資料

パワーステアリング用ロッドシールの摺動抵抗力低減
大林新一

境真太郎

Analysis to Reduce the Sliding Friction of Power Steering Rod Seals
S. OBAYASHI

S. SAKAI

We developed the method to reduce the sliding friction force of power steering rod seals by changing a lip
design without lowering its interference and radial load. The data of friction and various items on several
kinds of samples were analyzed in order to obtain how to reduce sliding friction force. The sliding friction
force can be possibly analyzed using the elastohydrodynamic lubrication (EHL) theory. The contact widthand oil film thickness are important factors.

1．はじめに
2．摺動抵抗力の測定

3．摺動抵抗力の解析
4．おわりにッドシールの摺動抵抗力が影響をおよぼすと言わ

1．はじめにれている．ロッドシールの摺動抵抗力が大きすぎ
パワーステアリングロッド用オイルシール（以ると，ハンドルの戻りが悪くなり，いわゆるハン下ロッドシールと称す）
は，自動車の動力操舵装置

ドルフィーリングが悪いとの指摘を受けることにの油圧シリンダに使用されており，シリンダ内のなる．

油圧作動油を密封する機能を担っている．

オイルシールの摩擦抵抗力を低減させるために軸が往復運動することで，軸とロッドシール間は，通常はリップしめしろを小さくしたり，緊迫の摩擦による摺動抵抗力は，高い油圧作用状態で力を低減する方法がとられる１〜３)．しかし，このは問題になることは少ない．しかし，油圧が小さ手法はオイルシールの密封性を低下させる懸念がい場合に問題視されることがある．例えば，走行あるため，高い信頼性を要求される高圧仕様のロ時のハンドル操作後のハンドルの戻り状態に，ロ
タイロッド

戻り弁
圧力弁
左側 右側チャンバへ
シリンダ

ピストン

インナーシールベローズ

アウターシール

図1 パワーステアリングの構造
Hydraulic power steering assembly

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

71

資−パワーステアリング用ロッドシールの摺動抵抗力低減−

料

軸の摺動方向により摺動抵抗力の値が異なるの

ッドシールでは採用することができない．
摺動抵抗力におよぼす因子を明確にし，有限要で，表1の図のA，B，２方向について測定した．

素解析を利用することにより摺動抵抗力をシミュその平均を平均摺動抵抗力とする．摺動抵抗力のレートする手法を確立した．さらに，この手法を目標値を表2に示し，現行品より約40%低減させ用いて摺動抵抗力を低減したシールを開発したのることを目標とした．

で報告する．

表2 目標諸元
Target specifications

パワーステアリングの実機ユニットの概略構造を図1に示す．ロッドシールは，シリンダの部位に２個使用される．

項目

2．摺動抵抗力の測定

従来品

目標値

しめしろ，mm

2.0

2.0

緊迫力，N

39.2

39.2

平均摺動抵抗力，N

12.3

6.9

従来手法では，オイルシールのしめしろおよび緊迫力を下げることなく，摺動抵抗力を大幅に低測定結果を表3に示す．

減させることは難しかった．そこで，摺動抵抗力

試料①：従来品であり，摺動抵抗力が大きい．

に対する設計諸元の影響を明らかにするため，７

試料②：摺動抵抗力は小さいが，しめしろが小種類の試料について，ばね入り，ばねなしの各種さすぎる．

諸元および摺動抵抗力を測定し解析した．

試料③：接触幅が大きすぎ，摺動抵抗力も大き

摺動抵抗力測定条件と測定方法を表1に示す．

い．
試料④：接触幅は小さく，摺動抵抗力も小さい

表1 測定条件および測定方法
Conditions and method of measuring sliding friction force

が，緊迫力が小さすぎる．
試料⑤：接触幅は小さく，摺動抵抗力も小さい

測定条件

測定方法

が，しめしろが小さすぎる．

温度室温

速度27mm/s

圧力

大気圧

油

PSオイル

試料⑦：接触幅は小さく，摺動抵抗力も小さい

測定値

最大摺動力が，しめしろが小さすぎる．

荷重計

ロードセル

軸径26.5mm

Ａ

試料⑥：接触幅は小さく，摺動抵抗力も小さいが，緊迫力，しめしろが共に小さすぎる．

Ｂ

表3 測定結果例
Examples of measurement results

軸上断面しめしろ，mm
緊迫力，N
接触幅，mm
平均摺動抵抗力，N

72

1.1
28.6
0.53
7.3
⑥

1.4
30.6
0.39
7.6

1.0
27.0
0.31
5.5

④

2.0
41.2
1.14
20.8
⑦

接触幅

試料

2.0
39.2
0.83
12.3
⑤

接触幅

しめしろ，mm
緊迫力，N接触幅，mm
平均摺動抵抗力，N

③

1.4
41.2
0.43
6.3

接触幅

接触幅

軸上断面

項目

②

接触幅①（従来品）

0.723.50.264.8−

接触幅

試料

接触幅

項目

−−−−−

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

資料−パワーステアリング用ロッドシールの摺動抵抗力低減−

検討が必要である．
ばね入り

そこで弾性流体潤滑(Elastohydrodynamic

ばねなし

20Lubrication: EHL)理論の応用を検討した．
相関係数Ｒ：0.63

平均摺動抵抗力, Ｎ

3．摺動抵抗力の解析
EHL理論によれば，摺動抵抗力は油粘度，軸速度，接触面積に比例し，油膜厚さに反比例する４)．

10接触部のモデルを図4，関係式を式(１)，(２)に示す．

ｐ

接触圧力分布

1020304050

シールリップ

緊迫力, ＮＢ

μオイルＤ

図2 緊迫力と摺動抵抗力の相関
Relation between radial loadand sliding friction forcehm0ｘ

緊迫力と摺動抵抗力の相関を図2に示す．
この図から，緊迫力と摺動抵抗力との間には，図4 接触部のモデル
Model of contact area

相関は認められるがばらつきが大きいことがわかる（相関係数Ｒ：0.63）．
したがって，緊迫力からは一義的に摺動抵抗力

F：摺動抵抗力，N：油粘性係数，N・s/cm２

V：軸速度，cm/s

D：軸径，cm

ばね入り

B：リップ接触幅，cm

ばねなし

hm

：最大接触圧に対応する油膜厚さ，cmp：リップ接触圧力，N/cm

次に，リップ接触幅と摺動抵抗力の相関を図3に示す．

相関係数Ｒ：0.94
平均摺動抵抗力, Ｎ<記号説明>μを決定できないと判断した．

20

軸Ｖdp/dx

２３：接触圧力勾配，N/cm(dp/dx)max ：接触最大圧力勾配，N/cm３Ｆ∝ μＶπDBhm

10hm ＝00.20.40.60.81.0

リップ接触幅, mm

図3 リップ接触幅と摺動抵抗力の相関
Relation between width of lip contact
and sliding friction force

8μＶ
9 ( dp/dx ) max（１）（２）

これらによって，摺動抵抗力に関する設計因子
は，リップ接触幅と接触圧力分布の勾配であることがわかる．
これらリップ接触幅と接触圧力分布を得るため，有限要素法を適用し，数値解析を行なった．

これは，ばらつきも小さく，強い相関が認められる（相関係数Ｒ：0.94）．リップ接触幅は重要な決定因子であることがわかる．
ただし，これだけでは摺動方向の向きによる摺動抵抗力の違いを説明することができず，さらにKOYO Engineering Journal No.157 (2000)73

−パワーステアリング用ロッドシールの摺動抵抗力低減−

0

軸表面接触圧力, MPa
123

資料

4

軸表面

（ａ）シールの自由状態と組付状態（ｂ）接触圧力分布

図5 有限要素解析結果事例
Example of FEM analysis
30

有限要素法による解析例を図5に示す．リップ
表１のＡ方向全体を粗く要素分割し，リップ先端部は細分割す

測定摺動抵抗力, Ｎ

表１のＢ方向る方法を採用した．ばね荷重は，節点に等しくかかるように換算し与えた．ゴムの材料定数は，20
相関係数Ｒ：0.98

NBR相当材料のものを使用した．
表 3 に示す試料について有限要素解析を行ない，得られた結果から算出した理論値と，測定値10の対比を図6に示す．摺動抵抗力の方向に関わらず，理論値と測定値は良く一致した．
この手法を応用して開発品を設計し試作した結果，ほぼ予測した通りの結果が得られた．

00.1

0.2

0.3

開発品の形状と特性をまとめたものを表4に示

理論値（μVπDB/hm）,Ｎす．ほぼ，目標値を満足していることがわかる．

図6 理論値と測定値の比較
Comparison between calculated and measured data

表4 開発品の性能
Summary of developed design and characteristics
試料項目

従来品

開発品

−形状

しめしろ，mm
緊迫力，N接触幅，mm
平均摺動抵抗力，N74

目標値

2.039.2
0.83
12.3

1.9
38.2
0.37
6.8

2.039.2−
6.9

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

資料−パワーステアリング用ロッドシールの摺動抵抗力低減−

4．おわりに
１．EHL理論から，オイルシールの摺動抵抗力の検討には，リップ接触幅と油膜厚さが重要であることがわかった．これらを考慮することにより，緊迫力を低減させることなく，従来品より摺動抵抗力だけを約40%低減したオイルシールの開発が可能となった．背反する顧客の要望を克服したロッドシールの開発と理論に裏付けられた設計手法を確立することができた．
２．オイルシールの接触状態の検討には，有限要素法が非常に有用であることがわかった．リップの接触角，接触幅および接触圧力分布を求めることが可能で，より詳細な設計検討が可能となる．

参考文献
１）W. M. Riley：Rack seal evaluation (1981) CREngineering Report.
２）A. Heins：Steering gear drag test study on
microstoned shaft (1986) CR EngineeringReport.
３）L. Horve：Steering rack seal test (1987) CR
Engineering Report.
４) 平野冨士夫：潤滑，vol. 18，no. ８ (1973) 597．

筆 者

大林新一*
S. OBAYASHI*

境 真太郎*
S. SAKAI

光洋シーリングテクノ株式会社
技術部

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

75