JP4182509B2

JP4182509B2 - アキシャル型斜板式液圧ポンプ

Info

Publication number: JP4182509B2
Application number: JP2003025998A
Authority: JP
Inventors: 正和 ▲高▼橋; 晴雄国分; 一正湯浅
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: JP2004239077A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アキシャル型斜板式液圧ポンプに関し、特に油圧ショベル等の建設機械の高圧油圧源として好適に用いられる液圧ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のアキシャル型斜板式液圧ポンプは、ケーシング内に、駆動軸に対して傾転可能に配設される斜板と、駆動軸に取り付けられ、斜板と対向して回転するロータと、ロータのシリンダ孔に嵌挿されるピストンと、ピストンの突出端部を球面軸受けを介して揺動自在に枢支し、斜板の摺動面を円周方向に摺動するシュー等を備えており、ロータが回転駆動されると斜板の傾転角に応じて発生するシューとロータとの距離の変化をピストンの往復ストロークとして、ピストンがシリンダ孔を往復動するので斜板傾転角に応じた容量の高圧作動油を吐出することができる。
【０００３】
このような液圧ポンプのピストンは、僅かの隙間を有してシリンダ孔に摺動可能に嵌挿されており、上記隙間に作動油の油膜が形成されることによって、ピストン及びシリンダ孔との接触面（摺動面）の潤滑と、シリンダ孔内の液体のシールを行っている。
しかし、斜板式液圧ポンプでは、シューが斜板に沿って摺動する際にはロータの回転方向に沿った摩擦力と斜板からの押圧力の分力としてシリンダ軸に直交する方向に作用する力をうけるために、シリンダ軸に対しピストン軸が僅かに傾き、ピストンがシリンダ孔壁に片当たりするため接触部における接触抵抗が増加する問題がある。
【０００４】
このような問題を回避するため、ピストンの突出端側の端部（以下、「突出端部」という）に、接触面積を減少させて、接触抵抗を低減するためのテーパ部を採用した例がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１７６６５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ピストンの突出端部にテーパをつけると、所謂くさび効果による潤滑作用を奏することになる。より詳しくは、ピストンが、シリンダ孔に没入する方向に移動するときシリンダ孔とピストン本体部により形成される隙間部よりピストン本体部とテーパ部との境界とシリンダ孔壁との接触部に潤滑油となる作動油が掻き込むように供給され、その作動油が油膜を形成して接触部における潤滑状態を良好なものとし、接触抵抗を低減させる。
【０００７】
しかし、上述した従来技術によっては、ピストンの突出端部テーパによりその部分が摺動する領域については接触抵抗を減じるものの、全体としては、その効果は十分ではない。
また、シリンダ孔軸に対しピストンが傾くためにシリンダ孔とピストンの隙間部の圧力分布が均一でないために、ピストンが、作動圧力の高い方向から低い方向に向かってシリンダ孔壁の片側に押し付けられ、ピストン軸がシリンダ孔軸に対して偏芯してしまう事態が生じうる。
【０００８】
このような場合には、ピストンとシリンダ孔壁間において直接金属接触が生じ、円滑な潤滑が行われなくなり、ピストンとシリンダ孔壁間にかじりや焼き付きが生じることが考えられる。
本発明は、シリンダとピストンの間の摺動面全体の潤滑油を確保することにより良好な摺動性を確保し、焼き付きを防止して、ポンプの機械効率と寿命の向上をはかることのできるアキシャル型斜板式液圧ポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明によれば、駆動軸と一体となって回転するロータのシリンダ孔に出没自在に嵌挿されるピストンを備え、斜板の傾転角に応じた容量の圧油を吐出させるアキシャル型斜板式液圧ポンプであって、前記ピストンは、円筒形状のピストン本体部と、前記ピストン本体部の内端側に設けられ、前記ピストンが前記シリンダ孔に没入する方向に縮径している挿入テーパ端と、前記ピストン本体部の外端側に設けられ、前記ピストンが前記シリンダ孔から突出する方向に縮径している突出テーパ端とを含み、前記シリンダ孔は、前記ピストン本体部が摺接するシリンダ本孔部と、前記シリンダ孔の底部近傍に形成され、前記シリンダ本孔部より大径の円環溝部とを含み、前記ピストンが上死点に位置したとき、前記ピストン本体部と前記挿入テーパ端との間の挿入端側境界が前記シリンダ本孔部内に留まった状態で、前記挿入テーパ端は、前記円環溝部に臨んで突出し、前記ピストンが下死点に位置したとき、前記ピストン本体部と前記突出テーパ端との間の突出端側境界は、前記シリンダ本孔部内に留まっていることを特徴とするアキシャル型斜板式液圧ポンプが提供される。
【００１０】
ピストン本体部がシリンダ孔壁を摺動する一方、ピストンの挿入テーパ端および突出テーパ端のそれぞれが、ピストンの往復動において、ピストンとシリンダ孔壁の接触部近傍にくさび効果による給油を行い、ピストン本体部の摺動面全体を円滑な潤滑状態に維持する。
ここで、ピストンがシリンダ孔から最も突出した状態にあっても、ピストンの挿入テーパ端がシリンダ孔壁と接触しないよう、ピストン本体部の外径とシリンダ孔内径の差から生じ得るピストンの最大傾斜角度よりも挿入テーパ端のテーパ角度を大とすること、及びシリンダ孔底近傍に円環溝部を形成させた場合は、ピストンがシリンダ孔に最も没入した状態にあってもピストン本体部と挿入テーパ端との境界がピストンとシリンダ孔との摺動面上に存在することが抵抗を低減するために望ましい。
【００１１】
同様の理由により、ピストンの突出テーパ端がシリンダ孔壁と接触しないよう、ピストン本体部の外径とシリンダ孔内径の差から生じ得るピストンの最大傾斜角度よりも突出テーパ端のテーパ角度を大に設定するとともに、ピストンがシリンダ孔に対し最も突出した状態にあってもピストン本体部と突出テーパ端との境界がピストンとシリンダ孔との摺動面上に存在することが抵抗を低減するために望ましい（請求項２）。
【００１２】
さらに、請求項３の発明によれば、前記ピストンは、前記挿入端側境界と前記突出端側境界との間に環状オイル溝を更に含むことを特徴とする。ピストンがシリンダ孔壁に対し片当たりを生じた場合にも、環状オイル溝を通して潤滑油が供給され、圧力分布を均一化し、潤滑状態を保つことができる。
斯かる環状オイル溝は、潤滑油の軸方向分布を考慮し、ピストン本体部の略中央に存在することが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜７を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明に係るアキシャル型斜板式液圧ポンプ１の構成について図１及び図２に基づき説明する。
液圧ポンプ１は、リアケーシング２およびフロントケーシング３とからなるケーシング４を備えており、ケーシング４の内部には、駆動軸５によって回転駆動されるロータ６と駆動軸５に対して傾転可能な斜板８が収容されている。
【００１４】
ロータ６は、軸５にスプライン結合され、軸５と一体となって回転し、その周辺部に円周方向に複数の有底のシリンダ孔２０（図２に示すように本実施例では円周方向等間隔に８個配設される）が斜板８に開口を臨ませて穿設されている。シリンダ孔２０は、詳細は後述するピストン３０が摺接するシリンダ本孔部２０ａと、シリンダ孔２０の底面２０ｃ近傍に形成され、シリンダ本孔部２０ａより大径であるシリンダ孔円環溝部２０ｂとを備えている。
【００１５】
各シリンダ孔２０には、ピストン３０がそれぞれ往復自在に嵌挿されており、ピストン３０がシリンダ孔に最も没入した状態（上死点位置に没入した状態）において、その一部（以下「突出テーパ端」という）３３がシリンダ孔２０より斜板８側に突出している。
突出テーパ端３３の端面には、凹部３３ａが形成され、ピストン３０はこの凹部３３ａに嵌合された略球状の継手１０ａを介してシュー１０（図１においては２個のみ図示）に揺動自在に枢支されている。
【００１６】
シュー１０は、上述の継手１０ａと一体形成された台座１０ｂを備えており、環状の押さえ板１１により保持されて、台座１０ｂが斜板８に、ロータ６の円周方向に摺動自在に装着される。
斜板８は、周縁部の対称箇所２箇所において、斜板傾転角度調整用ピストン７Ａ、７Ｂと当接しており、ピストン７Ａ、７Ｂは、リアケーシング２に穿設されたシリンダ孔２ｃ、２ｄに嵌挿され、油圧を制御してそれぞれのピストンを伸縮させることにより斜板８の傾転角度を調節することができる。
【００１７】
各シリンダ孔底面２０ｃには、油路６１が開口しており、この油路６１は、ロータの回転に伴い、リアケーシング２に設置された吸入ポート２ａ、または、吐出ポート２ｂとリアケーシング２に設置された弁板９を介して交互に連通させる。
このように構成される斜板式液圧ポンプ１の作動の概略を以下に説明する。
【００１８】
まず、斜板傾転角度調整用ピストン７Ａと７Ｂとを伸縮させ、それらに当接する斜板８の傾転角度を所定の角度に調整すると、この傾転角度によりピストン３０の往復運動のストロークが決まるので、傾転角度とロータ６の回転速度とから液圧ポンプ１の単位時間当たりの吐出量（容量）が決まる。
駆動軸５を図示しないエンジン等により回転させると、ロータ６もピストン３０をシリンダ孔２０内に嵌挿したまま一体となって回転する。ロータ６の回転に伴い、シュー１０は斜板８の摺動面に沿って周方向に摺動し、且つ、斜板が駆動軸８に対して傾斜しているために、ピストン３０の軸方向に前後に移動することになる。このため、ロータ６の回転に伴ってピストン３０は、シリンダ孔２０への挿入（前進）、突出（後退）という往復運動を繰り返すことになる。
【００１９】
このとき、ロータ６の回転に伴ってシリンダ孔底面２０ｃに開口する油路６１が、ピストン３０の後退中は吸入ポート２ａと、前進中は吐出ポート２ｂと、弁板９を介して連通することにより、シリンダ孔２０内に作動油が吸入され、高圧の作動油が吐出されることになる。
次に、本発明にかかる液圧ポンプ１のピストン３０について図３〜図５に基づき詳細に説明する。
【００２０】
ピストン３０は、図３に示すようにピストン本体部３１と、その両端に一体に形成された挿入テーパ端３２及び突出テーパ端３３とから構成される。
ピストン本体部３１は、軽量化及びシュー１０などへの給油のために中空の円筒体に形成され、この部分は、シリンダ孔２０内に常に嵌挿される。ピストン本体部３１の外周壁にはその略中央位置を挟んで両側概略対称位置に２本の環状オイル溝３１ａ、３１ｂが形成されている。
【００２１】
挿入テーパ端３２は、ピストン本体部３１の挿入端側に位置し、その外形状は、挿入方向に向かって縮径している。また、突出テーパ端３３は、ピストン本体部３１の突出端側に位置し、その外形状は、突出端方向に向かって縮径している。
ピストン本体部３１の外径は、潤滑に必要な油膜厚が確保できるよう、シリンダ本孔部２０ａの内径に対して１／１０００程度の隙間がピストン本体部３１の周囲に生じるように好適に設定される。例えばシリンダ孔内径が３６ｍｍの場合、隙間は、約３６ミクロン程度となっている。
【００２２】
ピストン本体部３１と挿入テーパ端３２との境界３４は、図４に示すように、斜板８の最大傾転角を考慮して、ピストン３０がシリンダ孔２０に最も没入した状態（上死点位置）で、シリンダ本孔部２０ａの挿入側端縁（段部）２０ｄから距離Ｌ１（例えば、１〜２ｍｍ）だけ後退した位置に位置し、ピストン本体部３１と突出テーパ端３３との境界３５は、図５に示すように、斜板８の最大傾転角を考慮して、ピストン３０がシリンダ孔２０から最も突出した状態（下死点位置）で、シリンダ孔開口端縁２０ｆから距離Ｌ２（例えば、１〜２ｍｍ）だけ前進（挿入）した位置に位置するように設定される。このように設定すると、前述したとおり、ピストン本体部３１は、シリンダ本孔部２０ａを外れることなく、常にシリンダ壁２０ｅに摺接することになる。
【００２３】
上述の距離Ｌ１及びＬ２は、加工誤差や組立誤差を考慮し境界３４、３５がシリンダ本孔２０ａ上に位置しうる、極力小さな値に設定される。
なお、ピストン本体部３１、挿入端テーパ部３２、突出端テーパ部３３長さは、最大ストローク長さ、シリンダ本孔部２０ａ深さや円環溝部２０ｂの溝幅等を考慮して設定される。
【００２４】
挿入テーパ端３２及び突出テーパ端３３のテーパ角度については、ピストン３０がシリンダ孔２０の軸に対して最も傾いた状態であっても各テーパ端３２、３３がシリンダ孔壁２０ｅと摺接することのないよう、すなわち、ピストン３０の最大の傾き角度αより大であることが必要であり、シリンダ孔２０内の高圧の作動油の漏れを抑止することも考慮して、αの２倍程度が好ましい。
【００２５】
ここで、ピストン３０の最大の傾き角度αは、シリンダ本孔部２０ａの内径とピストン本体部３１の外径の差、さらにはこれらの加工誤差を考慮して演算することができ、図４に示す状態を想定すると、ピストン本体部３１の長さを与えると容易に求めることができる。なお、本実施例における最大傾き角度は、ピストン３０がシリンダ孔２０に対し最も没入した状態（図４）から最も突出した状態（図５）に至るまで、一定値となる。
【００２６】
次に上述のように形成されるピストン３０の作用効果について説明する。
ここで挿入テーパ端が形成されないピストン４０によって摺接面に形成される油膜の様子を考察する。このとき、円環溝部２０ｂには、潤滑油としても作用する作動油が満たされている。図６に示すように、ピストン４０がシリンダ孔２０に対し傾いた状態で、すなわち、ピストン４０が、シリンダ孔壁２０ｅに摺動しつつ挿入端部方向（矢印Ｖの方向）へ挿入されるとき（すなわち吐出行程であるとき）、図６においてピストン４０の上側、且つ、ピストン本体部４１と突出テーパ端４３との境界４４より挿入端側に、挿入端に向かって拡大するくさび状の空間Ｓ１が形成される。
【００２７】
ここで、図６における境界４４の最上点４４ａにおいて、ピストン４０とシリンダ孔壁２０ｅとの間に、隙間Ｃ１が形成され、また、ピストン挿入端４２の図６における上側端縁４２ａとシリンダ孔壁２０ｅとの間には隙間Ｃ２が形成された場合、くさび状の空間Ｓ１の圧力Ｐ１は、ピストン３０が挿入端側へ進入するに従って高圧となる。そして圧力Ｐ１は、隙間Ｃ１を境として突出テーパ端４３側の、図６においてピストン４０の上側に形成される空間Ｓ２の圧力ＰＬより高圧であり、また、隙間Ｃ１は隙間Ｃ２より小であることから、くさび状空間Ｓ１の潤滑油は、斯かる圧力分布により隙間Ｃ１方向へ向かって掻き込まれ、隙間Ｃ１まで達するため、隙間Ｃ１に安定した油膜が形成し、良好な潤滑状態が維持される。
【００２８】
一方、テーパを有さないピストン挿入端部４２については、上記の所謂くさび効果が作用せず、最悪の場合には、挿入端部４２とシリンダ本孔部端縁２０ｄとの間で油膜を介さない金属接触を生じる虞もある。
これに対し、本発明の実施例である、本液圧ポンプ１のピストン３０は、図３に示すように突出テーパ端３３の他、挿入端にも挿入テーパ端３２を有するため、突出テーパ端３３側境界３５はいうまでもなく、挿入テーパ端３２側境界３４についても、くさび効果が作用し、接触抵抗が低減される。
【００２９】
さらに、ピストン３０がシリンダ孔２０に対して偏芯することによる接触抵抗の増加については以下のように考察される。
すなわち、ピストン４０がシリンダ孔２０を挿入方向に移動するとき、シリンダ孔２０の軸に対しピストン４０が傾くと、図６中におけるピストン４０上側空間Ｓ１の圧力Ｐ１が、ピストン４０下側空間Ｓ３の圧力Ｐ２より大きくなるために、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧がピストン４０に作用し、ピストン４０全体が、図６中、下方向に押し付けられ、図７に示すように、シリンダ孔２０の中心２０ｇとピストン４０の中心４０ａとが一致せず、ピストン４０が偏芯した状態でシリンダ孔壁２０ｅに摺接する。
【００３０】
このような場合でもピストン４０がシリンダ孔２０の軸回りに相対的に回転している場合には、摺接部近傍の狭い隙間部２２が低圧部となるために隙間部２２に潤滑油が廻りこむが、ピストン４０がシリンダ孔２０に対して回転していない場合にはそのような効果はなく、ピストン４０とシリンダ孔壁２０ｅとが潤滑油を介さない直接金属接触を生じ、接触抵抗が増加する虞がある。
【００３１】
本実施例におけるピストン３０においては、圧力分布が非均一であることによる差圧の効果により、ピストン本体部３０の略中央の２本の環状オイル溝３１ａ、３１ｂを通して潤滑油が供給され、圧力分布が均一になるため、直接金属接触を生ずることがなく、接触抵抗が増加することはない。
以上の作用効果により本実施例における液圧ポンプ１においては、ピストン３０とシリンダ孔壁２０ｅとの間でかじりや焼き付きを生じることはない。
【００３２】
なお、本実施例においては、シリンダ孔２０の底面２０ｃ近傍に円環溝部２０ｂを形成させたが、円環溝部２０ｂを省略することもできる。その場合には、ピストンの挿入端面より、良好なくさび効果の得られる、例えば、シリンダ孔２０内径の１／３程度の長さを有する挿入テーパ端を設けるとよい。
また、本実施例においては、ピストン本体部３１と挿入テーパ端３２およびピストン本体部３１と突出テーパ端３３との各境界を、単純な円筒形状と円錐形状（テーパ）との交線としたが、該部分を曲面とする、いわゆるクラウニングによって形成するようにしてもよい。
【００３３】
また、本実施例においては、ピストン本体部３１の概略中央部の環状オイル溝３１ａ、３１ｂの本数は２本としたが、２本に限定せず、１本でも、あるいは３本以上でもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、ピストンを、円筒形状のピストン本体部と、ピストン本体部から挿入方向に縮径する挿入テーパ端と、ピストン本体部から突出端方向に縮径する突出テーパ端とで構成したので、突出端および挿入端におけるくさび効果により接触（摺動）抵抗を十分に低減させることができ、また、好ましくは、ピストン本体部の外周面に環状オイル溝を形成させると、圧力分布が均一でなく圧力差によりピストンがシリンダ孔壁に押しつけられて片当りになっている場合にも、環状オイル溝を通して潤滑油が供給され、圧力分布を均一化し、潤滑状態を保つことができ、シリンダ孔−ピストン間における接触抵抗が低減され、かじりや焼き付きも防止され、機械効率、および寿命の向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による、アキシャル型斜板式液圧ポンプを示す略縦断面図である。
【図２】図１中の矢線II−II方向からみたロータ６の略断面図である。
【図３】図１に示すアキシャル型斜板式液圧ポンプのシリンダ及びピストンの拡大部分断面図である。
【図４】本発明の実施例による、上死点におけるピストンとシリンダとの位置関係を模式的に示す拡大部分断面図である（図中ハッチングを省略）。
【図５】本発明の実施例による、下死点におけるピストンとシリンダとの位置関係を模式的に示す拡大部分断面図である（図中ハッチングを省略）。
【図６】従来のピストンの潤滑状態を説明するための拡大部分断面図である。
【図７】従来のピストンとシリンダ孔との位置関係を模式的に示す拡大部分断面図である（図中ハッチングを省略）。
【符号の説明】
１アキシャル型斜板式液圧ポンプ
４ケーシング
５駆動軸
６ロータ
８斜板
１０シュー
２０シリンダ孔
２０ａシリンダ本孔部
２０ｂシリンダ孔円環溝部
２０ｃシリンダ孔底面
３０ピストン
３１ピストン本体部
３１ａ環状オイル溝
３１ｂ環状オイル溝
３２挿入テーパ端
３３突出テーパ端
３４境界
３５境界

Claims

駆動軸と一体となって回転するロータのシリンダ孔に出没自在に嵌挿されるピストンを備え、斜板の傾転角に応じた容量の圧油を吐出させるアキシャル型斜板式液圧ポンプであって、
前記ピストンは、
円筒形状のピストン本体部と、
前記ピストン本体部の内端側に設けられ、前記ピストンが前記シリンダ孔に没入する方向に縮径している挿入テーパ端と、
前記ピストン本体部の外端側に設けられ、前記ピストンが前記シリンダ孔から突出する方向に縮径している突出テーパ端と
を含み、
前記シリンダ孔は、
前記ピストン本体部が摺接するシリンダ本孔部と、
前記シリンダ孔の底部近傍に形成され、前記シリンダ本孔部より大径の円環溝部と
を含み、
前記ピストンが上死点に位置したとき、前記ピストン本体部と前記挿入テーパ端との間の挿入端側境界が前記シリンダ本孔部内に留まった状態で、前記挿入テーパ端は、前記円環溝部に臨んで突出し、
前記ピストンが下死点に位置したとき、前記ピストン本体部と前記突出テーパ端との間の突出端側境界は、前記シリンダ本孔部内に留まっていることを特徴とするアキシャル型斜板式液圧ポンプ。
前記挿入テーパ端及び前記突出テーパ端は、前記ピストン本体部外径と前記シリンダ本孔部内径との差によって生じ得る前記ピストンの最大傾斜角度以上のテーパ角度を有することを特徴とする、請求項１に記載のアキシャル型斜板式液圧ポンプ。
前記ピストンは、前記挿入端側境界と前記突出端側境界との間に環状オイル溝を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャル型斜板式液圧ポンプ。