JP2019060368A - 密封構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】低摩擦であり、安定したシール性能も発揮する密封構造体を提供する。【解決手段】シール凹溝３の低圧側の溝側面３０が、溝内方向へ傾いた傾斜状であり、これに内装される樹脂リング４は、シール凹溝３の傾斜状の溝側面３０に当接する低圧側勾配面８を、有する。【選択図】図３

Description

本発明は、密封構造体に係り、特に、低摩擦の運動用密封構造体に関する。

自動車の無段変速機（ＣＶＴ）や、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）等にあっては、流体密封構造として樹脂リングが使用され、低リーク，低摩耗性及び低トルク等の特性が要求される。
例えば、従来、図６に示すような横断面矩形の樹脂リング40が、横断面矩形のシール凹溝41に内装されて、相対的に回転Ｒ₄₆又は直線運動Ｎ₄₆する第１部材46と第２部材47の間隙42を密封する密封構造が用いられてきた。
近年、環境問題対策として自動車の低燃費化が要望され、上記樹脂リング40とシール凹溝41から成る密封構造体についても、摺動（摩擦）抵抗の低減が強く求められている。
従来例を示す図６に於て、樹脂リング40の第２部材47に対する接触幅Ｗ₁ ´を小さく設定する程、摺動（摩擦）抵抗が低下できる。
即ち、樹脂リング40の底面40Ａの受圧面積が、横断面矩形状の樹脂リング40の幅寸法（軸方向寸法）を小さくすれば、減少するため、第２部材47に対する押圧力Ｋは、接触幅Ｗ₁ ´の小さな図６（Ｂ）の方が同図（Ａ）よりも小さい。

しかしながら、図６（Ｂ）のように接触幅Ｗ₁ ´を小さくすると、シール凹溝41内での樹脂リング40の姿勢が不安定となり、流体漏れの虞が生ずる。これは、樹脂リング40の全体の径が大きくなる程、顕著になる。後述する図５に於て、Ｗ₁ ´＝ 1.1mmの樹脂リング40にあっては、試験中に姿勢が不安定となり流体漏れが多く、摩擦抵抗の測定ができなくなった。
そこで、従来、姿勢が安定して、流体漏れが少なく、かつ、摺動抵抗が小さい樹脂リング（シールリング）として複雑な切欠きや小孔や小凸部を形成したものが提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／１９６４０３号

上記特許文献１に記載の樹脂リングは、シール凹溝内での姿勢が安定して、摺動抵抗が小さいという利点があるが、複雑な切欠きや小孔や小凸部を有するため、応力集中による疲労破損を発生する虞があって、自動車のＣＶＴ，ＡＴ等の内部密封構造の故障や寿命の面で、不安があるといえる。
そこで、本発明は、接触幅を小さく設定して、摺動（摩擦）抵抗を十分低く抑制可能であり、しかも、姿勢が安定し、流体漏れを生じにくく、耐久性にも優れた密封構造体を提供することを、目的とする。

そこで、本発明は、シール凹溝と、該シール凹溝に内装される樹脂リングを、備えた密封構造体に於て；上記シール凹溝の低圧側の溝側面が、溝内方向へ傾いた傾斜状に形成され；上記樹脂リングは、上記溝側面に平行状に対応すると共に、受圧状態で上記溝側面に当接する低圧側勾配面を、備えている構成としている。

本発明によれば、樹脂リングに複雑な切欠き、小孔、小凸部を有さないシンプルな横断面として、疲労破損の発生の虞がなく、耐久性と信頼性に優れ、かつ、摺動（摩擦）抵抗が安定して十分に低く抑えられ、シール凹溝内での姿勢も安定し、流体漏れも生じにくく、密封性能が優れている。

本発明の実施の形態を作用と共に示した要部断面図であって、（Ａ）は接触幅の大きい場合、（Ｂ）は接触幅の小さい場合を示す図である。 接触幅の大きい場合の圧力分布及び作用の説明のための拡大要部断面図である。 接触幅の小さい場合の圧力分布及び作用の説明のための拡大要部断面図である。 ＦＥＭ解析によって押圧力Ｋの値を求めるための、横断面形状と寸法が相違する樹脂リングを、説明するための図である。 横軸に圧力Ｐをとり、縦軸に摩擦抵抗Ｙをとって示したグラフ図であり、本発明と従来例とを比較したグラフ図である。 寸法・形状の異なる２種類の従来例を比較のために示した作用説明用要部断面図であって、（Ａ）は接触幅が大きい場合、（Ｂ）は接触幅が小さい場合を示す。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１〜図３に示すように、第１部材１にはシール凹溝３が設けられ、このシール凹溝３には樹脂リング４が内装微小間隙６を介して、又は、摺動自在に当接状として、第２部材２が、対面する。21，22は、相互に対面した対応面を示す。図１では、第１部材１が一軸心Ｌ₁ 廻りに回転Ｒ₁ する回転軸や各種回転体から成り、又は、点線の矢印Ｎ₁ とその逆方向に、直線移動するピストン等の直線往復体から成り、（図１に於ては、）対応面21は円形外周面を示し、対応面22は円形内周面を示す。
なお、逆に、第２部材２が回転軸や各種回転体とし、又は、直線往復体とすることも、自由であって、その場合には、対応面21は円形内周面、対応面22は円形外周面となる。

自動車のＡＴ（Automatic Transmission ）の内部に於て、作動油等を密封するのに使用され、あるいは、ＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）の内部に於て、作動油等を密封するのに使用される。

図１〜図４に示すように、シール凹溝３の断面形状は、いわゆる（片）蟻溝状であって、溝底面11の幅寸法よりも、溝開口幅寸法が、小さく設定されている。
このシール凹溝３の低圧側Ｌの溝側面30は、溝内方向―――溝底面11に近づく方向―――に傾いた傾斜状として形成される。他方、シール凹溝３の高圧側Ｈの溝側面31は、断面形状に於て、溝底面11と直角を成す。
低圧側Ｌの上記溝側面30が溝底面11と成す角度θは、30°〜80°とする。好ましくは、35°〜70°であって、特に、望ましいのは、40°〜60°である。下限値未満では、シール凹溝３の（溝底面11寄りの）溝幅寸法が過大となり、コンパクト化を阻害する。逆に、上限値を越すと、（後述するところの）低摩擦効果がほとんど得られなくなる。

そして、樹脂リング４は、横断面形状が、略台形状であって、傾斜状の上記溝側面30に、平行状に対応して、受圧状態で溝側面30に当接する低圧側勾配面８を、有する。材質は、充填材入りＰＰＳやＰＴＦＥやＰＥＥＫ等が使用される。また、樹脂リング４の全体形状は、閉円環状の場合と、円周一箇所に合せ目（切れ目）を有する円環状の場合が、ある。

次に、図４に示したような従来例（従来品）（Ａ）と、本発明実施品（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）について、流体圧力６ＭPa時の押圧力Ｋを、ＦＥＭ解析によって求めた。なお、Ｔは厚さ寸法、Ｗ₁ ´，Ｗ₁ は接触幅を示す。
従来例（従来品）（Ａ）と、本発明実施品（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の各々が、第２部材47，２の対応面を押圧する力―――押圧力Ｋ―――の値は、次の表１の通りであった。

上記表１のＦＥＭ解析結果から以下のことが判る。
(ｉ) 接触幅Ｗ₁ ´，Ｗ₁ の大小によって、押圧力Ｋは、大きく変化する。
(ii) 本発明に係る横断面形状であっても、従来品の矩形であっても、接触幅が同一ならば同一の押圧力Ｋが得られる。
(iii) 厚さ寸法Ｔは押圧力Ｋの大小に影響しない。
(iv) 接触幅Ｗ₁ が最小の実施品Ｄの押圧力Ｋは最小値を示した。
(ｖ) 第２部材47，２のシール摺接面（対応面22）と樹脂リング（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）との摩擦係数μを同一と仮定すれば、摩擦抵抗Ｙは、Ｙ＝μ・Ｋとなる。従って、摩擦抵抗Ｙについては、接触幅Ｗ₁ が最小の実施品Ｄが最小値を示し、従来品（Ａ）及び実施品（Ｂ）（Ｃ）は（大き目の）同一値を示す。

以上のような考察 (ｉ) 〜 (ｖ) について、図２，図３に示した樹脂リング４の各部位に作用する流体圧力Ｐ、及び、第１・第２部材１，２から樹脂リング４に作用する反力を、技術的に分析・検討して、上記考察 (ｉ) 〜 (ｖ) に間違いのないことを、以下、説明する。
図２，図３に於て、本発明の樹脂リング４に作用する流体圧力Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ を３区域に分けて説明する。

即ち、２点鎖線９をもって、樹脂リング４を矩形部12と三角形部13に仮に区画する。この２点鎖線９は、横断面台形状の樹脂リング４の上辺部14及び下辺部15に垂直に交わる直線である。
この三角形部13に作用する外力は、下辺の第２区域圧力Ｐ₂ と、（図２，図３に於て２点鎖線９で示した）右辺に対して第３区域圧力Ｐ₃ が矩形部12を介して伝達される圧力Ｐ₃と、傾斜状溝側面30から勾配面８に作用する反力Ｆ₂₀が、存在すると考えられる。

しかし、第２区域圧力Ｐ₂ と第３区域圧力Ｐ₃ の合力は、反力Ｆ₂₀と釣合う。言い換えると、第２区域圧力Ｐ₂ は、傾斜状溝側面30からの反力Ｆ₂₀の（図２，図３の）下方向への分力によって、打ち消される。即ち、この第２区域圧力Ｐ₂ は、傾斜状溝側面30によって巧妙に打消され、第２部材２に対する押圧力Ｋ（図１及び図４（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）参照）の増大化に加担しない。
故に、第１区域圧力Ｐ₁ のみが、第２部材２に対する押圧力Ｋとして、作用する。つまり、仮想矩形部12の上辺に対して、第２部材２の対応面22から作用する反力Ｆ₀ は、第１区域圧力Ｐ₁ と相等しくなる。

このように、前記考察 (ｉ) 〜 (ｖ) が技術的に正しいことが一層明らかとなった。
図３の実施例のものは、図２に比較して、接触幅Ｗ₁ が小さく設定されているので、押圧力Ｋが小さくなり、これに比例して、摩擦抵抗Ｙが小さい。

次に、図５は、横軸に流体圧力Ｐをとり、縦軸に摩擦抵抗Ｙをとって示したグラフ図である。なお、摩擦抵抗Ｙは、樹脂リングを２個使用した場合の数値である。
試験条件等は、次の通りである。
流体 ： ＡＴＦ油
速度 ： ２０mm／ｓ
各樹脂リングの材質 ： 充填剤入りＰＰＳ
各樹脂リングの全体の外径寸法 ： １４３mm
図５に於て、実線（イ）は図４（Ｂ）に示す実施品（Ｂ）であり、実線（ロ）は、図４（Ｄ）の接触幅Ｗ₁ を、 1.1mmまで、さらに小さく設定したもの（図３参照）である。また、実線（ハ）は図４（Ａ）に示す従来品である。破線（ニ）は図４（Ａ）から接触幅Ｗ₁ ´を減少して 1.1mmとしたものである（図６（Ｂ）相当品）。
なお、破線（ニ）は受圧状態で凹溝41内での姿勢が安定せず、流体漏れのため試験が続行不可であった。

この図５の実線（ロ）から、本発明の実施品は、凹溝３内で圧力Ｐの高低にかかわらず姿勢が安定しており、接触幅Ｗ₁ を小さくして、摩擦抵抗Ｙを十分軽減することができることが、判る。しかも、流体漏れの少ない点も確認できた。さらに、スティックスリップの発生し難い利点も確認できた。

ところで、本発明では、いわゆる蟻溝状のシール凹溝を有しているため、一体溝とすると樹脂リング４の装着が困難な場合もある。そのような場合には、シール凹溝を分割構造として、樹脂リング４の装着（組立て）を容易（可能）とすればよい。あるいは、樹脂リング４を、合せ部（合口）のある円環状とすればよい。
また、本発明に係る樹脂リング４は、その横断面形状が、くさび状であり、接触幅Ｗ₁ を小さくして摩擦抵抗Ｙを十分低減できると共に、断面積を大きく確保可能なため、シール凹溝３内での姿勢が安定し、流体漏れが極めて少ない。

本発明は、以上詳述したように、シール凹溝３と、該シール凹溝３に内装される樹脂リング４を、備えた密封構造体に於て；上記シール凹溝３の低圧側Ｌの溝側面30が、溝内方向へ傾いた傾斜状に形成され；上記樹脂リング４は、上記溝側面30に平行状に対応すると共に、受圧状態で上記溝側面30に当接する低圧側勾配面８を、備えている構成であるので、接触幅Ｗ₁ を小さく設定して、摩擦抵抗Ｙを十分低く抑えることが可能となる。しかも、シール凹溝３内で樹脂リング４の姿勢が常に安定し、上記接触幅Ｗ₁ を小さく設定しても、樹脂リング４の剛性を十分に大きく設定可能である。このようにして、流体漏れも生じにくく、耐久性も優れ、安定した高い密封性能を発揮する。シール凹溝に、いわゆる蟻溝を適用するのは、従来は、静的な固定密封構造のみであったのに対し、本発明では、動的（摺動）部位の密封に、適用可能とした発明である。特に、自動車の無段変速機（ＣＶＴ）、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）等に好適であって、低トルク，低摩耗性，低リーク等の厳しい要求にも対応可能な密封構造体である。

３ シール凹溝
４ 樹脂リング
８ 低圧側勾配面
30 溝側面
Ｌ 低圧側
Ｗ₁ 接触幅

Claims (1)

1. シール凹溝（３）と、該シール凹溝（３）に内装される樹脂リング（４）を、備えた密封構造体に於て、
   上記シール凹溝（３）の低圧側（Ｌ）の溝側面（30）が、溝内方向へ傾いた傾斜状に形成され、
   上記樹脂リング（４）は、上記溝側面（30）に平行状に対応すると共に、受圧状態で上記溝側面（30）に当接する低圧側勾配面（８）を、備えていることを特徴とする密封構造体。

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