JP2005201377A - 回転力伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転軸に対して直角な一方向から荷重を受けつつ一方向に回転駆動する被駆動体と駆動軸との嵌合部の磨耗を低減し、寿命を向上する回転力伝達装置を提供する。
【解決手段】 トロコイドポンプ(1)のインナロータ(21)の連結穴(23)と駆動軸(30)の嵌合部(31)との間にモーメント付勢手段(25)を設ける。連結穴(23)の二面幅(24,24)の、回転中心ＡよりＥだけ偏った対称の位置に軸方向に貫通し、二面幅(24,24)側に開口するＵ溝部(26,26)を設け、所定長さのばね鋼製のロールピン(28,28)を挿入する。ロールピン(28,28)は嵌合部(31)の二面幅(32,32)に当接し、力Ｆで嵌合部(31)を回転方向に付勢する。これにより嵌合部(31)の点Ｃ回りに回転方向の付勢モーメントを加える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転する駆動体と被駆動体とを連結する回転力伝達装置に関し、特には例えばトロコイドポンプのインナロータのように、回転軸に対して直角方向の一方向から荷重を受けながら一方向に回転駆動される被駆動体を駆動する回転力伝達装置に関する。

従来、回転力伝達装置に関しては、例えば特許文献１には回転シャフトの結合構造が記載されている。特許文献１によれば、外装シャフトに設けられた非円形断面の孔部に、軸方向へ摺動可能かつトルク伝達可能に嵌合される軸部を有する内装シャフトを挿入し、内装シャフトには平坦面（二面幅部）を設け、外装シャフトの穴部と内装シャフトの平坦面との間には、一対の脚部を有する板ばねを装着している。板ばねの各脚部には外装シャフトの穴部の内面に弾撥的に係合する膨出ねじれ部を軸心に対して点対称に形成する。これにより内装シャフトの軸心に対して点対称の外周面を、外装シャフトの内周面に圧接させている。

この構成を例えば自動車のステアリングメインシャフトに実施した場合、外装シャフトと内装シャフトとの圧接部で回転方向のガタを確実に消失させることができるとしている。又、内装シャフトと外装シャフトとが圧接した側に内装シャフト又は外装シャフトを回転させた場合、内装シャフトと外装シャフトとの間で衝突打音を発生させることがない。反対側に回転させた場合には回転トルクは板ばねを介して伝達されるため、内装シャフトと外装シャフトとの衝突は板ばねにより抑制され、内装シャフトと外装シャフトとの衝突打音が問題になることはないとしている。

特開２０００−１０３３３８号公報（第３−４頁、第２図）

以下に従来の、回転軸に対して直角方向の一方向から荷重を受けながら一方向に回転駆動される被駆動体を駆動する回転力伝達装置の問題点について説明する。

図８は、上記の回転力伝達装置を備えたものの一例であるトロコイドポンプ１の主要構成を示す正面断面図であり、図９は図８のＸ−Ｘ矢視の側面断面図である。図８、図９において、ケース２に貫通して設けられた円形のアウタロータ穴３にはアウタロータ４が回転自在に嵌入されている。アウタロータ４には回転中心Ｂを中心として、７個の谷部６を有する星型穴５が設けられている。星型穴５には、回転中心Ｂに対して偏心した回転中心Ａを中心として、６個の歯部２２を有する星型形状の、被駆動体２０を構成するインナロータ２１が内接して回転自在に嵌入されている。インナロータ２１には、回転中心Ａ部に２面幅２４，２４を有する連結穴２３が貫通して設けられ、連結穴２３には駆動軸３０の先端部に設けられた、２面幅３２，３２を有する嵌合部３１が軸方向に摺動可能に嵌入されている。連結穴２３の二面幅２４，２４と嵌合部３１の二面幅３２，３２とは当接していて駆動軸３０はインナロータ２１にトルク伝達可能となっている。ケース２の軸方向の両側面には第１側板１０と第２側板１１とが取り付けられ、第１側板１１には圧縮すべき流体の吸込口１２と吐出口１３とが設けられている。

次に作動について図８を参照して説明する。図８において駆動軸３０を、回転中心Ａを中心として反時計回り（矢印Ｋ方向）に回転させるとインナロータ２１は反時計回りに回転し、アウタロータ４は星型穴５の内周部をインナロータ２１の外周部に接しながら、回転中心Ｂを中心として反時計回りに回転される。その結果、流体は吸込口１２からアウタロータ４の星型穴５とインナロータ２１の歯部２２との隙間に吸入され、吐出口１３からは星型穴５と歯部２２との間で圧縮された圧力流体が吐出される。

上述の駆動軸３０でインナロータ２１を駆動する場合、後述するように駆動軸３０には、駆動トルクの他に回転方向のモーメントと反回転方向のモーメントとが交互に加わる。図１０は駆動軸３０の嵌合部３１とインナロータ２１の連結穴２３との嵌合部分の正面図であり、嵌合部３１の二面幅３２，３２と連結穴２３の二面幅２４，２４との間には軸方向に摺動自在にするために微小隙間Ｓが存在する。Ａは駆動軸３０の回転中心、１２は流体の吸込口、１３は吐出口である。図１０において、駆動軸３０は流体に所定の圧力を発生させるために、矢印Ｋの方向に所定の駆動トルクで駆動される。そのため嵌合部３１の二面幅３２の端部には力Ｚが発生する。又、嵌合部３１の回転中心Ａには吐出口１３側から図示しないインナロータ２１を介して流体圧力Ｐが加えられる。今、図１０において、嵌合部３１の左側二面幅３２の上端部をＣ点とし、流体圧力Ｐの加わる回転中心Ａから点Ｃまでの垂直距離をＲとした場合、点Ｃを中心として反回転方向（時計回り）の点Ｃ回りモーメントＭ＝Ｐ×Ｒが発生し、前述の駆動トルクに付加される。この点Ｃ回りモーメントＭの大きさと方向とはインナロータ２１の回転につれて変化する。

図１１はインナロータ２１の回転角の変化に伴い点Ｃ回りモーメントＭが変化する状況を示す説明図であり、図中の角度はインナロータ２１の回転角である。点Ｃ回りモーメントＭは時計回りを（＋）、反時計回りを（−）とする。図１１において、回転角４５°ではＭ＝Ｐ×Ｒcos４５°、回転角９０°ではＭ＝０、回転角１３５°ではＭ＝−Ｐ×Ｒcos４５°、回転角１８０°ではＭ＝−Ｐ×Ｒ、回転角２２５°ではＭ＝−Ｐ×Ｒcos４５°、回転角２７０°ではＭ＝０、回転角３１５°ではＭ＝Ｐ×Ｒcos４５°、回転角３６０°ではＭ＝Ｐ×Ｒになる。すなわち回転角９０°を超えると点Ｃ回りモーメントＭは反回転方向（＋）から回転方向（−）に変わり、回転角２７０°を超えると再び反回転方向（＋）に変わる。回転方向（−）の点Ｃ回りモーメントＭは点Ｃを連結穴２３の二面幅２４に押し付けるように働く押付モーメントであり、反回転方向（＋）の回転モーメントＭは点Ｃを二面幅２４から離すように働く浮上りモーメントである。そして浮上りモーメントにより点Ｃを二面幅２４から離すように働く力が、駆動力により発生する力Ｚより大きくなると点Ｃは二面幅２４から離れる。

次に上述の回転モーメントの変化をグラフにより説明する。図１２はインナロータ２１の回転角と点Ｃ回りモーメントＭとの関係を示すグラフである。図１２において、縦軸は点Ｃ回りモーメントＭ、横軸はインナロータ２１の回転角である。いま回転角０°におけるＭを１００とした場合、前述のように回転角９０°ではＭ＝０、回転角１８０°ではＭ＝−１００、回転角２７０°ではＭ＝０、回転角３６０°ではＭ＝１００となる。Ｍ＝０からプラス側（グラフの上方）は反回転方向の点Ｃ回りモーメント、すなわち浮上りモーメントの大きさを示しており、Ｍ＝０からマイナス側（グラフの下方）は回転方向の点Ｃ回りモーメント、すなわち押付モーメントの大きさを示している。

上記のように駆動軸３０には回転方向の点Ｃ回りモーメントと反回転方向の点Ｃ回りモーメントとが交互に作用する。そのため反回転方向の点Ｃ回りモーメントが作用すると嵌合部３１の点Ｃはインナロータ２１の連結穴２３の二面幅２４から離れ、次に回転方向の点Ｃ回りモーメントが作用すると点Ｃは二面幅２４に当接する。すなわち嵌合部３１の点Ｃは連結穴２３の二面幅２４に対して離脱、当接を繰り返して打撃することとなる。その結果、図１０に示すインナロータ２１の連結穴２３の破線ハッチング部Ｄ，Ｄが異常磨耗し、トロコイドポンプの寿命を低減すると言う問題がある。

前述の特許文献１に記載された構成のものは自動車のステアリングメインシャフトのように左右に低回転で駆動されるものの場合には良いが、上記のように高回転で、常に負荷が変動するような、例えばトロコイドポンプのような装置の回転力伝達装置としては最適でない。

本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、回転軸に対して直角な一方向から荷重を受けながら一方向に回転駆動される被駆動体と、駆動軸との嵌合部に発生する磨耗を低減し、寿命向上を図るのに最適な回転力伝達装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明は、回転力伝達装置において、回転軸に対して直角な一方向から荷重を受けながら一方向に回転駆動される被駆動体と、前記被駆動体の回転中心部に設けられた非円形断面の連結穴と、前記連結穴に、軸方向に摺動可能かつトルク伝達可能に嵌入される嵌合部を有する駆動軸とを備え、前記被駆動体を前記駆動軸により回転駆動するときに前記嵌合部が前記被駆動体を介して前記荷重を受けることにより発生し、前記駆動軸を回転方向又は反回転方向に回転させるように働く、前記嵌合部の所定の点回りのモーメントのうち、前記反回転方向の前記点回りのモーメントを低減するために、前記被駆動体側から前記駆動軸側へ、回転方向の前記点回りのモーメントを付勢するモーメント付勢手段を設けた構成としている。

第２発明は、第１発明において、前記モーメント付勢手段により付勢される前記点回りのモーメントの大きさを、前記回転方向の前記点回りのモーメントと、前記反回転方向の前記点回りのモーメントの最大値と最小値との差の１／２の４４％〜２０６％とした構成としている。

第３発明は、第１又は第２発明において、前記モーメント付勢手段は、前記被駆動体と前記駆動軸との間に弾性部材を設けて構成している。

第４発明は、第３発明において、前記被駆動体の連結穴と前記駆動軸の嵌合部とは断面形状において互いに当接する二面幅を有し、前記弾性部材は前記二面幅の間に設けられたロールピンである構成としている。

第５発明は、第３又は第４発明において、前記弾性部材は、前記駆動軸の回転中心に対して対称の位置に配置されている構成としている。

第１発明によると、駆動軸に働く反回転方向の点回りのモーメントを低減するために、被駆動体側から駆動軸側へ、回転方向の点回りのモーメントを付勢するモーメント付勢手段を設けた。そのため、回転途中において駆動軸の嵌合部の角部が被駆動体の穴部の二面幅から離れる量が少なくなり、嵌合部が二面幅を打撃する力が小さくなって磨耗量が低減し、装置の寿命を延長することができる。

第２発明によると、モーメント付勢手段による付勢モーメントの大きさを、回転方向の点回りのモーメントと、反回転方向の点回りのモーメントとの差の最大値の１／２の４４％〜２０６％とした。本発明者は実験の結果、被駆動体の穴部と駆動軸の嵌合部との磨耗許容限界値は、付勢モーメントの大きさが回転方向の点回りのモーメントと、反回転方向の回転モーメントとの差の最大値の１／２の４４％であり、被駆動体の穴部と駆動軸の嵌合部との軸方向移動によるかじり発生限界値は、付勢モーメントの大きさが回転方向の点回りのモーメントと、反回転方向の点回りのモーメントとの差の最大値の１／２の２０６％であることを確認した。したがって付勢モーメントの大きさを上記の範囲内にすることにより磨耗は許容限界値内であり、かじりを発生させる恐れのない回転力伝達装置が得られる。

第３発明によると、モーメント付勢手段は、被駆動体と駆動軸との間に弾性部材を設けた構成としている。そのため構造簡単で加工容易であり、安価である。

第４発明によると、被駆動体の穴部と駆動軸の嵌合部とに互いに当接する二面幅を設けた。そのため穴部と嵌合部との接触圧力を低減し、磨耗を低減することができる。又、弾性部材をロールピンとしたためコンパクトな構成にすることができる。

第５発明によると、弾性部材を駆動軸の回転中心に対して対称の位置に配置した。そのため駆動軸に調心作用が働き、安定した駆動ができる。

以下、本発明に係る回転力伝達装置の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は例えばトロコイドポンプに適用した第１実施形態の回転力伝達装置の構成図である。図１において、図８で説明した従来のトロコイドポンプ１と同一部材には同一符号を付して説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。インナロータ２１の連結穴２３と駆動軸３０の嵌合部３１との間には、駆動軸３０に回転方向（矢印Ｋ方向）の点Ｃ回りモーメントを加えるためのモーメント付勢手段２５が設けられている。すなわち、インナロータ２１の、連結穴２３の二面幅２４，２４部の、回転中心ＡよりＥだけ偏った対称の位置に軸方向に貫通し、二面幅２４，２４側に開口するＵ溝部２６，２６を設け、弾性部材２７の一実施形態である所定長さのばね鋼製のロールピン２８，２８を挿入する。ロールピン２８，２８は嵌合部３１の二面幅３２，３２に当接し、力Ｆで嵌合部３１を回転方向に付勢している。すなわち嵌合部３１の点Ｃ回りにはそれぞれＭ１＝Ｆ×｛Ｒ＋Ｅ−（Ｒ−Ｅ）｝＝Ｆ×２Ｅの回転方向の付勢モーメントが加えられている。

本発明者は実験の結果上記付勢モーメントＭ１の適正値を求めた。以下に実験結果について説明する。図２は各種の大きさの付勢モーメントＭ１を加えた場合のインナロータ２１の回転角と点Ｃ回りモーメントＭとの関係を示すグラフである。図１２に示したものと同様に、縦軸は点Ｃ回りモーメントＭ、横軸はインナロータ２１の回転角であり、縦軸の０から上側（＋側）は反回転方向モーメント（浮上りモーメント）、下側（−側）は回転方向モーメント（押付モーメント）である。図２において、●印の曲線ａは図１２に示した曲線と同一であり、インナロータ１１の回転角０°における反回転方向の点Ｃ回りモーメントＭ＝１００とした場合、回転角１８０°における点Ｃ回りモーメントＭ＝−１００である。この曲線ａは付勢モーメントＭ１＝０である。○印の曲線ｂは付勢モーメントＭ１＝４４を加え、インナロータ２１の回転角０°における反回転方向の点Ｃ回りモーメントＭ＝５６とした場合である。以下同様にしてそれぞれ付勢モーメントＭ１を加えた場合の曲線を示している。すなわち、▲印の曲線ｃはインナロータ２１の回転角０°のとき、Ｍ１＝１００でＭ＝０、△印の曲線ｄはＭ１＝１２５でＭ＝−２５、×印の曲線ｅはＭ１＝２０６でＭ＝−１０６とした場合である。

以上のそれぞれの条件において所定の目標時間連続運転を行ったときの磨耗量及びかじり発生の結果を図３及び図４に示す。図３は二面幅２４，３２の磨耗量を測定した結果であり、縦軸は磨耗量ｍ（数値は指数化してある）、横軸はインナロータ１１の回転角０°における点Ｃ回りモーメントＭである。グラフの横軸の０から右側（＋側）は浮上りモーメント、左側（−側）は押付モーメントである。すなわち付勢モーメントＭ１＝０（Ｍ＝１００）の場合には浮上りモーメントが大きくなるため磨耗量ｍ＝１００になり、付勢モーメントＭ１の値が大きくなるにつれて浮上りモーメントは小さくなって磨耗量は減少し、Ｍ１＝１００（Ｍ＝０）で磨耗量ｍ＝０になる。ここで○で示すＭ＝５６における磨耗量ｍ＝３２が実用上の磨耗限界値である。したがって、付勢モーメントＭ１の下限値は４４となり、各曲線の示す回転モーメントの最大値と最小値との差２００の１／２の４４％となる。

図４は駆動軸３０に対してインナロータ２１が軸方向に摺動したときに、連結穴２３と嵌合部３１との間にかじりを発生したか否かを確認した結果を示すグラフである。図４において、縦軸はインナロータ１２の連結穴２３と、駆動軸３０の嵌合部３１との間に発生する拘束力Ｇ（数値は指数化してある）、横軸はインナロータ２１の回転角０°における点Ｃ回りモーメントＭである。実験の結果、拘束力１００においてかじりが発生した。すなわち押付力の大きい×印で示す回転方向モーメント−１０６のときの拘束力がかじりの限界値となり、付勢モーメントＭ１の上限値は各曲線の示す点Ｃ回りモーメントの最大値と最小値との差２００の１／２の２０６％となる。

以上説明したように、付勢モーメントＭ１の値は点Ｃ回りモーメントＭの最大値と最小値との差２００の１／２の４４％〜２０６％となり、付勢モーメントＭ１をこの範囲内に設定すれば磨耗は許容値内であり、かじりを発生しない。

図５は第２実施形態の回転力伝達装置の構成図である。図５において、第１実施形態のものと同様に、インナロータ２１の連結穴２３の二面幅２４部に設けられたＵ溝部２６に、ばね鋼製の半円周型のロールばね４０を取り付け、駆動軸３０の嵌合部３１を力Ｆで矢印方向に付勢している。

図６は第３実施形態の回転力伝達装置の構成図である。第１実施形態のものと同一部材には同一符号を付して説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。図６において、嵌合部３１の二面幅３２の、回転中心Ａに対して対称な位置に、軸方向に所定長さの溝部４１，４１を設け、溝部４１，４１に板ばね４２，４２を取り付ける。図７は板ばね４２の斜視図であり、板ばね４２は断面形状が弓状に成形され、嵌合部３１を連結穴２３に嵌入した状態で、嵌合部３１を力Ｆで矢印方向に付勢するようになっている。

尚、上記実施例において、弾性部材をロールピンとしているが、例えば、ゴムあるいはコイルスプリング、皿ばね等であっても良い。

本発明はトロコイドポンプの回転力伝達装置としているが、変動負荷を受けながら一方向に回転駆動する装置、例えば歯車ポンプ等にも適用できる。

本発明に係る第１実施形態の回転力伝達装置の構成図である。 本発明に係る回転力伝達装置の、付勢モーメントと、インナロータの回転角と、点Ｃ回りモーメントとの関係を示すグラフである。 本発明に係る回転力伝達装置の、点Ｃ回りモーメントと嵌合部の磨耗量との関係を示すグラフである。 本発明に係る回転力伝達装置の、点Ｃ回りモーメントと嵌合部の拘束力との関係を示すグラフである。 本発明に係る第２実施形態の回転力伝達装置の構成図である。 本発明に係る第３実施形態の回転力伝達装置の構成図である。 本発明に係る第３実施形態の回転力伝達装置に用いる板ばねの斜視図である。 トロコイドポンプの主要構成を示す正面断面図である。 図８のＣ−Ｃ矢視図である。 点Ｃ回りモーメントの説明図である。 インナロータの回転角と点Ｃ回りモーメントとの関係を示す説明図である。 インナロータの回転角と点Ｃ回りモーメントとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１…トロコイドポンプ、４…アウタロータ、５…星型穴、１２…吸込口、１３…吐出口、２０…被駆動体、２１…インナロータ、２３…連結穴、２４，３２…二面幅、２５…モーメント付勢手段、２６…Ｕ溝部、２７…弾性部材、２８…ロールピン、３０…駆動軸、３１…嵌合部、４０…ロールばね、４１…溝部、４２…板ばね。

Claims (5)

1. 回転力伝達装置において、
   回転軸に対して直角な一方向から荷重を受けながら一方向に回転駆動される被駆動体(20)と、
   前記被駆動体(20)の回転中心部に設けられた非円形断面の連結穴(23)と、
   前記連結穴(23)に、軸方向に摺動可能かつトルク伝達可能に嵌入される嵌合部(31)を有する駆動軸(30)とを備え、
   前記被駆動体(20)を前記駆動軸(30)により回転駆動するときに前記嵌合部(31)が前記被駆動体(20)を介して前記荷重を受けることにより発生し、前記駆動軸(30)を回転方向又は反回転方向に回転させるように働く、前記嵌合部(31)の所定の点回りのモーメントのうち、前記反回転方向の前記点回りのモーメントを低減するために、前記被駆動体(20)側から前記駆動軸(30)側へ、回転方向の前記点回りのモーメントを付勢するモーメント付勢手段(25)を設けた
   ことを特徴とする回転力伝達装置。
2. 請求項１記載の回転力伝達装置において、
   前記モーメント付勢手段(25)により付勢される前記点回りのモーメントの大きさを、前記回転方向の前記点回りのモーメントと、前記反回転方向の前記点回りのモーメントの最大値と最小値との差の１／２の４４％〜２０６％とした
   ことを特徴とする回転力伝達装置。
3. 請求項１又は２記載の回転力伝達装置において、
   前記モーメント付勢手段(25)は、前記被駆動体(20)と前記駆動軸(30)との間に弾性部材(27)を設けて構成した
   ことを特徴とする回転力伝達装置。
4. 請求項３記載の回転力伝達装置において、
   前記被駆動体(20)の連結穴(23)と前記駆動軸(30)の嵌合部(31)とは断面形状において互いに当接する二面幅(24,24,32,32)を有し、前記弾性部材(27)は前記二面幅(24,32)の間に設けられたロールピン(28)である
   ことを特徴とする回転力伝達装置。
5. 請求項３又は４記載の回転力伝達装置において、
   前記弾性部材(27)は、前記駆動軸(30)の回転中心に対して対称の位置に配置されていることを特徴とする回転力伝達装置。