(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形表面を密封するためのラジアルリップシールであって、
一方の端付近に半径方向内向きに突き出ているシールリップを設け、その反対の端付近に半径方向内向きに突き出ているスタビライザリップを設けるのに十分な軸方向長さを有するシール環と、
シール環の外側に固定され、０．５％乃至２．５％の範囲内の所定の伸び率に伸ばされた時に上記シール環の長さに沿う周縁に少なくとも２０Ｎ／ｃｍの大きさの半径方向の力を加えることができる材料で作られている引張環と、
引張環の外側に固定され、円筒形表面の半径方向及び軸方向変位に上記シール環が制限された大きさまで追随できるようにするだけの高い弾性を有し容易に変形できる材料で作られたたわみ環と、
を具備することを特徴とするシール。
【請求項２】
上記引張環は、上記引張環の上記０．５％乃至２．５％の範囲内の伸び率においてシール環の周縁に５０乃至２５０Ｎ／ｃｍの半径方向の力を加えるようになった請求項１に記載のシール。
【請求項３】
上記シールリップ及びスタビライザリップは各々、シールを上記円筒形表面の周囲に取付けた時に、上記引張環を上記伸び率まで伸ばすのに十分な寸法の内径を有している請求項２に記載のシール。
【請求項４】
上記引張環の材料は、ポリアリルスルホンである請求項１に記載のシール。
【請求項５】
上記所定量の伸びは、ポリアリルスルホンの２％の伸びに等価である請求項４に記載のシール。
【請求項６】
上記シール環は、ポリウレタン材料製である請求項５に記載のシール。
【請求項７】
上記たわみ環の外側に固定されている取付け環をも具備し、上記取付け環は上記たわみ環を圧縮状態に維持するのに十分な量だけ直径が減少される請求項６に記載のシール。
【請求項８】
上記シールは、上記シールリップへ潤滑材を通じさせるための通路手段を含む請求項７に記載のシール。
【請求項９】
上記シール環は、如何なる結合材をも用いずに上記引張環に結合されている請求項８に記載のシール。
【請求項１０】
円筒形表面を有するピンと、ラジアルリップシールを受け入れるために上記ピンの周囲に設けられている中ぐり孔とを含むヒンジ継ぎ手を密封するためのラジアルリップシールであって、
上記シールを上記中ぐり孔の中に取付けるための外側取付け環と、
上記円筒形ピン表面の周囲を密封するための熱可塑性エラストマ材料製の内側シール環と、
上記取付け環の内側に配置されていて該環に固定され、上記ヒンジ継ぎ手に対する上記ピンの軸方向及び半径方向運動を吸収するゴム製たわみ環と、
上記たわみ環と上記シール環との間に配置され、これらたわみ環とシール環とに固定された引張環と、
を具備し、前記引張環は、０．５％乃至２．５％の範囲内の所定の伸び率に伸ばされた時に上記シール環の長さに沿う周縁に少なくとも２０Ｎ／ｃｍの大きさの半径方向の力を加えることができる材料で作られていることを特徴とするシール。
【請求項１１】
上記シール環は、上記円筒形表面よりも十分な量だけ小さい内径を有し、上記シールを上記円筒形表面の周囲に取付ける時に上記引張環が前記伸び率だけ伸ばされるようになった、
請求項１０に記載のシール。
【請求項１２】
上記引張環の材料は、300 乃至 14,000 ＭＰａの引張係数と、少なくとも５％の極限伸び率とを有する材料で作られ、４％の伸び率に伸ばされた後に 10,000 時間にわたって 50 ％以下のクリープを呈する請求項１１に記載のシール。
【請求項１３】
上記引張環の材料は、３０００の引張係数と、６．５％の極限伸び率とを有し、２％の伸び率において周縁に１５０Ｎ／ｃｍよりも大きい初期フープ張力を発生することができる請求項１２に記載のシール。
【請求項１４】
上記引張環の材料は、ポリアリルスルホンである請求項１１に記載のシール。
【請求項１５】
上記所定量の伸びは、ポリアリルスルホンの２％の伸びに等価である請求項１４に記載のシール。
【請求項１６】
上記シール環は、ポリウレタン材料製である請求項１５に記載のシール。
【請求項１７】
上記取付け環は鋼製であり、その直径が上記ゴム製のたわみ環を圧縮状態に維持するのに十分な量だけすえ込みによって減少される請求項１６に記載のシール。
【請求項１８】
上記シール環は、一方の端付近に半径方向内向きに突き出ているシールリップを設け、その反対の端付近に横方向に離間し半径方向内向きに突き出ているスタビライザリップを設けるのに十分な軸方向長さと、上記スタビライザリップを通して上記シールリップへ潤滑材を通じさせるための通路手段とを有する請求項１７に記載のシール。
【請求項１９】
上記シールリップ及びスタビライザリップは各々、７０ °の面角と、２０ °のヒール角とを有している請求項１８に記載のシール。
【請求項２０】
上記シール環は、如何なる結合材をも用いずに上記引張環に結合されている請求項１９に記載のシール。
【請求項２１】
堅固な取付け環と、ゴム製のたわみ環と、ポリアリルスルホン製の引張環と、ポリウレタン製のシール環とを有し、円筒形表面を密封するための複合ラジアルリップシールを製造する方法であって、
取付け環と引張環とを安定な寸法に事前に加工する段階と、
引張環の外面及び取付け環の内面に適当な結合材を塗布する段階と、
ゴム製たわみ環を形成するのに適する第１のモールド内に引張環及び取付け環を配置する段階と、
第１のモールド内の引張環と取付け環との間にゴムを追加する段階と、
ゴムを成形し、硬化させてたわみ環を作成する段階と、
上記シール環を形成するのに適する第２のモールド内に引張環、取付け環、及びたわみ環複合体を配置する段階と、
ポリウレタンを引張環の内径に接触させてそれらの間に圧力接触を確保するのに十分な圧力と、シール環と引張環との接触部分の間に結合を生じさせるのに十分な時間にわたって５０乃至１００°Ｃの範囲内の温度のポリウレタンを第２のモールド内に注入する段階と、
ポリウレタンを事後硬化させるのに十分な時間にわたってポリウレタンとポリアリルスルホンとを高い温度に維持する段階と
を具備することを特徴とする方法。
【請求項２２】
上記取付け環の直径を、上記ゴム製のたわみ環を圧縮状態に維持するのに十分な量だけ締まりばめによって減少させる請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的にはピン継ぎ手、または低速で回転するシャフトを密封するために使用するラジアルリップシールに関し、特定的にはこのようなシールのシールリップに大きい安定した負荷を印加するための引張環を不可欠的に有する改良されたラジアルリップシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラジアルリップシールは、回転するシャフトを密封するための軸箱に、及び振動するピン等を密封するためのヒンジ継ぎ手に広く使用されている。最も一般的なラジアルリップシールは、Ｕカップ型の構造を有している。比較的きれいな環境では、軸受け潤滑材を密封するためにはシールリップに僅かな量の半径方向内向きの負荷を必要とするだけである。動作環境がより汚れ、より苛酷になってくると、軸箱またはヒンジ継ぎ手の軸受けの良好な密封性を確保し、且つ磨耗性の汚染物質を遠去けるためには、より大きいリップ負荷が要求される。リップの密封能力を高めるべくシールリップの半径方向内向きの負荷を増大させるために、シールの周囲にガータばねが使用されることが多い。しかしながら、シール及びばねのために使用可能な空間の大きさから寸法的な制約があるために、これらのガータばねによって与えることができる半径方向内向きの力の大きさには限界がある。また典型的なＵカップ型のシールでは、シールリップはＵカップの一方の脚の先端に配置され、その周囲でリップが運動する弾力的なヒンジ構造を提供している。このようなヒンジは低温においては迅速に応答しない。シールリップの応答速度がこのように低いために、例えば衝撃荷重が加わった時にピンを離心（リフトオフ）させ、急速に半径方向に片寄りを生じさせかねない。このような離心によって潤滑材が漏洩し、有害な汚染物質が侵入する可能性が発生する。
【０００３】
土木用車両のローダリンケージ上のピン継ぎ手は、シールに対して考え得る最も苛酷な環境の１つの例である。このように極端に苛酷な応用では、砂、塵埃、及び水の混合体のような高度に磨耗性の汚染物質が継ぎ手自体に侵入するのを防ぐだけではなく、シールリップの下に流入するのを防ぐことも望まれる。何故ならば、リップの下にこれらの磨耗性物質が侵入するとピン内に通ずる溝及びシールリップの両者または何れか一方を急速に磨滅させるからである。これらの何れかが発生すると、汚染物質が継ぎ手内に侵入し、早期に継ぎ手に障害をもたらすようになる。土木応用に見られるような苛酷な環境では、ガータばねによって与えることができる半径方向の力の大きさでは磨耗性物質を封止するには不十分であることが分かった。
本発明は、ラジアルリップシールにおける従来の方式の欠点を解消し、極端に苛酷な応用において磨耗性の高い汚染物質を封止するために十分な大きさの半径方向内向きの力をシールに与え、且つより良き低温シールリップ応答を得ることを企図するものである。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の一面によれば、円筒形表面を密封するためのラジアルリップシールが提供される。このリップシールは、シール環、引張環、及びたわみ環を含む。シール環には、その一方の端付近に半径方向内向きに突き出ているシールリップを設け、その反対の端付近に半径方向内向きに突き出ているスタビライザリップを設けてある。引張環はシール環の外側に固定され、所定の伸び率に伸ばされた時に少なくとも  ２０  Ｎ／ｃｍの大きい半径方向力をシール環の周縁に加える。たわみ環は引張環の外側に固定され、シール環が円筒形表面の半径方向または軸方向変位に制限された大きさまで追随できるようにしている。
本発明の別の面においては、このようなラジアルリップシールのシール環はポリウレタンで作られ、また引張環はポリアリルスルホンで作られており、これら２つの材料は結合材または他の接着材を使用することなく互いに結合し合っている。
更に別の面において本発明は、堅固な取付け環、ゴム製のたわみ環、ポリアリルスルホン製の引張環、及びポリウレタン製のシール環を含むラジアルリップシールの製造方法が提供される。本方法は、取付け環及び引張環を適当な寸法に事前に加工する段階と、引張環の外面及び取付け環の内面に適当な結合材を塗布する段階と、ゴム製のたわみ環を形成するのに適する第１のモールド内に引張環及び取付け環を配置する段階と、第１のモールド内の引張環と取付け環との間にゴムを追加する段階と、ゴムを注入し、硬化させてたわみ環を作成する段階と、シール環を形成するのに適する第２のモールド内に引張環、取付け環、及びたわみ環複合体を配置する段階と、ポリウレタンを引張環の内径に接触させてそれらの間に圧力接触を確保するのに十分な圧力と、シール環と引張環との接触部分の間に結合を生じさせるのに十分な時間にわたって約  ５０  乃至約  １００°Ｃの範囲内の温度のポリウレタンを第２のモールド内に注入する段階と、ポリウレタンを事後硬化させるのに十分な時間にわたってポリウレタンとポリアリルスルホンとを高い温度に維持する段階とを具備する。
【０００５】
【実施例】
図１に全体を１０で示す本発明の原理を実施したラジアルリップシールは、土木車両等（図示してない）のローダリンケージ上に使用される型のヒンジ継ぎ手１２と組合わされている。しかしながら、公知のようにラジアルリップシール１０はそれが典型的に使用されているシャフト用軸箱（図示してない）内のような低速回転応用にも同じように適しているので、シール１０の使用を振動応用だけに限定する意図はないことを理解されたい。
ヒンジ継ぎ手１２はハウジング１４を含み、ハウジング１４はそれを貫通しているピン孔１６を有している。ピン孔１６には、ハウジング１４を通って更に伸びているピン２０を回転可能に取付けるためのスリーブ軸受け１８が設けられている。ハウジング１４は、ピン孔１６の一方の端にシール１０を受けるための中ぐり孔２２も含んでいる。ピン２０は円筒形の密封表面２４を有している。ヒンジ継ぎ手１２は、公知のようにして潤滑油（図示してない）で潤滑されている。
ラジアルリップシール１０は単一複合構造であり、そして好ましくは取付け環２６、たわみ環２８、引張環３０及びシール環３２を含む。これらの環は全て互いに同心状に配置されており、取付け環２６が最も外側の部材であり、たわみ環２８は次の環であって取付け環２６の内側に配置され、引張環３０はたわみ環２８の内側に配置され、そしてシール環３２が最も内側の部材であって引張環３０の内側に配置されている。
【０００６】
取付け環２６は円筒形の形状であり、比較的薄い鋼管材料製であることが好ましいが、別の金属または他の堅固な材料も同じように使用できる。取付け環２６の最終外径は、ハウジング１４内にシール１０を取付けるための中ぐり孔２２内に圧入されて締まりばめされるような寸法である。
たわみ環２８は、ショア硬さ計で  ３０  乃至  ９０  の、柔らかいゴムのような高度に弾力的で且つ容易に変形可能な材料製であり、ハウジング１４に対するピン２０のかなりな軸方向及び半径方向運動に順応させるために最も厚い成分である。たわみ環２８は、継ぎ手内の潤滑油によって劣化しないように、耐油合成ゴムであることが好ましい。
シール環３２は高度に耐磨耗性のエラストマ材料製である。熱可塑性ポリウレタンが、シール環３２に最も適している。シール環３２は、半径方向内向きに突き出ているシールリップ３４をその外端付近に、また横方向に離間し半径方向内向きに突き出ているスタビライザリップ３６をその内端付近に設けるのに十分な軸方向長さを有している。シール環３２は、ピンの振動または回転中にシールリップ３４を潤滑し且つシールリップ３４と密封表面２４との間に潤滑油を存在させるためにヒンジ継ぎ手１２内の潤滑油をシールリップ３４に通じさせるためのスタビライザリップ３６を通る少なくとも１つの、好ましくは複数の通路または溝３８の形状の通路手段をも含んでいる。シールリップ３４には大きい半径方向負荷の下で安定なジオメトリをシールリップ３４に与える約  ７０  °の面角“Ｆ”と、約  ２０  °のヒール角“Ｈ”とを設けることが好ましい。同じ理由からスタビライザリップ３６にも同じ面角及びヒール角を設け、シールリップ３４とスタビライザリップ３６とが同じように磨滅するように、またシールリップ３４と揃いの特性が得られるようにすることが好ましい。
【０００７】
引張環３０は薄い円筒形構造であり、伸ばした時に大きいフープ張力を発生する一方で、時間の経過と共にフープ張力を失わないように優れた耐引張クリープ特性を呈する高い引張強さの材料で作らなければならない。具体的には、引張環３０の材料は  ３００乃至  １４，０００  ＭＰａ、好ましくは約  ３０００  ＭＰａの引張係数を有し、極限の伸び率は少なくとも５％を有しているべきである。またこの材料は４％の伸び率に伸ばした後に  １０，０００  時間で  ５０  ％以下のクリープを呈するべきである。ここに使用しているクリープとは、引張環をその極限の伸びより低い伸び率に伸ばした後に引張環が有している初期フープ張力の時間の経過に伴う損失のことである。またこの材料は、ゴム製のたわみ環２８とシール環３２とに適当に結合することができるものでなければならない。ポリアリルスルホンは、接着材を使用しなくともポリウレタンに強く結合することを見出したので、引張環３０に最も適する材料であることが分かった。ポリアリルスルホンは数社から入手可能である。具体的には、ジョージア州アトランタの  Ａｍｏｃｏ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，  Ｉｎｃ．  から商品名  Ｒａｄｅｌ  Ａ１００  として市販されているポリアリルスルホンを使用して好結果を得ている。
【０００８】
シール１０は以下のようにして製造される。先ず、取付け環２６と引張環３０とを別々に適当な寸法に事前加工する。鋼製の取付け環２６は、どのような普通の技法で作ってもよい。以下に説明する目的から、取付け環２６は先ず最終直径よりも約  １５  ％大きい寸法の直径に作る。引張環３０は適当な成形プロセスによって、ピン２０上に取付ける時の最終寸法よりも約２％小さい直径寸法に形成する。次に、たわみ環２８の所望形状を形成するのに適する第１のモールドを使用し、普通のゴムモールド及び硬化プロセスを使用することによって、たわみ環２８のゴムを引張環３０と取付け環２６との間にモールドする。モールドの前に、引張環３０の外面と取付け環２６の内面とに適当な接着材を塗布してたわみ環２８を引張環３０と取付け環２６とに固定しておくことが好ましい。
これを遂行した後にシール環３２を構成し、同時に引張環３０に付着させる。これはシール環３２を構成するためのモールディングプロセス中に遂行される。このモールディングプロセスでは、先に形成した引張環３０、たわみ環２８及び取付け環２６の複合体を、シール環３２の所望形状を形成するのに適する第２のモールド内に配置する。次に、ポリウレタンが引張環３０の内径と圧力接触するように、十分な圧力でポリウレタンを第２のモールド内に注入する。一般に接触の圧力は  １７  ＭＰａ乃至約  ５４  ＭＰａの範囲内にあり、約  ２８  ＭＰａであることが好ましい。接触の形成は一般に約  ５０  乃至約  ２００°Ｃ  の範囲内の温度で行われる。この接触形成は上記温度で、且つ上記圧力接触状態の下で、シール環３２の接触表面部分と引張環３０との間に結合をもたらすのに十分な時間のわたって続行される。一般に接触時間は  ０．５秒乃至約  ２０  秒の範囲内にある。ポリウレタンとポリアリルスルホンとの結合を完全に完了させるために、ポリウレタンを事後硬化させるのに十分な時間にわたって  ９０  °乃至  １２５°Ｃの範囲内の高い温度にこれらを維持し、それによってこれらの間の結合を強化する。好ましくは、事後硬化時間は  １６  乃至  ２４  時間の範囲であろう。思いもかけなかったことであるが上記プロセスを使用することによって、シール環３２と引張環３０との間に接着材を使用することなくそれらの間に直接結合が得られ、形成された結合はシール１０が曝される応力に十分に耐える強さであることが分かった。
【０００９】
上述のようにしてシール１０が構成された後、適当な締まりばめ操作によって取付け環２６の寸法を最終直径まで減少させる。好ましくは、この締まりばめによってたわみ環２８の半径方向高さを約 15 ％まで減少させる。この締まりばめ操作の目的は、ゴムを半径方向に圧縮し、使用中にゴムが引張られないようにすることによってゴム製のたわみ環２８のサービス寿命を向上させることである。
このように組立てられたシール環３２のシールリップ３４及びスタビライザリップ３６の内径は、それぞれ、ピン２０の外径よりも所定量だけ小さい。その結果、シール１０をピン２０に取付けるためには引張環３０を所定量だけ伸ばさなければならない。この伸びが引張環３０内にフープ張力を発生させ、このフープ張力がシール環３２の周縁に少なくとも 20 Ｎ／ｃｍの半径方向の力を印加するようになる。一般的には、引張環３０は、約 0.5％乃至約 2.5％、好ましくは約１％乃至約２％の範囲内の伸び率において 50 乃至 250Ｎ／ｃｍの半径方向の力を印加することができる。例えば、直径約 55 ｍｍ、軸方向幅約 10 ｍｍ、半径方向厚み2.25ｍｍの Radel A100 製のポリアリルスルホン引張環は、1.5 ％の伸びレベルにおいて約 250Ｎ／ｃｍの実質公称半径方向の力を発生する。Radel A100は 6.5％の極限伸びを有している。伸びを２％またはそれ以下のレベルに維持することによって、発生するクリープの量が最小になることが分かった。従ってフープ張力によって与えられる力は、シール１０のサービス寿命全体を通して実質的に一定に維持されるようになる。
【００１０】
有利なことには、本発明により製造されたラジアルリップシール１０は、従来のシールよりも遥かに大きいリップ力を有するラジアルリップシール１０を提供し、このシールリップは有害且つ高度に磨耗性の材料がヒンジ継ぎ手１２内に侵入することを阻止することができ、またこれらの材料がシールリップ自体の下にさえ侵入できないようにする。またこの構造は、ハウジング１４に対するピン２０の軸方向または半径方向の運動によってリップ負荷が影響を受けないようにすることも可能である。これは、このような軸方向または半径方向の運動がたわみ環２８のたわみのみによって吸収されるからであり、たわみ環２８がこのような責務を容易に遂行できるように合成されているからである。リップまたは引張環３０は、ピン２０のこのような運動に対してたわむ必要はない。これは、シール１０が従来のどのリップシールよりもよりしっかりとピン２０をつかみ、それが更にピン２０上のシールリップ３４の軸方向及び半径方向運動に抵抗力を与えることによって支援されている。これによってシール１０は、ピン２０上でシールリップ３４の何等の軸方向運動も伴わずに、ハウジング１４に対するピンのかなりな軸方向変位を、たわみ環２８だけによって吸収することができる。以上のように、砂及び他の磨耗性材料を帯びる恐れのあるピン２０の密封表面２４の露出部分をシールリップ３４がこする（もしくはワイプする）ことはない（従来のリップシールではこすられていた）。
【００１１】
前述したように、従来技術のリップシールのシールリップは片持ち腕の端に配置されている。これは、ピンが半径方向に運動するとリップをある弧内で運動させる。シールリップのこの弧状運動はピンに対するリップの向きを変化させる。大きい負荷の下では、リップは内側に密着するかまたは外側に開き得るので、ピン表面２４との所望の密封接触が得られなくなる。本発明のシール構造では、シールリップ３４のこのような弧状運動は排除されており、密封表面２４に対するシールリップ３４の適切なリップ配向が維持されている。本シール１０においては所望の面角及びヒール角を有するシールリップ３４及びスタビライザリップ３６を設けたことにより、シールリップ３４の密着または開きに対してさらなる抵抗力が得られる。具体的には、各リップは円筒形ピン密封表面２４に対してほぼ７０°の面角と、ほぼ  ２０  °のヒール角を有している。引張環３０も、ピン２０の片寄りには無関係に円筒形表面２４に対するシールリップ３４及びスタビライザリップ３６を適切な向きに維持するための安定なベースをシール環３２に提供している。
本ラジアルリップシール１０が上述したような構造になっているため、シール１０は土木用車両の土木応用に見られるような高度に磨耗性の砂、塵埃、及び水の混合体に連続的に曝される最も苛酷な動作条件において長いサービス寿命を得ることができる。
【００１２】
本発明の他の面、目的、及び長所は以上の説明、特許請求の範囲、及び添付図面の検討から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を実施したラジアルリップシールを示すヒンジ継ぎ手の部分断面図である。
【図２】図１に示すシールを単独で示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１０  ラジアルリップシール
１２  ヒンジ継ぎ手
１４  ハウジング
１６  ピン孔
１８  スリーブ軸受け
２０  ピン
２２  中ぐり孔
２４  密封表面
２６  取付け環
２８  たわみ環
３０  引張環
３２  シール環
３４  シールリップ
３６  スタビライザリップ
３８  通路（溝）
【図１】
0003550172.tif 000002
【図２】
0003550172.tif 000003