ロボットシャフトシステム用スケルトンオイルシールは、低温条件下でリップ干渉をどのように補償できるか？

ロボットシャフトシステムなどの低温用途において、 スケルトンオイルシール（ラジアルシャフトシール） は頻繁にオイル漏れ、起動・停止時の摩耗の増加、および密封性能の不安定化が発生します。現場の経験によれば、これらの故障の原因は不適切な取り付けではなく、低温時における有効なリップインターフェレンス補正機能の喪失であることが多いです。

本記事では、低温がリップインターフェレンスに与える影響を分析し、寒冷な運転条件下での密封信頼性を向上させるための実用的な設計戦略について述べます。

低温がリップインターフェレンスに与える影響

スケルトンオイルシールは、シールリップとシャフト表面との間で安定した接触圧力を維持することで漏れを防止しています。低温条件下では、いくつかの相互作用する要因によって密封性能が体系的に低下します。

ゴムの硬化

温度が低下すると、エラストマーの弾性率が増加し、材料の追随性が低下するため、リップがシャフト表面に追従する能力が低下します。

熱膨張の不一致

エラストマー、金属ケース、およびシャフトはそれぞれ異なる熱収縮率を示します。この不一致により、低温時における実際のスプリングバック量（インターフェランス）および接触圧力が変化します。

潤滑状態の劣化

潤滑油の粘度上昇により始動時の油膜形成が遅れ、シール界面が境界摩擦または混合摩擦領域に入り、摩耗が促進されます。

したがって根本的な問題は単なるスプリングバック量（インターフェランス）の不足ではなく、低温時にリップが継続的に有効な接触圧力を発生できないことにあります。

スプリングバック量（インターフェランス）の合理的な決定

リップのスプリングバック量（インターフェランス）は、使用条件（圧力、速度）、材料特性、シャフト直径に基づいて最適化されなければなりません。

一般的に推奨される値は0.35～0.55 mmの範囲ですが、特定の高負荷用途では最大0.8 mmが必要となる場合があります。

ただし、干渉量を無闇に増加させることは推奨されません。過剰な干渉は摩擦トルクを上昇させ、摩耗を加速し、発熱量を増加させる可能性があります。最終的な数値は、常にシミュレーションおよび検証試験によって確認する必要があります。

材料選定：低温耐性への配慮

低温下でのシール力の維持は、「冷たい環境への耐性」という名目だけではなく、主に材料の弾性回復性と復元性に依存します。

FVMQ

極めて低い温度にも対応可能で、柔軟性と耐油性の両面で優れた性能を発揮します。協働ロボットや高い追従性が求められるシステムによく使用されます。

低温用配合FKM

耐油性、耐老化性に加え、低温反発性が向上しており、中程度から低温域のシールシステムに適しています。

ＨＮＢＲ

低温域での弾性と機械的強度のバランスに優れ、屋外機器や建設機械などに広く適用されています。

重要な基準は、材料が低温下で有効な弾性回復を維持できるかどうかであり、単に寒冷環境への暴露に耐えることではない。

スプリングシステム：重要な補償機構

ゴムの剛性が低温で増加するため、スプリングが接触圧力の補償における主要な要因となる：

低温下での十分な有効ストロークおよび安定したスプリング荷重

スプリングとリップ形状との間での協調的な負荷分担

極めて寒冷な環境では、ラジアルガータースプリング付きリップ設計が強く推奨される

適切に設計されたスプリングシステムは、エラストマーの追従性が低下した場合でもシールの安定性を大幅に向上させる。

温度適応性のための構造最適化

干渉量を増加させる代わりに、構造の最適化の方が低温性能を高めるのに効果的なことが多い：

柔軟性を向上させるためのリップ断面の縮小

追従能力を高めるために延長されたエラストマー製アーム

より均一な圧力分布を実現し、端面摩耗を低減するための接触角の最適化

シールリップが受動的に性能低下を耐えるのではなく、能動的に動的に応答できるようにすることを設計目的としている。

シャフト表面状態：低温時における決定的要因

低温では油膜形成が困難であるため、シャフト表面の品質が特に重要となる：

油保持性と密着性のバランスを取るために、表面粗さをRa 0.2–0.4 μm以内に制御

始動時の潤滑を改善するためにマイクロテクスチャー（例：格子状パターン）を導入

リップの早期摩耗を引き起こす可能性のある表面欠陥を回避

適切なシャフトの準備は、低温時におけるシール信頼性の不可欠な要素である。

システムレベルの協調：熱的適合性と公差管理

安定した低温シールにはシステムレベルのアプローチが必要です：

部品間の熱収縮の調和

低温条件下での組立公差の考慮

適切な低温流動性および付着特性を持つ潤滑剤の選定

熱的・機械的なシステム連携があって初めて、シールリップが運転中を通して一貫した接触圧力を維持できます。

低温シールを成功させる鍵は過度のめり込みではなく、本質的に温度適応性を持つシールシステムを構築することにあります。

最適化された材料、リップ形状、スプリングシステム、シャフト表面設計およびシステムレベルでの熱的整合性を統合することで、厳しい低温条件下においても信頼性の高いシール性能と長寿命を実現できます。