JP5594948B2 - 斜板構造形式のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械 - Google Patents

Description

本発明は、斜板構造形式のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械であって、回転軸線を中心として回転可能に支承されたシリンダドラムを備えており、該シリンダドラムに複数のシリンダ孔が設けられており、これらのシリンダ孔に各１つのピストンが長手方向シフト可能に支承されており、これらのピストンが各１つの滑り部材、特に滑りシューを介して斜板に支持されている形式のものに関する。

斜板機械として形成された、このようなハイドロスタティック式アキシャルピストン機械の場合、ピストンはシリンダ孔と共に、圧力負荷されるシリンダ室を形成する。このシリンダ室からは、ピストン長手方向軸線の方向に向けられたピストン力が発生し、このピストン力は滑りシューを介して斜板に支持されている。この場合、ピストンと滑りシューとの間の滑りシュー継手において横方向力が発生し、この横方向力は、アキシャルピストン機械の回転軸線を中心として所定のトルクを生ぜしめる。

このような斜板機械においては、ピストンと滑りシューとの間に形成された滑りシュー継手が、シリンダ孔内のピストンの外側の支持点からピストン長手方向で隔てられているので、ピストンを負荷する傾動モーメントが更に生ぜしめられる。この場合、この傾動モーメント及び前記横方向力は、ピストンに作用する、斜板側の支持力とシリンダ孔側の支持力とから形成された力対を介して支持される。この場合、斜板側の支持力は、シリンダ孔内のピストンの外側の支持点延いてはシリンダ孔内のピストンのガイド長さの外端部に作用する。シリンダ孔側の支持力は、シリンダ孔内のピストンの内側の支持点延いてはシリンダ孔内のピストンのガイド長さの内端部に作用する。これらの支持力は、ピストンとシリンダ孔との間の摩擦を高めるので、斜板機械の効率が低下する。

更に、ピストンを負荷する傾動モーメントによって、ピストンとシリンダ孔との間にギャップが生じ、このギャップを通って圧力媒体がシリンダ室からケーシングに流入する。このギャップ流により、前記横方向力とは逆方向に向けられたハイドロスタティックな力が生ぜしめられ、このハイドロスタティックな力はピストンにおいて、シリンダ孔内のピストンのガイド長さの中間に作用する。

この場合、前記のハイドロスタティックな力によって、斜板側の支持力が軽減されると同時に、シリンダ孔側の支持力は高められる。前記ギャップ流に基づき生じるハイドロスタティックな力と、特にこのハイドロスタティックな力に起因するシリンダ孔側の支持力の増大とによって、アキシャルピストン機械の摩擦が高められ、これにより、斜板機械の効率は低下する。更にこれにより、シリンダ孔側の支持力が作用する、ピストンの内側のシリンダ室側の端面における摩耗が増大する。

本発明の課題は、効率及び摩耗特性に関して改善された、冒頭で述べた形式のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械を提供することである。

この課題を解決するために本発明では、ピストンとシリンダ孔との間に少なくとも１つの環状溝が形成されており、該環状溝が、シリンダ孔内のピストンのガイド長さ、特に最小ガイド長さの内側半分の領域内に配置されているようにした。

この場合、環状溝の領域にはハイドロスタティックな力は生じず、このハイドロスタティックな力は単にガイド長さの外側半分にしか形成されない。これにより、従来技術の斜板機械に比べて、当該のハイドロスタティックな力の値はより小さくなっており、作用点はガイド面の中心からガイド面の外側半分へずらされている。これにより、本発明による斜板機械では、従来技術の斜板機械と比べて斜板側の支持力の軽減はより少なく且つシリンダ孔側の支持力の付加的な負荷はより小さい。これにより全体として、ハイドロスタティックな力が存在する場合の支持力の和が、ハイドロスタティックな力無しの場合の支持力の和よりも小さくなるということが得られる。即ち全体として、ハイドロスタティックな力の存在する場合延いてはギャップを介した流れの存在する場合に、より小さな支持力延いてはピストンとシリンダ孔との間のより小さな摩擦が得られ、これにより、斜板機械の改善された効率が得られる。更に、ハイドロスタティックな力によるシリンダ孔側の支持力のより小さな付加的な負荷に基づき、ピストンの内側のシリンダ室側の端面はより小さな負荷に晒されているので、より小さな摩耗が得られ、これにより、ピストン及びシリンダ孔用には、耐摩耗性が比較的低い、延いては比較的廉価な材料対を用いることができる。

本発明の有利な構成では、少なくとも１つの環状溝がピストンに形成されている。ピストンには１つの環状溝若しくは複数の環状溝を簡単に製作することができる。

本発明の別の有利な構成では、少なくとも１つの環状溝がシリンダ孔に形成されている。シリンダ孔に１つ若しくは複数の環状溝を形成することにより、ピストンの安定性が損なわれることはない。

本発明の更に別の有利な構成では、少なくとも１つの環状溝が、ガイド長さの内端部から見て、シリンダ孔内のピストンのガイド長さ、特に最小ガイド長さの０．１５倍〜０．５倍の領域内に配置されている。このように、シリンダ孔内のピストンのガイド長さの内側半分の領域に１つ若しくは複数の環状溝を配置すると、ギャップ流に基づき生じるハイドロスタティックな力の摩擦を低下させる最大の効果が得られる。

この場合、前記環状溝は上で述べたガイド長さの領域の全体にわたって、又は部分的にのみ延在していてよい。

少なくとも１つの環状溝の内縁部が、ガイド長さの内端部から見て、このガイド長さ、特に最小ガイド長さの０．１５倍の範囲内に配置されており且つ少なくとも１つの環状溝の外縁部が、ガイド長さの内端部から見て、最小ガイド長さの０．５倍の範囲内に配置されている限りは、最小ガイド長さの内側半分において、この最小ガイド長さの０．１５倍〜０．５倍までの範囲内には、ギャップ流に基づきハイドロスタティックな力が生じることは無く且つガイド長さ、特に最小ガイド長さの０．１５倍までのシリンダ孔側の端部において、シリンダ孔側の支持力を吸収するための十分なピストン領域が供与されているということが簡単に得られる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、斜板機械１として形成された、従来技術のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械の縦断面図が示されている。

この斜板機械１は、回転軸線２を中心として回転可能に支承されたシリンダドラム３を有しており、このシリンダドラム３は同心的に配置された複数のシリンダ孔４を備えており、これらのシリンダ孔４には各１つのピストン５が長手方向摺動可能に支承されている。この場合、シリンダドラム３は回転軸線２に対して同心的に配置された駆動軸１４と相対回動不能に結合されている。

ピストン５は、それぞれ滑りシューとして形成された滑り部材６を介して斜板７に支持されている。このためには、ピストン５と滑り部材６との間に球状の滑りシュー継手８が形成されている。斜板７は、斜線で図示したケーシングに一体成形されていてよく、この場合、斜板機械１は不変の押退け体積を有している。但し、斜板７を移動可能に形成することも可能であり、これにより、斜板機械１は可変の押退け体積を有している。

シリンダドラム３は軸方向で、ケーシングに固定された制御面９に支持されており、この制御面９はディスク形の制御ボトム１０に形成されている。この制御ボトム１０は腎臓形の制御スリット１１，１２を備えており、これらの制御スリット１１，１２は斜板機械１の流入接続部と流出接続部とを形成している。シリンダドラム３は、各シリンダ孔４毎に１本の接続通路１３を有しており、この接続通路１３は、回転軸線２を中心としてシリンダドラム３が回転した場合に、シリンダ孔４及びピストン５により形成されたシリンダ室４ａの、制御スリット１１，１２延いては流入接続部及び流出接続部との接続を可能にする。

図２には、最大ピストン行程で外側の死点にあるピストン５が示されている。この場合、このピストン５は図２の右側のシリンダ室側の端面を、シリンダ室４ａ内に滞留する圧力及びこの結果生じる、ピストン長手方向軸線に向けられたピストン力Ｆ_Kにより負荷されている。このピストン力Ｆ_Kは、ピストン長手方向軸線に対して斜めに配置された斜板７に設けられた滑り部材６を介して、斜めに配置された支持力Ｆ_Nにより支持される。この支持力に基づき、滑りシュー継手８に作用する横方向力Ｆ_Qが生じ、この横方向力Ｆ_Qはシリンダドラム３を介して所定のトルクを駆動軸１４に生ぜしめる。

この場合、滑りシュー継手８は構造上、シリンダ孔４内のピストン５の外側の支持点Ａからピストン５の長手方向で隔てられているので、横方向力Ｆ_Qによりピストン５に作用する傾動モーメントが生ぜしめられ、この傾動モーメントはピストン５の長手方向軸線を傾斜させ且つ図２に示した傾斜位置に負荷する。

横方向力Ｆ_Q及び傾動モーメントは、ピストン５において斜板側の支持力Ｆ_Aとシリンダ孔側の支持力Ｆ_Bとから成る力対によって支持される。この場合、斜板側の支持力Ｆ_Aはシリンダ孔４内のピストン５の外側の支持点Ａ延いてはシリンダ孔４内のピストン５のガイド長さＬ_Fの外端部に作用する。ピストン５の図示の位置では、前記の外側の支持点Ａはシリンダドラムの斜板７に面した端面３ａに位置しているので、斜板側の支持力Ｆ_Aはシリンダドラム３の斜板７に面した端面３ａに作用する。ピストン５が滑りシュー継手８の領域に縁曲げ部を有している場合、当該ピストン５は同様に最小ピストン行程においても、内側の死点の領域が、今やシリンダ孔４内に位置する外側の支持点Ａと滑りシュー継手８との軸方向間隔に基づき、傾動モーメントによって負荷されている。シリンダ孔側の支持力Ｆ_Bは、シリンダ孔４内のピストン５の内側の支持点Ｂ延いてはシリンダ孔４内のピストン５のガイド長さＬ_Fの内端部に作用する。図２においてピストン５は最大ピストン行程延いてはシリンダ孔４内の最小のガイド長さＬ_Fを有している。この場合、シリンダ孔４内のピストン５のガイド長さＬ_Fは、例えばシリンダドラム３の端面３ａに位置する外側の支持点Ａから、ピストン５のシリンダ室側の端面に位置する内側の支持点Ｂまで延びており、前記支持点Ａはガイド長さＬ_Fの外端部を成しており、前記支持点Ｂはガイド長さＬ_Fの内端部を成している。

更に、前記傾動モーメント及びこれに起因するピストン５の傾斜位置に基づき、ピストン５とシリンダ孔４との間にはギャップ１５が生じ、このギャップ１５を介して圧力媒体がシリンダ室４からケーシングに流入する。

この場合、圧力媒体は図２において矢印１６で示したように、シリンダ室４ａからピストン５とシリンダ孔４との間で狭まるギャップ１５に流入し、ピストン５を半径方向で周流し且つ再び広がるギャップ１５を介してケーシングに流入する。この場合、ギャップ１５を介して流れる圧力媒体流の圧力は、ピストン全周にわたって一定ではない。この場合、周方向で作用する圧力の統合により生じる、ガイド長さＬ_Fにわたる圧力分布Ｐが、図２に付加的な線図として示されている。ピストン５のガイド長さＬ_F全体にわたって延びる前記の対称的な圧力分布は、全ての圧力が統合された場合にハイドロスタティックな力Ｆ_Eをもたらし、このハイドロスタティックな力Ｆ_Eは、前記横方向力Ｆ_Qとは逆方向に向けられており且つガイド長さＬ_Fの中間でピストン５とシリンダ孔４との間に作用する。

前記のハイドロスタティックな力Ｆ_Eにより、斜板側の支持力Ｆ_Aが軽減され且つシリンダ孔側の支持力Ｆ_Bが同程度負荷される。従って、支持力Ｆ_A，Ｆ_Bの和延いてはこれに起因する摩擦力は、ハイドロスタティックな力Ｆ_Eを伴った運転状態と、ハイドロスタティックな力Ｆ_Eを伴わない運転状態とにおいて一定である。高い支持力Ｆ_A，Ｆ_Bにより生ぜしめられる高い摩擦力は、従来技術の斜板機械１の効率の低下を招く。

更に、ハイドロスタティックな力Ｆ_Eにより生ぜしめられた、シリンダ孔側の支持力Ｆ_Bの増大は、図２の右側に示したピストン５のシリンダ室側の端面のより高い負荷延いてはピストン５のより大きな摩耗を生ぜしめる。

図３から判るように、本発明ではピストン５とシリンダ孔４との間に少なくとも１つの環状溝２０が形成されており、この環状溝２０はシリンダ孔４内のピストン５の最小限のガイド長さＬ_Fの内側半分Ｌ_Fiの範囲内に配置されている。図３では、前記環状溝２０はシリンダ孔４に配置されている。この場合、環状溝２０の内縁部２１ａは、ガイド長さＬ_Fの内端部から見て最小限のガイド長さＬ_Fの０．１５倍の範囲内に配置されている。環状溝２０の外縁部２１ｂは、ガイド長さＬ_Fの内端部から見て最小限のガイド長さＬ_Fの０．５倍の範囲内に配置されている。

即ち、環状溝２０はガイド長さＬ_Fの内側半分Ｌ_Fiの領域において、シリンダ孔４内のピストン５の最小限のガイド長さＬ_Fの０．１５倍〜０．５倍の範囲内に配置されており且つガイド長さＬ_Fのこの範囲のほぼ全体にわたって延びている。

この場合、環状溝２０によって、シリンダ室４ａからギャップ１５を介してケーシングに流入する圧力媒体は、環状溝２０の領域で、この環状溝２０により得られるピストン５とシリンダ孔４との間の大きなギャップ高さに基づき、ピストン５の周りをほぼ圧力損失無しで流れることができるので、ピストン５の周面にわたってほぼ同じ圧力が形成され、延いてはピストン周面にわたって圧力が統合された後も、環状溝２０の領域においてピストン５とシリンダ孔４との間にハイドロスタティックな力は作用しない。つまり、ピストン周面に圧力が統合されると、図３に図示した圧力分布Ｐが形成され、この圧力分布Ｐはほぼガイド長さＬ_Fの外側半分Ｌ_Faにわたってしか延在していない。

この場合、前記圧力分布Ｐに基づき生じるハイドロスタティックな力Ｆ_Eは、従来技術の斜板機械１におけるハイドロスタティックな力Ｆ_Eよりも小であり、当該のハイドロスタティックな力Ｆ_Eの作用点は、最早従来技術の斜板機械の場合のようにガイド長さＬ_Fの中間に位置するのではなく、図３の左側に示したシリンダドラム３の端面３ａに向かって、ガイド長さＬ_Fの外側半分Ｌ_Faにずらされている。

ハイドロスタティックな力Ｆ_Eの前記作用点及び値に基づき、本発明による斜板機械１では従来技術の斜板機械１と比べて、斜板側の支持力Ｆ_Aがより少なく軽減され且つシリンダ孔側の支持力Ｆ_Bがより少なく負荷される。

これにより、両支持力Ｆ_A，Ｆ_Bの和は、ハイドロスタティックな力Ｆ_Eが加わった場合、このハイドロスタティックな力Ｆ_E無しの運転状態よりも小さくなる。従って、本発明による環状溝２０によりギャップ流に基づき生じるハイドロスタティックな力Ｆ_Eによって、両支持力Ｆ_A，Ｆ_B及びこれらの支持力Ｆ_A，Ｆ_Bの結果生じる摩擦力の減少が得られ、これにより、本発明による斜板機械の効率の改善が得られる。更に、シリンダ孔側の支持力Ｆ_Bの比較的小さな増大に基づき、ピストン５のシリンダ室側の端面はより少なく負荷されるので比較的小さな摩耗が生じ、ピストン５及びシリンダ孔４のためには、耐摩耗性の低い、比較的廉価な材料対が使用可能である。

図３に示した実施例では、環状溝２０はガイド長さＬ_Fの内端部から見て、ほぼ完全に最小ガイド長さＬ_Fの０．１５倍〜０．５倍まで延びている。

但し同様に、図４に基づき、当該のガイド長さＬ_Fの内側半分Ｌ_Fiの領域に、複数の、例えば２つの環状溝２０ａ，２０ｂを配置することも可能である。この場合、内側の環状溝２０ａの内縁部２１ａは、図３に示した環状溝２０の内縁部２１ａと同様、ガイド長さＬ_Fの内端部から見て、最小ガイド長さＬ_Fの０．１５倍の領域内に配置されている。これに対応して、外側の環状溝２０ｂの外縁部２１ｂは、図３に示した環状溝２０の外縁部２１ｂと同様に、最小ガイド長さＬ_Fの０．５倍の領域内に配置されている。

更に、図５に基づき１つの環状溝２０又は複数の環状溝をピストン５に配置することができ、この場合、ガイド長さＬ_Fに関する内縁部２１ａ及び外縁部２１ｂの配置形式は、図３及び図４に示した本発明による実施形態と同じである。

従来技術の斜板機械の縦断面図である。 図１の部分拡大図である。 本発明による斜板機械の第１実施例を図２と同様に示した図である。 本発明による斜板機械の第２実施例を図２と同様に示した図である。 本発明による斜板機械の第３実施例を図２と同様に示した図である。

符号の説明

１ 斜板機械、 ２ 回転軸線、 ３ シリンダドラム、 ３ａ 端面、 ４ シリンダ孔、 ４ａ シリンダ室、 ５ ピストン、 ６ 滑り部材、 ７ 斜板、 ８ 滑りシュー継手、 ９ 制御面、 １０ 制御ボトム、 １１，１２ 制御スリット、 １３ 接続通路、 １４ 駆動軸、 １５ ギャップ、 ２０ 環状溝、 ２０ａ 内側の環状溝、 ２０ｂ 外側の環状溝、 ２１ａ 内縁部、 ２１ｂ 外縁部

Claims (3)

1. 斜板構造形式のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械であって、回転軸線を中心として回転可能に支承されたシリンダドラムを備えており、該シリンダドラムに複数のシリンダ孔が設けられており、これらのシリンダ孔に各１つのピストンが長手方向シフト可能に支承されており、これらのピストンが各１つの滑り部材を介して斜板に支持されている形式のものにおいて、
   ピストン（５）とシリンダ孔（４）との間に少なくとも１つの環状溝（２０；２０ａ，２０ｂ）が形成されており、該環状溝が、ピストン（５）が外側の死点にあるときのシリンダ孔（４）内のピストン（５）の最小ガイド長さ（Ｌ_F）の内側半分（Ｌ_Fi）の領域内に配置されており、
   前記の少なくとも１つの環状溝（２０；２０ａ，２０ｂ）がシリンダ孔（４）に形成されており、
   前記の少なくとも１つの環状溝（２０；２０ａ，２０ｂ）の全てが、最小ガイド長さ（Ｌ _F ）のシリンダ孔（４）内の内端部から見て、シリンダ孔（４）内のピストン（５）の最小ガイド長さ（Ｌ_F）の０．１５倍〜０．５倍までの領域内に配置されていることを特徴とする、斜板構造形式のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械。
2. 前記の少なくとも１つの環状溝（２０；２０ａ，２０ｂ）の、最小ガイド長さの（Ｌ _F ）のシリンダ孔（４）内の内端部に最も近い内縁部（２１ａ）が、最小ガイド長さ（Ｌ _F ）のシリンダ孔（４）内の内端部から見て、最小ガイド長さ（Ｌ_F）の０．１５倍の位置に配置されている、請求項１記載のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械。
3. 前記の少なくとも１つの環状溝（２０；２０ａ，２０ｂ）の、最小ガイド長さの（Ｌ _F ）のシリンダ孔（４）内の内端部から最も遠い外縁部（２１ｂ）が、最小ガイド長さ（Ｌ _F ）のシリンダ孔（４）内の内端部から見て、最小ガイド長さ（Ｌ_F）の０．５倍の位置に配置されている、請求項１又は２記載のハイドロスタティック式アキシャルピストン機械。

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