JP2007177709A - ギアポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】複数のギアの歯面間の油膜形成が十分に行え、歯面の摩耗、損傷を防止して、耐久性を向上させるギアポンプを提供する。
【解決手段】歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下に設定する。これにより、歯面が高い油膜形成能力を奏し、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い条件下でも、長寿命を得ることができる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、歯車の回転により流体を送り出すギアポンプに関する。

ギアポンプは、複数の歯車を一組として、歯車の回転により流体を送り出す構造であり（特許文献１及び特許文献２）、自動車、産業機械など種々の分野で使用されている。なお、ギアはかならずしも２枚１組ではなく、３ギア配列式、遊星配列式などの方式がある。

例えば、図１３に示すように、ギアポンプは、吸入口５４と吐出口５３とを有するギアケース５０（ハウジング内部の空洞に配置されるケース）の内部に、互いに噛合う一対の歯車５１、５２を収納している。吸入口５４側において、歯車５１、５２の噛合いが離れるときに歯溝内に流入した流体は、各々の歯間と、ギアケース５０の内周面との間に封入された状態で、歯車５１、５２の回転によって吐出口５３まで運ばれる。

すなわち、駆動側の歯車５１が矢印Ｘのように回転駆動すると、非駆動側（従動側）の歯車５２が矢印Ｙのように回転する。これによって、矢印Ｚのように吸入口５４を介してギアケース５０に入った流体が矢印Ｗのように吐出口５３から流出する。
特開２０００−１４５６６１号公報 特開２０００−１６１２４４号公報

ポンプの高回転化、高出力化が進むにつれ、歯車の歯面の潤滑条件が厳しくなり、潤滑不良による摩耗、損傷が発生しやすくなる。このように、歯車の歯面に摩耗が生じると、歯車の閉塞領域が変化しポンプの効率が低下し、メンテナンス、ギアの交換等が必要となる。

本発明の課題は、複数のギアの歯面間の油膜形成が十分に行え、歯面の摩耗、損傷を防止して、耐久性を向上させるギアポンプを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のギアポンプは、歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下であることを特徴とする。

パラメータＲｙniとは、基準長毎最大高さの平均値すなわち、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定した値である（ISO 4287:1997）。

また、パラメータＳｋとは、粗さ曲線の歪み度（スキューネス）を指し（ISO 4287:1997）、凹凸分布の非対称性を知る目安の統計量である。ガウス分布のような対称な分布ではＳｋ値は０に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負、逆の場合は正の値をとることになる。

上記のように、本発明では、歯面のくぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniを０．４μｍ以上、１．０μｍ以下の範囲内に規定することで、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能となり、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。また、歯面のＳｋ値を幅方向、円周方向とも−１．６以下とすることにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、表面損傷を極力抑える効果が発揮される。

このギアポンプの歯車（ギア）において、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４〜１．０μｍの範囲内に設定すると、さらに油膜形成能力を向上させることができる。ここで、パラメータＲｙmaxは基準長毎最大高さの最大値である（ISO 4287:1997）。

あるいは、この歯車において、前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）を１．５以下に設定することによっても、さらに歯面の油膜形成能力の向上が図られる。パラメータＲｑniとは、粗さ中心線から粗さ曲線までの高さの偏差の自乗を測定長さの区間で積分し、その区間で平均した値の平方根であり、別名自乗平均平方根粗さともいう。パラメータＲｑniは、粗さ計の触針を幅方向および円周方向に移動させて測定し、拡大記録した断面曲線、粗さ曲線から数値計算で求められる。

くぼみの平均面積が３０〜１００μｍ^２の範囲内であり、くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内である。これにより、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。なお、くぼみの面積率とは、歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた場合、歯面全体の面積に占めるくぼみの面積の割合を意味する。

以上のように、本発明によると、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、油膜が形成しやすくなる。しかもこのくぼみが油溜まりとなるため、すべり面の油膜形成が確実に行える。このため、温度上昇の低減が可能となるとともに、噛み合う歯車の歯面同士の金属接触を緩和でき、高速回転領域においても、ピッチング（Pitting）、アブレジョン（Abrasion）、及びスコーリング（Scoring）の発生を防ぐことができる。従って、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い条件下でも、長寿命を得ることができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係るギアポンプの要部簡略図を示し、このギアポンプは、駆動側の歯車１と、従動側（非駆動側）の歯車２と、これらの歯車１、２を収納するギアケース３とを備える。

ギアケース３には、吸入口４と吐出口５とを備えている。吸入口４と吐出口５とは同一線上に配設され、この線上に歯車１、２の噛合部が位置する。また、駆動側の歯車１は、図示省略の駆動手段にて矢印Ｘ方向に回転駆動し、この駆動側の歯車１と噛合している従動側（非駆動側）の歯車２がこの歯車１の回転に伴って矢印Ｙ方向に回転する。

すなわち、ギアポンプは、吸入口４側において、歯車１、２の噛合いが離れるときに歯溝６、７内に流入した流体は、歯車１、２の回転によって吐出口５まで運ばれ、歯車１、２の噛合いにより、歯溝６，７内の流体が吐出口５から押し出される。このように、吸入口４から矢印Ｚのようにギアケース３内に入った流体は矢印Ｗのように吐出口５から流出（吐出）される。

図２は、歯車１（２）の歯面８を示している。歯面８には、独立した微小なくぼみを無数にランダムに形成している。このくぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下、好ましくは−４．９〜−１．６の範囲である。また、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍである。さらに、面粗さを各表面の軸方向と円周方向のそれぞれで求めてパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）の比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．５以下になっている。くぼみの平均面積が３０〜１００μｍ^２の範囲内であり、くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内である。なお、くぼみの面積率とは、歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた場合、歯面全体の面積に占めるくぼみの面積の割合を意味する。このような表面性状を得るための表面加工処理としては、特殊なバレル研磨によると所望の仕上げ面を得ることができるが、これに限らず、例えばショット等を用いてもよい。

このように、本発明の歯車は、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、油膜が形成しやすくなる。しかもこのくぼみが油溜まりとなるため、すべり面の油膜形成が確実に行える。このため、温度上昇の低減が可能となるとともに、噛み合う歯車１、２の歯面８、８間の金属接触を緩和でき、高速回転領域においても、ピッチング、アブレジョン、及びスコーリングの発生を防ぎ、長寿命化を図ることができる。特に、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniを０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内に設定したことにより、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能となり、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。また、Ｓｋ値を−１．６以下に設定したことにより、微小凹形状のくぼみにて油溜りを確実に形成することができ、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、表面損傷を極力抑える効果が発揮される。

また、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４〜１．０μｍに設定することにより、さらに油膜形成能力を向上させることができ、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）の比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）を１．５以下に設定することによっても、油膜形成能力を向上させることができる。

くぼみの平均面積が３０〜１００μｍ^２の範囲内であり、くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であるので、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

従って、本発明の歯車は、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い条件下でも、長寿命を得ることができる。

ところで、噛合う一対の歯車１、２において、一方の歯車１（又は歯車２）の歯面８のみに本発明に係る表面性状を満たす表面処理を施しても、十分に長寿命等の効果を得ることができるが、両方の歯車１、２の歯面８に、本発明に係る表面性状を満たす表面処理を施すのがより一層の効果がある。また、ギアポンプとして、歯車が２個に限るものではなく、３ギア配列式、遊星配列式などであってもよい。

本発明の有用性を示すために、まず、転がり軸受および歯車の寿命評価を行った。転がり軸受けの転動体は、インナレース（相手軸）、アウタレース（外輪）と、転がりおよび滑り接触をし、その接触は歯車の歯面の接触状態に準じた形態となる。従って、歯車の寿命評価は、転がり軸受の寿命試験で評価することができると考えられる。かかる観点から、本発明者らは、後述の条件で転がり軸受の寿命試験を行った。以下に、パラメータＲｙni、Ｒｙmax、Ｓｋ、Ｒｑniの測定方法、条件の一例を示す。これらのパラメータで表される表面性状を、転がり軸受の転動体や軌道輪といった構成要素について測定する場合、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
パラメータ算出規格：JIS B 0601:1994（サーフコム JIS 1994）
カットオフ種別：ガウシアン
測定長さ：５λ
カットオフ波長：０．２５ｍｍ
測定倍率：×１００００
測定速度：０．３０ｍｍ／ｓ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２
測定装置：面粗さ測定器サーフコム１４００Ａ（東京精密株式会社）

また、くぼみの定量的測定を行うには、対象となる表面を拡大し、その画像から市販されている画像解析システムにより定量化できる。さらには、特開２００１−１８３１２４に開示されている表面性状検査方法及び表面性状検査装置を用いれば、安定して精度良く測定することができる。この方法は、曲率を有する検査表面に光を照射して検査表面をカメラで撮影し、このカメラで撮影された検査表面の画像の輝度を測定して、この測定された輝度の明部と暗部のコントラストで形成される明暗パターンにより、検査表面の表面性状を検査する表面性状検査方法であって、光をカメラの光軸方向に合致させて照射し、測定される画像の輝度分布がピーク値を示す位置を、カメラの光軸上に一致させるように、検査表面を位置決めすることにより、検査表面の曲率に起因するシェーディング（輝度分布）を抑制するものである。また、光をカメラの光軸方向に合致させて照射し、測定される画像の輝度分布について、この輝度分布がピーク値を示す位置に相当する検査表面の部位を原点とし、曲率の対称軸を一つの軸とする直交二次元座標で、直交する各座標軸に沿う一次元の輝度分布をそれぞれ近似関数で近似し、これらの近似関数を用いて、画像の輝度分布を除去するように、輝度分布のピーク値を基準値として、座標各位置に相当する測定された画像の輝度を補正し、この補正された輝度の明暗パターンにより検査表面の表面性状を検査することにより、シェーディングのない明暗パターンで表面性状を検査することができる。測定条件はたとえば次のとおりである。また、くぼみの面積率、平均面積を測定する場合、上記のパラメータと同様に、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
面積率：観察視野範囲で２値化閾値（（明部の輝度＋暗部の輝度）／２）よりも小さい画素（黒）の占める割合
平均面積：黒の面積の合計／総数
観察視野：８２６μｍ×６２０μｍ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２

図３は供試転がり軸受の一例を示しており、この転がり軸受１０は転動体として針状ころ１２を外輪１３に組み込んだ針状ころ軸受であり、針状ころ１２で相手軸１４を支持するようになっている。針状ころ表面に、仕上面の異なる表面処理を施した複数種類の針状ころ軸受を製作し、寿命試験を行なった結果について説明する。寿命試験に用いた針状ころ軸受は、図４に示すように、外径Ｄｒ＝３３ｍｍ、内径ｄｒ＝２５ｍｍ、針状ころ１２の直径Ｄ１＝４ｍｍ、長さＬ＝２５．８ｍｍで、１５本の針状ころを用いた保持器１５付きの軸受である。試験軸受として針状ころの表面粗さ仕上の異なる３種類を製作した。すなわち、研削後スーパーフィニッシュを施した軸受Ａ（比較例）と、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｂ（比較例）、軸受Ｃ（参考例）、軸受Ｄ（参考例）とである。各試験軸受の針状ころにおける仕上面状況を図５〜図７に示す。具体的には、図５は軸受Ａの表面粗さ、図６は軸受Ｂの表面粗さ、図７は軸受Ｃ及び軸受Ｄの表面粗さをそれぞれ示す。また、各試験軸受の表面仕上面の特性値パラメータ一覧を表１に示す。なお、Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、軸受Ｂ、Ｃ及びＤは１．５以下であり、軸受Ａは１．５前後の値である。また、結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。

使用した試験装置は図８に概略図で示したようなラジアル荷重試験機１６で、回転軸１７の両側に試験軸受１０を取り付け、回転と荷重を与えて試験を行なうものである。試験に用いたインナレース（相手軸）の仕上は研磨仕上のＲa０．１０〜０．１６μｍである。アウタレース（外輪）も共通である。試験条件は以下のとおりである。
軸受ラジアル荷重：２０００ｋｇｆ
回転数：４０００ｒｐｍ
潤滑剤：クリセクオイルＨ８（試験条件で２ｃｓｔ）

図９に油膜パラメータΛ＝０．１３の下での寿命試験結果を示す。同図の縦軸が寿命時間（ｈ）を表している。同図に示すように、軸受Ａが７８ｈ、軸受Ｂが８２ｈであったのに対して軸受Ｃは１０５ｈ、軸受Ｄは１２１ｈであった。このデータから明らかなように、針状ころ表面が本発明に係る表面形状を満たすように表面処理された軸受Ｃ及びＤは、油膜パラメータΛ＝０．１３という低粘度、希薄の非常に過酷な潤滑条件下でも長寿命効果を得ることができる。従って、歯面を上記数値範囲に設定した本発明に係るギアポンプは、高い長寿命効果を得ることができる。

次に、図１０に示す平歯車疲労試験機を使用して歯車のピッチング試験を実施し、ピッチング強度を評価した。図１０において、ドライブ側歯車３１（歯数２９枚）とドリブン側歯車３２（歯数３０枚）は各々の回転軸３３、３４の片側に取付けられており、ドライブ側の軸３３が図示しないモータにより駆動されている。また、ドライブ側の軸３３に取付けてある負荷レバー３５及び重錘３６によりトルクを負荷する構造となっている。ドライブ側歯車３１は、本発明に係る表面処理の有無で２種類を用意した。試験条件等の詳細は、表２のとおりである。

歯車ピッチング試験のデータを表３、表４及び表５に示す。表３はドライブ側及びドリブン側の何れの歯車にも表面処理を施していない場合（ａ）の結果（比較例）を示し、表４はドライブ側歯車の歯面に、本発明に係る表面性状を満たすように表面処理を施したものを使用した場合（ｂ）の結果（実施例）を示し、表５はドライブ側歯車及びドリブン側歯車の歯面に、本発明に係る表面性状を満たすように表面処理を施したものを使用した場合（ｃ）の結果（実施例）をそれぞれ示す。これらより、ピッチング寿命が、（ａ）の場合に比べ、（ｂ）の場合では２倍以上向上し、（ｃ）の場合では３倍以上向上していることが確認できる。

図１１に示す２円筒試験機を使用してピーリング試験を行い、金属接触率を評価した。同図において、駆動側円筒４２（Ｄ円筒:Driver）と従動側円筒４４（Ｆ円筒:Follower）は各々の回転軸の片端に取り付けられ、２本の回転軸４６、４８はそれぞれプーリ４０を介して別々のモータで駆動できるようになっている。Ｄ円筒４２側の軸４６をモータで駆動し、Ｆ円筒４４はＤ円筒４２に従動させる自由転がりにした。Ｆ円筒４４は、表面処理に関して比較例と実施例の２種類を用意した。試験条件等詳細は表６のとおりである。

金属接触率の比較データを図１２に示す。同図は横軸が経過時間、縦軸が金属接触率を表し、図１２（Ａ）は比較例Ｅの軸受におけるころの転動面の金属接触率を、図１２（Ｂ）は参考例Ｆの軸受におけるころの転動面の金属接触率を、それぞれ示す。これらの図を対比すれば、比較例に比べて実施例では金属接触率が改善されていることを明瞭に確認できる。言い換えれば、油膜形成率（＝１００％−金属接触率）が、参考例Ｆの軸受の方が比較例Ｅの軸受に比べて、運転開始時で１０％程度、試験終了時（２時間後）で２％程度、向上している。

本発明の実施形態を示すギアポンプの簡略断面図である。 ギアの要部拡大斜視図である。 針状ころ軸受の断面図である。 寿命試験に用いた針状ころ軸受の断面図である。 試験軸受Ａにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図である。 試験軸受Ｂにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図である。 試験軸受Ｃ及びＤにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図である。 試験装置の部分断面図である。 寿命試験結果を示すグラフである。 平歯車試験機の部分斜視図である。 ２円筒試験機の全体概略図である。 金属接触率を示し、（Ａ）は比較例のグラフであり、（Ｂ）は参考例の金属接触率を示すグラフである。 従来のギアポンプの簡略断面図である。

符号の説明

１、２ 歯車
８ 歯面

Claims (5)

1. 歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた歯車を有するギアポンプにおいて、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙniが０．４μｍ≦Ｒｙni≦１．０μｍの範囲内であり、かつ、Ｓｋ値が−１．６以下であることを特徴とするギアポンプ。
2. 前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１のギアポンプ。
3. 前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．５以下であることを特徴とする請求項１のギアポンプ。
4. 前記くぼみの平均面積が３０〜１００μｍ^２の範囲内であることを特徴とする請求項１のギアポンプ。
5. 前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であることを特徴とする請求項１のギアポンプ。

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