JP6307619B2

JP6307619B2 - ベーンポンプ

Info

Publication number: JP6307619B2
Application number: JP2016543511A
Authority: JP
Inventors: 大輔菊地; 訓一兵藤
Original assignee: Tokyo Keiki Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: CN106662101A; CN106662101B; JPWO2016027308A1; WO2016027308A1

Description

本発明は、ベーンを使用してポンプ動作を行うベーンポンプに関する。

従来、タンクから作動油などの流体を吸入して負荷回路へ吐出するポンプとして、カムリング内に回転可能に配設されたロータと、このロータの外径側部に形成された径方向に延びる複数のベーン収納溝に径方向に摺動可能に配設されたベーンにより、ポンプ動作を行うベーンポンプが知られている。このようなベーンポンプによれば、ベーン収納溝において、ベーンとロータとの間に形成されるアンダーベーン室に吸入圧及び吐出圧が周期的に導入される。吐出圧に圧力が生じた場合、ベーンは外径方向に飛び出してカムリングの内周面に押し当てられる。ロータがカムリング内で回転して、ロータとカムリングと各ベーンによって仕切られる容積が変化することにより、ロータとカムリングとの間に吸入口から導入される作動油などの流体が吸い込まれ、ロータとカムリングとの間から吐出口を通して高圧の吐出圧が吐き出されるポンプ動作がなされる。

また、ベーンポンプの制御方式として、ポンプの駆動に例えばサーボモータなどの可変速モータを用いて、ポンプの回転数を制御し、ベーンポンプの押しのけ容積分にポンプの回転数を乗じた流量を負荷装置へ吐出することにより、流量を制御する方式が知られている。このようなベーンポンプの制御方式によれば、負荷回路の圧力を上げるために必要な流量を制御して吐出することができる。また、ロータを極低速回転させて負荷回路やベーンポンプの内部漏れを補う流量を制御して吐出することにより、負荷回路の圧力を一定に保つことができる。

または、このようなベーンポンプの制御方式に関連する技術として、ベーンの内径側部に形成されたイントラベーン収納溝にイントラベーンを径方向に摺動自在に配設し、イントラベーン収納溝においてベーンとイントラベーンとの間に形成されるイントラベーン室にベーンを外径方向に付勢する圧縮コイルバネを配設して、低回転時においてもベーンをカムリングに対して確実に押し付けることができるようにしたベーンポンプが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−３５１１１７号公報

しかしながら、従来のベーンポンプにより上述の流量制御を行った場合、負荷回路の圧力を下げるには、負荷回路に圧力制御弁等を設けて対応するしかなく、仮にロータを逆回転させて負荷回路の圧力を下げようとすると、ベーンの上下間、即ちポンプ室とアンダーベーン室との間の圧力バランスが崩れてしまう。このように圧力バランスが崩れると、図８に示すように、正回転時に比べて実圧力の値は不安定となり、カムリングとベーンとが離間するという問題が生じる。また、この離間によれば、ベーンポンプの吐出側の高圧が吸入側のタンクへ流れ込むため、異音が発生し、また、ポンプとしての良好な容積変化が妨げられる。また、この離間によれば、カムリングやベーンの摩耗や破損が起きる可能性が高まる。

本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、逆回転時におけるカムリングとベーンとの離間を防ぐことにより、安定的に負荷回路の圧力制御を行うことができるベーンポンプを提供することをその目的とする。

上述した課題を解決するため、本実施形態のベーンポンプは、大円弧と小円弧とが含まれる内周面形状を有するカムリングと、前記カムリング内に回転自在に設けられたロータと、前記ロータの外径側部に形成された径方向に伸びる複数のベーン収納溝のそれぞれに対して、ロータ径方向に摺動自在に配設された複数のベーンと、前記カムリングと前記ロータと前記複数のベーンとにより画成されるポンプ室において容積が漸次増大する吸入区画に連通する吸入ポートと、前記ポンプ室において容積が漸次縮小する吐出区画に連通する吐出ポートとを備え、前記複数のベーン収納溝と前記複数のベーンと間に、前記吸入ポートまたは吐出ポートの圧力が導入されるアンダーベーン室が形成され、前記複数のベーンのそれぞれは、該ベーンの摺動方向のカムリング側端部において、前記ロータの正回転方向前側に位置する前端部と、前記ロータの正回転方向後側に位置する後端部とを有し、前記前端部と前記後端部との間から前記アンダーベーン室まで連通する連通孔が形成され、前記カムリングの内周面形状は、前記吸入区画と前記吐出区画との間に位置する予圧縮区間が、前記ロータの正回転方向における前記予圧縮区間の開始位置から終了位置まで、前記後端部が前記開始位置を通過する前に前記前端部のみが前記カムリングの内周面に当接する勾配により、容積が漸次縮小するように形成されることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、逆回転時におけるカムリングとベーンとの離間を防ぐことにより、安定的に負荷回路の圧力制御を行うことができる。

本発明の実施形態に係るベーンポンプの全体構成を示す断面図である。図１の２−２線に沿って見た要部断面図である。ベーンの斜視図である。ベーンの正面、側面、上面及び底面を示す図である。カムリングの内周面形状を示す概略図である。展開したカムリングの内周面形状を示す概略図である。本発明の実施形態に係るベーンポンプによる応答性を示すグラフである。従来のベーンポンプによる応答性を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

まず、本発明の実施形態に係るベーンポンプについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るベーンポンプの全体構成を示す断面図である。図２は、図１の２−２線に沿って見た要部断面図である。

図１及び図２に示すように、ベーンポンプ１０は、図示しない基台やフレームなどに固定される本体部１２と、本体部１２に対して着脱可能に連結されるカバー１４と、本体部１２とカバー１４内に配設されるシャフト１６とを備える。

図１に示すように、本体部１２の貫通孔にはベアリング１８が嵌め込まれ、このベアリング１８によりシャフト１６が軸支される。シャフト１６の本体部側端部は、図示しない電動機に連結され、この電動機によりシャフト１６は回転駆動される。

本体部１２とカバー１４によって形成される内部空間内には、カバー１４側にウェアプレート２０、本体部１２側にプレッシャープレート２２が収納され、ウェアプレート２０とプレッシャープレート２２との間に挟まれてカムリング２４が収納される。さらに、内部空間内には、ロータ２６とベーン２８とが収納される。カムリング２４、ウェアプレート２０、プレッシャープレート２２は、図示しないボルトによってカバー１４と一体に組み付けられていると共に、カバー１４内において、位置決めピン３２によって位置決めされる。

ウェアプレート２０には、吸入ポート４０と連通する吸入溝２０１ａ、２０３、吐出ポート４２と連通する吐出溝２０２ａ、２０４が形成されている。また、ウェアプレート２０には、吸入溝２０１ａに対してロータ２６の径方向に対向した位置に吸入ポート４０と連通する吸入溝２０１ｂが形成され、吐出溝２０２ａに対してロータ２６の径方向に対向した位置に吐出ポート４２と連通する吐出溝２０２ｂが形成される。なお、吸入溝２０１ｂ及び吐出溝２０２ｂは図１には図示されない。

プレッシャープレート２２には、吸入ポート４０と連通する吸入溝２２１ａ、２２３、吐出ポート４２と連通する吐出溝２２２ａ、２２４が形成されている。また、プレッシャープレート２２には、吸入溝２２１ａに対してロータ２６の径方向に対向した位置に吸入ポート４０と連通する吸入溝２２１ｂが形成され、吐出溝２２２ａに対してロータ２６の径方向に対向した位置に吐出ポート４２と連通する吐出溝２２２ｂが形成される。なお、吸入溝２２１ｂ及び吐出溝２２２ｂは図１には図示されない。

図２に示すように、カムリング２４は、楕円や偏心円形などの非円形断面輪郭の内部空間を有しており、その内部空間にロータ２６が回転自在に配設される。ロータ２６の内周面は、シャフト１６の外周面と相対回転不可能にスプライン結合をしており、ロータ２６は、シャフト１６と一体的に回転する。また、カムリング２４の内周面、ロータ２６の回転方向に隣り合うベーン２８、ロータ２６の外周面、ウェアプレート２０及びプレッシャープレート２２によって、ロータ２６の回転によりその容積が増減するポンプ室Ｐが画成される。

ロータ２６の外径側部には、放射状に複数のベーン収納溝２６ａが形成されている。各ベーン収納溝２６ａ内にはベーン２８がロータ径方向に摺動自在に配設され、ベーン収納溝２６ａのそれぞれは、径方向に延在するとともに、ロータ２６の軸方向に、ベーン２８に対応した長さに亘って形成される。また、ベーン収納溝２６ａにおいて、その底部及び側面とベーン２８の内径側端部とウェアプレート２０、プレッシャープレート２２とによって画成される空間はアンダーベーン室Ｕとなる。このアンダーベーン室Ｕは、ロータ２６の回転によって、吸入溝２０１ａ、２２１ａ、２０１ｂ、２２１ｂに隣接する位置に移動されると、吸入ポート４０と連通して吸入ポート４０の圧力が周期的に導入される。また、同様に、アンダーベーン室Ｕは、吐出溝２０２ａ、２２２ａ、２０２ｂ、２２２ｂに隣接する位置に移動されると、吐出ポート４２と連通して吐出ポート４２の圧力が周期的に導入される。

また、アンダーベーン室Ｕには、弾性体である圧縮コイルバネ３４が設けられている。この圧縮コイルバネ３４は、ベーン２８とベーン収納溝２６ａの底部との間に介挿され、一端がベーン収納溝２６ａの底部に支持され、他端がベーン２８においてアンダーベーン室Ｕに臨む位置に支持される。圧縮コイルバネ３４がベーン２８をベーン収納溝２６ａの底部から常時離反する方向に押し付けることにより、ベーン２８をカムリング２４の内周面に押し付ける。このような圧縮コイルバネ３４によれば、ベーン２８がカムリング２４の内周面において、その長径位置にある場合であっても、短径位置にある場合であっても、また、ロータ２６の回転数が０に近い場合であっても、常にベーン２８がカムリング２４の内周面に押し付けられるため、ポンプ動作を確実に行うことができる。

次に、ベーンの構成について説明する。図３は、ベーンの斜視図である。図４は、ベーンの正面、側面、上面及び底面を示す図である。図３において、便宜上、シャフトの軸方向をｙ方向、ベーンの摺動方向をｚ方向、ｙ方向及びｚ方向に直交する方向をｘ方向とする。また、図４（ａ）はｘ方向から見たベーンの正面図であり、図４（ｂ）はｙ方向から見たベーンの側面図であり、図４（ｃ）はｚ方向におけるカムリング側から見たベーンの平面図であり、図４（ｄ）はｚ方向におけるシャフト側から見たベーンの底面図である。

図３及び図４に示すように、ベーン２８は、前端部２８１ａ、後端部２８１ｂを備え、また、端部溝２８２、切欠２８３、バネ受け部２８４、連通孔２８５、側部溝２８６が形成される。

前端部２８１ａ及び後端部２８１ｂは、いずれもｚ方向におけるカムリング２４側端部に位置し、図４（ｂ）に示すように、前端部２８１ａはｘ方向においてロータ２６の正回転方向前側に位置し、後端部２８２ｂはｘ方向においてロータ２６の正回転方向後側に位置する。端部溝２８２は、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、ｚ方向におけるカムリング２４側端部において前端部２８１ａと後端部２８１ｂとの間にｙ方向略全域に亘って形成される。切欠２８３は、図４（ａ）に示すように、ｙ方向に所定間隔を空けて３つ設けられ、それぞれの切欠２８３はｚ方向におけるシャフト側端部に形成される。バネ受け部２８４は、図４（ｄ）に示すように、３つの切欠２８３それぞれに対応して設けられ、それぞれのバネ受け部２８４は切欠２８３のｚ方向におけるカムリング２４側端部において圧縮コイルバネ３４の一端を支持可能に円形に形成される。連通孔２８５は、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、３つのバネ受け部２８４それぞれに対応して設けられ、それぞれの連通孔２８５はバネ受け部２８４から端部溝２８２まで貫通する円柱状の孔として形成される。側部溝２８６は、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ベーン２８のｙ方向両端においてｚ方向略全域に亘って形成される。

前端部２８１ａ及び後端部２８１ｂは、ベーン２８の回転位置に応じて、いずれか一方または両方がカムリング２４の内周面に当接する。バネ受け部２８４には、圧縮コイルバネ３４の復元力がかかるとともに、アンダーベーン室Ｕに導入される圧力の一部がかかる。

ウェアプレート２０側の側部溝２８６とウェアプレート２０とにより、アンダーベーン室Ｕからポンプ室Ｐへ流体を吐出する貫通孔が画成され、同様に、プレッシャープレート２２側の側部溝２８６とプレッシャープレート２２とにより、貫通孔が画成される。これらの貫通孔と連通孔２８５を介して、アンダーベーン室Ｕとポンプ室Ｐとが連通される。なお、カムリング２４は、前端部２８１ａまた後端部２８１ｂのいずれかが常に離間するように構成されているものとする。

次に、カムリングの内周面形状について説明する。図５は、カムリングの内周面形状を示す概略図である。図６は、展開したカムリングの内周面形状を示す概略図である。

図５に示すように、カムリング２４の内周面形状は、大円弧と小円弧とこれらを接続するカム曲線により構成され、周期が１８０度の略楕円状に形成される。また、カムリング２４の１周期をＡ〜Ａ’点として説明すると、図６に示すように、このうち、Ａ〜Ｙ点はポンプ室Ｐを画成しない区間として形成され、Ｙ〜Ｓ点は、シャフト１６の軸中心１６ａからカムリング２４の内周面までの距離、即ちポンプ室Ｐの容積が正回転方向に漸次増大して且つ吸入ポート４０に開口する吸入区間として形成され、Ｓ〜Ｐ点はポンプ室Ｐの容積が正回転方向に漸次縮小して且つ吸入ポート４０及び吐出ポート４２のいずれにも開口しない予圧縮区間として形成され、Ｐ〜Ｘ’点はポンプ室Ｐの容積が正回転方向に漸次縮小して且つ吐出ポート４２に開口する吐出区間として形成される。なお、吸入溝２０１ａ、２２１ａ、２０１ｂ、２２１ｂは吸入区間に対応した位置に形成され、吐出溝２０２ａ、２２２ａ、２０２ｂ、２２２ｂは吐出区間に対応した位置に形成される。

なお、従来のベーンポンプにおいては、予圧縮区間は、Ｓ〜Ｐ点にかけてポンプ室Ｐの容積が一定となるように形成されるが、カムリング２４の予圧縮区間は、正回転時における予圧縮区間開始位置であるＳ点から、正回転時における予圧縮区間終了位置であるＰ点にかけて所定の条件を満たす勾配で漸次縮小するように形成される。ここで所定の条件とは、ベーン２８の形状に関連し、具体的には、正回転時において、ベーン２８の後端部２８１ｂがＳ点を通過する前に前端部２８１ａのみがカムリング２４に当接することである。前端部２８１ａのみがカムリング２４に当接する場合、予圧縮区間において、後端部２８１ｂがカムリング２４から離間して、ベーン２８の連通孔２８５がアンダーベーン室Ｕとポンプ室Ｐとを連通し、アンダーベーン室Ｕ内の流体がベーン２８の回転方向の後ろ側のポンプ室Ｐへ吐出する。

カムリング２４の内周面形状を上述のように構成することによって、逆回転時、予圧縮区間において、ベーン２８の後端部２８１ｂがカムリング２４から離間して、アンダーベーン室Ｕとポンプ室Ｐとに圧力差が生じ、ベーン２８が押し上げられる。このように逆回転時にベーン２８が押し上げられることにより、図７に示すように、逆回転時における実圧力の値が安定し、カムリング２４とベーン２８との離間を防ぐことができる。また、このように離間が防止されることにより、この離間を起因とするベーンポンプ１０の不具合が改善される。なお、Ｓ点からＰ点にかけての勾配は、上述の条件を満たしつつ、逆回転時において、ベーン２８をカムリング２４に当接する位置まで押し上げることができる最小限の勾配とすることが望ましく、このような勾配は、少なくとも、予圧縮区間におけるポンプ室Ｐの容積と、アンダーベーン室Ｕの容積とに基づいて、カムリング２４のプロファイルとして算定されるものとする。より具体的には、アンダーベーン室Ｕ側からポンプ室Ｐ側へベーン２８が押される力をＦｕ、ポンプ室Ｐ側からアンダーベーン室Ｕ側へベーン２８が押される力をＦｐ、値が１以上の係数をＥとした場合、Ｆｕ＞＝Ｅ×Ｆｐとなるようにカムリングの勾配を設計することが望ましい。ここで、Ｆｕはアンダーベーン室Ｕにかかる圧力に前記ベーン２８にかかる圧縮コイルバネ３４の復元力を加算したもの、Ｆｐはポンプ室Ｐ側からベーン２８にかかる圧力、Ｅは１つのベーン２８に対して配設される圧縮コイルバネ３４の復元力が大きくなるに従って大きくなる係数とする。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ベーンポンプ
２４カムリング
２６ベーン
４０吸入ポート
４２吐出ポート
２８１ａ前端部
２８１ｂ後端部
２８５連通孔

Claims

大円弧と小円弧とが含まれる内周面形状を有するカムリングと、
前記カムリング内に回転自在に設けられたロータと、
前記ロータの外径側部に形成された径方向に伸びる複数のベーン収納溝のそれぞれに対して、ロータ径方向に摺動自在に配設された複数のベーンと、
前記カムリングと前記ロータと前記複数のベーンとにより画成されるポンプ室において容積が漸次増大する吸入区画に連通する吸入ポートと、
前記ポンプ室において容積が漸次縮小する吐出区画に連通する吐出ポートとを備え、
前記複数のベーン収納溝と前記複数のベーンと間に、前記吸入ポートまたは吐出ポートの圧力が導入されるアンダーベーン室が形成され、
前記複数のベーンのそれぞれは、該ベーンの摺動方向のカムリング側端部において、前記ロータの正回転方向前側に位置する前端部と、前記ロータの正回転方向後側に位置する後端部とを有し
前記前端部と前記後端部との間から前記アンダーベーン室まで連通する連通孔が形成され、
前記カムリングの内周面形状は、前記吸入区画と前記吐出区画との間に位置する予圧縮区間が、前記ロータの正回転方向における前記予圧縮区間の開始位置から終了位置まで、前記後端部が前記開始位置を通過する前に前記前端部のみが前記カムリングの内周面に当接し、前記ロータの逆回転時において、前記ベーンを前記カムリングの内周面に当接する位置まで押し上げることができる勾配により、容積が漸次縮小するように形成されることを特徴とするベーンポンプ。
前記予圧縮区間の勾配は、前記ロータの逆回転時において、前記ベーンを前記カムリングの内周面に当接する位置まで押し上げることができる最小限の勾配であることを特徴とする請求項１に記載のベーンポンプ。
前記予圧縮区間の勾配は、前記アンダーベーン室側から前記ポンプ室側へ前記ベーンが押される力である第１押圧力が、前記ポンプ室側からアンダーベーン室側へ前記ベーンが押される力である第２押圧力以上となるように設定されることを特徴とする請求項２に記載のベーンポンプ。
前記アンダーベーン室には、一端がベーン収納溝の底部に支持され、他端がベーンにおいてアンダーベーン室に臨む位置に支持される弾性体が介挿されていることを特徴とする請求項３に記載のベーンポンプ。
前記第１押圧力は前記アンダーベーン室にかかる圧力に前記ベーンにかかる前記弾性体の復元力を加えたものであることを特徴とする請求項４に記載のベーンポンプ。
前記予圧縮区間の勾配は、前記第１押圧力が、前記ベーンにかかる前記弾性体の復元力の大きさに基づく係数を乗じた前記第２押圧力以上となるように設定されることを特徴とする請求項５に記載のベーンポンプ。