JP2009162105A - 内接歯車ポンプ用ロータと同ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内接歯車ポンプ用ロータの寿命向上、性能劣化の抑制、焼き付き防止のために、焼結合金で形成されたポンプロータを高圧で使用したときにも、インナーロータとアウターロータの噛み合い面の偏摩耗が防止されるようにすることを課題としている。
【解決手段】焼結合金で形成されたるインナーロータ２及び／若しくはアウターロータ３の端面基準での歯先２ａ、３ａの直角度を、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量δが１０μｍ以下となるようにして両ロータの噛み合い部の局部当たりを減少させた。
【選択図】図４

Description

この発明は、各々が焼結合金で形成されたインナーロータとアウターロータを組み合わせて構成される内接歯車ポンプ用のロータと同ロータの製造方法に関する。

内接歯車ポンプは、車のエンジンやオートマチックトランスミッション用のオイルポンプなどとして多用されている。この種の内接歯車ポンプの従来例として、例えば、下記特許文献１に開示されたものなどがある。

その内接歯車ポンプに採用されるポンプロータは、歯数差が１枚のインナーロータとアウターロータを偏心配置にして組み合わせたものが主流をなしている。また、そのポンプロータを構成するインナーロータとアウターロータは、焼結合金で形成されたものが多くを占めている。焼結合金製のインナーロータとアウターロータは、粉末冶金法によって製造され、粉末の圧粉成形、圧粉体の焼結の工程を経た後にサイジングを実施して市場に提供されている。

寸法、形状を矯正するサイジングは、ダイ、上下のパンチ、及びコアを組み合わせた金型を用いて行われる。インナーロータについてはダイの成形穴で外歯の歯面をしごき、アウターロータについてはコアの外周面で内歯の歯面をしごく方法が採られる。ところが、そのサイジングが原因で歯先の直角度が低下することがある。ここで言う歯先の直角度は端面を基準にしたものであり、端面とのなす角が９０°を理想とする。

サイジングでは、ダイやコアとの間に生じる側面抵抗の影響により、上パンチによって加圧される焼結体（焼結後ロータ）の一端側よりも、下パンチによって加圧される他端側で成形圧が低くなる。そのサイジング時成形圧の差が生じると一端側と他端側におけるサイジング後の歯面の弾性復元量などにも差が生じ、このことが歯先の直角度の低下に特に大きな影響を及ぼしていると考えられる。

いずれにしても、端面に対して歯先が傾くと、インナーロータとアウターロータの接触が局部当たりになって両ロータの噛み合いがスムーズになされず、また、接触面の減少による接触部の面圧増加も起こる。

エンジン用オイルポンプ、ＡＴ（自動変速機）用オイルポンプなどの一般的用途では、吐出圧力が例えば２〜３ＭＰａ程度とさほど高くないため、上記の局部当たりが生じても特に問題は起こらないが、高圧、例えば、４ＭＰａ以上の圧力で使用されるＣＶＴ用オイルポンプなどは局部当たりすることが原因でロータの噛み合い面の偏摩耗が起こることがあり、その偏摩耗が引き金になって表層の一部分が剥落することもある。その偏摩耗や剥離はポンプロータの寿命を縮める。また、摩耗が原因でポンプの吐出性能の劣化も起こる。加えて、偏摩耗粉や剥離粉が歯面間に噛み込まれることでロータの焼き付きも懸念されるようになる。

歯先の直角度が悪いと、ポンプの使用条件によっては上述したような問題が起こるが、焼結合金製のロータは、製造法に起因した歯先の直角度の低下が避けられない。なお、下記特許文献２は、第１係合部が端面に対して直角をなさないのは第１係合部（歯先）と端面が別部材（異なる金型要素）によって成形されることに原因があると考え、その問題の対策として、第１係合部と端面（その面の外周の一部）を共にダイで成形することを提案している。
特開平７−３２４６８３号公報 特開２００４−２７３１７号公報

内接歯車ポンプのロータは、端面の全域を段差の無い平面にするので、第１係合部と一緒に端面の一部をダイで成形する特許文献２の方法は採用できない。また、上述した側面抵抗の影響による成形圧の差は端面の一部をダイで成形する場合にも生じ、従って、特許文献２の方法は、粉末成形時やサイジング時の側面抵抗に起因した歯先の直角度の低下の防止には効果を奏さない。

この発明は、ポンプロータの寿命向上、性能劣化の抑制、焼き付き防止のために、焼結合金で形成されたポンプロータを高圧で使用したときにも、インナーロータとアウターロータの噛み合い面の偏摩耗が防止されるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、インナーロータとアウターロータの各々が焼結合金で形成された内接歯車ポンプのポンプロータにおいて、インナーロータ或いはアウターロータの端面基準での歯先の直角度を、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量で表して１０μｍ以下にした。インナーロータは駆動軸にしっかり組み付けられるため、フリーで回転するアウターロータに比べると歯先の直角度の低下に起因した偏摩耗の度合いが著しくなる。従って、この発明は、インナーロータに適用すると特に効果的であるが、アウターロータに適用しても効果がある。また、インナーロータとアウターロータの双方に適用しても効果がある。

次に、端面基準での歯先の直角度が、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量で表して１０μｍ以下になっているインナーロータやアウターロータは、下記（１）、（２）に記すような方法で製造する。
（１）圧粉体を焼結して得られた焼結体を、ダイと上下のパンチとコアを有し、前記ダイの内周又はコアの外周に歯面成形部が設けられたサイジング金型により１回目のサイジングを実施し、次いで、１回目のサイジングを終了した焼結体を一旦ダイから取り出して裏返し、前記サイジング金型に再セットして２回目のサイジングを行う。
（２）上記（１）の方法における金型に代えて、ダイの内周又はコアの外周に設けられた歯面成形部がサイジング前焼結体の歯面に対して所定の隙間をもつサイジング金型を使用し、その金型のダイに圧粉体を焼結して得られた焼結体をセットし、その焼結体にサイジングを実施し、その焼結体に塑性変形による径変化を生じさせてこの焼結体の歯面を前記歯面成形部で矯正する。

この発明は、かかる製造方法も併せて提供する。なお、（１）の方法では、２回目のサイジングを、１回目のサイジングでの成形圧よりも小さな成形圧を加えて行うと好ましい。２回目の成形圧は、試作ロータの製造においては１回目の成形圧の約８割程度が適当であった。

この発明のポンプロータは、インナーロータとアウターロータのいずれか一方、又は双方について、端面基準での歯先の直角度を、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量が１０μｍ以下になるものにしており、そのために、従来品に比べてインナーロータとアウターロータの歯面の接触領域が広がり、接触部の面圧が低下して局部当たりに起因した噛み合い面の偏摩耗が抑制され、表層部の剥落も起こり難くなってロータの寿命が延びる。また、摩耗の抑制によってポンプ性能の劣化が抑えられ、さらに、摩耗粉や剥落粉が発生し難くなるため、異物が噛み合い面に噛み込まれることが少なくなってロータの焼き付きも起こり難くなる。

次に、この発明の上記（１）の方法では、１回目のサイジングを終えた後にロータを裏返しにして２回目のサイジングを行うので、ロータの一端側と他端側に加わるサイジングでの成形圧が平均化され、一端側と他端側の成形圧の差に起因したサイジング後弾性復元量の差などが小さくなって歯先の直角度の低下が従来品よりも小さく抑えられる。

また、この発明の上記（２）の方法では、歯面成形部がサイジング前焼結体の歯面に対して所定の隙間をもつサイジング金型を使用するので、歯先の直角度の低下を引き起こすサイジング時の側面抵抗が発生せず、ロータの一端側と他端側に均一に成形圧が作用して歯先の直角度が高められる。

なお、（１）の製造方法の場合、２回目のサイジングでの成形圧を１回目のサイジングでの成形圧よりも小さくしたときに、１回目と２回目の成形圧を等しくしたときよりも好結果が得られた。２回目のサイジングでの成形圧は、１回目の成形圧の約８割程度が適当であったが、その成形圧の適正値は成形条件（ロータの材質や大きさなど）によって変動すると考えられる。

以下、添付図面の図１〜図７に基づいてこの発明のポンプロータの実施の形態を説明する。図１に示すポンプロータ１は、各々が焼結合金で形成されたインナーロータ２とアウターロータ３を偏心配置にして組み合わせて構成されている。２ａはインナーロータの歯先である。インナーロータ２は、中心に軸穴２ｂを有する。

アウターロータ３は、インナーロータ２よりも歯数を１枚多くしたものが用いられる。３ａはアウターロータの歯先である。

このインナーロータ２とアウターロータ３を偏心配置にして組み合わせてポンプロータ１を構成し、そのポンプロータ１を、図２、図３に示すように、吸入ポート５と吐出ポート６を有するハウジング４に収納して内接歯車ポンプ１０を構成する。その内接歯車ポンプ１０は、インナーロータ２の軸穴２ｂに図２に示した駆動軸７を通して係合させ、その駆動軸７からインナーロータ２に駆動力を伝えてインナーロータ２を回転させる。このとき、アウターロータ３は従動回転し、インナーロータ２とアウターロータ３の回転に伴って両ロータ間に形成されるチャンバ（ポンプ室）８の容積が増減してオイルなどの液体の吸入、吐出がなされる。

図１のポンプロータ１は、インナーロータ２が下記の方法で製造されており、平行な端面２ｃ、２ｄを基準にした歯先２ａの直角度は、図４において長さＬを１０ｍｍとしてその１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量δが１０μｍ以下（勾配（％）=１００×δ／Ｌの式で求まる勾配で表すと０．１％以下）になっている。

上記インナーロータ２の製造方法の一例を図５に示す。この図５の方法では、ダイ１１、上パンチ１２、下パンチ１３及びコア１４を有し、ダイ１１の内周に歯面成形部１１ａが設けられ、その歯面成形部１１ａが焼結体９の歯面に対して所定のサイジング代、例えば、０．０２〜０．１ｍｍ程度の径方向サイジング代をもつサイジング金型を使用する。そのサイジング金型のダイ１１に焼結体９を上パンチ１２で圧力を加えて押し込んで１回目のサイジングを実施する。その後、１回目のサイジングを終了した焼結体９を一旦ダイから取り出して裏返し、サイジング金型に再セットして２回目のサイジングを行う。この方法での１回目のサイジングは、例えば、８〜１２ｔｏｎ／ｃｍ^２の荷重（８００〜１２００ＭＰａ程度の圧力）を加えて行う。また、２回目のサイジングは、例えば、６〜１０ｔｏｎ／ｃｍ^２の荷重（６００〜１０００ＭＰａ程度の圧力）を加えて行う。２回目の成形圧の適正値は成形条件（ロータの材質や大きさなど）によって変動すると考えられるが、１回目の成形圧よりも小さくしたほうが好結果が得られる。

１回目のサイジングでは、側面抵抗の影響で焼結体９の上パンチ１２に加圧される一端側と下パンチ１３に押し当てられる他端側の成形圧に差が生じ、端面２ｄ側よりも大きな成形圧が作用する端面２ｃ側のサイジング後弾性復元量が大きくなって図６に示すように、インナーロータ２の外径に、歯先２ａが上パンチに加圧される端面２ｃに対して鋭角に交わるようなテーパがつく。１回目のサイジングであえてそのテーパをつけ、２回目のサイジングで反対向きに傾くテーパをつける。これにより、１回目のテーパと２回目のテーパが合成されるような状況になって歯先２ａの直角度が高まる。

図７に示すサイジング金型、即ち、ダイ１１、上パンチ１２、下パンチ１３及びコア１４を有し、ダイ１１の内周に歯面成形部１１ｂが設けられ、その歯面成形部１１ｂがサイジング前焼結体の歯面に対して所定の隙間ｇをもつサイジング金型を使用し、その金型のダイ１１に圧粉体を焼結して得られた焼結体９をセットし、その焼結体９に上パンチ１２で圧力を加えてサイジングを実施し、その焼結体９を拡径するように塑性変形させてこの焼結体９の歯面をダイ１１の内周の歯面成形部１１ｂで矯正する方法でも歯先２ａの直角度を高めることができる。この方法での成形荷重は例えば６〜１２ｔｏｎ／ｃｍ^２（６００〜１２００ＭＰａ程度の圧力）程度にする。隙間ｇは、側面抵抗を生じさせずに全域に成形荷重を等しく作用させる働きをするものであって大きさの下限は特にないが、大きさの上限は、歯面が歯面成形部１１ｂに確実に当たって成形されるようにする必要があるので、過大にならないように注意する。

アウターロータ３の歯先３ａの直角度も同様の方法で高めることができる。アウターロータ３の歯先３ａの直角度を高めるときには、コア１４の外周に歯面成形部（図示せず）を形成したサイジング金型を使用する。そのサイジング金型を使用して１回目のサイジング後にロータを裏返して２回目のサイジングを行う。あるいは、コアの外周の歯面成形部と焼結体（アウターロータ歯面）との間に隙間を設け、その隙間が埋め尽くされるように焼結体の内径側を塑性変形させて縮径させる方法を採用する。

以下に、発明の効果の確認試験結果を記す。各々が鉄系焼結合金で形成された歯数６枚のインナーロータと、歯数７枚のアウターロータを製造し、その両者を組み合わせてロータ厚み１５ｍｍのポンプロータを作製した。図１に示すインナーロータ２の歯先部直径Ｄ１＝４５．１ｍｍ、歯底部直径Ｄ２＝３１．５ｍｍ、アウターロータ３の歯底部直径Ｄ３＝５１．９ｍｍ、歯先部直径Ｄ４＝３８．３ｍｍ、インナーロータとアウターロータの偏心量ｅ＝３．４ｍｍとした。このポンプロータは、この発明の２回サイジングによる方法と図７の金型を使用してダイの歯面成形部との間に隙間を生じさせて成形する方法でそれぞれインナーロータを製造した。前者の方法では１回目のサイジングを１０ｔｏｎ／ｃｍ^２の荷重を加えて行った後に２回目のサイジングを８ｔｏｎ／ｃｍ^２の荷重を加えて行ったもの（発明品１）と、１回目と２回目のサイジングを共に１０ｔｏｎ／ｃｍ^２の荷重を加えて行ったもの（発明品２）を作った。得られたインナーロータの歯先の直角度、即ち、図４における１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量δは、発明品１ついては３μｍ、発明品２ついては６μｍであり、また、図７の方法で製造したインナーロータ（発明品３）については８μｍであった。これらのポンプロータをハウジングに組み込んで内接歯車ポンプを構成した。
また、比較のためにインナーロータを１２ｔｏｎ／ｃｍ^２の荷重を加えて１回サイジングで仕上げた従来のポンプロータ（比較例：寸法諸元は発明品と同じ）をハウジングに組み込んだ内接歯車ポンプも作成し、それらのポンプを同一条件で作動させて２００時間運転後のポンプロータの摩耗状況とポンプの吐出性能の経時変化を比較した。その結果を表１に示す。

表１の摩耗量は、試験前後の歯形プロフィールの差を三次元測定機で測定し、その差を摩耗量とする方法で求めた。

この試験結果からわかるように、発明品はいずれも比較例に比べて摩耗量が小さく、ポンプ性能の劣化も抑制されている。

また、２回サイジングによる方法でインナーロータの歯先の直角度を高めた発明品は、２回目の成形圧を１回目よりも小さくした発明品１は１回目と２回目の成形圧を同じにした発明品２よりも優れた結果が得られている。

この発明のポンプロータの一例を示す端面図 図１のポンプロータを用いた内接歯車ポンプを、カバーを外して示す端面図 図２のＸ−Ｘ線に沿った断面図 歯先の直角度に関する説明図 サイジング用金型の一例を示す断面図 １回目のサイジングを行ったロータの歯先の傾き状態を誇張して示す図 サイジング用金型の他の例を示す断面図

符号の説明

１ ポンプロータ
２ インナーロータ
２ａ 歯先
２ｂ 軸穴
２ｃ，２ｄ 端面
３ アウターロータ
３ａ 歯先
４ ハウジング
５ 吸入ポート
６ 吐出ポート
７ 駆動軸
８ ポンプ室
９ 焼結体
１０ 内接歯車ポンプ
１１ ダイ
１１ａ，１１ｂ 歯面成形部
１２ 上パンチ
１３ 下パンチ
１４ コア

Claims (5)

1. インナーロータ（２）とアウターロータ（３）各々が焼結合金で形成された内接歯車ポンプのロータにおいて、
   前記インナーロータ（２）、または、アウターロータ（３）の端面基準での歯先（２ａ，３ａ）の直角度を、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量で表して１０μｍ以下にしたことを特徴とする内接歯車ポンプ用ロータ。
2. 各々が焼結合金で形成されたインナーロータ（２）とアウターロータ（３）を偏心配置にして組み合わせた内接歯車ポンプのロータにおいて、
   インナーロータ（２）及びアウターロータ（３）の端面基準での歯先（２ａ，３ａ）の直角度を、それぞれ、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量で表して１０μｍ以下にしたことを特徴とする内接歯車ポンプ用ロータ。
3. 端面基準での歯先（２ａ，３ａ）の直角度を、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量で表して１０μｍ以下にした請求項１又は２に記載のインナーロータ（２）又はアウターロータ（３）の製造方法であって、圧粉体を焼結して得られた焼結体（９）を、
   ダイ（１１）と上下のパンチ（１２，１３）とコア（１４）を有し、前記ダイ（１１）の内周又はコア（１４）の外周に歯面成形部（１１ａ）が設けられたサイジング金型により１回目のサイジングを実施し、次いで、１回目のサイジングを終了した焼結体（９）を一旦ダイ（１１）から取り出して裏返し、前記サイジング金型に再セットして２回目のサイジングを行うことを特徴とする内接歯車ポンプ用ロータの製造方法。
4. ２回目のサイジングを、１回目のサイジングでの成形圧よりも小さな成形圧を加えて行うことを特徴とする請求項３に記載の内接歯車ポンプ用ロータの製造方法。
5. 端面基準での歯先（２ａ，３ａ）の直角度を、１０ｍｍ長さ当たりの長手直角方向変位量で表して１０μｍ以下にした請求項１又は２に記載のインナーロータ（２）又はアウターロータ（３）の製造方法であって、圧粉体を焼結して得られた焼結体（９）を、
   ダイ（１１）と上下のパンチ（１２，１３）とコア（１４）を有し、前記ダイ（１１）の内周又はコア（１４）の外周に歯面成形部（１１ｂ）が設けられ、その歯面成形部（１１ｂ）がサイジング前焼結体（９）の歯面に対して所定の隙間をもつサイジング金型にセットし、その焼結体（９）にサイジングを実施し、その焼結体（９）に塑性変形による径変化を生じさせてこの焼結体の歯面を前記歯面成形部（１１ｂ）で矯正することを特徴とする内接歯車ポンプ用ロータの製造方法。

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