JP4691729B2 - ポンプロータとそれを用いた内接歯車式ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、外歯を有するインナーロータ（外歯歯車）と内歯を有するアウターロータ（内歯歯車）を偏心配置にして組み合わせた歯車ポンプ用のポンプロータとそれを用いた内接歯車式ポンプに関する。

インナーロータとアウターロータとからなるポンプロータを吸入ポートと吐出ポートを有するハウジングに組み付けて構成される内接歯車式ポンプは、車のエンジンやオートマチックトランスミッション用のオイルポンプなどとして多用されている。この種の内接歯車式ポンプの従来例として、例えば、下記特許文献１、２などに開示されたものがある。

これらの特許文献に開示された内接歯車式ポンプは、歯数がｎのインナーロータと、歯数が（ｎ＋１）のアウターロータを組み合わせたポンプロータを採用したものであって、運転中の騒音や歯面摩耗を抑制するための工夫を施している。

具体的には特許文献１は、インナーロータとアウターロータが最も深く噛み合う位置での歯間隙間と、両ロータが最も浅く噛み合う位置での歯間隙間を均一化して騒音の原因となる両ロータの歯の打ち合いを抑制することを提案しており、一方、特許文献２は、キャビテーション対応として、インナーロータとアウターロータ間に形成されるチャンバ（ポンピングチャンバ）が閉じ込み後の容積減少行程に移ったときにそのチャンバを吐出ポートに連通させる浅溝をロータ室に設けることを提案している。
特開２００３−５６４７３号公報 特開２００５−４２６８９号公報

前掲の特許文献などが開示している従来の内接歯車式ポンプは、インナーロータ、アウターロータとも歯先形状が左右対称になっており、それがキャビテーションを発生させる原因の１つになっていることを発明者は見出した。
この種のポンプは、吐出圧力が高くなると、チャンバが吐出ポートに連通したときに吐出ポート内の液体がまだ閉じ込みがなされていない後続のチャンバに向けて逆流する。このときの、逆流液は、インナーロータとアウターロータの歯間隙間（歯面間のチップクリアランス）を通って後続のチャンバに流れ込むが、そのときに、後続のチャンバに流入した液体の圧力が急激に低下することがキャビテーションを発生させ、エロージョン（ロータ表面の侵食現象）や騒音を引き起こす原因となっていたのである。
従来の内接歯車式ポンプは、上記の問題を有しており、回転数が高まるにつれてキャビテーションが発生しやすいものになっていた。

そこで、この発明は、上記の後続チャンバへの液体の逆流に起因したキャビテーションを抑制して騒音抑制や耐久性向上の効果を従来品以上に高め、同時にポンプの安定した性能が発揮される回転数領域を広げてポンプ性能をさらに向上させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、内接歯車式ポンプ用のポンプロータに以下の工夫を加えた。すなわち、インナーロータの歯先部の歯形が、基礎円に外接して滑りなく転がる外転円上の一点の軌跡によって創成される外転サイクロイド曲線で、歯溝部の歯形が、基礎円に内接して滑りなく転がる内転円上の一点の軌跡によって創成される内転サイクロイド曲線でそれぞれ形成されているポンプロータを適用対象にして、チップクリアランスの位置のロータ周方向におけるロータ間隙間の変化率Δｔを、歯間隙間寸法が最小となる歯先頂点同士の突き合わせ位置（以下、基準位置という）を境にして、ロータ回転方向前方側よりもロータ回転方向後方側で小さくした。チップクリアランスの位置とは、インナーロータの歯先頂点とアウターロータの歯先頂点が一直線上で対向した位置を言う。
前記ロータ間隙間のロータ回転方向後方側での変化率Δｔは、従来品における同部位の隙間の変化率よりも小さくする。ここで言う、従来品とは、同一仕様のポンプロータであって、インナー、アウターの歯先が左右対称に形成されているものである。なお、ロータ周方向におけるロータ間隙間の変化率Δｔは、（測定点の隙間寸法／基準位置と測定点間の距離）の式で求めることができる。

前記ロータ間隙間の基準位置を境にしたロータ回転方向前後でのロータ周方向変化率Δｔの差は、インナーロータの歯形を左右非対称形状にすることによって生じさせることができる。

このポンプロータは、インナーロータの歯数がｎ、アウターロータの歯数が（ｎ＋１）に設定され、さらに、インナーロータの歯先部の歯形のうち、歯先の頂点よりもロータ回転方向前方側の歯先部の歯形は第１外転円の１点の軌跡によって、歯先の頂点よりもロータ回転方向後方側の歯形は前記第１外転円よりも直径の大きい第２外転円の１点の軌跡によってそれぞれ創成されたものが好ましい。

また、そのサイクロイド曲線の歯形を有するポンプロータは、インナーロータの回転中心とアウターロータの回転中心の偏心量をｅ、アウターロータとそれに押し付けたインナーロータ間のチップクリアランス（最大隙間）をｔ、インナーロータの歯数をｎとして、インナーロータの回転中心をアウターロータの回転中心周りに、直径（２ｅ＋ｔ）の円を描いて公転させ、インナーロータの回転中心がその円を１周公転する間にインナーロータを１／ｎ回自転させ、こうして作られるインナーロータ歯形曲線群の包絡線でアウターロータの歯形を構成したものが好ましい。

この発明は、上記のポンプロータを吸入ポートと吐出ポートを有するハウジングに組み込んで構成される内接歯車式ポンプも併せて提供する。

上記の「チップクリアランスの位置」は、ロータの回転によって高圧の吐出ポートに連通したチャンバから後続のチャンバに向けて液体が逆流して通過する歯間隙間の最小部分である。
この発明では、その位置を基準にして、ロータ間隙間のロータ周方向変化率Δｔを、ロータ回転方向前方側よりもロータ回転方向後方側で小さくしており、これにより、基準位置よりもロータ回転方向後方側では基準位置からの距離の増加に伴う歯間隙間の増加が少なくなるため、液体の流れの剥離が起こり難くなってキャビテーションが発生し難くなる。

ここで、ロータ間隙間のロータ周方向変化率Δｔをロータの回転方向前方側と回転方向後方側の双方で小さくすると、チャンバの容積減少量が大きくなってポンプの吐出能力が低下する。これに対し、この発明では、基準位置を境にしたロータの回転方向前後でのロータ間隙間の変化率Δｔに差をつけたので、ロータ回転方向後方側でその変化率Δｔを小さくすることによるチャンバの容積減少が小さく抑えられる。また、その容積減少をロータの回転方向前方側での変化率Δｔを大きくして補うことも可能であり、チャンバの容積減少を抑えながらロータ間隙間のロータ周方向変化率Δｔをロータ回転方向後方側で従来品よりも小に設定して距離の増加に伴う歯間隙間の増加を従来品よりも少なくすることができる。

なお、インナーロータの歯形をサイクロイド曲線で形成したポンプロータは、基礎円とその基礎円上を滑りなく転がる外転円と内転円を用いて歯形を創成することができるため、歯形曲線の形成が簡単である。

また、インナーロータを、その回転中心が直径（２ｅ＋ｔ）の円上を移動するように公転させながら１公転当たりに１／ｎ回自転させ、このときのインナーロータ歯形曲線群の包絡線でアウターロータの歯形を構成したポンプロータは、滑らかに回転して静粛性などに関してより良い性能を発揮する。

以下、添付図面の図１〜図５に基づいてこの発明のポンプロータと、それを用いた内接歯車式ポンプの実施の形態を説明する。図１に示すポンプロータ１は、歯数がｎ（図はｎ＝１０）のインナーロータ２と、歯数が（ｎ＋１）のアウターロータ３を偏心配置状態に組み合わせて構成されている。

インナーロータ２の歯先部２ａの歯形と歯溝部２ｂの歯形は、従来品とは異なっている。すなわち、歯先部２ａの歯形は、歯先の頂点Ｖｉ（厳密にはインナーロータの回転中心Ｏｉと歯先の頂点Ｖｉとを結ぶ線Ｌ１）を基点にして、一方、歯溝部２ｂの歯形は、歯底（インナーロータの回転中心Ｏｉと歯底とを結ぶ線Ｌ２）を基準にして回転方向前方側と回転方向後方側が共に非対称形状になっており、インナーロータ２の歯先の頂点Ｖｉとアウターロータ３の歯先の頂点Ｖｏを互いに突き合わせた図１（ａ）の状態において、ロータ間隙間のロータ周方向変化率Δｔが、歯間隙間寸法（チップクリアランス）が最小となる位置Ａを境にして、ロータ回転方向前方側よりもロータ回転方向後方側で小さくなっている。

インナーロータ２の歯先部２ａの歯形は、図４において、歯先の頂点Ｖｉよりもロータ回転方向前方側の歯形が基礎円Ｄに外接して滑りなく転がる第１外転円ｒｅ１の一点の軌跡によって創成される外転サイクロイド曲線によって、また、ロータ回転方向後方側の歯形は第１外転円ｒｅ１よりも直径の大きい第２外転円ｒｅ２の一点の軌跡によって創成される外転サイクロイド曲線によってそれぞれ形成されている。

ここでの第１外転円ｒｅ１と第２外転円ｒｅ２は、同一位置にある基礎円上を転がらせると、両外転円によって創成される２つの外転サイクロイド曲線が歯先先端においてつながらないので、第２外転円ｒｅ２が転がる基礎円の直径を第１外転円ｒｅ１が転がる基礎円Ｄの直径よりも前記径差相当分小さくしてロータ回転方向前後の歯形を歯先の頂点部で円滑につながらせる。

これに伴い、歯溝部２ｂの歯形も、歯底を境にして、ロータ回転方向前方側とロータ回転方向後方側の歯形を描く第１内転円ｒｈ１と第２内転円ｒｈ２の直径を異ならせ、さらに、上記と同様に、それぞれの内転円ｒｈ１、ｒｈ２が接する基礎円の直径も異ならせるなどして歯先部の歯形を円滑に連ならせる。

アウターロータ３は、上述した方法で歯形を創成したインナーロータ２を用い、図５に示すように（この図はアウターロータの歯形の創成方法を示すモデル図であり、インナーロータの歯数が図１に示したポンプロータとは異なる）、組み合わせ相手のインナーロータ２の回転中心Ｏｉをアウターロータの回転中心Ｏｏ周りに、直径（２ｅ＋ｔ）の円Ｓを描いて公転させ、インナーロータ２の回転中心Ｏｉがその円Ｓを１周公転する間にインナーロータを１／ｎ回自転させ、こうして作られるインナーロータ歯形曲線群の包絡線で歯形を構成したものになっている。
ここに、Ｏｉ：インナーロータ２の回転中心
Ｏｏ：アウターロータ３の回転中心
ｅ：インナーロータの回転中心とアウターロータの回転中心の偏心量
ｔ：チップクリアランス

以上のように構成したインナーロータ２とアウターロータ３を偏心配置にして組み合わせてポンプロータ１（図１参照）を構成する。そして、そのポンプロータ１を、図３に示すように、吸入ポート５と吐出ポート６を有するハウジング４に収納して内接歯車式ポンプ１０を完成させる。その内接歯車式ポンプ１０は、駆動軸７経由で動力を加えてインナーロータ２を回転させる。インナーロータ２は軸穴９を有しており、その軸穴９に図３に示した駆動軸７が挿入され、その駆動軸７に駆動されて回転する。これに伴い、アウターロータ３も従動回転し、これによりチャンバ８の容積が増減してオイルなどの液体の吸入、吐出がなされる。

チャンバ８は、閉じ込み部１１に移動して吸入ポート５および吐出ポート６から一旦切り離され（図３参照）、その後のさらなるロータ回転で吐出ポート６に連通する。連通初期のチャンバ８内の液圧は吐出ポート６内の液圧以下であり、そのために、吐出ポート６内の液体が同ポートに連通したチャンバ８に流入し、インナーロータ２とアウターロータ３の歯間隙間を通って後続のチャンバ８に向けて流出する。

この発明のポンプロータを採用した内接歯車式ポンプは、上述したように、インナーロータとアウターロータの歯間隙間寸法が最小となる基準位置よりもロータ回転方向後方側でロータ周方向におけるロータ間隙間の変化率Δｔがロータ回転方向前方側での変化率よりも小さく、かつ、従来品における同部位の隙間の変化率よりも小さくなっており、これにより、後続のチャンバに向けて流出する液体の急激な圧力低下に起因した流れの剥離が起こり難くなり、キャビテーションの発生が抑制されて従来品を上回る回転数での運転が行なえるようになる。

以下に、効果を確認するために行った性能評価試験の結果を記す。
試験は、表１および表２に示す仕様のポンプロータを採用した内接歯車式ポンプを使用して行った。発明品のポンプロータ、比較例（従来品）のポンプロータとも、歯数が１０枚のインナーロータと歯数が１１枚のアウターロータを組み合わせて構成されている。

発明品のポンプロータに採用したインナーロータは、歯先形状が左右非対称、比較例のポンプロータに採用したインナーロータは歯先形状が左右対称になっており、発明品のポンプロータでは、所定の偏心配置にして組み合わせたインナーロータとアウターロータの歯先の頂点を互いに突き合わせた状態において、ロータ周方向におけるロータ間隙間の変化率Δｔが、歯間隙間寸法が最小となる位置を基準にして、ロータ回転方向前方側よりもロータ回転方向後方側で小さくなっている。比較例のポンプロータに採用したインナーロータは、ロータ回転方向前後の変化率Δｔに差が無い。

アウターロータは、発明品、比較例とも、組み合わせ相手のインナーロータを使用し、そのインナーロータを回転中心が直径（２ｅ＋ｔ）の円上を移動するように公転させながら１公転当たりに１／ｎ回自転させ、こうして得られるインナーロータ歯形曲線群の包絡線で歯形を構成したものを採用している。

上記のインナーロータとアウターロータを組み合わせたポンプロータについて、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すインナーロータ２の歯先頂点Ｖｉからの距離を０．５ｍｍ刻みにして３．５ｍｍまでの範囲でロータ間隙間の数値を求めた。そのデータを表３に示す。また、それをグラフ化したデータを図６に示す。

なお、図１および図２における図中の数値は、評価試験に用いた発明品と比較例のポンプロータの各部のロータ間隙間寸法を示している。

以上の諸元の内接歯車式ポンプ（ポンプロータの厚み寸法１１ｍｍ）を運転してキャビテーション発生回転数の違いを調べた。ここで言うキャビテーション発生回転数は、ポンプの実際の吐出量が、回転数と吐出量の関係を表す一次関数的な直線から外れだすときのポンプ回転数である。
この評価試験の結果、比較例のポンプは、キャビテーション発生回転数が５０００ｒｐｍであったのに対し、この発明のポンプはそのキャビテーション発生回転数が６０００ｒｐｍであり、比較例よりも使用回転数を増加させて単位時間当たりの吐出性能を高めることが可能であった。

（ａ）この発明のポンプロータの概要を示す正面図、（ｂ）ロータ間隙間の詳細を示す一部分の拡大正面図 （ａ）比較例（従来品）のポンプロータの概要を示す正面図、（ｂ）ロータ間隙間の詳細を示す一部分の拡大正面図 図１のポンプロータを用いた内接歯車式ポンプの実施の形態をカバーを外して示す図 インナーロータの歯形の創成方法の説明図 アウターロータの歯形創成方法の説明図 評価試験に利用した発明品と比較例のロータ間隙間の大きさを比較して示す図

符号の説明

１ ポンプロータ
２ インナーロータ
２ａ 歯先部
２ｂ 歯溝部
３ アウターロータ
４ ハウジング
５ 吸入ポート
６ 吐出ポート
７ 駆動軸
８ チャンバ
９ 軸穴
１０ 内接歯車式ポンプ
１１ 閉じ込み部
Ｏｉ インナーロータの回転中心
Ｏｏ アウターロータの回転中心
ｅ 偏心量
Ｌ１，Ｌ２ 基準になる線
Ｖｉ インナーロータの歯先の頂点
Ｖｏ アウターロータの歯先の頂点
Ａ チップクリアランスの位置
Ｄ 基礎円
ｒｅ１ 第１外転円
ｒｅ２ 第２外転円
ｒｈ１ 第１内転円
ｒｈ２ 第２内転円
Ｓ インナーロータの回転中心を公転させる円

Claims (4)

1. インナーロータ（２）とアウターロータ（３）を偏心配置にして組み合わせた内接歯車
   式ポンプ用のポンプロータであって、前記インナーロータ（２）は、歯先部（２ａ）の歯
   形が、基礎円に外接して滑りなく転がる外転円上の一点の軌跡によって創成される外転サ
   イクロイド曲線で、歯溝部（２ｂ）の歯形が、基礎円に内接して滑りなく転がる内転円上
   の一点の軌跡によって創成される内転サイクロイド曲線でそれぞれ形成され、
   インナーロータ（２）とアウターロータ（３）の歯形形状が、各ロータの回転中心（Ｏｉ，Ｏｏ）と歯先の頂点を基点にして回転方向前方側と回転方向後方側で非対称であり、チップクリアランスの位置のロータ周方向におけるロータ隙間の変化率Δｔが、歯間隙間寸法が最小となる歯先頂点（Ｖｉ、Ｖｏ）同士の突き合せ位置（Ａ）を境にして、ロータ回転方向前方側よりもロータ回転方向後方側で小さいことを特徴とするポンプロータ。
2. 前記インナーロータ（２）の歯数がｎ、アウターロータ（３）の歯数が（ｎ＋１）に設
   定され、インナーロータ（２）の歯先部（２ａ）の歯形のうち、歯先の頂点（Ｖｉ）より
   もロータ回転方向前方側の歯形は第１外転円（ｒｅ１）の一点の軌跡によって、歯先の頂
   点（Ｖｉ）よりもロータ回転方向後方側の歯形は前記第１外転円（ｒｅ１）よりも直径の
   大きい第２外転円（ｒｅ２）の一点の軌跡によってそれぞれ創成されたことを特徴とする
   請求項１に記載のポンプロータ。
3. インナーロータ（２）の回転中心（Ｏｉ）とアウターロータ（３）の回転中心（Ｏｏ）
   の偏心量をｅ、アウターロータ（３）とそれに押し付けたインナーロータ（２）の間のチ
   ップクリアランスをｔ、インナーロータ（２）の歯数をｎとして、
   インナーロータ（２）の回転中心（Ｏｉ）をアウターロータ（３）の回転中心（Ｏｏ）
   周りに、直径（２ｅ＋ｔ）の円（Ｓ）を描いて公転させ、インナーロータの回転中心（Ｏ
   ｉ）がその円（Ｓ）を１周公転する間にインナーロータ（２）を１／ｎ回自転させ、こう
   して作られるインナーロータ歯形曲線群の包絡線でアウターロータ（３）の歯形を構成し
   たことを特徴とする請求項２に記載のポンプロータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のポンプロータ（１）を、吸入ポート（５）と吐出ポー
   ト（６）を有するハウジング（４）に組み込んでなる内接歯車式ポンプ。

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