WO2011062063A1 - ヘリカルギヤポンプ - Google Patents

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WO2011062063A1
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gear
pump
shaft
helical
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Inventor
正巳 松原
Original Assignee
ジヤトコ株式会社
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    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
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    • F04C2/14—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C2/16—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C15/0042—Systems for the equilibration of forces acting on the machines or pump
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    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/50—Bearings
    • F04C2240/52—Bearings for assemblies with supports on both sides

Definitions

  • the present invention relates to a gear pump using a helical gear.
  • ⁇ Gear pumps are pumps that are less expensive and have less friction than vane pumps. For example, they are installed in automobiles and widely used in oil pumps and the like.
  • ⁇ Gear pumps generally use spur gears (quickly gears) because they dislike the generation of thrust force.
  • gear pumps using gears are not suitable for applications where quietness is required (for example, HEV, EV, etc.) because pump noise increases due to insufficient gear meshing rate. For this reason, a higher cost vane pump or the like has to be adopted, and the cost has increased.
  • gear pumps using helical gears have the advantage that quietness can be improved while pump performance is equivalent compared to those using gears.
  • the helical gear generates an axial thrust force, increases the frictional force between the gear and the pump body, and may cause problems such as increased leakage due to wear and seizure.
  • the method of canceling the thrust force by the discharge pressure can be realized at a relatively low cost without a major change in the structure, but it cannot be used in applications where the rotational speed or discharge amount changes because the canceling force varies. .
  • the thrust force can be canceled by adopting a double helical gear, but there are great difficulties in machining gears, and high precision machining is not only suitable for mass production but also increases costs.
  • the amount of leakage increases depending on the processing accuracy and cannot be used for high-pressure discharge applications.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a helical gear pump that can take measures against thrust force in a gear pump that employs a helical gear and that does not increase processing and manufacturing costs.
  • the second helical gear provided coaxially with the driving helical gear is engaged with the second helical gear.
  • a third helical gear provided on a third shaft different from the shafts of the drive helical gear and the driven helical gear, and a bearing for supporting the third shaft and receiving a thrust force.
  • the gear pump constituted by the helical gear is provided.
  • the thrust force of can be eliminated.
  • the second helical gear, the third helical gear, and the bearing do not require any special leakage countermeasures, and do not require high-precision processing or expensive parts, so that the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a helical gear pump according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the helical gear pump according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a helical gear pump 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a transverse sectional view of the helical gear pump 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the helical gear pump 10 includes a pump body 11, a driving gear 20, and a driven gear 30 as main components.
  • the drive side gear 20 is rotationally driven by a drive source (not shown) and rotates with each other while meshing with the driven side gear 30.
  • the drive side gear 20 and the driven side gear 30 are constituted by helical gears.
  • the pump body 11 includes a pump chamber 12 in which a driving gear 20 and a driven gear 30 are housed and fluid is moved.
  • a pump chamber 12 in which a driving gear 20 and a driven gear 30 are housed and fluid is moved.
  • an inlet 15 for introducing a fluid into the pump chamber 12 and an outlet 16 for discharging the inflowing fluid are provided.
  • the fluid that has flowed into the helical gear pump 10 from the inlet 15 is moved while being confined in the space between the tooth surface of the driving gear 20 or the driven gear 30 and the pump body 11, and then to the discharge port 16. Sent.
  • the helical gear pump 10 is configured by such a mechanism.
  • the helical gear has an advantage that it is superior in quietness compared to the spur gear, but has a problem of generating a thrust force (axial force).
  • the thrust force generated by the driven torque from the driving gear 20 is equal to the thrust force generated from the driving force for discharging the fluid itself, and the direction is opposite. Canceled.
  • the thrust force generated by the driven gear driving torque that drives the driven gear 30 and the thrust force generated by the driving force for discharging the fluid itself are the same direction. Twice the thrust force works.
  • the contact surface between the gear end surface and the pump body 11 and the sliding portion of the bearing portion have a gap of, for example, several to several tens ⁇ m order. Is in direct contact.
  • the following configuration is adopted so that the thrust force due to the helical gear can be dealt with in portions other than the pump chamber 12.
  • the helical gear pump 10 includes a gear chamber 13 which is a space different from the pump chamber outside the pump chamber 12, and includes a pair of helical gears (driving side second gear 31, third gear). A gear 32) was provided.
  • the shaft 20a of the drive side gear 20 is extended to the drive source side, the drive side second gear 31 is provided coaxially with the shaft 20a, and the third gear 32 meshing with the drive side second gear 31 is provided. Equipped with.
  • the driving side second gear 31 and the third gear 32 are constituted by helical gears.
  • the third gear 32 is coupled to a third shaft 32 a different from the shaft 20 a of the driving gear 20 and the shaft 30 a of the driven gear 30.
  • the third shaft 32a is connected to a power source (not shown) via, for example, a sprocket or a chain and is driven to rotate.
  • the third shaft 32a is rotationally driven in the counterclockwise direction toward the end face side of the second cover 11d of the helical gear pump 10.
  • the pump body 11 includes a first body 11b having a pump chamber 12, and a second body 11c that constitutes one wall of the pump chamber 12 and separates the pump chamber 12 and the gear chamber 13.
  • the pump body 11 includes a first cover 11a including an inflow port 15 and a discharge port 16, and a second cover 11d that forms a gear chamber 13 and includes a bearing 40 described later.
  • first body 11b and the second body 11c are sandwiched from both sides by the first cover 11a and the second cover 11d. These are fastened together by a plurality of bolts 14.
  • the shaft 20a of the drive side gear 20 and the drive side second gear 31 is supported by a bearing 35 constituted by a ball bearing in the second cover 11d.
  • the third shaft 32a including the third gear 32 is supported by the bearing 40 constituted by a ball bearing in the second cover 11d.
  • the third shaft passes through the second cover 11d and is connected to a drive source (not shown).
  • the third shaft 32a is supported by a bearing 41 constituted by a ball bearing in the second body 11c, and supported by a bearing 42 constituted by a ball bearing in the second cover 11d.
  • the gear specifications of the drive side second gear 31 and the third gear 32 are set as follows.
  • the twist angle on the foundation circle is set to be twice the twist angle on the foundation circle of the drive side gear 20 and the driven side gear 30.
  • the meshing is the same twist direction as that of the drive side gear 20 and the driven side gear 30.
  • the driving gear 20 has a double thrust force on the shaft 20a from the left to the right in FIG.
  • the drive-side second gear 31 having a twist angle twice as large as the twist angle on the basic circle of the drive-side gear 20 is driven by the third gear 32, so that the shaft 20a is shown in FIG. Double thrust force from right to left. By such an action, the thrust force on the shaft 20a is canceled out.
  • a double thrust force acts on the third shaft 32a from the drive source side (from left to right in FIG. 2).
  • the third shaft 32 a is supported by the bearing 40 and receives all of the double thrust force by the bearing 40.
  • a helical gear driving side second gear 31, third gear
  • a thrust force generated in a helical gear driving side gear 20, driven side gear 30 for discharging fluid outside the pump chamber. 32
  • the gear specifications of the drive-side second gear 31 and the third gear 32 are not necessarily fixed to this value, and the actual thrust force of the helical gear pump 10 is measured and fine adjustment is performed based on the measurement result. May be. Thereby, the countermeasure of thrust force can be taken more accurately.
  • the helical gear (driving side second gear 31) for canceling the thrust force in addition to the helical gear (driving side gear 20, driven side gear 30) constituting the pump.
  • a third gear 32) was provided.
  • Such a configuration cancels the thrust force generated in the drive side gear 20 and the driven side gear 30 which are helical gears when the fluid is discharged, so that a gear pump with high silence can be put into practical use.
  • the drive side second gear 31 and the third gear 32 for canceling the thrust force are provided in a gear chamber 13 different from the pump chamber 12, so that there is no need for measures against leakage and high-precision machining, packing, etc. are required. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.
  • the bearing 40 responsible for all the thrust force is provided in the gear chamber 13 different from the pump chamber 12, no countermeasure against leakage is required. Therefore, general-purpose parts such as a ball bearing having high strength can be used without using a special material, and the manufacturing cost can be suppressed.
  • the bearing 40 is not necessarily a ball bearing but may be constituted by other types of bearings such as a needle bearing.

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Abstract

　駆動ヘリカルギヤと同軸に備えられる第２のヘリカルギヤと、第２のヘリカルギヤと噛み合うと共に、駆動ヘリカルギヤの軸及び従動ヘリカルギヤの軸とは異なる第３の軸に備えられた第３のヘリカルギヤと、第３の軸を支持すると共にスラスト力を受ける軸受と、を備える。

Description

ヘリカルギヤポンプ
　本発明は、ヘリカルギヤを用いたギヤポンプに関する。
　ギヤポンプは、ベーンポンプと比較するとコストが安くフリクションが少ないポンプであり、例えば自動車に搭載されて、オイルポンプ等に広く用いられている。
　ギヤポンプは、スラスト力の発生を嫌ってスパーギヤ（すぐば歯車）を用いることが一般的である。
　すぐば歯車を用いたギヤポンプは、歯車の噛み合い率不足によってポンプ騒音が大きくなるため、静粛性を求められる用途（例えばＨＥＶ、ＥＶ等）には向かない。そのため、よりコストの高いベーンポンプ等を採用せざるを得ず、コストが増加していた。
　一方、ヘリカルギヤ（はすば歯車）を用いたギヤポンプは、すぐば歯車を用いたものと比較してポンプ性能が同等のまま静粛性を高められるという利点がある。
　しかしながら、ヘリカルギヤは、軸方向のスラスト力が発生し、ギヤとポンプボディとの間の摩擦力が高まり、摩耗によるリークの増加や焼き付き等の不具合が発生する懸念がある。
　このスラスト力の対策として、ギヤ端面に吐出圧をかけてスラスト力をキャンセルする方法や、ギヤのねじれ方向をお互い逆向きとなるよう同軸上に配置してこれらをそれぞれポンプとして用いる、いわゆる２セットギヤタイプのポンプが知られている。
　また、ダブルヘリカルギヤ（やまば歯車）を用いることでスラスト力をキャンセルするもの（ＪＰ１９８３－７４８８５Ａ）も知られている。
　吐出圧によりスラスト力をキャンセルする方法は、構造に大きな変更を伴わずに比較的低コストで実現できるが、回転速度や吐出量が変化するような用途では、キャンセルする力が変動するため対応できない。
　また、２セットタイプのギヤポンプでは、スラスト力をキャンセルすることができるものの、部品点数が増えコストが増加すると共に、重量が増加するため用途が限られる。特に自動車に搭載される場合は重量に制限が大きく、採用が困難である。
　また、ダブルヘリカルギヤを採用することでスラスト力をキャンセルすることはできるが、歯車の加工に大きな困難が伴い、高精度の加工にはコストが上昇するばかりか大量生産には向かない。また、加工精度によってはリーク量が増加し、高圧吐出用途には採用できない。
　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ヘリカルギヤを採用したギヤポンプにおけるスラスト力対策を行えると共に、加工・製造コストを上昇させないヘリカルギヤポンプを提供することを目的とする。
　本発明の一実施態様によると、ポンプ室を構成するポンプボディに駆動ヘリカルギヤと従動ヘリカルギヤとを備えたヘリカルギヤポンプにおいて、駆動ヘリカルギヤと同軸に備えられる第２のヘリカルギヤと、第２のヘリカルギヤと噛み合うと共に、駆動ヘリカルギヤの軸及び従動ヘリカルギヤの軸とは異なる第３の軸に備えられた第３のヘリカルギヤと、第３の軸を支持すると共にスラスト力を受ける軸受と、を備えることを特徴とする。
　本発明の実施態様によると、駆動ヘリカルギヤと従動ヘリカルギヤとで発生するスラスト力をキャンセルする第２のヘリカルギヤ、第３のヘリカルギヤを備え、軸受でこれを受けることができるので、ヘリカルギヤにより構成されるギヤポンプのスラスト力を解消することができる。
　また、これら第２のヘリカルギヤ、第３のヘリカルギヤ及び軸受においては特段のリーク対策が必要なく、高精度の加工や高価な部品を必要としないので、製造コストを抑えることができる。
図１は、本発明の実施形態のヘリカルギヤポンプの縦断面図である。 図２は、本発明の実施形態のヘリカルギヤポンプの横断面図である。
　以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は本発明の実施形態のヘリカルギヤポンプ１０の縦断面図であり、図２は本発明の実施形態のヘリカルギヤポンプ１０の横断面図である。
　図１に示すように、ヘリカルギヤポンプ１０は、ポンプボディ１１、駆動側歯車２０、従動側歯車３０を主な構成部品とする。
　駆動側歯車２０は、図示しない駆動源により回転駆動され、従動側歯車３０と噛み合いながらお互いを回転する。これら駆動側歯車２０及び従動側歯車３０は、ヘリカルギヤによって構成されている。
　ポンプボディ１１は、その内部に駆動側歯車２０及び従動側歯車３０を納めると共に流体を移動させるポンプ室１２が構成されている。また、ポンプ室１２に流体を導入する流入口１５と、流入した流体を排出する吐出口１６とが備えられる。
　流入口１５からヘリカルギヤポンプ１０の内部に流入した流体は、駆動側歯車２０又は従動側歯車３０の歯面とポンプボディ１１との間の空間に閉じ込められたまま移動されて、吐出口１６へと送られる。
　このような仕組みによって、ヘリカルギヤポンプ１０が構成される。
　ところで、ヘリカルギヤは、スパーギヤと比較して静粛性に優れるという利点がある反面、スラスト力（軸方向力）の発生という問題がある。
　ヘリカルギヤを用いたヘリカルギヤポンプ１０では、スラスト力が次のように発生することが知られている。
　従動側歯車３０では、駆動側歯車２０からの被駆動トルクによるスラスト力と、自らが流体を吐出するための駆動力から生まれるスラスト力と、が等しく、かつ方向が逆であるため、スラスト力はキャンセルされる。
　一方、駆動側歯車２０では、従動側歯車３０を駆動させる被駆動歯車駆動トルクによるスラスト力と、自らが流体を吐出するための駆動力から生まれるスラスト力と、の方向が同じ向きであるため、２倍のスラスト力が働く。
　さらに、流体を吐出するポンプでは、吐出効率を高めるためリーク量を抑える必要があり、歯車端面とポンプボディ１１との接触面や軸受部分の摺動部分は、例えば数～数十μｍオーダーのギャップにより直接接触している。
　そのため、スラスト力の増加によりこの接触面の摩擦が高まると、摩耗によるリークの増加や、焼き付き等の不具合を生じる懸念が起こる。
　この摩擦の対策として、歯車やポンプ室内部、軸受部分の高精度な加工や低摩擦のコーティング部材やパッキン等を用いると、コストが上昇する。
　そこで、本発明の実施形態では、次のような構成により、ヘリカルギヤによるスラスト力を、ポンプ室１２以外の部分で対策することができるように構成した。
　図２に示すように、ヘリカルギヤポンプ１０は、ポンプ室１２の外部に、ポンプ室とは別の空間である歯車室１３を備え、ここに一組のヘリカルギヤ（駆動側第２歯車３１、第３歯車３２）を備えた。
　具体的には、駆動側歯車２０の軸２０ａを駆動源側へと延設し、この軸２０ａと同軸に駆動側第２歯車３１を備え、この駆動側第２歯車３１と噛み合う第３歯車３２を備えた。これら駆動側第２歯車３１と第３歯車３２とは、ヘリカルギヤによって構成される。
　第３歯車３２は、駆動側歯車２０の軸２０ａ及び従動側歯車３０の軸３０ａとは異なる第３軸３２ａに結合さる。
　第３軸３２ａは、図示しない動力源から例えばスプロケットやチェーン等を介して接続されて、回転駆動される。第３軸３２ａは、ヘリカルギヤポンプ１０の第２カバー１１ｄの端面側に向かって反時計回り方向に回転駆動される。
　ポンプボディ１１は、ポンプ室１２を備える第１ボディ１１ｂと、ポンプ室１２の一方の壁を構成すると共にポンプ室１２と歯車室１３とを隔てる第２ボディ１１ｃと、を備える。
　また、ポンプボディ１１は、流入口１５及び吐出口１６を備える第１カバー１１ａと、歯車室１３を形成し、後述する軸受４０を備える第２カバー１１ｄとを備える。
　また、第１ボディ１１ｂ及び第２ボディ１１ｃは、第１カバー１１ａ及び第２カバー１１ｄによって両側から挟持される。これらは複数のボルト１４によって共締めされる。
　駆動側歯車２０及び駆動側第２歯車３１の軸２０ａは、第２カバー１１ｄにおいてボールベアリングにより構成される軸受３５により支持される。
　第３歯車３２を備える第３軸３２ａは、第２カバー１１ｄにおいてボールベアリングにより構成される軸受４０により支持される。この第３軸は、第２カバー１１ｄを貫通して、図示しない駆動源へと接続される。
　また、第３軸３２ａは、第２ボディ１１ｃにおいてボールベアリングにより構成される軸受４１により支持され、第２カバー１１ｄにおいてボールベアリングにより構成される軸受４２により支持される。
　前述のように、ポンプ駆動側の駆動側歯車２０には、大きなスラスト力が働く。このスラスト力は、軸２０ａにより駆動側第２歯車へと伝わる。
　この駆動側第２歯車３１と第３歯車３２との歯車諸元を、次のように設定する。
・基礎円上のネジレ角を、駆動側歯車２０及び従動側歯車３０の基礎円上のネジレ角の２倍とする。
・噛み合いを、駆動側歯車２０及び従動側歯車３０のネジレ方向と同一のネジレ方向とする。
　これにより、軸２０ａにおける２倍のスラスト力が、駆動側第２歯車３１及び第３歯車によってキャンセルされる。
　より具体的には、駆動側歯車２０は、軸２０ａにおいては図２中の左から右側へと２倍のスラスト力が働く。一方で、駆動側歯車２０の基礎円上のネジレ角の２倍のネジレ角を持った駆動側第２歯車３１は、第３歯車３２によって駆動されるため、軸２０ａにおいては、図２中の右から左側へと２倍のスラスト力が働く。このような作用により、軸２０ａ上でのスラスト力は打ち消される。
　駆動側第２歯車３１を駆動する第３歯車３２では、第３軸３２ａにおいて、駆動源側（図２中の左から右側）へと２倍のスラスト力が働く。第３軸３２ａは、軸受４０により支持されており、軸受４０によって２倍のスラスト力の全てを受ける。
　このような構成によって、流体を吐出するためのヘリカルギヤ（駆動側歯車２０、従動側歯車３０）に発生するスラスト力を、ポンプ室の外部に備えたヘリカルギヤ（駆動側第２歯車３１、第３歯車３２）によってキャンセルすることができる。
　駆動側第２歯車３１と第３歯車３２との歯車諸元は、必ずしもこの値に固定されるものではなく、実際のヘリカルギヤポンプ１０のスラスト力を計測し、計測結果に基づいて微調整を行ってもよい。これにより、さらに的確にスラスト力の対策を行うことができる。
　以上のように本発明の実施形態のヘリカルギヤポンプ１０では、ポンプを構成するヘリカルギヤ（駆動側歯車２０、従動側歯車３０）に加え、スラスト力をキャンセルするためのヘリカルギヤ（駆動側第２歯車３１、第３歯車３２）を備えた。
　このような構成によって、流体を吐出するときにヘリカルギヤである駆動側歯車２０及び従動側歯車３０に発生するスラスト力がキャンセルされるため、静粛性の高いギヤポンプが実用可能となる。
　スラスト力をキャンセルするための駆動側第２歯車３１及び第３歯車３２は、ポンプ室１２とは別の歯車室１３に備えたので、リークの対策が必要なく高精度の加工やパッキン等を必要しないので、製造コストを抑えることができる。
　また、全てのスラスト力を受け持つ軸受４０についても、ポンプ室１２とは別の歯車室１３に備えたので、リークの対策が必要ない。そのため、特殊な材料を用いることなく高い強度を有するボールベアリング等の汎用的な部品を用いることができ、製造コストを抑えることができる。
　軸受４０は、必ずしもボールベアリングではなく、ニードルベアリング等、他の種類の軸受によって構成されていてもよい。
　以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
　本願は、２００９年１１月２０日に日本国特許庁に出願された特願２００９－２６４７１４及び２０１０年１月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０１０－１７９３１に基づく優先権を主張する。これらの出願のすべての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

  1. 　ポンプ室（１２）を構成するポンプボディ（１１）に駆動ヘリカルギヤ（２０）と従動ヘリカルギヤ（３０）とを備えたヘリカルギヤポンプ（１０）において、
    　前記駆動ヘリカルギヤ（２０）と同軸に回転する第２のヘリカルギヤ（３１）と、
    　前記第２のヘリカルギヤ（３１）と噛み合うと共に、前記駆動ヘリカルギヤ（２０）の軸（２０ａ）及び前記従動ヘリカルギヤ（３０）の軸（３０ａ）とは異なる第３の軸（３２ａ）に備えられた第３のヘリカルギヤ（３２）と、
    　前記第３の軸（３２ａ）を支持すると共にスラスト力を受ける軸受（４０）と、
    　を備えるヘリカルギヤポンプ。
  2. 　請求項１に記載のヘリカルギヤポンプであって、
    　前記第２のヘリカルギヤ（３１）及び前記第３のヘリカルギヤ（３２）の歯車諸元は、前記駆動ヘリカルギヤ（２０）及び前記従動ヘリカルギヤ（３０）の歯車諸元に対して、基礎円上のネジレ角が２倍であり、かつ、ネジレ方向が同一方向であるヘリカルギヤポンプ。
  3. 　請求項１に記載のヘリカルギヤポンプであって、
    　前記第２のヘリカルギヤ（３１）、前記第３のヘリカルギヤ（３２）及び前記軸受（４０）は、前記ポンプ室（１２）の外部に構成された歯車室（１３）に備えられるヘリカルギヤポンプ。
  4. 　請求項１に記載のヘリカルギヤポンプであって、
    　前記第３の軸（３２ａ）が回転駆動されることで、前記駆動ヘリカルギヤ（２０）を回転駆動するヘリカルギヤポンプ。
  5. 　請求項１に記載のヘリカルギヤポンプであって、
    　前記ポンプボディ（１１）は、第１のボディ（１１ｂ）及び第２のボディ（１１ｃ）と、前記第１のボディ（１１ｂ）及び前記第２のボディ（１１ｃ）とを両から挟持する第１のカバー（１１ａ）及び第２のカバー（１１ｄ）から構成され、
    　前記第１のカバー（１１ａ）と前記第２のボディ（１１ｃ）とに挟持される前記第１のボディ（１１ｂ）が前記ポンプ室（１２）を備え、
    　前記第２のボディ（１１ｃ）と前記第２のカバー（１１ｄ）との間に形成される空間が前記歯車室（１３）を構成し、
    　前記軸受（４０）が前記第２のカバー（１１ｄ）に備えられるヘリカルギヤポンプ。
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