JP2002202048A - 可変容量型流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】共摺り加工の必要な摺動部位に同加工を施すこ
とができ、同時に潤滑流体の欠乏時にも十分な摺動又は
摺接特性が得られて耐久性が向上する斜板式可変容量型
の流体機械を提供する。 【解決手段】斜板式の可変容量型流体機械にあって、少
なくとも斜板(7) のロッカカム(7a)又は同ロッカカム
(7) に摺接支持するケーシング(1) の軸受(10)、及びコ
ントロールピストン(9) の各表面に、ビッカース強度が
３００００ＭＰａ以上の非晶質炭素膜(12)を形成して、
共摺り加工を可能としてこじりや磨耗をなくすと共作動
用流体による潤滑流体の欠乏時にも焼付きが発生しない
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、斜板の傾斜角を変
更することにより容量が制御される可変容量型のアキシ
ァルピストンポンプやモータ等の流体機械に関し、特に
水或いは水をベースとする低粘度流体などの作動液体を
使う場合に好適な可変容量型の流体機械に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種の代表的な可変容量型の流体機械
として一般的に広く知られた斜板式のアキシァルピスト
ン型ポンプがある。例えば、特開平６−３０７３３０号
公報に示され、図３に示す斜板式のアキシァルピストン
型ポンプは、ケーシング１の内部に収納され、主軸２と
共に回転するシリンダブロック３を有している。同シリ
ンダブロック３の回転軸線を中心とする同一円周上に複
数のボア４が形成され、そのボア４の内部にはそれぞれ
ピストン５が挿入されている。このピストン５の頭部５
ａは前記ボア４の開口から突出し、シュー６を介して斜
板７の表面を摺動自在に当接する。

【０００３】斜板７は主軸２にトラニオン結合されると
共に、その背面のロッカカム７ａをケーシングの軸受１
０に当接させて、同軸受１０により荷重を受けるように
している。前記軸受１０を中心として主軸２に対して一
方向に所要の角度範囲を回動可能とされている。前記斜
板５は、通常、傾動用スプリング８により最大傾転角と
なるように背面側端部が付勢されており、傾動用スプリ
ング８とは反対側に配されたコントロールピストン９が
同スプリング８の付勢に抗して斜板５を最小の傾転角と
なるまで制御動作する。更に、前記コントロールピスト
ンが、上記公報に開示された油圧による作動に代えて、
その端部をプッシャにより機械的に作動させる場合もあ
る。このコントロールピストン９を作動させることによ
り、斜板５に所要の傾転角を与え、ポンプの吐出容量を
制御する。

【０００４】以上の構成にあって、主軸２が回転する
と、該主軸２に、例えばスプライン接続されたシリンダ
ブロック３も回転し、同シリンダブロック３の回転に伴
って、ピストン２の頭部２ａがシュー６を介して斜板５
の表面を摺動し、ピストン２がボア４内を往復動する。

【０００５】シリンダブロック３と共に回転する斜板５
の表面を摺動してボア４内を往復動するピストン２が同
ボア４の底部側から開口側に向かって動くとき、ポンプ
の吸入流路を通ってボア４内に流体を吸入され、ピスト
ン２がボア４の開口側から底部側に向かって動くとき、
ボア４内に吸入された流体をポンプの吐出流路を通して
吐出させる。ボア４内に吸入された流体は、通常、ピス
トン２内の流路を通って、斜板５とシュー６の摺動面に
流れ込み潤滑液として作用する。

【０００６】いま、斜板５の傾転角を小さくしようとす
るとき、上記コントロールピストン９に背圧をかけて同
ピストン９を伸長させ、傾動用スプリング８の付勢に抗
して回動支持部であるトラニオン結合部及び軸受１０を
中心に回動させて傾転角を小さくし、ポンプの吐出容量
を少なくする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、この種の
可変容量型流体機械にあっては、多数の摺動又は摺接す
る部分を有しており、例えばケーシングの内面軸受部及
び弁板と同軸受部及び弁板に摺接しながら回転するシリ
ンダブロック、同シリンダブロックのボアと同ボア内を
摺動するピストン、斜板の表面と同表面を摺動するシュ
ー、斜板と同斜板を支持する回動支持部、コントロール
ピストンとそのシリンダ部分などがある。

【０００８】ところで、これらの可変容量型流体機械に
適用される一般的な流体には鉱物油や植物油などが各種
の油類が使われるが、高熱環境下にあって発火しやすい
部位では水や水にエチレングリコールなどを添加した水
系の流体が使われる場合がある。一般に、上述のごと
く、これらの流体の一部が前記摺動部分の潤滑流体とし
て使われている。

【０００９】前記ケーシングの内面軸受部、弁板とシリ
ンダブロックとの各摺接面間、同シリンダブロックのボ
アとピストンとの摺接面間、並びに斜板表面とシューの
摺接面との間の潤滑は、流体機械の作動中、常に各摺接
部分が相対的に摺動しているため、前述のような一部流
体によっても通常の潤滑機能は満足するが、前記斜板と
同斜板を支持する回動支持部との間の摺接面、及びコン
トロールピストンとそのシリンダ部分との摺動面は、吐
出容量の変更時にのみ摺動するばかりでなく、特に斜板
と斜板の回動支持部や、コントロールピストンとその作
動用プッシャーの摺接面には極めて高い面圧がかかる。

【００１０】斜板と斜板の回動支持部や、コントロール
ピストンとその作動用プッシャーの摺接面に働く前記面
圧は、作動回数が少なく静止状態を長く持続するため、
それらの摺接面に作用する潤滑油の量が減少し、その起
動時には潤滑流体膜が極めて少なくなって、こじりや焼
付きが起きやすい。特に、作動流体として水系流体を使
う場合には、前記潤滑流体膜の形成能が小さいため、そ
れらのこじりや焼付き現象を避けることができない。

【００１１】また、前記斜板と斜板の回動支持部や、前
記コントロールピストンとそのシリンダ部分には、通
常、その構成材料として軸受鋼などの硬質鋼と黄鋼など
の軟鋼が使われており、それらの摺接面あるいは摺動面
の間の馴染みをよくするため、通常は、その摺接面ある
いは摺動面の間にシリカやアルミナなどの粉粒を介在さ
せながら、共摺り加工を行っている。

【００１２】しかるに、特に大荷重を受け、或いは摺動
回数が少ない前述の摺接面あるいは摺動面では、通常の
構成材料では硬度や耐磨耗性に乏しいため、相変わらず
こじりや焼付きが起きやすい。そこで、ケーシングのシ
リンダブロックとの摺動面に対してであるが、例えば特
開平１１−２１０６１５号公報に開示されているような
セラミックスや窒化チタン、ダイヤモンドライクカーボ
ン等を、本発明にあっても同様に、上述の斜板と斜板の
回動支持部や前記コントロールピストンとそのシリンダ
部分との各摺接面や摺動面に、それらの硬質材料をコー
ティングすることも考えられる。

【００１３】しかしながら、前記セラミックスや窒化チ
タンは摩擦係数が高く、前述の大荷重に対しては短期間
のうちに焼付きが生じやすく、実施化が難しいばかりで
なく、また前述の共摺り加工時にそれらのコーティング
層の剥離が起きやすい。一方、上記ダイヤモンドライク
カーボンは一般的に耐磨耗性の向上と摩擦係数の低減と
いった摺動特性の向上に有効であると言われているが、
各メーカによりコーティング方法が異なり、その摺動特
性も多様であるため、その前記公報のごとく他に何らの
格別の条件を設定せずにコーティングするだけでは、初
期の目的を達成し得ない。

【００１４】更に、現状で使われているダイヤモンドラ
イクカーボンのビッカース硬度は、大半が上記窒化チタ
ンの硬度とほぼ等しい２００００ＭＰａ程度である。従
って、同じ硬度を有する材料を単にコーティングしただ
けでは、例えば大荷重のために潤滑流体膜が殆どなくな
り、摺接部材又は摺動部材同士が直接接触するようにな
ると、焼付きが起きやすい。

【００１５】また、前述の硬度程度では、共摺り加工を
行おうとすると、アルミナなどの粉粒により表面が傷つ
いたりして、母材表面が露呈することがある。そこで、
従来のこの種のコーティングがなされた摺接部材や摺動
部材同士は、共摺り加工をせずに両部材間でなじまない
状態で実機に組み込んでいるのが一般的である。しか
し、例えばコントロールピストンを、そのシリンダ部材
に嵌挿しようとすると、こじられて表面が傷つき、焼付
き等が発生しやすくなる。

【００１６】本発明は、かかる現状の課題を解消すべく
なされたものであり、具体的には共摺り加工の必要な摺
動部位に同加工を施すことができ、同時に潤滑流体の欠
乏時にも十分な摺動又は摺接特性が得られて耐久性が向
上する斜板式可変容量型の流体機械を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段及び作用効果】これらの目
的は、本件の請求項１及び２に係る発明により効果的に
達成される。請求項１に係る発明は、ケーシング内に、
ケーシング内で主軸の回転と共に回転するシリンダブロ
ック、該シリンダブロックのボア内を往復動するピスト
ン、該ピストンの球頭端部を摺動自在に支持し、主軸に
対する傾転角を変更可能に配される斜板、該斜板の回動
支持部、及び前記傾転角を変更するコントロールピスト
ンを備えた可変容量型流体機械にあって、少なくとも前
記回動支持部の表面と前記コントロールピストンとの表
面に、ビッカース硬度が２５０００ＭＰａ以上の非晶質
炭素膜が形成されてなることを特徴とする可変容量型流
体機械にある。

【００１８】前記非晶質炭素膜のビッカース硬度が２５
０００ＭＰａより小さいと、共摺り加工によって傷つき
やすいため同加工が行えず、特に高荷重を受ける部分で
は、膜が割れやすく焼付きの原因となる。特に、水系作
動流体の場合には、潤滑流体膜の形成能が小さいため、
母材間の焼付きが生じやすく、耐久性の向上が見られな
い。

【００１９】２５０００ＭＰａ以上の非晶質炭素膜であ
る場合には、共摺り加工によっても傷がつかず、水系作
動流体の場合であっても、母材間の焼付きが生じなくな
る。更に好ましくは、ビッカース硬度を３００００ＭＰ
ａ以上であることが望ましい。

【００２０】請求項２に係る発明は、前記非晶質炭素膜
と前記ロッカカム回動軸部及び前記コントロールピスト
ンの各母材表面との間に、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、
Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏの中から選ばれた１種又は２種以上の
元素、又はその炭化物の薄膜が介在してなることを特徴
としている。このように、非晶質炭素膜の成膜前に同様
の材質からなる中間層を形成することにより、接合性能
が向上して耐剥離性が著しく向上する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の代表的な実施形態
を図面に基づいて説明する。図１は本発明の構成を備え
たアキシァルピストン型ポンプの構造例を示す断面図で
ある。同図にあって、従来のアキシァルピストン型ポン
プの構造例を示す図３に付した符号と同一の符号が付さ
れた部材は実質的に同一の部材であるため、ここではそ
の詳細な説明は省略する。

【００２２】本実施形態に係るアキシァルピストン型ポ
ンプも、図３に示す斜板式のアキシァルピストン型ポン
プと同様に、ケーシング１の内部には主軸２と共に回転
するシリンダブロック３を有している。同シリンダブロ
ック３のボア４に嵌挿入されたピストン５の頭部５ａは
前記ボア４の開口から突出し、シュー６を介して斜板７
の表面を摺動する。

【００２３】斜板７の背面から突出するロッカカム７ａ
をケーシングの軸受１０の球面部に嵌着させて、同軸受
１０により斜板７に作用する高荷重を受けるようにして
いる。前記ロッカカム７ａ及び軸受１０は、本発明にお
ける斜板５の回動支持部を構成し、その回動支持部を中
心として主軸２に対して一方向に所要の角度範囲を回動
可能とされている。一方、ケーシング１の前記軸受１０
の配された側の底面に傾動用スプリング８の一端が固設
され、その先端は斜板７の一部周縁にボール結合させて
おり、通常は斜板７を前記軸受１０を中心として最大傾
転角となるように付勢している。

【００２４】傾動用スプリング８と結合された斜板７の
反対側周縁部にはコントロールピストン９が配され、同
コントロールピストン９はケーシング１に形成されたシ
リンダ部１１に嵌挿され、液圧によりコントロールピス
トン９を前記傾動用スプリング８の付勢に抗して動か
し、斜板５を所望の傾転角となるように回動させて、ポ
ンプの吐出容量を制御する。

【００２５】本実施形態にあっては、前記斜板５の回動
支持部であるロッカカム７ａ、前記傾動用スプリング８
と結合され、前記コントロールピストン９に当接する斜
板７の一部周縁部分、同コントロールピストン９の摺動
面のそれぞれに、既述したダイヤモンドライクカーボン
である非晶質炭素膜１２を形成する。本発明に適用され
る非晶質炭素膜１２は、そのビッカース硬度が２５００
０ＭＰａ以上であることが肝要である。

【００２６】ビッカース硬度が２５０００ＭＰａより小
さいと、既述したように共摺り加工によって傷つきやす
く、また特に水系作動流体の場合には、母材間の焼付き
が生じやすく、耐久性の向上が見られない。２５０００
ＭＰａ以上の非晶質炭素膜１２である場合には、共摺り
加工によっても傷がつかず、水系作動流体の場合であっ
ても、母材間の焼付きが生じなくなる。更に好ましいビ
ッカース硬度は３００００ＭＰａ以上である。

【００２７】なお、本実施形態では、図２に示すよう
に、前記非晶質炭素膜１２と母材１３の成膜部表面との
間に、中間層として炭化チタンの薄層１４を形成して、
非晶質炭素膜１２と炭化チタン層１４との２層として、
非晶質炭素膜１２と母材１３との間における剥離強度を
を更に改善している。ここで、前記炭化チタンに代え
て、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏの中
から選ばれた１種又は２種以上の元素、又はその炭化物
を使うこともできる。前記中間層の層厚は、０．０５μ
ｍ〜１．０μｍであり、好ましくは０．１ミクロンｍ〜
０．２μｍである。

【００２８】次に、前記非晶質炭素膜１２及び炭化チタ
ン層１４の具体的な成膜処理について説明する。成膜前
に成膜部である斜板７のロッカカム７ａ表面及び上記一
部周縁部表面とコントロールピストン９の摺動面とを洗
浄して脱脂する。その後、図示せぬ膜装置内でアルゴン
スパッタ処理を行って、酸化層、吸着層を除去した。次
いで、マグネトロンスパッタリング法により、先ず中間
層として０．１５μｍの炭化チタン層１４を形成したの
ち、マグネトロンスパッタリング法により、硬度６００
００ＰＭａの非晶質炭素膜１２を形成した。非晶質炭素
膜１２の形成には、前記マグネトロンスパッタリング法
に代えて、アークイオン法を採用してもよい。

【００２９】こうして得られた斜板７のロッカカム７ａ
を黄銅よりなる図示せぬ可変容量アキシァルピストンポ
ンプの軸受１０に嵌め込んでシリカよりなる研磨剤をも
って共摺り加工を行った。また、コントロールピストン
９のシリンダ部１１に、同じくシリカよりなる研磨剤を
投入して、コントロールピストン９とシリンダ部１１と
の間でも共摺り加工を行った。その後、コントロールピ
ストン９をシリンダ部１１から抜き取り、ロッカーカム
７ａ及び軸受１０と、コントロールピストン９及びシリ
ンダ部１１から研磨剤を洗浄除去し、可変容量アキシァ
ルピストンポンプに組み込んだ。

【００３０】その後、回転数２０５０ｒｐｍ、負荷油圧
３５０ｋｇ／ｃｍ² 、油温９５℃の試験条件にて、耐久
性試験を実施したところ、表面に薄膜処理を行わない未
処理の場合と硬度２３０００ＭＰａの非晶質炭素膜１２
を形成した場合には、いずれも３００ｈｒでコントロー
ルピストンによるかじりが発生し、ロッカカム７ａの揺
動軸に磨耗が発生したが、本実施形態による処理済の場
合には、それらの損傷が全く見られなかった。

【００３１】以上の説明からも明らかなように、本発明
の斜板式可変容量流体機械にあって、硬度が３００００
ＭＰａ以上の非晶質炭素膜１２を形成した場合には、従
来では不可能とされていた共摺り加工を行うことができ
るため、こじりやなじまない等の不具合が発生せず、極
めて円滑な動きを得ることができるばかりでなく、たと
え水系の作動流体を使っても、焼付きや磨耗等の不具合
も発生せず、極めて長期間の使用に耐えられる。

【００３２】なお、本発明による非晶質炭素膜１２の形
成対象は上記部材に限らず、例えばケーシングのロッカ
カムに対する軸受面、ケーシングのシリンダブロック摺
動軸受部や、同ブロックに形成されるボア内面或いはボ
ア内に嵌挿されるピストンの摺動面など、高荷重の働く
部材表面や摺動面に形成することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る斜板式可変容量型のアキシァルピ
ストン型ポンプの構造例を示す断面図である。

【図２】本発明による非晶質炭素膜の形成部位の層構造
を示す部分断面図である。

【図３】従来の同型のアキシァルピストンポンプの構造
を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 主軸 ３ シリンダブロック ４ ボア ５ ピストン ５ａ 頭部 ６ シュー ７ 斜板 ７ａ ロッカカム ８ 傾動用スプリング ９ コントロールピストン １０ ケーシングの軸受 １１ シリンダ部 １２ 非晶質炭素膜 １３ 母材 １４ 炭化チタン層（中間層）

フロントページの続き (72)発明者 飯田 武郎 栃木県小山市横倉新田400 株式会社小松 製作所小山工場内 Ｆターム(参考） 3H070 AA03 BB04 BB06 CC07 CC31 DD52 EE15 3H071 AA01 AA15 BB02 CC26 DD01 EE05 EE06 3H084 AA08 AA16 AA51 BB23 CC47

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内に、ケーシング内で主軸の
   回転と共に回転するシリンダブロック、該シリンダブロ
   ックのボア内を往復動するピストン、該ピストンの球頭
   端部を摺動自在に支持し、主軸に対する傾転角を変更可
   能に配される斜板、該斜板の回動支持部、及び前記傾転
   角を変更するコントロールピストンを備えた可変容量型
   流体機械にあって、 少なくとも前記回動支持部の表面と前記コントロールピ
   ストンとの表面に、ビッカース硬度が２５０００ＭＰａ
   以上の非晶質炭素膜が形成されてなることを特徴とする
   可変容量型流体機械。
2. 【請求項２】 前記非晶質炭素膜と前記回動支持部及び
   前記コントロールピストンの各母材表面との間に、Ｔ
   ｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏの中から選
   ばれた１種又は２種以上の元素、又はその炭化物の薄膜
   が介在してなることを特徴とする請求項１記載の可変容
   量型流体機械。