オイルシールの設計・開発

オイルシール構造の設計は、主に使用条件、組立条件、環境条件に基づいて行われます。シール性能、耐用年数、材質、製造プロセス、経済性などの要素を考慮する必要があります。オイルシールを設計するときは、まず適切なシール材質を選択します。使用されるゴム配合配合は、耐熱性、耐油性、耐摩耗性、および良好なプロセス性能の要件を満たす合理的な特性の組み合わせを提供する必要があります。

オイルシールの使用パラメータと設計パラメータ
 

構造設計では、使用するパラメータと設計パラメータに互換性がある必要があります。設計パラメータと使用されるパラメータの関係を表 1 に示します。

オイルシールの構造を設計する際には、下図に示す構造パラメータを考慮する必要があります。

(1) リップ干渉(d-d1)

しめしろが大きいとリップが伸びすぎて経年劣化や摩耗が発生し、寿命が低下します。しめしろが小さいとシール性が悪くなります。しめしろはリップ全体のラジアル力に関係しますので総合的に考慮する必要があります。表2に示す干渉値は参考値です。

表2 軸径別のしめしろ

(2)スプリング位置「R」値

この値は設計上の理論上の接触幅です。 「R」の値が大きいほど、接触幅が増加し、摩擦が増加します。 「R」の値が小さいとシールができません。表3のスプリング位置の「R」値は参考値です。

(3)ウエスト丈

ウエスト長によるラジアル力は、オイルシールリップのラジアル力の約50％となります。ラジアル力を低く維持することが重要です。これを実現する 1 つの方法は、オイルシールのウエストの長さを延長することです。ただし、オイルシールの外径は一般的に規格化されています。標準化されていない組み立てスペースでも、この幅は制限されます。そのため、ウエストの直線の長さには限界があります。この問題は、ウエストの直線部分から曲線部分を導出することで解決できます。

(4)ウエスト部の厚み

実験の結果、低圧力下でも図(A)のような変形が起こりやすいことが分かりました。単にウエストを太くするだけではリップの偏心追従性が損なわれます。ウエストが太くなるとスプリングの作用が弱くなり、ウエストが薄い場合に比べて偏心追従性が低下します。ウエストの変形と追従性の矛盾を解決するには、図(B)に示すようにウエストを再形成することをお勧めします。偏心追従性を損なうことなく腰剛性を向上させます。

(5) ヘッドトップの長さ

オイルシールの断面図では、ヘッドトップ長さ（t）がバネ溝半径（r）と等しくなるように設計されているものもあります。しかし、使用中にスプリングが脱落することがよくあります。ばねの脱落を防ぐために、設計では t が r より大きく、少なくとも次の関係を満たすようにする必要があります: t = 4/3 r。

(6) バネ溝形状

多くのオイルシールは、バネ溝の設計を誤り、バネ溝半径（R）とバネ円半径（r）を異なる値に設計しています。実験による検証により、一部のオイル シール リップには 2 つの接触ゾーンがあることが判明しました。したがって、R=r のとき、リップの応力分布状態は最良であり、接触ゾーンは 1 つだけです。しかし、成型加工やゴムの収縮などにより、製造上両者を完全に一致させることが難しい場合が多いです。 2 つの間の小さな差を維持する唯一の方法は、2 つの間の小さな差を維持することです。

(7) メタルフレーム設計

金属フレームの主な機能は、オイルシールの構造剛性を強化することです。その厚みや構成方法はオイルシールの使用条件や組み付け条件により異なります。

(8) スプリングコイル

オイルシールに使用されるスプリングにはガータースプリングと板スプリングの2種類があります。ガーター スプリングは 2 つのスプリングのうち最も一般的に使用されます。ばねの直径、延長長さ、ワイヤコイルの数の計算については、関連する規格および機械設計マニュアルを参照してください。

(9) ラジアルフォース

ラジアルフォースは非常に重要なパラメータです。オイルシールの性能に及ぼす影響は次のように要約されます。

1. ラジアル力が小さすぎるとシール性能が低下します。 2. ラジアル力が大きすぎると摩耗が発生し、寿命が短くなります。 3. ラジアル力は、接触領域の摩擦と温度に直接影響します。ラジアルフォースが大きすぎると、摩擦により大きな熱が発生し、リップの老化が促進されます。 4. シャフトの摩耗はラジアル力によっても影響されます。 5. シャフトとハウジングが偏心している場合、リップが適切な追従性を確保するために、適切なラジアル力を適用する必要があります。 6. 半径方向の力により、媒体の動作圧力が制限されます。媒体圧力が高すぎるとラジアル力がさらに増大し、オイルシールの寿命が短くなります。

オイルシール材質

現在、オイルシールは主に合成ゴムから製造されています。オイルシールは、その選定や構造設計がシール性能や寿命を左右する重要な要素であるため、ゴムの特性を正確に理解し、適切な材質を選択することが重要です。オイル シールに最適なゴム材料は、オイル シールの関連パラメータに基づいて決定する必要があります。シャフトにかかるラジアル力は、漏れを防ぐのに十分な大きさである必要がありますが、摩擦熱を低く抑えるために一定の油膜厚さを維持するのに十分なほど低い必要があります。シールには、動作中の偏心の影響を克服するのに十分な締まりばめが必要です。接触ゾーンの唇の面積も決定要因です。

オイルシールの材質はこれら 3 つのパラメータに直接影響します。材料が時間や温度とともに変化すると、主要なパラメータもそれに応じて変化します。たとえば、温度が上昇すると、材料の弾性率が低下し、ラジアル力に変化が生じます。熱膨張、シール媒体によって引き起こされる材料の膨張、ゴムコンパウンドの硬度はすべて、ラジアル力と締まりばめに影響を与えます。

このため、オイルシールの材質を選定する際には、シール媒体との相溶性、シール媒体による膨潤や硬化のしにくさ、シール媒体による耐膨潤性、硬化性などの特性を考慮する必要があります。優れた耐熱性と耐摩耗性。適度な弾性があり、シャフトの粗さや偏心の変化に対応します。

ゴム材料配合は常に進化しており、新しい材料が出現し、既存の材料が常に改良されているため、オイル シールに最も一般的に使用される材料、ニトリルゴム (NBR)、ポリアクリル酸ゴム (PAR)、シリコーンゴム、フッ素ゴム (FKM)、およびポリテトラフルオロエチレン (PTFE) について簡単に説明します。

ニトリルゴム

NBR は、シールの製造に組み合わせられる他のすべてのエラストマーよりも大量に使用される場合があります。 NBR はブタジエンとプロピレンのコポリマーで、プロピレン含有量は 18% ～ 40% です。プロピレン含有量が低、中、高に分類されます。 NBR の耐油性はプロピレン含有量とともに増加しますが、低温での柔軟性は低下します。優れた低温性能を実現するには、高温の燃料やオイルに対する耐性がある程度犠牲になることがよくあります。ニトリルゴムは優れた物理的特性を備えており、他のほとんどのゴムよりも優れた耐コールドフロー性、耐引裂性、耐摩耗性を備えています。ただし、オゾン、天候、太陽光に対する耐性はありませんが、これらの特性は配合設計によって改善できます。ニトリルゴムは、石油ベースのオイル、燃料油、水、シリコーンオイルおよびシリコーンエステル、およびエチレングリコールの混合物との使用に適しています。ただし、EP オイル、ハロゲン化炭化水素、ニトロカーボン、リン酸エステル液、ケトン、強酸、および特定の自動車ブレーキ液との接触には適していません。

ポリアクリル酸ゴム

ポリアクリレート (ACM) ゴムは、アクリル酸アルキルと他の不飽和モノマーのエマルジョン共スラリーです。一般的に使用されるアクリル酸アルキルは、エチレンエチルアクリレートおよびブチルアクリレートです。ポリアクリレートゴムの性能はニトリルゴムとフッ素ゴムの中間に位置します。主鎖に二重結合がないため、耐熱性、耐オゾン性、耐候性に優れています。側鎖に塩素 (Cl) または (CM) 官能基が存在するため、耐油性がさらに向上し、170 ℃ ～ 180 ℃ の高温油での使用が可能になります。このゴムの主な特徴は、鉱物油、双曲線油、および 178°C のバターに対する優れた耐性です。耐老化性、耐屈曲割れ性にも優れており、オイルシールに適しています。その主な欠点としては、処理が不十分であること、混合中のローラーへの固着、低温性能の限界、水と蒸気に対する耐性が低いこと、エチレングリコールと高芳香族油に対する耐性が低いこと、圧縮永久歪が高いこと、金型やシャフトに対する重大な腐食が挙げられます。弾性、耐摩耗性、電気絶縁性も比較的劣ります。また、飽和度が高いため、加硫速度が遅くなります。適切な配合により耐摩耗性は大幅に向上しますが、それでもニトリルゴムには及びません。

シリコーンゴム

シリコーンゴムは広い温度範囲にわたって機械的特性を維持し、-65℃でも柔軟性を維持し、230℃でも長時間動作できます。特殊な配合により機械的特性を高めることができますが、強度、耐引裂性、耐摩耗性は一般に比較的劣ります。耐アルカリ性、弱酸性、耐オゾン性は概ね良好ですが、耐油性は中程度です。化学的特性は、耐油性や耐燃料性を向上させるための配合剤などを使用して改善できます。ただし、シリコーンゴムは一般に、ガソリン、パラフィン、軽鉱油などの炭化水素中での使用には適していません。これらの媒体は膨張して軟化するためです。シリコーンゴムの主な利点は、非常に低い温度でも弾性を維持できることです。さらに、高温に長時間耐えても硬化せず、他のゴムに比べて幅広い高温・低温シールに適しています。ロータリーシールの場合、その使用温度は標準ゴムよりも高くなります。ただし、シリコーンゴムは他のほとんどのゴムよりも高価です。

フルオロシリコーンゴムはより高価なゴムです。性能はシリコーンゴムとほぼ同じですが、適用範囲が狭くなります。その主な利点は、ニトリルゴムと同等またはそれに近い耐油性です。これにより、シリコーンゴムにはない耐油性を備えながら、ニトリルゴムの使用温度範囲外での使用が可能になります。

フッ素ゴム

フッ素ゴムは、主鎖または側鎖の炭素原子上にフッ素原子を含む飽和ポリマーです。ユニークで優れた特性を持っています。高温、油、激しい腐食、溶剤、耐候性、オゾンに対する耐性、低いガス透過性、および優れた物理的特性が特徴です。 200℃～250℃の温度で連続運転が可能です。ただし、低温性能が低く、圧縮永久歪が高いという欠点があります。フッ素ゴムの圧縮永久歪みを改善するために、国内外で多くの研究が行われてきました。

ポリテトラフルオロエチレン

プラスチックは一般に半硬質であるため、シールとしては使用されません。ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は例外です。これは、独特の特性を備えたフルオロカーボン化合物であり、特に広い動作温度範囲にわたる化学的攻撃に対する耐性が顕著です。金属に対して低い摩擦係数を示しますが、フィラー補強がないと機械的強度が低くなります。 PTFE は、複合構造で作られたシールに特に役立ちます。たとえば、機械加工または成形された PTFE は、低摩擦表面と耐薬品性コーティングの両方として使用できます。

オイルシールの材質特性

オイルシール材質の使用温度

動作温度はオイルシールの寿命に影響を与える重要な要素です。一般的に使用されるいくつかのオイルシール材料の使用温度を表 4 に示します。

表4 一般的に使用されるオイルシール材質の使用温度

低温時の性能変化は高温時とは大きく異なります。温度が低下すると、ほぼすべてのエラストマーは柔軟性を失うため徐々に硬化し、変形からの回復が遅くなります。ゆっくりではありますが、結晶化も起こります。材料が脆くなる前に、代替のエラストマー材料がない場合は、バネの力で必要な弾性を得ることができます。高温では、すべてのエラストマーは弾性を失い、柔らかくなる傾向があります。高温は材料の老化も促進し、通常は弾性の喪失と硬度と弾性率の徐々に増加として現れます。

オイルシール材質の耐摩耗性

オイルシールにとって材料の耐摩耗性は重要な要素です。ゴムの耐摩耗性は、その硬度と引き裂き抵抗に関係します。一般に、硬度が増加すると耐摩耗性が向上します。引き裂き耐性が向上すると、耐摩耗性も向上します。さらに、材料の耐摩耗性は、摩擦係数や合わせ面の光沢などの要因にも影響されます。

シール媒体との互換性

材料が液体媒体を吸収すると、その体積が変化します。過度の膨張は材料の物理的および機械的特性を低下させ、許容できなくなる可能性があります。過度の膨張は、溶解、材料内の特定の成分間の相互作用、または表面の脆化などの化学反応を引き起こし、亀裂を引き起こす可能性もあります。このような場合、シール媒体と材料は適合しません。場合によっては、シール媒体がゴムコンパウンドから可塑剤や酸化防止剤などの添加剤を抽出し、エラストマーの組成を変化させ、さらには収縮を引き起こして漏れを引き起こす可能性があります。オイルシール材質と媒体の適合性については表5をご参照ください。

表5 オイルシール材質の適合性

以上のことから、オイルシールの構造設計は非常に重要であることがわかります。たとえオイルシールの材質が優れていても、構造設計に無理があれば十分なシール効果は得られません。