헬리컬 기어 펌프

헬리컬 기어 펌프{HELICAL GEAR PUMP}

본 발명은 헬리컬 기어를 사용한 기어 펌프에 관한 것이다.

기어 펌프는, 베인 펌프와 비교하면 비용이 저렴하고 프릭션(friction)이 적은 펌프이며, 예를 들어 자동차에 탑재되어서, 오일 펌프 등에 널리 사용되고 있다.

기어 펌프는, 스러스트력의 발생을 피하여 스퍼 기어를 사용하는 것이 일반적이다.

스퍼 기어를 사용한 기어 펌프는, 기어의 치합율 부족에 의해 펌프 소음이 커지기 때문에, 정숙성이 요구되는 용도(예를 들어 HEV, EV 등)로는 적합하지 않다. 그로 인해, 보다 비용이 높은 베인 펌프 등을 채용할 수 밖에 없어, 비용이 증가하고 있었다.

한편, 헬리컬 기어를 사용한 기어 펌프는, 스퍼 기어를 사용한 것과 비교해서 펌프 성능이 동등한 상태에서 정숙성을 높일 수 있다고 하는 이점이 있다.

그러나, 헬리컬 기어는, 축방향의 스러스트력이 발생하여, 기어와 펌프 보디 사이의 마찰력이 높아져, 마모에 의한 누설의 증가나 시징 등의 문제가 발생할 우려가 있다.

이 스러스트력의 대책으로서, 기어 단부면에 토출압을 가하여 스러스트력을 캔슬하는 방법이나, 기어의 비틀림 방향을 서로 역방향으로 되도록 동축 상에 배치해서 이들을 각각 펌프로서 사용하는, 소위 2세트 기어 타입의 펌프가 알려져 있다.

또한, 더블 헬리컬 기어를 사용함으로써 스러스트력을 캔슬하는 것(JP1983-74885A)도 알려져 있다.

토출압에 의해 스러스트력을 캔슬하는 방법은, 구조에 큰 변경을 수반하지 않고 비교적 저비용으로 실현할 수 있지만, 회전 속도나 토출량이 변화하는 용도로는, 캔슬하는 힘이 변동하기 때문에 대응할 수 없다.

또한, 2세트 타입의 기어 펌프에서는, 스러스트력을 캔슬할 수 있지만, 부품 개수가 증가하여 비용이 증가하는 동시에, 중량이 증가하기 때문에 용도가 한정된다. 특히 자동차에 탑재되는 경우에는 중량에 제한이 커, 채용이 곤란하다.

또한, 더블 헬리컬 기어를 채용함으로써 스러스트력을 캔슬할 수는 있지만, 기어의 가공에 큰 곤란이 수반되어, 고정밀도의 가공에는 비용이 상승할 뿐만 아니라 대량 생산에는 적합하지 않다. 또한, 가공 정밀도에 따라서는 누설량이 증가하여, 고압 토출 용도로는 채용할 수 없다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 헬리컬 기어를 채용한 기어 펌프에 있어서의 스러스트력 대책을 행할 수 있는 동시에, 가공?제조 비용을 상승시키지 않는 헬리컬 기어 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 펌프실을 구성하는 펌프 보디에 구동 헬리컬 기어와 종동 헬리컬 기어를 구비한 헬리컬 기어 펌프에 있어서, 구동 헬리컬 기어와 동축에 구비되는 제2 헬리컬 기어와, 제2 헬리컬 기어와 맞물리는 동시에, 구동 헬리컬 기어의 축 및 종동 헬리컬 기어의 축과는 다른 제3 축에 구비된 제3 헬리컬 기어와, 제3 축을 지지하는 동시에 스러스트력을 받는 베어링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 형태에 의하면, 구동 헬리컬 기어와 종동 헬리컬 기어에서 발생하는 스러스트력을 캔슬하는 제2 헬리컬 기어, 제3 헬리컬 기어를 구비하고, 베어링에 의해 이것을 받을 수 있으므로, 헬리컬 기어에 의해 구성되는 기어 펌프의 스러스트력을 해소할 수 있다.

또한, 이들 제2 헬리컬 기어, 제3 헬리컬 기어 및 베어링에서는 특단의 누설 대책이 필요없고, 고정밀도의 가공이나 고가의 부품을 필요로 하지 않으므로, 제조 비용을 억제할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태의 헬리컬 기어 펌프의 종단면도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태의 헬리컬 기어 펌프의 횡단면도이다.

이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태의 헬리컬 기어 펌프(10)의 종단면도이며, 도 2는 본 발명의 실시 형태의 헬리컬 기어 펌프(10)의 횡단면도이다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 헬리컬 기어 펌프(10)는, 펌프 보디(11), 구동측 기어(20), 종동측 기어(30)를 주된 구성 부품으로 한다.

구동측 기어(20)는, 도시하지 않는 구동원에 의해 회전 구동되어, 종동측 기어(30)와 맞물리면서 서로 회전한다. 이들 구동측 기어(20) 및 종동측 기어(30)는, 헬리컬 기어에 의해 구성되어 있다.

펌프 보디(11)는, 그 내부에 구동측 기어(20) 및 종동측 기어(30)를 수납하는 동시에 유체를 이동시키는 펌프실(12)이 구성되어 있다. 또한, 펌프실(12)에 유체를 도입하는 유입구(15)와, 유입한 유체를 배출하는 토출구(16)가 구비된다.

유입구(15)로부터 헬리컬 기어 펌프(10)의 내부에 유입된 유체는, 구동측 기어(20) 또는 종동측 기어(30)의 치면(齒面)과 펌프 보디(11) 사이의 공간에 갇힌 채 이동되어, 토출구(16)로 보내어진다.

이러한 구조에 의해, 헬리컬 기어 펌프(10)가 구성된다.

그런데, 헬리컬 기어는, 스퍼 기어와 비교해서 정숙성이 우수하다고 하는 이점이 있는 반면, 스러스트력(축 방향력)의 발생이라고 하는 문제가 있다.

헬리컬 기어를 사용한 헬리컬 기어 펌프(10)에서는, 스러스트력이 다음과 같이 발생하는 것이 알려져 있다.

종동측 기어(30)에서는, 구동측 기어(20)로부터의 피구동 토크에 의한 스러스트력과, 스스로가 유체를 토출하기 위한 구동력으로부터 발생되는 스러스트력이 동일하고, 또한 방향이 반대이기 때문에, 스러스트력은 캔슬된다.

한편, 구동측 기어(20)에서는, 종동측 기어(30)를 구동시키는 피구동 기어 구동 토크에 의한 스러스트력과, 스스로가 유체를 토출하기 위한 구동력으로부터 발생되는 스러스트력의 방향이 동일한 방향이기 때문에, 2배의 스러스트력이 작용한다.

또한, 유체를 토출하는 펌프에서는, 토출 효율을 높이기 위해서 누설량을 억제할 필요가 있어, 기어 단부면과 펌프 보디(11)의 접촉면이나 베어링 부분의 미끄럼 이동 부분은, 예를 들어 수 내지 수십㎛ 오더의 갭에 의해 직접 접촉하고 있다.

그로 인해, 스러스트력의 증가에 의해 이 접촉면의 마찰이 높아지면, 마모에 의한 누설의 증가나, 시징 등의 문제를 발생시킬 우려가 생긴다.

이 마찰의 대책으로서, 기어나 펌프실 내부, 베어링 부분의 고정밀도의 가공이나 저마찰의 코팅 부재나 패킹 등을 사용하면, 비용이 상승한다.

이에, 본 발명의 실시 형태에서는, 다음과 같은 구성에 의해, 헬리컬 기어에 의한 스러스트력을, 펌프실(12) 이외의 부분에서 대응할 수 있도록 구성하였다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 헬리컬 기어 펌프(10)는, 펌프실(12)의 외부에, 펌프실과는 별도의 공간인 기어실(13)을 구비하고, 여기에 1세트의 헬리컬 기어[구동측 제2 기어(31), 제3 기어(32)]를 구비하였다.

구체적으로는, 구동측 기어(20)의 축(20a)을 구동원측으로 연장하여 설치하고, 이 축(20a)과 동축에 구동측 제2 기어(31)를 구비하고, 이 구동측 제2 기어(31)와 맞물리는 제3 기어(32)를 구비하였다. 이들 구동측 제2 기어(31)와 제3 기어(32)는, 헬리컬 기어에 의해 구성된다.

제3 기어(32)는, 구동측 기어(20)의 축(20a) 및 종동측 기어(30)의 축(30a)과는 다른 제3 축(32a)에 결합된다.

제3 축(32a)은, 도시하지 않은 동력원으로부터 예를 들어 스프로킷이나 체인 등을 통해서 접속되어, 회전 구동된다. 제3 축(32a)은, 헬리컬 기어 펌프(10)의 제2 커버(11d)의 단부면측을 향하여 반시계 방향으로 회전 구동된다.

펌프 보디(11)는, 펌프실(12)을 구비하는 제1 보디(1lb)와, 펌프실(12)의 한쪽의 벽을 구성하는 동시에 펌프실(12)과 기어실(13)을 구획하는 제2 보디(11c)를 구비한다.

또한, 펌프 보디(11)는, 유입구(15) 및 토출구(16)를 구비하는 제1 커버(11a)와, 기어실(13)을 형성하여, 후술하는 베어링(40)을 구비하는 제2 커버(11d)를 구비한다.

또한, 제1 보디(11b) 및 제2 보디(11c)는, 제1 커버(11a) 및 제2 커버(11d)에 의해 양측으로부터 끼움 지지된다. 이들은 복수의 볼트(14)에 의해 함께 체결된다.

구동측 기어(20) 및 구동측 제2 기어(31)의 축(20a)은, 제2 커버(11d)에 있어서 볼 베어링에 의해 구성되는 베어링(35)에 의해 지지된다.

제3 기어(32)를 구비하는 제3 축(32a)은, 제2 커버(11d)에 있어서 볼 베어링에 의해 구성되는 베어링(40)에 의해 지지된다. 이 제3 축은, 제2 커버(11d)를 관통하여, 도시하지 않은 구동원에 접속된다.

또한, 제3 축(32a)은, 제2 보디(11c)에 있어서 볼 베어링에 의해 구성되는 베어링(41)에 의해 지지되고, 제2 커버(11d)에 있어서 볼 베어링에 의해 구성되는 베어링(42)에 의해 지지된다.

전술한 바와 같이, 펌프 구동측의 구동측 기어(20)에는, 큰 스러스트력이 작용한다. 이 스러스트력은, 축(20a)에 의해 구동측 제2 기어로 전해진다.

이 구동측 제2 기어(31)와 제3 기어(32)의 기어 제원을, 다음과 같이 설정한다.

?기초원 상의 비틀림각을, 구동측 기어(20) 및 종동측 기어(30)의 기초원 상의 비틀림 각의 2배로 한다.

?맞물림을, 구동측 기어(20) 및 종동측 기어(30)의 비틀림 방향과 동일한 비틀림 방향으로 한다.

이에 의해, 축(20a)에 있어서의 2배의 스러스트력이, 구동측 제2 기어(31) 및 제3 기어에 의해 캔슬된다.

보다 구체적으로는, 구동측 기어(20)는, 축(20a)에 있어서는 도 2 중의 좌측으로부터 우측으로 2배의 스러스트력이 작용한다. 한편으로, 구동측 기어(20)의 기초원 상의 비틀림 각의 2배의 비틀림 각을 가진 구동측 제2 기어(31)는, 제3 기어(32)에 의해 구동되기 때문에, 축(20a)에 있어서는, 도 2 중의 우측으로부터 좌측으로 2배의 스러스트력이 작용한다. 이러한 작용에 의해, 축(20a) 상에서의 스러스트력은 상쇄된다.

구동측 제2 기어(31)를 구동하는 제3 기어(32)에서는, 제3 축(32a)에 있어서, 구동원측(도 2 중의 좌측으로부터 우측)으로 2배의 스러스트력이 작용한다. 제3 축(32a)은, 베어링(40)에 의해 지지되고 있어, 베어링(40)에 의해 2배의 스러스트력의 전부를 받는다.

이와 같은 구성에 의해, 유체를 토출하기 위한 헬리컬 기어[구동측 기어(20), 종동측 기어(30)]에 발생되는 스러스트력을, 펌프실의 외부에 구비한 헬리컬 기어[구동측 제2 기어(31), 제3 기어(32)]에 의해 캔슬할 수 있다.

구동측 제2 기어(31)와 제3 기어(32)의 기어 제원은, 반드시 이 값으로 고정되는 것이 아니라, 실제의 헬리컬 기어 펌프(10)의 스러스트력을 계측하여, 계측 결과에 기초하여 미세 조정을 행해도 좋다. 이에 의해, 더 적확하게 스러스트력의 대책을 행할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시 형태의 헬리컬 기어 펌프(10)에서는, 펌프를 구성하는 헬리컬 기어[구동측 기어(20), 종동측 기어(30)] 외에, 스러스트력을 캔슬하기 위한 헬리컬 기어[구동측 제2 기어(31), 제3 기어(32)]를 구비하였다.

이와 같은 구성에 의해, 유체를 토출할 때에 헬리컬 기어인 구동측 기어(20) 및 종동측 기어(30)에 발생되는 스러스트력이 캔슬되기 때문에, 정숙성이 높은 기어 펌프가 실용 가능해진다.

스러스트력을 캔슬하기 위한 구동측 제2 기어(31) 및 제3 기어(32)는, 펌프실(12)과는 별도의 기어실(13)에 구비하였으므로, 누설의 대책이 필요없고 고정밀도의 가공이나 패킹 등을 필요로 하지 않으므로, 제조 비용을 억제할 수 있다.

또한, 모든 스러스트력을 담당하는 베어링(40)에 대해서도, 펌프실(12)과는 별도의 기어실(13)에 구비하였으므로, 누설의 대책이 필요없다. 그로 인해, 특수한 재료를 사용하지 않고 높은 강도를 갖는 볼 베어링 등의 범용적인 부품을 사용할 수 있어, 제조 비용을 억제할 수 있다.

베어링(40)은, 반드시 볼 베어링이 아니라, 니들 베어링 등, 다른 종류의 베어링에 의해 구성되어 있어도 좋다.

이상에서 설명한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형이나 변경이 가능하며, 그들도 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이 명백하다.

본원은, 2009년 11월 20일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2009-264714호 및 2010년 1월 29일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2010-17931호에 기초하는 우선권을 주장한다. 이들 출원의 모든 내용은 참조로써 본 명세서에 도입된다.