JP5252557B2 - ポンプ用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、歯数差が１枚のインナーロータ（外歯歯車）とアウターロータ（内歯歯車）を組み合わせたポンプ用ロータとそれをハウジングに組み込んで構成される内接歯車式ポンプに関する。

内接歯車式ポンプは、車のエンジンや自動変速機（ＡＴ）の潤滑用ポンプなどとして利用されている。この内接歯車式ポンプの中に、歯数差が１枚のインナーロータとアウターロータを偏心配置にして組み合わせたものがあり、さらに、その形式のポンプの中に、容積効率が良くて騒音や駆動トルクも小さいことで知られるトロコイド曲線を用いてロータの歯形を創成したものがある。

このトロコイド曲線を用いて創成される歯形は、図８に示すように、基礎円Ａと、その基礎円Ａ上を滑らずに転がる転円Ｂを用いて転円Ｂの中心から距離ｅ（＝インナーロータとアウターロータの回転中心の偏心量）離れた半径上の一点の軌跡でトロコイド曲線ＴＣを描き、そのトロコイド曲線ＴＣ上を移動するトロコイド曲線ＴＣ上に中心の置かれた一定径の軌跡円Ｃの円弧群の包絡線でインナーロータ２の歯形が創成される（下記特許文献１を同時参照）。
特開昭６１−２０１８９２号公報

トロコイド曲線を用いた歯形は、基礎円Ａ、転円Ｂ、軌跡円Ｃ、インナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量ｅの値が１つの歯形に対してそれぞれ１つ設定される。その歯形を有するポンプは、吐出量を増加させるためには、歯丈を高くすればよいが、目的を達成しようとしてインナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量ｅを大きくすると、歯幅が狭くなりすぎたり、歯形の設計自体が不可能になったりする。従って、上記の偏心量が規制され、そのために歯丈も規制されて吐出量を増加させる要求に応えるのが難しい。

この発明は、上述したタイプのポンプのロータについて歯丈の設定を自由に行なえるようにしてポンプの吐出量を増加させること課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、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、両ロータの歯間に形成されるポンプ室のロータ回転に伴う容積変化によって流体（主として液体）を吸入、吐出する内接歯車式ポンプのロータを以下のように構成した。すなわち、インナーロータの歯形が、直径ｄの基礎円Ａ上を直径ｄ₁の転円Ｂが滑らずに転がり、この転円Ｂの中心から距離ｅだけ離れた点が描くトロコイド曲線ＴＣ上に中心を有する直径ｄ₂の軌跡円Ｃの円弧群の包絡線によって形成されており、前記軌跡円Ｃの直径ｄ₂をインナーロータの歯先部よりも歯底側で大きくした。

また、前記軌跡円Ｃの直径を、インナーロータの歯先部から歯底部の中央に行くにつれて下記の式に従って変化させた。
ｄ_２＝ｄ_２Ｔ＋｛（ｒ_ｍａｘ−ｒ）／（ｒ_ｍａｘ−ｒ_ｍｉｎ）｝・ΔＣ
ΔＣ＝ｄ_２Ｂ−ｄ_２Ｔ
ここに、ｄ_２Ｔ：歯先部における軌跡円Ｃの直径
ｄ_２Ｂ：歯底部における軌跡円Ｃの直径
ｒ：インナーロータ中心からトロコイド曲線までの距離

この発明は、上記の歯形を有するインナーロータと、そのインナーロータの中心をアウターロータの中心周りに直径（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の歯形曲線群の包絡線を歯形にしたアウターロータを組み合わせてポンプ用ロータを構成し、そのポンプ用ロータをハウジングに設けられたロータ室に収納して構成される内接歯車式ポンプも併せて提供する。
なお、上記において、ｅはインナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量、ｔはアウターロータとそれに押し付けたインナーロータの歯間最大隙間（チップクリアランス）、ｎはインナーロータの歯数である。

この発明のポンプ用ロータは、基礎円と転円を用いて描いたトロコイド曲線上を軌跡円が移動し、その軌跡円の円弧群の包絡線でインナーロータの歯形を形成するロータを改善の対象にし、軌跡円の直径を可変とすることでインナーロータの歯丈の設定に自由度を付与している。前記軌跡円の、歯先部における直径よりも歯底部における直径を大きくしたことによって、一定径の軌跡円の円弧群の包絡線によってインナーロータの歯形が形成されるもの（以下、従来品と言う）に比べてインナーロータの歯丈が大きくなり、そのために、インナーロータとアウターロータの歯間に形成されるポンプ室の容積が大きくなってポンプの理論吐出量が増大する。

また、インナーロータの歯先付近の歯形は、上記の従来品とほぼ同じものになるので、チップクリアランス付近での歯間隙間は従来品と同様の狭さになり、ポンプの高い容積効率を維持することができる。また、チップクリアランスが従来品と同様の狭さになるため、ポンプの作動音やロータの耐久性も従来品と同等のものになる。

さらに、この発明の内接歯車式ポンプは、インナーロータをアウターロータの中心周りに公転させながら自転させて描いたインナーロータの歯形曲線群の包絡線でアウターロータの歯形を作成したので、ロータの円滑な回転と一定の歯間隙間の維持が図れ、安定した性能が発揮される。

以下、添付図面の図１〜図３に基づいてこの発明のポンプ用ロータ１の実施の形態を説明する。図１に示すポンプ用ロータ１は、歯数がｎ（図のそれはｎ＝９）のインナーロータ２と、歯数が（ｎ＋１）のアウターロータ３を組み合わせて構成されている。２ａはインナーロータ２の歯先部、２ｂはインナーロータ２の歯底部である。インナーロータ２は、中心に軸穴２ｃを有する。

インナーロータ２は、その歯形が、図８で説明した包絡線、すなわち、直径ｄの基礎円Ａ上を直径ｄ₁の転円Ｂが滑らずに転がり、この転円Ｂの中心から距離ｅだけ離れた点が描くトロコイド曲線ＴＣ上に中心を有する直径ｄ₂の軌跡円Ｃの円弧群の包絡線によって形成されている。

その包絡線を描くのに用いる軌跡円Ｃは、従来品の場合、直径を一定させているが、発明品のポンプ用ロータでは、その軌跡円Ｃの直径を、インナーロータ２の歯先部２ａと歯底部２ｂにおいて異ならせている。具体的には、その軌跡円Ｃの直径を、インナーロータ２の歯先部２ａから歯底部２ｂの中央に行くにつれて徐々に増加させ、図３に示すように、歯先部２ａにおける直径ｄ_2Tよりも歯底部２ｂの中央における直径ｄ_2Bを大きくしている。そのために、発明品のインナーロータ２の歯丈ｈ₁が、従来品の歯丈ｈ（図８参照）に比べて大きくなり、これにより、インナーロータ２とアウターロータ３の歯間に形成されるポンプ室（チャンバ）４の容積が従来品よりも大きくなってポンプの吐出量が増加する。

軌跡円Ｃのインナーロータ歯先部における直径ｄ_2Tと歯底部中央における直径ｄ_2Bの比（ｄ_2B／ｄ_2T）は、その値が大き過ぎるとインナーロータ２の歯幅が細くなりすぎて歯の耐久性が低下し、一方、その値が小さ過ぎると歯丈を大きくする効果が薄れるので、耐久性と歯丈増による吐出量増加のバランスを考えて適切な値を選択する。その比は１．１〜１．５位が適当と考えられるが、その範囲に限定されるものではない。軌跡円Ｃの直径ｄ₂は、下式を満足するように変化させるのがよい。
図４において、
ｄ_2B：歯底部における軌跡円Ｃの直径（最大径）
ｄ_2T:歯先部における軌跡円Ｃの直径（最小径）
ｒ:インナーロータ中心Ｏｉからトロコイド曲線Ｔｃまでの距離
として、
ΔＣ＝ｄ_2B−ｄ_2T
ｄ₂＝ｄ_2B−ΔＣ・｛（[√（ｘ²＋ｙ²）]−ｒ_min）／（ｒ_max−ｒ_min）｝
＝ｄ_2T＋ΔＣ−ΔＣ・｛（[√（ｘ²＋ｙ²）]−ｒ_min）／（ｒ_max−ｒ_min）｝
＝ｄ_2T＋｛（ｒ_max−[√（ｘ²＋ｙ²）]）／（ｒ_max−ｒ_min）｝・ΔＣ
＝ｄ_2T＋｛（ｒ_max−ｒ）／（ｒ_max−ｒ_min）｝・ΔＣ

アウターロータ３は、インナーロータ２よりも歯数を１枚多くしたものが用いられている。このアウターロータ３は、図５に示すように、インナーロータ２の中心Ｏ_iをアウターロータ３の中心Ｏ_O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を１／ｎ回自転させ、こうして作られるインナーロータ２の歯形曲線群の包絡線で歯形を形成している。
ここに、ｅ：インナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量
ｔ：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最大隙間（＝チップクリアランス）
ｎ：インナーロータの歯数

このインナーロータ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用ロータ１を構成し、そのポンプ用ロータ１を、図６に示すように、吸入ポート７と吐出ポート８を有するポンプハウジング５のロータ室６に収納して内接歯車式ポンプ９を構成する。その内接歯車式ポンプ９は、インナーロータ２の軸穴２ｃに駆動軸（図示せず）を通して係合させ、その駆動軸から駆動力を伝えてインナーロータ２を回転させる。このとき、アウターロータ３は従動回転し、この回転により両ロータ間に形成されるポンプ室４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。

この発明の効果を確認するために、以下の仕様のポンプ用ロータを有する内接歯車式ポンプの吐出性能の違いを調べた。試験の条件は、ポンプ回転数５００〜６０００／ｒｐｍ、使用オイル：エンジンオイルＳＡＥ３０、油温：１２０℃、吐出圧力：０．５ＭＰａ及び２．０ＭＰａである。

図１が発明品、図７が従来品である。この図１と図７のロータは同一尺度で表示しており、インナーロータ２の歯丈の違いがこれらの図からわかる。なお、従来品のアウターロータは、歯底の形状が発明品と異なっているが、これは吐出量に影響を与えるものではない。
インナーロータの歯形設計は、直径＝φ７７．８ｍｍの基礎円と、直径＝φ８．６ｍｍの転円と、表１に記載した大きさの軌跡円を用いて行なった。この試験に用いたロータの歯形諸元を表１に示す。

吐出圧０．５ＭＰａでの上記の試験の結果を表２及び図９にそれぞれ示す。表２は、回転数を変えたときの吐出量と、比較品を１００としたときの発明品の吐出量の割合を示している。

また、吐出圧２．０ＭＰａでの上記の試験の結果を表３及び図１０にそれぞれ示す。表３も、上記同様、回転数を変えたときの吐出量と、比較品を１００としたときの発明品の吐出量の割合を示している。

上記の試験の結果から、発明品のポンプの吐出量が、例えば、油温:１２０℃．吐出圧力:０．５ＭＰａ、回転数:１０００ｒｐｍの条件下において従来品に比べて、１１％強増加し、また、油温:１２０℃．吐出圧力:２．０ＭＰａ、回転数:１０００ｒｐｍの条件下においては約４５％強増加することを確認した。

図１及び図７のθはインナーロータ２とアウターロータ３の歯の噛み合い圧力角を表している。この噛み合い圧力角θは、図７の従来品では２１°である。これに対し発明品の噛み合い圧力角θは１３°であり、従来品に比べて極めて小さい。従って、インナーロータからアウターロータへの回転トルクの伝達効率も、発明品が従来品に勝るものになる。

この発明のポンプ用ロータの一例を示す端面図 図１のポンプ用ロータのチップクリアランスを示す図 インナーロータの発明品の歯形の創成方法を示す図 図３を補足する図 アウターロータの歯形の形成方法を示す図 図１のポンプ用ロータを採用した内接歯車式ポンプをハウジングのカバーを外した状態にして示す端面図 改善対象のポンプ用ロータ（従来品）の一例を示す端面図 トロコイド曲線を用いた歯形の創成方法の解説図 吐出圧力０．５ＭＰａでの吐出量の試験結果を比較した図 吐出圧力２．０ＭＰａでの吐出量の試験結果を比較した図

符号の説明

１ ポンプ用ロータ
２ インナーロータ
２ａ 歯先部
２ｂ 歯底部
２ｃ 軸穴
３ アウターロータ
４ ポンプ室
５ ポンプハウジング
６ ロータ室
７ 吸入ポート
８ 吐出ポート
９ 内接歯車式ポンプ
Ａ 基礎円
Ｂ 転円
Ｃ 軌跡円
ＴＣ トロコイド曲線
Ｓ 直径が（２ｅ＋ｔ）の円
ｄ 基礎円Ａの直径
ｄ₁ 転円Ｂの直径
ｄ₂ 軌跡円Ｃの直径
ｄ_2T 軌跡円Ｃのインナーロータの歯先部における直径
ｄ_2B 軌跡円Ｃのインナーロータの歯底部中央における直径
ｈ，ｈ₁ インナーロータの歯丈
Ｏ_i インナーロータの中心
Ｏ_O アウターロータの中心
ｅ インナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量
ｔ アウターロータとそれに押し付けたインナーロータの歯間最大隙間＝チップクリアランス
ｎ インナーロータの歯数
θ 歯の噛み合い圧力角

Claims (2)

1. 歯数がｎのインナーロータ（２）と、歯数が（ｎ＋１）のアウターロータ（３）を組み
   合わせ、両ロータの歯間に形成されるポンプ室（４）のロータ回転に伴う容積変化によっ
   て流体を吸入、吐出する内接歯車式ポンプのロータであって、
   インナーロータ（２）の歯形が、
   直径ｄの基礎円（Ａ）上を直径ｄ_１の転円（Ｂ）が滑らずに転がり、この転円（Ｂ）の
   中心から距離ｅだけ離れた点が描くトロコイド曲線上に中心を有する直径ｄ_２の軌跡円（
   Ｃ）の円弧群の包絡線によって形成されており、前記軌跡円（Ｃ）の直径ｄ_２が、インナ
   ーロータ（２）の歯先部（２ａ）よりも歯底側で大きく、さらに、前記軌跡円（Ｃ）の直径ｄ _２ が、インナーロータ（２）の歯先部（２ａ）から歯底部（２ｂ）の中央に行くにつれて以下の式に従って変化することを特徴とするポンプ用ロータ。
   ｄ _２ ＝ｄ _２Ｔ ＋｛（ｒ _ｍａｘ −ｒ）／（ｒ _ｍａｘ −ｒ _ｍｉｎ ）｝・ΔＣ
   ΔＣ＝ｄ _２Ｂ −ｄ _２Ｔ
   ここに、ｄ _２Ｔ ：歯先部における軌跡円Ｃの直径
   ｄ _２Ｂ ：歯底部における軌跡円Ｃの直径
   ｒ：インナーロータ中心からトロコイド曲線までの距離
2. 請求項１に記載のインナーロータ（２）と、そのインナーロータ（２）の中心（Ｏ_ｉ）をアウターロータ（３）の中心周りに直径（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の歯形曲線群の包絡線を歯形にしたアウターロータ（３）を組み合わせてポンプ用ロータ（１）を構成し、そのポンプ用ロータ（１）をハウジング（５）に設けられたロータ室（６）に収納して構成される内接歯車式ポンプ。
   ここに、ｅ：インナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量
   ｔ：アウターロータとそれに押し付けたインナーロータの歯間最大隙間
   ｎ：インナーロータの歯数

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