって変形したときの逃げ部としての隙間の他の形状を示しており、隙間の必要容積に基づいて隙間の容積を決定することは言うまでもない。
【００５９】さらに図１２に第８の実施形態を示し、これは前記シールリング５の外周部と収納凹部２５の内周部との間の圧力を大気圧のヒール部１１へ排出する圧力抜き溝１４を設けたものである。なおリップ部１０は油室３の高圧が直接作用するが、ヒール部１１は圧力が遮断され、通常は大気圧に近い圧力に維持されている。
【００６０】このような構成とすることで、シールリング５の中間部１２と収納凹部２５の傾斜壁部２５ｂとの間に残留した流体及び隙間４５の封入流体が圧力抜き溝１４より大気圧のヒール部１１側へと排出されるので、封入流体がシールリング５の変形を阻止するのを防止できる。
【００６１】図１３に第９の実施形態を示す。これはシールリング５の中間部１２の外周部とシールリング５を介装する収納凹部２５の内周部（傾斜壁２５ｂ、ヒール底壁２５ｄ）との間の封入流体を排出する圧力抜き穴１３をシリンダヘッド１を貫通し、シールリング５の外周部に臨むように設けたものである。
【００６２】このような構成とすることで、圧力作用時に隙間４６に存在する封入流体が圧縮され、シールリング５の変形を阻止する恐れがあるが、圧縮される封入流体の逃げ道としての圧力抜き穴１３を設けることによって防止することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００９２９
【氏名又は名称】カヤバ工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月７日（１９９９．４．７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５５１３
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 政喜 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２９１８０５（Ｐ２０００−２９１８０５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月２０日（２０００．１０．２０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−９９７０３ |
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