JP6195814B2 - ラジアルピストン式の油圧機械、油圧トランスミッション及び風力発電装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、シリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンに回転自在に取り付けられたローラと、ローラが転動するカム面を有するリングカムとを備えたラジアルピストン式油圧機械が開示されている。また、特許文献2には、風力発電装置のドライブトレインとして機能するラジアルピストン式油圧機械も開示されている。
この点、特許文献1及び2には、ラジアルピストン式油圧機械においてローラがカム面を転動する構成については開示されているものの、ローラ面とカム面との間の油膜を維持することについては何ら開示されていない。
前記油圧機械の半径方向に沿って配置された少なくとも1つのピストンと、
前記ピストンに回転自在に設けられ、ローラ面を有するローラと、
潤滑油の油膜を介して前記ローラ面に対向して配置されるカム面を有し、回転可能に構成されたカムと、を備え、
前記ローラ面又は前記カム面の少なくとも一方は、等方的である表面粗さ又は前記カムの回転軸に沿った方向の異方性を持つ表面粗さを有し、
前記ローラ及び前記カムの回転に伴う前記ローラ面及び前記カム面の速度は、下記式で定義されるΛ値が0以上1.0以下となるような条件に設定されたことを特徴とする。
Λ=t/(Ra12+Ra22)0.5
(但し、tは前記油膜の厚さであり、Ra1は前記ローラ面の表面粗さであり、Ra2は前記カム面の表面粗さである。)
Λ値はローラ面とカム面との接触のしにくさの指標であり、Λ値が大きいほど、ローラ面とカム面の表面粗さよりも油膜厚さが大きく、ローラ面とカム面が接触しにくいことを示す。また、Λ値が小さいほど油膜厚さが小さく、ローラ面とカム面とが接触しやすいことを示す。
また、上記において“表面粗さが等方的である”とは、表面粗さが特定の方向の異方性を有しない場合のことを意味する。
上記(1)の油圧機械によれば、潤滑油の油膜を介して対向して配置されるローラ面又はカム面の少なくとも一方は、等方的である表面粗さ又はカムの回転軸に沿った方向の異方性を持つ表面粗さを有し、ローラ及びカムの回転に伴うローラ面及びカム面の速度は、Λ値が0以上1.0以下となるような条件に設定される。よって、ローラ面またはカム面の前記少なくとも一方がカムの回転方向(カムの回転軸に直交する方向)に沿った方向の表面粗さを持つ場合に比べてローラ面とカム面との間の油膜厚さを向上させることができる。このようにローラ面とカム面との間の油膜厚さを向上させることで、ローラ面又はカム面の劣化を抑制でき、ローラ又はカムの長寿命化を図ることができる。
上記(2)の構成によれば、潤滑油としては粘度が比較的低い油を潤滑油として用いる場合にも、ローラ面とカム面との間の油膜厚さを向上させることができる。
上記(3)の構成によれば、ローラ面又はカム面の一方は、研磨によって形成された表面粗さを有し、その研磨方向はカムの回転軸に沿った方向である。したがって、ローラ面又はカム面の表面粗さがカムの回転軸に沿った方向の異方性をもつので、ローラ面とカム面との間の油膜厚さを向上させることができる。
上記(4)の構成によれば、ローラ面又はカム面の一方は、ブラスト加工によって形成された表面粗さを有し、表面粗さは等方的である。したがって、ローラ面又はカム面の表面粗さが等方的であるので、ローラとカムとの間の油膜厚さを向上させることができる。
一般に、2物体間の接触部における摩耗を抑制するためには、表面を平滑にして潤滑性を向上させることが望ましいとされる。そのため、ローラ面及びカム面の表面粗さRaが小さいほど、ローラやカムの寿命は長くなると考えられる。しかし、本発明者らの知見によれば、ローラ面やカム面の表面を鏡面仕上げとしてRaを0.1未満とするよりも、Raが0.1〜0.3程度の適度な表面粗さをローラ面又はカム面に形成し、かつ表面粗さの方向性を上述のように制御することで、ローラとカムとの間の油膜厚さをかえって向上させることができる。
上記(5)の構成によれば、ローラ面又はカム面の表面粗さRaを0.1以上0.3以下とすることにより、ローラとカムとの間に十分な油膜厚さの潤滑油を保持しながら、ローラとカムとの間の潤滑性を良好に維持できる。
上記(6)の構成によれば、硬度の高いコーティング材料を含むコーティングで構成されたローラ面またはカム面のいずれか一方で他方を磨くことにより、該他方の表面粗さが向上する(すなわち表面粗さRaが小さくなる)ので、上記式で定義されるΛ値が増加する。このため、ローラ面とカム面との間の油膜厚さを向上させることができ、ローラ面又はカム面の劣化を抑制できるので、ローラ又はカムの長寿命化を図ることができる。
ラジアルピストン式の油圧機械においては、通常、1つのカムに対して、複数のローラが該カムの周囲に周状に分散配置され、各ローラが該カムのカム面を転がるように構成される。
上記(7)の構成によれば、コーティングに剥離が生じる等、コーティングされた部分に損傷が生じた場合、損傷が生じたローラのみを交換すればよい。ローラはカムに比較してサイズが一般的に小さく、ローラの交換はカムの交換に比べて容易であるため、油圧機械のメンテナンス性が向上する。また、上記(7)の構成によれば、カムに比較してサイズが一般的に小さいローラをコーティングすればよいので、カムをコーティングする場合に比べてコーティング加工が容易である。
上記(8)の構成によれば、コーティング材料として硬度の高い材料であるDLCを採用することで、コーティングされたローラ面又はカム面の前記一方を損傷しにくい構造とすることができるとともに、ローラ面又はカム面の他方の表面粗さを向上させやすくなる。
上記(10)の構成によれば、油圧機械を運転することにより、硬度の高いコーティング材料を含むコーティングで構成されたローラ面またはカム面のいずれか一方で他方の表面粗さを小さくすることができるので、上記式で定義されるΛ値が増加する。このため、ローラ面とカム面との間の油膜厚さを向上させることができ、ローラ面又はカム面の劣化を抑制できるので、ローラ又はカムの長寿命化を図ることができる。
前記油圧機械は、前記ピストンを前記半径方向に沿って往復運動可能に案内するためのシリンダをさらに有し、
前記ピストンは、
前記ローラを受けるピストン受け面と、
前記ピストンと前記シリンダとで囲まれる作動室内に存在する作動油を潤滑油として前記ピストン受け面に供給するための潤滑油供給路と、を有する。
上記(11)の構成によれば、作動室内の油圧作動油が潤滑油として潤滑油供給路を介してピストン受け面に供給されるので、作動油とは別に専用の潤滑油を要する必要がなく、該専用の潤滑油を供給するための構造も不要であるため、ピストンとローラとの間及びカムとローラとの間を効率的に潤滑させることができる。
作動室内からの作動油を用いてピストンとローラとの間の摺動部を潤滑する場合、ローラがカム面の高圧領域上に位置する間、ピストン−ローラ間の摺動部に作動油が確実に供給されてピストン−ローラ間の摩擦係数が大幅に低減される。一方、ローラがカム面の低圧領域上に位置する間、作動室内の作動油の圧力が小さいためにピストン−ローラ間の摺動部に十分な作動油が供給されず、ピストン−ローラ間の摩擦係数は大きいままである。そのため、ローラがカム面の高圧領域上に位置するときに比べ、ローラがカム面の低圧領域上に位置するときの方がローラ面とカム面との間のすべりが発生しやすい。
そこで、上記(12)のように、カム面の高圧領域の表面粗さに比べて低圧領域の表面粗さを大きく設定することで、ローラ面とカム面(低圧領域)との間の摩擦係数を十分に確保し、ローラがカム面の低圧領域上に位置するときに生じやすいローラ面とカム面との間のすべりを防止できる。よって、すべりに起因したスミアリングや焼き付き等に対する耐久性を向上させることができる。また、カム面の表面粗さRaに分布を持たせて高圧領域の表面粗さを選択的に小さくすることで、カム面全体の表面粗さを均一に小さくする場合に比べて、過剰な設計を回避でき、油圧機械の大型化を防止できるとともに、油圧機械の信頼性を向上させることができる。
回転シャフトと、
前記回転シャフトの回転によって駆動されるように構成された油圧ポンプと、
前記油圧ポンプで生成された圧油によって駆動されるように構成された油圧モータと、を備える油圧トランスミッションであって、
前記油圧ポンプ又は前記油圧モータの少なくとも一方は、例えば上記(1)乃至(12)で説明したラジアルピストン式の油圧機械であることを特徴とする。
少なくとも1本のブレードと、
前記少なくとも1本のブレードが取り付けられるハブと、
前記ハブの回転によって駆動されるように構成された油圧ポンプと、
前記油圧ポンプで生成された圧油によって駆動されるように構成された油圧モータと、
前記油圧モータによって駆動されるように構成された発電機と、を備える風力発電装置であって、
前記油圧ポンプ又は前記油圧モータの少なくとも一方は、例えば上記(1)乃至(12)で説明したラジアルピストン式の油圧機械であることを特徴とする。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
また、以下では、主として外向きカムを備えた油圧機械の実施形態について説明するが、油圧機械は内向きカムを備えていてもよく、その場合、下記内容の方向に関する記載を適宜逆方向に読み替えたものも本発明の実施形態に含まれる。さらに、以下では、主としてカムが回転する場合について例示しているが、カムは固定でシリンダ及びピストンが回転する構成としてもよい。
なお、図2及び3に示す例示的な実施形態では、回転シャフト30の外周側に環状の外向きカム32が設けられ、さらに外向きカム32の外周側にシリンダ22、ピストン24及びローラ26が配置されている。ここで、外向きカムとは、ローラ26と接触するカム面を外周側に有するカムをいう。他の実施形態では、回転シャフト30の内周側に環状の内向きカム32が設けられ、さらに内向きカム32の内周側にシリンダ22、ピストン24及びローラ26が配置される。ここで、内向きカムとは、ローラ26と接触するカム面を内周側に有するカムをいう。
例えば、油圧機械20が油圧ポンプ8である場合、油圧機械20の回転シャフト30とともに回転するカム32の回転運動がピストン24の往復運動に変換され、作動室25の周期的な容積変化が起こり、作動室25で高圧の作動油(圧油)が生成される。これに対し、油圧機械20が油圧モータ10である場合、作動室25への圧油の導入によってピストン24の往復運動が起こり、この往復運動がカム32の回転運動に変換される結果、カム32とともに油圧機械20の回転シャフト30が回転する。
こうして、カム32の働きにより、油圧機械20の回転シャフト30の回転エネルギー(機械的エネルギー)と作動油の流体エネルギーとの間でエネルギーが変換され、油圧機械20が油圧ポンプ8又は油圧モータ10としての所期の役割を果たすようになっている。
図2及び3に示す例示的な実施形態では、外向きカム32の外周側にシリンダ22が配置されており、ローブ34の頂点36で外向きカム32の中心軸(油圧機械20の回転軸)Oからの距離(カム径)が最大となり、ローブ34の底点38で中心軸Oからの距離(カム径)が最小となる。これに対し、内向きカムの内周側にシリンダ22が配置された他の実施形態では、ローブ34の頂点36で内向きカムの中心軸Oからカム面33までの距離は最小となり、ローブ34の底点38で内向きカムの中心軸Oからカム面33までの距離は最大となる。なお、各々のローブ34の頂点36及び底点38では、カム面33の法線が油圧機械20の半径方向と一致する。
低圧弁40は、図3に示すように、第1シート41と、第1シート41に当接可能な第1弁体42と、該第1弁体42に連結された第1ステム44と、第1ステム44を駆動するための磁力を生成するように構成されたソレノイド46と、第1弁体42を第1シート41とは反対側に付勢するための第1付勢部材48とを含むノーマルオープン式電磁弁であってもよい。この場合、ソレノイド46を励磁すれば、ソレノイド46の磁力によって第1付勢部材48による付勢力に抗して第1ステム44が動き、第1弁体42が第1シート41に当接し、低圧弁40は閉じられる。また、ソレノイド46を非励磁とすれば、第1付勢部材48による付勢力によって、第1ステム44が動いて第1弁体42が第1シート41から離れ、低圧弁40は開かれる。なお、第1弁体42は、フェイス・シーリング・ポペット弁体であってもよい。
一方、油圧機械20が油圧ポンプである場合、高圧弁50は、図3に示すように、第2シート51と、第2シート51に当接可能な第2弁体52と、該第2弁体52を第2シート51側に付勢するための第2付勢部材58とを含むチェック弁であってもよい。この場合、作動室25内の圧力が上昇して第2弁体52の両側の圧力差が第2付勢部材58による付勢力を上回れば、該圧力差によって第2弁体52が第2シート51から離れ、高圧弁50は開かれる。また、第2弁体52の両側の圧力差が第2付勢部材58による付勢力より小さければ、第2付勢部材58による付勢力によって第2弁体52が第2シート51に当接し、高圧弁50は閉じられる。第2弁体52は、図3に示すような球形弁体であってもよい。
一実施形態において、ローラ面27又はカム面33の少なくとも一方は、等方的である表面粗さ又はカムの回転軸Oに沿った方向の異方性を持つ表面粗さを有する。そして、 ローラ26及びカム32の回転に伴うローラ面27及びカム面33の速度は、下記式で定義されるΛ値が0以上1.0以下となるような条件に設定される。
Λ=t/(Ra12+Ra22)0.5
(但し、tはローラ面27とカム面33との間の油膜の厚さであり、Ra1はローラ面27の表面粗さであり、Ra2はカム面33の表面粗さである。)
また、“ローラ面27又はカム面33の表面粗さが等方的である(又は等方性を有する)”とは、図5の(B)に模式的に示すように、表面粗さ100が特定の方向の異方性を有しない場合のことを意味する。
ローラはカム面に対して回転しているので、ローラ面とカム面との間に油が存在すると、ローラ面とカム面の間で、ローラとカムの回転方向に油が引き込まれる効果が生じる。
一方、油圧機械の運転時には、ローラとカムとの間には両者の回転方向に沿って圧力分布が存在する。すなわち、油圧機械の運転時には、ローラにはピストンから荷重が加わるため、ローラとカムとの間、特にローラとカムとが最も近接している部分に比較的大きな圧力が生じる。これに対し、該部分のローラ及びカムの回転方向に沿った両側方では、ローラに加わる荷重が作用しないため、比較的低圧となる。このように、比較的高圧であるローラとカムの近接部分と、比較的低圧である両側方との間でローラ及びカムの回転方向に沿った圧力差が生じるため、潤滑油はカムとローラとの間から該回転方向外側に向かって追い出されようとする(逆流させようとする)。このことは、ローラとカムとの間の油膜厚さを減少させる効果がある。ローラとカムとの間の油膜を維持するためには、上述のような、ローラ及びカムの回転方向に沿った圧力差に起因する逆流を抑制することが望まれる。
一方、表面粗さがカムの回転軸に沿った方向(回転方向に直交する方向)の異方性を有する場合、圧力差の方向に沿った表面粗さではないため、カムの回転方向に潤滑油が逃げにくくなり、これによって前述の圧力差による逆流を抑制できる。このためカムとローラとの間の油膜厚さを維持することができると考えられる。表面粗さが等方的である場合についても同様に考えることができ、表面粗さがカム及びローラの回転方向に沿った異方性を有する場合に比べて潤滑油の逆流を抑制する効果があると考えられる。
よって、同等サイズの表面粗さで比較した場合、表面粗さがカム及びローラの回転方向に沿った異方性を有する場合に比べて、表面粗さがカムの回転軸に沿った方向の異方性を有する場合又は表面粗さが等方的である場合に油膜厚さを向上できると考えられる。
Λ値が比較的大きい領域では、油膜厚さが表面粗さに対して十分に確保されるために、油膜厚さに対する表面粗さの異方性又は等方性の影響は小さいと考えられる。逆に、Λ値が比較的小さい領域では、油膜厚さが表面粗さに対して比較的小さいため、油膜厚さに対する表面粗さの異方性又は等方性の影響が大きくなると考えられる。
しかしながら、軌道面(例えばカム面)と該軌道面上を転がる転動体の転動面(例えばローラ面)については、典型的な転動体の転がり条件はΛ値が1を超える領域での転がりであり、Λ値が1以下の低Λ領域での粗さの異方性又は等方性による油膜厚さ向上の効果は明らかではなかった。本発明者らの鋭意検討によって、Λ値が1.0以下である場合に、カム面又はローラ面の表面粗さを、カムの回転軸に沿った方向の異方性を有するものとすることで、又は等方的とすることで、油膜厚さが顕著に向上することが見出された。
一般に、潤滑油の動粘度が高い方が油膜厚さを厚くしやすいため、潤滑油として動粘度の比較的高い油を用いることは勿論可能である。
一実施形態では、油圧機械20において、潤滑油の40℃における動粘度が35.0〜55.0mm2/sであるときに、ローラ面27又はカム面33の前記一方が鏡面である場合よりも大きい油膜厚さを有するように構成される。
ローラ面又はカム面等の転動面が、鏡面仕上げにより極めて小さい表面粗さを有する場合には、一般的には潤滑油による潤滑性が高くなる。しかしながら、上記のような油圧機械20の構成によれば、潤滑油としては粘度が比較的低い油を潤滑油として用いる場合にも、ローラ面27とカム面33との間の油膜厚さを向上させることができる。
例えば、カム32を機械的に研磨する場合、研削材を用いた研削工程によってカム32の形状が整えられた後、研磨材を用いた粗研磨、仕上げ研磨(例えばバフ研磨)を含む研磨工程がカム面33に施されることがある。研磨工程では、回転する研磨材をカム面33に当接させ、カム面33を平滑にする。その際、研磨方向(研磨材の回転方向)を、回転軸Oに沿った方向とする。なお、粗研磨や仕上げ研磨を含む複数の研磨工程を行う場合には、少なくともいずれかの研磨において、上記方向に研磨材を動かし、最終的に、研磨によりカム面33に形成された微小な溝が、回転軸Oに沿った方向となるようにする。または、研削工程にてカム面33に形成された微小な溝が残存する程度に研磨を行う場合、研削材の動作方向が回転軸Oに沿った方向となるようにしてもよい。さらに、仕上げ研磨で超仕上げ(Superfinish)を行う場合、薬液処理や粉の吹き付け加工等を用いてもよい。超仕上げでは、カム面33の表面粗さRaが0.06以下となるように研磨を行ってもよく、その場合、カム面33に十分な厚さの油膜を確保する観点から、後述するようにカム面33にディンプルを設けたり、カム面33に等方性を持たせたりしてもよい。勿論、仕上げ研磨では通常研磨を行ってもよい。
このようにカム面33の研磨方向が等方性を有するように構成することで、カム面33とローラ26との接触部に確実に油膜を形成することができ、カム32とローラ26の潤滑性を良好に保つことができる。
これにより、カム面33に形成された複数のディンプルの内部に潤滑油が保持され、カム面33とローラ26との接触部に確実に油膜を形成することができ、カム32とローラ26の潤滑性を良好に保つことができる。
ブラスト加工をする際の条件(ブラスト加工における投射材の種類、投射速度、投射角度、投射量など)は特に限定されない。これらの条件は、ローラ26やカム32を構成する材料等などの諸条件に基づいて、適宜決定することができる。
このように、ローラ面27又はカム面33の表面粗さRaを0.1以上0.3以下とすることにより、ローラ26とカム32との間に十分な油膜厚さの潤滑油を保持しながら、ローラ26とカム32との間の潤滑性を良好に維持できる。
このように、硬度の高いコーティング材料を含むコーティングで構成されたローラ面27またはカム面33のいずれか一方で他方を磨くことにより、該他方の表面粗さが向上する(すなわち表面粗さRaが小さくなる)ので、上記式で定義されるΛ値が増加する。このため、ローラ面27とカム面33との間の油膜厚さを向上させることができ、ローラ面27又はカム面33の劣化を抑制できるので、ローラ26又はカム32の長寿命化を図ることができる。
この場合、コーティングに剥離が生じる等、コーティングされた部分に損傷が生じた場合、損傷が生じたローラ26のみを交換すればよい。ローラ26はカム32に比較してサイズが一般的に小さく、ローラ26の交換はカム32の交換に比べて容易であるため、油圧機械のメンテナンス性が向上する。また、カム32に比較してサイズが一般的に小さいローラ26をコーティングすればよいので、カム32をコーティングする場合に比べてコーティング加工が容易である。
DLCは、主として炭化水素又は炭素の同素体からなる非晶質(アモルファス)であり、硬質な膜を形成可能であるという特徴を有する。コーティング材料としてDLCを用いることで、コーティングされたローラ面27又はカム面33を損傷しにくい構造とすることができるとともに、ローラ面27又はカム面33の他方の表面粗さを向上させやすくなる。
軸受鋼は、炭素(C)を0.95〜1.10%程度、クロム(Cr)を0.9〜1.6%程度含む鋼材(SUJ材)であり、すべり軸受や転がり軸受の材料に求められる耐荷重性、耐摩耗性、焼入れ性、耐食性等に優れた材料である。軸受鋼は、転がり軸受の球、ころ、内輪、外輪等といった軸受の材料として用いられることが多いが、用途は軸受に限られず、様々な部材に用いられる。軸受鋼は、構成元素の種類含有量を調整することで、用途に応じてその特性をコントロールすることができる。例えば、マンガン(Mn)を0.90〜0.70%程度含有させることで、比較的厚肉の部材に適した材料とすることができる。また、モリブデン(Mo)を0.10〜0.25%程度含有させることで、高温での強度や硬度が向上した材料とすることができる。
この場合、油圧機械20を運転することにより、硬度の高いコーティング材料を含むコーティングで構成されたローラ面27またはカム面33のいずれか一方で他方(コーティングされていない方)の表面粗さを小さくすることができるので、上記式で定義されるΛ値が増加する。このため、ローラ面27とカム面33との間の油膜厚さを向上させることができ、ローラ面27又はカム面33の劣化を抑制できるので、ローラ26又はカム32の長寿命化を図ることができる。
そこで、幾つかの実施形態では、カム面33とローラ26との間にすべりが生じないように、カム面33に対するローラ26の摩擦係数が、ピストン24に対するローラ26の摩擦係数より大きく設定された構成とする。これにより、ローラ26がカム面33をすべることなく円滑に転動するようになり、焼き付きやスミアリング等の不具合の発生を防止できる。よって、カム32のより一層の長寿命化が可能となる。
一実施形態では、図6に示すように、ピストン24は、ローラ26を受けるピストン受け面(ローラ摺動面)243と、作動室25内に存在する作動油を潤滑油としてピストン受け面243に供給するための潤滑油供給路245と、を有する。この場合、ピストン受け面(ローラ摺動面)243に静圧軸受が形成されるように構成されてもよい。静圧軸受は、ピストン24のピストン受け面(ローラ摺動面)243に設けられた静圧パッド60A,60Bに、油圧作動室25内の作動油が供給されることによって機能する。静圧軸受の構成については後で詳述する。
このような構成では、作動室25内の油圧作動油が潤滑油として潤滑油供給路245を介してピストン受け面243に供給されるので、作動油とは別に専用の潤滑油を要する必要がなく、該専用の潤滑油を供給するための構造も不要であるため、ピストン24とローラ26との間及びカム32とローラ26との間を効率的に潤滑させることができる。
ところが、作動室25内の作動油圧力が低いとき、静圧パッド60A,60Bの負荷能力は低下し、ピストン受け面243とローラ26とは境界潤滑に近づくこととなる。このとき、ピストン24に対するローラ26の摩擦係数の方が、カム32に対するローラ26の摩擦係数よりも大きくなると、ローラ26はピストン24のピストン受け面243で円滑に摺動しないことがあり、よってカム面33側でもローラ26のすべりが発生するおそれがある。
そこで、上記したように、ピストン24が静圧軸受を有する場合であっても、カム面33に対するローラ26の摩擦係数が、ピストン24に対するローラ26の摩擦係数より大きく設定された構成とすることによって、低圧領域LAにおいてもローラ26がカム面33をすべることなく円滑に転動するようになり、焼き付きやスミアリング等の不具合の発生を防止できる。
図6に示すピストン24は、作動室形成部241とローラ保持部242とを含んで構成されている。作動室形成部241は、シリンダ22内で往復運動するように構成され、シリンダ22とともに作動室25を形成する。一方、ローラ保持部242は、ローラ26を回転可能に保持しており、ローラ26と係合するピストン受け面(ローラ摺動面)243を有している。ピストン受け面243は、ローラ26の外周面に沿うようにローラ26と略等しい又はわずかに大きな曲率を有する曲面として形成されており、ローラ26の外周面を部分的に囲むように配置される。そして、ピストン24は、カム32からの押圧力をローラ26を介して受けて、シリンダ22内で往復運動するようになっている。なお、カム32からの押圧力に耐えうる耐久性を確保する観点から、ローラ保持部242を作動室形成部241に比べて大径に形成してもよい。
図7に示すように、ピストン24のピストン受け面243には、少なくとも一つの静圧パッド60A,60Bが設けられている。静圧パッド60A,60Bは、ピストン24に形成された潤滑油供給路245を介して作動室25に連通する環状溝61A,61Bと、環状溝61A,61Bによって囲まれるランド65A,65Bとを有している。なお、同図では一例として、環状溝61A,61Bを横切るようにローラ26の回転方向に沿って形成された連通溝62A,62Bを有する場合を示している。そのため、ランド65A,65Bは環状溝61A,61Bの内側に2つずつ設けられた構成となっている。さらに、潤滑油供給路245は、連通溝62A,62B上に設けられた供給口63A,63Bにそれぞれ連通している。作動油は、作動室25から潤滑油供給路245を介して、溝60A,60Bのうち連通溝62A,62Bに供給される。そして、潤滑油供給路245から供給された作動油は、連通溝62A,62Bを介して環状溝61A,61Bの異なる箇所にそれぞれ導かれる。
上記構成によりピストン24のピストン受け面(ローラ摺動面)243に静圧軸受が形成される。すなわち、ローラ26が回転すると、環状溝61A,61B及び連通溝62A,62B内の作動油はピストン受け面243に引き込まれて油圧による静圧が発生して、この油圧による静圧によってカム32からローラ26に加わる大きな荷重を支える。そして、環状溝61A,61B及び連通溝62A,62Bから係合面30に引き込まれた分だけ、作動油を静圧パッド60A,60Bに補充すれば、油圧による静圧を常に得ることができる。
一方、油圧機械20が油圧モータである場合、ローラ26がカム面33の高圧領域HA上に位置するとき、基本的には、ピストン24は上死点から下死点に向かって移動中であり、作動室25内の作動油の圧力は高い。これに対し、ローラ26がカム面33の低圧領域LA上に位置するとき、基本的には、ピストン24は下死点から上死点に向かって移動中であり、作動室25内の作動油の圧力は低い。なお、油圧機械20が油圧モータの場合、基本的には、高圧領域HAは各々のローブ34のうち頂点36よりもカム回転方向の上流側の領域であり、低圧領域LAは各々のローブ34のうち頂点36よりもカム回転方向の下流側の領域である。
一方、低圧領域LAにおいては、カム32−ローラ26間の接触荷重は小さくなるが、カム面33の表面粗さRaが高圧領域HAよりも大きく設定されているので、カム32−ローラ26間の摩擦係数は増大する。よって、ピストン24の静圧軸受が適切に機能していない場合であっても、カム32−ローラ26間の摩擦係数がピストン24−ローラ26間の摩擦係数よりも大きくなり、やはり低圧領域LAにおいてもローラ26がカム面33上を円滑に転動する。
すなわち、カム面又はローラ面の表面粗さの方向性(異方性又は等方性)の違い及びΛ値の変化のそれぞれに対して、カムとローラとの間の油膜の厚さは、以下(i)〜(iii)のように変化する。
(i)カム面又はローラ面が転がり方向に直交する方向に沿った方向に表面粗さ(直交粗さ)又は等方的な表面粗さ(等方粗さ)を有する場合、Λ値が小さくなるにつれて油膜比率が大きくなる傾向となる。
(ii)Λ値の大小によらず、カム面又はローラ面が直交粗さ又は等方粗さを有する場合、カム面又はローラ面が転がり方向に沿った方向に表面粗さ(平行粗さ)を有する場合よりも油膜比率が大きくなる。
(iii)カム面又はローラ面が直交粗さ又は等方粗さを有する場合、Λ値が0以上1.0以下の低Λ値の領域において油膜比率が大きくなる傾向が顕著となる。
なお、油膜比率とは、Λ値が同一である条件での、ローラ面及びカム面が鏡面である場合のローラ面とカム面との間の油膜厚さに対する、ある表面粗さ(直交粗さ、平行粗さ又は等方粗さ)を有するローラ面とカム面との間の油膜厚さの比を意味する。
表面粗さを考慮する手法として、予め鏡面と粗面の流量関係を統計的に求め、その関係を支配方程式に係数として代入する方法(平均流モデル)を用いて解析を行った。粗さの影響を考慮する支配方程式はレイノルズ方程式で、粗さの効果をΦx,Φyの係数として表す。このΦx,Φyは圧力流量係数と呼ばれ、粗面と鏡面の流量比率を示している。Φx,Φyは解析的に求める事ができ、さらに油膜比率の形に解析結果を整理することもできる。
このような解析によって得られた油膜比率の解析結果を図9に示す。
図9のグラフでは、カム面又はローラ面が直交粗さ又は等方粗さを有する場合、Λ値が小さくなるにつれて油膜比率が大きい結果となった。また、Λ値の大小によらず、カム面又はローラ面が直交粗さ又は等方粗さを有する場合に、カム面又はローラ面が平行粗さを有する場合よりも油膜比率が大きい結果となった。また、カム面又はローラ面が直交粗さ又は等方粗さを有する場合、Λ値が0以上1.0以下の低Λ値の領域において油膜比率が顕著に大きくなる結果となった。
すなわち、上述の(i)〜(iii)で説明した特徴が数値解析によっても確認された。本発明はこのようにして確認された知見に基づいてなされたものである。
2 ブレード
3 ロータ
4 ハブ
5 ハブカバー
6 回転シャフト
8 油圧ポンプ
10 油圧モータ
12 高圧ライン
14 低圧ライン
16 発電機
18 ナセル
19 タワー
20 油圧機械
21 シリンダブロック
21S セグメント
21H スリーブ穴
22 シリンダ
23 シリンダスリーブ
24 ピストン
25 作動室
26 ローラ
27 ローラ面
30 回転シャフト
32 カム
33 カム面
34 ローブ
36 頂点
38 底点
40 低圧弁
41 第1シート
42 第1弁体
44 第1ステム
46 ソレノイド
48 第1付勢部材
50 高圧弁
51 第2シート
52 第2弁体
58 第2付勢部材
60A,60B 静圧パッド
61A,61B 環状溝
62A,62B 連通溝
63A,63B 供給口
65A,65B ランド
100 表面粗さ
241 作動室形成部
242 ローラ保持部
243 ピストン受け面
245 潤滑油供給路
246 内部流路
Claims (14)
- ラジアルピストン式の油圧機械であって、
前記油圧機械の半径方向に沿って配置された少なくとも1つのピストンと、
前記ピストンに回転自在に設けられ、ローラ面を有するローラと、
潤滑油の油膜を介して前記ローラ面に対向して配置されるカム面を有し、回転可能に構成されたカムと、を備え、
前記ローラ面又は前記カム面の少なくとも一方は、前記カムの回転軸に沿った方向の異方性を持つ表面粗さを有し、
前記ローラ及び前記カムの回転に伴う前記ローラ面及び前記カム面の速度は、下記式で定義されるΛ値が0以上1.0以下となるような条件に設定されたことを特徴とするラジアルピストン式の油圧機械。
Λ=t/(Ra12+Ra22)0.5
(但し、tは前記油膜の厚さであり、Ra1は前記ローラ面の表面粗さであり、Ra2は前記カム面の表面粗さである。) - 前記ローラ面又は前記カム面の前記一方の表面粗さは、Raが0.1以上であり、
前記潤滑油の40℃における動粘度が35.0〜55.0mm2/sであるときに、前記ローラ面又は前記カム面の前記一方がRa0.1未満の鏡面である場合よりも大きい油膜厚さの前記油膜を前記ローラ面と前記カム面との間に形成するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載のラジアルピストン式の油圧機械。 - 前記ローラ面又は前記カム面の前記一方は前記回転軸に沿った研磨方向を有し、前記表面粗さは前記研磨方向と同一の方向の異方性を持つことを特徴とする請求項1又は2に記載のラジアルピストン式の油圧機械。
- 前記ローラ面又は前記カム面の前記一方の表面粗さは、Raが0.1以上0.3以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のラジアルピストン式の油圧機械。
- ラジアルピストン式の油圧機械であって、
前記油圧機械の半径方向に沿って配置された少なくとも1つのピストンと、
前記ピストンに回転自在に設けられ、ローラ面を有するローラと、
潤滑油の油膜を介して前記ローラ面に対向して配置されるカム面を有し、回転可能に構成されたカムと、を備え、
前記ローラ面又は前記カム面の少なくとも一方は、前記カムの回転軸に沿った方向の異方性を持つ表面粗さを有し、
前記ローラ面又は前記カム面のいずれか一方は、前記ローラ面又は前記カム面の他方を構成する材料よりも硬度の高いコーティング材料を含むコーティングにより構成されたことを特徴とするラジアルピストン式の油圧機械。 - 前記ローラ面が前記コーティング材料を含むコーティングにより構成されたことを特徴とする請求項5に記載のラジアルピストン式の油圧機械。
- 前記コーティング材料はDLC(Diamond−Like Carbon)であることを特徴とする請求項5又は6に記載のラジアルピストン式の油圧機械。
- 前記ローラ面がDLCを含むコーティングにより構成され、前記カム面が軸受鋼で構成されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載のラジアルピストン式の油圧機械。
- 前記油圧機械を運転することにより前記ローラ面又は前記カム面の前記他方の表面粗さを小さくすることが可能に構成された請求項5乃至8のいずれか一項に記載のラジアルピストン式の油圧機械。
- 前記油圧機械は、前記ピストンを前記半径方向に沿って往復運動可能に案内するためのシリンダをさらに有し、
前記ピストンは、
前記ローラを受けるピストン受け面と、
前記ピストンと前記シリンダとで囲まれる作動室内に存在する作動油を潤滑油として前記ピストン受け面に供給するための潤滑油供給路と、
を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載のラジアルピストン式の油圧機械。 - ラジアルピストン式の油圧機械であって、
前記油圧機械の半径方向に沿って配置された少なくとも1つのピストンと、
前記ピストンに回転自在に設けられ、ローラ面を有するローラと、
潤滑油の油膜を介して前記ローラ面に対向して配置されるカム面を有し、回転可能に構成されたカムと、を備え、
前記ローラ面又は前記カム面の少なくとも一方は、等方的である表面粗さ又は前記カムの回転軸に沿った方向の異方性を持つ表面粗さを有し、
前記ローラ及び前記カムの回転に伴う前記ローラ面及び前記カム面の速度は、下記式で定義されるΛ値が0以上1.0以下となるような条件に設定され、
前記等方的である表面粗さ、又は、前記異方性を持つ表面粗さを有する前記ローラ面又は前記カム面の前記一方の表面粗さは、Raが0.1以上0.3以下である
ことを特徴とすることを特徴とするラジアルピストン式の油圧機械。
Λ=t/(Ra1 2 +Ra2 2 ) 0.5
(但し、tは前記油膜の厚さであり、Ra1は前記ローラ面の表面粗さであり、Ra2は前記カム面の表面粗さである。) - 前記ローラ面又は前記カム面の前記一方は等方的である表面粗さを有し、前記表面粗さは、前記ローラ面又は前記カム面の少なくとも前記一方をブラスト加工することにより形成されたことを特徴とする請求項11に記載のラジアルピストン式の油圧機械。
- 回転シャフトと、
前記回転シャフトの回転によって駆動されるように構成された油圧ポンプと、
前記油圧ポンプで生成された圧油によって駆動されるように構成された油圧モータと、を備える油圧トランスミッションであって、
前記油圧ポンプ又は前記油圧モータの少なくとも一方は請求項1乃至12のいずれか一項に記載のラジアルピストン式の油圧機械であることを特徴とする油圧トランスミッション。 - 少なくとも1本のブレードと、
前記少なくとも1本のブレードが取り付けられるハブと、
前記ハブの回転によって駆動されるように構成された油圧ポンプと、
前記油圧ポンプで生成された圧油によって駆動されるように構成された油圧モータと、
前記油圧モータによって駆動されるように構成された発電機と、を備える風力発電装置であって、
前記油圧ポンプ又は前記油圧モータの少なくとも一方は請求項1乃至12のいずれか一項に記載のラジアルピストン式の油圧機械であることを特徴とする風力発電装置。
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