【機械設計】見た目はシンプルだが、設計は決して簡単ではない――Oリングとその溝の設計

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Oリングシールは、典型的な圧縮型シールです。Oリングの断面直径の圧縮率と伸びは、シール設計における重要な要素であり、シール性能や使用寿命に大きな影響を与えます。Oリングは一般的にシール溝内に取り付けられ、シール機能を果たします。Oリングの優れたシール性能は、Oリングのサイズと溝のサイズが適切にマッチし、適正な圧縮量と伸長量が生じるかどうかに大きく依存しています。シール装置の設計・加工時に、Oリングの圧縮量が過小になると、漏れが発生します；圧縮量が過大になると、Oリングのゴムが応力緩和を起こし、漏れが発生します。同様に、Oリングが使用中に過度に伸びると、劣化が加速して漏れを引き起こします。世界各国の基準では、これに対してかなり厳格な規定が設けられている。 1、Oリングシールの設計原則 1）圧縮率 圧縮率Wは通常、次の式で表される： W= (do-h)/do% ここで、doはOリングが自由状態にあるときの断面直径（mm）、hはOリング溝の底面からシール対象面までの距離、つまりOリングが圧縮された後の断面高さ（mm）である。 Oリングの圧縮率を選定する際には、以下の3つの点を考慮する必要があります。a.十分なシール接触面積を確保すること b.摩擦力をできるだけ小さくすること c.永久変形をできるだけ避けること。 以上の要因から、それらが互いに矛盾していることは容易にわかる。圧縮率が高いほど大きな接触圧力が得られるが、過度に高い圧縮率は間違いなく滑り摩擦力と永久変形を増大させる。一方、圧縮率が低すぎると、シール溝の同軸度の誤差やOリングの誤差が基準を満たさないため、圧縮量が失われて漏れが発生する可能性がある。したがって、Oリングの圧縮率を選定する際には、さまざまな要素を考慮する必要があります。一般的に、静止状態のシールの圧縮率は動的なシールよりも高いが、その極値は30％未満でなければならない（ゴム材料に依存する）。そうでない場合、圧縮応力が著しく緩和され、過度な永久変形が生じ、特に高温環境下では問題となる。 Oリングのシール圧縮率Wの選定にあたっては、使用条件、すなわち静止シールか動的シールかを考慮する必要がある；静的シールは、半径方向シールと軸方向シールに分けられる；半径方向シール（または円筒形静止シール）の漏れ隙間は半径方向隙間であり、軸方向シール（または平面形静止シール）の漏れ隙間は軸方向隙間である。軸方向シールは、圧力媒体がOリングの内径に作用するか外径に作用するかによって、内圧型と外圧型の2つに分類され、内圧が上昇すると伸び、外圧が低下するとOリングの初期伸びが生じる。上記のさまざまな形態の静止シールにおいて、シール媒体がOリングに及ぼす力の向きは異なるため、予圧の設計も異なります。動的シールの場合は、往復運動か回転運動かによって区別する必要がある。 1. 静的シール：円筒形の静的シール装置は、往復運動式のシール装置と同様に、一般的にW=10%～15%とする；平面シール装置はW=15%～30%とする。 2.動的シールについては、3つのケースに分けられる：a.往復運動用シールでは一般的にW=10%～15%とする。 b. 旋回運動のシールでは、圧縮率を選定する際にジュール熱効果を考慮しなければならない。一般的に、旋回運動用のOリングの内径は軸径よりも3％～5％大きくなければならず、外径の圧縮率Wは3％～8％である。 c. 低摩擦動作用Oリングは、摩擦抵抗を低減するため、一般的には比較的小さい圧縮率、すなわちW=5%～8%が選ばれる。さらに、媒体や温度によって引き起こされるゴム材料の膨張も考慮する必要がある。通常、与えられた圧縮変形量に加えて、許容される最大膨張率は15％です。この範囲を超える場合は、使用している材料が適切でないことを意味し、別の材料のOリングに交換するか、与えられた圧縮変形率を見直す必要があります。圧縮変形の具体的な数値については、一般的に各国が自国の使用経験に基づいて基準を定めたり、推奨値を示したりしています。 2）伸び量 Oリングはシール溝に挿入された後、一般的に一定の伸び量が生じる。圧縮率とは異なり、伸び量の大きさもOリングの密封性能や使用寿命に大きな影響を与えます。伸び量が大きいと、Oリングの取り付けが困難になるだけでなく、断面直径doが変化することで圧縮率が低下し、漏れを引き起こす原因となります。伸び量αは次の式で表される： α=(d+do)/（d1+do） ここで、dは軸径（mm）である； d1——Oリングの内径（mm）； do——Oリングの断面直径（mm）。 3）接触幅径　Oリングがシール溝に挿入されると、その断面が圧縮変形する。変形後の幅および軸との接触幅は、どちらもOリングの密封性能や使用寿命に関係しており、その値が小すぎると密封性が低下する；過大になると摩擦が増し、摩擦熱が発生してOリングの寿命に影響を与えます。 Oリングが変形した後の幅BO（mm）は、Oリングの圧縮率Wと断面直径dOに関連しており、次の式で計算できる。BO={1/(1-W)-0.6W}dO（Wは10％～40％とする）。また、Oリングと軸との接触面の幅b（mm）もWとdOに依存する：b=(4W²+0.34W+0.31)dO（Wは10％～40％とする）。空気圧シールや油圧サーボ制御素子のシールなど、摩擦力の制限が厳しいOリングシールでは、これに基づいて摩擦力を見積もることができる。（続く。。。。。。）