Internal gear pump

本発明は、シリンダーなどのアクチュエータを駆動するための作動油の加圧等に使用される内接ギヤポンプに関する。

内接ギヤポンプは、シリンダーなどの各種アクチュエータを駆動するための作動油の加圧などに広く使用されている。 この内接ギヤポンプの構造は、例えば特許文献１、２に詳しく説明されている。 内接ギヤポンプの基本構造を図６（ａ）（ｂ）を参照して説明する。 図６（ａ）は軸縦断面図、図６（ｂ）は軸横断面図で図６（ａ）のＵ−Ｕ線矢示図である。

このポンプは、ハウジング１内で組み合わされたインナーギヤ３及びアウターギヤ４を有している。 インナーギヤ３は外歯車であり、ハウジング中心部を貫通する回転軸２により回転駆動される。 アウターギヤ４はハウジング１内に回転自在に収容された環状の内歯車であり、インナーギヤ３の外側に偏心して配置されることにより、周方向の一部でインナーギヤ３と噛み合っている。

噛み合い領域とは反対側の非噛み合い領域においては、歯面間に弧状の空間が形成される。 この空間には、クレセントと呼ばれる弧状の仕切り片５がハウジング１と一体的に設けられている。 仕切り片５の回転方向上流側には吸込口６が、下流側には吐出口７がそれぞれ回転方向に沿って設けられている。 吸込口６及び吐出口７は、両ギヤ３，４間に側方から対向するようハウジング１におけるギヤ収容部の一方の内側面に開口している。 他方の内側面には吸込口６及び吐出口７に対応する凹部８，９が形成されている。

図示されないモータにより駆動軸２が駆動され、インナーギヤ３が回転すると、アウターギヤ４も定位置で同期回転する。 アウターギヤ４の偏心により、作動油は、回転方向上流側の吸込口６から両ギヤ３，４間に吸い込まれ、仕切り片５の内周側及び外周側に分かれ、回転方向下流側の吐出口７から排出される。 すなわち、仕切り片５の回転方向上流側で両ギヤ３，４の歯間が漸次離反することにより吸込口６から作動油が吸引され、仕切り片５の回転方向上流側で両ギヤ３，４の歯間が漸次接近することにより作動油が加圧されて吐出口７から排出される。

回転中のアウターギヤ４の外周面４ａとハウジング１におけるギヤ収容部の内周面１ａとの間に発生するラジアル方向圧力の周方向分布を図６（ｂ）に示す。

このような内接ギヤポンプの問題点の一つとして、アウターギヤ４の外周面４ａの焼付きがある。 アウターギヤ４の外周面４ａに焼付きが生じやすい理由は、以下のとおりである。

アウターギヤ４の外周面４ａは、ハウジング１におけるギヤ収容部の内周面１ａに対して摺動しているが、アウターギヤ４が偏心しているために、図６（ｂ）に示すとおり、アウターギヤ４に作用する径方向圧力の周方向分布は不均一となる。 すなわち、アウターギヤ４の外周面４ａにおける特定箇所は大きな圧力変動を繰り返し受ける。 これに加えて、作動油の吸込、吐出はハウジング１におけるギヤ収容部の両側の内側面１ｂ，１ｂのうちの一方の側で行われる。 図６（ｂ）では、吸込口６は吸込域の一方の側に、吐出口７は吐出域の他方の側に設けられている。 このため、アウターギヤ４の両側の圧力バランスも不均等になる。

一方、内接ギヤポンプにおける潤滑は、吸込された作動油の一部がギヤ３，４と、ハウジング１におけるギヤ収容部の両側の内側面１ｂ，１ｂとの微小な隙間を通り、一部がハウジング１と回転軸２の間に、残りがアウターギヤ４の外周面４ａとハウジング１におけるギヤ収容部の内周面１ａとの間に侵入することで行われるが、アウターギヤ４の外周面４ａとハウジング１の内周面１ａとの間に侵入する作動油は少なく、特に径方向圧力の大きい吐出域付近で少なくなる。 これらのため、アウターギヤ４の摺動部で油切れが生じやすく、アウターギヤ４の外周面４ａに焼付きが生じやすいのである。

この焼付きを防止するために、特許文献１に記載の内接ギヤポンプでは、吸込口６をアウターギヤ４の外周面４ａとハウジング１におけるギヤ収容部の内周面１ａとの間にまで広げて、この間への作動油の供給量を多くすることが行われている。 また、特許文献２に記載の内接ギヤポンプでは、吐出域で加圧された作動油を、アウターギヤ４の外周面４ａとハウジング１の内周面１ａとの間に導くバルブ付き油路をハウジング１に設けることが行われている。

しかしながら、いずれの対策も十分とは言えない。 特に、運転、停止を頻繁に繰り返す場合に焼付きが生じやすい傾向がある。 また、特許文献２に記載の内接ギヤポンプでは、油路にバルブ機構が必要になり、コストが嵩む問題がある。

本発明の目的は、運転、停止を頻繁に繰り返す場合にも、アウターギヤ外周面の焼付きを安定的に、且つ経済的に防止できる内接ギヤポンプを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者らはアウターギヤ外周面の焼付きの詳細な原因を明らかにすることを企画し、アウターギヤに作用する圧力を、運転開始時の圧力立ち上がり傾向も含めて各部について調査した。 その結果、アウターギヤの両側で油圧に差があり、その差は吐出域近傍で大きく、且つ運転開始の際の低速回転時に大きいこと、吐出域近傍では両側の油圧の一方に脈動が生じていること、運転開始の際の低速回転時にはアウターギヤの外周側の特に吐出域近傍で油圧の追従性が悪いことなどが判明した。

本発明者はこれらの現象を緩和できれば、アウターギヤ外周面の焼付きを軽減できると考え、その手法として、ハウジングにおけるギヤ収容部の内周面に回転軸方向の油溝を設け、アウターギヤの両側面側を連通させて圧力バランスをとることを企画し、特に吐出域の近傍でのこの油溝の形成位置と効果との関係について詳細に調査した。 その結果、吐出域の回転方向下流部に形成するのが有効なこと、その上で更に吐出域の回転方向上流部に形成するのが有効なことが明らかとなった。

本発明の内接ギヤポンプは、かかる知見を基礎として完成されたものであり、回転駆動されるインナーギヤと、インナーギヤと共にハウジング内に回転自在に収容され、インナーギヤの一部と噛み合うように偏心して配置されたアウターギヤと、両ギヤの非噛み合い領域に位置して両ギヤ間に設けられた弧状の仕切り片とを有し、仕切り片の上流側に位置してハウジングの内側面に吸込口が設けられ、仕切り片の下流側に位置してハウジングの内側面に吐出口が設けらた内接ギヤポンプにおいて、アウターギヤの外周面が摺接するハウジング内周面の吐出域下流部に、アウターギヤの両側面側を連通させる油溝を設けたものである。

好ましくは、アウターギヤの外周面が摺接するハウジング内周面の吐出域上流部にも、アウターギヤの両側面側を連通させる別の油溝を設ける。

いずれの油溝についても、ハウジングにおけるギヤ収容部の内側面に設けられた凹部を介して吐出域に連通する構成が好ましい。

本発明の内接ギヤポンプにおいては、アウターギヤが強い圧力を受ける吐出域近傍においてハウジング内周面にアウターギヤの両側面側を連通させる油溝を設けることにより、運転開始の際の回転数上昇期においてもアウターギヤ両側の圧力バランスがとれ、アウターギヤの外周側に供給される油量も増加することから、アウターギヤの回転及び潤滑が円滑化し、アウターギヤ外周面の焼付きが防止される。

具体的には、ハウジング内周面の吐出域下流部にこの油溝を設けることにより、運転開始の際の回転数増加時において、吐出域の閉止側における油圧の追従性が向上し、脈動も防止される。 ハウジング内周面の吐出域上流部にもこの油溝を設けるならば、運転開始の際の回転数増加時において、吐出域の外周側における油圧の追従性が向上する。 いずれもアウターギヤの円滑回転に繋がり、耐焼付き性の向上に寄与する。

本発明の内接ギヤポンプは、アウターギヤが強い圧力を受ける吐出域近傍においてハウジング内周面にアウターギヤの両側面側を連通させる油溝を設けることにより、運転開始の際の回転数上昇期においてもアウターギヤ両側の圧力バランスがとれ、アウターギヤの外周側に供給される油量も増加することから、アウターギヤの回転及び潤滑を円滑化でき、アウターギヤ外周面の耐焼付き性を向上させることができる。

本発明の実施形態を示す内接ギヤポンプの軸縦断面図であり、図３中のＳ−Ｓ線矢示図に対応する。

同内接ギヤポンプの軸縦断面図であり、図３中のＴ−Ｔ線矢示図に対応する。

同内接ギヤポンプにおけるハウジング本体の側面図である。

図３中のＸ点位置及びＹ点位置におけるアウターギヤ両側の圧力変動を、油溝がない場合と吐出域下流部に存在する場合について示したグラフである。

図３中のＡ点位置、Ｂ点位置及びＣ点位置における圧力変動を、油溝が吐出域下流部に存在する場合と吐出域下流部及び上流部の両方に存在する場合について示したグラフである。

内接ギヤポンプの基本構造を示す図面で、（ａ）は軸縦断面図、（ｂ）は軸横断面図で（ａ）中のＵ−Ｕ線矢示図である。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態の内接ギヤポンプは、図１〜図３に示すように、ギヤユニットを収容するハウジング１０と、ハウジング１０の中心部を貫通する回転軸２０と、回転軸２０の外側に位置してハウジング１０内に収容されたインナーギヤ３０及びアウターギヤ４０とを備えている。

ハウジング１０は、インナーギヤ３０及びアウターギヤ４０を収容する本体１０Ａと、本体１０Ａの開口部を塞ぐカバー１０Ｂとからなる。 本体１０Ａには、アウターギヤ４０が回転自在に嵌合する円形のギヤ収容部１１が偏心して設けられている。 本体１０Ａの中心部には、回転軸２０が回転自在に貫通する軸孔が設けられており、同様の軸孔は、カバー１０Ｂの中心部にも設けられている。

インナーギヤ３０は外歯ギヤであり、本体１０Ａのギヤ収容部１１内において回転軸２０と同心状に連結されている。 アウターギヤ４０は、回転軸２０に対して偏心したギヤ収容部１１内に回転自在に収容された内歯ギヤであり、周方向の一部でインナーギヤ３０と噛み合っている。 噛み合い側とは反対の反噛み合い側には、クレセントと呼ばれる弧状の仕切り片１２が本体１０Ａと一体的に設けられている。 この仕切り片１２は、インナーギヤ３０とアウターギヤ４０の間に配置されており、その回転方向上流側が吸込域ＩＮ、下流側が吐出域ＯＵＴである。

吸込域ＩＮは回転方向に沿って弧状に存在しており、回転方向上流側から下流側に向けて高さが漸増している。 吐出域ＯＵＴも回転方向に沿って存在しており、回転方向上流側から下流側に向けて高さが漸減している。 そして、吸込域ＩＮに側方から対向するように、ハウジング１０のカバー１０Ｂには弧状の吸込口１３が、本体１０Ａには弧状凹部１４がそれぞれ設けられている。 また吐出域ＯＵＴに側方から対向するように、ハウジング１０の本体１０Ａには弧状の吐出口１５が、カバー１０Ｂには弧状凹部１６がそれぞれ設けられている。

ハウジング１０におけるギヤ収容部１１の内周面１１ａには、回転軸方向に延びる２つの油溝１７ａ、１７ｂが設けられている。 第１の油溝１７ａは、吐出域ＯＵＴの回転方向下流部に位置する断面弧状のＵ溝であり、その本体側の端部は、ギヤ収容部１１の一方の内側面（ギヤ収容部１１の底面）に設けられた連結用の円形凹部１８ａを介して吐出口１５の回転方向下流側端部に連通している。 油溝１７ａのカバー側の端部は、ギヤ収容部１１の他方の内側面（カバー１０Ｂの表面）に設けられた連結用の円形凹部１８ｂを介して、吐出口１５に対応する弧状凹部１６の回転方向下流側端部に連通している。

第２の油溝１７ｂは、吐出域ＯＵＴの回転方向上流部に位置する断面弧状のＵ溝であり、その本体側の端部は、ギヤ収容部１１の一方の内側面（ギヤ収容部１２の底面）に設けられた連結用の円形凹部１９ａを介して吐出口１５の回転方向上流側端部に連通している。 油溝１７ｂのカバー側の端部は、ギヤ収容部１１の他方の内側面（カバー１０Ｂの表面）に設けられた連結用の円形凹部１９ｂを介して、吐出口１５に対応する弧状凹部１６の回転方向上流側端部に連通している。

内接ギヤポンプの運転では、回転軸２０が図示されないモータにより回転駆動される。 これにより、ハウジング１０内の吸込域ＩＮに対応してカバー１０Ｂの側に設けられた弧状の吸込口１３から、ギヤ収容部１１内のインナーギヤ３０とアウターギヤ４０との間に作動油が吸い込まれる。 ギヤ収容部１１内に吸い込まれた作動油は、仕切り片１２の内周側と外周側とに分かれ、吐出域ＯＵＴに対応して本体１０Ａの側に設けられた弧状の吐出口１４から排出される。

すなわち、仕切り片１２の回転方向上流側に位置する吸込域ＩＮでは、インナーギヤ３０とアウターギヤ４０の歯間が漸次離反することにより作動油が吸引され、仕切り片１２の回転方向下流側に位置する吐出域ＯＵＴでは、インナーギヤ３０とアウターギヤ４０の歯間が漸次接近することにより作動油が加圧されるのである。

また、ハウジング１０内に吸い込まれた作動油の一部はアウターギヤ４０の両側面とギヤ収容部１１の両内側面との微小な隙間を通って、一部は回転中心側へ、残りが外周側へそれぞれ侵入する。 そして、前者はハウジング１０と回転軸２０との間の潤滑、より具体的には、ハウジング１０の本体１０Ａ及びカバー１０Ｂの各中心部における軸孔にそれぞれ嵌合固定されたスリーブ状の軸受部材５０，５０の各内周面と回転軸２０の外周面との間の潤滑に、また後者はアウターギヤ４０の外周面４１とギヤ収容部１１の内周面１１ａとの間の摺動部の潤滑にそれぞれ使用される。

ここで注意すべきことは、吐出口１５はハウジング１０内の吐出域ＯＵＴの片側（本体１０Ａの側）にのみ存在することである。 すなわち、吐出域ＯＵＴは片側（本体１０Ａの側）では開放し、反対側（カバー１０Ｂの側）では閉止されているのである。 また、アウターギヤ４０の外周面４１とこれが摺接するギヤ収容部１１の内周面１１ａとの間における径方向油圧力は、吐出域ＯＵＴにおいて最大となる〔図６（ｂ）参照）〕。 これらのため、吐出域ＯＵＴにおいては、アウターギヤ４０が、閉止側であるカバー１０Ｂの側から、開放側である本体１０Ａの側へ向かう横方向（回転軸方向）の強い圧力を受け、これがアウターギヤ４０の焼付きの原因となることは言うまでもない。

しかしながら、本実施形態の内接ギヤポンプでは、ギヤ収容部１１内における吐出域ＯＵＴの外周側の内周面１１ａに回転軸方向の油溝１７ａ，１７ｂが設けられている。 第１の油溝１７ａは、吐出域ＯＵＴの下流部にあって、両側の連結用の円形凹部１８ａ，１８ｂを介して吐出域ＯＵＴの吐出口１５及び弧状凹部１６にそれぞれ連通しており、第２の油溝１７ｂは、吐出域ＯＵＴの上流部にあって、両側の連結用の円形凹部１９ａ，１９ｂを介して吐出域ＯＵＴの吐出口１５及び弧状凹部１６にそれぞれ連通している。 このため、吐出域ＯＵＴにおいて、アウターギヤ４０の両側の圧力が均等化すると共に、アウターギヤ４０の外周面４１とギヤ収容部１１の内周面１１ａとの間への作動油の流入量が増加する。

これらの結果、内接ギヤポンプの耐焼付き性が向上する。

本発明の有効性を確認するために、先ず、吐出域ＯＵＴの下流部に位置する第１の油溝１７ａ及びこれに連続する円形凹部１８ａ，１８ｂを設けた場合のアウターギヤ両側の運転開始時の横方向圧力変化を、図３に示すＸ点、Ｙ点にて、閉止側であるカバー側、及び開放側である本体側のそれぞれについて調査した。 比較のために、第１の油溝１７ａ及び円形凹部１８ａ，１８ｂを設けない場合についても同様の調査を行った。 結果を図４（ａ）（ｂ）に示す。

第１の油溝１７ａ及びこれに連続する円形凹部１８ａ，１８ｂを設けない場合、Ｘ点、Ｙ点とも、開放側である本体側の方が、閉止側であるカバー側より低圧となる。 本体側でも特に、吐出域ＯＵＴより回転方向下流側のＹ点では、運転開始時の回転数上昇に対する追従性が悪く、回転方向上流側のＸ点では比較的大きな脈動が見られる〔図４（ａ）〕。 しかるに、第１の油溝１７ａ及びこれに連続する円形凹部１８ａ，１８ｂを設けると、Ｙ点本体側の追従性が改善され、Ｘ点本体側の脈動も解消されている。 また、アウターギヤ両側の圧力差も全体に縮小している。 これらが、アウターギヤ４０の焼付き防止に有効に作用することは言うまでもない。

次に、第１の油溝１７ａ及びこれに連続する円形凹部１８ａ，１８ｂを残したまま、吐出域ＯＵＴの上流部に位置する第２の油溝１７ｂ及びこれに連続する円形凹部１９ａ，１９ｂを設けた。 そして、アウターギヤ４０の外周面４１とハウジング１０におけるギヤ収容部１１の内周面１１ａとの隙間における運転開始時の径方向圧力変化を、図３に示すＡ点、Ｂ点及びＣ点について調査した。 比較のために、第１の油溝１７ａ及び凹部１８ａ，１８ｂのみを設けた場合についても同様の調査を行った。 結果を図５に示す。 図５には、吐出圧力の変化も合わせて示した。

径方向圧力が最大となる吐出域ＯＵＴの外周側のＡ点で、運転開始時の回転数上昇に対する追従性が顕著に向上していることが分かる。 これも又、アウターギヤ４０の焼付き防止に有効に作用することは言うまでもない。

続いて、耐焼付き性の試験を実施したところ、第１の油溝１７ａも第２の油溝１７ｂも設けない従来の内接ギヤポンプの場合は、定格圧力に対し約１．５倍の負荷での連続運転において、アウターギヤ４０の外周部に損傷が見られた。 これに対し、第１の油溝１７ａ及びこれに連続する円形凹部１８ａ，１８ｂを設けた内接ギヤポンプの場合は、定格圧力に対し約１．８倍程度の連続運転においても異常が見られなかった。 第１の油溝１７ａ及びこれに連続する円形凹部１８ａ，１８ｂ、並びに第２の油溝１７ｂ及びこれに連続する円形凹部１９ａ，１９ｂを設けた内接ギヤポンプの場合も、第１の油溝１７ａのみの場合と同等の耐焼付き性能が発揮された。

耐焼付き性の試験に使用した内接ギヤポンプの仕様は以下のとおりである。 図４（ａ）（ｂ）の調査に用いた内接ギヤポンプもこれと同じ種類である。 図４（ａ）（ｂ）に示した結果は、吐出圧力をアンロードからオンロードへ急激に変化させた場合の各箇所での圧力変化であり、各箇所にポートを形成して圧力測定を行った。
ポンプサイズ：８０ｃｃ／ｒｅｖ
定格回転数：１８００ｒｐｍ
定格吐出圧力：１６ＭＰａ
作動油：ＩＳＯ ＶＧ ４６
油温度：５０℃

油溝１７ａ，１７ｂ及び円形凹部１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂの深さについては、浅すぎると圧油伝搬に十分な容積を確保できないので、生産性を考慮して１．５〜２．５ｍｍの範囲内が好ましく、前記試験ではいずれも２．０ｍｍとした。 また、油溝１７ａ，１７ｂの形状はＵ溝としたが、凹溝でもよく、その断面形状は問わない。 連結用の円形凹部１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂの形状についても円形である必要はなく、ストレート溝などでもよい。

１０ ハウジング １０Ａ 本体 １０Ｂ カバー １１ ギヤ収容部 １１ａ 内周面 １２ 仕切り片（クレセント）
１３ 吸込口 １４，１６ 弧状凹部 １５ 吐出口 １７ａ，１７ｂ 油溝 １８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ 連結用の円形凹部 ２０ 回転軸 ３０ インナーギヤ ４０ アウターギヤ ５０ 軸受部材