(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダに固挿されたブッシュ内に往復動可能に嵌合され流体圧による片当たり力が作用するピストンを備えた流体機械において、前記ピストンは母材が鉄系材料にて構成されるとともにその円筒状外周面および高圧側端面の外面全体にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施されてなり、前記ブッシュは銅合金にて構成されてなることを特徴とする表面処理ピストンを備えた流体機械。
【請求項２】
前記ブッシュは、前記ピストンの一端側の円筒状外周面が該ブッシュの一端側端縁に接触しているとき該ピストンの他端側の円筒状外周面が該ブッシュの他端側端縁に接触可能なように前記ピストンの他端側に対応する端部から一定長さに亘り切欠部を形成してなることを特徴とする請求項１記載の表面処理ピストンを備えた流体機械。
【請求項３】
前記ピストンは、その中間部から流体圧が作用する端面に向けて外径が縮小された先細状円筒体に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の表面処理ピストンを備えた流体機械。
【請求項４】
シリンダ内もしくは該シリンダに固挿されたブッシュ内に往復動可能に嵌合され作動流体の水による水圧によって片当たり力が作用するピストンを備えた流体機械において、前記ピストンは母材が鉄系材料にて構成されるとともにその円筒状外周面および高圧側端面の外面全体を、表層面にＳｉ−ＯＨが生成される珪素が含有されたＳｉ―ＤＬＣコーティングが施されてなることを特徴とする表面処理ピストンを備えた流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧あるいは水圧ポンプ、油圧あるいは水圧モータ等に適用され、シリンダ内もしくは該シリンダに固挿されたブッシュ内に往復動可能に嵌合され流体圧による片当たり力が作用する表面処理ピストンを備えた流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械の油圧駆動装置、船舶用舵取り機等の流体機械には、斜板式油圧ポンプが多く用いられている。かかる斜板式油圧ポンプにおいては、エンジン、電動モータ等の駆動源によるシリンダブロックの回転により、シリンダ内に往復動可能に嵌合されているピストンの頭部に連結されたスリッパが斜板の傾斜面を構成するスラストプレートの摺動面を摺動し、該ピストンがシリンダブロックとともに回転しながらシリンダ内を往復動するように構成されているため、該ピストンの外面とシリンダの内面との間に斜板の傾斜面からの反力による片当たり力が発生する。
【０００３】
図７はかかる斜板式油圧ポンプにおける前記片当たり力の発生状況を示す設明図である。図において、５はシリンダブロックで、エンジン、電動モータ等の駆動源からポンプ軸を介して回転駆動される。該シリンダブロック５には円周方向等間隔に複数のシリンダ６が穿孔され、各シリンダ６にはブッシュ７３が固挿され該ブッシュ７３内にはピストン７が往復摺動可能に嵌合されている。
８はポンプケース側に取り付けられた斜板で、斜板角調整装置によりその斜板角を変化可能に構成されている。また、前記各ピストン７の根元部にはスリッパ１５が球面継手０１５の形態で取り付けられ、各スリッパ１５は前記斜板８に固着されているスラストプレート１４に摺接するようになっている。
【０００４】
かかる斜板式油圧ポンプの運転時において、図７に示されるように、ピストン７は偏心してスリッパ１５及びスラストプレート１４を介して斜板８に押圧されながら往復動せしめられるため、該ピストン７には斜板８側との接触面に直角方向の力Ｆによる軸方向力Ｆｐと軸直角方向力（スラスト力）Ｆｓとが作用する。そして前記ピストン７には該軸直角方向力（スラスト力）Ｆｓによって、ピストン７外周面とブッシュ７３の低圧側端部との接触部Ｂ及び該ピストン７の高圧側端面とブッシュ７３の内面との接触部Ａに片当たり力Ｆｆ及びＦｒが作用するとともに該ピストン７の重心廻りには曲げモーメントＭが作用し、該ピストン７は軸線に対してθ°傾斜した形態で往復動せしめられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように斜板式油圧ポンプにおいては、図７のように、ピストン７はその外周面とブッシュ７３の低圧側端部との接触部Ｂ及び該高圧側端面とブッシュ７３の内面との接触部Ａに片当たり力Ｆｆ及びＦｒが作用した状態で往復動せしめられるため、ピストン７の前記接触部Ａ、Ｂには前記局部的な片当たり力Ｆｆ、Ｆｒによる摩耗が発生し易くなる。
かかるピストン７の片当たり力Ｆｆ、Ｆｒによる摩耗を抑制する手段の１つとして、特開２０００−３２０６７０号の発明が提案されている。
【０００６】
かかる発明においては、ピストンの摺動面に表面硬化処理を施して硬化処理層を形成するとともに、該硬化処理層を研磨処理して平滑にし、該平滑面上にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施こして、シリンダ側にブッシュを設けることなくピストンの摩耗を抑制している。
また、かかる発明においては、ピストンの摺動面にＳｉＣ（炭化珪素）をコーティングして平滑面を形成し、該ＳｉＣ層の表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施こして、研磨処理を施すことなくＤＬＣコーティングを可能としている。
【０００７】
しかしながら、かかる発明にあっては、ピストンの摺動面にＤＬＣコーティングを施してシリンダ側との滑り性を向上させ該ピストンの摩耗を抑制しているが、シリンダ側に鋼材あるいは鋼材に表面硬化処理を施したものを用いる場合には、ピストン側にＤＬＣコーティングを施して滑り性を向上させてもシリンダ側との摺動なじみ性が良好でないため、殊に高い片当たり力の作用状態においては、ＤＬＣコーティングを施したピストン表面とシリンダとの間に焼き付きの発生をみることがある。
【０００８】
また、作動流体として水圧を用いる斜板式水圧ポンプにおいては、ピストンとシリンダとの間の接触部に局部的な片当たり力が作用した状態で、ピストンとシリンダとの摺動面に水が侵入するため、かかる発明のように、ピストンの摺動面にＤＬＣコーティングを施して滑り性を向上させるのみでは、ピストンとシリンダとの摺動面における摺動性を良好に保持することは困難であり、ピストン表面とシリンダとの間の摺動性の悪化による焼き付きが発生し易い。
【０００９】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、シリンダ側との間に流体圧による片当たり力が作用するピストンにおいて、ピストンとシリンダ側との摺動なじみ性を向上させることにより高い片当たり力の作用状態においてもピストン表面とシリンダ側との間の焼き付きの発生を防止でき、かつ斜板式水圧ポンプのように低粘度流体を作動流体として用いる流体機械においてもピストン表面とシリンダとの間の摺動性を良好に保持して両者間の焼き付きの発生を防止できる表面処理ピストンを備えた流体機械を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、シリンダに固挿されたブッシュ内に往復動可能に嵌合され流体圧による片当たり力が作用するピストンを備えた流体機械において、前記ピストンは母材が鉄系材料にて構成されるとともにその円筒状外周面および高圧側端面の外面全体にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施されてなり、前記ブッシュは銅合金にて構成されてなることを特徴とする表面処理ピストンを備えた流体機械を提案する。
【００１１】
請求項１において、好ましくは請求項２〜３にように構成する。
即ち、請求項２においては、前記ブッシュは、前記ピストンの一端側の円筒状外周面が該ブッシュの一端側端縁に接触しているとき該ピストンの他端側の円筒状外周面が該ブッシュの他端側端縁に接触可能なように前記ピストンの他端側に対応する端部から一定長さに亘り切欠部を形成してなる。
また請求項３においては、前記ピストンは、その中間部から流体圧が作用する端面に向けて外径が縮小された先細状円筒体に形成されてなる。
【００１２】
かかる発明によれば、母材が鉄系材料にて構成されるピストンの外面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施こし、銅合金にて構成されたシリンダ側のブッシュと組み合わせたので、ピストン外面のＤＬＣコーティング処理によりブッシュとの滑り性が向上して耐摩耗性が向上するとともに、シリンダ側のブッシュを銅合金にて構成したことによりＤＬＣコーティング処理がなされたピストンとの摺動なじみ性を良好に保持することができる。
これにより、高い片当たり力の作用状態においても、ピストンの耐摩耗性を保持できるとともにピストンとシリンダ側ブッシュとの間の摺動なじみ性を良好に保持でき、ピストンとシリンダ側ブッシュとの間の焼き付きの発生を確実に回避でき、耐久性、信頼性の大なる流体機械を提供することができる。
【００１３】
請求項２のように構成すれば、ブッシュの端部から一定長さに亘り切欠部を形成したことによりブッシュの両端縁には常にピストンの円筒状外周面が接触していることとなり、また請求項３のように構成すれば、ピストンをその中間部から流体圧が作用する端面に向けて外径が縮小して先細状円筒体に形成したことによりピストンの端縁部がブッシュの端縁に接触するのが回避される。
これによってピストンの端縁部におけるＤＬＣコーティングの接着性が低下しＤＬＣコーティングの剥離等が発生することがなく、ピストン全面におけるＤＬＣコーティングの安定した接着性が得られる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、シリンダ内もしくは該シリンダに固挿されたブッシュ内に往復動可能に嵌合され作動流体の水による水圧によって片当たり力が作用するピストンを備えた流体機械において、前記ピストンは母材が鉄系材料にて構成されるとともにその円筒状外周面および高圧側端面の外面全体を、表層面にＳｉ−ＯＨが生成される珪素が含有されたＳｉ―ＤＬＣコーティングが施されてなることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明によれば、水圧作動式流体機械において、ピストンの往復動に伴いＳｉ―ＤＬＣコーティング層のＳｉがピストン摺動面に侵入してきた水中のＯＨ基と反応しＳｉ系化合物が前記ピストン摺動面にゲル状に析出し、かかるゲル状Ｓｉ系化合物により前記ピストン摺動面の摺動特性が向上する。
これにより、前記ＤＬＣコーティング層によりピストンの耐摩耗性を保持できるとともに、前記ゲル状Ｓｉ系化合物によりピストン摺動面の摺動特性を良好に保持できる、という相乗効果により、殊に水圧作動式流体機械において高い片当たり力の作用状態においても、ピストンとシリンダ側との間の焼き付きの発生を確実に回避でき、該水圧作動式流体機械の耐久性、信頼性を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例にかかる油圧ポンプにおけるピストン摺動部近傍の軸心線に沿う断面図、図２は第２実施例を示すピストンの軸心線に沿う断面図である。図３は第３実施例を示し、（Ａ）はピストン摺動部近傍の軸心線に沿う断面図（Ｂ）は（Ａ）のＺ矢視図である。図４は第４実施例を示すピストンの軸心線に沿う断面図である。図５は本発明が適用される油圧ポンプの構造を示すポンプ軸心線に沿う断面図、図６は図５のＡ―Ａ矢視図である。
【００１９】
本発明が適用される油圧ポンプの構造を示す図５（Ａ）、（Ｂ）及び図６において、１はポンプ軸で、エンジン、電動モータ等の駆動源（図示省略）に連結されて回転駆動される。２はケーシング、３及び４は前記ケーシング２の前後両端部に固着されたベースプレートおよびエンドプレートである。５は前記ポンプ軸１にスプライン１８を介して嵌合され該ポンプ軸１と同期して回転駆動されるシリンダブロックである。
該シリンダブロック５には円周方向等間隔に複数（この例では６個）のシリンダ６が穿孔されている。７は前記各シリンダ６に往復摺動可能に嵌合されたピストンである。尚、前記シリンダ６内にブッシュ（図示省略）を圧挿し、該ブッシュ内にピストン７を往復摺動可能に嵌合してもよい。
８は前記ベースプレート３に取り付けられた斜板で、図５（Ｂ）に示される斜板角調整装置８０によりその斜板角を変化可能に構成されている。
即ち、該斜板角調整装置８０は、図５（Ｂ）に示すように、シリンダ０８ｂ内を往復動するピストン０８ｃによりレバー０８ａを回動させ、該レバー０８ａの端部に固定された斜板軸０８を図のＵ矢のように回動させることにより斜板角を変化させるようになっている。
【００２０】
前記各ピストン７の根元部にはスリッパ１５が球面継手０１５の形態で取り付けられ、各スリッパ１５は前記斜板８に固着されているスラストプレート１４に摺接するようになっている。
１１は前記各シリンダ６の給排油孔０１１側に配置されて前記エンドプレート４に固着されたバルブプレートである。図６に示すように、該バルブプレート１１にはポンプの回転軸心２０の両側に対向して繭形の吸入孔０９及び吐出孔０１０が穿設されている。また前記エンドプレート４には吸入通路９及び吐出通路１０が形成され、該吸入通路９は前記バルブプレート１１の吸入孔０９に連通され
吐出通路１０は前記吐出孔０１０に連通されている。
１２および１３は前記ポンプ軸１を軸支するベースプレート側の軸受及びエンドプレート側の軸受である。１６はオイルシール、１９はポンプ室である。
【００２１】
かかる油圧ポンプの作動時において、エンジン、電動モータ等の駆動源により前記ポンプ軸１が回転駆動されると、シリンダブロック５が回転する。該シリンダブロック５の回転により、シリンダ６に往復動可能に嵌合されているピストン７の頭部に連結されたスリッパ１５が斜板８の傾斜面を構成するスラストプレート１４の摺動面を摺動し、これにより該ピストン７がシリンダブロック５とともに回転しながらシリンダ６内を往復動する。
【００２２】
そして、前記ピストン７が図５において左動する吸入行程になるとき該ピストン７の給排油孔０１１がバルブプレート１１の吸入孔０９に連通されて吸入通路９からオイルが吸入される。一方、該ピストン７が図５において右動する吐出行程になるときには、該ピストン７の給排油孔０１１がバルブプレート１１の吐出孔０１０に連通され、該ピストン７によりシリンダ６内のオイルが吐出通路１０に送出される。
前記油圧ポンプにおける作動流体としてのオイルに代えて水を作動流体としても、図５〜６と同一構造の水圧ポンプを構成することができる。
【００２３】
本発明は、図５〜６のような構造を備えた油圧ポンプあるいは水圧ポンプを含む流体機械におけるピストン及び該ピストンが嵌合されるシリンダあるいはブッシュの改良に関するものである。
【００２４】
本発明の第１実施例を示す図１において、５はシリンダブロックで、ポンプ軸１（図５参照）と同期して回転駆動される。６ａは該シリンダブロック５に円周方向等間隔に複数穿設されたブッシュ穴、７３は該ブッシュ穴６ａに圧挿されたブッシュである。該ブッシュ７３は、リン青銅、アルミニウム青銅、マンガン青銅、各種黄銅等の軸受材として好適な銅合金にて構成される。
７は前記該ブッシュ７３の内周に往復摺動可能に嵌合されたピストンで、中空に形成されている（７２は中空部）。８は斜板角を変化可能に構成された斜板、１５は前記ピストン７の根元部に球面継手０１５の形態で取り付けられたスリッパ、１４は前記斜板８に固着され前記スリッパ１５が摺接するスラストプレートである。
【００２５】
前記ピストン７は母材が特殊鋼等の鉄系材料からなり、その外面全体にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングの処理層（被膜）が形成されている。前記ＤＬＣは炭素膜の一種で、炭素と水素から構成され、グラファイトとダイヤモンドの中間の特性を有する非晶質の膜であり、摺動摩擦係数が小さい性質を有している。また、前記ＤＬＣのコーティングは室温から２００℃程度と低温で施行できる。
【００２６】
かかる構成からなる油圧ポンプにおいては、母材が鉄系材料にて構成されるピストン７の外面にＤＬＣコーティングによる処理層７１を形成し、これを銅合金にて構成されたシリンダ側のブッシュ７３と組み合わせている。このため、前記ピストン７外面に形成されたＤＬＣコーティング処理層７１により摺動摩擦係数が小さくなってブッシュ７３との滑り性が向上し、従ってピストン７の耐摩耗性が向上する。
一方、シリンダ側のブッシュ７３を銅合金にて構成したことにより、ＤＬＣコーティング処理層７１が形成されたピストン７との摺動面の摺動なじみ性を良好に保持することが可能となる。
【００２７】
これにより、高い片当たり力の作用状態においても、ピストン７の耐摩耗性を保持できるとともに、該ピストン７とシリンダ側のブッシュ７３との間の摺動なじみ性を良好に保持できることとなり、該ピストン７とシリンダ側のブッシュ７３との間の焼き付きの発生を確実に回避できる。
【００２８】
図２は本発明の第２実施例を示し、（Ａ）はピストン摺動部近傍の軸心線に沿う断面図（Ｂ）は（Ａ）のＺ矢視図である。図２においては、前記ブッシュ７３の高圧側つまり反斜板８側に切欠部７５を形成している。該切欠部７５は、ブッシュ７３の端縁から切欠面７５ａまでの切欠き深さＳ及び周方向の切欠き角度αを、前記片当たり力によって前記ピストン７の一端側つまり反斜板８側の円筒外面７ｂが該ブッシュ７３の一端側の端縁７３ｂに接触しているとき、該ピスト７ンの他端側つまり反斜板８側の円筒外面７ｂが該ブッシュ７３の他端側の端縁即ち前記切欠部７５の切欠面７５ａに接触するように設定される。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００２９】
かかる実施例によれば、前記ブッシュ７３の端縁から一定長さＳ及び幅（切欠き角度α）に亘り切欠部７５を形成したことにより、ピストン７の作動中、ブッシュ７３の両端縁つまり端縁７３ｂ及び切欠面７５ａには常にピストン７の円筒外面７ｂが接触していることとなり、該ピストン７の端縁部７ａがブッシュ７３の端縁に直接接触するのが回避される。
これによってピストン７の端縁部におけるＤＬＣコーティング処理層７１（図１参照）の接着性を保持でき、該ＤＬＣコーティング処理層７１の剥離の発生が回避され、ピストン全面におけるＤＬＣコーティング処理層７１の安定した接着性が得られる。
【００３０】
図３に示す本発明の第３実施例においては、前記ピストン７を、その中間部から油圧が作用する側つまり高圧側の端面７ｄに向けて一定長さＬにおいて外径がＤ１からＤ２に縮小されたテーパ部７ｃを有する先細状円筒体に形成する。その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３１】
かかる実施例によれば、ピストン７をその中間部から油圧が作用する端面７ｄに向けて外径Ｄが縮小して先細状円筒体に形成したことにより、ピストン７の端縁部７ａがブッシュ７３の端縁に直接接触するのが回避される。
これによって、前記第２実施例と同様に、ピストン７の端縁部７ａにおけるＤＬＣコーティング処理層７１の安定した接着性が得られる。
【００３２】
図４に示す本発明の第４実施例においては、前記第１〜第３実施例における油圧ポンプに代えて水を作動流体とする水圧ポンプを用いている。該水圧ポンプの構造は図５〜６に示される油圧ポンプと同様である。
この実施例においては、かかる水圧ポンプにおけるピストン７の母材を鉄系材料にて構成し、その外面に珪素Ｓｉを含有させたＳｉ―ＤＬＣコーティング処理層７４を形成している。即ちこの実施例においては、ピストン７の表層面を水のＯＨ基と反応してＳｉ−ＯＨが生成されるようなＳｉ系摺動材で被覆している。
【００３３】
かかる実施例によれば、水圧ポンプにおいて、ピストン７の往復動に伴いＳｉ―ＤＬＣコーティング処理層７４のＳｉがピストン７摺動面に侵入してきた水中のＯＨ基と反応して生成されたＳｉ系化合物が前記ピストン７の摺動面にゲル状に析出し、かかるゲル状Ｓｉ系化合物により前記ピストン７の摺動面における摺動特性が向上する。
これにより、前記ＤＬＣコーティング処理層７４によりピストン７の耐摩耗性を保持できるとともに、前記ゲル状のＳｉ系化合物によりピストン７摺動面の摺動特性を良好に保持できる、という相乗効果により、水圧ポンプにおける高い片当たり力の作用状態においても、ピストン７とシリンダ側との間の焼き付きの発生を確実に回避できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項１ないし３の発明によれば、ピストン外面のＤＬＣコーティング処理によりブッシュとの滑り性が向上して耐摩耗性が向上するとともに、シリンダ側のブッシュを銅合金にて構成したことによりＤＬＣコーティング処理がなされたピストンとの摺動なじみ性を良好に保持することができる。これにより、高い片当たり力の作用状態においても、ピストンの耐摩耗性を高く保持できるとともにピストンとシリンダ側ブッシュとの間の摺動なじみ性を良好に保持できて、両者間の焼き付きの発生を確実に回避でき、耐久性、信頼性の大なる流体機械を提供することができる。
【００３５】
また請求項２のように構成すればブッシュの端部から一定長さに亘り切欠部を形成したことによりブッシュの両端縁には常にピストンの円筒状外周面が接触していることとなり、また請求項３のように構成すればピストンを先細状円筒体に形成したことによりピストンの端縁部がブッシュの端縁に接触するのが回避される。
これによってピストンの端縁部におけるＤＬＣコーティングの接着性を保持できて該ＤＬＣコーティングの剥離が発生することがなく、ピストン全面におけるＤＬＣコーティングの安定した接着性が得られる。
【００３６】
さらに請求項４のように構成すれば、水圧作動式流体機械において、ＤＬＣコーティング層によりピストンの高い耐摩耗性を保持できるとともに、ピストン摺動面に生成されるゲル状Ｓｉ系化合物によりピストン摺動面の摺動特性を良好に保持できる、という相乗効果により、高い片当たり力の作用状態においても、ピストンとシリンダ側との間の焼き付きの発生を確実に回避でき、該水圧作動式流体機械の耐久性、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例にかかる油圧ポンプにおけるピストン摺動部近傍の軸心線に沿う断面図である。
【図２】  第２実施例を示し、（Ａ）はピストン摺動部近傍の軸心線に沿う断面図（Ｂ）は（Ａ）のＺ矢視図である。
【図３】  第３実施例を示すピストンの軸心線に沿う断面図である。
【図４】  第４実施例を示すピストンの軸心線に沿う断面図である。
【図５】  本発明が適用される油圧ポンプの構造を示すポンプ軸心線に沿う断面図（Ａ）と、斜板角調整装置を示す図（Ｂ）である。
【図６】  図５（Ａ）のＡ―Ａ矢視図である。
【図７】  斜板式油圧ポンプにおける前記片当たり力の発生状況を示す設明図である。
【符号の説明】
１  ポンプ軸
５  シリンダブロック
６  シリンダ
７  ピストン
７ａ  端縁部
７ｂ  円筒外面
７ｃ  テーパ部
７１  ＤＬＣコーティング処理層
７３  ブッシュ
７４  Ｓｉ−ＤＬＣコーティング処理層
７５  切欠部
７５ａ  切欠面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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