KR20150002571A - 펌프용 로터와 이를 이용한 내접 기어식 펌프 - Google Patents

펌프용 로터와 이를 이용한 내접 기어식 펌프 Download PDF

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스미또모 덴꼬 쇼오께쯔 고오낑 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 내접 기어 펌프의 로터는, 내측 로터(2)의 치형이, 기초원 위를 소정 직경의 구름원이 미끄러지지 않고 굴러가고, 이 구름원의 중심으로부터 양(兩) 로터의 편심량만큼 떨어진 점이 그리는 트로코이드 곡선(TC) 위에 중심을 갖는 궤적원(C)의 원호군의 포락선에 의해 형성되어 있으며, 궤적원(C)의 직경 d2가, 내측 로터의 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 1점까지는 일정하고, 상기 1점으로부터 변화하여 내측 로터의 이끝 정점에서의 직경 d2T보다 이뿌리 정점에서의 직경 d2B가 커지도록 했다.

Description

펌프용 로터와 이를 이용한 내접 기어식 펌프{PUMP ROTOR AND INTERNAL GEAR PUMP USING THE SAME}
본 발명은, 톱니수차가 1개인 내측 로터(외측 기어)와 외측 로터(내측 기어)를 조합한 펌프용 로터와 이를 하우징에 내장시켜 구성하는 내접 기어식 펌프에 관한 것이다.
내접 기어식 펌프는, 자동차의 엔진이나 자동변속기(AT)의 윤활용 펌프 등으로서 이용되고 있다. 이 내접 기어식 펌프 중에는, 톱니수차가 1개인 내측 로터와 외측 로터를 편심 배치하여 조합한 것이 있다. 또한, 이 형식의 펌프 중에, 용적 효율이 좋고 소음이나 구동 토크도 작은 것으로 알려진 트로코이드 곡선을 이용하여 로터의 치형을 창성(創成)한 것이 있다.
이 트로코이드 곡선을 이용하여 창성되는 치형은 이하와 같이 창성된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 우선, 기초원(A) 위를 구름원(B)이 미끄러지지 않고 굴러가고, 그 구름원(B)의 중심으로부터 거리 e(=내측 로터와 외측 로터의 회전 중심의 편심량)만큼 떨어진 반경 위의 1점의 궤적으로 트로코이드 곡선 TC를 그린다. 이어서, 이 트로코이드 곡선 TC 위에 중심이 위치하는 일정 직경의 궤적원(C)의 원호군의 포락선(包絡線)으로 내측 로터(2)의 치형을 창성한다(하기 특허문헌 1을 동시 참조).
그런데, 이 트로코이드 곡선을 이용한 치형을 갖는 펌프는, 톱니폭의 확보나 치형 설계면에서, 내측 로터의 중심과 외측 로터의 중심의 편심량 E가 규제된다. 이 때문에 톱니 길이를 크게 하는 것이 제한되어 토출량을 증가시키는 요구에 부응하기가 어렵다. 본 출원인은, 전술한 타입의 펌프의 로터에 관해 톱니 길이의 설정을 자유롭게 행할 수 있도록 하는 제안을 하기 특허문헌 2에서 행하고 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 소화61-201892호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2010-151068호 공보
특허문헌 2의 로터를 갖는 내접 기어 펌프는, 로터의 톱니 길이를 크게 하여 내측 로터와 외측 로터의 톱니 사이에 형성되는 펌프실의 용적을 증대시킬 수 있다. 이 때문에, 우수한 토출 성능을 얻을 수 있지만, 래틀링 등에 의한 소음이 크다.
또한, 동(同) 문헌이 청구항 2에서 거론하고 있는 방법으로 치형을 창성한 내측 로터는, 이끝이 가늘어지고, 이 때문에, 이끝의 마모가 진행되기 쉬운 것을 알 수 있다.
본 발명은, 특허문헌 2에서 제안한 펌프에 관해, 내측 로터의 치형의 창성 방법을 연구하여 소음의 저감을 도모하고, 이끝 마모의 억제도 가능하게 하는 것을 과제로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 톱니수가 n인 내측 로터와, 톱니수가 (n+1)인 외측 로터를 조합한 내접 기어 펌프의 로터를 이하와 같이 구성했다.
즉, 직경 d의 기초원 위를 직경 d1의 구름원이 미끄러지지 않고 굴러가고, 이 구름원의 중심으로부터 거리 e 만큼 떨어진 점에 의해 트로코이드 곡선을 그린 경우에, 상기 트로코이드 곡선 상에 중심을 갖는 직경 d2의 궤적원의 원호군의 포락선에 의해 상기 내측 로터의 치형이 형성되어 있으며, 상기 궤적원의 직경 d2가, 내측 로터의 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 1점까지는 일정하고, 상기 1점의 위치로부터는 변화하여 이끝 정점에서의 직경 d2T보다 이뿌리 정점에서의 직경 d2B가 커지도록 했다.
궤적원(C)의 직경 d2는, 하기 식을 만족시키도록 변화시키는 것이 좋다.
d2θ=d2T+(d2B-d2T)×(θ-θs)/(θe-θs)…(식1)
여기서 θ : 이끝 정점과 궤적원 중심 사이의 각도
d2θ : 각도 θ에서의 궤적원(C)의 직경
d2T : 내측 로터 이끝 정점에서의 궤적원(C)의 직경
d2B : 내측 로터 이뿌리 정점에서의 궤적원(C)의 직경
θe : 내측 로터 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 각도. 180°/n의 식으로 구해진다.
θs : 내측 로터 이끝 정점으로부터 궤적원(C)의 직경 d2의 변화가 시작되는 위치까지의 각도(θe≠θs)
한편, 궤적원(C)의 내측 로터 이끝 정점에서의 직경 d2T와 이뿌리 정점에서의 직경 d2B의 비는, d2T/d2B>0.9의 조건이 만족되도록 설정하는 것이 좋다.
또한, 상기 각도 θs는, 내측 로터 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 각도 θe의 5%~40%로 설정하는 것이 좋다.
본 발명은, 상기 치형을 갖는 내측 로터와, 이 내측 로터의 중심이 외측 로터의 중심과 동심인 직경 (2E+t)의 원 위를 공전하고, 상기 내측 로터의 중심이 이 원 위를 1바퀴 공전하는 동안에 상기 내측 로터를 1/n회 자전시키며, 이에 의해 만들어지는 상기 내측 로터의 치형 곡선군의 포락선이 치형인 외측 로터를 조합하여 펌프용 로터를 구성하고, 이 펌프용 로터를 하우징에 마련된 로터실에 수납하여 구성되는 내접 기어식 펌프도 함께 제공한다.
상기에서, E는 내측 로터와 외측 로터의 편심량, t는 외측 로터와 이에 대해 압박한 내측 로터의 이끝간 최대 간극(팁 클리어런스), n은 내측 로터의 톱니수이다. 내측 로터와 외측 로터의 편심량 E는, E=e+(d2B-d2T)/4가 된다.
본 발명은, 내측 로터의 치형의 창성 방법을 연구하여 소음의 저감을 도모하고, 이끝 마모의 억제도 가능하게 했다.
도 1은 본 발명의 펌프용 로터의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 발명품의 내측 로터의 치형 창성 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 펌프용 로터를 채택한 내접 기어식 펌프를 하우징의 커버를 제거한 상태로 하여 나타내는 단면도이다.
도 4는 외측 로터의 치형의 형성 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 트로코이드 곡선을 이용한 치형의 창성 방법의 해설도이다.
이하, 본 발명의 펌프용 로터(1)의 실시형태를 첨부 도면의 도 1~도 3에 기초하여 설명한다. 도 1에 나타내는 펌프용 로터(1)는, 톱니수가 n(도면의 톱니수 n=10)인 내측 로터(2)와, 톱니수가 (n+1)인 외측 로터(3)를 조합하여 구성되어 있다. 2a는 내측 로터(2)의 이끝 정점, 2b는 내측 로터(2)의 이뿌리 정점을 나타낸다. 내측 로터(2)는 중심에 축구멍(2c)을 갖는다.
내측 로터(2)는, 그 치형이, 도 5에서 설명한 포락선에 의해 형성되어 있다. 즉, 직경 d의 기초원(A) 위를 직경 d1의 구름원(B)이 미끄러지지 않고 굴러가고, 이 구름원(B)의 중심으로부터 거리 e만큼 떨어진 점에 의해 트로코이드 곡선 TC를 그린다. 그리고, 이 트로코이드 곡선 TC 위에 중심이 위치하는 직경 d2의 궤적원(C)의 원호군의 포락선에 의해 형성되어 있다. 이후 이 구름원(B)의 중심으로부터 거리 e를 내측 로터(2)와 외측 로터(3)의 가(假)편심량이라 한다.
이 포락선을 그리는 데 이용하는 궤적원(C)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 내측 로터(2)의 이끝 정점(2a)에서의 직경 d2T와 이뿌리 정점(2b)에서의 직경 d2B가 상이하다. 구체적으로는, 이 궤적원(C)의 직경을, 내측 로터(2)의 이끝 정점(2a)으로부터 이뿌리 정점(2b)으로 갈수록 서서히 증가시킨다.
이에 따라, 내측 로터(2)의 톱니 길이 h가 도 5의 방법으로 창성되는 톱니의 길이보다 커진다. 그 결과, 내측 로터(2)와 외측 로터(3)의 톱니 사이에 형성되는 펌프실(챔버)(4)의 용적도 커져 펌프의 토출량이 증가한다.
궤적원(C)의 직경 d2는, 하기 식(1)로 표시되도록 변화한다.
d2θ=d2T+(d2B-d2T)×(θ-θs)/(θe-θs)…(식1)
여기서 θ : 이끝 정점과 궤적원 중심 사이의 각도
d2θ : 각도 θ에서의 궤적원(C)의 직경
d2T : 내측 로터 이끝 정점에서의 궤적원(C)의 직경
d2B : 내측 로터 이뿌리 정점에서의 궤적원(C)의 직경
θe : 내측 로터 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 각도. 180°/n의 식으로 구해진다.
θs : 내측 로터 이끝 정점으로부터 궤적원(C)의 직경 d2의 변화가 시작되는 위치까지의 각도(θe≠θs)
궤적원(C)의 이끝 정점에서의 직경 d2T와 이뿌리 정점에서의 직경 d2B의 비(d2T/d2B)는, 그 값이 작을수록 톱니 길이는 크게 할 수 있지만 래틀링 소음이 커지기 때문에, d2T/d2B>0.9의 조건을 만족시키도록 설정하는 것이 좋다.
또한, 전술한 특허문헌 2가 청구항 2에서 거론하고 있는 방법으로 창성되는 치형은, d2T/d2B의 비가 작을수록 내측 로터(2)의 톱니폭이 가늘어진다. 본 발명의 로터는, 전술한 식(1)에 기초하는 궤적원(C)의 직경 d2를, 이끝으로부터 임의의 각도로 변위한 위치로부터 변화시키고 있다. 이에 따라, d2T/d2B의 비가 어느 정도 작더라도 이끝이 가늘어지는 것을 억제할 수 있다.
이 경우, 이끝으로부터 궤적원(C)의 직경 d2가 변화하기 시작하는 위치까지의 각도 θs는, 앞서 설명한 바와 같이, 내측 로터 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 각도(이하, 반톱니 각도라고 함) θe의 5%~40%, 보다 바람직하게는 10%~20% 정도로 설정하는 것이 좋다.
이 각도 θs를, 반톱니 각도 θe의 5% 이상으로 설정함으로써 만족할만한 이끝 마모의 억제 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이 각도 θs를 반톱니 각도 θe의 40% 이하로 함으로써, 이끝부의 클리어런스 급확대의 억제 효과를 희생시키지 않아도 된다. 이 각도 θs는, 이끝 마모의 억제 효과와 소음 방지 효과의 균형을 고려하여, 바람직한 범위내에서 적당한 수치를 선택하는 것이 좋다.
외측 로터(3)는, 내측 로터(2)보다 톱니수를 1개 많게 한 것이 이용되고 있다. 이 외측 로터(3)의 치형은, 도 4에 나타낸 바와 같이 창성된다. 즉, 우선 내측 로터(2)의 중심(Oi)이 외측 로터(3)의 중심(OO)과 동심인 직경 (2E+t)의 원 S 위를 1바퀴 공전한다. 이어서 내측 로터 중심(Oi)이 이 원 S를 1바퀴 공전하는 동안에 내측 로터를 1/n회 자전시킨다. 이렇게 하여 만들어지는 내측 로터(2)의 치형 곡선군의 포락선을 외측 로터(3)의 치형으로 하고 있다.
여기에, E : 내측 로터와 외측 로터의 편심량
t : 외측 로터와 이에 대해 압박한 내측 로터의 이끝간 최대 간극(=팁 클리어런스)
n : 내측 로터의 톱니수
이다. 편심량 E와 가편심량 e의 관계는 E=e+(d2B-d2T)/4이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 내측 로터(2)의 이끝으로부터 멀어지는 방향으로 외측 로터(3)의 이뿌리의 로터 회전 방향 양끝의 코너부를 넓히면, 내측 로터의 이끝과 외측 로터의 이뿌리 사이에 간극이 생긴다. 내측 로터(2)와 외측 로터(3)의 래틀링이 방지되어, 소음 저감의 효과가 더욱 높아진다.
전술한 내측 로터(2)와 외측 로터(3)를 편심 배치하여 조합하여 펌프용 로터(1)를 구성한다. 그리고, 이 펌프용 로터(1)를, 도 3에 나타낸 바와 같이, 흡입 포트(7)와 토출 포트(8)를 갖는 펌프 하우징(5)의 로터실(6)에 수납하여 내접 기어식 펌프(9)를 구성한다.
이 내접 기어식 펌프(9)는, 내측 로터(2)의 축구멍(2c)에 구동축(도시하지 않음)을 통과시켜 결합시키고, 이 구동축으로부터 구동력을 전달하여 내측 로터(2)를 회전시킨다. 이때, 외측 로터(3)는 종동 회전하며, 이 회전에 의해 양 로터 사이에 형성되는 펌프실(4)의 용적이 증감하여 오일 등의 액체의 흡입, 토출이 이루어진다.
실시예
-실시예 1-
표 1에 나타내는 사양의 내접 기어 펌프를 설계했다. 표 1의 시료 1은, 내측 로터의 치형을 창성하는 궤적원(C)의 직경을, 특허문헌 2의 로터와 마찬가지로 이끝으로부터 변화시키고(즉, θs=0°), 또한 상기 d2T/d2B의 비율을 0.9로 한 것이며, 가편심량(설계상의 편심량) e가 시료 2보다 약간 작다.
시료 2는, d2T/d2B=0.99로 하고, 이끝으로부터 궤적원의 직경의 변화가 시작되는 위치까지의 각도를 θs=2.5°로 했다.
내측 로터와 조합하는 외측 로터는, 조합 상대인 내측 로터를 이용하여 도 4에서 설명한 방법으로 치형을 창성했다.
Figure pct00001
다음으로, 각 시료를 하우징에 내장시켜 펌프를 구성하고, 하기 조건으로 운전하여 소음의 발생 상황을 조사했다. 그 시험의 결과를 표 2와 표 3에 정리한다.
ㆍ시험 조건 펌프 회전수 : 1000 rpm~4000 rpm
사용 오일 : 엔진 오일 SAE30
오일 온도 : 80℃
토출 압력 : 0.5 MPa 및 1.0 MPa
토출 압력 : 0.5 MPa (단위 : dB)
시료 No. 1 2
1,000 rpm 77.4 77.3
2,000 rpm 80.6 79.4
3,000 rpm 81.7 78.8
4,000 rpm 85.1 82.4
토출 압력 : 1.0 MPa (단위 : dB)
시료 No. 1 2
1,000 rpm 81.1 74.3
2,000 rpm 86.1 78.7
3,000 rpm 83.3 81.3
4,000 rpm 85.1 84.0
이 시험 결과로부터, 내측 로터의 치형을 창성하는 궤적원의 직경을 내측 로터의 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 1점까지는 일정하게 하고, 그 후에 궤적원의 직경을 이끝 정점에서의 직경 d2T보다 이뿌리 정점에서의 직경 d2B가 커지도록 변화시키는 것의 유효성을 확인할 수 있다. 이 구성에 의해 톱니 간극 사이의 급확대 등이 억제되어 소음이 저감된다.
또한, 내측 로터의 치형을 창성할 때, 궤적원의 직경을 이끝 정점으로부터 임의의 각도로 변위한 위치로부터 변화시키기 때문에, 상기 특허문헌 2의 로터보다 내측 로터의 이끝이 굵어져 이끝 마모의 억제도 도모할 수 있게 된다.
-실시예 2-
다음으로, 내측 로터(2)의 톱니수가 8개, 외측 로터(3)의 톱니수가 9개인 내접 기어 로터를 설계했다. 설계 사양은 표 4에 나타낸다.
각 시료 모두 d2T/d2B=0.983으로 했다. 내측 로터 이끝 정점으로부터 궤적원(C)의 직경 d2의 변화가 시작되는 위치까지의 각도 θs를 변화시켰다.
내측 로터와 조합하는 외측 로터는, 조합 상대인 내측 로터를 이용하여 도 4에서 설명한 방법으로 치형을 창성했다.
Figure pct00002
다음으로, 각 시료를 하우징에 내장시켜 펌프를 구성하고, 하기 조건으로 운전하여 소음의 발생 상황을 조사했다. 그 시험의 결과를 표 5에 정리한다.
ㆍ시험 조건 펌프 회전수 : 1000 rpm~4000 rpm
사용 오일 : 엔진 오일 SAE30
오일 온도 : 80℃
토출 압력 : 0.5 MPa
토출 압력 : 0.5 MPa (단위 : dB)
시료 No. 3 4 5
1,000 rpm 78.9 78.8 78.3
2,000 rpm 82.2 81.0 80.4
3,000 rpm 83.3 80.4 79.7
4,000 rpm 86.8 84.0 83.2
이 시험 결과로부터, 내측 로터의 치형을 창성하는 궤적원의 직경을 내측 로터의 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 1점까지는 일정하게 하고, 그 후에 궤적원의 직경을 이끝 정점에서의 직경 d2T보다 이뿌리 정점에서의 직경 d2B가 커지도록 변화시키는 것의 유효성을 확인할 수 있다. 이 구성에 의해 톱니 간극 사이의 급확대 등이 억제되어 소음이 저감된다.
본원에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는, 특허청구범위에 의해 나타내어지며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것으로 되어 있다.
1 : 펌프용 로터 2 : 내측 로터
2a : 이끝 정점 2b : 이뿌리 정점
2c : 축구멍 3 : 외측 로터
4 : 펌프실 5 : 펌프 하우징
6 : 로터실 7 : 흡입 포트
8 : 토출 포트 9 : 내접 기어식 펌프
A : 기초원 B : 구름원
C : 궤적원 TC : 트로코이드 곡선
S : 직경이 (2E+t)인 원 d : 기초원(A)의 직경
d1 : 구름원(B)의 직경 d2 : 궤적원(C)의 직경
h : 내측 로터의 톱니 길이 Oi : 내측 로터의 중심
OO : 외측 로터의 중심
e : 내측 로터와 외측 로터의 가편심량
E : 내측 로터와 외측 로터의 편심량
t : 외측 로터와 이에 대해 압박한 내측 로터의 톱니간 최대 간극=팁 클리어런스
n : 내측 로터의 톱니수
θ : 이끝 정점과 궤적원 중심 사이의 각도
d2θ : 각도 θ에서의 궤적원(C)의 직경
d2T : 내측 로터 이끝 정점에서의 궤적원(C)의 직경
d2B : 내측 로터 이뿌리 정점에서의 궤적원(C)의 직경
θe : 내측 로터 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 각도. 180°/n의 식으로 구해진다.
θs : 내측 로터 이끝 정점으로부터 궤적원(C)의 직경 d2의 변화가 시작되는 위치까지의 각도(θe≠θs)

Claims (5)

  1. 톱니수가 n인 내측 로터(2)와, 톱니수가 (n+1)인 외측 로터(3)를 포함하는 내접 기어 펌프의 로터로서,
    직경 d의 기초원(A) 위를 직경 d1의 구름원(B)이 미끄러지지 않고 굴러가고, 이 구름원(B)의 중심으로부터 거리 e 만큼 떨어진 점에 의해 트로코이드 곡선을 그린 경우에, 상기 트로코이드 곡선 상에 중심을 갖는 직경 d2의 궤적원(C)의 원호군의 포락선에 의해 상기 내측 로터(2)의 치형이 형성되어 있으며,
    상기 궤적원(C)의 직경 d2가, 내측 로터(2)의 이끝 정점(2a)과 이뿌리 정점(2b) 사이의 1점까지는 일정하고, 상기 1점의 위치부터는 변화하여 이끝 정점에서의 직경 d2T보다 이뿌리 정점에서의 직경 d2B가 커지는 것인 펌프용 로터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 궤적원(C)의 직경 d2가, 하기 식(1)로 표시되도록 변화하는 것인 펌프용 로터.
    d2θ=d2T+(d2B-d2T)×(θ-θs)/(θe-θs)…(식1)
    여기서 θ : 이끝 정점과 궤적원 중심 사이의 각도
    d2θ : 각도 θ에서의 궤적원(C)의 직경
    d2T : 내측 로터 이끝 정점에서의 궤적원(C)의 직경
    d2B : 내측 로터 이뿌리 정점에서의 궤적원(C)의 직경
    θe : 내측 로터 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 각도. 180°/n의 식으로 구해진다.
    θs : 내측 로터 이끝 정점으로부터 궤적원(C)의 직경 d2의 변화가 시작되는 위치까지의 각도(θe≠θs)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이끝 정점으로부터 궤적원(C)의 직경 d2의 변화가 시작되는 위치까지의 각도 θs를, 내측 로터의 이끝 정점과 이뿌리 정점 사이의 각도 θe의 5%~40%로 설정한 것인 펌프용 로터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 궤적원(C)의 내측 로터의 이끝 정점에서의 직경 d2T와 이뿌리 정점에서의 직경 d2B의 비에 관해, d2T/d2B>0.9의 조건을 만족시키는 것인 펌프용 로터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 치형을 갖는 내측 로터(2)와, 이 내측 로터(2)의 중심(Oi)이 외측 로터(3)의 중심과 동심인 직경 (2E+t)의 원(S) 위를 공전하고, 상기 내측 로터의 중심(Oi)이 그 원(S) 위를 1바퀴 공전하는 동안에 상기 내측 로터(2)를 1/n회 자전시키며, 이에 의해 만들어지는 상기 내측 로터(2)의 치형 곡선군의 포락선이 치형인 외측 로터(3)를 조합하여 펌프용 로터(1)를 구성하고, 이 펌프용 로터(1)를 하우징(5)에 마련된 로터실(6)에 수납하여 구성되는 것인 내접 기어식 펌프.
    여기서, E : 내측 로터와 외측 로터의 편심량
    t : 외측 로터와 이에 대해 압박한 내측 로터의 이끝간 최대 간극
    n : 내측 로터의 톱니수
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