JP5598069B2

JP5598069B2 - 空気圧縮機

Info

Publication number: JP5598069B2
Application number: JP2010097832A
Authority: JP
Inventors: 英樹渡辺; 誠一古田土; 裕人稲川; 茂石川; 徳秀田尾
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: JP2011226406A

Description

本発明は、釘打機等の空気工具を駆動するために必要な圧縮空気を生成する空気圧縮機に関する。

一般に、例えば特許文献１に記載されている空気工具に供給するための圧縮空気を生成する空気圧縮機は、電動機等の駆動部の回転運動を、クランク軸を介してシリンダ内に摺動可能に挿嵌されたピストンの往復運動に変換し、吸気弁から吸入した空気を圧縮することにより、圧縮空気を生成する。ここで、駆動部の回転運動は、ピストンに設けた単一円形状の貫通孔に、その貫通孔直径よりもわずかに小さい径を有するピストンピンを挿通し、ピストンピンとクランク軸とを軸受及び連接棒を介して連結することにより、ピストンの往復運動に変換される。
また、従来、ピストンとピストンピンの間を潤滑用のオイルで満たす構成が一般的であった。しかし、近年、潤滑用のオイルを用いないオイルレスコンプレッサーが普及している。

特開２００９−１８５６４８号公報

図９（ａ）に、貫通穴６２３ａの中心軸方向から見た従来のピストン６２３を示す。特許文献１に記載されているような従来のシリンダ及びピストン６２３による空気の圧縮行程において、圧縮空気の圧力により、ピストンピン６２４とピストンピン６２４が挿通された貫通穴６２３ａの内周面には、ピストン６２３の摺動方向と平行で、貫通穴６２３ａからピストン上面６２３ｅに向かう方向の繰り返し接触荷重が負荷される。従って、ピストンピン６２４と貫通穴６２３ａ内周面との接触は、図９（ｂ）に示すように、貫通穴６２３ａの中心Ｏを通り、ピストン６２３の摺動方向に平行な線と貫通穴６２３ａの周が交差する点のうちピストン上面６２３ｅ側の交点Ｃ付近で生じる。また、貫通穴６２３ａの直径は、ピストンピン６２４の直径よりも若干大きく形成され、例えば１０μｍ程度である。このため、接触荷重発生時は、交点Ｃにおける接触荷重が最大となり、ピストンピン６２４と比較すると低剛性であるピストン６２３の貫通穴６２３ａ内周面が弾性変形する。貫通穴６２３ａの内周面が弾性変形すると、交点Ｃを中心として貫通穴６２３ａの円周形状に沿って接触荷重の発生領域が拡大する。具体的には、接触荷重による圧力は、図９（ｂ）に示すように、交点Ｃを最大とし、貫通穴中心Ｏと交点Ｃを通る線と貫通穴中心Ｏを通る直線で形成される角度をθとして、θの増大に伴い減少するように分布する。

この貫通穴６２３ａの弾性変形は、剛性の低いピストン６２３の貫通穴６２３ａの内周面がピストンピン６２４の外表面に沿って伸びようとする変形であるため、接触している面同士の間に相対すべりが生じる。交点Ｃ付近は、接触荷重により生じる摩擦力が大きいため、相対すべりは発生しないが、ピストン６２３の貫通穴６２３ａの内周面がピストンピン６２４の外表面と接触している領域（接触領域）の終点付近では、摩擦力が小さいため、相対すべりが発生する。この接触領域終点付近の相対すべりは、繰り返しの摩擦力を伴った相対すべりであり、本現象は、一般にフレッティングと称される。フレッティングが発生する接触領域においては、フレッティング摩耗と言われる表面損傷が生じ、フレッティング摩耗が進行すると、その箇所に摩耗粉が発生し、機械の精度や機能が著しく低下し、振動や騒音の原因となる。

また、前述の相対すべりが発生する箇所においては、貫通穴６２３ａ内周面を変形させようとする荷重により大きな繰り返し応力が発生し、フレッティング疲労が生じる。フレッティング疲労が生じると、フレッティングが無いときの材料の疲労強度よりも著しく低い応力で、接触面に疲労亀裂が発生する。そして、空気圧縮機のように繰り返し生じる応力値がほぼ一定である場合においてフレッティング疲労が生じた場合、フレッティング疲労が無い場合と比較し短時間で疲労破壊が発生する。従って、フレッティング疲労が生じるピストンピン６２４と貫通穴６２３ａの内周面に短時間のうちに疲労亀裂が発生し、その亀裂が進展すると部品の破損に至る。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、部品の破損を防止し、信頼性の高い空気圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る空気圧縮機は、
モータにより駆動されるクランク軸と連接棒を介して連結されるピストンピンと、該ピストンピンが挿通される貫通穴が形成され、前記クランク軸の回転運動によりシリンダ内で摺動運動するピストンと、を備える空気圧縮機であって、
前記貫通穴は、前記ピストンの摺動方向と交差する方向に貫通し、その貫通方向から見て、円形部と、該円形部の中心を通り、前記ピストンの摺動方向に平行な線を中心として略対称に形成された２つの切り欠き部と、から構成され、
前記貫通穴の貫通方向から見て、前記２つの切り欠き部のそれぞれにおいて、一方の端部と前記円形部の中心とを結んだ線と、他方の端部と前記円形部の中心とを結んだ線とのなす角φが、φ≧８０°である、
ことを特徴とする。

前記貫通穴の貫通方向から見て、前記２つの切り欠き部は、前記円形部の中心を通り、摺動方向と略直交する線をまたぐように形成されてもよい。

前記ピストンピンは、前記ピストンとネジにより締結されていてもよい。

前記円形部は、前記ピストンと前記シリンダにより形成される圧縮室内の空気を前記ピストンが圧縮する圧縮工程において、前記ピストンと接触する接触領域を有してもよい。

前記貫通穴の前記ピストンの内壁側縁部に、面取りが施されていてもよい。

本発明によれば、部品の破損を防止し、信頼性の高い空気圧縮機を提供できる。

本発明の実施形態に係る空気圧縮機の平面図である。本発明の実施形態に係る空気圧縮機の側面図である。本発明の実施形態に係る空気圧縮機のピストンの斜視図である。本発明の実施形態に係る空気圧縮機のピストンとピストンピンの組立正面図である。ピストンに形成された貫通穴をその中心軸方向から見た図である。（ａ）は圧縮工程時におけるピストンの変形状態を示す図、（ｂ）はピストンに形成された貫通穴の周壁部に加わる圧力を説明するための図である。切り欠き部の半径と貫通穴の周壁部にかかる最大応力との関係を表す図である。（ａ）は本発明の実施形態の変形例に係る空気圧縮機のピストンの断面斜視図、（ｂ）は従来の空気圧縮機のピストンピンがピストンを介して圧縮空気の圧力により変形した状態を表す図である。（ａ）は従来の空気圧縮機におけるピストンとピストンピンの組立正面図、（ｂ）は従来の空気圧縮機におけるピストンに形成された貫通穴の内周面に加わる圧力を説明するための図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る空気圧縮機１を図面を用いて説明する。図１及び図２に示すように、空気圧縮機１は、駆動部１００と、空気タンク部２００と、制御回路部３００と、操作パネル部４００と、圧縮空気生成部５００と、から構成される。

駆動部１００は、例えば直流モータ１１０等から構成され、クランク軸１２０を介して直流モータ１１０の回転運動を圧縮空気生成部５００のピストン５２３の往復運動に変換することにより、圧縮空気生成部５００を駆動する。駆動部１００の駆動回路は、制御回路部３００により制御される。

空気タンク部２００は、平行に配置された１対の円筒状の空気タンク２１１、２１２と、連通管２２１、２２２と、マニホールド２３０等から構成される。空気タンク２１１、２１２は、圧縮空気生成部５００で生成され、その吐出通路出口より２段目配管５４２を通って供給される圧縮空気を貯留する。供給された圧縮空気は、空気タンク２１１、２１２内で、例えば３．０〜４．５ＭＰａの圧力を有する。連通管２２１、２２２は、一端がそれぞれ空気タンク２１１、２１２に接続され、他端はマニホールド２３０に接続される。従って、空気タンク２１１、２１２は、連通管２２１、２２２及びマニホールド２３０を介して連通しているため、空気タンク２１１、２１２内部の圧力は略同一に維持される。そして、空気タンク２１１、２１２内に貯留された圧縮空気は、減圧弁２４１、２４２で所定の圧力に減圧された後、圧縮空気取出口（カプラ）２５０に接続されたホース（図示せず）を介して釘打機等の空気工具（図示せず）に供給される。

制御回路部３００は、スイッチング素子等が配置された回路基板から構成され、操作パネル部４００からの操作信号等に基づいて、駆動部１００の直流モータ１１０のオン・オフを制御する。

操作パネル部４００は、主電源スイッチと、表示部等とから構成される。主電源スイッチは、空気圧縮機１に供給される商用交流電源をオン・オフするために設けられ、主電源スイッチを介して、制御回路部３００や駆動部１００に電源が供給される。表示部は、例えば、タンク圧力や過負荷の警告をＬＥＤ等により表示する。

圧縮空気生成部５００は、図１に示すように、１段目圧縮装置５１０と、２段目圧縮装置５２０とから構成され、１段目圧縮装置５１０と２段目圧縮装置５２０はクランクケース５３０を介し、対向するように配置される。１段目圧縮装置５１０は、弁板５１１、シリンダ５１２、ピストン５１３等から構成される。ピストン５１３は、軸受１３１等を介してクランク軸１２０に回動可能に連結されている。この構成により、クランク軸１２０の回転運動が、シリンダ５１２内におけるピストン５１３の往復運動に変換される。また、２段目圧縮装置５２０は、弁板５２１、シリンダ５２２、ピストン５２３等から構成される。ピストン５２３には、貫通穴５２３ａが形成されており、ピストンピン５２４が挿通される。ピストン５２３は、軸受１３２、１３３及び連接棒１４０等を介してクランク軸１２０に回動可能に連結されている。この構成により、クランク軸１２０の回転運動が、シリンダ５２２内におけるピストン５２３の往復運動に変換される。

以上のように構成される圧縮空気生成部５００における動作について説明する。まず、１段目圧縮装置５１０は、クランクケース５３０の内部を経由してピストン５１３上面、シリンダ５１２、弁板５１１により区画された圧縮室５１５に吸い込まれた外部空気（大気圧）を圧縮し、１段目配管５４１を介して、２段目圧縮装置５２０に圧縮空気を供給する。２段目圧縮装置５２０は、１段目圧縮装置５１０から供給される圧縮空気を、ピストン５２３上面、シリンダ５２２、弁板５２１により区画された圧縮室５２５において、例えば３．０〜４．５ＭＰａの許容最高圧力まで圧縮し、２段目配管５４２を介して、空気タンク２１１、２１２に圧縮空気を供給する。

次に、実施形態に係るピストンピン５２４が挿通される、ピストン５２３に形成された貫通穴５２３ａの形状について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る空気圧縮機１のピストン５２３の斜視図、図４は、ピストン５２３とピストンピン５２４の組立正面図である。図３及び図４に示すように、ピストン５２３には、ピストン５２３の摺動方向と垂直方向であってピストン５２３の中心軸を通る方向に貫通する貫通穴５２３ａが形成されている。貫通穴５２３ａには、図４に示すようにピストンピン５２４が挿通される。そして、ピストンピン５２４は、図１に示すように、ピストン５２３の摺動方向にピストン５２３の側面を貫通するネジ５２５ａ、５２５ｂにより、ピストン５２３に固定される。なお、本発明の実施形態に係る空気圧縮機１において、生成される圧縮空気に不純物が混在することを防ぐため、ピストン５２３とピストンピン５２４との間の潤滑のためのオイルは使用されず、ピストンピン５２４は上述のようにネジ５２５ａ、５２５ｂによりピストン５２３に固定される。

図５は、貫通穴５２３ａをその中心軸Ｏ方向（貫通方向）から見た図である。図５に示すように、貫通穴５２３ａは、中心軸Ｏを中心として所定の半径Ｒ（例えばＲ＝６ｍｍ）を有する円形部５２３ｂと、円形部５２３ｂの内周面から窪むように形成された２つの切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄとから構成される。円形部５２３ｂの直径は、容易にピストンピン５２４が挿通できるように、ピストンピン５２４の直径よりもわずかに大きい。

図６（ａ）は圧縮工程時におけるピストン５２３の変形状態を示す図、（ｂ）は貫通穴５２３ａに加わる圧力を説明するための図である。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、円形部５２３ｂのうち、圧縮室５２６を形成するピストン上面５２３ｅ側の部分は、圧縮工程時においてピストンピン５２４と接触する接触領域Ａを有する。圧縮工程時において、ピストン上面５２３ｅには、圧縮空気により、ピストン５２３の摺動方向に平行で、貫通穴５２３ａに向かう方向（図６（ａ）において下向き）の圧力がかかる。その際、接触領域Ａは、ピストンピン５２４と接触し、ピストン５２３の摺動方向に平行で、貫通穴５２３ａからピストン上面５２３ｅに向かう方向（図６（ａ）において上向き）の接触荷重を受ける。そして、ピストンピン５２４よりもピストン５２３の方が低剛性であるため、円形部５２３ｂのうち接触領域Ａ内の部分は、弾性変形し、それとともにピストンピン５２４の外周に沿って接触領域Ａが拡大する。接触荷重により接触領域Ａにかかる圧力は、図６（ｂ）の圧力分布が示すように、円形部５２３ｂの中心軸Ｏを通り、ピストン５２３の摺動方向と平行な直線Ｙと、接触領域Ａとの交点Ｂで最大となり、交点Ｂから円形部２５３ｂの円周方向に沿って離れるにつれて、圧力は小さくなる。図９（ｂ）に示す従来の貫通穴６２３ａの接触領域における圧力分布と比較すると、接触領域Ａの両端部における圧力は、従来の接触領域よりも大きい。従って、接触領域Ａの両端部におけるピストン５２３とピストンピン５２４との間の相対すべりの量が小さくなり、フレッティングによる摩耗を抑えることができる。

なお、図６（ｂ）及び図９（ｂ）の圧力分布の比較から、接触面積Ａを小さくすることにより、接触領域Ａの両端部における圧力が大きくなり、相対すべりの量を小さくできると考えられる。しかし、接触領域Ａを小さくしすぎると接触領域Ａにおける面圧が大きくなり、ピストン５２３の破損等が生じる恐れがある。従って、接触領域Ａの広さは、図６（ｂ）に示すように、中心軸Ｏと交点Ｂを通る線と中心軸Ｏを通る直線で形成される角度をθとして、θ＝２０°〜５０°程度が好ましい。

次に切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄの形状について説明する。図５に示すように、切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄの周面は、中心軸Ｏ方向から見て、所定の半径ｒ（例えばｒ＝４．５ｍｍ）を有する円弧形状であり、円形部５２３ｂの内周面から窪むように形成されている。また、２つの切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄは、中心軸Ｏ方向から見て、直線Ｙを中心として、略対称に位置するように形成される。これは、上述したように、接触領域Ａは直線Ｙを中心として対称な圧力分布を有しており、相対すべりが起こりやすい接触領域Ａの両端部に対応する位置に切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄを形成したことによる。また切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄは、中心軸Ｏ方向から見て、直線Ｙと直交し、中心軸Ｏを通る直線Ｘをまたがって位置するように形成されている。

次に、切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄを形成する円弧の半径ｒの大きさについて、図７を用いて説明する。図７は、シミュレーションにより解析した半径ｒと貫通穴５２３ａの周壁部にかかる最大応力との関係を表す図である。図７において、横軸は、円形部５２３ｂの半径Ｒに対する半径ｒの比ｒ／Ｒである。また、縦軸は、切り欠き部が形成されていない従来の空気圧縮機のピストンの貫通穴の周壁部にかかる最大応力σ_０に対する、切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄが形成されている本実施形態の空気圧縮機１のピストン５２３の貫通穴５２３ａの周壁部にかかる最大応力σ_１の比σ_１／σ_０である。図７に示すように、ｒ／Ｒ＝０．３３（例えば、ｒ＝２．０ｍｍ、Ｒ＝６．０ｍｍ）の場合、σ_１はσ_０よりも最大応力の比σ_１／σ_０において約４％低い。すなわち、切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄを形成することにより、貫通穴５２３ａの周壁部にかかる最大応力を低下させ、ピストン５２３の耐久性を大幅に向上させることができる。さらに、ｒ／Ｒ＝０．６６（例えば、ｒ＝４．０ｍｍ、Ｒ＝６．０ｍｍ）の場合、σ_１はσ_０よりも最大応力の比σ_１／σ_０において約３０％低い。この最大応力の低下は、図７に示すように、ｒ／Ｒを大きくするほど大きくなる。しかし、効率的に貫通穴５２３ａを加工できる範囲はおよそｒ／Ｒ＝０．８０の範囲までである。好適には、ｒ／Ｒ＝０．７５（例えば、Ｒ＝６．０ｍｍ、ｒ＝４．５ｍｍ）とした場合に最も良い結果が得られ、σ_１はσ_０よりも最大応力の比σ_１／σ_０において約３３％低い。

また、図５に戻って、切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄのそれぞれにおいて、一方の端部と中心軸Ｏとを結んだ線と、他方の端部と中心軸Ｏとを結んだ線とのなす角度φは、大きいほうが切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄの形成するための加工がしやすく、また、切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄの縁部における応力を好適に分散させることができる。具体的には、φ≧８０°であることが好ましい。

次に、ピストン５２３に貫通穴５２３ａを形成するための加工方法について説明する。具体的には、まず、ピストン５２３の摺動方向と直交する方向であって、ピストン５２３ａの中心軸を通る方向にドリル等を貫通させることにより、半径Ｒの貫通穴を円形部５２３ｂとして形成する。その後、ドリル等により、図５に示すように、形成された貫通穴の周面に半径ｒの円弧状の窪みを切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄとして形成する。

以上説明したように、本実施形態に係る空気圧縮機１において、ピストンピン５２４が挿通される貫通穴５２３ａは、直線Ｙを中心として、略対称に位置するように形成される切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄを有する。そのため、接触領域Ａの両端部におけるピストンピン５２４との相対すべりが減少し、フレッティング摩耗を抑制することができる。従って、フレッティング疲労によるピストン５２３とピストンピン５２４との連結部分の破損を防止し、信頼性の高い空気圧縮機１を提供することができる。また、上述したように切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄを形成し、位置させることで、貫通穴５２３ａの縁部における応力分散の効果と、フレッティング疲労の防止を両立させ、結果として劇的な耐久性の向上を実現することができる。

また、本発明の切り欠き部の形状は円弧形状に限定されないが、本実施形態のように、切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄを円弧状に形成することによって、貫通穴５２３ａをドリル等により容易に形成することができる。従って、構造変更や部品点数を増やすことなく、容易な加工により、ピストン５２３とピストンピン５２４との連結部分の破損を防止し、信頼性の高い空気圧縮機１を提供することができる。

また、本実施形態において、上述した形状を有する貫通穴５２３ａは、図５に示すように、中心軸Ｏから見て、円形部５２３ｂと切り欠き部５２３ｃ、５２３ｄといった円弧形状から構成されているため、貫通穴５２３ａの縁部における応力を好適に分散させることができる。従って、ピストン５２３とピストンピン５２４との連結部分の破損を防止し、信頼性の高い空気圧縮機１を提供することができる。

また、本実施形態において、図８（ａ）に示すように、貫通穴５２３ａのピストン５２３の内壁側の縁部に面取りを施すことにより面取り部５２３ｆを形成してもよい。
ここで、従来の空気圧縮機では、図８（ｂ）に示すように、圧縮工程時において、ピストン上面６２３ｅには圧縮空気によりピストン６２３の摺動方向に平行でピストン上面６２３ｅから貫通穴６２３ａに向かう方向(図８（ｂ）において下向き)の圧力がかかる。一方、連接棒（図示せず）により、ピストンピン６２４には、ピストン６２３の摺動方向に平行で圧縮空気による圧力とは反対方向(図８（ｂ）において上向き)に荷重がかかる。従って、ピストンピン６２４は弾性変形し、図８（ｂ）に示すようにピストン上面６２３ｅ側を凸としたアーチ形に変形する。このため、ピストン６２３とピストンピン６２４は、貫通穴６２３ａのピストン６２３の内壁側の上側縁部において強く接触する。この接触荷重により、貫通穴６２３ａの周壁には応力が発生するが、特に貫通穴６２３ａのピストン６２３の内壁側縁部において応力値が大きくなる。
従って、図８（ａ）に示すように、面取り部５２３ｆを形成することにより、ピストン５２３とピストンピン５２４との接触位置は、貫通穴５２３ａのピストン５２３の内壁側縁部からピストン５２３の外壁側へ移動する。このように、ピストン５２３とピストンピン５２４との接触位置を移動させることにより、最大応力が発生する位置を縁部から移動させ、応力低減を図ることができる。

１空気圧縮機
１００駆動部
１１０直流モータ
１２０クランク軸
１３１〜１３３軸受
１４０連接棒
２００空気タンク部
２１１、２１２空気タンク
２２１、２２２連通管
２３０マニホールド
２４１、２４２減圧弁
２５０圧縮空気取出口（カプラ）
３００制御回路部
４００操作パネル部
５００圧縮空気生成部
５１０１段目圧縮装置
５１１弁板
５１２シリンダ
５１３ピストン
５１５圧縮室
５２０２段目圧縮装置
５２１弁板
５２２シリンダ
５２３ピストン
５２３ａ貫通穴
５２３ｂ円形部
５２３ｃ、５２３ｄ切り欠き部
５２３ｅピストン上面
５２３ｆ面取り部
５２４ピストンピン
５２５ａ、５２５ｂネジ
５２６圧縮室
５３０クランクケース
６２３ピストン
６２３ａ貫通穴
６２３ｅピストン上面
６２４ピストンピン

Claims

モータにより駆動されるクランク軸と連接棒を介して連結されるピストンピンと、該ピストンピンが挿通される貫通穴が形成され、前記クランク軸の回転運動によりシリンダ内で摺動運動するピストンと、を備える空気圧縮機であって、
前記貫通穴は、前記ピストンの摺動方向と交差する方向に貫通し、その貫通方向から見て、円形部と、該円形部の中心を通り、前記ピストンの摺動方向に平行な線を中心として略対称に形成された２つの切り欠き部と、から構成され、
前記貫通穴の貫通方向から見て、前記２つの切り欠き部のそれぞれにおいて、一方の端部と前記円形部の中心とを結んだ線と、他方の端部と前記円形部の中心とを結んだ線とのなす角φが、φ≧８０°である、
ことを特徴とする空気圧縮機。
前記貫通穴の貫通方向から見て、前記２つの切り欠き部は、前記円形部の中心を通り、摺動方向と略直交する線をまたぐように形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮機。
前記ピストンピンは、前記ピストンとネジにより締結されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の空気圧縮機。
前記円形部は、前記ピストンと前記シリンダにより形成される圧縮室内の空気を前記ピストンが圧縮する圧縮工程において、前記ピストンと接触する接触領域を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の空気圧縮機。
前記貫通穴の前記ピストンの内壁側縁部に、面取りが施されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の空気圧縮機。