JP2014218912A - 摺動部材及びピストンポンプモータ - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部材の耐焼付き性を向上させる。
【解決手段】摺動部材６は、金属材料により形成され、互いに摺動する摺動面６１を有する。摺動面６１の少なくとも一方には複数の凹部６２が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、摺動部材及びピストンポンプモータに関する。

特許文献１には、金属材料により形成される摺動部材が開示されている。

特開２００５−２５７０３５号公報

摺動部材の摺動面同士が摺動すると、条件によっては焼付きが発生する可能性がある。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、摺動部材の耐焼付き性を向上させることを目的とする。

本発明は、金属材料により形成され、互いに摺動する摺動面を有する摺動部材であって、摺動面の少なくとも一方に複数の凹部が形成される、ことを特徴とする。

本発明によれば、摺動面の少なくとも一方に複数の凹部が形成されるので、凹部による油溜りの効果が発揮され、摺動部材の耐焼付き性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るピストンポンプモータの断面図である。 バルブプレートの摺動面を示す平面図である。 摺動面の一部を拡大して示す拡大図である。 摺動面の一部を拡大して示す拡大図である。 摺動面の一部を拡大して示す拡大図である。 摺動面に対する凹部の面積割合について説明するための図である。 摺動面に対する凹部の面積割合について説明するための図である。 摺動面に対する凹部の面積割合について説明するための図である。 摺動部材の焼付き性を検証した結果を示すグラフである。 摺動部材の焼付き性を検証した結果を示すグラフである。 摺動部材の焼付き性を検証した結果を示すグラフである。 摺動部材の焼付き性を検証した結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態におけるピストンポンプモータ１００の断面図である。

ピストンポンプモータ１００は、外部からの動力により駆動軸１が回転してピストン５が往復動することで、作動油（作動流体）を供給可能なポンプとして機能し、また外部から供給される作動油の圧力によりピストン５が往復動して駆動軸１が回転することで、回転駆動力を出力可能なモータとして機能する。

図１に示すピストンポンプモータ１００は、建設機械等の車両に搭載され、作動油を供給するポンプとして使用した場合を例示したものである。したがって、以下ではピストンポンプ１００として説明する。この場合、車両に搭載されたエンジンの動力により駆動軸１が回転駆動され、ピストンポンプ１００はアクチュエータ等に作動油を供給する。

ピストンポンプ１００は、ケース２１、２２に回転自在に支持される駆動軸１と、ケース２１、２２によって画成される収容室２３内に収容されるシリンダブロック２と、を備える。

駆動軸１は、棒状部材であって、エンジンの動力により回転駆動される。駆動軸１には、駆動軸１の回転に伴って回転するシリンダブロック２が取り付けられる。

シリンダブロック２は、有底円筒状部材である。シリンダブロック２には、駆動軸１と平行に複数のシリンダボア３が開口して形成される。シリンダボア３には、容積室４を画成するピストン５が往復動自在に挿入される。

ピストン５の先端には、シュー１０が回動自在に連結される。シュー１０は、円形の平板部１１と、これら平板部１１に一体形成された球面座１２と、から構成される。各球面座１２はそれぞれのピストン５の先端部に取り付けられており、シュー１０の平板部１１はケース２１に固定された斜板２０に面接触するように配設されている。

エンジンの動力により駆動軸１が回転駆動され、シリンダブロック２が回転すると、各シュー１０の平板部１１が斜板２０に対して摺動し、各ピストン５が斜板２０の傾斜角度に応じたストローク量でシリンダボア３に沿って往復動する。各ピストン５の往復動により、各容積室４の容積が増減する。

ケース２１の開口端を閉塞するケース２２には、シリンダブロック２の基端面が摺接するバルブプレート６が固定される。バルブプレート６には、図示しない吸込ポート及び吐出ポートが形成されている。シリンダブロック２の回転により拡大する容積室４には吸込ポートを通じて作動油が導かれ、シリンダブロック２の回転により縮小する容積室４からは排出ポートを通じて作動油が吐出される。このようにピストンポンプ１００では、シリンダブロック２の回転に伴って、作動油の吸込と吐出とが連続的に行われる。

なお、本実施形態のピストンポンプ１００では、斜板２０を、ケース２１に固定したが、傾転角度の調整ができるようにケース２１内に回動可能に配設してもよい。

ピストンポンプ１００の運転中、摺動部材としてのシリンダブロック２は摺動部材としてのバルブプレート６に対して摺動する。シリンダブロック２及びバルブプレート６は、鉄鋼材料によって形成されるので、シリンダブロック２とバルブプレート６との間に焼付きが生じることを防止するため、バルブプレート６のシリンダブロック２との摺動面には、鉄鋼材料に対する耐焼付き性が優れる銅合金による層が焼結等の既知の方法によって設けられる。

銅合金としては鉛青銅が耐焼付き性の面で優れているが、鉛青銅は鉛を含むので環境負荷低減のため鉛フリー銅合金であるリン青銅を用いることが好ましい。しかし、リン青銅は鉛青銅と比べて耐焼付き性が劣る。

そこで、本実施形態では、シリンダブロック２とバルブプレート６との摺動面のうち、リン青銅による層が設けられるバルブプレート６側の摺動面６１（図２）にテクスチャリングを施した。テクスチャリングは、摺動面６１に形成される多数のディンプル形状の凹部６２から構成される。

図２は、本実施形態におけるバルブプレート６の摺動面６１を示す平面図である。

円環状の摺動面６１には、複数の微細な凹部６２が放射状に配置される。凹部６２は、摺動面６１の径方向（摺動方向に直角な方向）に所定のピッチを有して整列した複数の凹部６２を有する第１凹部群６３と、第１凹部群６３とは異なる径方向（摺動方向に直角な方向）に所定のピッチを有して整列するとともに第１凹部群６３の各凹部６２とは位相がずれた位置に複数の凹部６２が配置される第２凹部群６４と、から構成される。第１凹部群６３と第２凹部群６４とは、摺動面６１の全周に亘って交互に形成され、全体として各凹部６２が格子状に配置される。

各凹部６２の径は、０．１ｍｍ〜１．８ｍｍの範囲となるように設定される。各凹部６２の深さは、０．０２５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲となるように設定される。

また、凹部６２は、摺動面６１に対する凹部６２の幅方向の加工率が２５％〜１００％となるように形成される。ここで、幅方向の加工率について、図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、摺動面６１の一部を拡大して示す拡大図である。

図３Ａに示すように、摺動方向に垂直な幅方向（図３Ａにおける左右方向）において、凹部６２の径をＤとして隣接する凹部６２間の距離を３Ｄとすると、凹部６２の回転軌跡の面積は摺動面６１全体の面積の２５％となる。なお、凹部６２の回転軌跡とは、対向する２つの摺動面が相対回転した場合に凹部６２によって描かれる軌跡である。

回転軌跡の面積が摺動面６１全体の面積の２５％となる場合には、摺動面６１の幅方向には２５％の割合で凹部６２が形成されているので、幅方向の加工率は２５％となる。

図３Ｂに示すように、摺動方向に垂直な幅方向（図３Ｂにおける左右方向）において、凹部６２の径をＤとして隣接する凹部６２間の距離をＤとすると、凹部６２の回転軌跡の面積は摺動面６１全体の面積の５０％となる。この場合、摺動面６１の幅方向には５０％の割合で凹部６２が形成されているので、幅方向の加工率は５０％となる。

図３Ｃに示すように、摺動方向に垂直な幅方向（図３Ｃにおける左右方向）において、凹部６２の径をＤとして隣接する凹部６２間の距離をＤより小さくすると、凹部６２の一部が摺動方向に隣接する他の凹部６２との間でオーバーラップするので、凹部６２の回転軌跡の面積は摺動面６１全体の面積の１００％となる。この場合、摺動面６１の幅方向には１００％の割合で凹部６２が形成されているので、幅方向の加工率は１００％となる。

また、凹部６２は、摺動面６１に対する凹部６２の面積割合が５％〜１５％となるように形成される。図４Ａ〜図４Ｃは、円環状の摺動面６１全体の面積を矩形の面に置き換えた場合における凹部６２の面積が占める割合を概念的に示す図である。凹部６２の面積割合が５％（図４Ａ）、１０％（図４Ｂ）、１５％（図４Ｃ）となるのに応じて、凹部６２が摺動面６１上により密に配置される。

以下、摺動面６１のテクスチャリングのパターンを変化させた場合の焼付き性の変化について、図５〜図８を参照して説明する。

焼付き性の検証は、例えばリングオンプレート式摩擦試験機を用いて行われ、一方の摺動部材を回転させながら他方の摺動部材に押し当てた場合において、摺動部材が焼付いた時の焼付き荷重が測定される。テクスチャリングは、銅合金による層が形成されるいずれか一方の摺動部材に施される。

図５〜図８は、焼付き性を検証した結果を示すグラフであり、図５及び図６は実験１の結果を示し、図７及び図８は実験２の結果を示す。

初めに、実験１について説明する。

図５は、一方の摺動部材を５００ｒｐｍで回転させて焼付き性を検証した場合の焼付き荷重を示している。図５に示すように、リン青銅（ＰＢＣ２）の焼付き荷重は、鉛青銅（ＬＢＣ３）に比べて劣っている。しかし、リン青銅による層の表面にテクスチャリングを施すことで焼付き荷重が大きくなり耐焼付き性が向上することが確認された。

テクスチャリングのパターンは、図５の縦軸に並ぶパターン１からパターン１６までの１６種類である。各パターンは左から順に、材料名、凹部６２の径、凹部６２の深さ、凹部６２の幅方向の加工率、凹部６２の面積割合、をそれぞれ示している。凹部６２の深さは凹部６２の径に対する比に応じて設定され、凹部６２の深さの１倍、１／２倍、１／４倍の３段階の深さを設定した。

すなわち、パターン１では、リン青銅（ＰＢＣ２）による層の表面に、径が０．１ｍｍ、深さが０．０２５ｍｍ（径の１／４倍）の凹部６２が、凹部６２の幅方向の加工率が２５％、凹部６２の面積割合が５％となるように形成される。パターン２以降も同様である。

図５に示すように、パターン１〜パターン１６は、すべてのパターンにおいてテクスチャリングを施していないリン青銅（ＰＢＣ２）より焼付き荷重が大きくなった。

図６は、一方の摺動部材を３０００ｒｐｍで回転させて焼付き性を検証した場合の焼付き荷重を示している。テクスチャリングのパターンについては図５と同一である。

この場合、パターン１〜パターン１６は、すべてのパターンにおいてテクスチャリングを施していないリン青銅（ＰＢＣ２）より焼付き荷重が大きくなった。

次に、実験２について説明する。

図７は、一方の摺動部材を５００ｒｐｍで回転させて焼付き性を検証した場合の焼付き荷重を示している。この場合も実験１と同様に、リン青銅（ＰＢＣ２）の焼付き荷重は、鉛青銅（ＬＢＣ３）に比べて劣っている。しかし、リン青銅による層の表面にテクスチャリングを施すことで焼付き荷重が大きくなり耐焼付き性が向上することが確認された。

テクスチャリングのパターンは、図７の縦軸に並ぶパターン１からパターン１８までの１８種類である。各パターンは左から順に、材料名、凹部６２の径、凹部６２の深さ、凹部６２の幅方向の加工率、凹部６２の面積割合、をそれぞれ示している。

すなわち、パターン１では、リン青銅（ＰＢＣ２）による層の表面に、径が０．５ｍｍ、深さが０．２ｍｍの凹部６２が、凹部６２の幅方向の加工率が３０％、凹部６２の面積割合が５％となるように形成される。パターン２以降も同様である。

図７に示すように、パターン１〜パターン１８は、すべてのパターンにおいてテクスチャリングを施していないリン青銅（ＰＢＣ２）より焼付き荷重が大きくなった。

図８は、一方の摺動部材を３０００ｒｐｍで回転させて焼付き性を検証した場合の焼付き荷重を示している。テクスチャリングのパターンについては図７と同一である。

この場合、パターン１〜パターン１８は、すべてのパターンにおいてテクスチャリングを施していないリン青銅（ＰＢＣ２）より焼付き荷重が大きくなった。

以上の実験１及び実験２より、すべてのパターンの中から効果のあるパターンにおける各パラメータの範囲を抽出すると、凹部６２の径が０．１ｍｍ〜１．８ｍｍ、凹部６２の深さが０．０２５ｍｍ〜２．０ｍｍ、凹部６２の幅方向の加工率が２５％〜１００％、凹部６２の面積割合が５％〜１５％、となる。

また、一方の摺動部材を３０００ｒｐｍで回転させた場合に、最も焼付き荷重が高かったのは実験２のパターン１６であり、このパターンにおける凹部６２の配置は図２に示すようになる。

よって、上記条件を満たすようにバルブプレート６の摺動面６１にテクスチャリングを施すことで摺動面６１の耐焼付き性を向上させることができる。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

一方の摺動部材の摺動面６１にテクスチャリングが施され複数の凹部６２が形成されるので、凹部６２による油溜りの効果が発揮され、摺動部材の耐焼付き性を向上させることができる。

さらに、テクスチャリングが、摺動面６１の径方向に所定のピッチを有して整列した複数の凹部６２を有する第１凹部群６３と、第１凹部群６３とは異なる径方向に所定のピッチを有して整列するとともに第１凹部群６３の各凹部６２とは位相がずれた位置に複数の凹部６２が配置される第２凹部群６４と、から構成されるので、摺動面６１への潤滑油の供給をより効率的に行うことができ、摺動部材６の耐焼付き性をさらに向上させることができる。

さらに、凹部６２はディンプル形状であるので、摺動面６１へのテクスチャリングの施工性を向上させることができる。ディンプル形状としては、例えば、球面形状、円錐形状、円柱形状等が考えられる。

さらに、凹部６２の径が０．１ｍｍ〜１．８ｍｍ、凹部６２の深さが０．０２５ｍｍ〜２．０ｍｍ、凹部６２の幅方向の加工率が２５％〜１００％、凹部６２の面積割合が５％〜１５％、となるようにテクスチャリングが施されるので、テクスチャによる油溜り、冷却及び摩耗粉除去の効果を効率的に発揮させることができ、摺動部材の耐焼付き性をより確実に向上させることができる。

さらに、バルブプレート６の摺動面６１に施されるテクスチャリングは、凹部６２の幅方向の加工率が１００％となるように形成される。これにより、摺動面６１に加わる荷重が大きくなって金属接触がシビアになった際に、摺動面６１の内周端から外周端までに亘って凹部６２内の潤滑油が摺動面６１に供給されるので、摺動部材６の耐焼付き性をより確実に向上させることができる。

さらに、一方の摺動部材としてリン青銅（ＰＢＣ２）を用い、他方の摺動部材として鉄鋼材料を用いるので、耐焼付き性の高い鉛青銅の代わりに鉛フリーのリン青銅を用いて環境負荷を低減しながら耐焼付き性を向上させることができる。

さらに、摺動部材の一方がバルブプレート６であり、摺動部材の他方がシリンダブロック２であるので、ピストンポンプモータ１００の運転時にシリンダブロック２とバルブプレート６との間に焼付きが生じることを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、リン青銅による層がバルブプレート６側の摺動面６１に形成されているが、当該層をシリンダブロック２側の摺動面に形成してもよい。

さらに、上記実施形態では、テクスチャリングをリン青銅による層が形成される摺動面６１に施したが、リン青銅による層が形成されていない鉄鋼材料の表面に施してもよい。

さらに、上記実施形態では、第１凹部群６３と第２凹部群６４とを周方向に亘って交互に配置したが、３種以上の凹部群を配置してもよいし、すべての凹部６２をランダムに配置してもよい。

さらに、上記実施形態では、凹部６２がディンプル形状である場合について例示したが、その他の形状であってもよい。

さらに、上記実施形態では、リン青銅による層を摺動面６１に形成しているが、その他の金属材料による層を形成してもよい。

さらに、上記実施形態では、摺動部材としてのバルブプレート６及びシリンダブロック２を鉄鋼材料によって形成したが、その他の金属材料によって形成してもよい。

さらに、上記実施形態では、摺動部材としてバルブプレート６及びシリンダブロック２を例示したが、その他の摺動部分、例えばシュー１０及び斜板２０にも適用可能である。これにより、ピストンポンプモータ１００の運転時にシュー１０と斜板２０との間に焼付きが生じることを防止することができる。

２ シリンダブロック（摺動部材）
６ バルブプレート（摺動部材）
１０ シュー（摺動部材）
２０ 斜板（摺動部材）
６１ 摺動面
６２ 凹部
６３ 第１凹部群（凹部群）
６４ 第２凹部群（凹部群）
１００ ピストンポンプモータ

Claims (10)

1. 金属材料により形成され、互いに摺動する摺動面を有する摺動部材であって、
   前記摺動面の少なくとも一方に複数の凹部が形成される、
   ことを特徴とする摺動部材。
2. 前記凹部は、前記摺動面の摺動方向に対して直角に間隔を有して整列した複数の凹部を有する凹部群を構成し、
   前記凹部群は、第１凹部群と、前記第１凹部群の各凹部とは位相がずれた位置に複数の凹部を有する第２凹部群と、から構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記凹部はディンプル形状である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記凹部は、前記摺動面に対する前記凹部の回転軌跡の面積割合が２５％〜１００％となるように形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の摺動部材。
5. 前記凹部は、前記摺動面に対する前記凹部の面積割合が５％〜１５％となるように形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の摺動部材。
6. 前記凹部の径は０．１ｍｍ〜１．８ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の摺動部材。
7. 前記凹部の深さは０．０２５ｍｍ〜２．０ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の摺動部材。
8. 一方の前記摺動部材は鉛を含まない鉛フリー銅合金により形成され、
   他方の前記摺動部材は鉄鋼材料により形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の摺動部材。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の摺動部材の一方は、ケース内に固定されるバルブプレートであり、
   前記摺動部材の他方は、前記バルブプレートに対して摺動するように前記ケース内に配設されるシリンダブロックである、
   ことを特徴とするピストンポンプモータ。
10. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の摺動部材の一方は、ケース内に固定される斜板であり、
    前記摺動部材の他方は、前記斜板に対して摺動するように前記ケース内に配設されるシューである、
    ことを特徴とするピストンポンプモータ。
    

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