JP2021143643A - 斜板式液圧回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率かつ信頼性の高い斜板式液圧回転機械を提供する。【解決手段】ケーシング２と、回転軸４と、複数のシリンダ６が形成されたシリンダブロック５と、複数のピストン８と、該各ピストン８の突出端部に装着されたシュー９と、斜板１０と、前記各シュー９を前記斜板１０の摺動面に当接させるリテーナ１１と、前記リテーナ１１を前記斜板１０に向けて押圧するリテーナガイド１２とを備えて構成されており、前記リテーナ１１の前記シュー９との接触面において、前記シュー９を前記リテーナ１１の内外周方向に傾動可能に支持するシュー支持支点１９を有する。【選択図】図９

Description

本発明は、例えば油圧ショベル、油圧クレーン、ホイールローダ等の建設機械において、油圧ポンプまたは油圧モータとして用いられる斜板式液圧回転機械に係り、特に信頼性・効率の向上に寄与する斜板式液圧回転機械に関する。

この種の斜板式液圧回転機械は、一般に、中空なケーシングと、該ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸と、該回転軸と一体に回転するようにケーシング内に設けられ周方向に離間して軸方向に伸長する複数のシリンダが形成されたシリンダブロックと、該シリンダブロックの各シリンダ内に往復動可能に挿嵌され軸方向の一端側がシリンダから突出した複数のピストンと、該各ピストンの突出端部に装着されたシューと、シリンダブロックと対向してケーシング内に設けられシリンダブロックと対向する面に各シューが摺動する摺動面が形成された斜板と、各シューと各ピストンの突出端部との間に位置して回転軸に挿通され各シューを斜板の摺動面に当接させる環状なリテーナと、該リテーナとシリンダブロックとの間に位置して回転軸に挿嵌され外周面によってリテーナを斜板に向けて押圧するリテーナガイドとを備えて構成されている。

各シューは、静圧軸受を介して斜板の摺動面と接触している。具体的には、各シューの中央部には静圧ポケットが設けられ、この静圧ポケットと連通する油路が、各ピストンと各シューとに設けられている。そして、シリンダ内の潤滑油がこの油路を介して静圧ポケットに供給されると、ピストンからの押し付け力とバランスして、適正な厚みの油膜がシューと斜板の間に形成され、各シューは斜板と直接接触することなく円滑に摺動することができる。斜板式液圧回転機械の一回転において、シューは高圧と低圧とが切り替わるために挙動が不安定になりやすく、各シューをリテーナにて斜板に押圧することで安定した動作を可能としている（特許文献１参照）。

リテーナは押圧バネによる力によって各シューを斜板に押し付けるため、一般的に平らな円板形状であるリテーナは、組み立てた状態においてシューの斜板式液圧回転機械の内周側でリテーナと強く接触し、外周側でシューと隙間が開くような弾性変形した状態となる。この対策として、組み立てた状態でリテーナがシューと緊密に接触するように弾性変形した状態でリテーナのシューと接触する面が平坦になる形状にあらかじめリテーナを加工しておく手法が知られている（特許文献２参照）。

特開２０１３−２４１１号公報 特開平１０−１８４５３３号公報

しかし、前述した従来技術の斜板式液圧回転機械においては、次のような課題がある。

各部品は製作時の加工誤差を有する。また、各摺動部の摩耗によって、押圧バネによる力が低下し、これによって弾性変形量が変化してしまい、リテーナがシューに緊密に接触しない状態となってしまうことが懸念される。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高効率かつ信頼性の高い斜板式液圧回転機械を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係る斜板式液圧回転機械は、ケーシングと、該ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸と、該回転軸と一体に回転するように前記ケーシング内に設けられ周方向に離間して軸方向に伸長する複数のシリンダが形成されたシリンダブロックと、該シリンダブロックの各シリンダ内に往復動可能に挿嵌され軸方向の一端側が前記シリンダから突出した複数のピストンと、該各ピストンの突出端部に装着されたシューと、前記シリンダブロックと対向して前記ケーシング内に設けられ前記シリンダブロックと対向する面に各シューが摺動する摺動面が形成された斜板と、前記各シューと前記各ピストンの突出端部との間に位置して前記各シューを前記斜板の摺動面に当接させるリテーナと、該リテーナと前記シリンダブロックとの間に位置して外周面によって前記リテーナを前記斜板に向けて押圧するリテーナガイドとを備えて構成されており、前記リテーナの前記シューとの接触面において、前記シューを前記リテーナの内外周方向に傾動可能に支持するシュー支持支点を有することを特徴とする。

本発明は、以上の構成を備えることで、高効率かつ信頼性の高い斜板式液圧回転機械を提供することが可能である。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の斜板式液圧回転機械の一実施形態を示す断面図である。 図１に示す斜板式液圧回転機械におけるシューとリテーナの接触部の斜視図である。 図１に示す斜板式液圧回転機械におけるシューとリテーナの接触部の断面図である。 組み立て前のシュー、リテーナ、リテーナガイド、押圧バネの略示図である。 組み立てた状態におけるシュー、リテーナ、リテーナガイド、押圧バネの略示図である。 リテーナが変形しないと仮定した場合の、シュー摺動面油膜の圧力分布と遠心力によるモーメントを説明する図である。 リテーナが押圧バネによって変形した場合の、シュー摺動面油膜の圧力分布と遠心力によるモーメントを説明する図である。 本発明の斜板式液圧回転機械の第１の実施形態におけるシューとリテーナの接触部の概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の破線Ａ部の断面図である。 本発明の斜板式液圧回転機械の第１の実施形態におけるシューとリテーナの接触部の断面図である。 本発明の斜板式液圧回転機械の第１の実施形態における、リテーナが変形した状態のシューとリテーナの接触部の断面図である。 本発明の斜板式液圧回転機械の第２の実施形態におけるシューとリテーナの接触部の概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の破線Ａ部の断面図、（ｃ）は（ａ）の破線Ｂ部の断面図である。 本発明の斜板式液圧回転機械の第３の実施形態におけるシューとリテーナの接触部の概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

以下、本発明に係る斜板式液圧回転機械の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、各実施形態に共通する斜板式液圧回転機械の概略構成を、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７に基づいて説明し、その後、各実施形態の特徴構成を各実施形態毎に具体的に説明する。

図１は、本発明の斜板式液圧回転機械の一実施形態を示す断面図である。

図１に示す斜板式液圧回転機械１は、フロントケーシング３ａとリアケーシング３ｂとから構成される中空のケーシング２内に、回転軸としてのシャフト４（の両端）が軸受１３に支持されることで回転自在に収納され、このシャフト４には、シリンダブロック５がこのシャフト４と一体に回転するようにスプライン１５を介して連結されている。シリンダブロック５の周方向には、複数のシリンダ６が円周状に（詳しくは、周方向に離間して軸方向に伸長するように）形成されており、各シリンダ６内には、ピストン８が往復動可能に挿嵌されて配置されている。これらの各ピストン８のシリンダ６から突出した端部（突出端部）には、シュー９が球面継手構造によって揺動可能に連設されており、このシュー９の片面（ピストン８側とは反対側の面）は、フロントケーシング３ａに傾転可能に保持された斜板１０の表面に摺動されている。つまり、斜板１０は、シリンダブロック５と対向してフロントケーシング３ａ内に設けられ、シリンダブロック５と対向する面（摺動面）に各シュー９の片面が摺動する。リテーナ１１は、各シュー９と各ピストン８（の突出端部）との間に位置してシャフト４に挿通される環状平板からなり、その周方向には、各シュー９と各ピストン８を挿通する複数の挿通穴１８が形成されている（図２参照）。このリテーナ１１は、シャフト４が挿嵌されたリテーナガイド１２（の外周面）によりシリンダブロック５から押圧バネ１４を介して押圧されることで、シュー９（の片面）を斜板１０（の摺動面）に押し当て、運転時にシュー９が暴れることを抑制している。

一方、リアケーシング３ｂには、シリンダブロック５が摺動する弁板７が固定されており、この弁板７には、シリンダブロック５の複数のシリンダ６に対して交互に連通する図示しない高圧ポートと低圧ポートとが形成されている。

したがって、本例の斜板式液圧回転機械１は、シャフト４を図示しない原動機にて回転駆動した場合には、シャフト４と一体にシリンダブロック５が回転し、これに伴って各シュー９が斜板１０上を摺動しながら回転し、これにより各ピストン８がシリンダ６内を往復動する。ピストン８の伸長時には、弁板７の低圧ポートから供給された作動油がシリンダ６内に吸い込まれ、ピストン８の収縮時には、シリンダ６内に吸い込まれた作動油がピストン８にて圧縮されて、圧縮された作動油が弁板７の高圧ポートから吐出されることで、油圧ポンプとして機能する。

また、この斜板式液圧回転機械１は、弁板７の高圧ポートから供給された作動油がシリンダ６内に流入し、これによりピストン８がシリンダ６内を往復動し、このピストン８の往復動に伴って各シュー９が斜板１０上を摺接しながら回転し、これによりシリンダブロック５が回転し、このシリンダブロック５の回転と一体にシャフト４が回転することで、油圧モータとしても機能する。

図２および図３は、図１に示す斜板式液圧回転機械１におけるシュー９とリテーナ１１の接触部の概略図であり、図２は斜視図、図３は断面図である。前述したように、環状平板からなるリテーナ１１には、ピストン８およびシュー９（の球面継手構造）を挿通する挿通穴１８が周方向に離間して複数開けられており、ここにピストン８を通してシュー９を押さえ、運転時にシュー９が暴れるのを抑制している。また、各シュー９の中央部には静圧ポケット１７および該静圧ポケット１７と連通する油路としての通油孔１６が設けられ、各シュー９は、静圧軸受を介して斜板１０の摺動面と接触している。

ここで、図４と図５を用いてリテーナ１１の弾性変形に関して説明する。図４は、組み立て前のシュー９、リテーナ１１、リテーナガイド１２、押圧バネ１４の略示図である。リテーナ１１は一般的に平らな円板形状であり、押圧バネ１４が縮み、リテーナ１１に力が作用しない状態では、リテーナ１１はシュー９と緊密に接触した状態となる。図５は、組み立てた状態におけるシュー９、リテーナ１１、リテーナガイド１２、押圧バネ１４の略示図である。押圧バネ１４によってリテーナ１１に力が作用すると、シュー９はリテーナ１１の内周側で強く接触し、リテーナ１１は外周側でシュー９と隙間が開くような弾性変形した状態となる。

次に、図６と図７を用いてシュー９に作用する力とその姿勢に関して説明する。シリンダ６内が高圧になると、シュー９と斜板１０との摺動面には、連通する通油孔１６から静圧ポケット１７に高圧の作動油が流れ込み、油膜圧力分布２５が生じる。これによって、シュー９と斜板１０が固体接触することを防止している。また、斜板式液圧回転機械１の回転によって、遠心力によるモーメント２６がシュー９に作用する。図６は、リテーナ１１が弾性変形しないと仮定した場合であり、シュー９に遠心力によるモーメント２６が作用しても、リテーナ１１と接触することでシュー９は斜板１０と水平に近い状態を維持することができる。図７は、リテーナ１１が弾性変形した状態であり、リテーナ１１の内周側でシュー９と接触する位置が支点となるため、遠心力によるモーメント２６によってシュー９はリテーナ１１に張り付きやすくなり、内周側の斜板１０との隙間が狭く、外周側の斜板１０との隙間が広くなる。よって、この弾性変形量が大きくなればなるほど、シュー９の内周側は斜板１０と接触してかじりやすくなり、固体接触による摩擦係数の増大が機械効率を悪化させ、また焼き付きによる信頼性低下の可能性がある。一方で外周側の隙間が大きくなることで作動油が漏れやすくなり、容積効率も悪化する懸念がある。

［第１の実施形態］
図８（ａ）、図８（ｂ）は、本発明の斜板式液圧回転機械１の第１の実施形態におけるシュー９とリテーナ１１の接触部の概略図であり、図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は図８（ａ）の破線Ａ部の断面図である。

本第１の実施形態では、前述した問題を解消するために、リテーナ１１にシュー支持支点１９を設け、シュー９がリテーナ１１の弾性変形に関わらずシュー支持支点１９で接触する構造である。シュー支持支点１９は、リテーナ１１の片面（ピストン８側とは反対側であって斜板１０側の面）、より詳しくは、リテーナ１１の挿通穴１８周りのシュー９との接触面において周方向（換言すればリテーナ１１中心周り）の両側に設けられる。また、挿通穴１８（シュー９）の周方向の両側に設けられたシュー支持支点１９によりシュー９の中心に近い位置で支持することで、斜板式液圧回転機械１が動作時にシュー９が斜板１０に対して水平に近い状態を維持しやすい構造である。本例において、シュー支持支点１９は、リテーナ１１の片面の周方向に（換言すればリテーナ１１中心周りに）かつシュー９の中心に近い位置を通るように環状に形成された突起（面）で構成される。すなわち、ここでは、シュー支持支点１９は、リテーナ１１の周方向に形成された各挿通穴１８間を平面視円弧状につなぐように形成された突起（面）で構成される。また、本例において、シュー支持支点１９は、リテーナ１１と一体に形成（成形）されている。この凸状のシュー支持支点１９により、シュー９がリテーナ１１の内外周方向（径方向）に傾動可能に支持されるため、前述したように、斜板式液圧回転機械１が動作時にシュー９が斜板１０に対して水平に近い状態を維持しやすくなる。シュー支持支点１９の形状（断面形状）は、シュー９がリテーナ１１の内外周方向に傾動可能であればどのような形状でもよいが、滑らかな動作、また接触部の耐久性を考慮すると、リテーナ１１上に回転円弧形状で設けるのが望ましい。円弧の径は、ヘルツの接触理論より最大接触圧を算出し、少なくともシュー９とリテーナ１１の材料強度のほうが最大接触圧よりも高くなるように設計する。回転円弧形状は、円周方向に均等な形状とすることで加工も比較的容易となる。

図９は、本発明の斜板式液圧回転機械１の第１の実施形態におけるシュー９とリテーナ１１の接触部の断面図である。

ここで、シュー支持支点１９の（径方向の）中心位置２１（すなわち、シュー９との接触点の位置ないしシュー９の支持点の位置）は、シュー中心位置２０よりも外周側にあることが望ましい。シュー９には、前述した通り動作中は回転による遠心力が作用するため、外周側の隙間が広くなりやすい。そこで、シュー支持支点１９をシュー９の重心位置（ここでは、シュー中心位置２０）よりも外周側に設置することで、高速回転中に、シュー９は水平な状態を保持しやすくなる。

図１０は、本発明の斜板式液圧回転機械の第１の実施形態における、リテーナ１１が変形した状態のシュー９とリテーナ１１の接触部の断面図である。

ここで、シュー９が水平に近い状態を維持するためには、変形したリテーナ１１とシュー９の接触位置がシュー支持支点１９（のみ）となる必要がある。よって、シュー支持支点１９の高さはシュー９とリテーナ１１間の隙間２７が存在するように設定する必要がある。つまり、凸状のシュー支持支点１９の高さはリテーナ１１の変形量を考慮して設定する必要がある。

このように、本第１の実施形態では、前記リテーナ１１の前記シュー９との接触面において、前記シュー９を前記リテーナ１１の内外周方向（径方向）に傾動可能に支持するシュー支持支点１９を有する。また、前記シュー支持支点１９は、シュー中心位置２０よりも外周側に位置することが望ましい。以上の構成を備えることで、リテーナ１１が押圧バネ１４によって弾性変形する場合においても、回転中にシュー９が斜板１０に接触することなくシュー９と斜板１０がかじることを防止し、高効率かつ信頼性の高い斜板式液圧回転機械１を提供することが可能である。

［第２の実施形態］
図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）は、本発明の斜板式液圧回転機械１の第２の実施形態におけるシュー９とリテーナ１１の接触部の概略図であり、図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の破線Ａ部の断面図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）の破線Ｂ部の断面図である。

シュー支持支点１９の形状は、シュー９が内外周方向に傾動可能であればどのような形状でもよく、図１１（ａ）に示すように、各シュー９の周方向の両側にそれぞれシュー支持支点１９を分散して設けてもよい。つまり、本例において、シュー支持支点１９は、リテーナ１１の片面の周方向に（換言すればリテーナ１１中心周りに）かつシュー９の中心に近い位置を通るように分散して配置された突起（ここでは、各シュー９の周方向の両側に形成された平面視円形状の突起）で構成される。このような構造の場合、図１１（ｂ）に示すように、シュー支持支点１９はリテーナ１１と別部材で設置すると製作しやすい。また、別部材とすることで強度の高い材料（例えばＳＵＪ２やＦＣＤ等）を選択することが可能となり、高さ調整シム２２によって加工誤差による各シュー支持支点１９の高さの違いをキャンセルすることもできる（図１１（ｃ））。

なお、本実施形態の斜板式液圧回転機械１を回転方向が一方向、つまり油圧ポンプとして動作させる場合、図１１（ｃ）に示すように、シュー９の進行方向（回転方向）２３側のシュー支持支点１９を低く、もう一方、すなわち、シュー９の進行方向（回転方向）２３とは逆側のシュー支持支点１９を高くすることで、動作中にシュー９と斜板１０の摺動面がくさび形状となり、介在する油膜の動圧効果によってシュー９が浮上しやすくなるため、さらなる信頼性の向上が期待できる。

このように、本第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様、リテーナ１１が押圧バネ１４によって弾性変形する場合においても、回転中にシュー９が斜板１０に接触することなくシュー９と斜板１０がかじることを防止し、高効率かつ信頼性の高い斜板式液圧回転機械１を提供することが可能である。また、前記斜板式液圧回転機械１の回転方向が一方向である場合、前記シュー９の回転方向側に位置する前記シュー支持支点１９よりも、前記シュー９の回転方向とは逆側に位置する前記シュー支持支点１９が高く設置されていることで、さらなる信頼性の向上を図ることができる。

［第３の実施形態］
図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、本発明の斜板式液圧回転機械１の第３の実施形態におけるシュー９とリテーナ１１の接触部の概略図であり、図１２（ａ）は斜視図、図１２（ｂ）は断面図である。

リテーナ１１の弾性変形量が大きい場合、シュー支持支点１９を、シュー９の内周側がリテーナ１１と接触しない高さにする必要がある。そこで、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、リテーナ１１のシュー支持支点１９よりも内周側で、かつシュー９と対向する領域にリテーナ切欠部２４を設けることで、シュー９の内周側がリテーナ１１と接触することを回避することが可能となる。

このように、本第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様、リテーナ１１が押圧バネ１４によって弾性変形する場合においても、回転中にシュー９が斜板１０に接触することなくシュー９と斜板１０がかじることを防止し、高効率かつ信頼性の高い斜板式液圧回転機械１を提供することが可能である。また、前記リテーナ１１の前記シュー支持支点１９よりも内周側で、かつ前記シュー９と対向する領域が切り欠かれていることで（リテーナ切欠部２４）、回転中にシュー９が斜板１０に接触することをより確実に回避でき、さらなる信頼性・効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、第１の実施形態における環状（平面視円弧状）のシュー支持支点１９をリテーナ１１と別部材にて設置してもよいし、第２の実施形態における分散して配置されているシュー支持支点１９をリテーナ１１と一体に形成してもよい。また、第１の実施形態においても、斜板式液圧回転機械１を回転方向が一方向、つまり油圧ポンプとして動作させる場合、（シュー支持支点１９が一定の高さではなく、）シュー９の進行方向（回転方向）２３側のシュー支持支点１９を低く、シュー９の進行方向（回転方向）２３とは逆側のシュー支持支点１９を高くするようにしてもよい。

また、図示実施形態では、シュー９側に球面継手構造が設けられているが、ピストン８側に設けた球面継手構造を介して、ピストン８とシュー９とを接続してもよい（特許文献２参照）。

１ 斜板式液圧回転機械
２ ケーシング
３ａ フロントケーシング
３ｂ リアケーシング
４ シャフト（回転軸）
５ シリンダブロック
６ シリンダ
７ 弁板
８ ピストン
９ シュー
１０ 斜板
１１ リテーナ
１２ リテーナガイド
１３ 軸受
１４ 押圧バネ
１５ スプライン
１６ 通油孔
１７ 静圧ポケット
１８ 嵌挿穴
１９ シュー支持支点
２０ シュー中心位置
２１ シュー支持支点の中心位置
２２ 高さ調整シム（第２の実施形態）
２３ シューの進行方向（回転方向）
２４ リテーナ切欠部（第３の実施形態）
２５ 油膜圧力分布
２６ 遠心力によるモーメント
２７ シューとリテーナ間の隙間

Claims (8)

1. ケーシングと、該ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸と、該回転軸と一体に回転するように前記ケーシング内に設けられ周方向に離間して軸方向に伸長する複数のシリンダが形成されたシリンダブロックと、該シリンダブロックの各シリンダ内に往復動可能に挿嵌され軸方向の一端側が前記シリンダから突出した複数のピストンと、該各ピストンの突出端部に装着されたシューと、前記シリンダブロックと対向して前記ケーシング内に設けられ前記シリンダブロックと対向する面に各シューが摺動する摺動面が形成された斜板と、前記各シューと前記各ピストンの突出端部との間に位置して前記各シューを前記斜板の摺動面に当接させるリテーナと、該リテーナと前記シリンダブロックとの間に位置して外周面によって前記リテーナを前記斜板に向けて押圧するリテーナガイドとを備えて構成されている斜板式液圧回転機械であって、
   前記リテーナの前記シューとの接触面において、前記シューを前記リテーナの内外周方向に傾動可能に支持するシュー支持支点を有することを特徴とする斜板式液圧回転機械。
2. 請求項１に記載の斜板式液圧回転機械において、
   前記シュー支持支点は、シュー中心位置よりも外周側に位置することを特徴とする斜板式液圧回転機械。
3. 請求項１に記載の斜板式液圧回転機械において、
   前記シュー支持支点は、リテーナ中心周りに環状に配置されていることを特徴とする斜板式液圧回転機械。
4. 請求項１に記載の斜板式液圧回転機械において、
   前記シュー支持支点は、リテーナ中心周りに分散して配置されていることを特徴とする斜板式液圧回転機械。
5. 請求項１に記載の斜板式液圧回転機械において、
   前記斜板式液圧回転機械の回転方向が一方向である場合、前記シューの回転方向側に位置する前記シュー支持支点よりも、前記シューの回転方向とは逆側に位置する前記シュー支持支点が高く設置されていることを特徴とする斜板式液圧回転機械。
6. 請求項１に記載の斜板式液圧回転機械において、
   前記シュー支持支点は、前記リテーナと一体に形成されていることを特徴とする斜板式液圧回転機械。
7. 請求項１に記載の斜板式液圧回転機械において、
   前記シュー支持支点は、前記リテーナと別部材にて設置されていることを特徴とする斜板式液圧回転機械。
8. 請求項１に記載の斜板式液圧回転機械において、
   前記リテーナの前記シュー支持支点よりも内周側で、かつ前記シューと対向する領域が切り欠かれていることを特徴とする斜板式液圧回転機械。

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