資料

オイルシールにおけるスラッジ発生と密封性能に及ぼす影響
藤江浩也

田村委三

富山利弘

安井啓剛

Influence of Sludge on Seal Performance
K. FUJIE T. TAMURA

T.TOMIYAMAH.YASUI

There is a case of leakage caused by improper lip contact due to the build-up of sludge on the lip area.
Sludge, which is mainly carbide, is generated typically from aged oil under high temperature (more than150℃) conditions. However, it is sometimes generated in driving systems such as transfers undercomparatively low temperature.
In this paper, We analyzed the mechanism of sludge generation and optimized the seal design to avoid
leakage under this environment.

1．はじめに
2．スラッジ発生の状況
3．分析
3.1
3.2

劣化油（スラッジ発生油）の分析
スラッジ発生シールの調査

3.3

スラッジの分析

4．スラッジ発生要因の解析
4.1
4.2

スラッジ発生要因の推定
スラッジ発生要因の検証

5．シール設計の最適化
5.1

設計の着眼点

5.2

確認試験

6．おわりに1．はじめにルのスラッジに対する性能を向上させることができた．

オイルシールの油漏れの原因の１つとして，シールリップしゅう動部に堆積するスラッジがある．この場合，まずシールリップしゅう動部にスラッジが堆積し，そして堆積したスラッジにき裂が発生すること，あるいは堆積したスラッジにより軸およびシールリップが大きく摩耗することによって，シールリップと軸の良好な

2．スラッジ発生の状況
図 1 にトランスファ（以下T/Fと称す）の全体図を示す．本報で対象とするオイルシールの使用箇所は，図の○印の部分である．このオイルシールの前にトランスミッションがある．

接触状態が損なわれ油漏れが発生することにな

プラネタリスプラインピース
リヤアウトプットシャフトる．
このようなスラッジは，一般に高温条件下（150℃以上）で発生し，その主な成分は油の炭化オイルシール物である．したがって，エンジンのクランクシ
ャフト用シールのように使用温度条件が高い場合（トラに発生しやすい1, 2）.しかし，自動車の駆動系インプットシャフト

ンスミッション，トランスファなど）のような比較的低い温度条件下でも，発生する場合がある．

オイルポンプ

本報では，油漏れ発生シール現品の調査，スラッジ成分の分析により，比較的低い温度環境下でのスラッジの発生メカニズムを推定した．
また，そのような環境下で使用されるシールの最適設計についても検討した．その結果，シー

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

オイルストレーナ

図1

トランスファ全体図
Transfer55

−オイルシールにおけるスラッジ発生と密封性能に及ぼす影響−

資料

T/Fの使用条件を表 1 に示す．A, BではT/Fの134℃と低く，油が炭化するとは考えにくい温度

構造が異なるため，ドレーン部の油温が同じでも，である．したがって，この段階では，スラッジシール近傍部の油温が異なっている．

発生の原因は不明であった．

表 1 T/F使用条件
Transfer case environment
T/Fタイプ

3．分析
3.1

ＡＢ

ドレーン部油温，℃

120120シール近傍温度，℃

123134

スラッジ堆積

無有

油漏れ

無有

項目

劣化油（スラッジ発生油）の分析

試験後の実機からの回収油および新油の分析
結果を，表 2 に示す．赤外線分光分析（IR分析），全酸価測定結果ともに，新油と回収油に大きな差は認められず，回収油は特に劣化していないことがわかった．

表 2 油の分析結果
Analysis of oil

それぞれのシールリップしゅう動部状況を図 2
項目に示す．

IR分析

全酸価，mgKOH/g

実機回収油

酸化劣化なし1.32

新油

酸化劣化なし

1.02

試料

3.2

スラッジ発生シールの調査

スラッジ堆積により油漏れが発生したシールと油漏れのないシールについて，調査をした結果を表 3 に示す．油漏れ品は，ややゴム硬度が大きくなっているが，硬化は少ない．このことから，シール周辺の雰囲気温度は極端に高温でリップしゅう動部 T/F Ａ

T/F Ｂはなかったと推測できる．
これに対し，油漏れ品は漏れなし品と比較して，ばね自由長が1.2mm長くなっており，ばね自由長が伸ばされたことにより，緊迫力，しめしろが低下している．

表 3 シール諸寸法
Seal property after test

透明軸での接触状態 T/F Ａ

T/F Ｂ

T/F Ａ：リップしゅう動部にスラッジの堆積はなく接触状態は良好
T/F Ｂ：リップしゅう動部にスラッジが堆積し，接触切れが発生

試料

ばね
項目 しめしろ， 緊迫力， ゴム硬度，自由長，（ JIS A)mm
Nmm

油漏れ品

1.1410.678134.4

漏れなし品

1.3117.175133.2

ばね観察結果を，図 3, 4 に示す．この図から

図 2 シールリップのしゅう動部状況
Conditions of lip contact

分かるように，漏れなし品のばねのコイル間にＡの条件下では，シールリップしゅう動部にスイル間にはスラッジが堆積している．このスララッジの堆積はなく，接触状態も良好である．

ッジにより，ばね自由長が長くなったものと判

一方，Ｂの条件下では，スラッジが堆積し，リ断できる．

はスラッジの堆積がなく，油漏れ品のばねのコップ接触部に不連続箇所が存在する．このような接触切れによって，油漏れが発生する．しかし，このＢの場合でも，シール近傍部の油温は56

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資料−オイルシールにおけるスラッジ発生と密封性能に及ぼす影響−

以上のことから，銅がスラッジ発生の大きな要因である可能性が高いことが分かる．
K cps
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
3.000

20.00040.00060.00070.000

Cu S
Cu1.8 SCu7 S4
Cu31 S16
Cu2 S

図 3 油漏れ品のばね
Spring of seal with leak

図 5 Ｘ線回析分析結果
X-ray diffraction analysis of sludge

4. スラッジ発生要因の解析
4.1

スラッジ発生要因の推定

前節で，銅がスラッジ発生の大きな要因であることがわかったが，その他の要因も考慮し，絞り込むために，以下の４要因による作用を仮定した．
仮説q：温度により油劣化が進行する．
仮説w：空気の混入により，油劣化が促進される.
仮説e：鉄が，油劣化を促進する触媒として働く.
仮説r：銅が油中に溶込み，リップ部に析出する.

4.2

スラッジ発生要因の検証

前節の4要因について，検証するための試験を

図 4 漏れなし品のばね
Spring of seal with no leak age leakage

実施した．その試験条件を表 5 に，試験結果を表 6 に示す．各番号は，仮説番号に対応している．

3.3

スラッジの分析
表 5 試験条件Test condition

シールに付着したスラッジを，SEMにより，元素分析した結果を表 4 に示す．

表 4 スラッジの成分元素
Element analysis of sludge
元素

wt%

元素

wt%

AlSi
S
Ca

6.30
10.73
48.120.52

FeCuZn

7.10
18.45
8.68

回転数

5 300min−1

油種

SAE 75W-90 (GL-3)

油量

軸中心の油レベル

試験時間

120h

軸偏心0.20mmTIR検出された元素のほとんどは，ゴムあるいは油に含有されているものであったが，含まれるはずのない銅（Cu）が比較的多量検出された．
さらに，このスラッジを定性分析（Ｘ線回折分析）した結果を図 5 に示す．この結果，銅は硫化の形で存在することが判明した．
銅（CuxS）

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)57

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表 6 スラッジ発生要因の検証（1）
Investigation of cause of sludge generation (1)

試験
No.

油温，触媒
空気℃
（Fe）

料

次に，実機からの回収油を用いて試験を実施
すると，表 7 のような結果が得られた．表から分かるように回収油を用いると，容易にスラッ

要因組合せ（◯：適用，−：無）

油

資

結果
（スラッジ発生の有無）
Cu

1

新油

◯

−−−135℃および150℃：無160℃：発生

2

新油

135

◯

−−

無3

新油

135−

◯−

無4

新油

135−−

◯

発生（図 6 参照）

ジが堆積する（図 7 ）．しかし，その劣化油を再度用いて試験を実施した場合には，スラッジはほとんど認められなかった（図 8 ）．

表 7 スラッジ発生要因の検証(2)Investigation of cause of sludge generation (2)
試験
No.

油油温，℃

結果（スラッジの発生の有無）

5

回収油

135

発生（図 7 ）

6回収油（再使用）

135

無（図 8 ）

試験１は温度要因についての試験結果である．
この場合には，160℃以上の油温でなければ，スラッジは発生しない．
試験２は，空気の混入により，油劣化の促進を狙った試験であるが，スラッジは発生しなかった．
試験３は，鉄を触媒として用い油劣化促進を狙った試験であるが，試験２と同様にスラッジは発生しなかった．
試験４は，銅を油中に混入し溶解させた試験であるが，この場合にのみスラッジが発生した（図 6 ）.
以上のことから，仮説rが，今回のような比較的低温下でのスラッジの発生を説明しているものと判断できる．

図 6 試験4で発生したスラッジ
Generated sludge on test no. 458

図 7 試験 5 で発生したスラッジ
Generated sludge on test no. 5

図8

試験 6 でのリップしゅう動部
Lip contact area of test no. 6

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

資料−オイルシールにおけるスラッジ発生と密封性能に及ぼす影響−

この試験で用いた劣化油について，ICPによっ

まず，135℃の油温で実機内の銅部品から油中て，成分濃度を調査した結果を図 9 に示す．こに銅イオンが溶出し，この銅イオンが，油中のの中で銅成分が急激な変化を示している．新油

硫黄系添加剤と反応して硫化銅となる．硫化銅の状態では銅はほとんど存在しないが，実機回生成反応は高温部で起こりやすく，温度が高い収油にはかなり多く存在する．そして，試験でリップしゅう動部近傍で集中的に起きたと推定

使用すると銅濃度は急激に低下することが分かされる．

る．他の成分には，このような急激な変化は認

5. シール設計の最適化められない．
このことから，銅がスラッジとして堆積し，消費されたことが分かる．また，銅は実機内の銅部品より溶出したものと判断できる．

設計の着眼点以上より，スラッジを発生させないためには，銅系部品の削減，油の変更の２つが，根本的な前節までのことから，スラッジ発生メカニズ
ムは図 10 のように推定できる．
100

5.1

解決法となる．今回以下の２点に着目しシールデザインの改良で対応をすすめた．
q緊迫力を小さくすることにより，リップしゅ

98

96

う動部の発熱を低減し，硫化銅の生成を抑制

91

92
9085

Al

8280する．
wヘリックスタイプ改良品を採用することにより，ポンプ量を増加させ，スラッジのリップ直下での生成を低減する．

濃度，μ g / g

これらを考慮し，表 8 の試料を製作し，効果6060を確認した．
Fe50

表 8 試料内容
Tested samples

Cu
40

項目

緊迫力，Ｎ

シールタイプ

従来品

18.6

プレーン

改良品

13.7（−30％）

ヘリックス試料20
9
スラッジ堆積
劣化油

１回目
試験後

２回目
試験後

図 9 油中に含まれる元素濃度（Cu, Al, Fe）
Element concentration in oil (Cu, Al, Fe)

実機に使用されている銅部品＋135℃油温＋＋Cu イオンの溶出

5.2

確認試験

5.2.1

リップ温度測定結果

結果を図 11 に示したが従来品に比べ，改良品
は約５℃温度が低い．

リップ近傍温度，℃0
新油6

従来品
140
改良品

油温

油中のＳ系添加物
130
銅の硫化物生成（CuS）

図 10 スラッジ堆積のメカニズム
Sludge generation mechanism

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

00.20.4

0.60.8

軸偏心，mmTIR

図 11 軸偏心とリップ近傍温度（5 300min−1）−1
Shaft eccentricity and lip area temperature (at 5 300min )59

−オイルシールにおけるスラッジ発生と密封性能に及ぼす影響−

5.2.2

資料

ポンプ量測定結果

結果を図 12 に示す．改良品のポンプ量は従来品の約200倍となっている．
3.5

ポンプ量，×10−83m /s

32.521.5

図 14

リップしゅう動部（従来品）
Lip area (current)

図 15

リップしゅう動部（改良品）
Lip area (new)

10.50

従来品

改良品

図 12 ポンプ量（2 000min−1）−1
Pump rate (at 2 000min )5.2.3

スラッジ環境下での寿命結果を図 13 に示す．試験条件はスラッジ要因検証試験の試験４と同じである．従来品の寿命は約500時間であった．リップしゅう動部を図 14に示す．従来品はリップしゅう動部にスラッジが堆積し，これにより油漏れが発生している．
改良品は約1 500時間の寿命であった．リップしゅう動部を図 15 に示す．この場合は，スラッ6．おわりにジの堆積は認められず，油漏れ原因は，高温試
験条件におけるゴム硬化によるリップの追随性比較的低い温度条件下で発生するスラッジの原因は，以下のとおりである．

低下である．
このことから，改良品は従来品に比べ，スラッジに対する性能が向上していることが分かる．

1）実機内部の銅部品から，油中に銅イオンが溶出する．
2）銅イオンが油中の硫黄と反応し，硫化銅がリップ近傍に生成し，リップしゅう動部に堆積改良品する．
スラッジを軽減するには，シールデザイン面で1）オイルシールの緊迫力を低減する．

従来品

2）オイルシールをヘリックスシールとする．
0500

1 000

1 500

油漏れ発生時間，h

図 13 スラッジ環境下での寿命
Seal life under sludge environment

60

2 000の２点を考慮することである．このことにより，スラッジ環境下でのシール寿命を従来品の３倍以上にすることができた．

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

資料−オイルシールにおけるスラッジ発生と密封性能に及ぼす影響−

参考文献
１）H. Deuring：SAE Technical Paper Series
880300.
２）S. Ohkawa, K. Iwakata, K. Tikugo：SAE
Technical Paper Series 900337.

著

者

藤江浩也*
K. FUJIE

田村委三*
T. TAMURA

富山利弘*
T. TOMIYAMA安井啓剛*
H. YASUI* 光洋シカゴローハイド（株）
技術部

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

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