Oリング圧縮時の反発力の計算方法について

質問

φ3mm，内径60，硬度50のOリングを樹脂ｹｰｽに組付けて
ケースの蓋側についたリブで10％～30％押しつぶして防水構造にしようとしています。

必要面圧は0.3MPaとそんなに高くないのですが、
蓋側に設置されたケースとの嵌合爪に対する反力がモロにかかる
構造のため、30％圧縮時に爪が破損するのではないか？
という懸念にさらされています。

そもそも反力がどの程度かかるかわからないため、30％どころか
20％でも危うい可能性がありますが、とりあえずその目処が付けたく
反力に対する計算方法が分かる方
どうか回答をお願い致します。

回答No.3

noname#230359

何かやばそうです。

反力の計算は、製造メーカー等に解析してもらった方がベターでしょう。

理由は、
◆ Ｏリング取付溝加工には公差があり、Ｏリング自体にも公差があります。
　 Ｏリングの弾性力のバラツキと共に、考慮が必要です。
◆ 必要面圧は0.3MPaとそんなに高くないのですが、……の記述ですが、Ｏリングが受ける
　 圧力でＯリングの反力が上昇します。
　 この内容も考慮が必要です。
等々です。

Ｏリングの必要面圧0.3MPaで、とそんなに高くないが、30％圧縮時の**力（Ｎ）で爪が
破損する安定した領域が確保できるかが心配です。
以上のことを、配慮ください。

爪にかかる応力が材料強度を超えない値としてのクリープ破壊もありますが、
樹脂やゴムでのクリープ現象やある程度の劣化（寿命）を考慮した“必要面圧0.3MPaより
高目の反力設定”必要と考えます。<爪への負担が増える内容ですが…>

それと、
> 上記で新たに懸念されるのは、Oリングが受ける圧力でOリングの反力も上昇するという
> 内容です。具体的にどの程度上昇するものなのでしょうか？
記述が“防滴”ではなく“防水”であったので、防水耐圧設定があり、それを考慮しなくては
とのアドバイスです。

Ｏリング溝の加工公差での最大値と最小値と、Ｏリングの径（φ3mm）の公差での
最大値と最小値を考慮しての必要面圧0.3MPaの確保と、爪への負担軽減の反力低減
も難しいですが、樹脂やゴムのクリープ現象やある程度の劣化（寿命）を考慮した
必要面圧0.3MPaの確保と、防水耐圧による反力上昇の考慮に関しては、貴殿がＯリング
製造メーカーに条件提示をして、計算資料等の資料提供を依頼下さい。
<条件提示の項目ピックアップだけしかアドバイスできません>

また、
> 組付け初期は30％圧縮時でも爪にかかる応力が材料強度を超えない値
としていますが、
> クリープ破壊を考えると、……
は、貴殿の設計内容（仕様）範疇です。工夫下さい。

でも、必要面圧0.3MPa確保が防水のスペックとなっておりますが、
必要面圧0.3MPa×接触面積　にて反力が計算できます。
必要面圧0.3MPa確保のみが防水スペックで、漏れ方向の長さ又は接触面積があまり関係
ないなら、
★ Ｏリングのタイプを変えてみる（同じような内径で、φ3mmより小さい物）
★ 特殊なＯリングに変えてみる（カタログに載っていない、**社の量産品）
★ Ｏリングでない、特殊形状パッキン
等々も検討し、
必要面圧0.3MPa確保し、接触面積を減少させ反力も減少（防水スペックは維持）
も計画に加えて方がよいかもね。

★印内容は、Ｏリングメーカーやシールメーカーに確認下さい。

お礼

ご回答ありがとうございます。

仰られるとおり、製造メーカで現在対応してもらっています。
圧縮率は公差を加味し10％～30％圧縮を考えていますが、メーカ回答では
防水性を確保する面圧より反力による爪の破損が懸念です。

組付け初期は30％圧縮時でも爪にかかる応力が材料強度を超えない値
としていますが、クリープ破壊を考えると、それでは持たないため
反力を抑えるために、Oリング圧縮面の形状を局所的に面圧がかかる
形状へと変更する検討を行っています。

上記で新たに懸念されるのは、Oリングが受ける圧力でOリングの反力も上昇するという内容です。

具体的にどの程度上昇するものなのでしょうか？
何か計算できること、目安になる指標などあったら教えて頂けないでしょうか？

回答No.2

noname#230359

下記にOリングの圧縮荷重についてのデータがあります。圧縮弾性率を想定し
て計算で求められますが、硬度や材料によって異なるので、実測されることを
おすすめします。

参考URL：

http://www.nok.co.jp/seihin/o-rings_pdf/bp.pdf

お礼

ご回答ありがとうございます。

参考のOリング資料は設計する上で確認済みの物です。
実際資料のメーカともやりとりは行っています。

但し、なかなかサンプルを出してもらえないのが現状です。

とは言いつつも、なんとか同じ物性の近い形状のサンプルを
メーカには依頼しています。

回答No.1

noname#230359

恐らく，反力を計算するということになると，Oリング自身のバネ定数が必要になって来ると思うのですが，ゴムの場合，物自体の形状でバネ定数が決まってしまいます。なので，Oリング単体であれば，まだ専門書を漁れば何とか計算できると思いますし，メーカーに聞けば教えてくれるかも知れません。しかし，Oリングを樹脂ケース内に組み付けるということですから，また話しはややこしくなります。

この場合，Oリングが潰れた時に，ケースがOリングの変形を拘束してしまうので，単体での計算結果とは異なって来ることが容易に想像できます。ただでさえ非線形性があるのに，ますます非線形性が強くなるわけです。

したがって，計算するのは非常に困難であると考えられますので，もしOリングが入手できているのであれば，実際のケースを試作して組み込み，荷重と変位の関係を試験で求める方が，よっぽど正確だと思います。

もちろんFEM解析であれば計算は可能ですが，その精度は，モデル如何で決まってしまうため，保障できないのが現実でしょう。手計算も然りです。

お礼

回答ありがとうございます。

サンプルはメーカに頼んでいます。

但し、中々同じ材質の同じ径の物は出来来なさそうです。

解析についてもメーカで10％～30％まで実施してもらいました。

但し、反力は出してもらっていないため、反力を追加で
お願いしています。

中々回答が出てこない中、こちらで目安程度にでも
反力が分かればというところです。