KR102095596B1 - 내접 기어 펌프 - Google Patents

Abstract

내접 기어 펌프(P)는, 외치(4a)를 갖는 피니언(4)과 내치(5a)를 갖는 기어(5)가 케이싱(1) 내에 수용되고, 내치(5a)와 외치(4a)가 맞물려 피니언(4)과 기어(5)가 회전한다. 피니언(4)은, 외부 모터의 회전력을 받는 회전샤프트(3)에 회전 일체로 구동 연결되어, 회전샤프트(3)의 구동에 의해 회전하는 구동기어가 된다. 기어(5)는, 케이싱(1)에 배치된 기어핀(6)에 미끄럼 베어링인 기어부시(7)를 개재하여 회전 가능하게 지지되어, 종동 기어가 된다.

Description

내접 기어 펌프

본 발명은, 케이싱 내에서 외치 기어와 내치 기어를 맞물리게 하여 회전시켜 유체를 흡인, 토출하는 내접 기어 펌프에 관한 것이다.

종래, 케이싱 내에, 구동 기어와, 이 구동 기어와는 편심된 회전축을 가지며 구동 기어에 맞물리는 종동 기어와, 이들 사이에 배치된 초승달 형상의 가이드를 수용하고, 모터 등에 의해 구동 기어 및 당해 구동 기어에 맞물리는 종동 기어를 회전시켜, 유체를 흡인, 토출하는 내접 기어 펌프가 일반적으로 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 2 참조).

또한, 특허문헌 2에서는, 구동 기어인 기어(내치 기어)의 인접하는 내치의 외측 치형이, 동일한 원의 일부인 원호 치형일 때, 종동 기어인 피니언(외치 기어)의 외치에 있어서, 기어의 내치와의 맞물림면의 형상을 이론적으로 도출하는 예가 개시되어 있다.

일본 특허공개 2015－214965호 공보 일본 특허공개 평9－60594호 공보

근년, 내접 기어 펌프에는, 유압 펌프와 같은 소정의 점도를 갖는 유체를 이송할 뿐만 아니라, 물보다 훨씬 점도가 낮은 유체나 반고형물과 같은 고점도의 유체도 이송하는 용도가 증가하고 있다. 또한, 유체 자체도 단일 물질이 아니라, 복수 물질의 혼합물, 예를 들어, 슬러리가 섞인 수지 등을, 내접 기어 펌프로 이송하는 것도 증가하고 있다.

그러나, 고점도이거나 또는 고형물이 섞인 유체를 내접 기어 펌프를 이용하여 이송하는 경우는, 펌프에 대한 부하, 특히 기어 등, 회전부 부품에 대한 부하가 커서 펌프 자체의 내구성을 악화시키고 있었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 여러 점도를 갖는 유체나 고형물을 함유하는 유체 등도 이송 가능하며 또한 내구성이 우수한 내접 기어 펌프를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 구동 기어를 피니언으로 하고, 종동 기어는 내치를 갖는 기어로 하며, 기어는, 케이싱에 배치된 기어핀에, 미끄럼 베어링인 기어부시를 개재하여 회전 가능하게 지지되도록 하였다.

구체적으로는, 본 발명의 내접 기어 펌프는, 흡인구 및 토출구가 개구하는 케이싱 내에, 외치를 갖는 피니언과, 피니언에 대해 편심하여 배치되며 피니언의 외치에 맞물리는 내치를 갖는 기어가 수용되며, 피니언 및 기어가 내치와 외치가 맞물린 상태에서 회전함으로써, 흡인구로부터 케이싱 내로 흡입된 유체를 토출구로부터 토출시키는 내접 기어 펌프로서, 케이싱에 회전 가능하게 지지되며, 외부 액추에이터에 의해 회전 구동되는 회전샤프트와, 케이싱에 배치된 기어핀을 구비하고, 피니언은, 회전샤프트에 회전 일체로 구동 연결되어 회전샤프트의 구동에 의해 회전 가능하게 되는 한편, 기어는 기어핀에, 미끄럼 베어링인 기어부시를 개재하여 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 피니언을 구동 기어로 함으로써, 미끄럼 베어링인 기어부시에 작용하는 하중을 저감시킬 수 있고, 기어부시의 장수명화를 도모할 수 있어 펌프의 내구성을 향상시킬 수 있다.

기어는 m개(m은 3 이상의 자연수)의 내치를 가지고, 이 내치 중, n개(m／2＜n＜m；n은 자연수) 걸러 배치된 2개의 내치의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치하고, 피니언은 o개(o＜m；o는 자연수)의 외치를 가지고, 이 외치의 이론 치형은, 기어를 이 기어의 회전 중심 Og를 중심으로 소정의 각도씩 회전시켰을 때의 기어와 피니언의 접촉점의 궤적을 CP로 할 때, 궤적 CP를 피니언의 회전 중심 Op를 중심으로 기어의 회전 방향과는 역방향으로, 또한 기어와 피니언의 톱니 수의 비의 역비(m／o)에 상기 소정의 각도를 곱한 각도씩 회전시켜 얻어지는 궤적과 일치하도록 구성되는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 종래의 기어에 비해, 기어의 내치와 피니언의 외치가 매끄럽게 맞물림과 함께, 기어의 외경과 내경의 비를 크게 하여, 펌프의 토출량을 증가시킬 수 있다.

외치의 실용 치형은, 이론 외형에 근사한 복수 개의 원호를 조합하여 이루어지는 형상인 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 피니언의 외치 치형의 설계가 용이해진다.

상기 기어는, 기어 기부의 외주부에 상기 내치가 배치된 것이고, 기어부시는, 기어 기부보다 상기 피니언측을 향하여 소정의 돌출 길이만큼 돌출되며, 기어 기부와 피니언은 상기 돌출 길이보다 긴 거리를 두고 배치되는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 기어와 피니언의 회전 시에, 양자가 접촉하여 마모되는 것을 방지할 수 있고, 기어의 수명, 나아가서는 펌프의 내구성을 향상시킬 수 있다.

기어 기부에는, 피니언과는 반대측에, 회전샤프트의 회전축 방향에 대한 기어부시의 위치를 조정하기 위한 슬리브가 배치되는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 기어부시가 마모된 경우에도, 슬리브와 기어의 위치 관계를 조정함으로써, 기어부시의 돌출량을 수정할 수 있다. 이에 따라, 기어와 피니언 사이의 거리를 적절하게 유지할 수 있어 양자의 접촉에 의한 손상의 발생이나 마모를 방지할 수 있고, 나아가서는 펌프의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 기어부시의 교환 빈도를 저감시킬 수 있다.

피니언은 철계 재료로 이루어지고, 기어부시는 포금계 재료, 카본계 재료, 실리콘 카바이드, 또는 카본계 재료와 실리콘 카바이드와의 복합 재료 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 기어부시와 대향하는 피니언의 면에 상처가 발생하기 어려워 피니언의 장수명화를 도모할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기어 등, 회전부의 부품의 마모를 억제하여, 내접 기어 펌프의 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1a는 본 발명의 실시형태에 따른 내접 기어 펌프의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 IB－IB선의 단면도이다.
도 2는 내접 기어 펌프의 동작 설명도이다.
도 3은 기어를 축심 방향에서 본 도면이다.
도 4는 기어의 상부 절반의 단면도이다.
도 5는 기어보스의 형상을 바꿀 경우의 기어의 상부 절반의 단면도이다.
도 6은 피니언을 축심 방향에서 본 도면이다.
도 7은 피니언의 상부 절반의 단면도이다.
도 8은 종래의 기어를 축심 방향에서 본 도면이다.
도 9는 종래의 피니언을 나타내는 도 6에 상당하는 도면이다.
도 10은 종래의 피니언의 단면도이다.
도 11a는 5개 걸러 배치된 내치의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치할 때의 기어와 피니언의 형상을 나타내는 도면이다.
도 11b는 6개 걸러 배치된 내치의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치할 때의 기어와 피니언의 형상을 나타내는 도면이다.
도 11c는 4개 걸러 배치된 내치의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치할 때의 기어와 피니언의 형상을 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11a에 나타낸 기어와 피니언의 접촉점의 궤적, 및 도 11b에 나타낸 기어와 피니언의 접촉점의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 13a는 접촉점을 구할 때의 제원을 설명하는 도면이다.
도 13b는 기어와 피니언의 접촉점이 기어의 회전에 대하여 그리는 궤적과, 접촉점의 궤적으로부터 구한 피니언의 이론 치형의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 14a는 기어를 회전시켰을 때의, 본 발명의 실시형태에 따른 접촉점의 궤적과, 종래의 기술에 따른 접촉점의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 14b는 도 14a의 일부 확대도이다.
도 15는 기어를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시켰을 때의, 기어의 내치와 피니언의 외치의 접촉점의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 16은 기어를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시켰을 때의, 종래의 기술에 따른 기어의 내치와 피니언의 외치의 접촉점의 궤적을 나타내는 도 15에 상당하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 기어와 피니언의 대향 부분의 단면 확대도이다.
도 18은 기어부시를 슬리브에 장착하는 구조의 설명도이다.
도 19는 기어에 슬리브를 장착하는 구조의 설명도이다.
도 20은 기어부시의 돌출량을 조정하는 구조의 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 이하의 바람직한 실시형태의 설명은, 본질적으로 예시에 지나지 않으며, 본 발명, 그 적용물 또는 그 용도를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.

(내접 기어 펌프의 구조와 동작)

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시형태에 따른 내접 기어 펌프(P)를 나타내고, 이 내접 기어 펌프(P)는 케이싱(1)을 구비하고, 케이싱(1)은, 케이싱 본체(2)와, 케이싱 본체(2)를 밀봉하는 케이싱 커버(9) 및 엔드커버(10)로 이루어지고, 이들에 의해 케이싱(1) 내에 밀폐상의 공간이 형성된다. 케이싱 본체(2)에는, 케이싱(1) 내에 유체를 흡인하기 위한 흡인구(12)와, 케이싱(1) 내로부터 유체를 토출하기 위한 토출구(13)가 개구되고, 흡인구(12) 및 토출구(13)는, 후술하는 기어(5)의 회전 축심을 기준으로 90°의 각도 간격을 둔 상태로 배치된다.

케이싱(1) 내에는, 외치(4a)를 갖는 구동 기어인 피니언(4)과, 이 피니언(4)에 대해 편심하여 배치되며 피니언(4)의 외치(4a)에 부분적으로 맞물리는 내치(5a)를 갖는 종동 기어인 대략 바닥을 가진 원통 형상의 기어(5)가 수용된다.

케이싱 커버(9)는 피니언(4)측의 커버를 구성하고, 이 케이싱 커버(9)에는, 도시하지 않은 모터(외부 액추에이터)로부터의 회전력을 받아 회전 구동되는 회전샤프트(3)가 기밀상으로 관통되고, 이 회전샤프트(3)의 케이싱(1) 내의 단부에는 피니언(4)이 삽입 관통되어 회전 일체로 구동 연결되어, 회전샤프트(3)의 구동에 의해 피니언(4)이 회전 가능하게 된다.

또한, 케이싱 커버(9) 내에는 케이싱(1) 내로 돌출하는 가이드(8)가 배치되고, 이 가이드(8)는 초승달 형상인 것으로, 피니언(4)의 외치(4a)의 치선과 기어(5)의 내치(5a)의 치선 사이에 배치된다.

엔드커버(10)는 기어(5)측의 커버를 구성하고, 이 엔드커버(10)에는, 회전샤프트(3)에 대해 편심된 위치에, 회전샤프트(3)와 평행한 기어핀(6)이 내단부를 케이싱(1) 내로 돌출시키도록 기밀상으로 관통하여 장착 고정되고, 이 기어핀(6)에 기어(5)가 원통 형상의 기어부시(7)를 개재하여 회전 가능하게 삽입 관통 지지된다. 이 기어부시(7)는, 엔드커버(10)에 고정되어 장착된 기어핀(6)과 기어핀(6)을 중심으로 회동하는 기어(5) 사이의 미끄럼 베어링 역할을 한다.

또한, 이후, 특별히 설명하지 않는 한, “전”이란, 회전샤프트(3)에 직교하는 방향에서 보아 케이싱커버(9)가 배치된 쪽(도 1a에서는 우측)을 말하고, “후”란 그 반대측, 즉, 엔드커버(10)가 배치된 쪽(도 1a에서는 좌측)을 말한다.

기어(5)는, 원판 형상의 기부(5b)를 가지며 이 기부의 중심부에는 장착공(5f)(도 3 및 도 5 참조)이 관통 형성된다. 또한, 기부(5b)에 있어서, 피니언(4)과 대향하는 전면(5c)의 외주부에는, 복수의 내치(5a)가 일정한 각도 간격을 두고 링 형상을 이루도록 돌출 형성된다. 또한, 기부(5b)에서의, 피니언(4)과는 반대측인 후면(5d)에는, 장착공(5f) 내로 삽입되는 원통 형상의 슬리브(11)(도 17 참조)가 장착되고, 기어부시(7)는, 기어핀(6)과 슬리브(11)에 의해 사이에 끼워지도록 배치된다. 한편, 기어(5)에 직접 기어부시(7)를 장착하여도 된다.

본 실시형태에 있어서, 외치(4a)의 톱니 수는 8로 하고, 내치(5a)의 톱니 수는 11로 한다. 단, 이들 톱니 수는, 펌프의 설계 조건 등에 따라 적절히 변경되는 것이며, 상기 값에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 도 2에 나타내는 바와 같이, 회전샤프트(3)에 의한 구동에 의해 피니언(4) 및 기어(5)가 피니언(4)의 외치(4a)와 기어(5)의 내치(5a)가 맞물린 상태에서 회전함으로써, 흡인구(12)로부터 케이싱(1) 내로 흡입된 유체를 토출구(13)로부터 토출시키게 된다. 구체적으로는, 모터 등에 의해 회전샤프트(3)가 회전하고, 또한 회전샤프트(3)에 구동되어 피니언(4)이 회전한다. 이 때, 피니언(4)의 외치(4a)와 내치(5a)로 맞물려 있는 기어(5)가 토크를 받음으로써, 그 기어(5)도 또한 기어핀(6)을 축으로 하여 회전한다.

외치(4a)와 내치(5a)가 맞물린 상태에서, 흡인구(12)로부터 유체(14)를 흡인하기 때문에, 토출구(13)로 유체(14)의 누설은 발생하지 않는다.

피니언(4)과 기어(5)의 회전에 의해, 외치(4a)와 내치(5a)의 맞물림이 해제되어, 흡인구(12)로부터 흡인된 유체(14)는, 가이드(8)의 내주면과 외치(4a)의 치홈과 기어(5)의 기부(5b)와 케이싱 커버(9)로 구획되는 공간에 갇혀, 가이드(8)를 따라 이동한다. 동시에, 유체(14)는, 가이드(8)의 외주면과 내치(5a)의 치홈과 기어(5)의 기부(5b)와 케이싱 커버(9)로 구획되는 공간에도 갇혀 동일하게 이동하고, 양쪽 공간에 충전된 유체(14)는, 피니언(4)과 기어(5)의 회전에 따라, 토출구(13)를 향하여 보내진다.

피니언(4)과 기어(5)가 더 회전하면, 외치(4a)와 내치(5a)가 다시 맞물리기 시작하여, 상기 각각의 공간에 충전된 유체(14)가 토출구(13)로부터 토출된다.

외치(4a)와 내치(5a)가 완전히 맞물릴 때, 이들 톱니(4a, 5a)와 기어(5)의 기부(5b)와 케이싱 커버(9)로 유체(14)를 밀봉하기 때문에, 유체(14)는 토출구(13)보다 앞으로 보내지지 않고, 흡인구(12)로 역류하지 않는다.

(피니언드라이브 방식에 대하여)

일반적으로, 내접 기어 펌프에서는, 그 운전 중에, 종동 기어측에 배치된 부시는 유체 중에 있으며 유체와 접촉한다.

상술한 바와 같이, 이송되는 유체는, 점도나 함유되는 고형물의 종류, 양 등이 제각각이므로, 펌프의 회전 중에 유체와 접촉하는 부시의 마모가 발생하기 쉽다.

이에, 본 실시형태에서는, 특허문헌 2에 개시하는 바와 같은, 기어(5)가 구동 기어로서 회전하는 종래의 기어드라이브 방식이 아니라, 피니언(4)이 구동 기어로서 회전하는 피니언드라이브 방식으로 한다.

먼저, 기어(5)와 피니언(4)에 작용하는 하중에 대하여 설명한다. 도 7에 나타내는 피니언(4)에 작용하는 하중 Fp는,

Fp＝rp×PХT (1)

로 나타낸다.

여기서,

rp： 피니언(4)의 외측 반경

P： 흡입 압력과 토출 압력의 차압

Ｔ： 피니언(4)의 회전축 방향에서의 두께(톱니폭)

이다.

한편, 도 4에 나타내는 기어(5)에 작용하는 하중 Fg는,

Fg＝rgХPХt／2 (2)

로, 근사적으로 나타낸다.

여기서,

rg： 기어(5)의 외측 반경

t： 기부(5b)의 회전축 방향에서의 두께

이다.

또한, 기어(5)에서 차압 P는 기부(5b)에 가해지고, 전면(5c)에 가해지는 압력 Pa와 후면(5d)에 가해지는 압력 Pb의 차에 상당한다.

또한, 피니언(4)과 기어(5)의 외측 반경의 비율은, 톱니 수의 비에 의해 결정된다.

본 실시형태에 있어서, 피니언(4)의 톱니 수 o가 8이고, 기어(5)의 톱니 수 m이 11이므로, 톱니 수의 비 o／m는 8／11이다. 또한, 피니언(4)의 회전축 방향에서의 두께 T와 기어(5)의 기부(5b)의 회전축 방향에서의 두께 t의 비를, 0.3에서 0.4 사이로 하면, 식 (1)로 나타내는 하중 Fp와 식 (2)로 나타내는 하중 Fg의 비인 Fg／Fp는, 0.2에서 0.275 사이가 된다.

따라서, 기어에 작용하는 하중 Fg는, 피니언에 작용하는 하중 Fp의 1／5에서 약 1／4이 된다.

식 (2)로 나타내는 하중 Fg는 기어부시(7)에도 작용하기 때문에, 피니언(4)측에 유체와 접촉하는 부시를 배치하는 기어드라이브 방식보다도, 기어(5)측에 유체와 접촉하는 부시를 배치하는 피니언드라이브 방식이 부시에 가해지는 부하가 작아진다. 이것에 의해, 기어부시(7)의 장수명화를 도모할 수 있고, 펌프(P) 전체의 내구성이 향상된다.

또한, 피니언드라이브 방식으로 함으로써, 모터로부터 받는 전달 토크를 작게 하는 것이 가능해진다.

일반적으로, 모터로부터 회전샤프트로의 전달 토크가 커지면, 회전샤프트와 기어의 체결력도 증가시킬 필요가 있다.

회전샤프트와 기어 사이를 나사 고정하여 체결할 경우, 나사의 강도로는 체결력에 제한이 있기 때문에, 전달 토크를 크게 하고 싶은 경우에는, 수축 끼워맞춤에 의해 양자를 체결하는 경우가 많다. 여기서, 수축 끼워맞춤이란, 기어를 가열하여 팽창시켜 기어의 구멍의 직경을 넓히고, 그 상태에서 구멍에 회전샤프트를 끼워 넣고, 냉각 후, 기어의 수축력으로 고착 상태로 하는 것을 말한다.

수축 끼워맞춤에 의한 체결력은, 회전샤프트가 기어로부터 받는 압력과 이들의 접촉 면적에 의해 결정된다.

기어드라이브 방식의 경우, 모터의 부하를 증대시키지 않을 필요가 있으며, 그렇게 하기 위해서는 기어(5)의 기부(5b)를 필요 이상으로 두껍게 할 수 없다. 따라서, 회전샤프트(3)의 직경을 크게 하거나, 도 5에 나타내는 기어보스(5e)와 같이 형상을 바꾸어, 이 직경을 크게 하거나, 또는 길게 하여 접촉 면적을 넓혀, 회전샤프트(3)와 기어(5)와의 체결력을 증가시킬 필요가 있었다.

단, 상기 방법 모두 장치의 대형화나 부재 비용의 증대를 초래하였다.

한편, 피니언드라이브 방식에서는, 피니언(4)에 형성된 장착공(4c)의 내측면이 모두 회전샤프트(3)와 접촉하게 되므로, 기어드라이브 방식의 경우와 달리, 회전샤프트(3)의 치수를 수정하거나, 기어보스(5e)를 배치할 필요가 없어져, 설계면이나 비용면에서 유리해진다.

기어드라이브 방식에서의 기어의 장착공(5f)과, 피니언드라이브 방식에서의 피니언의 장착공(4c)의 직경을 동일하다고 가정하여, 양쪽의 전달 토크를 계산한 바, 후자에서는, 전자의 약 1.13배∼1.7배의 토크를 전달할 수 있는 것을 알았다. 이 차이는 주로 기어(5)의 기부(5b)의 두께와 피니언(4)의 톱니 폭의 차이에 따른 것이다.

또한, 피니언드라이브 방식으로 함으로써, 회전샤프트(3)를 회전시키는 기구를 간소화하고, 또한 그 비용을 삭감할 수 있다.

상기 톱니 수의 비로 계산하면, 기어(5)가 100rpm으로 회전할 때, 피니언(4)의 회전 속도는 약 140rpm이 된다. 동일한 작업량이면 회전 속도가 클수록 회전 토크는 작아지기 때문에 기어드라이브 방식과 비교하면 피니언드라이브 방식에서 회전샤프트(3)의 회전 토크는 작아진다.

따라서, 감속기를 개재하여, 모터로부터의 회전력을 회전샤프트(3)에 전달하는 경우에는, 감속비가 작은, 즉, 회전 토크가 작은 간편한 구성의 감속기를 이용할 수 있다.

(피니언 및 기어의 치형 설계)

상술한 피니언드라이브 방식의 내접 기어 펌프(P)에 있어서, 피니언(4)의 외치(4a)와 기어(5)의 내치(5a)와의 맞물림을 매끄럽게 함으로써, 펌프(P)의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이에, 본 실시형태에서는, 기어(5)의 내치(5a)의 형상을, 특허문헌 2에 개시된 원호형상과는 역방향으로 함과 더불어, 기어(5)의 내치(5a)의 치형 및, 그것에 대응하는 피니언(4)의 외치(4a)의 치형을, 이하와 같이 설계함으로써, 종래의 내접 기어 펌프보다 기어의 맞물림을 매끄럽게 하는 것이 가능해진다.

(기어 치형의 설계)

도 3에 나타내는 바와 같이, 기어(5)의 내치(5a)는, 기어(5)의 피치원상의 1점(도면 중의 점 a)과, 기어(5)의 이뿌리원상의 1점(도면 중의 점 b) 및 도면 중의 점 c를 지나는 원호 형상으로 설계된다.

이 원호의 방향은, 도 8에 나타내는 종래의 기어의 내치와는 역방향, 말하자면, 역원호 형상으로 되어 있다.

또한, 기어(5)의 이뿌리원이란, 기어(5)의 회전 중심 Og를 중심으로, 반경이 기어(5)의 내측 반경인 원을 말한다.

여기서, 도 3 중의 점 c를 정하기 위해서는, 피니언(4)의 치선 형상과의 밸런스가 중요해진다.

실제 피니언(4)의 치형 설계에 있어서, 이뿌리 형상은 인접하는 외치(4a)의 사이를 원호로 잇도록 설계하는 경우가 많다. 이 때, 가공 편의성을 고려하면, 원호의 반경은 크게 설계하는 쪽이 좋다.

한편, 펌프 회전 시에 피니언(4)의 외치(4a)가 받는 하중을 고려하면, 외치(4a)의 이뿌리 두께 d는 두꺼운 쪽이 강도적으로 유리하다.

실제 설계에서는 외치(4a)의 강도가 중요시되고, 일반적으로는 기어(5)의 내치(5a)의 톱니 수가 m개(m은 3 이상의 자연수)일 때, n개 걸러(m／2＜n＜m； n은 자연수) 선택된 내치의 내측 치형이, 동일 원호상에 위치하도록 하면 된다.

이상을 고려하면, 먼저, 도 11c에 나타내는 구성에서는, 피니언(4)의 강도가 다른 2개의 구성보다 약해지므로 실용적으로는 그다지 적합하지 않다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같이, 도 11a에 나타낸 기어(5)와 피니언(4)의 접촉점의 궤적 A가, 도 11b에 나타낸 경우의 접촉점의 궤적 B보다, 기어(5)의 반경 방향에 대한 변화가 작고, 기어(5)와 피니언(4)이 매끄럽게 접촉하고 있다고 할 수 있다.

따라서, 본 실시형태에 있어서는 도 11a에 나타내는 5개 걸러 배치된 내치의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치하는 구성이 최적의 형상이 된다.

또한, 도 11a부터 11c에서, 상술한 바와 같이, 피니언(4)의 톱니 수 o가 8, 기어(5)의 톱니 수 m이 11로 설계된다.

(피니언 치형의 설계)

피니언(4)의 이론 치형은, 이하에 나타내는 바와 같이 하여 구해진다.

도 13a 및 도 13b에 나타내는 바와 같이, 먼저, 피니언(4)과 기어(5)의 피치점 P와, 기어(5)의 치형원 중심 Oc를 연결하는 직선 L을 정한다. 다음으로, 기어(5)의 회전 중심 Og를 중심으로, 기어(5)를 각도 θ만큼 회전시킨다. 즉, 회전 중심 Og를 중심으로, 치형원 C의 중심 Oc를 각도 θ만큼 회전시키고, 이를 중심으로 치형원을 새롭게 그린다. 동일하게 직선 L도 새롭게 그려진다.

새롭게 그려진 치형원 C와 직선 L의 교점을 구한다. 도 13a 및 도 13b에서는, 기어의 좌측 치형과 직선 L의 교점으로서 나타낸다. 이 교점은, 기어의 기구학적 조건에서, 피니언(4)과 기어(5)의 접촉점에 대응된다.

또한, 기어(5)의 회전 각도는 5도 간격으로 하고 있다.

다음으로, 각도 θ를 변화시켜 접촉점이 그리는 궤적 CP를 구한다. 피니언(4)과 기어(5)가 이상적으로 맞물릴 때, 이 궤적 CP는, 기어(5)의 회전과 함께 이동하는 피니언(4)의 치형에 대응한다. 따라서, 피니언(4)의 이론 치형 PT는, 이 접촉점을 피니언(4) 상에 투영시킨 형상이 된다. 구체적으로는, 접촉점의 궤적 CP를, 피니언(4)의 피치원의 회전 중심 Op를 중심으로, 기어(5)의 회전을 원래로 되돌리는, 즉, 기어(5)의 회전 방향과는 역방향으로 회전시켜 얻을 수 있다.

이 때, 접촉점을, 각도 θ만큼 되돌리는 것이 아니라, 회전 중심 Op를 중심으로, 식 (3)으로 나타내는 각도 θz만큼 되돌린다.

θz＝θХ(m／o) (3)

상기 조작을 실시하여, 도 6에 나타내는 바와 같이, 피니언(4)의 이론 치형이 얻어진다.

단, 상기한 바와 같이 하여 구한 형상은 복잡하기 때문에, 실제 설계에서는, 이 이론 치형을 복수 개의 원호로 근사하고, 이들을 조합하여 이루어지는 형상을 피니언(4)의 실용 치형으로 한다.

이와 같이 근사시킴으로써, 피니언(4)의 형상을 용이하게 설계·작도할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 피니언(4)의 이뿌리는, 인접하는 외치(4a)의 사이를 잇는 원호 형상으로 근사한다. 또한, 이뿌리는, 기어(5)의 이뿌리원에 근사한 형상으로 한다.

또한, 실용 치형의 설계에서는, 피니언(4)과 기어(5) 사이의 백래시도 고려할 필요가 있으나, 본 명세서에서는 상세한 설명은 생략한다.

이하, 종래 기술과 비교하여 본 실시형태의 유리한 점을 설명한다.

여기서, 본 실시형태의 기어(5) 및 피니언(4)은, 각각 도 3 및 도 6에 나타내는 형상이며, 종래의 기어(5) 및 피니언(4)은, 각각 도 8 및 도 9에 나타내는 형상이다.

먼저, 도 14a 및 도 14b에 나타내는 바와 같이, 기어(5)의 회전에 대한, 본 실시형태의 기어의 접촉점(검은 동그라미로 표시)의 궤적이, 종래의 기어의 접촉점(흰 동그라미로 표시)의 궤적과 비교하여, 매끄럽게 변화하고 있고, 기어(5)의 회전에 대한 접촉점의 이동 거리의 편차도 작다.

이것은, 본 실시형태에 있어서, 피니언(4)이, 그 치형의 넓은 범위에 걸쳐, 기어(5)와 등속에 가깝고, 또한, 매끄럽게 접촉하고 있는 것을 나타낸다. 따라서, 종래와 비교하여, 피니언(4)과 기어(5) 사이가 마모되기 어렵고, 이들의 수명이 향상된다.

또한, 기어(5)를 시계 방향으로 회전시켰을 때, 도 16에 나타내는 종래의 기어에서는, 접촉점은, 기어의 피치원 반경의 약 1.012배까지 도달 가능하나, 도 15에 나타내는 본 실시형태의 기어에서는, 기어의 피치원 반경의 약 1.037배까지 접촉점이 도달 가능하다.

따라서, 종래의 기어에 비하여, 본 실시형태의 기어에서는, 피니언(4)과 기어(5)의 접촉 범위를 넓힐 수 있어, 기어(5)의 외경과 내경의 비, 즉, 기어의 톱니 길이를 크게 할 수 있어, 펌프(P)의 토출량을 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 기어(5)의 외경, 피치원 반경 및 피니언(4)의 회전 중심과 기어(5)의 회전 중심과의 거리가 동일하다고 가정하여, 종래의 기술에 따른 내접 기어 펌프와 본 실시형태에 따른 내접 기어 펌프(P)로, 1회전당 토출량을 비교하면, 후자는 전자의 약 1.1배가 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면 기어(5)의 치형을 역원호 형상으로 하고, 그것에 대응하는 피니언(4)의 치형을, 기어(5)의 회전에 대하여 피니언(4)과 기어(5)의 접촉점이 그리는 궤적을, 피니언(4)의 회전 중심에 대하여 기하학적으로 변환하여 얻어지는 궤적으로 함으로써, 피니언(4)과 기어(5)를, 각각의 치형의 넓은 범위에 걸쳐 매끄럽게 접촉시킬 수 있다. 이것에 의해, 기어의 장수명화를 도모할 수 있고, 펌프(P)의 내구성이 향상된다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 5개 걸러 배치된 내치(5a)의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치하도록 기어(5)의 치형을 설계하였으나, 피니언(4)과 기어(5)의 톱니 수의 조합에 따라, 동일한 원의 원호상에 위치하는 2개의 내치(5a)의 간격은 적절하게 변경될 수 있다.

(기어부시와 기어 및 피니언의 배치에 대하여)

종래의 내접 기어 펌프에서는, 회전샤프트(3)에 직교하는 방향에서 보아, 피니언(4)과 기어(5)를, 약간의 간극을 갖는 상태로 대향시키고 있었다. 펌프의 회전 시에, 유체의 밀봉성을 유지하면서 피니언(4)과 기어(5)의 마찰을 저감시키기 위해서이다.

그러나, 유체의 점도가 높고, 상기 간극에 유체가 들어가지 않는 경우나, 펌프 내 압력에 따라서는, 대향면끼리가 직접, 상호 마찰되는 우려가 있어, 펌프를 장기간 사용하면, 각각의 대향면에 상처가 발생할 가능성이 있었다.

또한, 유체 내에 고형 입자 등이 포함되는 경우에도, 그 입경에 따라서는, 대향면에 상처가 발생할 가능성이 있었다.

기어(5)나 피니언(4)에 상처 또는 마모가 발생한 경우, 그 곳으로부터 유체가 유출될 우려가 있고, 또한, 기어 자체가 마모, 손상되기 때문에, 기어(5)나 피니언(4), 또는, 그 양쪽을 교환할 필요가 있었다.

본 실시형태에서는, 상기의 내접 기어 펌프(P)에 있어서, 기어부시(7)와 피니언(4)의 거리를, 피니언(4)과 기어(5)의 거리보다도 가깝게 함으로써, 이 문제를 해결하고 있다.

이하, 상세히 설명한다.

도 17에 나타내는 바와 같이, 기어(5)의 기부(5b)와 대향하는, 피니언(4)의 후면(4b)과, 기부(5b)의 전면(5c) 사이에는 일정한 간격이 형성되고, 기어부시(7)는 피니언(4)을 향하여, 즉, 전방을 향하여 돌출된다. 바꿔 말하면, 기어부시(7)에서의 피니언(4)과 대향하는 면은, 후면(4b)에 대하여, 전면(5c)보다 가까워지도록 배치된다.

기어부시(7)는, 회전축에 직교하는 방향의 힘(이하, 레이디얼력이라 함)과, 회전축과 동일 방향의 힘(이하, 스러스트력이라 함)을 동시에 받아들일 필요가 있다. 이를 받아, 도 18에 나타내는 바와 같이, 슬리브(11)는 후단부에 외향의 플랜지부(11a)를 갖는 단면 대략 L자 형상으로 되어 있고, 플랜지부(11a)에는, 둘레방향으로 등간격을 두고 배치된 복수의 볼트 삽입관통공(11b)과 복수의 볼트 나사공(11c)(도 20 참조)이 관통 형성된다. 또한, 기어(5)의 기부(5b)의 후면(5d)에는 볼트 삽입관통공(11b)에 대응하는 볼트체결공(15)이 형성된다.

또한, 슬리브(11)가 대략 L자 형상이기 때문에, 회전축과 직교하는 방향으로부터 보아, 기어부시(7)는, 슬리브(11)의 전후 각각으로부터 삽입할 필요가 있다. 따라서, 기어부시(7)는, 회전축 방향에 대하여 2개의 분할부(7a)로 2분할된다. 또한, 각 분할부(7a)의 외주면에는, 대향하는 분할부(7a)측의 단부로부터 분할부(7a)의 축심 방향의 중간부까지의 범위에, 슬리브(11)의 대략 절반부를 감합하기 위한 오목부(7b)가 전체 둘레에 걸쳐 형성되고, 양 분할부(7a)가 조합되었을 때 기어부시(7)의 외주면에 양 오목부(7b)에 의한 하나의 고리형 오목부가 형성되고, 이 고리형 오목부에 슬리브(11)가 감합되게 된다.

그리고, 도 19에 나타내는 바와 같이, 기어부시(7)의 양 분할부(7a)를 슬리브(11)의 양측으로부터 끼워 넣은 후, 기어(5)와 슬리브(11) 사이에서, 볼트 체결공(15)과 볼트 삽입공(11b)의 위치를 맞춘다. 또한, 수축 끼워맞춤, 또는 압입에 의해, 기어부시(7)가 슬리브(11)로 끼워 넣어진다.

또한, 도 18 및 도 19는 상부 절반의 단면도이다.

도 19 및 도 20에 나타내는 바와 같이, 기어(5)의 장착공(5f)에 대하여, 슬리브(11)와 기어부시(7)의 양 분할부(7a)를 양 분할부(7a)의 오목부(7b)에 슬리브(11)가 감합된 상태에서 삽입함과 더불어, 볼트 삽입관통공(11b)에 육각 구멍붙이 볼트(16)를 삽입하여 볼트 체결공(15)에 나사 결합하여 체결 고정한다.

이 때, 기부(5b)의 전면(5c)에 대한 기어부시(7)의 돌출량을, 육각 구멍붙이 볼트(16)와, 볼트 나사공(11c)에 나사 결합되는 누름볼트(17)로 조정하여 결정한다.

누름볼트(17)를 슬리브(11)에 나사 결합함으로써, 누름볼트(17)의 선단부가 기어(5)의 기부(5b)에 맞닿아, 기부(5b)를 누른다. 이 때, 슬리브(11)와 기어(5)의 기부(5b)와의 사이에 간극이 생긴다. 이 간극에, 심(도시하지 않음)을 삽입하고, 육각 구멍붙이 볼트(16)를 조여 전체의 위치를 고정함과 더불어, 기어부시(7)의 돌출량을 조정한다.

한편, 도시하지 않으나, 볼트 삽입관통공(11b)과 볼트 나사공(11c)의 수는 동일하지 않고, 후자의 수가 전자의 수보다 적도록 한다.

본 실시형태에서는, 기부(5b)의 전면(5c)에 대한 기어부시(7)의 돌출량을 약 0.2㎜로 하고, 기부(5b)의 전면(5c)과 피니언(4)의 후면(4b)과의 거리를 약 0.47㎜로 하였으나, 특별히 이에 한정되지 않고, 이송되는 유체의 종류나 그 온도, 또한, 펌프의 크기나 그 조립 정밀도 등에 따라 적절히 변경된다.

이상, 설명한 바와 같이, 기어부시(7)를, 전방을 향하여 기부(5b)에 대하여 소정의 길이 분만큼 돌출시킴으로써, 기어(5)와 피니언(4)의 대향면끼리, 즉, 기어(5)의 전면(5c)과 피니언(4)의 후면(4b)을, 돌출량보다 긴 거리만큼 이격시킨다.

이에 따라, 기어(5)의 전면(5c)과 피니언(4)의 후면(4b)의 접촉을 억제할 수 있음과 함께, 이들 대향면 사이로 유체의 진입을 용이하게 하여 피니언(4)이나 기어(5)에서의 상처나 마모의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 기어부시(7)와 피니언(4)의 후면(4b)과의 사이에서 유체의 밀봉성을 유지할 수 있다.

이들에 의해, 펌프(P) 내에서의 유체의 액 누설을 방지하여, 피니언(4)이나 기어(5)의 교환 빈도를 길게 할 수 있어, 펌프(P)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 기어드라이브 방식의 경우에는, 도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 피니언 부시(18)가 피니언(4)의 장착공(4c)에 끼워 넣어진다.

이 경우, 피니언 부시(18)가 피니언(4)에 고착되고, 또한, 피니언(4)이 기어(5)와 케이싱커버(9)로 사이에 끼여 고정되므로, 피니언 부시(18)를 미소량만 돌출시키는 것은 어려웠다.

그러나, 본 실시형태에 의하면, 도 1a에 나타내는 바와 같이, 기어(5)와 엔드커버(10) 사이에 공간을 형성할 수 있고, 회전축 방향에 대하여, 기어부시(7)나 슬리브(11)를 이동시키는 여유를 만들 수 있다. 따라서, 기어부시(7)가 장착된 슬리브(11)의 위치의 미세 조정을 용이하게 실시할 수 있다.

또한, 기어부시(7)가 마모된 경우에도, 위치를 재조정함으로써 대응할 수 있으므로, 기어부시(7)의 교환 주기를 길게 할 수 있어, 장수명화를 도모할 수 있다.

또한, 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서, 기어부시(7)의 구성 재료로서, 청동 주물 등의 포금계 재료나, 카본계 재료, 실리콘 카바이드, 또는 카본계 재료와 실리콘 카바이드와의 복합 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

통상, 피니언(4)이나 기어(5)는, 철계 재료, 예를 들어, FC계 재료나 S45C계 재료, 또는 스테인리스계 재료를 사용하여 형성되는 경우가 많다. 기어부시(7)의 구성 재료를, 상기의 재료로 함으로써, 기어부시(7)와 철계 재료인 피니언(4)의 후면(4b)이 접촉하였다 하더라도, 피니언(4)에 상처가 발생하기 어려워져, 피니언(4)의 장수명화를 도모할 수 있다.

또한, 기어부시(7)가 마모되었다 하더라도, 상술한 바와 같이, 슬리브(11)의 위치를 재조정하여, 기어부시(7)의 위치를 설계값으로 되돌리는 것이 가능하고, 또한, 기어부시(7)는 용이하게 교환할 수 있다.

또한, 기어부시(7)의 구성 재료는, 특별히 이에 한정되는 것은 아니고, 이송되는 유체의 종류에 따라서도 적절히 변경 가능하다.

본 발명의 내접 기어 펌프는, 회전 시에 기어나 미끄럼 베어링에 가해지는 부하를 저감시킬 수 있고, 내구성이 우수한, 유체의 흡인·토출용 펌프로서 매우 유용하다.

P ： 내접 기어 펌프
1 ： 케이싱
3 ： 회전샤프트
4 ： 피니언
4a ： 피니언의 외치
5 ： 기어
5a ： 기어의 내치
5b ： 기어의 기부
6 ： 기어핀
7 ： 기어부시
8 ： 초승달 형상의 가이드
11 ： 슬리브
12 ： 흡인구
13 ： 토출구
CP ： 기어와 피니언의 접촉점의 궤적
Op ： 피니언의 회전 중심
Og ： 기어의 회전 중심

Claims (10)

1. 흡인구 및 토출구가 개구하는 케이싱 내에, 외치를 갖는 피니언과, 당해 피니언에 대해 편심하여 배치되며 피니언의 외치에 맞물리는 내치를 갖는 기어가 수용되며, 상기 피니언 및 기어가 상기 내치와 상기 외치가 맞물린 상태에서 회전함으로써, 흡인구로부터 케이싱 내로 흡입된 유체를 토출구로부터 토출시키는 내접 기어 펌프로서,
   상기 케이싱에 회전 가능하게 지지되며, 외부 액추에이터에 의해 회전 구동되는 회전샤프트와,
   상기 케이싱에 배치된 기어핀을 구비하고,
   상기 피니언은, 상기 회전샤프트에 회전 일체로 구동 연결되어 당해 회전샤프트의 구동에 의해 회전 가능하게 되는 한편,
   상기 기어는 상기 기어핀에, 미끄럼 베어링인 기어부시를 개재하여 회전 가능하게 지지되는, 내접 기어 펌프.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기어는 m개(m은 3 이상의 자연수)의 내치를 가지고,
   상기 내치 중, n개(m／2＜n＜m；n은 자연수) 걸러 배치된 2개의 내치의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치하고,
   상기 피니언은 o개(o＜m；o는 자연수)의 외치를 가지고,
   상기 외치의 이론 치형은, 상기 기어를 당해 기어의 회전 중심 Og를 중심으로 소정의 각도씩 회전시켰을 때의 상기 기어와 상기 피니언의 접촉점의 궤적을 CP로 할 때, 상기 궤적 CP를 상기 피니언의 회전 중심 Op를 중심으로 상기 기어의 회전방향과는 역방향으로, 또한 상기 기어와 상기 피니언의 톱니 수의 비의 역비(m／o)에 상기 소정의 각도를 곱한 각도씩 회전시켜 얻어지는 궤적과 일치하도록 구성되는, 내접 기어 펌프.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 외치의 실용 치형은, 상기 이론 치형에 근사한 복수 개의 원호를 조합하여 이루어지는 형상인, 내접 기어 펌프.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 기어는, 기어 기부의 외주부에 상기 내치가 배치된 것이고,
   상기 기어부시는, 상기 기어 기부보다 상기 피니언측을 향하여 소정의 돌출 길이만큼 돌출되며,
   상기 기어 기부와 상기 피니언은 상기 돌출 길이보다 긴 거리를 두고 배치되는, 내접 기어 펌프.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 기어 기부에는, 상기 피니언과는 반대측에, 상기 회전샤프트의 회전축 방향에 대한 상기 기어부시의 위치를 조정하기 위한 슬리브가 배치되는, 내접 기어 펌프.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 기어는 m개(m은 3 이상의 자연수)의 내치를 가지고,
   상기 내치 중, n개(m／2＜n＜m；n은 자연수) 걸러 배치된 2개의 내치의 내측 치형이 서로 동일한 원의 원호상에 위치하고,
   상기 피니언은 o개(o＜m；o는 자연수)의 외치를 가지고,
   상기 외치의 이론 치형은, 상기 기어를 당해 기어의 회전 중심 Og를 중심으로 소정의 각도씩 회전시켰을 때의 상기 기어와 상기 피니언의 접촉점의 궤적을 CP로 할 때, 상기 궤적 CP를 상기 피니언의 회전 중심 Op를 중심으로 상기 기어의 회전방향과는 역방향으로, 또한 상기 기어와 상기 피니언의 톱니 수의 비의 역비(m／o)에 상기 소정의 각도를 곱한 각도씩 회전시켜 얻어지는 궤적과 일치하도록 구성되며,
   상기 기어는, 기어 기부의 외주부에 상기 내치가 배치된 것이고,
   상기 기어부시는, 상기 기어 기부보다 상기 피니언측을 향하여 소정의 돌출 길이만큼 돌출되며,
   상기 기어 기부와 상기 피니언은 상기 돌출 길이보다 긴 거리를 두고 배치되는, 내접 기어 펌프.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 외치의 실용 치형은, 상기 이론 치형에 근사한 복수 개의 원호를 조합하여 이루어지는 형상인, 내접 기어 펌프.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 기어 기부에는, 상기 피니언과는 반대측에, 상기 회전샤프트의 회전축 방향에 대한 상기 기어부시의 위치를 조정하기 위한 슬리브가 배치되는, 내접 기어 펌프.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 기어 기부에는, 상기 피니언과는 반대측에, 상기 회전샤프트의 회전축 방향에 대한 상기 기어부시의 위치를 조정하기 위한 슬리브가 배치되는, 내접 기어 펌프.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피니언은 철계 재료로 이루어지고,
    상기 기어부시는, 포금계 재료, 카본계 재료, 실리콘 카바이드, 또는 카본계 재료와 실리콘 카바이드와의 복합 재료 중 어느 것으로 이루어지는, 내접 기어 펌프.

Images