JP4332666B2

JP4332666B2 - 往復運動用密封装置

Info

Publication number: JP4332666B2
Application number: JP2003332841A
Authority: JP
Inventors: 宏志西川; もと宏兼田
Original assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Current assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2005098384A

Description

本発明は、油圧シリンダやダンパ、自動二輪車のフロントフォーク等におけるように、シリンダ内部に液状流体たとえば油が封入され、ピストンおよびピストンロッドが往復運動する機械要素の密封装置に関する。

油圧シリンダやダンパ、自動二輪車のフロントフォーク等におけるように、シリンダ内部に液状流体たとえば油が封入され、ピストンおよびピストンロッドが往復運動する機械要素は、図９に示すように、シリンダ１０１、ピストン１０２、ピストンロッド１０３から構成されている。この機械要素にあっては、ピストンロッド１０３の軸方向運動を案内すべく、ガイドブッシュ１０５がシリンダ１０１内周面に固設されている。シリンダ１０１の一端、図９でみて上端は閉じられており、他端において、ピストンロッド１０３の外周面とシリンダ１０１の内周面間に形成される環状隙間に、封止要素たとえばオイルシール１０６が密に配設されている。而して、たとえば自動二輪車のフロントフォークにあっては、図９に示すように、シリンダ１０１の閉じている一端に、空気といった気状流体が封入されている。

上記往復運動部材を有する機械要素にあって、ピストンロッドといった往復部材の運動に伴い、液状流体たとえば油は、ガイドブッシュ１０５内周面とピストンロッド１０３外周面間を移動する。このことに起因して、ガイドブッシュ１０５と封止要素（シール）１０６間の環状空間には、ピストンロッド１０３の往復運動に伴って正圧・負圧が生じる。図９（ａ）に示す、ピストンロッド１０３の伸び行程にあっては、ガイドブッシュ１０５と封止要素（シール）１０６間の環状空間には正圧（ｐ＞０）が生じ、図９（ｂ）に示す、ピストンロッド１０３の縮み行程にあっては、ガイドブッシュ１０５と封止要素（シール）１０６間の環状空間には負圧（ｐ＜０）が生じる。

ピストンロッド１０３の往復運動に伴って生じる、ガイドブッシュ１０５と封止要素（シール）１０６間の環状空間における正圧・負圧は、正圧による封止要素（シール）１０６からの液状流体たとえば油の流出をまた、負圧による外気の吸い込みを招く。このような、液状流体たとえば油の封止要素（シール）１０６からの流出や封止要素（シール）１０６からの外気の吸い込みといった問題を解決すべく、封止要素（シール）１０６の緊迫力を大きくすることがなされてきたが、ピストンロッド１０３外周面・封止要素（シール）１０６間の摩擦が大きくなり、エネルギ・ロスや機械要素の円滑な作動を阻害する等の問題を惹起する。

また、ピストンロッド（プランジャ）外周面周方向に刻設されている溝に埋設されるＯリング（シール部材）の負荷を軽減すべく、プランジャの圧力面端部と前記Ｏリング（シール部材）の間に蓄圧容積部をプランジャ胴部に形成する流体シール構造が開示されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平１０−６１５２８号公報

しかしながら、上記流体シール構造によるときは、上記特許文献１の第６頁、図１に示されているプランジャの圧力面端部と燃料加圧チャンバによって形成される空間における圧力の急激かつ１秒間当り数回の頻度の圧力変動に起因するＯリング（シール部材）の過大な負荷を緩和することはできるけれども、本願に添付した図９に示すピストンロッド１０３の縮み行程における、ガイドブッシュ１０５と封止要素（シール）１０６間に形成される空間における負圧（ｐ＜０）に起因する外気の吸い込みを抑止することはできない。
本発明は、往復運動機械要素におけるピストンロッドの往復運動に起因する、ガイドブッシュと封止要素（シール）間の環状空間における圧力変動を小さくし、液状流体たとえば油の封止要素（シール）からの流出や封止要素（シール）からの外気の吸い込みがなくかつ、封止要素（シール）におけるピストンロッド外周面間の摩擦力を可及的に低い水準とすることができる往復運動用密封装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、シリンダ、ピストン、ピストンロッドを有する往復運動機械要素であって、内部に液状流体が封入されシリンダの一端は閉じており、他端においてピストンロッド外周面とシリンダ内周面間の環状隙間に前記液状流体の封止要素が密に配設されるとともに、該封止要素と前記ピストンロッド軸方向に所定間隔を置いて前記ピストンロッドを案内するガイドブッシュがシリンダ内壁面に固設される往復運動機械要素において、ピストンロッドの往復動に伴うガイドブッシュおよび封止要素からなる空間への流出入液状流体を、往復運動機械要素の外部に設けた、気体が上部空間に封入され下部に前記液状流体が充填されているアキュムレータ下部に管路で連通せしめ、ガイドブッシュおよび封止要素からなる空間における圧力変動を抑制するよう構成してなる往復運動用密封装置である。

本発明の往復運動用密封装置によれば、簡潔な構成にしてピストンロッドの往復動に伴うシリンダ内のガイドブッシュおよび封止要素（シール）間に形成される空間への液状流体の流出入に起因するガイドブッシュおよび封止要素からなる空間における圧力変動を小さな範囲内に抑え得、圧力変動に起因する封止要素（シール）からの液状流体の漏出や外気の吸い込みを能く防止することができる。

本発明の往復運動用密封装置は、ピストンロッドの往復動に伴うシリンダ内のガイドブッシュおよび封止要素（シール）間に形成される空間への液状流体の流出入（移動）を許容し得る構造によって前記空間における圧力変動を小さな範囲内に維持し得るようにしたものである。而して、圧力変動に起因する封止要素（シール）からの液状流体の漏出や外気の吸い込みを能く防止することができるほか、封止要素（シール）部にかかる圧力を低下させ得るから封止要素（シール）本数を少なくでき、シール部における摩擦力の低減が可能となる。さらに、ガイドブッシュにおける液状流体の流動を許容することで、ガイドブッシュ内周面とピストンロッド外周面間の摩擦力の低減が可能となる。また、ガイドブッシュ内周面における液状流体の移動によってガイドブッシュ内周面とピストンロッド外周面での油膜形成が容易となり摩擦低減も可能となる。本発明の往復運動用密封装置によれば、ピストンロッドの往復動に伴うシリンダ内のガイドブッシュおよび封止要素（シール）間に形成される空間への液状流体の流出入に起因するガイドブッシュおよび封止要素からなる空間における圧力変動は、図９に示す従来の往復運動機械要素における場合の約１／１０である。

本発明は、ピストンロッドの往復動に伴うシリンダ内のガイドブッシュおよび封止要素（シール）間に形成される空間への液状流体の流出入（移動）を許容し得る構造とすることで、ピストンロッドの往復動に伴うシリンダ内のガイドブッシュおよび封止要素（シール）間に形成される空間への液状流体の流出入に起因するガイドブッシュおよび封止要素からなる空間における圧力変動を小さくし、往復運動機械要素からの液状流体の漏出や封止要素（シール）からの外気の吸い込み等のトラブルを抑止するものである。

図１に、本発明の一実施例に係る往復運動用密封装置を示す。図１において、１はシリンダであって、図１でみてその上端が閉じられている。２はピストン、３はピストンロッド、４は液状流体たとえば油である。５はガイドブッシュであり、ピストンロッド３の軸方向における往復動をガイドすべく機能し、シリンダ１の内周面に固設されている。而して、ピストンロッド３の往復動に伴ってピストンロッド３外周面は、ガイドブッシュ５内周面と摺動する。６は封止要素たとえばオイルシールであり、シリンダ１の、図１でみて下部の開放端において、シリンダ１の内周面とピストンロッド３外周面とで形成される環状隙間に配設され、シリンダ１内部の液状流体４が外部へ漏出するのを封止すべく機能する。

７はアキュムレータであって、図１に示すように、その上部に空気、窒素ガスといった気体が封入された空気室が形成され、下部の液状流体たとえば油４は、
流路７２を介してシリンダ１におけるガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体たとえば油４と連通している。８は気状流体たとえば空気であって、シリンダ１の閉じている端部側に、図１でみて液状流体４の上部に封入されている。

図１に示す、本発明の一実施例に係る往復運動用密封装置の動作を説明する。
図１に示す往復運動用機械要素において、ピストンロッド３が突出する、図９に（ａ）に示す伸び行程においては、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体たとえば油４の圧力が上昇する。そうすると、液状流体４は流路７２を通ってアキュムレータ７内に流入し、アキュムレータ７上部の空気室７１内のガス体を圧縮する。こうして、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体４の圧力上昇が吸収される。

一方、ピストンロッド３がシリンダ１内に収蔵される、図９（ｂ）に示す縮み行程にあっては、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体たとえば油４の圧力が下降する。そうすると、アキュムレータ７内の空気室７１において圧縮されていたガス体が膨張し、アキュムレータ７内の液状流体たとえば油４を、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間に流路７２を経て流入せしめる。こうして、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間の圧力降下延いては負圧が解消される。

発明者らは本発明をなすに際し、自動二輪車のフロントフォークを模して、モータによって偏心カムを回転させ、コネクティングロッド、直線ガイドによってピストンロッドが直線運動する試験装置を作製した。この試験装置において、車輪をつけたフォークを押すことでピストンロッドを相対的に往復動させた。このとき、シリンダ（フォーク）に加わる反力を歪ゲージで検出した。また、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体たとえば油４の圧力変動を、圧力センサによって検出した。偏心カムの回転数が４.２ｒｐｍおよび１２０ｒｐｍの場合について、データを採った。

図２に、図９に示す往復運動用機械要素を用いたときについて、偏心カムの回転数が４.２ｒｐｍの場合の結果を、図３に、偏心カムの回転数が１２０ｒｐｍの場合の結果を示す。なお、何れの場合も、車輪とフロントフォーク軸心の相対位置変動に起因する、ピストンロッドの軸心に垂直な方向の荷重（横荷重）は、
２４５Ｎである。図３に示すように、図９に示す往復運動用機械要素を用いたときについて、偏心カムの回転数が１２０ｒｐｍとした場合、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動（点線で示す）は、＋２５０ｋＰａ〜-８０ｋＰａ間で変動している。

図１に示す本発明の一実施例について、偏心カムの回転数が４.２ｒｐｍのときの反力（摩擦力）およびガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動を図４に、偏心カムの回転数が１２０ｒｐｍのときのそれらを図５に示す。図４および図５から明らかなように、偏心カムの回転数が４.２ｒｐｍのときのガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力は、１０ｋＰａの水準で安定している。また、偏心カムの回転数が１２０ｒｐｍのときのガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力は、０ｋＰａ〜＋３０ｋＰａの間で安定している。このように、本発明によって、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動がきわめて低い水準に、安定して維持されている。

（参考例１）
図６に、本発明に関連する参考例としての往復運動用密封装置を示す。図６において、図１におけると同一の符号は実施例１におけると同一の要素である。この参考例においては、図６に示すように、ガイドブッシュ１５の外周面に軸方向に延在する溝５１が刻設されている。而して、ガイドブッシュ１５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４は、このガイドブッシュ１５の外周面に刻設されている軸方向に延在する溝５１を介して、ガイドブッシュ１５とピストン２によって形成される空間における液状流体４と連通状態となる。これによって、ピストンロッド３の往復動に伴う、ガイドブッシュ１５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動を緩和する。

（参考例２）
図７に、本発明に関連する参考例としての往復運動用密封装置を示す。図７において、図１におけると同一の符号は実施例１におけると同一の要素である。この参考例においては、図７に示すように、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４と、ガイドブッシュ５とピストン２によって形成される空間における液状流体４を、液状流体用管路７３によって連通状態となるよう構成している。これによって、ピストンロッド３の往復動に伴う、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動を緩和する。

（参考例３）
図８に、本発明に関連する参考例としての往復運動用密封装置を示す。図８において、図１におけると同一の符号は実施例１におけると同一の要素である。この参考例においては、図８に示すように、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４と、ピストン２とシリンダ１の閉じた端部によって形成される空間における液状流体４を、液状流体用管路７４によって連通状態となるよう構成している。これによって、ピストンロッド３の往復動に伴う、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動を緩和する。

（参考例４）
ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間に、その内部に空気、窒素ガスといった気体が封入されている可撓性部材からなるドーナッツ状の膨張・収縮要素を配設した。而して、ピストンロッド３の往復動に伴う、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動を、内部に空気、窒素ガスといった気体が封入されている可撓性部材からなるドーナッツ状の膨張・収縮要素で吸収する。

（参考例５）
ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間に、その内部に空気、窒素ガスといった気体が封入されている環状ベローズを配設した。而して、ピストンロッド３の往復動に伴う、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動を、内部に空気、窒素ガスといった気体が封入されている環状ベローズで吸収する。

（参考例６）
この参考例においては、封止要素（シール）６の液状流体４に接する側に、非透液性膜で被覆されているスポンジ状体または、前記非透液性膜の内部に気体を封入した要素を隣接して配設し、ピストンロッド３の往復動に伴う、ガイドブッシュ５および封止要素（シール）６によって形成される環状空間における液状流体（油）４の圧力変動を、前記封止要素（シール）６の液状流体４に接する側に配設した非透液性膜で被覆されているスポンジ状体または、前記非透液性膜の内部に気体を封入した要素で吸収する。

本発明の一実施例に係る往復運動用密封装置を示す縦断面図従来の往復運動用密封装置を用いて４.２サイクル／分のピストン往復動を行ったときの摩擦力およびガイドブッシュ・封止要素（シール）間の圧力変動を示すグラフ従来の往復運動用密封装置を用いて、１２０サイクル／分のピストン往復動を行ったときの摩擦力およびガイドブッシュ・封止要素（シール）間の圧力変動を示すグラフ本発明の一実施例に係る往復運動用密封装置を用いて、４.２サイクル／分のピストン往復動を行ったときの摩擦力およびガイドブッシュ・封止要素（シール）間の圧力変動を示すグラフ本発明の一実施例に係る往復運動用密封装置を用いて、１２０サイクル／分のピストン往復動を行ったときの摩擦力およびガイドブッシュ・封止要素（シール）間の圧力変動を示すグラフ本発明に関連する参考例としての往復運動用密封装置を示す縦断面図本発明に関連する参考例としての往復運動用密封装置を示す縦断面図本発明に関連する参考例としての往復運動用密封装置を示す縦断面図従来の往復運動機械要素の一例を示す縦断面図

１シリンダ
２ピストン
３ピストンロッド
４液状流体
５ガイドブッシュ
６封止要素（シール）
７アキュムレータ
８気状流体
１５ガイドブッシュ
５１溝
７１空気室
７２流路
７３液状流体用管路
７４液状流体用管路
１０１シリンダ
１０２ピストン
１０３ピストンロッド
１０４液状流体
１０５ガイドブッシュ
１０６封止要素（シール）
１０８気状流体

Claims

シリンダ、ピストン、ピストンロッドを有する往復運動機械要素であって、内部に液状流体が封入されシリンダの一端は閉じており、他端においてピストンロッド外周面とシリンダ内周面間の環状間隙に前記液状流体の封止要素が密に配設されるとともに、該封止要素と前記ピストンロッド軸方向に所定間隔を置いて前記ピストンロッドを案内するガイドブッシュがシリンダ内壁面に固設される往復運動機械要素において、ピストンロッドの往復動に伴うガイドブッシュおよび封止要素からなる空間への流出入液状流体を、往復運動機械要素の外部に設けた、気体が上部空間に封入され下部に前記液状流体が充填されているアキュムレータ下部に管路で連通せしめ、ガイドブッシュおよび封止要素からなる空間における圧力変動を抑制するよう構成してなる往復運動用密封装置。