JP4967180B2 - 内接歯車ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、製造コストを高めずに吐出脈動の低減やキャビテーション特性の向上を図った内接歯車ポンプに関する。

内接歯車ポンプは、車のエンジンや自動変速機（ＡＴ）用のオイルポンプなどとして多用されている。その内接歯車ポンプの従来例として、歯数がＮのインナーロータと（Ｎ＋１）のアウターロータを偏心配置にして組み合わせたものがある。このタイプのポンプは、ポンプロータを構成するインナーロータとアウターロータ間にロータ回転によって容積が増減するポンプ室（ポンピングチャンバ）が作り出され、そのポンプ室がポンプケースに形成された吸入ポートと吐出ポートに交互に開口して流体の吸入、吐出がなされる。その種の内接歯車ポンプが下記特許文献１などに開示されている。

その特許文献１が開示している内接歯車ポンプは、吐出ポートの始端からロータ回転方向と反対方向に延び出すノッチ（溝）をポンプケースに設け、吐出ポートの圧力をそのノッチ経由で吸入ポートから切り離されたポンプ室に導入するようにしており、そのことでポンプ室が吐出ポートに開口したときのポンプ室の圧力の急激な変化を緩和して吐出脈動の低減やキャビテーション特性の向上を図っている。
これと類似の内接歯車ポンプは、下記特許文献２にも開示されている。

特開２００３−２１４３５６号公報 特開２００４−３３２６９６号公報

特許文献１に開示されたポンプは、吐出ポート始端位置の不可避の加工誤差（取り代のばらつき）によって前記ノッチの起点位置（吐出ポートに繋がる始端位置）がばらつく。そのノッチを延びだし方向前方に向って次第に浅くしているものについては、起点位置がばらつくことでノッチ深さもばらつき、このことが原因でポンプ性能にばらつきが発生する。

また、同文献のポンプは、ノッチ加工を必要とするので、生産性に影響し、コストが高くつく。特許文献２のポンプも同様である。

この発明は、生産性の向上やコスト低減のために、インナーロータとアウターロータの歯数差が１つのポンプロータを採用した内接歯車ポンプを改善の対象にし、ポンプ室への事前の吐出ポート圧導入による吐出脈動の低減やキャビテーション特性の向上を、ノッチを設けずに実現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、歯数がＮのインナーロータと歯数が（Ｎ＋１）のアウターロータを偏心配置にして組み合わせたポンプロータを、吸入ポートと吐出ポートを有するポンプケースに収納した内接歯車ポンプにおいて、
吐出ポートの始端を、ポンプ室閉じ込み位置からロータ回転方向に進角してその吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランス（インナーロータとアウターロータの歯間最小隙間）が０．３〜０．７ｍｍである位置に設定した。

吸入ポートから切り離されたポンプ室の吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスは、インナーロータの歯のロータ回転方向後方側でアウターロータの歯との間に生じる。そのチップクリアランスは、通常、ポンプ室が吸入ポートから切り離された位置で最小になり、その後、ロータが所定量回転するまでは徐々に大きくなる。

この発明は、吸入ポートから切り離されたポンプ室の吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスが、０．３ｍｍを超えるように歯形設計がなされているポンプを適用対象にする。そのチップクリアランスは、歯形を補正して意図的に０．３ｍｍ以上に拡大させたものであってもよい。

この発明のポンプは、吐出ポートの始端を、ポンプ室が吸入ポートから切り離された位置での吐出ポート側閉じ込み点からロータ回転方向前方に進角して吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスが０．３〜０．７ｍｍに拡がる位置に設定しており、吸入ポートから切り離されたポンプ室への吐出ポート圧力の導入を、ノッチを設けずに行って吐出脈動の低減やキャビテーション特性の向上を図ることができる。

吐出ポートの圧力が、吐出ポートに先行して開口したポンプ室からそのポンプ室のロータ回転方向後方のチップクリアランス（＝後続のポンプ室の吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランス）を介して後続のポンプ室に導入される。これによって吸入ポートから切り離された後続のポンプ室が昇圧され、その状態で後続のポンプ室が吐出ポートに開口する。

このように、圧力導入用のノッチを設ける場合と同じ状況がノッチ無しで作り出され、従って、ノッチの設置に起因したポンプ性能のばらつきとコスト上昇の問題が併せて解決され、性能の安定したポンプを安価に提供することが可能になる。

なお、吸入ポートから切り離されたポンプ室に吐出ポートの圧力を事前に導入することでポンプ室が吐出ポートに開口したときの急激な内圧変化を緩和することができるが、前記チップクリアランスが小さすぎて吐出ポート圧力の導入が十分になされなければ内圧変化の緩和効果が存分に発揮されない。また、そのチップクリアランスが大きすぎると吸入ポートから切り離されたポンプ室への吐出ポート圧力の導入が過剰になり、ポンプ室の急激な内圧変化を抑制する目的が損なわれる。この問題に対応するために、吐出ポートの始端を設定する箇所のチップクリアランスについて上下限を設定する。

吐出ポートの始端を、吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスが０．３〜０．７ｍｍである上記の位置に配置することで、吐出ポートの圧力を吸入ポートから切り離されたポンプ室に過不足なく導入して上記の不具合を回避することができる。

また、吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスは、通常、ポンプ室が吸入ポートから切り離された位置で最小になり、そこからロータが所定量回転するまでは徐々に大きくなるように設定される。そのような設計がなされたものは、吸入ポートから切り離されたポンプ室が吐出ポートに達するまでの間の容積縮小によるポンプ室の内圧上昇も起こるので、ポンプ室が吐出ポートに開口したときの圧力の急変の防止がより効果的になされる。

この発明の内接歯車ポンプの一例をケースのカバーを外して示す正面図 進角設定の起点となる位置（容積が最大のポンプ室を吐出ポート側で閉じ込める位置）を示す図 吐出ポート始端でのチップクリアランスを拡大して示す図 （ａ）インナーロータの特殊歯形の創成方法の解説図、（ｂ）同上の方法での歯先創成円の中心の移動状態を示すイメージ図 アウターロータの歯形創成方法の解説図

以下、添付図面の図１〜図５に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。図１に示す内接歯車ポンプ１は、インナーロータ２とアウターロータ３を偏心配置にして組み合わせたポンプロータ４を採用し、そのポンプロータ４を、ポンプケース５に形成されたロータ室６に収納して構成されている。ポンプケース５には、ロータ室６を覆うカバー（図示せず）が含まれる。

ポンプケース５に設けられたロータ室６の側面には、吸入ポート７と吐出ポート８が形成されている。インナーロータ２とアウターロータ３間には、ポンプ室９が形成され、このポンプ室９がロータ回転に伴って吸入ポート７と吐出ポート８に交互に開口し、吸入行程でのロータ回転によるポンプ室９の容積増加によりオイルなどの流体が吸入ポート７からポンプ室９に吸入される。

また、吐出行程では、ロータ回転に伴ってポンプ室９の容積が減少し、ポンプ室９内の流体が吐出ポート８に送り出される。１０は、インナーロータ２に形成した軸穴であり、この軸穴１０にインナーロータ２を回転させる駆動軸（図示せず）が通される。

ポンプロータ４は、アウターロータ３の歯数がインナーロータ２の歯数よりも１つ多いものを用いる。歯形は特に問わないが、吐出行程に移ったポンプ室９を吐出ポート８に開口させようとする位置でインナーロータ２とアウターロータ３の歯間に形成されるチップクリアランスｇが０．３ｍｍ以上確保される必要があるので、トロコイド曲線やサイクロイド曲線の歯形を採用したポンプよりも、サイクロイド曲線とインボリュート曲線を併用した歯形を有する前掲の特許文献１のポンプや、特殊形状の歯形（その歯形の創成方法は後に説明する）を採用したポンプが好ましい。それらのポンプは、歯形設計に自由度があり、吸入ポートから切り離されたポンプ室が吐出ポートに到達する位置での吐出ポート側チップクリアランスを０．３ｍｍ以上確保することができる。

吸入ポート７の終端は、基本設計位置（容積が最大となったポンプ室を閉じ込める位置）に配置してもよいし、前掲の特許文献１が提案しているように、基本設計位置よりもロータの回転方向前方に配置してもよい。

吐出ポート８の始端８ｓは、吸入ポート７から切り離された容積最大のポンプ室９を吐出ポート側で閉じ込める位置（図２のＱ点。ここを進角設定の起点とする）からロータ回転方向前方に進角して同ポンプ室９の吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスｇ（図３参照）が０．３〜０．７ｍｍに拡がる位置に設定される。

これにより、吸入ポート７から切り離されたポンプ室９が吐出ポート８に開口する前に、先行したポンプ室９に導入されている吐出ポート圧力が吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスｇを介して後続のポンプ室９に導入され、そのために、後続のポンプ室９の圧力が高まり、その後続のポンプ室９が吐出ポート８に開口するときのポンプ室圧力と吐出ポート圧力の差が小さくなってポンプ室圧力の急変を効果的に抑制することができる。

特殊形状の歯形は、インナーロータ２の歯形の歯先曲線、歯底曲線のいずれか一方又は双方が、図４（ａ）、（ｂ）に示す方法で創成される。この方法での歯先曲線や歯底曲線は、インナーロータ中心Ｏ_Ｉと同心の直径Ａｄの基準円Ａ上の基準点Ｊと重なる点ｊを外周に有する直径Ｂｄ，Ｃｄの創成円Ｂ，Ｃが、下記の条件を満たして移動したときに前記点ｊが描く軌跡曲線によって構成される。
−創成円Ｂ，Ｃの移動条件−
・創成円Ｂ，Ｃは、前記点ｊが前記基準円Ａ上の基準点Ｊに重なる位置（移動始点Ｓｐａ，Ｓｐｂ）から移動を開始し、インナーロータ中心Ｏ_Ｉから創成円中心までの距離を変化させながら、前記点ｊが歯先頂点Ｔ_Ｔ又は歯底頂点Ｔ_Ｂに位置する移動終点Ｌｐａ，Ｌｐｂへ移動し、その間に創成円中心が基準円Ａの径方向に距離Ｒ移動し、かつ、歯先、歯底の創成円Ｂ，Ｃがその円の移動方向と同方向に一定角速度で角度θ自転する。

この方法でのインナーロータ２の歯形創成は、歯先創成円Ｂが、移動始点Ｓｐａから直線Ｌ_２側に向って一定の角速度で回転しながら移動終点Ｌｐａまで角度θ_Ｔの範囲で移動し、この間に基準円Ａの径方向に距離Ｒ移動する。その歯先創成円Ｂが、移動始点Ｓｐａから移動終点Ｌｐａに至る間に角度θ自転し、創成円上の点ｊが角度θ変位して歯先頂点Ｔ_Ｔに到達する。この間の前記点ｊの軌跡によってインナーロータの歯先の歯形の半分が描かれる。

この際の、歯先創成円Ｂの自転の方向と、角度θ_Ｔの範囲での移動方向は同一である。つまり、自転の方向が右回転であれば、歯先創成円Ｂの移動の方向も右回りである。

このようにして描いた歯形曲線を直線Ｌ_２に対して反転する（直線Ｌ_２を中心にして対称形状にする）ことにより、インナーロータ２の歯先曲線が出来上がる。

歯底曲線も同様にして描くことができる。直径φＣｄの歯底創成円Ｃを歯先創成円Ｂが回転する方向とは逆方向に一定角速度で回転させながら移動始点Ｓｐｂから移動終点Ｌｐｂに向けて角度θ_Ｂの範囲で移動させると、歯底創成円Ｃの円周の一点ｊが基準円Ａ上の基準点Ｊに重なる位置から直線Ｌ_３上に設定された歯底頂点Ｔ_Ｂに到達するまでの軌跡によってインナーロータの歯底の歯形の半分が描かれる。

この方法での創成円Ｂ，Ｃは、それぞれの直径を一定に保って移動始点から移動終点へ移動する円と、一定回転角当たりに直径を一定量縮めながら移動始点から移動終点へ移動する円（好ましくは移動終点での直径が移動始点での直径の０．２倍未満にならない円）のどちらかである。

創成円Ｂ，Ｃを移動させる曲線の軌道ＡＣ_１，ＡＣ_２は、インナーロータ中心Ｏ_Ｉから創成円中心までの距離の変化率ΔＲが移動終点Ｌｐａ，Ｌｐｂにおいて０になるものが好ましい。その曲線の軌道ＡＣ_１，ＡＣ_２が、正弦曲線を用いてインナーロータ中心Ｏ_Ｉからの距離の変化率ΔＲについて下式を満たす軌道であるのも好ましい。
ΔＲ＝Ｒ×ｓｉｎ（π／２×ｍ／ｓ）
ここにおいて、ｓ：ステップ数、ｍ＝０→ｓ
この軌道ＡＣ_１，ＡＣ_２は、余弦曲線、高次曲線、円弧曲線、楕円曲線、もしくはこれらの曲線と一定の傾きをもつ直線とを合成した曲線を用いて創成される曲線でもよい。

歯先頂点Ｔ_Ｔと歯底頂点Ｔ_Ｂは、前記基準円Ａ上の基準点Ｊとインナーロータ中心Ｏ_Ｉとを結ぶ直線をＬ_１として、その直線Ｌ_１から角度θ_Ｔ回転した位置の直線Ｌ_２上及び直線Ｌ_１から角度θ_Ｂ回転した位置の直線Ｌ_３上にそれぞれ設定される。また、直線Ｌ_１と直線Ｌ_２間の角度θ_Ｔ及び直線Ｌ_１と直線Ｌ_３間の角度θ_Ｂは、歯数と歯先部、歯底部の設置領域の比率などを考慮して設定される。

歯先創成円Ｂと歯底創成円Ｃの中心の移動始点Ｓｐａ，Ｓｐｂは、直線Ｌ_１上にあり、また、これ等の円の中心の移動終点Ｌｐａ，Ｌｐｂは、直線Ｌ_２，Ｌ_３上にある。

図４の方法で創成された曲線を歯先に適用したインナーロータ２の歯底形状は、歯底創成円Ｃを用いて歯先と同様の方法で創成してもよいし、既知のトロコイド曲線を用いて創成される歯形やサイクロイド曲線の歯形を採用してもよい。同様に、図４の方法で創成された歯形曲線を歯底に適用したインナーロータ２の歯先形状は、トロコイド曲線を用いて創成される歯形やサイクロイド曲線の歯形を採用してもよい。

アウターロータ３は、図５に示すように、インナーロータ２の中心Ｏ_Ｉをアウターロー
タ３の中心Ｏ_Ｏ周りに直径（２ｅ＋ｔ）の円Ｓを描いて公転させ、インナーロータ中心Ｏ
_Ｉがその円Ｓを１周公転する間にインナーロータ２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で歯形を形成したものになっている。
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の歯先間最大隙間（チップクリアランス）
Ｎ：インナーロータの歯数

このようにして歯形を創成したポンプロータは、インナーロータ２とアウターロータ３の歯形設定に自由度があり、吸入ポート７から切り離されたポンプ室９の吐出ポート８側の閉じ込み部のチップクリアランスｇを０．３ｍｍ以上確保することができる。

下記の歯形のポンプロータを有する内接歯車ポンプ（発明品）を試作した。その試作ポンプの諸元を以下に示す。
・インナーロータ歯数Ｎ：１０
・アウターロータ大径（歯底円径）：φ５１．９４ｍｍ
・アウターロータ小径（歯底円径）：φ３８．３４ｍｍ
・インナーロータ大径（歯先円径）：φ４５．０８ｍｍ
・インナーロータ小径（歯先円径）：φ３１．４８ｍｍ
・偏心量ｅ：３．４ｍｍ
・基準円の直径：φ３６．００ｍｍ
・歯先創成円の直径：φ１．９８ｍｍ
・歯底創成円の直径：φ１．６２ｍｍ
・ロータ厚み１０ｍｍ当たりの理論吐出量：８．５２ｃｃ／ｒｅｖ／ｃｍ
・吐出ポート始端：吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランスｇが０．５ｍｍになる位置まで基本設計位置から進角した位置に設定。

上記諸元のポンプと、吐出ポート始端を基本設計位置においた進角設定無しの同一仕様の比較ポンプを用いて性能評価試験を行なった。

その結果、比較品の吐出脈動幅が５８６ｋＰａであったのに対し、吐出ポート側チップクリアランスが０．５ｍｍになる位置に吐出ポートの始端を進角設定した発明品の吐出脈動幅は２６９ｋＰａであり、ノッチ無しでの吐出脈動の低減効果を確認できた。
なお、この試験での吐出脈動幅は、吐出圧力：２．５ＭＰａ、回転数：５０００ｒｐｍ、油種：ＡＴＦ、油温：８０℃の条件でポンプを運転し、このときの最大圧力と最小圧力の差（脈動幅）を求めた。

１ 内接歯車ポンプ
２ インナーロータ
３ アウターロータ
４ ポンプロータ
５ ポンプケース
６ ロータ室
７ 吸入ポート
８ 吐出ポート
８ｓ 吐出ポートの始端
９ ポンプ室
１０ 軸穴
ｇ チップクリアランス
Ｑ 容積最大のポンプ室を吐出ポート側で閉じ込める位置
Ａ 基準円
Ａｄ 基準円Ａの直径
Ｂ 歯先創成円
φＢｄ 歯先創成円Ｂの直径
Ｓｐａ 歯先創成円Ｂの移動始点
Ｌｐａ 歯先創成円Ｂの移動終点
Ｃ 歯底創成円
φＣｄ 歯底創成円Ｃの直径
Ｓｐｂ 歯底創成円Ｃの移動始点
Ｌｐｂ 歯底創成円Ｃの移動終点
ＡＣ_１ 歯先創成円Ｂの中心が移動する曲線の軌道
ＡＣ_２ 歯底創成円Ｃの中心が移動する曲線の軌道
Ｊ 基準円Ａ上の基準点
ｊ 創成円上の１点
Ｔ_Ｔ インナーロータの歯先頂点
Ｔ_Ｂ インナーロータの歯底頂点
Ｌ_１ インナーロータ中心Ｏ_Ｉと基準点Ｊとを結ぶ直線
Ｌ_２ インナーロータ中心Ｏ_Ｉと歯先頂点Ｔ_Ｔを結ぶ直線
Ｌ_３ インナーロータ中心Ｏ_Ｉと歯底頂点Ｔ_Ｂを結ぶ直線
θ_Ｔ 直線Ｌ_１から直線Ｌ_２までの回転角（∠ＳｐａＯ_ＩＴ_Ｔ）
θ_Ｂ 直線Ｌ_１から直線Ｌ_３までの回転角（∠ＳｐｂＯ_ＩＴ_Ｂ）
Ｒ 創成円の径方向移動距離
ΔＲ 距離Ｒの変化率
ｐａ 創成円中心
ｅ インナーロータ中心とアウターロータ中心の偏心量
ｔ チップクリアランス
Ｎ インナーロータの歯数
Ｏ_Ｉ インナーロータ中心
Ｏ_Ｏ アウターロータ中心
Ｓ ２ｅ＋ｔの直径を持つ円

Claims (2)

1. 歯数がＮのインナーロータ（２）と歯数が（Ｎ＋１）のアウターロータ（３）を偏心配置にして両ロータ間にロータ回転に伴って容積の増減するポンプ室（９）を作り出したポンプロータ（４）を、吸入ポート（７）と吐出ポート（８）を有するポンプケース（５）に収納して構成される内接歯車ポンプにおいて、
   吐出ポートの始端（８ｓ）を、吸入ポート（７）から切り離されたポンプ室（９）の吐出ポート側閉じ込み部のチップクリアランス（ｇ）が０．３〜０．７ｍｍである位置に設定したことを特徴とする内接歯車ポンプ。
2. 前記ポンプロータ（４）として、
   歯先曲線と歯底曲線の少なくとも一方が、インナーロータ中心（Ｏ_Ｉ）と同心の直径（
   Ａｄ）の基準円（Ａ）上の基準点（Ｊ）と重なる点（ｊ）を外周に有する直径（Ｂｄ，Ｃ
   ｄ）の創成円（Ｂ，Ｃ）が、下記の条件を満たして移動したときに前記点（ｊ）が描く軌
   跡曲線によって構成されたインナーロータ（２）と、このインナーロータ（２）の中心（
   Ｏ_Ｉ）をアウターロータ（３）の中心（Ｏ_Ｏ）周りに直径（２ｅ＋ｔ）の円（Ｓ）を描い
   て公転させ、インナーロータ中心（Ｏ_Ｉ）がその円（Ｓ）を１周公転する間にインナーロ
   ータ（２）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
   で歯形を形成したアウターロータ（３）を組み合わせたものを用いた請求項１に記載の内
   接歯車ポンプ。
   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の歯先間最大隙間
   記
   −創成円Ｂ，Ｃの移動条件−
   ・創成円Ｂ，Ｃは、前記点ｊが前記基準円Ａ上の基準点Ｊに重なる位置（移動始点Ｓｐａ
   ，Ｓｐｂ）から移動を開始し、インナーロータ中心Ｏ_Ｉから創成円中心までの距離を変化
   させながら、前記点ｊが歯先頂点Ｔ_Ｔ又は歯底頂点Ｔ_Ｂに位置する移動終点Ｌｐａ，Ｌｐ
   ｂへ移動し、その間に創成円中心が基準円Ａの径方向に距離Ｒ移動し、かつ、創成円Ｂ，
   Ｃがその円の移動方向と同方向に一定角速度で角度θ自転する。

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