機械設計技術：機械要素 シールの特徴と機能、選定方法

機械で最も重要な機械要素のひとつである「シール」。Ｏリング・オイルシール・ロッドパッキンの特徴と機能、設計のポイントを細かく解説しています。

・シール専門メーカ　阪上製作所
http://www.sakagami-ltd.co.jp/index.html

・新日本オイルシール　Ｏリング・オイルシール
http://www.snos.jp/fl/html5.html#page=-1

・この動画は現役の機械設計エンジニアが作成しています
・講師は３Ｄ ＣＡＤ歴２６年、機械設計技術者１級を取得しています
・色覚弱者の方にも無理なく見ていただけるように、配色に配慮しております
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【書き起こし】 機械設計技術 機械要素 シールの特徴と機能、選定方法

(00:10) こんばんは中村です。いつもご視聴ありがとうございます。 このチャンネルでは、 inventor 3 d cad の使い方や機械設計について、お話ししています。 今日はシールの特徴と選定基準について、お話ししていきます。 今日お話しする内容は、次の 4つですね。 密封する対象、固定用と運動用、使用圧力、使用温度 今日はこの4つについて、詳しくお話ししていきたいと思います。 それではまず、シールとは何かというお話からしていきたいと思います。 シールとは何かと言いますと、流体の漏れを防ぐ密封装置ということができます。 例えば身の回りで言いますと、水筒の蓋とかタッパーについているゴムですね 、 あれがシールということになります。 ゴムをある程度つぶして、流体の漏れを防ぎ密封する機能があるもの これをシールと言います。 シールにはいろいろな種類があって、 機械で使うシールは次のようなものですね 。
(01:17) 具体的な製品名でいうと 、Oリング・オイルシール・ガスケット・ それからロッドパッキンなどですね。 それぞれに特徴があって、使い分けをしなければなりません。 この動画を最後まで見て頂くと、設計のシール選定をするときに、どのような基準で選べば良いか、 その時の設計条件に合わせた、シールの選び方がわかるようになります。 それでは、詳しく解説していきたいと思います。 それではシールを選定するときの、基準についてお話ししていきたいと思います。 シールには4つぐらい種類があって、 Oリング、オイルシール、ロッド・ピストンパッキン、ガスケットと、 この4つで、今日はお話ししていきます。 シールの機能としては、5つくらいありますね。 上の欄の固定用、それから直線運動用、回転運動用、 使用圧力、あとシール対象物、 この5つが分かっていれば、どのシールを選ぶべきかというのが見えてくると思います。 まず Oリングからお話ししていきたいんですけども、 Oリングは比較的万能ですね。
(02:27) この5つの能力のうち、ほぼ全てを網羅できると考えてください。 Oリングは固定用にも使えます。直線運動にも使えます。 直線運動というのは、油圧ジャッキのような摺動するところのシールに使えます。 それから回転運動にも使えますね。 例えばポンプのような回転する軸、のところのシールにも使えます。 それから圧力が、高圧で使えますね。 例えば油圧機器のシールになんかも使われています。 高圧の場合は、バックアップリングというのを併用する必要がありますけども、 約35メガパスカルの高圧まで使えると、いうのが Oリングの能力ですね。 そしてシールの対象物は、グリスだったりオイルだったり、 あとエア、その他の流体に使うことができます。 シール対象物によって、材質を選定する必要がありますので、 Oリングにもさまざまな材質が、設定されていますので、これはあとでご紹介します。 それでは次はオイルシールですね。オイルシールは基本的には、回転運動用のシールということが言えます。
(03:36) 直線運動できるものも、一部にはありますけども、ほとんどは回転運動用に使われます。 使用圧力は、低圧またはゼロですね。 シール対象物が、これはグリスがメインですね。 一部オイルに対応しているものもあります。 ですからオイルシールは、グリスを低圧の 圧力範囲でシールすると、そういう機能を持ったものですね 。 回転運動用に使えるのは、Oリングと同じなんですけども、 Oリングとの違いは抵抗が少ないということですね。 Oリングは 締付力が強くなってしまいますが、オイルシールはリップ形状なので、動力損失が少ないということが特徴として言えると思います。 ですから回転運動に使う場合、オーリングの場合は高圧で、かつ回転 トルクが大きくて、機会損失がある程度あっても大丈夫なものに使って、 オイルシールの場合は、機会損失が少ない、回転トルクに そんなに余裕がない機器に使うのが、通常だと考えられます。 次はロッド・ピストンパッキンです。これはその名前の通り ピストンロッドに使われるパッキンです。
(04:46) これは油圧ジャッキだとか、エアシリンダーの ピストン、直線運動用に 使われるものですね。 使用圧力は高圧で使うことができます。 シール対象物は、オイルとかエアですね。 断面形状はU字型をしていて、Uパッキンという呼ばれ方をすることもあります。 ほとんどの油圧ジャッキとか、エアシリンダーで使われているシールと言えると思います 。 それでは最後は、ガスケットですね。ガスケットは 面パッキンのことを、ガスケットと言います。 例えば、工場の太い配管のフランジとフランジ のつなぎ目に見えるパッキンですね。これをガスケットと言います。 それからエンジンブロックと、シリンダーヘッドの 間に挟んでいるパッキン、これもガスケットですね。 それからサニタリー系の、配管のへルールジョイントのつなぎ目に 入れられているのも、へルールガスケットという言い方をします。 簡単に言うと面パッキンで、固定用に使われて、主に低圧で使われるというのがガスケットです。 シール対象物は、オイルとかエアとか、その他の流体と言えると思います。
(05:55) それではOリングの詳しい特徴と、設計上注意する点を解説していきたいと思います。 こちらが、新日本オイルシールのカタログになります。 こちらの中を見ていきたいと思います。 はい、こちらがOリングの特徴を書いたページですね。 Oリングの特徴は、コンパクトで、装着が簡単、 漏れ止め機構として信頼性が大きく、種類サイズが豊富、 在庫があって安いと、まぁこの通りだと思いますね。 標準部品として、一般に市場ににたくさんサイズがあって、価格が安いと、いうことが特徴です。 Oリングの種類としては、大きく3つに分かれてて、 一般機器用、自動車用、航空機用と分かれています。 私の業界では、一般機器を産業機械ですので、こちらの企画を使っていますね。 JISで言うと、JIS B 2401という企画が当てはまります。 一番下の用途別の所に、P番G番V番というのがあるんですけども、 P番が運動用ですね 。G番が固定用です。 P番はもちろん固定にも使えるんですけども、
(07:03) 何が違うかというと、 Oリングの線径、太さが違いますね。運動用の場合は、線径が太く設定されています。 これは当然動くので、摩擦に対して抵抗力がある、簡単にちぎれたりしないとか、変形しないという風に考慮しているものですね。 それでは次は、Oリングの材料特性を見ていきたいと思います。 一番上、ニトリルゴムですね、これは最も一般的なゴムになりますね。 耐油性、耐摩耗性があって、使える温度範囲もそこそこ広いです。 だいたい100度ぐらいまで使えますね。 その次に代表的なものは、シリコーンゴムになりますね。 これは耐熱性が200度くらいまであります。 マイナスの方も、マイナス50度まで使えますね。 それからもう一つ代表的な材料として、フッ素ゴム FKM があります。 これは耐熱性が、シリコンゴムよりさらに高くて220度まで使えます。 マイナスの方向はマイナス15度 で、シリコンよりも少し高い値になりますね。 それからEPDMですね、エチレンプロピレンゴム 。
(08:08) これは耐薬品性が高いですね、その代わりに耐熱性が低いという特徴があります。 表の右側にですね、いろいろな物質に対する耐性が、書かれた表があります 。 具体的な設計をする場合は、 この表を見てどの用途に適用しているかと、いうのを ちゃんと見てから、使った方がいいと思いますね。 例えばですけども、EPDMは耐薬品性は強いですけども、 潤滑油に対しは、ほぼ耐性を持ってないっていうことが言えるんですね。 逆にフッ素ゴムは、潤滑油に対しは、ほぼ耐性がありますけれども、 薬品に対しはあまり強くないといった、 それぞれの材料に特徴がありますので、この表から特徴をつかんで選定してください。 それでは次は、高圧による使用の場合の、注意点をお話ししていきます。 この下側の図を見てください。一番左の列が圧力が0、 真ん中が7メガパスカル、右側が21メガパスカルです。 圧力が片側からかかった場合に、 Oリングが圧力で 押されて、片側に押し付けられるんですね。 それで圧力が高くなっていくと、この隙間からOリングが、 はみ出るということになります。
(09:18) ですから、そこで使用しなければいけないのが、バックアップリングですね。 バックアップリングというのは、圧力側の反対側に入れて、 Oリングのはみ出しを防止する機能があります。 ですから、高圧で使用する場合は、バックアップリングの装着も視野に入れる必要があります。 これが高圧で使用する場合の注意点ですね。それで はみ出し減少と、隙間との関係を表したのが、この一番左側の表ですね。 それで横軸が直径方向の隙間、縦軸が流体の圧力です。 当然ですけども、隙間が大きくなればなるほど、同じ圧力に対しても はみ出しやすくなりますし、 Oリングの材質の硬さですね,、これショアー硬さと言うんですけども、 HS70、HS80、HS90とあって、 硬ければ硬いほど、はみ出しにくいです。 この表から、はみ出し現象があるかどうかを確認して、はみ出し現象がある場合は、バックアップリングが必要だという判定をしていきます。 それともう一つ、大切な指標として、Oリングのつぶししろ、というのがあります。
(10:25) これはどういうことかというと、例えば直径が10mmのOリングで、1mmつぶしたとすると つぶししろが10%ということですね。 2mmつぶせば、つぶししろが20%ということです。 それでつぶししろは、最小8%最大30%と書いてますね。 これを頭に入れておいて、設計するようにしてください。 こちらがJISのつぶししろ寸法ですね。 一番左がOリングの規格サイズです 左から2つ目の欄がOリング太さで、一番右の方につぶししろ最大と 最小があって、 そのつぶししろの%ですね、それが書いてありますね。 この表を見てみると、だいたい10%から30%の範囲で、つぶししろが設定してありますね。 ですからザクッと設計する場合は、おおよそ20%ぐらいは、 つぶししろを見て設計するといいと思います。 では具体的なOリング溝の寸法を、見ていきたいと思います。 この図のように外圧用と内圧用と、いう風に書いてありますけれども、同じOリングの直径線径でも寸法が違うんですね。
(11:36) 何が違うかというと、理屈から話すと外圧用は外から圧力がかかるので、 内径側にOリングを、密着させるということですね。 逆に内圧がかかる場合は、溝の外径側に Oリングを密着させる、設計にする必要があります。 これは当然ですけども、外からの圧力に対して外径側から 圧力がかかる場合は、 内径に密着して隙間を埋めるということなので、 内径が密着してないとダメですね。 内圧がかかる場合は、内圧から押されて外径側にひっついて、 シールするわけですから、 外周側に密着させると、そういうふうな設計をする必要があります。 この右側の図にあるように、先ほどのはみ出し現象が、起きると 判断した場合は、バックアップリングを入れてください。 バックアップリングを入れる場合の、水幅寸法も規定されています。 それでは次は、オイルシールの詳しい構造と機能を、見ていきたいと 思います。これがオイルシールの各部名称ですね。 非常に複雑に細かく記載してくれていると思います。
(12:48) この左側の3番のところが外輪で、 ここをハウジング側に圧入して、オイルシールを取り付けます。 圧入というのは、この外輪よりハウジング側を少し小さめに 作って、プレスで押し込んで入れるということですね。 これが圧入です。 それで17番 、 これがリップですね。ここが回転軸に当たって、グリスの漏れを防いでる部分になります。 それで9番のちりよけとありますけれども、これがダストシールですね。 これが外側からのゴミの侵入を防ぎます。 ですからこの図でいうと、上側がグリスのたまり側、 下側が外気側ですね。外側ということになります。 外からのゴミの侵入を9番のダストシールで防いで、中のグリスの漏れを17番のリップで防いでいると、こういうことになりますね。 この下側の23番の輪っか、これ何かといいますと、こればねなんですね。 ばねを仕込んでおいて、このリップを回転軸に押し付けることで、密着させる機能があります。 では具体的に、どのように使うか見ていきたいと思います。 この真ん中のシャフトが、これが回転軸だとしましょう。
(14:00) 左側の空間にグリスが封入されています。 右側が待機側ですね、真ん中のシャフトが回転軸だとしましょう。 それで左側の空間に、グリスが封入されているとします。 右側が待機側ですね、このように装着するんですね。 外輪側をハウジング側に、圧入して装着します。 それで実際は、これ圧入しないといけないので、 ここの板は分割して、ねじ止めとかそういうふうにします。 そういうような構造にして、オイルシールを圧入していきます。 それでこの右側のこれがダストシールですね。 左側のこの部分、これがグリス漏れを防ぐ、リップということになります。 その内側にスプリングが仕込んであって、 このスプリングが、このリップを締め付ける構造になって いるんですね。 そうすることで密着性が上がって、グリスの漏れを防いでいると、そういうことになります。 それでは次は、オイルシールの選び方について解説していきます。 まずは使用条件が、往復か回転、これを選定します。それを選定した後は軸端からの装着が、可能なのか不可なのか、
(15:12) その次はハウジングの形状、溝があるのかないのかですね。その次に密封 対象物を選んでください。 あとは圧力ですね。圧力がかかるのかかからないのか。 これらを基準に選んでいくと、自然とどのオイルシールを選ぶ必要があるかが、見えてくると思います。 それともう一つ大切なオイルシールの選定基準、 これが周速ですね。周速っていうのは何かというと、 シャフトの直系の表面の部分が、どれだけの速度で、回っているかということです。 いくらでも回転数の高い、回転軸をシールできるわけではなくて、ある程度の速度の制限があります。 それを超えて使うことはできません。それでこの表を見ていただくと、 A型っていうのが一番周速が高くても使えるものですね。 おおよそ12m/secと書いてあります。 U型が10m/sec、K型が8m/secということですね。 この表を見ていただくと分かると思いますけども、軸径によって許容している周速が、同じ型番でも違うということがわかると思います。 例えばU型を見てみますと、 軸径が60mmの場合は、約11mですね。
(16:28) これが軸径が100mmになると約12.5mぐらいまで、 許容していることがわかると思います。 周速は計算してもいいんですけれども、 このように表をのせてくれています。 例えば軸径が100mmで、 回転数が1000回転だとすると、周速は約5.5mということですね 。 このようにして表から読み取って、オイルシールの型式を、 選定していくようにすればいいと思います。 はいこれが具体的な、オイルシールの装着例ですね。 左上の絵はリップを傷つけないように、カバーを設けて軸の段差で、傷つかないような配慮をしている、という絵ですね。 右下がベアリングのハウジングの、グリスが漏れ出ないようにオイルシールを装着している例です。 この場合は、オイルシールのオイルシールケースを作って、そこにオイル シールを圧入して、 そのオイルシールケースをネジ止めしている、ような形状ですね 。 このようにして、オイルシールを装着して グリスの漏れを防ぐとそういうことになりますね。
(17:37) では次は、ロッドパッキンの説明をしていきます。 こちらは坂上製作所という、パッキン製造の専門メーカーですね。 はいこのように、油圧用パッキン、空気圧用パッキン、ダストシール、 軸受Oリングというふうに、パッキンのほとんどを手掛けている会社です。 こちらの油圧用パッキン、 これを見ていきたいと思います。 一番上のピストン専用パッキン、それからロ摺動 はい、ピストン専用パッキンは油圧ジャッキの、ロットのボトム側ですね、そこに使われているパッキンですね。 Uパッキンという呼び方を、一般的にしますけれども、 左側が受圧面の押し側、右側が受圧面の引き側ですね。 それで、それぞれ油圧がかかる、圧力がかかる方にリップを向けて、装着しています。 真ん中にはウェアリングと いうのがありますけども、これは摺動材ですね。 UパッキンもOリングと同じように、バックアップリングが 必要な場合があります。 はいこちらは、ロッド用パッキンですね。シリンダーの バレル側に装着して、ロットの出入り口のところに用いるパッキンです。
(18:50) 右側がダストシールでゴミの侵入を防ぎます。左側はバレル内部にかかっている油圧の漏れを、防ぐ働きをしているということですね。 はいこちらが、パッキン構成組み合わせになります。 これ非常に便利だと思うんですけどもでね、 この中から必要なパッキンを、選定していって選ぶことができます。油圧ジャッキ一つを見ても、これだけのたくさんのシールが使われています。 これを見ていただくと、パッキンの重要性がいかに高いか、というのが分かって頂けると思います。 はいこちらが、設計工作上のチェックポイントを書いてくれている、ページになります。 設計上不具合、もしくは工作上不具合があると、漏れとか異常摩耗、破損の可能性があるということですね。 パッキンの取り付け方向には、注意して下さいということです。 これが逆向きですと、当然ですけども 漏れるということですね。 それから機械加工の面粗さが粗いと、これも漏れたり、異常磨耗につながります。 あと傷がないこと、角部にバリとかカエリがないことですね。 それから装着部にネジが切ってある場合は、装着するときに リップに傷をつけたりしてしまいますので、
(20:02) 先程ご紹介しましたように、ジグを使って保護しながら、装着するとこのような配慮が必要になってきます。 実際にね、このようなパッキン類を手にとって触ってみると、非常に華奢で柔らかいんですね。 ですから組み立て時に傷つけないように、それから設計時に組み立てやすいような配慮をしておくと、 いうのが非常に重要になってくると思います。 それでは最後に、ガスケットの一例を紹介していきたいと思います。 こちらが大阪サニタリーという会社の、サニタリー配管の紹介カタログになります。この左上ですね。 これがヘルール式のガスケットの接合面になります。これはクランプという締め付ける装置を使って、配管と配管を 面合わせで接合する、そういう方式の継手ですね。 その間にガスケットが入っています。 この方式の配管のメリットは、分解洗浄が簡単だということですね。 ボルト締めのように手間がなく、非常に簡単に分解できて清掃性がいい、というメリットが あります。
(21:12) こちらがその間に挟まっている、ヘルールガスケットですね。 これを間に挟むことで、内部を通っている流体の漏れを、防いでいるとそういうものです。 それでは現物を確認していきたいと思います。 これがOリングですね。 外側の大きいやつが、半透明のシリコンです。 真ん中の黒いやつが、フッ素ゴム、FKMですね。 真ん中の小さな赤いやつ、これもシリコンゴムですね。 半透明のシリコンゴムと何が違うかというと、硬さが違うんですね。 こっちのシリコンの半透明の方は、Hs50という 硬さですね、柔らかめです。 こちら側は、Hs70ですね、その固さ70のやつなので、ちょっと固めですね。真ん中のフッ素ゴムも、70のやつなので固めです。 このように材質が色々あって、硬さもいろいろ選べますので、 用途に応じて使い分けしてください。 次はオイルシールですね 。見えますかねちょっと
(22:21) バネが入っていますね、ちょっとバネとってみようと思いますけど これでバネが取れましたね。 このようなリング状になった、バネが入ってるんですね。 このバネをつけておくことで、 このリップをシャフトに押し付ける力が増えて、 密封性が上がると、そういうものですね。 こちらは小さめのやつですけども、これもバネが入ってますね。 これがバネですね。 最後はヘルールパッキンですね。 このような感じで、燃料のパッキンになっています。 今日の動画を見て頂いて、シール選定においては、いろいろな条件があるということが 、おわかりいただけたと思います。 取り付け部の設計には、細かな配慮が必要だということが おわかりいただけたと思います。 今後の皆さんの設計にお役立てください。
(23:24) それでは今日の動画は以上となります。 今日もご視聴ありがとうございました 。 また次の動画でお会いしましょう。