(57)【要約】【課題】リップ部における摺動抵抗を小さくできると共に、オイル漏れを防止することができる密封装置を提供する。【解決手段】往復動するロッド１０の外周面１０ａに接触し断面がほぼＶ字形のリップ部６を備えている。リップ部６の内周面のうちリップ先端部７よりも外部側Ｂの面に、３条の環状の突起部１１，１２，１３が形成されている。これら突起部１１，１２，１３の突出高さは、リップ先端部７から外部側Ｂに向かって順に高くなるよう形成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動する軸の外周面に接触し断面が径方向内方に向けて細くなるほぼＶ字形のリップ部を備え、密封流体を外部側に漏らさないよう密封する密封装置において、前記リップ部の内周面のうちリップ先端部よりも前記外部側の面に、当該リップ先端部から前記外部側に向かって順に突出高さが高くなる複数の環状の突起部が形成されていることを特徴とする密封装置。
【請求項２】
前記突起部は、前記リップ先端部側から順に第１突起部、第２突起部、及び、第３突起部の３条が少なくとも形成されており、前記第１突起部の高さ寸法は２０〜３５μｍとされ、前記第２突起部の高さ寸法は４０〜６０μｍとされ、前記第３突起部の高さ寸法は９０〜１１０μｍとされている請求項１に記載の密封装置。
【請求項３】
前記軸が自動車のパワーステアリングロッドである請求項１又は２に記載の密封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、往復動する軸に対して用いられる密封装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ケーシング内周面と、ケーシングの内部で往復動する軸の外周面との間に設けられ、当該軸の外周面に接触するシールリップ部を有し、密封流体を外部側へ漏らさないよう密封する密封装置として、例えば、特許文献１に示すようなものがある。この密封装置は、環状の芯金と、シールリップ部を有するシール部材と、バネリングと、バックアップリングとを備えたオイルシールとされており、自動車におけるパワーステアリング装置のロッド用として用いることができる。
パワーステアリング装置の動作によりロッドが軸方向に往復動すると、密封装置のシールリップ部がロッドの外周面に摺接する。このリップ部には、接触面積を小さくさせたり、ロッドの往復動の際の摩擦抵抗を軽減させて耐久性を高めたり、異音の発生（鳴き）を抑制したりするために、リップ部の内周面のうちリップ先端部（頂部）よりも外部側の面に周方向に連続する突起部が複数形成されている。つまり、突起部の間がオイル溜まりとなり、ロッドが軸方向に往復動することで、リップ部の摺接部分にオイルが供給されて潤滑油膜が形成され、摩擦抵抗を小さくしている。
そして、特許文献１のオイルシールは、各突起部の軸方向幅寸法がリップ先端部から遠いものほど大きく設定されているが、高さ寸法は全て同じに設定されている。
【０００３】
また、リップ先端部よりも外部側の面に、油膜を形成させるよう複数の突起部が設けられ、リップ先端部に最も近い突起部の高さ寸法が大きく、これの外部側に隣りの突起部の高さ寸法が小さくされたオイルシールがある（例えば、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１４１６８９号公報
【特許文献２】実開平４−１２４３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に記載のオイルシールを、パワーステアリング装置のロッド用として用いると、使用環境（劣化したオイル、オイルとの相性など）により経時的にリップ部においてへたり（剛性の低下）が大きくなり、密封流体が漏れるという問題点がある。
【０００６】
そこで、この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、リップ部における摺動抵抗を小さくできると共に、密封流体の漏れを長期間にわたって防止することができる密封装置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】
【０００７】
前記目的を達成するためのこの発明の密封装置は、往復動する軸の外周面に接触し断面が径方向内方に向けて細くなるほぼＶ字形のリップ部を備え、密封流体を外部側に漏らさないよう密封する密封装置において、前記リップ部の内周面のうちリップ先端部よりも前記外部側の面に、当該リップ先端部から前記外部側に向かって順に突出高さが高くなる複数の環状の突起部が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
本願発明者は、従来のオイルシールにおいて密封流体が漏れる原因を究明するために、当該オイルシールについてＦＥＭ解析を行った。
図７は特許文献１に相当する従来のオイルシールについて（ただし突起部を３条としている）ＦＥＭ解析を行った結果であり、図７（ａ）は、リップ部４０においてへたりが大きくなる前である使用開始初期のリップ部４０による接触面圧を示した図であり、図７（ｂ）は、リップ部４０におけるへたりが大きくなった後のリップ部４０による接触面圧を示した図である。これは密封流体の圧力を１．２ＭＰａとして解析した結果である。
【０００９】
この図において、使用開始初期ではリップ部４０にへたりが生じていないために、図７（ａ）に示しているように、リップ先端部４１から外部側（左側）に向かって順に突起部４２，４３，４４における面圧が小さくなって、リップ部４０はロッド４５に接触している。さらに、リップ先端部４１がロッド４５に接触圧をもって接触することができる。これにより、リップ先端部４１においても面圧を確保することができ（矢印４６部）、密封流体を密封できる。
【００１０】
しかし図７（ｂ）に示すように、リップ部４０のへたりが大きくなると、密封流体側からの圧力によりリップ部４０の基端部４７側が径方向内方へ押し付けられて変形し、基端部４７の傾斜面４７ａがロッド４５と接触し、リップ先端部４１が径方向外方に押し上げられる方向に作用して接触圧が弱まる傾向となる。
従って特許文献１のように、リップ部の内周面の突起部が全て同じ高さ寸法で大きい場合や、特許文献２のように、リップ先端部に最も近い側の突起部の高さ寸法が大きい場合、図７（ｂ）に示すようにリップ部４０のへたりが大きくなると、リップ先端部４１に最も近い突起部４２が高いためにリップ先端部４１側を持ち上げてしまう。これにより、リップ先端部４１が浮いてロッド４５の外周面から離れてしまい、リップ先端部４１において面圧が得られず（矢印４８部）、密封流体が外部側へ漏れることが明らかになった。
【００１１】
一方、本発明の前記密封装置によれば、リップ部のへたりが大きくなり、また密封流体側の圧力によってリップ先端部から外部側の面（第１傾斜面）が軸に広い範囲で接触した状態（べた当たり状態）となっても、第１傾斜面に形成されている突起部の高さが、リップ先端部から外部側に向かって順に突出高さが高くなるよう形成されているため、前記第１傾斜面は、リップ先端部の接触圧を確保することができる。このため、リップ先端部が軸の外周面に接触した状態を維持できる。
さらに、リップ先端部に近い側の突起部が高すぎることによってリップ先端部を持ち上げてしまうのを防ぐことができ、リップ先端部が軸の外周面から浮き上がるのを防止できる。これにより密封流体が外部側へ漏れるのを防止できる。
さらに、環状の突起部が軸方向に複数形成されるため、突起部の間がオイル溜まりとなり、軸が往復動することで、リップ部の摺接部分にオイルが供給されて潤滑油膜を形成することができる。これにより、リップ部と軸との間の接触抵抗を小さくでき、耐久性を高めることができ、異音の発生を抑えることができる。
【００１２】
また、前記突起部は、前記リップ先端部側から順に第１突起部、第２突起部、及び、第３突起部の３条が少なくとも形成されており、前記第１突起部の高さ寸法は２０〜３５μｍとされ、前記第２突起部の高さ寸法は４０〜６０μｍとされ、前記第３突起部の高さ寸法は９０〜１１０μｍとされているのが好ましい。
この構成によれば、各突起部の高さ寸法を上記範囲に設定することで、突起部が低くなりすぎず油膜の形成が可能となり、また、突起部が高くなりすぎず突起部がリップ先端部側を持ち上げて、リップ先端部が軸の外周面から浮いてしまうのを防止できる。
【００１３】
また、前記軸が自動車のパワーステアリングロッドであるのが好ましい。これにより、高温、高圧の環境、さらに、低圧から高圧に頻繁に変化する環境となるパワーステアリング装置において、パワーステアリングロッドが軸方向に往復動した際の密封流体の外部側への漏れを防止できる。従って、パワーステアリング装置に特に適した密封装置となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の密封装置によれば、リップ部にへたりが生じても、リップ先端部の浮き上がりを抑えることができ、密封流体が外部側へ漏れるのを長期間にわたって防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明に係る密封装置の実施の一形態の上半分部を示す縦断面図である。この密封装置は、自動車のパワーステアリング装置において使用することができ、装置のケーシング内周面２０と、その内部で軸方向に往復動するパワーステアリングロッド１０の外周面１０ａとの間に設けられている。そして、この密封装置は、外部側Ｂへ密封流体を漏らさないよう、密封流体が収容されている側Ａと外部側Ｂとの間において密封流体を密封する。なお、図１に示している密封装置は、パワーステアリング装置に装着される前である変形前の自由状態を示している。
【００１６】
この密封装置は、断面Ｌ字形の環状の芯金２と、芯金２に固定されているシール部材１と、環状のバネリング３と、環状のバックアップリング４とを備えている。
芯金２は、円筒部１４と、円筒部１４の一端部から径方向内方に折り曲げられた環状板部１５とからなる。
シール部材１は例えば合成ゴムなどの弾性部材からなり、芯金２に固定されている本体部１６と、本体部１６からロッド１０側でかつ密封流体側Ａへ延伸しているリップ部６とを有している。本体部１６は、芯金２の円筒部１４の外周側にある外周部１６ａと、内周側にある内周部１６ｂとを有し、さらに、その内周部１６ｂから径方向内方へ延びて芯金２の環状板部１５に固定されている主部１６ｃとを有している。
【００１７】
シール部材１のリップ部６は、本体部１６（主部１６ｃ）の内周側部から延出するよう形成されている。そして、主部１６ｃと連続しているリップ部６の基端部１７から先端側が、ロッド１０の外周面１０ａと摺接することができる。シール部材１は芯金２に加硫接着されている。
【００１８】
バネリング３はいわゆるガータスプリングと呼ばれるものであり、リップ部６の外周側面にある周溝１８に設けられている。バネリング３はリップ部６を径方向内方の向きに締め付けている。
バックアップリング４は樹脂製であり、密封流体が高圧になった際にリップ部６が反転するのを防止している。バックアップリング４は、シール部材１の本体部１６の内周面と、リップ６部の基端部１７内周面と、芯金２の環状板部１５の径方向内部側の側面とにより構成される凹部に装着されている。
【００１９】
シール部材１のリップ部６の内周面６ａは、図２に示すように、リップ部６の先端側（右側）に向かって縮径状となる第１傾斜面８と、この第１傾斜面８の最小径部から連続してリップ部６の先端側（右側）に向かって拡径状となる第２傾斜面９とが形成されており、第１傾斜面８と第２傾斜面９との間の前記最小径部（頂部）がリップ先端部７とされている。リップ先端部７よりも外部側Ｂの面が第１傾斜面８とされ、リップ先端部７よりも密封流体側Ａが第２傾斜面９とされている。第１傾斜面８と第２傾斜面９とは図２の断面（中心線を含む切断面）において、ともにリップ先端部７に向かって真っ直ぐである。つまり、リップ部６の断面形状は径方向内方に向けて細くなる（軸方向幅寸法が小さくなる）ほぼＶ字形とされている。
【００２０】
リップ部６の内周面６ａのうち前記第１傾斜面８において、環状の（円周方向に連続している）突起部が複数形成されており、図２では３条の突起部１１，１２，１３が形成されている。つまり、図２及び図３に示すように、リップ先端部７側から順に、第１突起部１１、第２突起部１２、及び、第３突起部１３が形成されている。そして、これら突起部１１，１２，１３は、第１傾斜面８に沿って等間隔で、それぞれが平行となるように配設されている。さらに、これらは、リップ先端部７から外部側Ｂに向かって順に突出高さが高くなるよう形成されている。
【００２１】
具体的には、リップ先端部７に最も近い側の第１突起部１１の高さ寸法ｈ１が、第２と第３の突起部１２，１３の高さ寸法ｈ２，ｈ３よりも小さく、中間の第２突起部１２の高さ寸法ｈ２が第３突起部１３の高さ寸法ｈ３よりも小さくされている（ｈ１＜ｈ２＜ｈ３）。第１突起部１１の高さ寸法ｈ１は２０〜３５μｍとされており、その外部側Ｂに隣りの第２突起部１２の高さ寸法ｈ２は４０〜６０μｍとされており、第２突起部１２の外部側Ｂに隣りの第３突起部１３の高さ寸法ｈ３は９０〜１１０μｍとされており、高さが３段階に設定されている。高さ寸法は第１傾斜面８から突起部最頂部までの寸法としている。
【００２２】
これら突起部１１，１２，１３の高さ寸法が、それぞれ上記下限値未満であると突起部１１，１２，１３が低すぎて、ロッド１０の外周面１０ａと第１傾斜面８の摺接面部との間において油膜の形成が困難となり、ロッド１０が往復動した際に摩擦抵抗が大きくなって異音が発生したり、リップ部６の耐久性を低下させてしまうおそれがある。
また、高さ寸法が上記上限値を超えると突起部１１，１２，１３の高さが高すぎて、特に突起部１１がリップ先端部７側を持ち上げて、リップ先端部７がロッド１０の外周面１０ａから浮いてしまうおそれがある。
【００２３】
突起部１１，１２，１３についてさらに詳しく説明すると、これらは断面円弧形状とされている。その円弧形状は、全ての突起部１１，１２，１３において半径が同一とされた円弧とすることができる。この場合、各突起部の円弧の中心位置は第１傾斜面８に直交する方向に順次ずれており、第１突起部１１の中心位置が、第１傾斜面８から最も離れた位置（第１傾斜面８からリップ部６内へ深い位置）となる。つまり、３条の突起部１１，１２，１３において、第１傾斜面８から、円弧形状とされた各突起部の中心位置までの距離は、リップ先端部７から外部側Ｂに向かって順に小さくなる（ｅ１＞ｅ２＞ｅ３）。これにより、突起部１１，１２，１３の突出高さを、リップ先端部７から遠ざかるほど高くできる。
【００２４】
突起部の変形例としては、図示しないが、断面円弧形状の突起部１１，１２，１３の半径が、リップ先端部７から外部側Ｂに向かって順に大きくなるようしてもよい。この場合、第１傾斜面８から、円弧形状とされた各突起部の中心位置までの距離を等しくすることができる。
これらの構成により、突起部１１，１２，１３の軸方向幅寸法（第１傾斜面８の傾斜に沿った方向の幅寸法）は、リップ先端部７から外部側Ｂに向かって順に大きくなる。これによりリップ先端部７側の突起部が小さくなり、リップ部６のへたりが大きくなってリップ部６の基端部１７側において大きくなる接触圧はリップ部６のリップ先端部７側に分散される。
【００２５】
次に、図４は図１に示している密封装置において、密封流体側Ａの圧力を１．２ＭＰａとしてＦＥＭ解析を行った結果であり、図４（ａ）は、リップ部６においてへたりが大きくなる前である使用開始初期のリップ部６のロッド１０に対する接触面圧を示した図であり、図４（ｂ）は、リップ部６におけるへたりが大きくなった後のリップ部６による接触面圧を示した図である。
図４（ａ）に示すように使用開始初期では、リップ先端部７から外部側Ｂ（左側）に向かって順に突起部１１，１２，１３における面圧が大きくなって、リップ部６はロッド１０に接触しているが、従来のもの（図７（ａ）参照）と比べると各部における面圧の大きさは均一化されており、面圧を分散させることができる。つまり、局部的に大きな面圧が生じておらず、良好な接触状態が得られる。さらに、リップ先端部７がロッド１０に接触圧をもって接触しており、リップ先端部７においても面圧を確保することができ（矢印２２部）、密封流体を密封できる。
【００２６】
次に、図４（ｂ）に示すように、リップ部６のへたりが大きくなるとリップ部６の基端部１７側が径方向内方側に変形した状態となるため、密封流体側Ａに圧力が作用することで、リップ部６の基端部１７側の傾斜面１７ａにおいてもロッド１０の外周面１０ａと接触し、面圧が生じている。そして、３条の突起部１１，１２，１３の突出高さがリップ先端部７から外部側Ｂに向かって順に高くなるようされているため、３条の突起部１１，１２，１３のうち第３突起部１３部分において最も大きな面圧が生じ、第１突起部１１において最も小さな面圧が生じる。さらに、リップ先端部７においてもロッド１０への接触圧を有し、ロッド１０との間に面圧が確保されている（矢印２１部）。これにより、密封流体側Ａと外部側Ｂとの間の密封性が維持できることが分る。
【００２７】
次に、図１に示している密封装置の漏れ試験を試験機を用いて行った結果を表１に示す。なお、比較として、図５に示しているような３条の突起部４２，４３，４４の突出高さ寸法ｈがすべて１００μｍで同じもの（従来例）と、図６に示しているような３条の突起部５２，５３，５４の突出高さがリップ先端部４１から外部側に向かって順に低くなるもの（比較例）とについても同様の試験を行った。つまり、図６の比較例は実施例と反対に、突起部の高さ寸法がリップ先端部５２側からｈ４＝１００μｍ、ｈ５＝５０μｍ、ｈ６＝３０μｍとされている。
試験条件は、各密封装置を１０個について試験を行い、ロッド１０を軸方向移動させる際に密封流体側Ａを０ＭＰａから１０．３ＭＰａまで加圧し、ロッド１０の往復サイクルを（最大）１２万回とした。油温、軸温度を１３５℃とし、実機（パワーステアリング装置）に沿うようロッド１０に軸方向に直交する方向の振動（衝撃）を加えている。すべてにおいて、密封流体として使用済みの劣化したパワーステアリング用の油を用いた。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
表１に示すように、従来例では１０個のうち３個について漏れが生じ、往復動が６．９万回〜１０．５万回でその漏れが発生している。また、比較例では６個について漏れが生じ、５．５万回〜１０．１万回でその漏れが発生している。つまり、従来例、特に比較例のものは、リップ部４０のへたりが大きくなるにつれ、リップ先端部４１に近い突起部４２，５２がリップ先端部４１側を持ち上げてリップ先端部４１が浮き上がり、漏れが発生しやすくなる。一方、実施例については、１２万回に達しても１０個のすべてについて漏れが無く、リップ先端部７はロッド１０に対する接触圧が維持されていたことがわかる。
【００３０】
以上のように、パワーステアリング装置のケーシング内周面２０と、その内側で軸方向往復動するパワーステアリングロッド１０の外周面１０ａとの間に設けられた上記実施形態による密封装置によれば、以下のような作用効果を奏する。
突起部１１，１２，１３を十分な前記高さ寸法ｈ１，ｈ２，ｈ３とし、かつ適切な寸法関係（ｈ１＜ｈ２＜ｈ３）としてリップ先端部７側の第１突起部１１の突出高さを最も低くすることで、使用開始の初期においてはもちろん、長期間使用してリップ部６のへたりが大きくなっても、リップ先端部７がロッド１０の外周面１０ａから浮き上がるのを防止して、リップ先端部７において密封流体を密封できるだけの適切な接触面圧を確保させることができる。そして、密封流体が外部側Ｂへ漏れるのを防止できる。
【００３１】
さらに、リップ部６の第１傾斜面８の摺接部分に、３条の突起部１１，１２，１３が軸方向に形成されるため、これら突起部１１，１２，１３の間がオイル溜まりとなり、ロッド１０が往復動することで、リップ部６の摺接部分にオイルが供給されて潤滑油膜を形成することができる。これにより、接触抵抗を小さくすることができ、密封装置の耐久性を高めることができ、異音の発生も抑えることができる。
【００３２】
また、本発明の密封装置は、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良く、例えば、突起部は、リップ先端部７側から順に第１突起部１１、第２突起部１２、及び、第３突起部１３の３条が少なくとも形成されていればよく、突起部を４条以上とし、これら突起部が、リップ先端部７から外部側Ｂに向かって順に突出高さが高くなるようしてもよい。
また、突起部１１，１２，１３の断面形状は円弧形状以外であってもよく、三角形、台形などとすることもできる。
さらに、突起部の間隔についても等間隔でなくてもよく、間隔が順次広く、あるいは順次狭く、などとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る密封装置の実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２】リップ部の断面図である。
【図３】リップ部に形成された突起部を説明する拡大断面図である。
【図４】本発明の密封装置のリップ部における接触面圧を説明する図であり、（ａ）はリップ部のへたりが大きくなる前である使用開始初期のもの、（ｂ）はリップ部のへたりが大きくなった後のものである。
【図５】従来例となる密封装置のリップ部の断面図である。
【図６】比較例となる密封装置のリップ部の断面図である。
【図７】従来例の密封装置のリップ部における接触面圧を説明する図であり、（ａ）はリップ部のへたりが大きくなる前である使用開始初期のもの、（ｂ）はリップ部のへたりが大きくなった後のものである。
【符号の説明】
【００３４】
６  リップ部
６ａ  内周面
７  リップ先端部
８  第１傾斜面
９  第２傾斜面
１０  ロッド
１０ａ  外周面
１１  第１突起部
１２  第２突起部
１３  第３突起部
Ａ  密封流体側
Ｂ  外部側
ｈ１  第１突起部の高さ寸法
ｈ２  第２突起部の高さ寸法
ｈ３  第３突起部の高さ寸法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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