JP6307015B2 - アキシャルピストン型液圧回転機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば作業機械に用いられるアキシャルピストン型液圧回転機に関し、詳しくはそのバルブプレートとシリンダブロックとの間の静圧軸受の潤滑性を向上させたアキシャルピストン型液圧回転機に関する。

液圧を用いたモータまたはポンプの一種であるアキシャルピストン型液圧回転機として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。このアキシャルピストン型液圧回転機は、ポンプとして使用される場合、シャフトに連動して回転するシリンダブロックの回転に伴い、シリンダブロック内のシリンダに内蔵されるピストン先端のシューパッドが斜板に押し付けられることによって、シリンダに内蔵されるピストンが往復運動し、作動液の吸込み、排出を行なうものである。この特許文献１に記載の液圧回転機においては、回転するシリンダブロックを、バルブプレート（弁板）またはフローティングプレートを摺動可能に当接させ、両者の間の摺動面に液膜を発生させて潤滑させている。

特許文献１に記載のアキシャルピストン型液圧回転機においては、バルブプレートのシール面に、ケースドレン、バルブプレートに設けた吸入ポートまたは吐出ポートに連通させて液溜り凹部を設け、その液溜り凹部に作動液が溜まることで、液膜切れを防止して、液膜切れによる焼き付きやかじりを防止することを図っている。

実開昭５８−１２６８２号公報

しかし、特許文献１のアキシャルピストン型液圧回転機のように、バルブプレートのシール面に、ケースドレン、吸入ポートまたは吐出ポートの一部に連通するように、液溜り凹部を設けた構成においては、吸入ポートと吐出ポートとの間の潤滑性、ひいてはシリンダブロックとバルブプレート間の潤滑性をそれほど向上させることはできない。また、液溜り凹部をケースドレインと連通するように設けた場合、シール面における液膜圧力が低下して液膜反力を生じさせる面積が小さくなり、その分潤滑性を低下させる。

本発明は、シリンダブロックとバルブプレートのシール面間の潤滑性を高めたアキシャルピストン型液圧回転機を提供することを目的とする。

本発明のアキシャルピストン型液圧回転機は、
ケーシング内に固定されたバルブプレートと、ケーシング内に回動可能に収容され、前記バルブプレートに対し、互いにシール面を介して摺接されたシリンダブロックとを備え、
前記バルブプレートは、シール面に開口された円弧状の吸入ポートと排出ポートとを有し、
前記シリンダブロックは、円周状に配設された複数のシリンダ内部にそれぞれピストンが収容されると共に、シール面に開口しかつ各シリンダにそれぞれ連通した複数のシリンダポートを有し、
前記バルブプレートのシール面と前記シリンダブロックのシール面との間で静圧軸受が構成されるアキシャルピストン型液圧回転機において、
前記バルブプレートのシール面は凸状の球の曲面状に形成され、
前記シリンダブロックのシール面は前記バルブプレートのシール面と重なるように凹状の球の曲面状に形成され、
前記バルブプレートのシール面に、前記吸入ポートと前記排出ポートとの間を繋なぐ浅溝が円周方向に設けられ、
前記バルブプレートのシール面の一部の曲率半径が、前記バルブプレートのシール面の曲率半径よりも大きく形成されていることによって、前記浅溝は、前記バルブプレートのシール面の半径方向における前記浅溝の中央部においては深く、外側及び内側に行くにつれて浅くなるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、バルブプレートのシール面に、ポート間に繋がる浅溝を設けたため、その浅溝に作動液が浸入する。その浅溝の作動液によってバルブプレートとシリンダブロックのシール面間の潤滑性が向上する。

また、浅溝を、バルブプレートのシール面における半径方向の中央部においては深く、シール面の外側及び内側に行くにつれて浅くなるように形成したので、その浅い部分がバルブプレートのシール面とシリンダブロックのシール面の間で狭くなって、浅溝に作動油が流入する際に作動油の渦ができにくくなる。このため、作動油の渦によって潤滑性が損なわれたり、液圧回転機の効率を低下させることを防止することができる。

また、バルブプレートのシール面の曲率半径より大きな曲率半径の面を浅溝として形成したものであり、この浅溝は例えばシール面より大きな曲率半径の研削面を有する研削装置により比較的簡単に形成することができる。

本発明を適用するアキシャルピストン型液圧回転機の一例を示す断面図であり、バルプレートのシール面が球面をなす場合を示す。 図１のアキシャルピストン型液圧回転機の作液油の流れを説明する図である。 本例の液圧回転機において、浅溝を設けないバルブプレートのシール面側を示す端面図である。 本例の液圧回転機において、本発明の一実施の形態であるバルブプレートのシール面側を示す端面図である。 （Ａ）は図３のＡ−Ａ断面図であり、（Ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。 （Ａ）は図４のＣ−Ｃ断面図であり、（Ｂ）は図４のＤ−Ｄ断面図である。 本実施の形態のバルブプレートにおいて、（Ａ）は浅溝に作動液が流入することを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の浅溝の拡大図である。 本発明のバルブプレートのシール面側の浅溝の他の配設例を示す端面図であり、シール面の内側寄りに浅溝を設けた例である。 本発明のバルブプレートのシール面側の浅溝の他の配設例を示す端面図であり、シール面の外側寄りに浅溝を設けた例である。 本発明のバルブプレートのシール面側の浅溝の他の配設例を示す端面図であり、細い浅溝を設けた例である。 本発明のバルブプレートのシール面側の浅溝の他の配設例を示す端面図であり、２本の浅溝を設けた例である。

図１は本発明を適用するアキシャルピストン型液圧回転機の一例を示す断面図であり、以下の説明は、作動液が油（作動油）である場合について説明する。このアキシャルピストン型液圧回転機１は、アキシャルピストンポンプとして用いられるものであり、筒状のケーシング本体２ａとリアケーシング２ｂによりケーシング２を構成し、ケーシング２の内部には、バルブプレート４、シリンダブロック９、シリンダブロック９内のピストン１０、シューパッド１５、斜板３、シャフト５を収容する。

図３、図４に示すように、バルブプレート４は円形をなし、リアケーシング２ｂの内側の面に固定され、作動油の給排ポートとして、円弧状の吸入ポート４ａ及び吐出ポート４ｂを備える。吸入ポート４ａ及び吐出ポート４ｂはリアケーシング２ｂ内に設けた吸入流路２ｄ、排出流路２ｅにそれぞれ連通している。また、図２に示すように、このバルブプレート４はシリンダブロック９のシール面９ｃを摺接させるシール面４ｃが球面をなす。

シリンダブロック９は円筒状をなし、複数のシリンダ９ｂを周方向に等間隔に配設し、シリンダ９ｂ内に往復動可能にピストン１０を収容する。各シリンダ９ｂはそれぞれシール面９ｃに開口したシリンダポート９ａに連通する。ピストン１０の先端にはそれぞれシューパッド１５が、相互の結合部を球面で嵌合させることにより、回動可能に結合される。各シューパッド１５は円板状のリテーナ１６の支持穴内に取付けられる。シューパッド１５には摺接部１４が固着され、摺接部１４は斜板３へ押し付けられる。斜板３はシャフト５に対して固定の傾斜角で取付けられる場合と、傾斜角変更可能に取付けられる場合がある。

６，７はそれぞれリアケーシング２ｂとケーシング本体２ａに設けた軸受であり、これらの軸受６，７にシャフト５を回動可能に支持させて取付ける。シャフト５のケーシング２から外部に突出させた部分には、エンジンやモータ(図示せず)の出力軸に結合するスプライン歯５ａを有する。また、シャフト５のケーシング２内に位置する部分には、雄スプライン歯５ｂを有し、この雄スプライン歯５ｂとシリンダブロック９の中心孔に設けた雌スプライン歯９ｄのスプライン嵌合構造により、シャフト５とシリンダブロック９とを結合する。

この液圧回転機１においては、エンジンやモータによってシャフト５が回転され、これによりシリンダブロック９が回転される。このシリンダブロック９の回転にともなってピストン１０、リテーナ１６及びシューパッド１５も回転する。このとき、図１の図面中、下側にあるピストン１０は上側へ移動してゆき、シューパッド１５が斜板３の表面を滑るのと同時に、ピストン１０はシリンダブロック９内で斜板３により押されて左側に移動する。このピストン１０の左側への移動により、シリンダ９ｂ内の作動油が、シリンダポート９ａ、バルブプレート４の吐出ポート４ｂおよび排出流路２ｅを通して吐出される。それと同様に、シリンダブロック９の回転に伴って、図１の図面中、上側にあるピストン１０が下側に移動する際に、ピストン１０は右側の斜板３側へ移動する。そしてシリンダブロック９のシリンダ９ｂ内に、吸入流路２ｄ、バルブプレート４の吸入ポート４ａおよびシリンダポート９ａを通して作動油が吸入される。

このようにシリンダブロック９はケーシング２内で回転し、リアケーシング２ｂに固定されているバルブプレート４に対して当接状態で回転する。この時、バルブプレート４のシール面４ｃは凸状の球面状をなし、シリンダブロック９のシール面９ｃは、シール面４ｃに摺接するように凹状の球面状をなしているので、これらはシール面４ｃとシール面９ｃとの間に後述の作動油の油膜を介して摺動する。

このシリンダブロック９が回転するときの、油膜を発生させるための静圧軸受構造を図２により説明する。シリンダブロック９内の作動油を矢印Ｍ及び矢印Ｌで示すように給排する際にシリンダ９ｂ内に高い圧力がかかる。シリンダブロック９とバルブプレート４は相対運動を行う中で微小な隙間を生じ、また、ケースドレイン２ｃの圧力とシリンダ９ｂ内の圧力との間に圧力差があるため、矢印Ｎに示す通り、シリンダブロック９内からの作動油はケースドレイン２ｃへ流出する。更に、この微小隙間を流れる作動油はシリンダ９ｂからの圧力を受けていることからシリンダブロック９を押し返そうとする油膜反力が生じる。その一方、矢印Ｐに示すようにシューパッド１５が斜板３を押す際に、ピストン１０がシリンダ９ｂ側へ移動してシリンダ９ｂに油圧が生じるから、シリンダブロック９がバルブプレート４側へ移動しようとする力が生じる。このシリンダブロック９に作用する力と上述の油膜反力とのバランスによって静圧軸受構造が成り立っている。

この静圧軸受において、油膜反力がシリンダブロック９に作用する力よりも大きすぎるとケースドレイン２ｃへ漏れ出す作動油の量が多くなり、ポンプとしての効率が悪くなる。逆に、油膜反力がシリンダブロック９に作用する力よりも弱すぎると油膜切れが生じ、その油膜が切れた部分でシリンダブロック９とバルブプレートの間で焼付きやかじりが生じる可能性が生じる。一般的には後者のように油膜反力がシリンダブロック９に作用する力よりやや小さく設定されることが多い。

次にバルブプレート４に設ける浅溝について説明する。前述のとおり、バルブプレート４はシール面４ｃが球面状の場合と、シール面４ｃが平面状の場合があるが、まず球面状の場合について説明する。

図３は浅溝２０を設けない場合のバルブプレートを示す端面図であり、図４は浅溝２０（浅溝形成部を斜線で示す。）を設けたバルブプレートの一実施の形態を示す端面図である。図３、図４に示すように、バルブプレート４は、シリンダブロック９側からシール面４ｃが円形をなし、そのシール面４ｃに開口させて、円周方向に沿って弧状の長孔となっている吸入ポート４ａ及び吐出ポート４ｂが設けられている。図４に示すように、浅溝２０は、吸入ポート４ａと吐出ポート４ｂとをつなぐように、両者間に設けられている。また、本実施の形態においては、浅溝２０を、吸入ポート４ａと吐出ポート４ｂの間のみでなく、バルブプレート４の半径方向における吸入ポート４ａおよび吐出ポート４ｂの内側、外側にも、このシール面４ｃの外周側と内周側とを除いて浅溝２０を設けている。

図５（Ａ）は図３のＡ−Ａ断面図であり、図５（Ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。バルブプレート４のシール面４ｃは球面状をなし、これらの断面図においては、シール面４ｃは円弧Ｌ１に沿って形成されている。尚、これらの断面図においては、シール面４ｃや円弧Ｌ１の形は、理解のために曲率を大きくし、誇張して描いている。

一方、本発明の一実施の形態のバルブプレート４の断面構造を図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示す。これらの図６（Ａ）、図６（Ｂ）はそれぞれ図４のＣ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図である。図６(Ａ)，図６（Ｂ）に示す通り、バルブプレート４のシール面４ｃは、図５（Ａ），（Ｂ）の浅溝を設けない状態から、シール面４ｃの円弧Ｌ１よりも曲率半径の大きい円弧Ｌ２に沿ってシール面４ｃを削ることによって浅溝２０が形成されている。

図７（Ａ）は浅溝２０に作動油３０が流入することを示す図である。図７（Ｂ）は図７（Ａ）の拡大図である。バルブプレート４に対向するシリンダブロック９は仮想線で示している。シリンダブロック９のシール面９ｃは、円弧Ｌ２で示した浅溝２０がない場合のシール面４ｃと摺接するようにほぼ同じ曲率半径の球面をなすとともにシール面４ｃに対向する。このように、浅溝２０を設けてその分円弧Ｌ２の分だけシール面４ｃより凹んだ部分が設けられたため、その浅溝２０に作動油３０が流入する。

この浅溝２０は、図６(Ａ)，図６（Ｂ）及び図７の断面図におけるバルブプレート４の半径方向において、浅溝２０の中央部においては深く、シール面４ｃの外側及び内側に行くにつれて浅くなるように形成されている。このため、浅溝２０に流入する作動油３０も中央部が厚く、外側及び内側に行くにつれて薄くなる。

このように、浅溝２０を設けたことによって、作動油３０がバルブプレート４のシール面４ｃとシリンダブロック９のシール面９ｃとの間に流入するため、この作動油３０によって、バルブプレート４とシリンダブロック９の潤滑性が増す。

また、シール面４ｃにおいて、液圧回転機１がポンプとして動作する際に吸入ポート４ａの油圧が比較的低くなることから、シール面４ｃにおいて吸入ポート４ａからみて円周方向は比較的に油膜切れが起こりやすいところ、図４のように浅溝２０を円周状に設けたことによって、そのような油膜切れを防止することができる。

また、バルブプレート４のシール面４ｃに、バルブプレート４の半径方向において中央部においては浅溝２０を深く、シール面４ｃの外側及び内側に行くにつれて浅くなるように形成したため、その浅い部分がシール面４ｃとシール面９ｃの間で狭くなって、浅溝２０に作動油が流入する際に作動油の渦ができにくくなる。このため、作動油の渦によって潤滑性が損なわれたり、液圧回転機１の効率を低下させることを防止することができる。

また、バルブプレート４のシール面４ｃの曲率半径より大きな曲率半径の面を浅溝２０として形成しているので、この浅溝２０は例えばシール面４ｃより大きな曲率半径の研削面を有する研削装置により追加工を行なって浅溝２０を形成すればよいから、比較的簡単に形成することができる。

また、バルブプレート４のシール面４ｃの円弧Ｌ１の曲率半径より大きな曲率半径の円弧Ｌ２の面を浅溝２０として形成したものであり、この浅溝２０は例えばシール面より大きな曲率半径の研削面を有する研削装置により比較的簡単に形成することができる。

尚、図４の端面図において、浅溝２０は吸入ポート４ａと吐出ポート４ｂとを繋げるように構成されているが、浅溝２０を浅く設定することにより、これらのポート４ａ，４ｂと浅溝２０の間にポート絞り（チョーク）を構成するから、吸入ポート４ａと吐出ポート４ｂがつながることが要因で液圧回転機１の効率を低下させることを防止することができる。その一方で、バルブプレート４とシリンダブロック９の潤滑性が向上すれば液圧回転機１の効率（出力／入力）は高くなる。このため、この浅溝の深さは、浅溝を深くすると潤滑性が増す点と、浅溝を浅くすると上述のチョークの度合いが増す点のバランスを考慮して、適切な浅溝の深さを選択することにより液圧回転機１の効率を高くすることができる。この浅溝２０の最も深いところの深さＤは、（１）式で求められるＤの値以下とすることで、液圧回転機１の効率として良好な値が得られる。
Ｄ（ｍｍ）＝ポートＰＣＤ（ｍｍ）×円周率／１００００……（１）
ここで、ポートＰＣＤとは、図３に示すポート４ａ，４ｂの中心を通る円Ｅの直径Ｑである。

図８ないし図１１は、浅溝の他の配置例を示す。図８の浅溝２０Ａは、ポート４ａ，４ｂの内側寄りに設けた例である。図９の浅溝２０Ｂは、ポート４ａ，４ｂの外側寄りに設けた例である。図１０の浅溝２０Ｃは、ポート４ａ，４ｂの内周側、外周側を除いて、浅溝２０Ｃを細く形成した例である。図１１の例は、２本の浅溝２０Ｄ，２０Ｅを設けたものであり、さらに３本以上の浅溝を設けてもよい。これら図８ないし図１１の実施の形態においては、浅溝２０Ａ〜２０Ｅの半径方向の幅は、浅溝２０の幅より狭くなるので、浅溝２０Ａ〜２０Ｅを形成するための円弧Ｌ２の曲率半径は、浅溝２０を形成する場合より大きくするか、あるいは凹溝状に形成してもよい。

上記実施の形態においては、このアキシャルピストン型液圧回転機は油圧ポンプとして作動する場合について説明したが、油圧モータとして作動させる場合には吸入ポートが４ｂとなり吐出ポートが４ａとなる。

また、上記の実施の形態においては、斜板式のアキシャルピストン液圧回転機について示したが、本発明は斜軸式のアキシャルピストン液圧回転機にも適用可能である。その他、本発明を実施する場合、各部の具体的形状、構造については、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で適宜変更、付加が可能である。

１ アキシャルピストン型液圧回転機
２ ケーシング
２ａ ケーシング本体
２ｂ リアケーシング
２ｃ ケースドレイン
２ｄ，２ｅ 流路
３ 斜板
４ バルブプレート
４ａ 吸入ポート
４ｂ 吐出ポート
４ｃ シール面
５ シャフト
９ シリンダブロック
９ａ シリンダポート
９ｂ シリンダ
９ｃ シール面
１０ ピストン
１４ 摺接部
１５ シューパッド
１６ リテーナ
２０、２０Ａ〜２０Ｅ 浅溝
３０ 作動油

Claims (1)

1. ケーシング内に固定されたバルブプレートと、ケーシング内に回動可能に収容され、前記バルブプレートに対し、互いにシール面を介して摺接されたシリンダブロックとを備え、
   前記バルブプレートは、シール面に開口された円弧状の吸入ポートと排出ポートとを有し、
   前記シリンダブロックは、円周状に配設された複数のシリンダ内部にそれぞれピストンが収容されると共に、シール面に開口しかつ各シリンダにそれぞれ連通した複数のシリンダポートを有し、
   前記バルブプレートのシール面と前記シリンダブロックのシール面との間で静圧軸受が構成されるアキシャルピストン型液圧回転機において、
   前記バルブプレートのシール面は凸状の球の曲面状に形成され、
   前記シリンダブロックのシール面は前記バルブプレートのシール面と重なるように凹状の球の曲面状に形成され、
   前記バルブプレートのシール面に、前記吸入ポートと前記排出ポートとの間を繋なぐ浅溝が円周方向に設けられ、
   前記バルブプレートのシール面の一部の曲率半径が、前記バルブプレートのシール面の曲率半径よりも大きく形成されていることによって、前記浅溝は、前記バルブプレートのシール面の半径方向における前記浅溝の中央部においては深く、外側及び内側に行くにつれて浅くなるように形成されていることを特徴とするアキシャルピストン型液圧回転機。

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