JP4487222B2

JP4487222B2 - 流体装置

Info

Publication number: JP4487222B2
Application number: JP32544899A
Authority: JP
Inventors: ジョンザンブッシュスティーブン; マックスフィールドホキシーベンジャミン; ウェインマーツメイナード
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-11-16
Also published as: BR9907324A; DE69929923T2; EP1001166B1; US6196109B1; EP1001166A3; DE69929923D1; EP1001166A2; JP2000161203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアキシャルピストン形式の回転部材群を備えた可変容積形油圧ポンプに関し、特に、このようなポンプに使用する改良されたバルブプレートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来公知であるアキシャルピストンポンプの中には、ポンプハウジングに対して適宜の軸受手段によって回転可能に支持された一対の横断方向に対向するトラニオンを有する傾動可能な斜板を備えた形式のポンプがある。この形式のポンプは、“トラニオンポンプ”と称されている。
また、広く商用されている他の形式のアキシャルピストンポンプには、“斜板及びクレードル”形式のポンプがあり、この形式のポンプは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,590,579号に開示されており、この特許の開示内容は参考として本説明に含まれる。本発明は、トラニオンポンプに関連して説明されるが、斜板及びクレードル形式のポンプにも応用できるものである。
【０００３】
トラニオン形式或は斜板及びクレードル形式に関らず一般的なアキシャルピストンポンプにおいては、複数（一般的に奇数）の往復運動するピストンを備えた回転するシリンダブロックがある。ピストンは位置を固定されたカム或は斜板と係合しているが、一般的に、このカム或は斜板はポンプの押しのけ容積を調整するように変位される。斜板と反対側のシリンダブロックの端部は、背板に対して直接的に設置されるはずであるが、一般的には、バルブプレートに対向して配置されている。バルブプレートには、流体入口と流体出口が形成されており、これらの流体入口と流体出口は、それぞれ背板の通路を介して、ポンプハウジングに形成されたポンプ入口ポート及びポンプ出口ポートと連通されている。
【０００４】
従来のアキシャルピストンポンプにおいては、バルブプレートには、単に一対のアーチ形の実質的に同一のポートが形成されており、各ポートはバルブプレートの厚さ方向に開口されており、ポートの周方向の範囲は約150°ないし160°である。一例として、開示内容が参考として本説明に含まれる米国特許第2,915,985号を参照されたい。この特許は、入口及び出口の連続的なアーチ形の形状を考慮したバルブプレートの強度と耐久性に関するものである。
一般的に、バルブプレートに作用する軸方向の締付荷重は実質的に存在しないので、高圧ポートの圧力流体は、ポートから放射方向外側のバルブプレート部分にラジアル荷重を作用させるため、プレートを破損させてしまう。
【０００５】
また、バルブプレートの強度を考慮すると、個々の独立したアーチ形のポート(入口或は出口)を、隣接する各ポートが“ウエブ”部分で分離された一連の分離されたポートに置き換えることが考えられる。この“ウエブ”部分はバルブプレートと同じ材料から同じ厚さに形成されている。一般的に、各ポート(入口或は出口)は、２個或は３個の独立したポートから構成されており、１つの連続的なポートが形成されるように、ポートとシリンダブロックの腎臓形(kidney)ポートとの連通は、同時に開始され、また同時に終了する。つまり、ウエブ部分はポートに単に配置されているだけであり、ポートは連続していないし、バルブプレートの強度を増加させるだけである。一例として、開示内容が参考として本説明に含まれる米国特許3,249,061号を参照されたい。
【０００６】
長い間、バルブ操作のタイミングを最適化して、ポンプ騒音を減少させるために、種々の方法でバルブプレートの入口及び出口ポートを修正してきた。ここで、“バルブ操作タイミング”とは、シリンダの腎臓形ポートとバルブプレートの入口ポート及び出口ポートとの連通開始及び連通終了に関連したシリンダブロック内の各ピストンと腎臓形ポートとの関係をいう。
【０００７】
アキシャルピストンポンプの他の特徴は、斜板モーメント、即ち、斜板を後方へ、或は中立位置(押しのけ容量ゼロ)へ付勢しようとする斜板上の力である。
斜板モーメントは、特に手動操作形アキシャルピストンポンプの場合に重大な問題となる。つまり、斜板位置は、ポンプの外側にあって、斜板に連結されたハンドル或は制御レバーによって手動で選択されるため、ハンドルを移動させると、斜板も直接的にかつ機械的に動かされる。
一般に、ポンプの外側にある制御レバーは、このレバーを中立位置へ戻そうとする付勢スプリングを有しており、この付勢スプリングの力は、通常、斜板上の“最悪の(worst case)”モーメントを打ち消すように選定されている。これは、オペレータの操作力はいつでも同じ方向にあるように、即ち、スプリングの力は、特定のポンプ押しのけ容積を達成するために、ある特定の作動状態ではレバーを押す程度の力を要求し、また、他の作動状態ではレバーを引っ張る程度の力を要求することを意図している。
【０００８】
ピストン圧によって斜板に作用する力があり、これらの力によって斜板上に合力が発生することは従来公知である。合力の大きさと斜板の枢軸からの距離により、斜板上のモーメントが決まり、また、斜板を移動させてポンプの押しのけ容積を変えるために、或は、斜板をその位置に保持するために、オペレータが作用させなければならない力の量と方向が決まる。
以下に詳細に説明するように、斜板が“前方”方向に変位されると(図１参照)、枢軸の下方に位置する合力(“正の”モーメント)は、斜板を中立位置に向けて駆動しようとし、また、枢軸の上方に位置する合力(“負の”モーメント)は斜板をさらに大きく変位させるようとする。
【０００９】
また、バルブプレートのタイミングが合力の位置に悪影響を与えることはよく知られていることである。従来例として、斜板モーメントを減少させようとしてバルブプレートのタイミングを変えることにより、作動時の騒音が大きくなったり、或は、クロスポートの漏れによりポンプ作動が不調になることが知られている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、オペレータの制御力を減少させることができる改良されたアキシャルピストンポンプを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、バルブプレートのタイミングを変えることなく制御力を減少させるような改良されたアキシャルピストンポンプ及びバルブプレートを提供することにある。
【００１２】
本発明の更なる目的は、圧力の変化に伴う斜板モーメントの変動を実質的に低減させるような改良されたアキシャルピストンポンプ及びバルブプレートを提供することにある。
【００１３】
本発明の更なる目的は、正の或は負の斜板モーメントに、または、斜板モーメントを増加或は減少させるように、任意に設計を変更できるようなバルブプレートを備えた改良されたアキシャルピストンポンプを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の上述した目的は、ハウジングと、該ハウジングに回転可能に支持された入力軸と、前記ハウジング内に回転可能に配置され、前記入力軸と共転して作動可能なシリンダブロックとを備えた流体装置を提供することによって達成される。
シリンダブロックにはＮ個のシリンダが形成され、シリンダブロックの回転に応じて各シリンダ内に往復運動可能にピストンが配置されており、ピストンの往復運動量は、合力が作用する傾動可能な斜板の傾斜角で決定される。ハウジングには流体入口と流体出口が形成されており、またシリンダブロックには各シリンダと共同して開口連通するシリンダポートが形成されている。
各シリンダポートは、シリンダブロックの回転中、流体入口及び流体出口と直列的に連通するように配置されている。
流体出口は、該流体出口の後端寄りに配置された第1ウエブ部分で分離された少なくとも一対のアーチ形の出口部分から構成されている。
【００１５】
改良された流体装置は、呼び断面積と呼び流量絞りを備えた第１ウエブ部分を特徴としている。第1ウエブ部分は、シリンダブロックの回転中に、斜板上の合力を、斜板上のモーメントを減少させる方向に移動させる変形された呼び断面積と呼び流量絞りを備えている。
【００１６】
本発明の他の特徴によれば、流体出口は、該流体出口の先端寄りに配置された第２ウエブ部分によって分離された３個のアーチ形の出口部分から構成されており、また、第１ウエブ部分は流体出口の後端寄りに配置されており、その呼び断面積と呼び流量絞りは、バルブ表面のウエブ部分をアンダーカットすることにより減少されており、また、第２ウエブ部分は呼び断面積と呼び流量絞りを有している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を限定するものではないが、図１を参照すると、従来の技術として説明した“トラニオン”形式のアキシャルピストンポンプの軸方向断面が示されている。同様に、本発明は斜板及びクレードル形式のアキシャルピストンポンプにも使用される。
【００１８】
アキシャルピストンポンプ11は、ポンプ室15を備えた主ポンプハウジング13を有している。ポンプ室15内には、回転部材群(ポンプの構成部材)17が有る。
この実施の形態では、回転部材群17は、複数のシリンダ21が形成された回転可能なシリンダブロック19から構成されている（図１には、１つのシリンダのみが示されている）。各シリンダ21内には、これらのシリンダ21内を往復運動するピストン23があり、当業者には周知であるように、シリンダブロック19が回転している時にはいつでもポンプとして作動する。ポンプの押しのけ容積は０(ゼロ)より大きい。
【００１９】
回転部材群17は、ポンプの軸方向のほぼ全長に延びている入力軸25から入力トルクを受け取る。この入力軸25には、１組の外歯スプライン27が形成されており、この外歯スプラインはシリンダブロック19に形成された１組の内歯スプライン29と噛み合うことにより、入力軸25が回転するとシリンダブロック19が回転するようになっている。
【００２０】
各ピストン23はピストンシュー31によって斜板33の横断面に対向して配置されており、シリンダブロック19は旋回−静止斜板33に関して回転する。斜板33は入力軸25の回転軸に関しては回転しないが、斜板33は図示しない横断枢軸に関して傾動或は揺動する。“斜板モーメント”とは、斜板33に作用するモーメントが、図１に鉛直の中立(押しのけ容積ゼロ)に向けて斜板を移動させようとするだけでなく、押しのけ容積を増大させる方向に斜板を移動させようとすることも意味するものであることを理解されたい。
【００２１】
また、ポンプ11は、図示しないポンプ入口ポートとポンプ出口ポートを形成するエンドキャップ35を有している。シリンダブロック19の裏面とエンドキャップ35の前面の間には、軸方向にバルブプレート37が配置されている。図２には、“従来技術”に係るバルブプレート37を図1の右方から見た平面図が示されている。バルブプレート37は、“バルブ表面”を構成する前面39、即ち、各シリンダ21の腎臓形ポート40とバルブプレート37の入口及び出口ポートとの間で相互に作用する表面を有している。
【００２２】
以下の説明のために、シリンダブロック19は図２の時計方向に回転しているものと仮定すると、バルブプレート37の左側には入口(吸入)領域41が構成されており、バルブプレート37の右側には出口(吐出) 領域43が構成されている。
【００２３】
従来の技術で説明したように、バルブプレート37の十分な剛性及び強度を維持するために、1つの連続したアーチ形の入口ポートと1つの連続したアーチ形の出口ポートを形成することは行われていないが、それに代って、単なる例示であって何等限定するものではないが、バルブプレート37には、３つの入口ポート41a、41b、41cが形成され、各独立したシリンダの腎臓形ポートと連通するようにされている。同様に、バルブプレート37には、３つの出口ポート43a、43b、43cが形成され、各独立したシリンダの腎臓形ポートと連通するようにされている。
【００２４】
入口ポート41aと41bは、ウエブ部分45aで分離されており、また、入口ポート41bと41cは、ウエブ部分45bで分離されている。同様に、出口ポート43aと43bは、ウエブ部分47aで分離されており、また、出口ポート43bと43cは、ウエブ部分47bで分離されている。一般的に、バルブプレート37は、打ち抜き工程で入口ポート41a、41b及び41c、出口ポート43a、43b及び43cが成形され、また、中央の開口部49は打ち抜き或は細線圧断加工で成形される。そのために、一般的に、ウエブ部分45a,45b,47a及び47bは、ポートや開口が形成されないバルブプレート部から構成されるため、ウエブ部分はバルブプレート37の残りの部分と同様の材料で同じ厚さとなる。どのようなポンプの形状でも、“従来技術”のウエブ部分45a,45b,47a及び47bは特定の呼び断面積を有しており、各シリンダの腎臓形ポート40が、入口ポート41、出口ポート43を通過するときに特定の呼び流量絞りを提供する。
【００２５】
図３及び図４を参照すると、本発明の重要な特徴が認められる。それによれば、流体出口43の後端寄りに配置されたウエブ部分の断面積及びまたは流量絞りを変形することにより、シリンダブロック19の回転中に斜板33上のモーメントを減少させることができる。
【００２６】
図３及び図４では、同じ構成要件は同じ符号が付けられているが、新規の実質的に変更した構成要件には、“５０”以上の参照符号が付けられている。図３及び図４に示された本発明のバルブプレート５１には、入口ポート41a、41b及び41c、出口ポート43a、43b及び43cが成形されている。
さらに、バルブプレート51には、ウエブ部分45a及び47aが形成されており、各ウエブ部分45a及び47aは、従来技術のバルブプレート37と同じ呼び断面積及び呼び流量絞りを有している。また、バルブプレート51には図２に示した中央開口49と同じ開口が形成されている。
【００２７】
ウエブ部分45a及び47aは、流体入口及び流体出口の先端寄りに配置されており、これは、シリンダブロック19が時計方向に回転していると仮定して、シリンダの腎臓形ポート40がバルブプレート51を横切るときは、まず、入口側の入口ポート41aを通過した後にウエブ部分45aを通過し、その後、出口側の出口ポート43a、ウエブ部分47aと通過するからである。
【００２８】
本発明によれば、流体入口の後端寄り、即ち、入口ポート41bと41cとの間に変形されたウエブ部分53が配置されている。同様に、流体出口の後端寄り、即ち、出口ポート43bと43cとの間に変形されたウエブ部分55が配置されている。
この実施の形態では、変形されたウエブ部分53及び55は、従来技術のウエブ部分45b及び47bとは異なっており、図４に示すように、アンダーカット或は溝領域57に形成されている。アンダーカット57が存在することにより、ウエブ部分53及び55の断面積(或は、より正確には断面容積)が変わり、同様に、ウエブ部分53及び55の流量絞りも変わることは、当業者であれば理解できることである。また、両方のウエブ部分53及び55が変形されることにより、ポンプが両方向に作動されることも理解されたい。
つまり、斜板33が反対方向に変位された場合、領域43が入口に、また、領域41が出口となり、この場合には、ウエブ部分53は流体出口の後端寄りに配置されたウエブ部分を構成する。
【００２９】
図５及び図６を参照すると、本発明の利点が示されている。図５及び図６はそれぞれ、一般的に“ハイアイドル”と呼ばれる入力速度２４００rpmで作動する同一のポンプに基づくグラフであることに注意すべきである。
1000、3000及び5000psiで試験運転した場合、単に斜板角度を増加させることによって、流量は０(ゼロ)から２５g.p.m.まで増加する。
図５に示すように、ポンプの斜板モーメントの、−(マイナス)１０lb-ftから＋(プラス)１３lb-ftまでの範囲において、スプリング力は少なくとも１０lb必要とするので、オペレータは常に正の力を感じることになる。このように、オペレータは、制御レバーを移動させたり、或は維持するために約２３lbの力をかける必要がある。
【００３０】
図６に示す本発明では、ポンプの斜板モーメントは、−(マイナス)１２lb-ftから＋(プラス)４lb-ftの範囲であり、１０lb或は１２lbのスプリング力を必要とするので、オペレータは常に正の力を感じることになる。
その結果、図５に示す従来技術では２３lbの力を必要とするが、図６に示す本発明では、オペレータは１４ないし１６lbより大きい力をかける必要がある。
このように、本発明では、ポンプの斜板モーメントを狭い範囲内に留めることが可能となるため、制御レバーの設計が簡単となり、オペレータの労力を実質的に軽減させることができる。
【００３１】
図７を参照すると、本発明の別の実施の形態が示されている。この実施の形態では、図２の従来技術のバルブプレートに比べて、同じ構成要件は同じ符号が付けられているが、新規の実質的に変更した構成要件には、“６０”以上の参照符号が付けられている。
図７では、バルブプレート61には、入口ポート41a,41b及び41cと、出口ポート43a,43b及び43cが形成されている。図７の実施の形態では、入口ポート41bと41cはウエブ部分45bで分離されており、また、出口ポート43b及び43cはウエブ部分47bで分離されている。しかしながら、本発明の別な特徴から見ると、バルブプレート61は、変形されたウエブ部分63と65を有しており、これらのウエブ部分は図４に示すように形成されている。つまり、ウエブ部分63は入口ポート41aと41bを分離しており、また、ウエブ部分65は出口ポート43aと43bを分離している。
【００３２】
図７と図３を比較すると、特に各図の右側の圧力−押しのけ容積関係を参照すると、図３では、“通常”領域或は非変形ウエブ部分47aでは大きな圧力が発生しているが、ウエブ部分55の領域では圧力は小さくなっている。このように、ウエブ部分55領域の圧力が小さくなると、合力は枢軸に近づくように移動して全斜板モーメントを減少させられると言う仮説がたてられる。
図7では、非変形ウエブ部分47bの領域では大きな圧力が発生し、変形されたウエブ部分65の領域では圧力が減少しており、合力は枢軸に関して“下方”に移動している。
このような変形は、相当に大きい負の斜板モーメントを有し、合力が枢軸の上方にあるようなポンプの設計において有効であり、バルブプレート61はそのようなモーメントを増加させる。
【００３３】
このように、本発明は、オペレータによってかけられる制御力を改善するように、斜板モーメントを効果的に“調整”できるようなバルブプレートを変形する手段を提供する。
【００３４】
以上、本発明は、明細書において詳細に説明してきたが、当業者であれば、明細書を読んで理解することにより、本発明を変更したり或は修正したりすることは明らかである。そのような変更や修正は添付した請求の範囲内にある限り、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のアキシャルピストンポンプの軸方向断面である。
【図２】図２は、図１のアキシャルピストンポンプに使用する従来のバルブプレートの図１の右方からの前面図である。
【図３】図３は、図２より小縮尺の本発明の実施の形態に係るバルブプレートの前面図であり、圧力−押しのけ容積の関係をグラフで示している。
【図４】図４は、図３の４‐４線に沿ったバルブプレートの一部拡大横断面図である。
【図５】図５は、従来技術に係るバルブプレートの斜板モーメント対ポンプ流量のグラフである。
【図６】図６は、本発明に係るバルブプレートの斜板モーメント対ポンプ流量のグラフである。
【図７】図７は、図３と同縮尺の本発明の他の実施の形態に係るバルブプレートの前面図であり、圧力−押しのけ容積の関係をグラフで示している。
【符号の説明】
１１アキシャルピストンポンプ
１９シリンダブロック
２１シリンダ
２３ピストン
２５入力軸
３３斜板
４０シリンダポート(腎臓形ポート)
４１流体入口
41a、41b、41c アーチ形入口部分
４３流体出口
43a、43b、43c アーチ形出口部分
51、61 バルブプレート
55、65 ウエブ部分
５７アンダーカット

Claims

ハウジング(13,35)と、該ハウジングに回転可能に支持された入力軸(25)と、前記ハウジング内に回転可能に配置され、前記入力軸(25)と共転して作動可能なシリンダブロック(19)とを備えた流体装置であって、
Ｎ個のシリンダ(21)が形成された前記シリンダブロック(19)と、
該シリンダブロック(19)の回転に応じて前記各シリンダ内に往復運動可能に配置されたピストン(23)であって、該ピストン(23)の往復運動量は、合力が作用する傾動可能な斜板(33)の傾斜角で決定される前記ピストン(23)と、
前記シリンダブロック(19)の回転中、該シリンダブロック(19)と滑動係合するように配置されたバルブ表面(39)を有し、流体入口(41)及び流体出口(43)が形成されたバルブプレート(51)を備えた前記ハウジング(13、35)と、
前記各シリンダ(21)と共同して開口連通するシリンダポート(40)が形成された前記シリンダブロック(19)と、
前記シリンダブロック(19)の回転中、前記流体入口(41)及び前記流体出口(43)と直列的に連通するように配置された前記各シリンダポート(40)と、
前記流体出口(43)の後端寄りに配置された第1ウエブ部分で分離された少なくとも一対のアーチ形の出口部分(43b,43c)から構成された前記流体出口(43)と、から構成された流体装置において、
（ａ）前記第１ウエブ部分(55)は、前記シリンダブロック(19)の回転中、前記斜板(33)上の合力を前記斜板(33)上のモーメントを減少させる方向に移動させるように、前記バルブ表面(39)の前記第１ウエブ部分(55)をアンダーカット(57)して変形された呼び断面積と呼び流量絞りを有しており、また、
（ｂ）前記流体出口(43)は、該流体出口の先端寄りに配置された第２ウエブ部分(47a)によって分離された３個のアーチ形の出口部分(43a,43b,43c)から構成されており、また、前記第１ウエブ部分(55)は前記流体出口(43)の後端寄りに配置されており、前記第２ウエブ部分は、呼び断面積と呼び流量絞りを有しており、前記変形された呼び断面積と呼び流量絞りを有していないことを特徴とする流体装置。
ハウジング(13,35)と、該ハウジングに回転可能に支持された入力軸(25)と、前記ハウジング内に回転可能に配置され、前記入力軸(25)と共転して作動可能なシリンダブロック(19)とを備えた流体装置であって、
Ｎ個のシリンダ(21)が形成された前記シリンダブロック(19)と、
該シリンダブロック(19)の回転に応じて前記各シリンダ内に往復運動可能に配置されたピストン(23)であって、該ピストン(23)の往復運動量は、合力が作用する傾動可能な斜板(33)の傾斜角で決定される前記ピストン(23)と、
前記シリンダブロック(19)の回転中、該シリンダブロック(19)と滑動係合するように配置されたバルブ表面(39)を有し、流体入口(41)及び流体出口(43)が形成されたバルブプレート(51)を備えた前記ハウジング(13、35)と、
前記各シリンダ(21)と共同して開口連通するシリンダポート(40)が形成された前記シリンダブロック(19)と、
前記シリンダブロック(19)の回転中、前記流体入口(41)及び前記流体出口(43)と直列的に連通するように配置された前記各シリンダポート(40)と、
前記流体出口(43)の先端寄りに配置された第1ウエブ部分で分離された少なくとも一対のアーチ形の出口部分(43a,43b)から構成された前記流体出口(43)と、から構成された流体装置において、
（ａ）前記第１ウエブ部分(65)は、前記シリンダブロック(19)の回転中、前記斜板(33)上の合力を前記斜板(33)上のモーメントを増加させる方向に移動させるように、前記バルブ表面(39)の前記第１ウエブ部分(65)をアンダーカット(57)して変形された呼び断面積と呼び流量絞りを有しており、また、
（ｂ）前記流体出口(43)は、該流体出口の後端寄りに配置された第２ウエブ部分(47b)によって分離された３個のアーチ形の出口部分(43a,43b,43c)から構成されており、また、前記第１ウエブ部分(65)は前記流体出口(43)の先端寄りに配置されており、前記第２ウエブ部分は、呼び断面積と呼び流量絞りを有しており、前記変形された呼び断面積と呼び流量絞りを有していないことを特徴とする流体装置。