JP6203328B1

JP6203328B1 - 斜板式ピストンポンプ

Info

Publication number: JP6203328B1
Application number: JP2016094273A
Authority: JP
Inventors: 龍篠原; 慎也能瀬; 弘道津上; 英博曽我; 川崎　成彦; 成彦川崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: DE102016121299A1; JP2017203390A

Abstract

【課題】アキシャル形ピストンポンプにおいては、回転運動をピストンの往復運動に変換する際に、駆動軸に対して傾斜して取り付けられた斜板プレートにピストンが当接して回転する。このため、ピストンと斜板プレートの当接部はピストンの円筒中心から一定の半径を持った円を描きながら移動し、その結果ピストンの円筒中心を軸として回転させる方向の摩擦力が発生する。【解決手段】ピストン円筒部の軸心を通る断面において、軸心と一定距離を持つ点を中心とし、軸心を挟んでこの中心と逆方向に描かれる円弧部のみを軸心周りに３６０度回転させて構成される曲面で、ピストンの円筒部軸心に近い位置で斜板プレートと当接する形状としている。【選択図】図２

Description

本発明は、斜板式ピストンポンプに関するもので、特にアキシャル形の斜板式ピストンポンプに関するものである。

ピストンポンプとして知られている斜板式アキシャル形のピストンポンプは、ピストンがシリンダブロックの中心線と平行に往復運動をする形式のポンプである。ピストンと斜板プレートとが設けられ、駆動軸に対して傾斜して取り付けられた斜板プレートにピストンが当接しており、駆動軸と一体となった斜板プレートの搖動運動をピストンの往復運動に変換して、ピストンをシリンダの内部を往復させることによってポンプの役割を果たすように構成している（例えば、特許文献１）。
この種のピストンポンプは、自動車の停止時あるいは低速走行時にエンジンを一時的に停止させ、発進時にエンジンを始動させる、いわゆるアイドルストップシステムにおいて使用されている。これは、エンジンの再始動直後の発進ショックを軽減させるために、アイドルストップ時にトランスミッション内のオイルに圧力を発生させるためや、トランスミッション内をオイルで満たすために用いられている。

特許第４２４６２３１号公報

前述の特許文献１に示されている斜板式のピストンポンプにおいては、駆動軸の回転をピストンの往復動作に変換する際に、斜板プレートがピストンと斜めに当接した状態で斜板プレートが回転するため、ピストンの斜板プレートへの当接部は、ピストンの円筒中心から一定の半径を持った円を描きながら移動し、その結果、ピストンの円筒中心を軸として回転させる方向の摩擦力が発生する。この摩擦力によって、ピストンがシリンダ内を往復運動する際、ピストンがシリンダに対して、回転方向に擦れながら往復運動するためピストンとシリンダの摺動部の磨耗が進行する。この余分な回転摩擦力が生じることによってポンプの駆動トルクが大きくなる問題があった。
この回転摩擦力を小さくする手段として、斜板プレートと当接するピストンの先端部の球面の曲率半径を小さくして、斜板プレートとピストンの当接位置をピストンの円筒中心の軸上に近づける手段が考えられる。
しかし、ピストンの先端の球面の曲率半径を極端に小さくすると、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力が過大になり、斜板プレートに当接しているピストンの先端部分の磨耗が大きくなるという問題があった。

本発明は、前述の問題を解決するために行われたもので、斜板プレートに当接しているピストンの先端部に発生する応力が増大しないようなピストンと斜板プレートの当接形状として、ピストンに発生する摩擦トルクを低減し、ポンプの駆動トルクの増大および、シリンダの摺動部の磨耗を抑制したピストンポンプを提供することを目的とする。

この発明に係るピストンポンプは、斜板プレートと、前記斜板プレートに当接するピストンとを備え、前記斜板プレートが前記ピストンに対して相対的に回転して前記ピストンの往復運動を行わせる斜板式ピストンポンプにおいて、前記斜板プレートに当接する前記ピストンの曲面を、前記ピストンの軸心を通る断面において、軸心と所定距離離れた点を中心として、描かれる円弧のうち、前記軸心を挟んで、前記中心に対して逆方向に描かれる前記円弧の部分を前記軸心の周りに回転して得られる曲面としたことを特徴とするものである。

本発明によれば、ピストンは、ピストン円筒部の軸心を通る断面において、軸心と一定距離を持つ点を中心とし、軸心を挟んでこの中心と逆方向に描かれる円弧部のみを軸心周りに３６０度回転させて構成される曲面で、この曲面は、従来の装置におけるピストンの曲面形状と斜板プレートが当接する位置よりもピストンの円筒部の軸心に近い位置で斜板プレートと当接するため、ピストンの回転摩擦力が小さくなる。これにより、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力は、増大することなく、ポンプの駆動トルクの増大および、シリンダ摺動部の磨耗を抑制することができる。

本発明の対象とするピストンポンプの内部を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るピストンと斜板プレートとの当接部を説明する要部の断面図である。本発明の実施の形態１に係る、ピストンの先端形状を示す説明図である。図１の要部を拡大した断面図である。斜板プレートに接触するピストン先端の接触位置を説明する模式図である。従来技術に係るピストンと斜板プレートの当接部形状と当接位置を示した要部の断面図である。ピストンと斜板プレートの当接位置をさらにピストン中心に近づけた場合の要部の断面図である。

以下、この発明の各実施の形態のピストンポンプを図に基づいて説明する。なお、各図において、各々同一または相当部材、部位については、同一符号を付している。

実施の形態１
図１は、発明の対象とする、ピストンポンプの全体構成を模式的に示す断面図、図２は、図１の要部拡大断面図である。
このピストンポンプは、トランスミッションに接続され、アイドルストップシステムにおいて、エンジン再始動直後の発進ショックを軽減させるために、アイドルストップ時にトランスミッション内に圧力を発生させ、またトランスミッション内をオイルで満たして用いられるものである。
このピストンポンプは、ポンプ本体１と、このポンプ本体１を作動させるモータ部２とを備えている。ポンプ本体１では、ポンプボディ５に吸入孔３および吐出通路４が形成されている。片側が開口した有底円筒形状のポンプボディ５には、ばね７の弾性力によりモータ部２と反対側の方向に押圧されたシリンダ６が固定されている。このシリンダ６は、周方向に等角ピッチで形成された摺動孔８および吸入通路９がそれぞれ形成されている。シリンダ６とポンプボディ５の底面部との間には、流体の流通を制御するバルブ機構１０が設けられている
各摺動孔８内には、ピストン１１が軸線方向に摺動可能に設けられている。ピストン１１のモータ部２側の端面側には、斜板プレート１２が当接している。また、各摺動孔８内には、ピストン１１を斜板プレート１２側に付勢したスプリング（図示せず）が設けられている。

バルブ機構１０は、吸入バルブ１３と、増圧室１６、増圧室１６に連通した吐出孔１７を有するバルブプレート１４と、吐出バルブ１５とを有している。
吸入バルブ１３は、シリンダ６とバルブプレート１４との間に挟持されている。この吸入バルブ１３は、弾性部材であり、吸入通路９と増圧室１６とを連通する吸入連通孔と対面する弁部（図示せず）を有している。

モータ部２では、モータケース１８がシール部材１９を介してポンプボディ５と連結されている。モータケース１８の内壁面には、ステータコアにコイルが巻装されたステータ２０が固定されている。このモータケース１８の中心軸線上には、第１の軸受２１および第２の軸受２２で回転自在に支持されたシャフト２３が設けられている。
このシャフト２３の中間部には、シャフト２３とともに回転子を構成する複数の永久磁石２４が設けられている、シャフト２３は、第２の軸受２２からシリンダ６側に突出した部位では、第３の軸受２５を介して斜板プレート１２が設けられている。

この実施の形態のピストンポンプでは、電力が外部コネクタ（図示せず）を介してステータ２０のコイルに供給され、コイルに回転磁界が与えられると永久磁石２４の作用により、シャフト２３も回転磁界に連動して回転する。
そして、斜板プレート１２は、各ピストン１１の先端面に傾斜した状態で当接してシャフト２３を中心に回転し、その結果、各ピストン１１は、各ピストン１１の背面に配置されたスプリング（図示せず）の付勢力と対抗して摺動孔８内をシャフト２３の軸線方向に往復移動する。
この各ピストン１１の往復移動に伴い、流体は、吸入孔３、吸入室３０、吸入通路９、摺動孔８、バルブ機構１０を通じて、吐出通路４からピストンポンプの外部に流出する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るピストンと斜板プレートとの当接部を説明する要部の断面図である。本発明においては、ピストン１１の先端の球面形状に特徴がある。すなわち、一般的には、ピストン１１の先端部の球面は、ピストン１１の中心軸の軸上に中心をおいた所定の曲率半径Ｒ１の球面の一部となっている。これに対して、本発明の先端部の球面は、図２の断面形状に示すように、球面と接平面の当接部との接点が、ピストン１１の中心軸に近くなるように、所定の距離εだけオフセットしたところに球面の中心を設定し、この球面の中心から曲率半径Ｒ１の円弧を描く。そして、この円弧を、回転させた形状としている。

具体的には、図３に示す説明図を参照して説明する。図３は、図２において説明したピストン１１の先端部の形状を表わすものである。すなわち、ピストン１１の円筒部軸心は、一点鎖線Ｌ１で表している。従来のピストン１１の先端部の形状は、円筒部軸心上の中心Ｑ１から、回転半径Ｒ１で描かれた点線Ａの球面形状となっている。そしてその球面形状と斜板プレート１２とは接点Ｐ１において接触する。これに対して、本発明では、所定距離εだけオフセットした点Ｑ２から曲率半径Ｒ１として、斜板プレート１２を接平面として接点Ｐ２に接触する球面形状（点線Ｂ）を描く。以上より、ピストン円筒部軸心Ｌ１と一定距離を持つ軸心Ｌ２上にある点Ｑ２を中心点として描いた点線Ｂを軸心Ｌ１の周りに回転させて曲面を構成することができる。

図４は、図１の要部を拡大して、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する力を説明するための要部の断面図であって、図５は、斜板プレートに突き当たるピストンの先端部の接触位置を示す模式図であって、ピストンの軸心方向から見た説明図である。また、図６は、比較例として、従来技術に係るピストンのモータ部側の形状および斜板プレートに当接するピストンの当接位置を示した図である。
ピストンに発生する摩擦トルクＴ_１は以下の式（１）より求めることができる。

ここで、μはピストンと斜板プレート間の摩擦係数、Ｎはピストンと斜板プレート当接部に発生する垂直抗力、μＮは斜板プレートとピストン当接部に発生する摩擦力、θは斜板プレートの傾斜角度、ｒ_１はピストン円筒部の中心軸と、ピストンと斜板プレートの当接点の径方向距離、Ｆｐは流体の圧力、Ｆｓはピストンを斜板プレート側に付勢するようにピストン背面に配置したスプリング力、Ｒ_１はピストン球面の中心点と、ピストンと斜板プレートの当接点間距離である。

また、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_１は、ヘルツの弾性接触理論より、球面（ピストン）と平面（斜板プレート）が接触する時の接触面に発生する応力の式（２）より求めることができる。

ここで、ａ_１はピストンと斜板プレートの当接部の接触半径、λ_ａはピストンのポアソン比、λ_ｂは斜板プレートのポアソン比、Ｅ_ａはピストンの縦弾性係数、Ｅ_ｂは斜板プレートの縦弾性係数である。

図７は、ピストンと斜板プレートの当接位置を図４の当接位置よりさらにピストン中心に近づけた場合のピストンの要部の断面図である。
図４と同様にピストンに発生する摩擦トルクＴ_２、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_２は、以下の式（３）および式（４）となる。

ここで、ｒ_２は、ピストン円筒部の中心軸と、ピストンと斜板プレートの当接点の径方向距離、Ｒ_２は、ピストン球面の中心点と、ピストンと斜板プレートの当接点間距離、ａ_２は、ピストンと斜板プレートの当接部の接触半径である。

例えば、図７に示すピストン円筒部の中心軸と、ピストンと斜板プレートの当接点の径方向距離をｒ_２＝１／２ｒ_１とすると、摩擦トルクＴ_２とピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_２は、以下の式（５）および式（６）となる。

摩擦トルクＴ_２＝１／２Ｔ_１となり、シリンダの摺動部の磨耗は抑制されるが、ａ_２＝１／２ａ_１となるため、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ₂＝４Ｐ₁となり、ピストンと斜板プレートの当接部の発生応力が大きくなり、ピストンの磨耗は増大する。

図２に戻って、図２は、本発明の実施の形態１に係るピストンと斜板プレートの当接部形状と当接位置を示した図である。図６、図７と同様にピストンに発生する摩擦トルクＴ_３、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_３は以下の式（７）および式（８）となる。

ここで、ｒ_３は実施の形態１のピストンと斜板プレートの当接半径、εはピストン中心軸からのオフセット量である。

例えば、θ＝１５°、μ＝０．２、Ｎ＝２０Ｎ、Ｒ１＝７ｍｍ、ε＝０．５ｍｍとした場合の摩擦トルクＴ_３は、Ｔ_３＝μＮｒ_２＝μＮＲ_１ｓｉｎθ＝５．２５Ｎ・ｍｍとなる。また、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_３は、Ｐ_３＝Ｎ／πａ３２＝Ｎ／πａ_１ ^２＝Ｐ_１となる。
同様に前記条件で図６に示す従来技術のピストンと斜板プレートの当接部に発生する摩擦トルクＴ_１は、Ｔ_１＝μＮｒ_１＝μＮＲ_１ｓｉｎθ＝７．２５Ｎ・ｍｍとなる。また、ピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_１は、Ｐ_１＝Ｎ／πａ_１ ^２となる。

実施の形態１の摩擦トルクＴ_３は、従来技術の摩擦トルクＴ_１に対し約３０％低減されるため、ポンプの駆動トルクは、従来技術より小さく、ポンプの小型化が可能となり、さらに、シリンダの摺動部の磨耗も抑制することができる。
また、実施の形態１のピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_３は、従来技術のピストン球面の中心点と、ピストンと斜板プレートの当接点間距離Ｒ_１と同等としているため、従来技術のピストンと斜板プレートの当接部に発生する応力Ｐ_１と同等となるため、従来技術のピストンの磨耗より増大することはない。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

１ポンプ本体、２モータ部、３吸入孔、４吐出通路、５ポンプボディ、
６シリンダ、７ばね、８摺動孔、９吸入通路、１０バルブ機構、
１１ピストン、１２斜板プレート、１３吸入バルブ、１４バルブプレート、
１５吐出バルブ、１６増圧室、１７吐出孔、１８モータケース、１９シール部材、
２０ステータ、２１第１の軸受、２２第２の軸受け、２３シャフト、
２４永久磁石、２５第３の軸受、３０吸入室

Claims

斜板プレートと、前記斜板プレートに当接するピストンとを備え、前記斜板プレートが前記ピストンに対して相対的に回転して前記ピストンの往復運動を行わせる斜板式ピストンポンプにおいて、前記斜板プレートに当接する前記ピストンの曲面を、前記ピストンの軸心を通る断面において、軸心と所定距離離れた点を中心として、描かれる円弧のうち、前記軸心を挟んで、前記中心に対して逆方向に描かれる前記円弧の部分を前記軸心の周りに回転して得られる曲面としたことを特徴とする斜板式ピストンポンプ。