JP4047790B2

JP4047790B2 - 斜板形液圧装置のシュー

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Publication number: JP4047790B2
Application number: JP2003361875A
Authority: JP
Inventors: 信治西田; 正貴大西; 英夫丸居
Original assignee: Kawasaki Precision Machinery KK
Current assignee: Kawasaki Precision Machinery KK
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: JP2005127181A

Description

本発明は、たとえば液圧ポンプおよび液圧モータなどの斜板形液圧装置のシューに関する。

図６は、従来技術である斜板形液圧装置１を簡略化して示す断面図である。液圧装置１は、ケーシング２に軸線Ｌ１まわりに回転自在に支持されるシリンダブロック３のピストン室４に伸縮自在に嵌まり込んでいるピストン５の軸線方向一端部５ａが、シリンダブロック３の回転軸線Ｌ１に垂直な仮想平面から傾斜する支持面６ａが形成される斜板６に向けて押圧されている。ピストン５は、シリンダブロック３から突出する側に球状の軸線方向一端部５ａが形成され、前記軸線方向一端部５ａがシュー７に角変位自在に嵌合される。またピストン５には、軸線方向に貫通するピストン貫通孔５ｂが形成される。シュー７は、斜板６の支持面６ａに摺動自在に支持される状態で、支持面６ａに沿って変位する。したがってピストン室４への作動流体の供給およびピストン室４からの作動流体の排出を制御することによって、シリンダブロック３が回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動される。斜板６は、予め定める傾転軸線まわりに傾転自在にケーシング２に支持され、この斜板６を小傾転位置および大傾転位置に切換えて、高速運転（小容量）および低速運転（大容量）に切換えることができる。

図７は、従来の斜板形液圧装置１のシュー７を拡大して示す断面図である。シュー６は、その軸線方向一端部に軸線Ｌ２に垂直な摺接面８が形成されるフランジ部９を有する。またシュー７には、軸線方向他端部で開口する嵌合凹所１０が形成される。シュー７の嵌合凹所１０に臨む内表面１１は、球面状に形成され、前記嵌合凹所１０にピストン５の軸線方向一端部５ａを嵌合させて、シュー７は、嵌合内表面１１の曲率中心Ｑを角変位中心Ｑとして、直交３軸まわりに単独および組合せて角変位自在に、ピストン５に連結される。

さらにシュー７には、軸線方向に貫通するシュー貫通孔１２が形成される。シュー貫通孔１２の軸線方向一端部１２ａは、軸線方向他端部１２ｂから軸線方向一端部１２ａに向かうにつれて直線的に傾斜して拡径するように形成される。またシュー貫通孔１２の軸線方向他端部１２ｂは、軸線方向一端部１２ａから軸線方向他端部１２ｂに向かうにつれて直線的に傾斜して拡径するように形成される。シュー貫通孔１２の軸線方向他端部１２ｂは、軸線方向一端部１２ａよりも大きく拡径する。さらにシュー貫通孔１２の軸線方向中央部１２ｃは、内径が一定になるように形成される。

斜板形液圧装置１において、シリンダブロック３のピストン室４に供給された作動流体は、ピストン５のピストン貫通孔５ｂおよびシュー７のシュー貫通孔１２の順に流下して、シュー７の摺接面８と斜板６の支持面６ａとの間に供給される（たとえば特許文献１参照）。

特開昭４９−５２３０４号公報

図８は、ピストン５の軸線方向一端部５ａが嵌合凹所１０に嵌合されている状態の、シュー７のシュー貫通孔１２付近を拡大して示す断面図である。ピストン室４に高圧の作動流体が流入すると、ピストン５が斜板６に向かって変位するので、シュー７の嵌合凹所１０に嵌合されているピストン５の軸線方向一端部５ａは、嵌合凹所１０に臨む内表面１１を高い圧力で押圧する。このときシュー７は、ピストン５の軸線方向一端部５ａから、矢符ｆ０に示すような、内表面１１の曲率中心Ｑを中心とする半径方向外方に向かう圧力を受ける。

またピストン５のピストン貫通孔５ｂを介してシュー７のシュー貫通孔１２に作動流体が流入する。このときシュー貫通孔１２の軸線方向他端部１２ｂは、シュー貫通孔１２に流入した作動流体から、矢符ｆ１に示すような、軸線方向他端部１２ｂから軸線方向一端部１２ａに向かうにつれて軸線Ｌ２を中心とする半径方向外方に傾斜する向きの圧力を受ける。またシュー７のシュー貫通孔１２の軸線方向中央部１２ｃは、シュー貫通孔１２に流入した作動流体から、矢符ｆ２に示すような、軸線Ｌ２を中心とする半径方向外方に向かう圧力を受ける。さらにシュー７のシュー貫通孔１２の軸線方向一端部１２ａは、シュー貫通孔１２に流入した作動流体から、矢符ｆ３に示すような、軸線方向一端部１２ａから軸線方向他端部１２ｂに向かうにつれて軸線Ｌ２を中心とする半径方向外方に傾斜する向きの圧力を受ける。またシュー７の摺接面８は、シュー７の摺接面８と斜板６の支持面６ａとの間に供給された流体から、矢符ｆ４に示すような、軸線方向一端部１２ａから軸線方向他端部１２ｂに向かう圧力を受ける。

図９は、従来の斜板形液圧装置１のシュー６のシュー貫通孔１２付近の有限要素法による応力解析結果を示す図である。図９は、シュー６の軸線Ｌ２を通る仮想平面で切断した一方の部分だけを示している。また図９において、応力が大きい箇所は、白色で表される。図８も併せて参照する。前述のようにシュー７のシュー貫通孔１２は、作動流体から、図８の矢符ｆａに示すような、軸線Ｌ２を中心とする半径方向外方に向かう圧力、換言すれば、シュー貫通孔１２を広げようとする圧力を受けるので、シュー貫通孔１２の内周部の周方向の応力が高くなる。

特に、図８および図９のセクションＴ１に示す、シュー貫通孔１２の軸線方向他端部１２ｂと軸線方向中央部１２ｃとの連通部、ならびに図８および図９のセクションＴ２に示す、シュー貫通孔１２の軸線方向一端部１２ａと軸線方向中央部１２ｃとの連通部には、周方向の応力が集中する。さらに図８および図９のセクションＴ１に示す、シュー貫通孔１２の軸線方向他端部１２ｂと軸線方向中央部１２ｃとの連通部には、ピストン５の軸線方向一端部５ａからの嵌合内表面１１の曲率中心Ｑを中心とする半径方向外方に向かう圧力のうち、軸線Ｌ２を中心とする半径方向外方成分が働くので、極めて大きな周方向の応力が集中する。

このように図８および図９のセクションＴ１，Ｔ２のような周方向の応力が集中する部分は、内径が小さく加工が困難な箇所であり、加工することによって、これらの内周部には、塑性流動およびむしれなどの欠陥が生じやすい。その結果、セクションＴ１，Ｔ２に示す部分には、さらに大きな応力の集中が生じてしまい、シュー７の疲労寿命を低下させてしまう原因の１つとなっている。

したがって本発明の目的は、シュー貫通孔に働く周方向の応力が集中することを可及的に防止して、シューの寿命を長くすることができる斜板形液圧装置のシューを提供することである。

本発明は、回転自在に設けられ、ピストン室が形成されるシリンダブロックと、シリンダブロックのピストン室に伸縮自在に嵌まり込み、軸線方向に貫通するピストン貫通孔が形成されるピストンと、シリンダブロックの回転軸線に垂直な仮想平面から傾斜する支持面が形成される斜板と、ピストンの軸線方向一端部が角変位自在に嵌合され、斜板の支持面に摺動自在に支持されるシューとを含む斜板形液圧装置のシューであって、
軸線方向に貫通するシュー貫通孔が形成され、前記シュー貫通孔が形成される貫通孔形成部の軸線方向両端部の周囲に、軸線方向に凹む凹所が形成されることを特徴とする斜板形液圧装置のシューである。

また本発明は、前記凹所は、全周にわたって環状に形成されることを特徴とする。
また本発明は、前記凹所に臨む内表面は、曲面状に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、軸線方向に貫通するシュー貫通孔が形成され、前記シュー貫通孔が形成される貫通孔形成部の軸線方向両端部の周囲に、軸線方向に凹む凹所が形成される。ピストン室に作動流体が流入すると、前記作動流体は、ピストンのピストン貫通孔を介して、シューのシュー貫通孔に流入する。シュー貫通孔は、このようにシュー貫通孔に流入した作動流体から、半径方向外方に向かう圧力を受ける。このときシューの貫通孔形成部は、前記貫通孔形成部の軸線方向両端部の周囲に形成される凹所に流入した作動流体から、半径方向内方に向かう圧力を受ける。これによって貫通孔形成部において、周方向に圧縮応力が発生して、シュー貫通孔を拡径しようとするシュー貫通孔に流入した流体から受ける半径方向外方に向かう圧力による周方向の応力が、前記圧縮応力によって低減されて、貫通孔形成部の両端部において周方向の応力が集中することを可及的に防止することができる。これによって貫通孔形成部の両端部における応力集中による疲労破壊を防止して、シューの寿命を長くすることができる。

また本発明によれば、前記凹所は、全周にわたって環状に形成されるので、貫通孔形成部の両端部において、周方向に圧縮応力が発生して、シュー貫通孔を拡径しようとするシュー貫通孔に流入した流体から受ける半径方向外方に向かう圧力による周方向の応力が、前記圧縮応力によって周方向全周にわたって低減されて、貫通孔形成部の両端部において応力が集中することを可及的に確実に防止することができる。

また本発明によれば、前記凹所に臨む内表面は、曲面状に形成されるので、内表面において、凹所に流入した作動流体からの圧力によって発生する応力が、１箇所に集中してしまうことを確実に防止することができる。

図１は、本発明の実施の一形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１を示す断面図である。図２は、シュー２１を備える斜板形液圧装置２０を簡略化して示す断面図である。斜板形液圧装置２０は、たとえば作動油などの作動流体の力を回転力に変換して出力する斜板形液圧モータであって、たとえば産業機械および建設機械などに設けられ、これら機械を駆動するために用いられる。斜板形液圧装置２０は、基本的に、複数のシュー２１と、シリンダブロック２２と、複数のピストン２３と、斜板２４とを含み、これらは斜板形液圧装置２０が備えるケーシング２５に収納されている。斜板形液圧装置２０は、さらに回転軸２６を含み、この回転軸２６は、軸線方向一端部がケーシング２５から部分的に突出した状態で、図示しない複数のベアリングを介してケーシング２５に、その軸線と一致する回転軸線Ｌ２６まわりに回転自在に支持されている。

シリンダブロック２２は、回転軸２６に同軸に挿通され、たとえばスプラインによって相互の回転が阻止された状態で回転軸２６に設けられ、回転軸２６を介してケーシング２５に、回転軸線Ｌ２６まわりに回転自在に支持される。またシリンダブロック２２には、複数のピストン室２７が、周方向に等しい間隔をあけて形成され、さらに各ピストン室２７に個別に連なるシリンダポート２８が、周方向に等しい間隔をあけて形成される。各ピストン室２７は、回転軸線Ｌ２６と平行な軸線を有し、シリンダブロック２２の軸線方向一端部で開口する。各シリンダポート２８は、シリンダブロック２２の軸線方向他端部で開口する。

斜板形液圧装置２０は、ケーシング２５内でケーシング２５に固定される弁板２９をさらに備えている。弁板２９には、供給ポート３０が形成され、ケーシング２５に形成される図示しない供給通路を介して供給源に接続される。供給源は、たとえばポンプで実現されてもよい。また弁板２９には、図示しない排出ポートが形成され、ケーシング２６に形成される図示しない排出通路を介して排出場所に接続される。排出場所は、たとえばタンクで実現されてもよい。シリンダブロック２２は、相互間のシールを達成して、軸線方向他端部が弁板２９に摺動自在に当接する状態で設けられ、シリンダブロック２２の角度位置に応じて、各シリンダポート２８が、供給ポート３０および排出ポートのいずれか一方に接続される。

各ピストン２３は、大略的に円柱状であり、シリンダブロック２２の各ピストン室２７に、相互間のシールを達成した状態で部分的にそれぞれ嵌まり込んで収納され、液圧室３１を形成する。また各ピストン２３は、軸線に沿った伸長方向および縮退方向に変位自在に設けられ、このピストン２３の変位によって、各液圧室３１の容積がそれぞれ変化する。また各ピストン２３のピストン室２７から突出する側の軸線方向一端部３２は、外表面が球面状に形成されている。また各ピストン２３には、軸線方向に貫通するピストン貫通孔３３が形成される。ピストン貫通孔３３の軸線方向一端部３３ａ（図３参照）は、軸線方向他端部から軸線方向一端部に向かうにつれて拡径するように形成される。

各シュー２１は、略円柱状に形成され、その軸線方向一端部に軸線Ｌ２１に垂直な摺接面３４が形成されるフランジ部３５を有するとともに、軸線方向他端部で開口する嵌合凹所３６が形成される。各シュー２１の嵌合凹所３６に臨む内表面３７は、球面状に形成され、この嵌合凹所３６にピストン２３の軸線方向一端部３２を嵌合させて、各シュー２１は、前記内表面３７の球面中心Ｃを角変位中心Ｃとして、直交３軸まわりに単独および組合せて角変位自在に、ピストン２３に連結される。

斜板２４は、シリンダブロック２２の軸線方向一端部側に設けられ、回転軸線Ｌ２６に垂直な仮想平面から傾斜し、各ピストン２３の軸線方向一端部３２を支持するための支持面３８を有する。本実施の形態では支持面３８は、各ピストン２３の軸線方向一端部３２を間接的に支持する構成であって、各シュー２１の摺接面３３を受けて摺動自在に支持する平坦な面である。斜板２４は、予め定める傾転軸線まわりに傾転自在に、ケーシング２５に支持される。傾転軸線は、回転軸線Ｌ２６に交差、本実施の形態では直交する。斜板２４は、支持面３８が回転軸線Ｌ２６に垂直な平面に対して成す角度が小さい小傾転位置（図示せず）と、支持面３８が回転軸線Ｌ２６に垂直な平面に対して成す角度が大きい図２に示す大傾転位置とにわたって、傾転可能である。斜板２４は、斜板形液圧装置２０が備える図示しない駆動機構によって、傾転軸線まわりに傾転駆動される。

斜板形液圧装置２０は、リテーナガイド３９および押さえ部材４０を、さらに含む。リテーナガイド３９は、回転軸２６が同軸に挿通され、ガイド本体とばね受部とを有し、ガイド本体は、たとえばスプラインによって相互の回転が阻止された状態で、回転軸２６に設けられ、ばね受部は、軸線方向一端部がガイド本体に当接するように設けられる。ガイド本体は、回転軸線Ｌ２６上の一点を中心とする球状の案内面を有する。

押さえ部材４０は、リテーナガイド３９の案内面で支持される状態で、案内面を含む球の中心を角変位中心として、直交３軸まわりに単独および組合わせて角変位自在に設けられる。押さえ部材４０は、周方向に等しい間隔をあけて嵌合孔が形成されており、これら各嵌合孔に各シュー２１が緩やかに嵌まり込んだ状態で、嵌合孔に臨む周縁部でシュー２１のフランジ部３５を係止して、各シュー２１を斜板２４の支持面３８に向けて押圧する。この状態で、各シュー２１は、斜板２４の支持面３８に沿う方向には、押さえ部材４０に対して変位が許容されている。

また斜板形液圧装置２０は、シリンダブロック２２に、周方向に間隔をあけて、たとえば圧縮コイルばねで実現されるばね部材４１が保持され、その一端部がリテーナガイド３９のばね受部３９ａに支持されている。このばね部材４１のばね力がリテーナガイド３９に伝達され、これによってリテーナガイド３９が、押さえ部材４０を前述のように案内および支持した状態で、押さえ部材４０を斜板２４に向けて押圧し、押さえ部材４０が各シュー２１を斜板２４に押付け、各シュー２１が斜板２４から浮き上がることが防止される。

このような斜板形液圧装置２０に、供給源から作動流体が供給されると、供給源に接続されるシリンダポート２８からピストン室２７に作動流体が供給され、そのピストン室２７に嵌まり込んでいるピストン２３が伸長され、これに伴ってシリンダブロック２２が回転駆動され、同方向に回転軸２６が回転される。この回転軸２６の回転をたとえば一端部から出力して、他の機械などを一方向に駆動することができる。

斜板形液圧装置２０は、２段階可変容量形のモータであり、斜板２４を傾転させることによって、斜板形液圧装置２０の容量を変更することができる。斜板形液圧装置２０では、斜板２４が小傾転位置にある小容量状態と、斜板２４が大傾転位置にある大容量位置とに、選択的に切換えて用いられる。

再び図１を参照して、シュー２１には、詳細に述べると、軸線方向に貫通するシュー貫通孔４２が形成される。シュー貫通孔４２の軸線方向中央部は、軸線Ｌ２１を軸線とする内径がＤ１の円筒内周面状に形成される。前記シュー貫通孔４２が形成される貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４の周囲に、軸線方向一端部４４から軸線方向他端部４５に向かう軸線方向一方向Ｅ１に凹む第１凹所４６が形成される。また前記貫通孔形成部４３の軸線方向他端部４５の周囲に、前記軸線方向一方向Ｅ１とは逆向きの軸線方向他方向Ｅ２に凹む第２凹所４７が形成される。第２凹所４７は、嵌合凹所３６よりも軸線方向他方向Ｅ２側に配置される。

第１および第２凹所４６，４７は、詳細に述べると、全周にわたって環状に形成される。また第１凹所４６に臨む内表面４８は、詳細に述べると、曲面状に形成され、摺接面３４に滑らかに連通する。第２凹所４７に臨む内表面４９は、詳細に述べると、曲面状に形成され、嵌合凹所３６に臨む内表面３７に滑らかに連通する。

貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４は、フランジ部３５において、摺接面３４よりも、軸線方向一方向Ｅ１側に配置される。貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４の端面５０は、軸線Ｌ２１に垂直な平面状に形成される。貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４の端面５０は、詳細に述べると、軸線Ｌ２１を中心とする環状に形成され、その外径Ｄ２は、たとえばシュー貫通孔４２の軸線方向中央部の内径Ｄ１の１．５倍以上、４倍以下に設定されてもよい。

貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４は、フランジ部３５の摺接面３４が斜板２４の支持面３８に摺動自在に支持される状態で、斜板２４の支持面３８とは間隔があくように、摺接面３４よりも軸線方向一方Ｅ１側に配置される。これによってフランジ部３５の摺接面３４が斜板２４の支持面３８に沿って摺動しても、斜板２４の支持面３８と貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４とが当接することがない。

貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４の端面５０は、第１凹所４６に臨む内表面４８に滑らかに連通し、その連通部分の接線と軸線Ｌ２１との成す角度θ１は、たとえば４０度以上、７０度以下に設定されてもよい。貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４の端面５０と、第１凹所４６に臨む内表面４８の最も軸線方向一方向Ｅ１側の部分との軸線方向の間隔Ａ１は、たとえばシュー貫通孔４２の軸線方向中央部の内径Ｄ１の０．５倍以上、３倍以下に設定されてもよい。シュー貫通孔４２の軸線方向一端部５１は、軸線方向他方向Ｅ２に向かうにつれて直線的に傾斜して拡径するように形成される。

貫通孔形成部４３の軸線方向他端部４５は、嵌合凹所３６よりも軸線方向他方向Ｅ２側であって、嵌合凹所３６に嵌合されるピストン２３の軸線方向一端部３２とは間隔があくように配置される。これによってピストン２３の軸線方向一端部３２がシュー２１に対して角変位中心Ｃまわりに角変位しても、ピストン２３の軸線方向一端部３２と貫通孔形成部４３の軸線方向他端部４５とが当接することがない（図３参照）。したがって角変位中心Ｃと貫通孔形成部４３の軸線方向他端部４５の端面５２との軸線方向の間隔は、少なくとも嵌合凹所３６に臨む内表面３７の角変位中心Ｃを中心とする曲率半径よりも充分に大きく設定される。

貫通孔形成部４３の軸線方向他端部４５の端面５２は、軸線Ｌ２１に垂直な平面状に形成される。貫通孔形成部４３の軸線方向他端部４５の端面５２は、詳細に述べると、軸線Ｌ２１を中心とする環状に形成され、その外径Ｄ３は、たとえばシュー貫通孔４２の軸線方向中央部の内径Ｄ１の１．５倍以上、４倍以下に設定されてもよい。貫通孔形成部４３の軸線方向他端部４５の端面５２は、第２凹所４７に臨む内表面４９に滑らかに連通し、その連通部分の接線と軸線Ｌ２１との成す角度θ２は、たとえば４０度以上、７０度以下に設定されてもよい。貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４５の端面５２と、第２凹所４７に臨む内表面４９の最も軸線方向Ｅ２側の部分との軸線方向の間隔Ａ２は、たとえばシュー貫通孔４２の軸線方向中央部の内径Ｄ１の０．５倍以上、３倍以下に設定されてもよい。

シュー貫通孔４２の軸線方向一端部５１は、軸線方向他方向Ｅ２に向かうにつれて拡径するように形成される。これによってシュー貫通孔４２を軸線方向他方向Ｅ２に通過する高圧の作動流体がシュー貫通孔４２の軸線方向一端部５１から第１凹所４６に噴出するときに、作動流体の流れの方向が急変することを防止して、作動流体の流れの方向が急変することによるシュー貫通孔４２の軸線方向一端部５１の壊食の発生を防止することができる。

図３は、ピストン２３の軸線方向一端部３２が嵌合凹所３６に嵌合されている状態の、シュー２１のシュー貫通孔４２付近を拡大して示す断面図である。ピストン室２７に高圧の作動流体が流入すると、ピストン２３が斜板２４に向かって変位するので、シュー２１の嵌合凹所３６に嵌合されているピストン２３の軸線方向一端部３２は、シュー２１の嵌合凹所３６に臨む内表面３７を高い圧力で押圧する。このときシュー２１は、ピストン２３の軸線方向一端部３２から、矢符Ｆ０に示すような、前記内表面３７の曲率中心Ｃを中心とする半径方向外方に向かう圧力を受ける。

第２凹所４７は、ピストン２３がシュー２１に対して相対的に角変位中心Ｃとして、直交３軸まわりに単独および組合せて角変位しても、ピストン貫通孔３３の軸線方向一端部３３ａが、第２凹所４７に臨んで確実に開口するように形成される。また前述のようにピストン貫通孔３３の軸線方向一端部３３ａは、軸線方向他端部から軸線方向一端部に向かうにつれて拡径するように形成される。したがってピストン室２７に供給された作動流体は、ピストン貫通孔３３を介して、第２凹所４７に確実に流入することができる。ピストン室２７に供給された作動流体は、さらにシュー貫通孔４２および第１凹所４６にも流入する。

このとき第２凹所４７に臨む内表面４９は、第２凹所４７に流入した作動流体から、矢符Ｆ１に示すような向きの圧力を受ける。この矢符Ｆ１に示す向きの圧力には、軸線方向他方向Ｅ２に向かうにつれて半径方向内方に向かう方向の成分が含まれている。またシュー貫通孔４２の軸線方向中央部は、シュー貫通孔４２に流入した流体から、矢符Ｆ２に示すような、軸線Ｌ２１を中心とする半径方向外方に向かう圧力を受ける。さらに第１凹所４６に臨む内表面４８は、第１凹所４６に流入した作動流体から矢符Ｆ３に示すような向きの圧力を受ける。この矢符Ｆ３に示す向きの圧力には、軸線方向一方向Ｅ１に向かうにつれて半径方向内方に向かう方向の成分が含まれている。したがって第１凹所４６に臨む内表面４８および第２凹所４７に臨む内表面４９が受ける圧力によって、貫通孔形成部４３には、矢符Ｆａに示すような、軸線Ｌ２１を中心とする半径方向内方に向かう圧力を受けるとともに、シュー貫通孔４２に流入した流体から、矢符Ｆ２に示すような、軸線Ｌ２１を中心とする半径方向外方に向かう圧力を受ける。

図４は、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５に発生する応力の説明するための図である。貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５に働く応力を求めるために、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５を、圧肉円筒５４としてモデル化する。圧肉円筒５４の内周面５５の半径をｒ₁、外周面５６の半径をｒ₂とする。圧肉円筒５４の内周面５５は、半径方向外方に向かう内圧を受け、外周面５６は、半径方向内方に向かう外圧を受け、前記内圧および前記外圧は、ともにＰであるとする。このとき圧肉円筒５４の半径方向の位置ｒにおいて周方向に発生する応力σ_tは、次式（１）で表される。

圧肉円筒５４の内周面５５を含む内周面部に発生する周方向の応力σ_t(r1)は、半径方向の位置ｒをｒ₁として、前式（１）に代入することによって求められ、次式（２）で表される。

前式（２）に示すように、圧肉円筒５４が受ける内圧Ｐおよび外圧Ｐが零よりも大きければ、圧肉円筒５４の内周面部に発生する周方向の応力σ_t(r1)は零未満となるので、前記内周面部には周方向の圧縮応力σ_t(r1)が発生する。

したがってシュー２１の貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５は、前述のように、第１凹所４６に臨む内表面４８および第２凹所４７に臨む内表面４９が受ける圧力によって、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５には、矢符Ｆａに示すような、軸線Ｌ２１を中心とする半径方向内方に向かう力が働く。貫通孔形成部４３には、シュー貫通孔４２に流入した流体から、矢符Ｆ２に示すような、軸線Ｌ２１を中心とする半径方向外方に向かう力を受けるけれども、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５には、矢符Ｆａに示す軸線Ｌ２１を中心とする半径方向内方に向かう力が働くように第１凹所４６および第２凹所４７を形成することによって、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５には周方向に圧縮応力を発生させることができる。これによってシュー貫通孔４２を拡径しようとするシュー貫通孔４２に流入した流体から受ける半径方向外方に向かう圧力による周方向の応力が、前記圧縮応力によって低減されて、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５において応力が集中することを防止することができる。

貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５の応力集中を防止しようとすると、その低減する分の応力を第１および第２凹所４６，４７に臨む内表面４８，４９が受けもつ。これによって応力を分散させて応力が集中することを防止している。したがって第１および第２凹所４６，４７がシュー貫通孔４２の軸線方向に関して、さらに方向Ｅ１，Ｅ２それぞれの方向に形成されれば、シュー貫通孔４２に働く応力を、さらに小さくすることができる。しかしこのようにすれば、第１および第２凹所４６，４７に臨む内表面４８，４９に働く応力が大きくなり過ぎてしまい、シュー２１がこの箇所で破損する恐れがある。このようなことを防止するように、貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４の端面５０と第１凹所４６に臨む内表面４８の最も軸線方向一方向Ｅ１側の部分との軸線方向の間隔Ａ１、および貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４５の端面５２と第２凹所４７に臨む内表面４９の最も軸線方向Ｅ２側の部分との軸線方向の間隔Ａ２が設定されている。

また第１および第２凹所４６，４７がシュー貫通孔４２に近すぎる、換言すれば、貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４および軸線方向他端部４５の外径Ｄ２，Ｄ３が小さすぎたり、角度θ１，θ２が小さすぎると、シュー２１の第１および第２凹所４６，４７に臨む内表面４８，４９の応力が合成されて、高い応力が発生する。またまた第１および第２凹所４６，４７がシュー貫通孔４２から遠すぎる、換言すれば、貫通孔形成部４３の軸線方向一端部４４および軸線方向他端部４５の外径Ｄ２，Ｄ３が大きすぎたり、角度θ１，θ２が大きすぎると、シュー２１の第１および第２凹所４６，４７に臨む内表面４８，４９の応力が大きくなり過ぎる。これらのことを考慮して、Ｄ２，Ｄ３，θ１，θ２が設定されている。

図５は、斜板形液圧装置２０のシュー２１のシュー貫通孔４２付近の有限要素法による応力解析結果を示す図である。図５と従来で説明した図９とを比較してみると、図８には、図９のセクションＴ１のような白色部分、すなわち応力が大きい箇所がないことがわかる。したがって本実施の形態のシュー２１では、従来では発生していた応力の集中がないことが確認できる。

以上のように本実施の形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１によれば、軸線方向に貫通するシュー貫通孔４２が形成され、前記シュー貫通孔４２が形成される貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５の周囲に、軸線方向に凹む凹所４６，４７が形成される。ピストン室２３に作動流体が流入すると、前記作動流体は、ピストン２３のピストン貫通孔３３を介して、シュー２１のシュー貫通孔４２に流入する。シュー貫通孔４２は、このようにシュー貫通孔４２に流入した作動流体から、半径方向外方に向かう圧力を受ける。このときシュー２１の貫通孔形成部４３は、前記貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５の周囲に形成される凹所４６，４７に流入した作動流体から、半径方向内方に向かう圧力を受ける。これによって貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５において、周方向に圧縮応力が発生して、シュー貫通孔４２を拡径しようとするシュー貫通孔４２に流入した流体から受ける半径方向外方に向かう圧力による周方向の応力が、前記圧縮応力によって低減されて、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５において周方向の応力が集中することを防止することができる。これによって貫通孔形成部における周方向の応力による疲労破壊を防止して、シューの寿命を長くすることができる。発明者の計算によれば、シュー２１を銅合金の材料で作成した場合、同じ材料で作成した従来のシュー７に比べて、約１５倍寿命が長くなる。

また本実施の形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１によれば、前記凹所４６４，４７は、全周にわたって環状に形成されるので、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５において、周方向に圧縮応力が発生して、シュー貫通孔４２を拡径しようとするシュー貫通孔４２に流入した作動流体から受ける半径方向外方に向かう圧力による応力が、前記圧縮応力によって周方向全周にわたって低減されて、貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５において応力が集中することを可及的に確実に防止することができる。

また本実施の形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１によれば、前記凹所４６，４７に臨む内表面４８，４９は、曲面状に形成されるので、内表面４８，４９において、凹所４７，４７に流入した作動流体からの圧力によって発生する応力が、１箇所に集中してしまうことを確実に防止することができる。

また本実施の形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１によれば、シュー貫通孔４２の軸線方向両端部５１，５３において、加工によって欠陥が存在したとしても、これら付近において応力の集中がないので、従来に比べて欠陥における疲労破壊の可能性が極めて低くなる。したがってシュー２１の作成時に、加工の困難な内径が小さい部分でも、その表面において欠陥が生じることを危惧することなく加工でき、これによって生産性を向上することができる。

また本実施の形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１によれば、応力の集中がないので、なじみ性および対焼付性などの摺動特性の良好ではあるけれども従来では強度的な弱点があった銅合金をシュー２１の材料として用いることができるので、ピストン２３とシュー２１との間の摩擦、およびシュー２１と斜板２４との間の摩擦を低減して、効率の良い斜板形液圧装置２０を実現することができる。

また本実施の形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１によれば、腐食作用のある生分解性を有する作動油を作動流体として用いることによって、シュー２１が腐食しても、応力の集中がないので、集中応力によるシュー２１の腐食割れを可及的に防止できる。これによって、前述のような作動流体を利用可能な範囲の圧力に、作動流体の圧力を高めることができ、実用的な利用が可能となる。

本実施の形態において斜板形液圧装置２０は、斜板形液圧モータとしたけれども、作動油などの作動流体を産業機械および建設機械などに供給する斜板形液圧ポンプとしてもよい。

本発明の実施の一形態の斜板形液圧装置２０のシュー２１を示す断面図である。シュー２１を備える斜板形液圧装置２０を簡略化して示す断面図である。ピストン２３の軸線方向一端部３２が嵌合凹所３６に嵌合されている状態の、シュー２１のシュー貫通孔４２付近を拡大して示す断面図である。貫通孔形成部４３の軸線方向両端部４４，４５に発生する応力の説明するための図である。斜板形液圧装置２０のシュー２１のシュー貫通孔４２付近の有限要素法による応力解析結果を示す図である。従来技術である斜板形液圧装置１を簡略化して示す断面図である。従来の斜板形液圧装置１のシュー７を拡大して示す断面図である。ピストン５の軸線方向一端部５ａが嵌合凹所１０に嵌合されている状態の、シュー７のシュー貫通孔１２付近を拡大して示す断面図である。従来の斜板形液圧装置１のシュー６のシュー貫通孔１２付近の有限要素法による応力解析結果を示す図である。

符号の説明

２０斜板形液圧装置
２１シュー
２２シリンダブロック
２３ピストン
２４斜板
２７ピストン室
３２（ピストン２３の）軸線方向一端部
３３ピストン貫通孔
３８支持面
４２シュー貫通孔
４３貫通孔形成部
４４（貫通孔形成部４３の）軸線方向一端部
４５（貫通孔形成部４３の）軸線方向他端部
４６，４７凹所
４８，４９内表面

Claims

回転自在に設けられ、ピストン室が形成されるシリンダブロックと、シリンダブロックのピストン室に伸縮自在に嵌まり込み、軸線方向に貫通するピストン貫通孔が形成されるピストンと、シリンダブロックの回転軸線に垂直な仮想平面から傾斜する支持面が形成される斜板と、ピストンの軸線方向一端部が角変位自在に嵌合され、斜板の支持面に摺動自在に支持されるシューとを含む斜板形液圧装置のシューであって、
軸線方向に貫通するシュー貫通孔が形成され、前記シュー貫通孔が形成される貫通孔形成部の軸線方向両端部の周囲に、軸線方向に凹む凹所が形成されることを特徴とする斜板形液圧装置のシュー。
前記凹所は、全周にわたって環状に形成されることを特徴とする請求項１記載の斜板形液圧装置のシュー。
前記凹所に臨む内表面は、曲面状に形成されることを特徴とする請求項１または２記載の斜板形液圧装置のシュー。