JP4557514B2 - 内接歯車式ポンプ及びそのポンプのインナーロータ - Google Patents

Description

この発明は、歯形に工夫を凝らした内接歯車式ポンプのインナーロータと、そのインナーロータをアウターロータと組み合わせて構成される内接歯車式ポンプに関する。

内接歯車式ポンプの従来例として、例えば、下記特許文献１、２に示されるようなものがある。
実公平６−３９１０９号公報 特開平１１−８１１９３５号公報

特許文献１の内接歯車式ポンプは、基礎円径Ａ、転円径Ｂ、軌跡円径Ｃ、偏心量ｅの諸元に基づいて創成されるトロコイド形内接歯車ロータを採用している。

また、特許文献２の内接歯車式ポンプは、歯先がエピサイクロイド曲線、歯溝がハイポサイクロイド曲線のインナーロータと、歯先がハイポサイクロイド曲線、歯溝がエピサイクロイド曲線のアウターロータを組み合わせている。

上記特許文献１の内接歯車式ポンプは、インナーロータ歯先径が、インナーロータの歯数と、設計上の偏心量（インナーロータ中心とアウターロータ中心の偏心量）ｅ、基礎円径Ａ、転円形Ｂ、軌跡円形Ｃによって決まるため、逆に、インナーロータ歯先径を固定して偏心量を決めようとすると、偏心量ｅの設定に自由度がなく、吐出量を大きくすることができなかった。理論吐出量は偏心量ｅが大きくなるにつれて大きくできるため、吐出量を増やすには偏心量の設定に自由度を与える必要がある。

上記特許文献２の内接歯車式ポンプも、基礎円に外接して基礎円上を滑らずに転がる転円と、基礎円に内接して基礎円上を滑らずに転がる転円とで歯先と歯底を創成しているので前者と同様に偏心量ｅの設定に自由度がなく、吐出量を大きくすることができないと言う問題を有している。

この発明は、内接歯車式ポンプのロータの偏心量ｅの設定に自由度を与えて吐出量を大きくしうるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、インナーロータとそのインナーロータよりも歯数が１枚多いアウターロータから成る内接歯車式ポンプのインナーロータにおいて、歯底部がハイポサイクロイド曲線で、アウターロータとの噛合部がインボリュート曲線で、歯先部が任意の曲線で各々形成された歯を有し、
歯底部を形成するハイポサイクロイド曲線の基礎円の直径が噛合部を形成するインボリュート曲線の基礎円の直径よりも大きく、歯底部の前記ハイポサイクロイド曲線と噛合部の前記インボリュート曲線が前記ハイポサイクロイド曲線の基礎円の内側で互いにつながり、かつ、インナーロータ中心を中心とするつながり点を通る円のつながり点における接線とつながり点におけるインボリュート曲線の接線との傾き角が８５°よりも小さい内接歯車式ポンプのインナーロータを提供する。
ここで、噛合部とは、アウターロータとインナーロータを設計上の偏心位置で回転させ
たときに、アウターロータとインナーロータが噛み合う範囲のことを云う。

また、そのインナーロータと、このインナーロータの中心をアウターロータの中心周りに直径（２ｅ＋ｔ）の円を描いて公転させ、インナーロータ中心がその円を１周公転する間にインナーロータを１／ｎ回自転させ、こうして作られるインナーロータの歯形曲線群の包絡線を歯形にしたアウターロータとを組み合わせて構成される内接歯車式ポンプを提供する。ｅ：インナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量、ｔ：アウターロータとそれに押し付けたインナーロータ間の最大隙間、ｎ：インナーロータの歯数である。

インナーロータの歯先部の曲線は、円弧曲線や楕円の一部の曲線などでもよいが、エピサイクロイド曲線を用いると好ましい。

この発明のインナーロータは、歯底部と歯先部との間の噛合部をインボリュート曲線で構成している。インボリュート曲線は、トロコイド形内接歯車ロータやサイクロイド形内接歯車ロータと違って基礎円上を転円を転がらせてその転円の一点の軌跡で歯形を創成するという概念がなく、偏心量ｅとの関連がない。そのために、インナーロータ中心とアウターロータ中心の偏心量ｅの設定に自由度が生じ、偏心量ｅを大きくしてポンプの吐出量を大きくすることが可能になる。

このインナーロータは、歯底部を形成するハイポサイクロイド曲線の基礎円の直径が噛
合部を形成するインボリュート曲線の基礎円の直径よりも大きく、歯底部の前記ハイポサ
イクロイド曲線と噛合部の前記インボリュート曲線が前記ハイポサイクロイド曲線の基礎
円の内側で互いにつながり、インナーロータ中心を中心とするつながり点を通る円のつな
がり点における接線とつながり点におけるインボリュート曲線の接線の傾き角が８５°よ
りも小さい設計にしたことでアウターロータとの噛み合いが良好になされ、ロータが滑らかに回転する。

さらに、歯先部をエピサイクロイド曲線で形成したものは、ポンプの閉じ込み部の隙間が小さく抑えられてポンプの容積効率が向上する。エピサイクロイド曲線の歯先は噛合部のインボリュート曲線に滑らかにつなぐことができ、歯面の加工の容易化やポンプの騒音低減等の面でも有利な曲線と言える。

なお、このインナーロータと組み合わせるこの発明のポンプのアウターロータは、内接歯車ロータの円滑な回転のために、インナーロータの中心をアウターロータの中心周りに直径（２ｅ＋ｔ）の円を描いて公転させ、インナーロータ中心がその円を１周公転する間にインナーロータを１／ｎ回自転させできるインナーロータ歯形曲線群の包絡線で形成される歯形を採用する。

図１に、この発明のインナーロータの実施形態の要部を拡大して示す。図中１はインナーロータ、２はこのインナーロータの歯先、３はアウターロータとの噛合部、４は歯底である。

歯底４はハイポサイクロイド曲線で、噛合部３はインボリュート曲線で各々形成している。また、歯先２は円弧曲線であるが、楕円の一部の曲線や図１に一点鎖線で示すエピサイクロイド曲線を用いてもよい。

歯底４のハイポサイクロイド曲線は、直径ｄの転円５が直径Ｄ１の基礎円６に内接して滑らずに転がり、そのときの転円５の円周上の一点の軌跡で形成されている。噛合部３のインボリュート曲線の基礎円（ピッチ円）７の直径Ｄは、ハイポサイクロイド曲線の基礎円６の直径Ｄ１よりも小さい。基礎円６、７は同一位置に中心をもつ円である。

図示の歯形は、歯先２の高さ、歯底４の深さをそれぞれ歯丈の約１／３弱にし、残りの１／３強の領域を噛合部３となしているが、噛合部３の形成領域（歯丈方向の寸法）は必要に応じて増減することができる。

この歯形は、噛合部３の面の位置（インボリュート曲線の位置）を先ず設定し、そのインボリュート曲線に対して歯底４のハイポサイクロイド曲線が好ましい傾き角αをもってつながるように（そのつながり点をＱとする）ハイポサイクロイド曲線の基礎円６の直径Ｄ１と転円５の直径ｄを決定して創成する。

ここで言う傾き角αは、基礎円６、７の中心（図示せず）とつながり点Ｑとを通る半径方向の線Ｌと直角な線（これはつながり点Ｑを通るインナーロータ中心を中心とする円のつながり点Ｑにおける接線）を基準（０°）にした傾き角である。一般に内接歯車式ポンプのインナーロータの歯は４枚から１５枚のものが使用されており、この傾き角αは、８５°よりも小さくするのがよい。また、この傾き角αの下限は６５°程度が好ましい。吐出量を大きくするためには、インナーロータの歯数は４枚から１２枚程度が好ましく、このときの傾き角αは８０°以下、７０°以上が好ましい。

なお、インナーロータ１の直径、歯数、歯丈、歯間ピッチ、噛合部３のインボリュート曲線の位置及びＱ点における曲線の傾き角αが決まれば、歯底４を形成するハイポサイクロイド曲線の基礎円６の直径Ｄ１と転円５の直径ｄの適切な大きさが求まる。

歯先２の曲線は、図１に一点鎖線で示すエピサイクロイド曲線が噛合部３のインボリュート曲線とのつながりが滑らかになって好ましい。歯先２の曲線が噛合部３のインボリュート曲線に滑らかにつながると歯面の加工がし易くなる。また、アウターロータの歯との間に形成されるポンプの閉じ込み部の隙間も小さくなり、ポンプの容積効率も向上する。

図２、図３にこの発明のインナーロータ１を採用した内接歯車ロータの一例を示す。図中８はアウターロータである。図２は、ロータ間隙間（インナーロータ１とアウターロータ８間の隙間）が０になる位置をインナーロータ１の歯底とアウターロータ８の歯先との間に設定する例を、また、図３はロータ間隙間が０になる位置をインナーロータ１の歯先とアウターロータ８の歯底との間に設定する例をそれぞれ示している。

アウターロータ８は、以下の方法で形成した歯形を有する。

図４に示すように、インナーロータ１の中心Ｏｉをアウターロータ８の中心Ｏｏ周りに直径（２ｅ＋ｔ）の円Ｓを描いて公転させる。ｔはアウターロータ８とそのアウターロータ８に押し付けたインナーロータ１との間にできる最大隙間とする。

また、インナーロータ１の中心Ｏｉが円Ｓを１周する間にインナーロータ１を１／ｎ回自転させる。図４の一点鎖線は、インナーロータ１の中心Ｏｉがアウターロータ８の中心Ｏｏ周りに角度θ公転してＯｉ’点に移り、この間にインナーロータ１がθ／ｎ自転した位置でのインナーロータの歯形曲線を示している。この歯形曲線は、インナーロータの自転を伴う公転の各位置に表れ、この歯形曲線群の包絡線をアウターロータ８の歯形となしている。

なお、シミュレーションによる噛み合わせ回転試験でインナーロータとアウターロータの干渉が起こらないかを確認し、必要があればアウターロータ８の歯形に修正を加えて修正後の歯形をもつアウターロータを量産する。

上述したアウターロータ８と歯形が３種の曲線で構成されるインナーロータ１を組合わせ、これを、吸入口と吐出口を有するポンプケース（図示せず）に収納してこの発明の内接歯車式ポンプとなす。

図２、図３の歯形を有する内接歯車式ポンプ（発明品）と、前述の特許文献１の歯形を有する従来の内接歯車式ポンプ（比較品）の性能比較試験結果を以下に記す。

発明品と比較品の諸元は以下の通りである。

・発明品
歯数：インナーロータ９／アウターロータ１０
寸法：外径φ９４．０ｍｍ×厚み１０．８ｍｍ
偏心量ｅ：４．２ｍｍ
・比較品
歯数：インナーロータ９／アウターロータ１０
寸法：外径φ９４．０ｍｍ×厚み１０．８ｍｍ
偏心量ｅ：３．７３５ｍｍ
油温：８０℃、吐出圧力：０．５０ＭＰａの試験条件でのロータ回転数と吐出量の関係を図６に示す。

この試験結果から分かるように、この発明のインナーロータを採用すれば、インナーロータ１とアウターロータ８の偏心量ｅを従来品よりも大きくしてロータ外径とロータ厚みを変えずにポンプの吐出量を増加させることができる。

この発明のインナーロータの歯形の一部を拡大して示す図 この発明のポンプの内接歯車ロータの一例を示す図 この発明のポンプの内接歯車ロータの他の例を示す図 インナーロータを自転させながら公転させたときの歯形変位を示す図 従来ポンプの内接歯車ロータの一例を示す図 ロータ回転数と吐出量の関係の比較試験結果を示す図

符号の説明

１ インナーロータ
２ 歯先
３ 噛合部
４ 歯底
５ 転円
６ ハイポサイクロイド曲線の基礎円
７ インボリュート曲線の基礎円
８ アウターロータ

Claims (3)

1. インナーロータとそのインナーロータよりも歯数が１枚多いアウターロータから成る内接歯車式ポンプのインナーロータにおいて、歯底部がハイポサイクロイド曲線で、アウターロータとの噛合部がインボリュート曲線で、歯先部が任意の曲線で各々形成された歯を有し、
   前記ハイポサイクロイド曲線の基礎円の直径が前記インボリュート曲線の基礎円の直径
   よりも大きく、歯底部の前記ハイポサイクロイド曲線と噛合部の前記インボリュート曲線
   が前記ハイポサイクロイド曲線の基礎円の内側で互いにつながり、かつ、インナーロータ
   中心を中心とするつながり点を通る円のつながり点における接線とつながり点におけるイ
   ンボリュート曲線の接線との傾き角が８５°よりも小さい内接歯車式ポンプのインナーロータ。
2. 歯先部の曲線がエピサイクロイド曲線であることを特徴とする請求項１に記載の内接歯車式ポンプのインナーロータ。
3. 請求項１又は２に記載のインナーロータと、このインナーロータの中心をアウターロータの中心周りに直径（２ｅ＋ｔ）の円を描いて公転させ、インナーロータ中心がその円を１周公転する間にインナーロータを１／ｎ回自転させ、こうして作られるインナーロータの歯形曲線群の包絡線を歯形にしたアウターロータとを組み合わせて構成される内接歯車式ポンプ。
   ここに、ｅ：インナーロータの中心とアウターロータの中心の偏心量
   ｔ：アウターロータとそれに押し付けたインナーロータ間の最大隙間
   ｎ：インナーロータの歯数

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