JP2021148064A - アキシャルピストン型液圧回転機の斜板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】たとえ摺動面の面圧が高い環境下であっても、摩耗を低減することができるアキシャルピストン型液圧回転機の斜板を提供する。【解決手段】ポンプ５０のピストンシュー１２に対して摺動する斜板２は、鉄基地２３に球状黒鉛２４が分散した球状黒鉛鋳鉄からなり、ピストンシュー１２との摺動面２１には、窒素が拡散した窒素拡散層２６が形成されている。摺動面２１には、斜板２の周方向に沿って少なくとも１つの凹溝２７が形成されており、凹溝２７の縁部２７ａには、鉄基地２３により形成された摺動面２１から隆起するように、球状黒鉛２４の一部が露出している。【選択図】図３

Description

本発明は、アキシャルピストン型液圧回転機の斜板に関する。

従来から油圧ポンプや油圧モータに代表される液圧回転機は、多くの摺動部品から構成されている。摺動部品の摺動面は、高い摺動面圧による潤滑油膜切れ、制御油圧の変動による摺接状態の不安定化などの影響により、摺動面同士の焼き付きや局部的な異常摩耗などの発生リスクを有している。これら摺動部品のほとんどは鉄製の材料で構成され、中でも安価で摺動性能が高い球状黒鉛鋳鉄が利用されている。

液圧回転機を構成する摺動部品には、耐摩耗性と潤滑性の２つの性能が求められるが、摺動部品の構成材質を球状黒鉛鋳鉄とした場合、鋼材に比べて表面硬度が低いことが多い。このような観点から、熱処理により摺動部品を硬化させることにより、摩耗や焼き付き損傷を抑制する方法が知られている。

たとえば、特許文献１には、球状黒鉛鋳鉄の基材の表面に、窒化系熱処理を施した摺動部品が提案されている。得られた摺動部品は、摺動面に鉄窒化物層を形成するとともに、窒化系熱処理による熱処理歪み（ひずみ）によって、摺動面には球状黒鉛が隆起突出している。

特開２００７−１２７０９３号公報

しかしながら、建設機械のように大容量（高出力）のアキシャルピストン型液圧回転機の斜板においては、摺動面に対して加わる摺動面圧（摺動相手面の押し付け力）と、それに起因した摺動発熱が非常に大きい。そのため、特許文献１に係る摺動部品を、アキシャルピストン型液圧回転機の斜板に適用した場合、斜板の摺動面上に形成された非常に硬質な鉄窒化物層によって、相手部材であるピストンシューに激しい摩耗損傷が生じてしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、たとえ摺動面の面圧が高い環境下であっても、摩耗を低減することができるアキシャルピストン型液圧回転機の斜板およびその製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係るアキシャルピストン型液圧回転機のピストンシューに対して摺動する斜板であって、前記斜板は、鉄基地に球状黒鉛が分散した球状黒鉛鋳鉄からなり、前記ピストンシューとの摺動面には、窒素が拡散した窒素拡散層が形成されており、前記摺動面には、前記斜板の周方向に沿って少なくとも１つの凹溝が形成されており、前記凹溝の縁部には、前記鉄基地により形成された摺動面から隆起するように、球状黒鉛の一部が露出している。

本発明に係るアキシャルピストン型液圧回転機のピストンシューに対して摺動するアキシャルピストン型液圧回転機の斜板の製造方法では、前記斜板の基材として、鉄基地に球状黒鉛が分散した球状黒鉛鋳鉄からなる基材に窒化処理を施す工程と、前記ピストンシューとの摺動面の最表面に前記窒化処理により形成された、鉄窒素化合物層を除去し、窒素が拡散した窒素拡散層を露出させる工程と、前記窒素拡散層を露出させた摺動面に、前記斜板の周方向に沿って少なくとも１つの凹溝をバニシング加工により形成し、前記凹溝の縁部に、前記鉄基地により形成された摺動面から隆起するように、球状黒鉛の一部を露出させる工程と、を含む。

本発明に係る斜板および本発明に係る製造方法で製造された斜板は、鉄基地に球状黒鉛が分散した球状黒鉛鋳鉄からなり、ピストンシューとの摺動面には、窒素が拡散した窒素拡散層が形成されている。この窒素拡散層により、斜板の摺動面を形成する鉄基地の表面硬さが高まるので、斜板の耐摩耗性を向上することができる。

さらに、窒素拡散層が形成された摺動面には、同心円状または螺旋状の凹溝が形成されており、凹溝の縁部には、鉄基地により形成された摺動面から隆起するように、球状黒鉛の一部が露出している。これにより、斜板とピストンシューとが、相対的に回転し、摺動した場合に、これらの間に供給される潤滑油が凹溝に保持されるため、斜板の摺動面に油膜が形成され、斜板とピストンシューとの摺動面間に保持され易い。これとともに、凹溝の縁部には、鉄基地により形成された摺動面から隆起するように、球状黒鉛の一部が露出しているので、摺動時に、斜板の摺動面のうち、ピストンシューに接触する部分には、球状黒鉛が存在することになり、球状黒鉛が固体潤滑剤として作用する。このような結果、摺動面の凹溝による潤滑油の保持効果と、球状黒鉛の固体潤滑剤としての効果とによって、斜板の摺動面の耐焼き付き特性と耐摩耗性とを両立させることができる。

本発明の実施形態に係る斜板を備えたアキシャルピストンポンプの一例を示す概略断面図である。 図１に示す斜板の平面図である。 図２に示す斜板に形成された溝部近傍の断面図である。 図２に示す斜板の変形例を示す平面図である。 図３に示す斜板の製造方法を説明するための図であり、窒化処理を行った斜板の基材の模式的断面図である。 図５Ａに示す窒化処理後の基材の表面に形成された鉄窒化物層を除去した斜板の基材の模式的断面図である。 図５Ｂに示す基材の表面に対して行う押圧加工を説明するための模式的断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るいくつかの実施形態の作業機械を説明する。本発明の実施形態に係るアキシャルピストン型液圧回転機として、斜板式アキシャルピストンポンプ（以下ポンプという）５０を例示して説明する。なお、ポンプ５０は、油圧ショベル、ブルドーザ、ホイールローダ、締固め機械、またはトラック等の作業機械の全般で使用されるものである。

まず、図１において、ポンプ５０の構成の一例を説明し、図２〜４において、ポンプ５０の斜板２を説明する。

１．ポンプ５０について
ポンプ５０は、有底筒状に形成されたケーシング本体１Ａと、このケーシング本体１Ａと組合されてケーシング１を構成する円板状のリアケーシング１Ｂ内に、回転シャフト５が保持されている。

回転シャフト５の一端側は、リアケーシング１Ｂの中央部に形成した窪み内に保持された軸受１７で回転可能に保持されている。回転シャフト５の他端側は、ケーシング本体１Ａの中央部（の貫通孔）には、軸受１６が保持されている。回転シャフト５の他端側の先端部は、図示しないモータまたはエンジン等の駆動手段に接続される。回転シャフト５は、駆動手段の動力により回転する。

回転シャフト５の軸方向中間部には、スプライン８が形成されている。そして、このスプライン８に係止するスプラインが内周面に形成されたシリンダブロック７が、回転シャフト５にスプライン結合で取り付けられている。

軸方向に、シリンダブロック７とリアケーシング１Ｂ間に弁板３が配置されており、この弁板３はリアケーシング１Ｂに保持されている。弁板３には、軸対称に一対、円弧形状の吸排ポート４Ａ、４Ｂが形成されている。弁板３は、さらにシリンダブロック７と対向する面が凸形状の円錐面に形成されており、凹形状の円錐面であるシリンダブロック７の端面との間で摺動面を形成する。リアケーシング１Ｂには、吸排ポート４Ａ、４Ｂに連通する流路４Ｃ、４Ｄが形成されている。

シリンダブロック７では、同一円周上の周方向複数個所、通常４〜９個のシリンダ（シリンダボア）９が等間隔に形成されている。このシリンダ９に、ピストン１０が軸方向に往復動可能に収容されている。シリンダ９の先端部には、シリンダブロック７が回転したときに弁板３に形成した吸排ポート４Ａ、４Ｂに連通するシリンダポート９Ａが形成されている。ピストン１０は円柱状をしており、軸心部には軸方向に延びる孔１０Ａが形成されている。この孔１０Ａは、シリンダポート９Ａ側の径が反対側よりも大きい。

ピストン１０の端部のうち、シリンダポート９Ａの反対側の端部は、凹んだ球面になっており、この凹面に先端部が凸球面をしたピストンシュー１２が挿嵌されている。ピストンシュー１２は、銅合金などの軟質金属からなり、ピストンシュー１２の表面も銅合金などの軟質金属で構成されている。ピストンシュー１２は軸方向にくびれた形状になっており、環状に形成されたリテーナ１５に周方向ほぼ等間隔に形成された円形の穴に嵌合している。リテーナ１５は、複数のピストンシュー１２の周方向の位置決めに用いられている。

ピストンシュー１２の軸心部には小径の貫通孔が形成されており、ピストン１０に形成した孔１０Ａを経た潤滑油が、ピストンシュー１２の孔を流通可能になっている。ピストンシュー１２の斜板２側の端面は、平面となっており、ケーシング本体１Ａに軸受保持部材１６Ａを介して保持された斜板２に当接した摺動面となっている。

斜板２は、ピストンシュー１２に当接する平面状の当接面を有しており、この当接面が、本発明でいう斜板２の「摺動面」に相当する。したがって、モータまたはエンジン等の駆動手段によりポンプ５０が駆動した際には、ピストンシュー１２の摺動面１２ａが、ピストンシュー１２の摺動軌道に沿って、斜板２の摺動面１２ｂを摺動する。

さらに、摺動面と反対側の斜板２の表面は円板を斜めにそぎ落とした形状になっている。この斜めにそぎ落とした面が軸受保持部材１６Ａの軸方向端面に当接することで、斜板２のピストンシュー１２への摺動面を、回転シャフトに対して傾斜した面に保持している。

回転シャフト５の軸心にして、斜板２の摺動面の角度は傾転角θであり、図示を省略した傾転制御ピストンによりその角度を制御される。傾転制御ピストンは、ケーシング本体１Ａに保持され、斜板２がピストンシュー１２に当接する面とは反対面側に当接する。斜板２の内周側には、回転シャフト５が貫通するための孔２５が形成されている。一方、回転シャフト５は、この斜板２を貫通する部分に、軸受１６側から徐々に縮径する傾斜部を有している。

このように構成したポンプ５０では、図示しない駆動手段により回転シャフト５を回転させると、この回転シャフト５にスプライン結合されたシリンダブロック７が回転する。シリンダブロック７には、複数のピストン１０が摺動可能に挿嵌されており、回転シャフト５の回転に伴ってその周方向位置を変える。ピストン１０が周方向位置を変えると、ピストン１０に摺接するピストンシュー１２は、背面側に配置されている斜板２の摺動面に軸方向の移動を規制される。つまり、ピストンシュー１２は、斜板２の傾斜している摺動面を滑りながら移動する。ここで、ピストンシュー１２のピストン１０との摺接部が球面であるので、この移動の際には、ピストンシュー１２はピストン１０に対しほとんど摩擦を生じることなくその姿勢を変えることができる。

各ピストンシュー１２の摺動面１２ａが、摺動起動に沿って、斜板２の摺動面を摺動するときは、斜板２の傾きによりピストンシュー１２の回転方向への移動量（角度）に応じてピストンシュー１２の軸方向位置が変化し、それによりピストン１０が軸方向、図１では左右方向に移動する。図１で、ピストン１０が左方向に移動すれば、シリンダ９内部の潤滑油を吐き出すことになり、ピストン１０が右方向に移動すれば、シリンダ９内部へ潤滑油を吸引することになる。したがって、駆動機が回転シャフト５を連続的に回転駆動すると、吸排ポート４Ａ、４Ｂを通して、潤滑油が加圧されて送液される。

２．斜板２について
以下に図２〜図４を参照しながら、ポンプ５０の斜板２について詳細に説明する。

図２および３に示すように、斜板２は、ピストンシュー１２に対して摺動する摺動面２１が形成されている。斜板２は、鉄基地２３に球状黒鉛２４が分散した球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）からなる。

ここで、鉄基地２３は、フェライトからなるものであってもよく、球状黒鉛鋳鉄としては、ＦＣＤ３７０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０、ＦＣＤ５００（ＪＩＳ規格）等を挙げることができ、鉄基地１１により多くの黒鉛粒子を含むことができる。一方、鉄基地２３は、パーライトからなるものであってもよく、球状黒鉛鋳鉄としては、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８５０（ＪＩＳ規格）等を挙げることができる。

本実施形態では、ピストンシュー１２との摺動面２１には、窒素が拡散した窒素拡散層２６が形成されている。窒素拡散層２６は、球状黒鉛鋳鉄の鉄基地２３に、ガス窒化処理又はガス軟窒化処理を施すことにより、斜板２の摺動面２１（鉄基地２３の表面）から窒素原子が浸透し、鉄基地２３に固溶・拡散した層である。

窒素拡散層２６の表面硬さは、斜板２の耐摩耗性を確保することができるのであれば、特に限定されるものではないが、たとえば、Ｈｖ９００以上（Ｈｖ９００〜１２００）であることが好ましい。同様に、窒素拡散層２６の厚さ（拡散深さ）も、斜板２の耐摩耗性を確保することができるのであれば、特に限定されるものではないが、たとえば、斜板２の摺動面２１から０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。窒素拡散層２６の厚さを範囲とすることにより、斜板２の摺動面２１の耐摩耗性をより確実に確保することができる。

ここで、窒素拡散層２６の硬さが、Ｈｖ９００未満の場合、窒素拡散層２６の厚さが、０．２ｍｍ未満の場合には、窒素拡散層２６による斜板２の摺動面２１の耐摩耗性が十分に得られないことがある。一方、窒素拡散層２６の厚さが、０．５ｍｍを超えたとしても、窒素拡散層２６による斜板２の摺動面２１の耐摩耗性がそれ以上得られないことがある。

窒素拡散層２６は、摺動面２１側の表面領域の窒素の質量濃度をＥＤＳやＥＰＭＡで測定する方法、または、その表面領域の断面をＳＥＭで観察する方法等により確認することができる。なお、この窒素拡散層２６は、後述するように、アンモニアガスの雰囲気下で斜板２となる基材２Ａを加熱し、その表面に形成された鉄窒化物層を除去することにより得ることができる。

さらに、斜板２の摺動面２１には、円板状の斜板２の周方向に沿って少なくとも１つの凹溝２７が形成されている。凹溝２７は、周方向に断続的に形成されていてもよく、後述するように、螺旋状に形成されていてもよい。本実施形態では、図２に示すように、斜板２の摺動面２１には、摺動面２１の中心から同心円状の複数の凹溝２７が形成されている。図３に示すように、凹溝１７の深さは、窒素拡散層２６の層厚さよりも小さいが、バニシング加工により斜板２の形状を保持しつつ、凹溝１７を形成することができるのであれば、その層厚さ以上であってもよい。凹溝２７の縁部２７ａには、鉄基地２３により形成された摺動面２１から隆起するように、球状黒鉛２４の一部が露出している。本実施形態では、半径方向に並ぶ凹溝２７、２７同士の中心間距離Ｌが、開口幅Ｗの２倍以上である。なお、ここでいう、凹溝２７の中心とは、凹溝２７の開口幅Ｗにおける中心位置のこといい、開口幅Ｗは、斜板２の摺動面２１における凹溝２７の幅のことをいう。

本実施形態では、斜板２とピストンシュー１２とが、相対的に回転し、摺動した場合に、これらの間に供給される潤滑油が同心円状の各凹溝２７に保持される。このため、斜板２の摺動面２１に潤滑油の油膜が形成され、斜板２とピストンシュー１２との摺動面間に保持され易い。

これとともに、凹溝２７の縁部２７ａには、鉄基地２３により形成された摺動面２１から隆起するように、球状黒鉛２４の一部が露出しているので、摺動時に、斜板２の摺動面２１のうち、ピストンシュー１２に接触する部分には、球状黒鉛２４が存在することになり、球状黒鉛２４が固体潤滑剤して作用する。

このような結果、斜板２の摺動面２１の凹溝２７による潤滑油の保持効果と、球状黒鉛２４の固体潤滑剤としての効果とによって、ピストンシュー１２が銅合金などの軟質金属からなる場合であっても、斜板２の摺動面２１の耐焼き付き特性と耐摩耗性とを両立させることができる。

本実施形態では、半径方向に並ぶ凹溝２７、２７同士の中心間距離Ｌが、開口幅Ｗの２倍以上であるので、ピストンシュー１２との接触面積を確保することができるため、耐摩耗性を確保することができる。

なお、図２では、斜板２の摺動面２１に、摺動面２１の中心から同心円状の凹溝２７が複数形成されていたが、たとえば、図４に示すように、斜板２の摺動面２１に、螺旋状の凹溝２７が形成されていてもよい。

特に、図２に示すように、斜板２の摺動面２１に、摺動面２１の中心から同心円状の凹溝２７が複数形成されている場合には、実施形態に係る斜板２は、駆動手段としてのエンジンの駆動力により、ピストンシュー１２に対して相対的に摺動することが好ましい。

一方、図４に示すように、斜板２の摺動面２１に、摺動面２１の中心から螺旋状の凹溝２７が形成されている場合には、実施形態に係る斜板２は、駆動手段としてのエンジンの動力により、ピストンシュー１２に対して相対的に摺動することが好ましい。エンジンの駆動により、ピストンシュー１２の回転方向は一方向となるので、螺旋状の凹溝２７により斜板２の摺動面２１に安定して潤滑油を供給することができる。

３．斜板２の製造方法について
図５〜７を参照しながら、本実施形態に係る斜板２の製造方法を説明する。

まず、斜板２の基材２Ａとして、鉄基地２３に球状黒鉛２４が分散した球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）からなる基材を準備する。ここで、鉄基地２３は、フェライトからなるものであってもよく、球状黒鉛鋳鉄としては、ＦＣＤ３７０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０、ＦＣＤ５００（ＪＩＳ規格）等を挙げることができ、鉄基地１１により多くの黒鉛粒子を含むことができる。鉄基地２３は、パーライトからなるものであってもよく、球状黒鉛鋳鉄としては、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８５０（ＪＩＳ規格）等を挙げることができる。

次に、基材２Ａのうち、ピストンシュー１２との摺動面２１に、窒素が拡散した窒素拡散層２６を形成する。この際、まず、基材２Ａに対して窒化処理（窒化系熱処理）を施す。窒化処理は、特に限定されず、一般的な方法でよい。例えば、基材２Ａを熱処理炉内に投入し、基材２Ａを所定の温度に昇温した後に、熱処理炉内にアンモニアガスを単独又は浸窒処理に悪影響を与えないガス（例えば、窒素等）とともに導入することにより、窒素を浸透拡散させ、次に熱処理炉から基材２Ａを取り出し、急冷して焼き入れする。

これにより、図５Ａに示すように、基材２Ａの摺動面２１から順に、鉄窒素化合物層２６ａと窒素拡散層２６とが形成される。たとえば、鉄窒素化合物層２６ａの層厚さは１０〜３０μｍの範囲にあり、鉄窒素化合物層２５ａの層厚さは０．２〜０．５ｍｍの範囲にある。

ここで、鉄窒素化合物層２６ａは、Ｆｅ_４Ｎ、Ｆｅ_２−３Ｎ等の鉄窒素化合物で構成される硬質で脆性の高い層である。したがって、鉄窒素化合物は摺動時に粒子または小片として、基材２Ａから脱離し易く、脱離した粒子または小片により相手材であるピストンシュー１２を摩耗させることがある。

そこで、本実施形態では、ホーニング加工等の研摩手段を用いて、ピストンシュー１２との摺動面１２の最表面に、窒化処理により形成された鉄窒素化合物層２６ａを除去し、窒素が拡散した窒素拡散層２６を露出させる研摩加工が行われる。斜板２の摺動面２１から鉄窒素化合物層２６ａが除去されることにより、図５Ｂに示すように、斜板２の摺動面２１は、窒素拡散層２６と表面に露出した球状黒鉛２４とから形成される。なお、斜板２の摺動面２１は、平坦な平滑面となる。

次に、図５Ｃに示すように、斜板２の摺動面２１に対して、ローラ状の押圧工具５１で、押圧することにより、窒素拡散層２６を露出させた摺動面２１に、斜板２の周方向に沿って少なくとも１つの凹溝２７をバニシング加工により形成する。本実施形態では、摺動面２１の中心に対して、同心円状または螺旋状の凹溝（加工痕）２７をバニシング加工（転圧圧縮加工）により形成する。この凹溝２９の形成の際に、凹溝２７の縁部２７ａに、鉄基地２３により形成された摺動面２１から隆起するように、球状黒鉛２４の一部を露出させる。

ここで、凹溝２７の縁部２７ａが転圧圧縮加工によって形成される際、その周辺組織には塑性変形に伴う体積移動が起こる。このとき、平滑な摺動面２１と凹溝（加工痕）２７の凹断面形状との境界部である角部付近において体積移動が最も大きく、当該部位においては、摺動面２１上に露出していた球状黒鉛２４の一部が、摺動面２１の表層組織内より押し出され、摺動面２１に隆起突出する形となる。

図２および図４に示すように、転圧圧縮加工の加工軌跡を、摺動面２１の中心を加工中心とした同心円形状または螺旋状の凹溝２７の加工痕とすることで、凹溝２７が斜板２の上を回転摺動するピストンシュー２１の摺動軌道面上に配置されるため、両部品の摺動面間に十分な潤滑状態を確保することが可能となる。なお、螺旋状の凹溝２７とした場合には、押圧工具５１により、一筆書きの如く、連続して凹溝２７を形成できるため、効率的に凹溝２７を形成することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

２：斜板、１２：ピストンシュー、２１：摺動面、２３：鉄基地、２４：球状黒鉛、２６：窒素拡散層、２７：凹溝、２７ａ：縁部、５０：アキシャルピストン型液圧回転機（ポンプ）

Claims (5)

1. アキシャルピストン型液圧回転機のピストンシューに対して摺動する斜板であって、
   前記斜板は、鉄基地に球状黒鉛が分散した球状黒鉛鋳鉄からなり、前記ピストンシューとの摺動面には、窒素が拡散した窒素拡散層が形成されており、
   前記摺動面には、前記斜板の周方向に沿って少なくとも１つの凹溝が形成されており、
   前記凹溝の縁部には、前記鉄基地により形成された摺動面から隆起するように、球状黒鉛の一部が露出しているアキシャルピストン型液圧回転機の斜板。
2. 前記凹溝は複数あり、前記複数の凹溝は、同心円状に形成されている請求項１に記載のアキシャルピストン型液圧回転機の斜板。
3. 前記凹溝は、半径方向に並ぶ凹溝同士の中心間距離が開口幅の２倍以上である請求項２に記載のアキシャルピストン型液圧回転機の斜板。
4. 前記凹溝は、螺旋状に形成されている請求項１に記載のアキシャルピストン型液圧回転機の斜板。
5. アキシャルピストン型液圧回転機のピストンシューに対して摺動するアキシャルピストン型液圧回転機の斜板の製造方法であって、
   前記斜板の基材として、鉄基地に球状黒鉛が分散した球状黒鉛鋳鉄からなる基材に窒化処理を施す工程と、
   前記ピストンシューとの摺動面の最表面に前記窒化処理により形成された、鉄窒素化合物層を除去し、窒素が拡散した窒素拡散層を露出させる工程と、
   前記窒素拡散層を露出させた摺動面に、前記斜板の周方向に沿って少なくとも１つの凹溝をバニシング加工により形成し、前記凹溝の縁部に、前記鉄基地により形成された摺動面から隆起するように、球状黒鉛の一部を露出させる工程と、を含むアキシャルピストン型液圧回転機の斜板の製造方法。

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