JP6762229B2 - 油圧機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧機械に関する。

油圧によって作動する油圧機械として、ラジアルピストン型の油圧ポンプや油圧モータが知られている。例えば、油圧ポンプでは、外部から与えられた駆動力に伴う回転軸の回転によって、シリンダに収容されたピストンが上下動することで、作動油が圧送される。油圧モータでは、油圧を供給されたピストンの上下動に伴って回転軸に回転力が付与される。この種の装置の具体例として、下記特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１に記載されたラジアルピストンポンプは、回転軸の中心から偏心した円形のカムが回転することで、径方向に設けられた複数のピストンが作動する。

特開平３−８１５７５号公報

ところで、油圧機械の出力を向上させたいとの要求が近年高まっている。ここで、上記特許文献１に記載された装置では、カムが１回転するごとに、ピストンが１ストロークする構成を採っている。したがって、カムの回転数とピストンのストローク数との関係を改善することで、上記特許文献１に記載された装置には依然として出力向上の余地がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、出力が向上した油圧機械を提供することを目的とする。

本発明の油圧機械は、軸線回りに回転するとともに、該軸線を中心とする円形断面を有するカム本体、及び該カム本体の外周面に形成された複数の凹凸を有するカムと、前記カムの外周側に設けられ、前記軸線方向から見て断面円形の内周当接面を有するリング部と、前記内周当接面及び前記カムの外周面に当接する複数のローラと、前記リング部に取り付けられて、前記軸線の径方向に進退動する少なくとも１つのピストンと、を備える。

この構成によれば、カムが軸線回りに回転すると、複数のローラを介してリング部が追従して旋回する。具体的には、カムに形成された凹凸に合わせて、リング部が軸線の周囲を旋回する。すなわち、リング部の外周面上における任意の部分は、おおむね軸線の径方向に往復運動をする。この結果、リング部の外周面に取り付けられたピストンを進退動させることができる。

本発明の油圧機械では、前記ローラは、回転軸が前記リング部に支持されていてもよい。

この構成によれば、ローラをリング部によって安定的に支持することができる。これにより、油圧機械を円滑に動作させることができる。また、リング部がローラから散逸する可能性を低減することができる。

本発明の油圧機械では、前記リング部は、内周側の領域に潤滑油が充填されていてもよい。

この構成によれば、リング部とローラ、及びローラとカムの摺動を円滑にすることができる。特に、ローラとカムとの間における許容面圧を増加することができる。これにより、より高圧で油圧機械を運転することができる。

本発明の油圧機械では、前記凹凸は、曲率半径が前記ローラの半径よりも大きくてもよい。

この構成によれば、カムとローラの摺動をさらに円滑にすることができる。

本発明の油圧機械では、前記リング部は、前記内周当接面に、該リング部の内周側で前記カム及び前記ローラによって画成される空間同士を連通する連通溝が形成されていてもよい。

この構成によれば、カム及びローラによって画成される複数の空間の間で生じる圧力差を、連通溝を通じて分散することができる。これにより、油圧機械をより円滑に動作させることができる。

本発明の油圧機械では、前記凹凸の凸部の個数をｍ個としたときに、前記ローラの個数がｍ＋１個であってもよい。

この構成によれば、複数のローラによってリング部を安定的に支持することができる。

本発明の油圧機械では、前記複数のローラは、正（ｍ＋１）角形の各頂点に配置されていてもよい。

この構成によれば、カム及びリング部から各ローラに加えられる荷重を均等に分散させることができる。

本発明の油圧機械では、前記カムは、前記軸線の周方向一方側から他方側にかけて、外周面の径方向位置が周期的に変化していてもよい。

この構成によれば、ピストンを周期的かつ円滑に進退動させることができる。

本発明の油圧機械では、前記リング部の回転中心は、前記カムの回転中心である前記軸線から偏心していてもよい。

この構成によれば、リング部が軸線から偏心した位置で旋回するため、リング部に設けられたピストンを円滑に進退動させることができる。

本発明によれば、出力の向上した油圧機械を提供することができる。

図１は、第一実施形態に係る油圧機械の構成を示す模式図である。 図２は、第一実施形態に係る油圧機械の軸線を含む平面における断面図である。 図３は、第一実施形態に係る油圧機械の動作を示す説明図である。 図４は、第二実施形態に係る油圧機械の構成を示す模式図である。

［第一実施形態］
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１に示すように、油圧機械１００は、ラジアルピストン形式の油圧ポンプ、又は油圧モータとして使用される。本実施形態では、油圧機械１００を油圧ポンプとして用いた場合を例にその構成及び動作について説明する。

油圧機械１００は、回転軸１と、カム２と、リング部３と、ローラ４と、シリンダ部５と、ケーシング（不図示）と、を備える。回転軸１は、軸線Ａに沿って延びている。回転軸１は、外部の駆動原から供給された駆動力によって軸線Ａ回りに回転する。

カム２は、回転軸１の延在方向における中途位置に一体に設けられている。カム２は、軸線Ａ方向に延びる円柱状のカム本体２１と、カム本体２１の外周側に設けられた複数の凹部２２及び凸部２３と、を有している。カム本体２１は軸線Ａ方向から見て円形の仮想断面Ｐを有している。凹部２２及び凸部２３は、カム本体２１の外周面上で、軸線Ａの周方向にかけて周期的に配列されている。すなわち、カム２の外周面上には連続する凹凸が形成されている。

本実施形態では、カム２は２つずつの凹部２２、及び凸部２３を有している。具体的には、カム２は、軸線Ａの周方向に沿って周期的に配列された２つずつの凹部２２、及び凸部２３を有している。凹部２２は、カム本体２１の仮想断面Ｐから径方向内側に向かって凹んでいる。凸部２３は、カム本体２１の仮想断面Ｐから径方向外側に向かって突出している。

一対の凹部２２は、互いに同等の曲線形状である。一対の凸部２３は、互いに同等の曲線形状である。凹部２２は、周方向一方側の端部が、軸線Ａ方向から見て、凸部２３の周方向他方側の端部に接続されている。凸部２３の周方向一方側の端部は、凹部２２の周方向他方側の端部に接続されている。すなわち、カム２の外周面は、軸線Ａ方向から見て、凹部２２及び凸部２３を有する連続的な曲線形状である。また、カム２の外周面は軸線Ａと直交する方向に延びる対称軸Ｘを基準として線対称である。言い換えると、カム２の外周面には、軸線Ａ方向から見て、１８０°ごとに周期的な凹凸が形成されている。

リング部３は、カム２を外周側から覆う円環状の部材である。リング部３は、内周側の面が後述するローラ４に当接する内周当接面３１である。内周当接面３１は、軸線Ａ方向から見て円形の断面を有している。リング部３の外周側には、複数（３つ）のシリンダ部５が、ロッド５１を介して接続されている。リング部３の内側の空間は、比較的に高い粘度を有する潤滑剤によって満たされている。すなわち、リング部３の内周当接面３１と、ローラ当接面４１（後述）と、カム２の外周面とによって形成される複数の空間（小空間Ｖ）には潤滑油が充填されている。

各シリンダ部５は、油圧によって駆動される油圧シリンダである。シリンダ部５は、リング部３の外周面に接続されるロッド５１と、ロッド５１の先端に回動可能に接続されたピストン本体５２と、ピストン本体５２を外側から覆うことで油圧室５４を形成するシリンダ５３と、を有している。ロッド５１はリング部３の外周面に対してリング部３の外周面の径と同等の曲率半径を有する円弧面を介して接触しており、当該円弧面は、リング部３の外周面上で軸線Ａの周方向に摺動可能である。油圧室５４には、外部の作動油供給源から供給された作動油が流れ込む。ロッド５１の進退動にともなって、油圧室５４の圧力が上昇・下降する。この結果、ロッド５１の進退動にともなって、油圧室５４への作動油の吐出と、吸入とが行われる。

ローラ４は、リング部３の内周当接面３１と、カム２の外周面とに当接しながら回動する部材である。ローラ４は、カム２に設けられる凸部２３（又は凹部２２）の数に応じてその個数が決定される。具体的には、ローラ４の個数は、凸部２３（又は凹部２２）の個数をｍとしたときに、（ｍ＋１）個となる。すなわち、本実施形態では、カム２に２つの凸部２３が形成されていることから、ローラ４の個数は３個である。さらに、３つのローラ４は、正三角形の各頂点上に配置されている。より一般的には、ローラ４の個数をｎ個としたとき、各ローラ４は正ｎ角形、すなわち、正（ｍ＋１）角形の各頂点上に配置される。

詳しくは図２に示すように、各ローラ４は、軸線Ａ方向両側から一対の保持部材６１及び支持ピン６２によってリング部３に支持されている。保持部材６１は、リング部３の軸線Ａ方向両側における両端面に１つずつ設けられている。軸線Ａを含む断面視で、各保持部材６１は、リング部３から径方向内側に向かって延びる板状である。ローラ４は、一対の保持部材６１によって両端部が保持されており、軸線Ａに平行な中心軸回りに回動可能である。ローラ４の外周面であるローラ当接面４１は、カム２の外周面及びリング部３の内周当接面３１に対して当接している。ローラ当接面４１の曲率半径は、カム２に形成された凹部２２の曲率半径よりも小さい。言い換えると、凹部２２の曲率半径は、ローラ当接面４１の曲率半径よりも大きい。

一対の保持部材６１のうち、互いに対向する面には、周方向に延びる凹溝である連通溝３２が形成されている。連通溝３２は、保持部材６１の周方向全域にわたって形成されている。連通溝３２は、互いに隣接する一対の小空間Ｖ同士を連通している。

以上のように構成された油圧機械１００の動作について説明する。回転軸１に対して駆動力が付与されて回転すると、回転軸１に一体に設けられたカム２も軸線Ａ回りに回転する。図３に示すように、カム２が回転すると、ローラ４の動きに追従してリング部３が軸線Ａの周囲を旋回する。すなわち、リング部３はカム２の回転中心である軸線Ａから偏心した位置で旋回する。リング部３の旋回する方向は、カム２の回転する方向と反対となる。なお、以降の説明では、回転軸１及びカム２の回転量を示す値として角度を用いる。すなわち、回転軸１及びカム２が３６０°だけ回動したときに１回転したことになる。

リング部３が旋回すると、リング部３に取り付けられたシリンダ部５は、それぞれ互いに異なる位相で進退動を繰り返す。ここでは代表的に、１つのシリンダ部５の動作のみを代表的に説明する。同図中のステップＳ１２に示すように、カム２が０°位置にあるとき、ピストン本体５２はシリンダ５３内で上死点に位置している。すなわち、シリンダ部５内の油圧室５４の容積は最小となっている。

図３のステップＳ１４に示すように、カム２が回転して４５°位置にあるとき、ピストン本体５２は、ストロークの半分の長さだけシリンダ５３内で下降している。ステップＳ１６に示すように、カム２がさらに回転して９０°位置にあるとき、ピストン本体５２はシリンダ５３内で下死点に到達する。すなわち、シリンダ部５内の油圧室５４の容積は最大となっている。このとき、ピストン本体５２の下降に伴って油圧室５４内の圧力が下がり、作動油が吸入される。

次いで、ステップＳ１８に示すように、カム２が回転して１３５°位置にあるとき、ピストン本体５２は、ストロークの半分の長さだけシリンダ５３内で上昇している。ステップＳ２０に示すように、さらにカム２が回転して１８０°位置にあるとき、ピストン本体５２はシリンダ５３内で再び上死点に到達する。ピストン本体５２の上昇に伴って油圧室５４内の圧力は上がり、作動油が外部に吐出される。なお、上死点と下死点との間におけるロッド５１の移動距離は、ストローク量Ｓである。ストローク量Ｓは、軸線Ａからのリング部３の中心までの偏心距離に比例している。

このように、カム２が軸線Ａ回りに１／２回転（１８０°回転）するごとに、シリンダ部５は１回の進退動（１回のストローク）を行う。言い換えると、カム２が１回転（３６０°回転）するとき、シリンダ部５は２回のストロークを行う。すなわち、カム２がｒ回転するとき、シリンダ部５は２×ｒ回ストローク行うことができる。さらに言い換えると、本実施形態に係る油圧機械１００では、カム２が２つの凸部２３（及び２つの凹部２２）を有していることから、これに対応して、カム２が１回転すると、シリンダ部５は２回のストロークを行う。

なお、カム２の回転に伴って、互いに隣接する小空間Ｖ同士の間では、連通溝３２を通じた潤滑油の流動が生じている。より詳細には、カム２が軸線Ａ回りに回転して凸部２３が小空間Ｖ内を通過する際に、凸部２３の体積の分だけ当該小空間Ｖの容積が減少するため、小空間Ｖの内圧が上昇する。内圧の上昇にともなって、小空間Ｖ内の潤滑油は、連通溝３２を通じて外部、すなわち隣接する他の小空間Ｖに向かって流出する。

以上、説明したように、本実施形態の油圧機械１００は、カム２が軸線Ａ回りに回転すると、複数のローラ４を介してリング部３が追従して旋回する。具体的には、カム２に形成された凹部２２、及び凸部２３に合わせて、リング部３が軸線Ａの周囲を旋回する。すなわち、リング部３の外周面上における任意の部分は、おおむね軸線Ａの径方向に往復運動をする。この結果、リング部３の外周面に取り付けられたシリンダ部５を進退動させることができる。さらに、カム２に形成された凹凸の個数に応じて、カム２の１回転あたりのシリンダ部５のストローク数を変えることができる。すなわち、カム２の１回転あたりの油圧機械１００の出力を向上させることができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、ローラ４は、リング部３に回転可能に支持されている。これにより、ローラ４をリング部３によって安定的に支持することができる。さらに、油圧機械１００を円滑に動作させることができる。また、リング部３がローラ４から散逸する可能性を低減することができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、リング部３の内周側の領域（小空間Ｖ）は、潤滑油で満たされている。この構成によれば、リング部３とローラ４、及びローラ４とカム２の摺動を円滑にすることができる。特に、ローラ４とカム２との間における許容面圧を増加することができる。これにより、より高速で油圧機械１００を運転することができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、凹部２２の曲率半径は、ローラ４の半径よりも大きくてもよい。この構成によれば、カム２とローラ４の摺動をさらに円滑にすることができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、リング部３の内周当接面３１に、小空間Ｖ同士を連通する連通溝３２が形成されている。この構成によれば、複数の小空間Ｖの間で生じる圧力差を、連通溝３２を通じて分散することができる。これにより、油圧機械１００をより円滑に動作させることができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、凹凸の凸部２３の個数をｎ個としたときに、ローラ４の個数がｎ＋１個である。この構成によれば、複数のローラ４によってリング部３をより安定的に支持することができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、３つのローラ４は、正三角形の各頂点上に配置されている。より一般的には、ｍ個のローラ４は、正ｍ角形の各頂点に配置されている。この構成によれば、カム２及びリング部３から各ローラ４に加えられる圧力を均等に分散させることができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、カム２は、軸線Ａの周方向一方側から他方側にかけて、外周面の径方向位置が周期的に変化している。この構成によれば、カム２の外周面の形状にあわせて、シリンダ部５を周期的かつ円滑に進退動させることができる。

本実施形態に係る油圧機械１００では、リング部３の回転中心は、カム２の回転中心である軸線Ａから偏心している。この構成によれば、リング部３が軸線Ａから偏心した位置で旋回するため、リング部３に設けられたシリンダ部５を円滑に進退動させることができる。

以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上述の構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、油圧機械１００を油圧ポンプとして用いた例について説明した。しかしながら、油圧機械１００の態様は油圧ポンプのみに限定されず、油圧機械１００を油圧モータとして用いることも可能である。

油圧機械１００を油圧モータとして用いる場合、各シリンダ部５のシリンダ５３内に外部から作動油を供給することで、シリンダ部５を駆動させる構成が採られる。シリンダ部５の駆動により、リング部３が軸線Ａの周囲を旋回する。リング部３の旋回動作は、ローラ４を介してカム２に伝達される。この結果、カム２及び回転軸１が軸線Ａ回りに回転する。回転軸１の回転を外部に取り出すことによって、油圧機械１００を油圧モータとして用いることが可能となる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図４を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態に係る油圧機械２００では、カム２Ｂに３つの凹凸が形成されている。すなわち、カム２Ｂは、３つの凸部２３Ｂと、３つの凹部２２Ｂと、を有している。さらに、本実施形態に係る油圧機械２００は、４つのローラ４を備える。

具体的には、カム２Ｂは、軸線Ａの周方向に沿って周期的に配列された３つずつの凹部２２、及び凸部２３Ｂを有している。凹部２２Ｂは、カム本体２１Ｂの仮想断面Ｐから径方向内側に向かって凹んでいる。凸部２３Ｂは、カム本体２１Ｂの仮想断面Ｐから径方向外側に向かって突出している。

各凹部２２Ｂは、互いに同等の曲線形状を有している。各凸部２３Ｂは、互いに同等の曲線形状を有している。軸線Ａ方向から見て、凹部２２Ｂの周方向一方側の端部は、凸部２３Ｂの周方向他方側の端部に連続的に接続されている。凸部２３Ｂの周方向一方側の端部は、凹部２２Ｂの周方向他方側の端部に連続的に接続されている。すなわち、カム２Ｂの外周面は、軸線Ａ方向から見て、凹部２２Ｂ及び凸部２３Ｂを有する連続的な曲線形状である。また、カム２Ｂの外周面には、軸線Ａ方向から見て、１２０°ごとに周期的な凹凸が形成されている。

上述のように、ローラ４は、カム２Ｂに設けられる凸部２３Ｂ（又は凹部２２Ｂ）の数に応じてその個数が決定される。具体的には、ローラ４の個数は、凸部２３Ｂ（又は凹部２２Ｂ）の個数をｍとしたときに、（ｍ＋１）個となる。すなわち、本実施形態では、カム２Ｂに３つの凸部２３Ｂが形成されていることから、ローラ４の個数は４個である。さらに、４つのローラ４は、正方形の各頂点上に配置されている。

以上のように構成された油圧機械２００では、カム２Ｂが軸線Ａ回りに１／３回転（１２０°回転）するごとに、シリンダ部５は１回の進退動（１回のストローク）を行う。言い換えると、カム２が１回転（３６０°回転）するとき、シリンダ部５は３回のストロークを行う。

本実施形態の構成によれば、カム２Ｂが軸線Ａ回りに回転すると、複数のローラ４を介してリング部３が追従して旋回する。具体的には、カム２Ｂに形成された凹部２２Ｂ、及び凸部２３Ｂに合わせて、リング部３が軸線Ａの周囲を旋回する。すなわち、リング部３の外周面上における任意の部分は、おおむね軸線Ａの径方向に往復運動をする。この結果、リング部３の外周面に取り付けられたシリンダ部５を進退動させることができる。さらに、カム２Ｂに形成された凹凸の個数に応じて、カム２Ｂの１回転あたりのシリンダ部５のストローク数を変えることができる。すなわち、カム２Ｂの１回転あたりの油圧機械２００の出力を向上させることができる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて上記の構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、第一実施形態ではカム２の凹凸が２つである例について説明し、第二実施形態ではカム２Ｂの凹凸が３つである例について説明した。しかしながら、凹凸の個数は上記に限定されず、４つや５つ以上であってもよい。カム２に設けられる凹凸の個数を増やすほど、上述のシリンダ部５のロッド５１の搖動角度を小さくすることができる。すなわち、より効率的にシリンダ部５に動力を伝達することができる。
また、実際にローラ４の個数、ローラ４の径、及びカム２の凹凸の最小曲率半径を決定するに当たっては、シリンダ部５の個数、及びシリンダ部５が受ける圧力に基づいて得られる、カム２とローラ４の線接触ヘルツ面圧が用いられる。

１００，２００ 油圧機械
１ 回転軸
２，２Ｂ カム
３ リング部
４ ローラ
５ シリンダ部
２１，２１Ｂ カム本体
２２，２２Ｂ 凹部
２３，２３Ｂ 凸部
３１ 内周当接面
３２ 連通溝
４１ ローラ当接面
５１ ロッド
５２ ピストン本体
５３ シリンダ
５４ 油圧室
６１ 保持部材
６２ 支持ピン
Ａ 軸線
Ｐ 仮想断面
Ｖ 小空間

Claims (9)

1. 軸線回りに回転するとともに、該軸線を中心とする円形断面を有するカム本体、及び該カム本体の外周面に形成された複数の凹凸を有するカムと、
   前記カムの外周側に設けられ、前記軸線方向から見て断面円形の内周当接面を有するリング部と、
   前記内周当接面及び前記カムの外周面に当接する複数のローラと、
   前記リング部に取り付けられて、前記軸線の径方向に進退動する少なくとも１つのピストンと、
   を備える油圧機械。
2. 前記ローラは、回転軸が前記リング部に支持されている請求項１に記載の油圧機械。
3. 前記リング部は、内周側の領域に潤滑油が充填されている請求項１又は２に記載の油圧機械。
4. 前記凹凸は、曲率半径が前記ローラの半径よりも大きい請求項１から３のいずれか一項に記載の油圧機械。
5. 前記リング部は、前記内周当接面に、該リング部の内周側で前記カム及び前記ローラによって画成される空間同士を連通する連通溝が形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の油圧機械。
6. 前記凹凸の凸部の個数をｍ個としたときに、前記ローラの個数がｍ＋１個である請求項１から５のいずれか一項に記載の油圧機械。
7. 前記複数のローラは、正（ｍ＋１）角形の各頂点に配置されている請求項６に記載の油圧機械。
8. 前記カムは、前記軸線の周方向一方側から他方側にかけて、外周面の径方向位置が周期的に変化している請求項１から７のいずれか一項に記載の油圧機械。
9. 前記リング部の回転中心は、前記カムの回転中心である前記軸線から偏心している請求項１から８のいずれか一項に記載の油圧機械。

Images