JP2015045316A - 内接歯車式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】歯形に設計の自由度の高い曲線を用いて転円系の曲線のみからなる歯形を有する内接歯車式ポンプに比べて歯丈を大きくした内接歯車式ポンプの作動音を低減することを課題としている。【解決手段】インナーロータとアウターロータの偏心量が、インナーロータの歯数を同一、かつ、インナーロータの歯底円径を同一にした内転円と外転円の径比が１のサイクロイド曲線のみからなるポンプロータよりも大きいポンプロータを備えた内接歯車式ポンプであって、インナーロータとアウターロータを理論偏心位置で噛み合い状態にしたときの噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を、前記インナーロータとアウターロータが理論偏心位置にあるときにインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さくした。【選択図】図４

Description

この発明は、転円系の曲線のみで構成される歯形よりもポンプロータの歯の歯丈を大きくした内接歯車式ポンプに関する。詳しくは、作動音の低減を図った内接歯車式ポンプに関する。ここで言う転円系の曲線とは、基礎円に接して滑り無く転がる転円を用いて描かれる曲線である。

内接歯車式ポンプのインナーロータの歯形は、トロコイド曲線やサイクロイド曲線を用いたものが主流をなしている。

内接歯車式ポンプのインナーロータの歯形の代表的なものとして、トロコイド曲線やサイクロイド曲線を採用した歯形が知られている。

転円系の曲線のみを用いたこれ等の歯形は、数式を使用して描くことができ、さらに、インナーロータとアウターロータの歯間隙間も小さく設定することができるなどの利点があったためである。

一方で、転円系の曲線のみを用いた歯形は、歯丈設計の自由度が小さく、歯の小型化、ひいてはポンプの小型化が制限される課題を有している。

そこで、これ等の歯形に対して歯丈をより大きくし得る設計自由度の高い歯形が提案されている。例えば、本出願人が下記特許文献１や特許文献２で提案している内接歯車ポンプの歯形もその提案歯形のひとつである。

特許文献１のポンプは、サイクロイド曲線とインボリュート曲線を組み合わせた曲線でインナーロータの歯形を構成している。

また、特許文献２のポンプは、歯丈を高くできるように新たに開発を行った独自曲線である。

特開２００５−３６７３６５号公報 特許第４６００８４４号公報

前掲の特許文献１，２が提案しているような内接歯車式ポンプは、転円系の曲線のみからなる歯形を有する内接歯車式ポンプ（インナーロータの歯数と歯先円径が同一のポンプ）に比べると、インナーロータとアウターロータ間の歯間隙間（噛み合い部と閉じ込み部を除く箇所での歯間隙間）が広がり、そのために、作動音が大きくなる傾向がある。

この発明は、歯形に設計の自由度の高い曲線を用いて転円系の曲線のみからなる歯形を有する内接歯車式ポンプに比べて歯丈を大きくした内接歯車式ポンプの作動音を低減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偏心量が、インナーロータの歯数を同一、かつ、インナーロータの歯底円径を同一にした下記比較対象のポンプロータよりも大きいポンプロータを備えた内接歯車式ポンプを改善の対象にしてそのポンプに以下の改善を施す。

具体的には、インナーロータとアウターロータを理論偏心位置で噛み合い状態にしたときの噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を、前記インナーロータとアウターロータが理論偏心位置にあるときにインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さくする。

記
比較対象：基礎円上を滑りなく転がる内転円の外周上の一点の軌跡と前記基礎円上を滑りなく転がる外転円の外周上の一点の軌跡で描かれるサイクロイド曲線の歯形を有し、前記内転円と外転円の径比が１であるポンプロータ。

この発明の意義は、内接歯車式ポンプにおいて、噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を理論偏心位置にあるインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さくすることが、ポンプの静粛性に最も寄与することを見出したことにある。従って、従来のトロコイド曲線やサイクロイド曲線を用いた歯形よりも歯丈を大きく設定した歯形において歯間隙間最少部の隙間寸法がチップクリアランスよりも大きなポンプに比べて作動音を抑制することが可能である。

この発明の内接歯車式ポンプの一例をハウジングのカバーを外した状態にして示す端面図である。 例示の内接歯車式ポンプに採用したポンプロータのインナーロータの歯形の説明図である。 アウターロータの歯形創成方法の一例を示す説明図である。 この発明の内接歯車式ポンプに採用したポンプロータのインナーロータとアウターロータを理論偏心位置で噛合わせたときの噛合い位置と噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部とチップクリアランスが形成される位置の説明図である。 アウターロータとインナーロータを偏心位置に置いた際の、Ｙ軸上におけるアウターロータとインナーロータの歯先間の隙間（チップクリアランス）の説明図である。

以下、この発明の内接歯車式ポンプの実施の形態を添付図面の図１〜図５に基づいて説明する。

図１に示す内接歯車ポンプ１は、歯数がｎのインナーロータ２と、歯数が（ｎ＋１）の
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４を構成し、そのポンプロ
ータ４をハウジング５のロータ室６に収納して構成されている。

図中Ｏｉはインナーロータの中心、Ｏｏはアウターロータの中心、ｅは、インナーロータ２とのアウターロータ３の偏心量を表す。ロータ室６の端面には、吸入ポート７と吐出ポート８が形成されている。

インナーロータ２は、図２に示すように、歯底部２ｂがハイポサイクロイド曲線で構成されている。また、歯先部２ａは円弧曲線、楕円の一部の曲線、もしくはエピサイクロイド曲線で構成され、アウターロータと噛み合わせる歯底部と歯先部の間の噛合部２ｃはインボリュート曲線で構成されている。

歯底部２ｂのハイポサイクロイド曲線は、第１基礎円Ｄ１上を滑りなく転がる内転円の外周上の一点の軌跡で描かれる。また、歯先部２ａをエピサイクロイド曲線で構成するものは、そのエピサイクロイド曲線が第２基礎円Ｄ２上を滑りなく転がる外転円の外周上の一点の軌跡で描かれる。第１基礎円Ｄ１と第２基礎円Ｄ２は、同一位置に中心を持つ円である。

歯先部２ａをエピサイクロイド曲線以外の曲線で構成するものは、第２基礎円Ｄ２の位置を噛合部２ｃの径方向外端が接する円の直径とする。

インナーロータ２に、この図２の歯形を用いるポンプのアウターロータ３の歯形は、ポンプロータ４の円滑な回転のために、図３に示す方法で形成すると好ましい。

アウターロータの歯形は、いくつかの創成方法が知られており、その周知の方法で創成
されたもののどれであってもよいが、ポンプロータ４の円滑な回転の観点からは、図３の方法で創成される歯形が最良である。

図３の方法は、周知の方法であって、インナーロータの中心Ｏｉをアウターロータの中心Ｏｏ周りに直径Ｓ＝（２ｅ＋ｔ）の円を描いて公転させ、インナーロータの中心Ｏｉがその円Ｓを１周公転する間にインナーロータ２を１／ｎ回自転させる。

図３の一点鎖線は、インナーロータの中心Ｏｉがアウターロータの中心Ｏｏ周りに角度θ公転してＯｉ’点に移り、この間にインナーロータがθ／ｎ自転した位置でのインナーロータの歯形曲線を示している。この歯形曲線が、インナーロータの自転を伴う公転の各位置に表れ、この歯形曲線群の包絡線をアウターロータの歯形となす。

上の式におけるｔは、アウターロータ３を偏心位置においた際の、Ｙ軸上におけるアウターロータとインナーロータの歯先間の隙間（チップクリアランス）である（図５参照）。

この発明の内接歯車式ポンプは、インナーロータとアウターロータの偏心量を既述の比較対象のポンプロータよりも大きい歯形を有するポンプロータを備えたポンプに改善策を施す。

サイクロイド曲線のみで構成される歯形を比較の対象にした理由は、転円を用いて描かれる歯形の中で、サイクロイド曲線の歯形は歯丈を最も高く設定できるからである。この発明のポンプは、比較対象のポンプよりもインナーロータとアウターロータの偏心量を大きく設定することで歯丈を比較対象のポンプよりもさらに高くする。

また、比較対象のポンプ歯形を描く内転円と外転円の比を１に限定した理由は、サイクロイド曲線のみを用いた歯形でインナーロータとアウターロータの歯先のバランスが均等になる一般的な設計条件が、内転円と外転円の比を１にしたものであるからである。

その前提条件を満たすポンプについて、インナーロータとアウターロータを理論偏心位置で噛み合い状態にしたときの噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を、前記インナーロータとアウターロータが理論偏心位置にあるときにインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さくする。

図４のＡがインナーロータ２とアウターロータ３の歯の噛合い位置、Ｂが噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部、Ｃの位置でインナーロータ２とアウターロータ３の歯先間に形成される隙間がチップクリアランスである。

図４は、歯数が奇数のインナーロータ２と歯数が偶数のアウターロータ３を組み合わせているが、図５のように、歯数が偶数のインナーロータ２と歯数が奇数のアウターロータ３を組み合わせたポンプロータ４のチップクリアランスは、図のｔの位置の歯先間隙間となる。

例示のポンプについては、インボリュート曲線で構成されるインナーロータの噛合部２ｃの丈（ロータ径方向寸法）ＩＮＶとインナーロータ２とアウターロータ３の偏心量ｅの比（ＩＮＶ／ｅ）を適切に設定することで発明の目的を達成する。

図２のように、インナーロータ２の歯形をサイクロイド曲線とインボリュート曲線を組み合わせた曲線で構成するものについては、上記の比（ＩＮＶ／ｅ）を０．１７以下（これは後述する実施例から見出した値）に設定することで、上記歯間隙間最少部Ｂの隙間寸法を理論偏心位置にあるインナーロータとアウターロータの歯先間チップクリアランスよりも小さくすることができる。

なお、この発明は、インナーロータの歯丈を大きくする手法として、サイクロイド曲線やトロコイド曲線の間にそれらの曲線とは異なる曲線（上述したインボリュート曲線に限定されない）を組み合わせる、又は、サイクロイド曲線やトロコイド曲線を変形させる、若しくは、新たな曲線を用いる手法を採用した内接歯車式ポンプなどに適用することができる。

−実施例１−
下記の内接歯車式ポンプを試作して性能を評価した。試作した内接歯車式ポンプは、インナーロータの歯底部を図２の第１基礎円Ｄ１上を滑りなく転がる内転円の外周の一点の軌跡で描き、さらに、そのインナーロータの歯先部を図２の第２基礎円Ｄ２上を滑りなく転がる外転円の外周の一点の軌跡で描き、そのサイクロイド曲線の歯底部と歯先部間にインボリュート曲線の歯面を有する噛合部を設けた。

その歯形を有する歯数：１０のインナーロータと、それを用いて図３の方法で創成した歯形（インナーロータ歯形曲線群の包絡線からなる歯形）を有する歯数：１１のアウターロータを組み合わせた。そのポンプロータの諸元を表１にまとめる。

表１のインボリュート接合傾は、歯底部のサイクロイド曲線と噛合部のインボリュート曲線のつながり点（図２のＱ点）とインナーロータ中心とを結ぶ直線に対してＱ点で直角に交わる線を基準にしたインボリュート曲線の傾き角αである。

また、アウターロータ大径はアウターロータの歯底円径、アウターロータ小径はアウターロータの歯先円径、インナーロータ大径はインナーロータの歯先円径、インナーロータ小径はインナーロータの歯底円径であり、「内外転円径比」は、歯先部を描く外転円の直径をｄ、歯底部を描く内転円の直径をｄ１としたときに（ｄ／ｄ１）の式で求まる比である。

これ等の試作ポンプについて、インナーロータとアウターロータが理論偏心位置にあるときにそのインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスの設定を０．０３２５ｍｍにした。

そして、インナーロータとアウターロータを理論偏心位置で噛み合い状態にしたときの噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法と、その歯間隙間最少部の隙間寸法の前記チップクリアランスとの比率を調べた。

また、これ等の試作ポンプを下記の評価条件にて作動させ、そのときの音圧レベルを測定した。その試験結果を表２に示す。
評価条件 ポンプ回転数：３０００ｒｐｍ
吐 出 圧 ：０．８ＭＰａ
油 温：８０℃

この試験の結果からわかるように、噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を、インナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さい（表２の比が１以下）試料Ｉ、IIは、その比が１より大きい試料IIIと比較して作動音が１０ｄＢ以上小さくなっている。

なお、表１のインボリュート接合傾αが７８°のものと７５°のもの（他の仕様は表１と同じ）も試作して上記と同一の評価試験を行なったところ、これについても上記と同様の結果が得られた。

−実施例２−
実施例１と同様、ハイポサイクロイド曲線の歯底部とエピサイクロイド曲線の歯先部の間にインボリュートの噛合部を形成した内接歯車式ポンプを試作して性能を評価した。

この試験は歯数：６のインナーロータと、それを用いて図３の方法で創成した歯形を有する歯数：７のアウターロータを組み合わせた。そのポンプロータの諸元を表３にまとめる。

これ等の試作ポンプについては、インナーロータとアウターロータが理論偏心位置にあるときにそのインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスの設定を０．０５ｍｍにした。

また、これ等の試作ポンプを下記の評価条件にて作動させ、そのときの音圧レベルを測定した。その試験結果を表４に示す。

評価条件 ポンプ回転数：３０００ｒｐｍ
吐 出 圧 ：０．３ＭＰａ
油 温：８０℃

この試験の結果でも、表４の比が１以下の試料IV、Ｖは、その比が１より大きい試料VIと比較して作動音が１０ｄＢ以上小さくなっており、噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を、インナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さくすることが騒音の低減に有効であることが証明されている。

なお、表３のインボリュート接合傾αが７７°のものと７５°のもの（他の仕様は表３と同じ）も試作して上記と同一の評価試験を行なったところ、これについても上記と同様の結果が得られた。

上述したように、この発明の内接歯車ポンプは、インナーロータとアウターロータの歯が噛み合った位置のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を、理論偏心位置にあるインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さくする方法で騒音の低減を実現している。

このために、この発明によれば騒音が大きいか抑制されるかを設計段階で知ることができ、無駄な試作をなくして内接歯車式ポンプの生産効率などを高めることも可能になる。

１ 内接歯車ポンプ
２ インナーロータ
２ａ 歯先部
２ｂ 歯底部
２ｃ 噛合部
３ アウターロータ
４ ポンプロータ
５ ハウジング
６ ロータ室
７ 吸入ポート
８ 吐出ポート
Ｏｉ インナーロータの中心
Ｏｏ アウターロータの中心
ｅ インナーロータとアウターロータの偏心量
Ａ インナーロータとアウターロータの歯の噛合い位置
Ｂ 噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部
Ｃ 歯先間にチップクリアランスが形成される位置
ＩＮＶ インボリュート曲線で形成される噛合部のロータ径方向寸法
α 基準線に対するインボリュート曲線の傾き
Ｑ 歯底部のサイクロイド曲線と噛合部のインボリュート曲線のつながり点

Claims (4)

1. インナーロータとアウターロータの偏心量が、インナーロータの歯数を同一、かつ、インナーロータの歯底円径を同一にした下記比較対象のポンプロータよりも大きいポンプロータを備えた内接歯車式ポンプであって、
   インナーロータとアウターロータを理論偏心位置で噛み合い状態にしたときの噛み合い歯のひとつロータ回転方向前方の歯間隙間最少部の隙間寸法を、前記インナーロータとアウターロータが理論偏心位置にあるときにインナーロータとアウターロータの歯先間に形成されるチップクリアランスよりも小さくした内接歯車式ポンプ。
   比較対象：基礎円上を滑りなく転がる内転円の外周上の一点の軌跡と前記基礎円上を滑りなく転がる外転円の外周上の一点の軌跡で描かれるサイクロイド曲線の歯形を有し、前記内転円と外転円の径比が１であるポンプロータ。
2. インナーロータの歯丈を大きくする手法として、サイクロイド曲線やトロコイド曲線の間にそれらの曲線とは異なる曲線を組み合わせる、又は、サイクロイド曲線やトロコイド曲線を変形させる、若しくは、新たな曲線を用いる手法を採用した請求項１に記載の内接歯車式ポンプ。
3. インナーロータの歯形を、歯底部がハイポサイクロイド曲線で、歯先部が円弧曲線、楕円の一部の曲線、もしくはエピサイクロイド曲線でそれぞれ構成され、さらに、アウターロータと噛み合わせる歯底部と歯先部の間の噛合部がインボリュート曲線で構成されたものにし、前記インボリュート曲線で構成される噛合部のロータ径方向寸法をＩＮＶ、インナーロータとアウターロータの偏心量をｅとして、（ＩＮＶ／ｅ）の式で求まる比率を０．１７以下に設定した請求項１に記載の内接歯車式ポンプ。
4. インナーロータと組み合わせるアウターロータとして、インナーロータの中心をアウターロータの中心周りに直径（２ｅ＋ｔ）の円を描いて公転させ、インナーロータ中心がその円を１周公転する間にインナーロータを１／ｎ回自転させて作られるインナーロータの歯形曲線群の包絡線で歯形を構成したものを用いる請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内接歯車式ポンプ。

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