JP3729867B2 - 内接歯車式ポンプ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、モータ等の駆動源により駆動されて液体又は気体を圧縮して吐出する回転ポンプに関し、特に液体ポンプに好適な内接歯車式ポンプに関する。
背景技術
内燃機関および自動モータによる車両伝動装置に使用される内歯車ポンプのほとんどはトロコイド歯のものが用いられる。トロコイド歯とは、アウターギアとインナーギアのどちらか一方の歯面が円弧状に制限され、もう一方のギアの歯面が、円弧により規定された一方のギアの歯のノンスリップ回転により規定されるものをいう。
本発明が改良する内接歯車式ポンプは、内燃機関および自動伝動装置において、液体又は気体を送出するために、サイクロイド歯形を具体的に使用するものであり、例えば、１９２５年の英国特許第２３３４２３号公報や、独立特許第３９３８３４６号公報に記載されている。上記独国特許によるポンプは、互に歯数の異なるアウターギア（アウターロータ）とインナーギア（インナーロータ）とを有する内接歯車ポンプにおいて、完全なサイクロイド歯形を有する歯および歯溝の優れた運動学的特性を用いている。
上記アウターギアの歯は、エンジンのクランクシャフトまたは自動ギアボックスの主シャフト（主軸）により駆動されるインナーギアの歯に噛合している。この内接歯車式ポンプでは、駆動軸であるクランクシャフト等の比較的明白な半径方向の動きは、アウターギアの周面とハウジングとの間のクリアランスを適当に設定する（アウターギアの径方向振れを許容する遊びをつける）ことによって補償される。また、その補償は、アウターギアをほとんど遊びなしで取り付け、その後、インナーギアの軸受とインナーギアとの間に相応の大きな遊びを設けることによっても可能である。この場合には、その後、インナーギアの歯をアウターギアの歯と噛合させる。このようなポンプは、本発明の技術の好適な適用対象となる。
図４は、特開平５−２５６２６８号公報で提案されている平坦化されたサイクロイド歯形のモデル図を表している。
特開平５−２５６２６８号は、周知のポンプに見られる送出流脈動に起因する雑音の発生、ポンプの効率低下及びキャビティーション雑音を低減する目的で各ギアのサイクロイド歯形を平坦化してアウターギアとインナーギアが最も深く噛合する位置での歯間隙間を縮小している。図４のｆｈは、ギアのピッチ円Ｐ上の点ｚ０を起点として生成円ｒｅがピッチ円上を転動し、その生成円ｒｅの円周上の一点の軌跡によって画かれる本来のエピサイクロイド、ｆｒは、ピッチ円Ｐ上の点ｚ０を起点として生成円ｒｈがピッチ円上を転動し、その生成円ｒｈの円周上の一点の軌跡によって画かれる本来のハイポサイクロイド、ｆｈ３、ｒｈ３は平坦化後のエピサイクロイドとハイポサイクロイドである。
作動流体の圧力脈動、即ち、送出流脈動が発生すると、アウターギアとインナーギアに起振力が働き、両ギアの歯が半径方向および接線方向に互いに打ち合って望ましくない雑音が発生する。
特開平５−２５６２６８号は、その雑音を抑制しようとしているが、同公報の技術によると、アウターギアとインナーギアが最も深く噛み合う点における各ギアの歯間隙間は非常に小さく、両ギアの噛み合いが最も浅くなる領域において各ギア間の歯間隙間は大きく形成され、隙間が不均一なものになっている。これは、送出流脈動が発生すると、アウターギアとインナーギアが最も深く噛み合う位置で両ギアの歯が互いに打ち合うことを意味し、雑音の抑制効果が充分に引き出されない。
さらに、歯形の一部に尖点（図４のＺ１、Ｚ２）を生じるために、ヘルツ応力に代表される面圧の増大、尖点のチツピングが発生し、歯面摩耗も促進される。
なお、上記の現象の発生原因は、送出流脈動のみではない。通常の内接歯車式ポンプは、インナーギアに嵌合している駆動軸の振れによっても雑音、摩耗が引き起こされる。駆動軸の振れはそのままインナーギアに伝達されるため、インナーギアに起振力が発生しているのと同義であり、隙間の不均一性によってインナーギアとアウターギアの歯が互いに打ち合う。
さらに、ポンピングチャンバ内における液泡、気泡の破懐により発生するキャビテーションによる送出流脈動の顕著な増大は、歯の打ち合いが起こり易い構造の場合、その打ち合いを助長し、雑音、歯面摩耗を一層促進させる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、雑音発生を減少させ、更には機械効率および寿命の向上が図れる内接歯車式ポンプを提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の歯車ポンプは、液体又は気体圧送用のポンプに使用される内接歯車式ポンプであって、下記の構成を採用したところに特徴を有している。即ち、
アウターギアと該アウターギアに内接して噛み合うインナーギアとこれ等のギアを収納するハウジングを具備し、アウターギアの歯溝とこれと対向するインナーギアの歯先はエピサイクロイド形状を有し、アウターギアの歯先とこれと対向するインナーギアの歯溝はハイポサイクロイド形状を有する内接歯車式ポンプにおいて、
アウターギアのエピサイクロイド形状（ｆｈ１）はピッチ円上を転がる第１の生成円（ｒｅｌ）の円周上の一点の軌跡で形成され、インナーギアのエピサイクロイド形状（ｆｈ２）はピッチ円上を転がる第２の生成円（ｒｅ２）の円周上の一点の軌跡で形成され、アウターギアのハイポサイクロイド形状（ｆｒ１）はピッチ円上を転がる第３の生成円（ｒｈ１）の円周上の一点の軌跡で形成され、インナーギアのハイポサイクロイド形状（ｆｒ２）はピッチ円上を転がる第４の生成円（ｒｈ２）の円周上の一点の軌跡で形成され、生成円（ｒｅ１、ｒｅ２、ｒｈ１、ｒｈ２）の各半径は各々異なり、アウターギアの歯先とこれと対向するインナーギアの歯溝間の隙間が、第３、第４の生成円（ｒｈ１、ｒｈ２）の直径差に略等しく、アウターギアの歯溝とこれと対向するインナーギアの歯先間の隙間が、第１、第２の生成円の（ｒｅ１、ｒｅ２）の直径差に略等しく、アウターギアとインナーギアがもっとも深く噛み合う点におけるアウターギアとインナーギア間の隙間と、アウターギアとインナーギアの噛み合いがもっとも浅くなる領域でのアウターギアとインナーギアの歯先間の隙間とが略等しくなる構成にして上記の目的を達成するものである。
本発明によれば、アウターギアとインナーギアがもっとも深く噛み合う点における歯間の隙間と、アウターギアとインナーギアの噛み合いがもっとも浅くなる領域での歯間の隙間とが略等しくなるようにしたので、圧縮効率および寿命の向上、ひいては雑音の低減、歯面摩耗の低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のポンプのインナーギアとアウターギアの噛み合い軌跡を示す説明図。
図２は、本発明の内接歯車式ポンプのインナーギアとアウターギアの噛合状態を示す正面図。
図３は、本発明の内接歯車式ポンプをハウジングの蓋を外した状態にして示す正面図。
図４は、平坦化されたサイクロイド歯形のモデル図。
発明を実施するための最良の形態
図１に本発明の好ましい実施の形態を示す。ｆｈ１、ｆｒ１は図２に示すアウターギア１の歯溝３、歯先４の形状を規定するエピサイクロイド、ハイポサイクロイドを示す。ｆｈ１は、ピッチ円Ｐ上の点ｚ０を起点として生成円ｒｅ１がピッチ円上を転動し、その生成円の円周上の一点の軌跡として形成される。ｆｒ１は同じく、ピッチ円上の点ｚ０を起点として生成円ｒｈ１がピッチ円上を転動し、その生成円の円周上の一点の軌跡として形成される。
ｆｈ２、ｆｒ２は図２に示すインナーギア２の歯先６、歯溝５の形状を規定するエピサイクロイド、ハイポサイクロイドを示す。ｆｈ２は、ピッチ円Ｐ上の点ｚ０’を起点として生成円ｒｅ２がピッチ円上を転動し、その生成円の円周上の一点の軌跡として形成される。ｆｒ２は同じく、ピッチ円上の点ｚ０’を起点として生成円ｒｈ２がピッチ円上を転動し、その生成円の円周上の一点の軌跡として形成される。
尚、ピッチ円Ｐは図２のアウターギア１とインナーギア２のそれぞれのピッチ円を意味するが、図１においては便宜上同一のピッチ円として表示してある。アウターギア１とインナーギア２間の隙間ＣＲは、生成円ｒｅ１、ｒｅ２、ｒｈ１、ｒｈ２直径の差によって生じるので、アウターギア１とこれと対向するインナーギア２間には両者がもっとも深く噛み合う領域では略等しい隙間が生じることになる。
本発明の内接歯車式ポンプは、図３に示されるように、アウターギア１とアウターギアよりも歯数の少ないインナーギア２がハウジング１０内に設けられ（ハウジングの蓋は図示せず）、インナーギア２がアウターギア１の回転中心より偏心した位置に回転中心をもつように配置され、そのインナーギア２と同軸に配される駆動シャフト（図示せず）により回転駆動される構造を有する。ハウジング１０は、通常のポンプと同じく吸引口７、吐出口８を有している。インナーギア２とアウターギア１間には両ギアの回転により容積変化を生じるチャンバ（ポンピングチャンバ）９が作り出され、そのチャンバ９が吸引口７と連通している位置でチャンバ９内に液体または気体が吸入され、その液体又は気体が圧縮工程に移ったチャンバ内で圧縮されて吐出口８から送り出される。
通常、回転ポンプを使用すると、製造誤差等により駆動軸に振れが発生する。駆動軸の振れはそのままインナーギア２に伝達され、インナーギア２の歯面と噛み合うことによりアウターギア１に伝達される。これにより、駆動軸の振れは理論上の両歯車の噛み合いからのズレを生じさせ、両歯車に予期せぬ歯の摩耗が発生するとともに、両歯車の歯同志が当たることで雑音を生じさせる。さらに、アウターギア１とハウジング１０とが機械的に押しつけられ、最悪の場合はギアの破損という事態になる。
この結果、従来技術においては、歯間隙間の不均一性によって生じる上記の不具合を無くすために、駆動軸の振れを厳密な製造を行って小さく抑えるか、もしくはアウターギア１とハウジング１０間の隙間を大きなものにする必要があった。
しかしながら、アウターギア１とハウジング１０間の隙間を大きくする行為は、ポンプの吐出量を低下させる行為に他ならない。何故ならば、ギアの回転によるチャンバ９の容積縮小により圧縮された流体がその隙間を通って高圧部分から低圧部分に逆流するためである。
本発明は、アウターギア１とインナーギア２がもっとも深く噛み合う点（最深噛合部）における各ギア歯間の隙間と、アウターギア１とインナーギア２の噛み合いがもっとも浅くなる領域での各ギア歯間の隙間とが略等しくなる構成にして歯間隙間の不均一性を解消する。
いうまでもなく、歯間隙間の均一性は４個の生成円の直径に適宜差を設けて達成される。
その結果、歯形形状の連続性を損なうことなく、言い換えれば歯形形状の一部に尖点を生じることなく滑らかな歯形を実現して尖点を起点とする歯面摩耗の発生を押さえることができる。
ところで、本発明ではインナーギア２の歯数、アウターギア１の歯数、エピサイクロイドを生成する生成円の直径とハイポサイクロイドを生成する生成円の直径およびその比には何等拘束されず、歯間隙間の均一性と歯形形状の連続性が保証される。また、歯間隙間の量（大きさ）もポンプの必要吐出量に応じて選択されるべきものである。
図２に本発明の内接歯車式ポンプの歯車の噛合状態を示す。図２（ａ）は、インナーギア２の歯先６とアウターギア１の歯溝３の最深噛合状態を示し、図２（ｂ）は、インナーギア２の歯溝５とアウターギア１の歯先４の最深噛合状態を示す。
１はアウターギア、２はインナーギア、３、４はアウターギア１の歯溝、歯先を示す。５、６はインナーギア２の歯溝、歯先を示す。また、Ｃ₁は、アウターギア１とインナーギア２の最深噛合部における歯先と歯溝間の隙間、Ｃ₂は、噛み合いがもっとも浅くなる領域（最深噛合部の反対領域）におけるアウターギア１とインナーギア２の歯先間の隙間を示す。Ｃ₃は、アウターギア１とインナーギア２の軸心の偏心量を示す。
次に、本発明のポンプにおけるインナーギア、アウターギアの代表的な寸法諸元を示す。
インナーギア歯数：１０枚
インナーギアピッチ円径：φ６４．００ｍｍ
インナーギアエピサイクロイド生成円径：φ２．５０ｍｍ
インナーギアハイポサイクロイド生成円径：φ３．９０ｍｍ
アウターギア歯数：１１枚
アウターギアピッチ円径：φ７０．４０ｍｍ
アウターギアエピサイクロイド生成円径：φ２．５６ｍｍ
アウターギアハイポサイクロイド生成円径：φ３．８４ｍｍ
インナーギアとアウターギアの軸心の偏心量：３．２０ｍｍ
上記諸元にて歯形を作成しその隙間を測定すると、アウターギア１とインナーギア２がもっとも深く噛み合う点における歯間の隙間（図２（ａ）もしくは図２（ｂ）のＣ₁）は略０．０６ｍｍとなり、アウターギア１とインナーギア２の噛み合いがもっとも浅くなる領域での歯間の隙間（図２（ａ）もしくは図２（ｂ）のＣ₂）は前者とほぼ等しく略０．０６ｍｍになる。
また、歯形形状の一部を拡大すると、エピサイクロイドの開始点もしくは終了点と、ハイポサイクロイドの開始点もしくは終了点は尖点を生じることなく連続性を確保しているのが判る。
図３に、図１、図２の内接歯車をハウジング１０に収納した状態を示す。７は吸引口、８は排出口、９はチャンバ、１０はハウジングである。ハウジング１０には、歯車収納室を封止する蓋（図示せず）が取付けられる。
なお、試作品による試験結果から、本発明の構造を有する内接歯車式ポンプは、従来技術の同種のポンプに比較して寿命、機械効率ともに飛躍的に向上することがわかった。

Claims (1)

1. アウターギアと当該アウターギアに内接して噛み合うインナーギアと、これ等のギアを収納するハウジングを具備し、アウターギアの歯溝とこれと対向するインナーギアの歯先はエピサイクロイド形状を有し、アウターギアの歯先とこれと対向するインナーギアの歯溝はハイポサイクロイド形状を有する内接歯車式ポンプにおいて、
   アウターギアのエピサイクロイド形状はアウターギアのピッチ円上を転がる第１の生成円の円周上の一点の軌跡で形成され、インナーギアのエピサイクロイド形状はインナーギアのピッチ円上を転がる第２の生成円の円周上の一点の軌跡で形成され、アウターギアのハイポサイクロイド形状はアウターギアのピッチ円上を転がる第３の生成円の円周上の一点の軌跡で形成され、インナーギアのハイポサイクロイド形状はインナーギアのピッチ円上を転がる第４の生成円の円周上の一点の軌跡で形成され、生成円の各半径は各々異なり、アウターギアの歯先とこれと対向するインナーギアの歯溝間の隙間が、第３、第４の生成円の直径差に略等しく、アウターギアの歯溝とこれと対向するインナーギアの歯先間の隙間が、第１、第２の生成円の直径差に略等しく、アウターギアとインナーギアがもっとも深く噛み合う点におけるアウターギアとインナーギア間の隙間と、アウターギアとインナーギアの噛み合いがもっとも浅くなる領域でのアウターギアとインナーギアの歯先間の隙間とが略等しく、
   前記アウターギアとハウジング間の径方向の隙間を、各ギア歯間の隙間を略等しくすることで歯間隙間が不均一なものより小さく、その隙間からの流体漏れによるポンプの吐出量低下が抑制される大きさにしたことを特徴とする内接歯車式ポンプ。

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