(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周が歯形をなしかつ複数の内方突出部を有する外側カムと、外周が歯形をなしかつ複数の外方突出部を有して前記外側カム内に遊嵌された内側カムと、前記外側カムと前記内側カムとの間でこれらに複数個が噛合してその間に流体室を形成する遊星歯車と、前記流体室に出入り口が臨む複数の進入・排出用流路とを備えた遊星カム型流体圧装置において、前記外方突出部の谷部から山部に至る回転方向の曲線を、その曲線の変曲点の位置が前記谷部と前記山部との間の角度の半分の位置からずれるように、形成したことを特徴とする遊星カム型流体圧装置。
【請求項２】
前記変曲点の勾配が０．５からずれた請求項１記載の遊星カム型流体圧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ポンプまたはモータに適用できる遊星カム型流体圧装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来例（たとえば特公昭51-32784号) の遊星カム型流体圧装置は、内周に複数の内方突出部を有する外側カムと、外周に複数の外方突出部を有して前記外側カム内に遊嵌された内側カムと、前記外側カムと前記内側カムとの間でこれらに複数個が噛合してその間に流体室を形成する遊星歯車と、前記流体室に出入り口が臨む複数の進入・排出用流路とを備えている。
【０００３】
この遊星カム型流体圧装置は、ポンプとして使用する場合、外側カムを強制的に回転させて流体室を順次収縮・膨張させ、収縮する流体室の排出用流路より流体を圧送する。
また、モータとして使用する場合、流体室に順次高圧の流体を圧送することにより、流体室が膨張するように外側カムが回転して回転動力が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
遊星カム型流体圧装置をポンプおよびモータのいずれに使用する場合においても、脈動率（モータ使用では回転速度の脈動率、ポンプ使用では吐出量の脈動率）が大きいという問題があった。発明者が計算した結果では、カムを最適な形状に設計した場合の１回転中の脈動率は２．５％であった。
【０００５】
これに対して、内側カムおよび外側カムの突出部数を増加することにより脈動率は低下することができる。たとえば内側カムの突出部数を４，５にし外側カムの突出部数を５，６にすることが考えられる。
しかし、突出部数を増加すると、装置容積に対する押し退け容積の比率（以下、容積率という）が低下し、経済的でなくなるという欠点があった。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、突出部数を増加しても容積率を大きくすることができる遊星カム型流体圧装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の遊星カム型流体圧装置は、内周が歯形をなしかつ複数の内方突出部を有する外側カムと、外周が歯形をなしかつ複数の外方突出部を有して前記外側カム内に遊嵌された内側カムと、前記外側カムと前記内側カムとの間でこれらに複数個が噛合してその間に流体室を形成する遊星歯車と、前記流体室に出入り口が臨む複数の進入・排出用流路とを備えた遊星カム型流体圧装置において、前記外方突出部の谷部から山部に至る回転方向の曲線を、その曲線の変曲点の位置が前記谷部と前記山部との間の角度の半分の位置からずれるように、形成したことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１記載の遊星カム型流体圧装置によれば、突出部の谷部から山部に至る曲線の変曲点の位置をずらし最適値を求めることにより、突出部数を増加して脈動率を低下しても、容積率を向上することができる。
請求項２記載の遊星カム型流体圧装置は、請求項１において、前記変曲点の勾配が０．５からずれたものである。
【０００９】
請求項２記載の遊星カム型流体圧装置によれば、請求項１よりもさらに脈動率および容積率が改善できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施の形態を図１ないし図６により説明する。すなわち、この遊星カム型流体圧装置は、図２および図３に示すように、内周が歯形をなしかつ複数の内方突出部１０ａを有する外側カム１０と、外周が歯形をなしかつ複数の外方突出部１２ａを有して外側カム１０内に遊嵌された内側カム１２と、外側カム１０と内側カム１２との間でこれらに複数個が噛合してその間に流体室Ａ〜Ｉを形成する遊星歯車１４と、流体室Ａ〜Ｉに出入り口が臨む複数の進入・排出用流路２０ａ１〜２０ａ５、２０ｂ１〜２０ｂ５とを備えている。
【００１１】
この実施の形態について、詳細に説明する。略円筒状の外側カム１０には、これの内周面に全周にわたって均等に合計５つの内方突出部１０ａを有する内周歯形カム面１０ｂが形成されている。外側カム１０の内周側には、これと同心に断面が略方形の柱状の内側カム１２が配置されている。内側カム１２には、これの外周面に全周にわたって均等に合計４つの外方突出部１２ａを有する外周歯形カム面１２ｂが形成されている。内周歯形カム面１０ｂと外周歯形カム面１２ｂとは互いに直接かみ合わない関係に寸法設定されている。内側カム１２の軸心側には軸方向に貫通するスプライン穴１２ｃが形成されている。図３に示すように、外側カム１０および内側カム１２の両側面には、前側板１８、および後側板２０がそれぞれ配置されている。前側板１８、外側カム１０、及び後側板２０は、心合わせリング３２、３４、および位置決めピン３８、４０によって互いに心合わせされるとともに位置合わせされた状態で、それぞれ複数のボルト４２、４４によって一体状に締結されるようになっている。このように心合わせリング３２と位置決めピン３８とによって、外側カム１０と前側板１８との心合わせを行い、また心合わせリング３４と位置決めピン４０とによって、外側カム１０と後側板２０との心合わせを行うことによってはめ合い公差に基づく相互のすきまの影響を相殺して、それぞれの位置精度を確保できるようになっている。また心合わせリング３２、３４は、流体の力および歯車間に作用する接触力によって引き起こされる前側板１８、後側板２０などの局部的な変形も防止することが可能である。前側板１８には軸受２４が取り付けられており、また後側板２０には軸受２６が取り付けられている。上述の内側カム１２を貫通するように駆動軸１６が配置されている。駆動軸１６にはクラウン加工されたスプライン軸部１６ａが形成されている。駆動軸１６のスプライン軸部１６ａは内側カム１２のスプライン穴１２ｃとはめ合わされている。駆動軸１６は、軸受２４、２６によって回転可能に支持されており、前側板１８よりも外方に突き出した軸端側が図示してない被駆動装置と連結されるようになっている。後側板２０の軸受２６の内輪側は、駆動軸１６にねじ込まれたベアリングナット２８によって駆動軸１６と一体に固定されており、また外輪側は、カバー２２によって抜け止めされている。カバー２２は後側板２０にボルト４６をもって固定されている。前側板１８は、これの段付き部にはめ合わされる図示してないブラケットを介して固定部に固定されるようになっている。
【００１２】
外側カム１０の内周歯形カム面１０ｂと内側カム１２の外周歯形カム面１２ｂとの間のすきまには、両カム面１０ｂ及び１２ｂと常にかみ合うように合計９つの遊星歯車１４が遊星運動可能に配置されている。すなわち、遊星歯車１４は、それぞれ両カム面１０ｂ、１２ｂと常時かみ合って自転しながら、外側カム１０の内周歯形カム面１０ｂに沿って移動（公転）することが可能である。
【００１３】
前側板１８の内側面、後側板２０の内側面、外側カム１０の内周歯形カム面１０ｂ、内側カム１２の外周歯形カム面１２ｂ、および２つの遊星歯車１４によって図１に示すように、合計９つの流体室Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉがそれぞれ構成されている。
後側板２０には、これの内側面の所定位置にそれぞれ開口する２組、合計１０の流路が形成されている。すなわち、内側面の所定の円周上に全周にわたって均等に５つの一方側流路２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３、２０ａ４、２０ａ５（これらを特に区別しない場合は、単に２０ａと表示する）がそれぞれ配置されており、一方側流路２０ａから半ピッチずつずらせた位置に５つの他方側流路２０ｂ１、２０ｂ２、２０ｂ３、２０ｂ４、２０ｂ５（これらを特に区別しない場合は、単に２０ｂと表示する）がそれぞれ配置されている。前側板１８と駆動軸１６との間はシール部材３０によってシールされており、また後側板２０とカバー２２との間はシール部材３６によってシールされている。
【００１４】
このように、外側カム１０、内側カム１２、遊星歯車１４、駆動軸１６、前側板１８、後側板２０などによって遊星カム型流体圧装置が構成されている。
図示してない圧力源から一方側流路２０ａを通って容積増大行程側の流体室たとえば図示の配置状態で流体室Ａ、Ｃ、Ｆ、Ｈに高圧の作動流体をそれぞれ流入させると、内側カム１２が図中矢印で示す時計方向に強制的に回転させられることになり、この内側カム１２の回転に応じて容積減少行程側の流体室Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｉから低圧となった作動流体が他方の流路２０ｂにそれぞれ流出することになる。すなわち、遊星カム型流体圧装置にモータ作用をさせることが可能である。これにより駆動軸１６によって図示してない被駆動装置を回転可能である。なお、図示の状態で流体室Ｄは中立室となっている。
【００１５】
この遊星カム型流体圧装置の動作を説明する。装置はモータとして駆動されるものとする。図示してない圧力源から一方側流路２０ａを通って容積増大行程側の流体室に高圧の作動流体を流入させることにより、内側カム１２が図中矢印で示す時計方向に回転させられ、内側カム１２の回転に応じて容積減少行程側の流体室から低圧となった作動流体が流出させられることになる。このような動作が容積増大行程側の流体室に対して順次繰り返されるので、内側カム１２が連続的に回転することになる。これにより、遊星カム型流体圧装置にモータ作用をさせることができる。すなわち、駆動軸１６を介して図示してない被駆動装置を駆動することができる。駆動軸１６のスプライン軸部１６ａには、クラウン加工が施されているので、駆動軸１６に曲げモーメントが作用するような場合であっても、これとスプライン結合する内側カム１２には、これを軸方向に振れ動かそうとする力は作用しない。したがって、内側カム１２と側板１８との間、内側カム１２と側板２０との間から漏れる作動油の量をそれぞれ少なくすることができ、これらの間の摩擦力も小さくて済むので、損失動力も少なくすることができる。
【００１６】
つぎに、この実施の形態の内側カム１２の外方突出部１２ａの曲線に関して説明する。図１および図４に示すように、内側カム１２の外方突出部１２ａの谷部Ｋａから山部Ｋｂに至る反時計回りの回転方向の曲線を、その曲線の変曲点Ｋの位置が谷部Ｋａと山部Ｋｂとの間の角度の半分の位置からずれるように形成している。また変曲点Ｋの勾配が０．５からずれるように形成している。外側カム１０は内側カム１２および遊星歯車１４に対応して形成される。
【００１７】
以下詳細に説明すると、図１において、φは内側カムの回転角または内側カム曲線関数のパラメータ（極座標における接線座標）であり、内側カム曲線のスタートライン（突出部１２ａのスタート位置φ＝０）から突出部１２ａの中心線までの角度をφ＝１とする。図１において、谷部Ｋａの半径は回転中心Ｏからの距離（最小半径）Ｒｍｉｎ、山部Ｋｂの半径は回転中心Ｏからの距離（最大半径）Ｒｍａｘであり、したがって突出部高さＨｒｌ＝Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎである。φｂｐは変曲点Ｋに至る角度である。
【００１８】
図４は横軸をφ、縦軸を回転中心からの距離ｒ（φ）とした関数曲線である。ｒ（φ）は内側カム曲線ＣＡＭの半径または動径（極座標における半径座標）であり、φ＝０のときｒ（φ）＝Ｒｍｉｎであり、Ｒｍｉｎ＝１とする。φ＝１のときｒ（φ）＝Ｒｍａｘである。変曲点Ｋにおける内側カム曲線ＣＡＭの勾配ｄｒBPは、内側カム曲線ＣＡＭの変曲点Ｋにおいて、その曲線関数の第１導関数、すなわち、
ｄｒ／ｄφ（φ＝φｂｐ）＝ｄｒbp＝ｔａｎα
であり、接線の勾配を示す。
【００１９】
図４に示す曲線が当業者のしばしば用いる通常の正弦曲線または余弦曲線であれば、変曲点Ｋの位置（角度）φｂｐはφ／２すなわち、φ＝１とするとφｂｐ＝０．５となり、このときｄｒbpは０．５となる。この正弦曲線に対して、変曲点Ｋが０．５から山部Ｋｂ側または谷部Ｋａ側に若干ずれると、正弦曲線とは異なり、Ｈｒｌ，φｂｐ，ｄｒbpをパラメータとする特殊な関数曲線となる。
【００２０】
ところで、内側カム１２の曲線は全てにおいて対称形である。したがって、内側カム１２の全突出部１２ａはもちろん同一の形状を有するから、内側カム曲線ＣＡＭの関数は１個の突出部１２ａのみについて考慮すればよい。そして内側カム曲線ＣＡＭはその突出部１２ａの中心線回りに対称で、中心において最大半径Ｒｍａｘをもち、かつスタート位置で最小半径Ｒｍｉｎを有する。内側カム１２の対称形はまた流体圧装置の正転または逆転における同一運転を確保するものである。一方、外側カム１０の内方突出部１０ａからなる外側カム曲線は内側カム曲線ＣＡＭと遊星歯車１４によって形成されることから、外側カム１０の曲線関数の元関数は内側カム曲線関数であり、もちろん内側カム曲線関数と同様に全てにおいて対称形である。ゆえに、内側カム１２の外方突出部１２ａおよび外側カム１０の内方突出部１０ａのそれぞれの曲線における１／２のみ限定すればよく、他の１／２については中心をまわる曲線でミラーイメージングすることができる。このミラーイメージングの結果、転換点はそれぞれの突出部のスタートとなる谷部Ｋａと突出部の中心となる山部Ｋｂで生ずる。このため全体としてみると、内側カム１２の外方突出部１２ａの曲線すなわち内側カム曲線ＣＡＭの若干の変化が、流体圧装置の脈動率や容積率などの性能に影響を与える。すなわち遊星カム型流体圧装置の性能は、内側カム１２の突出部の数とその曲線および外側カム１０の内方突出部の数に支配される。
【００２１】
図１および図４に示すような例を用いて、脈動率の低下と容積率の向上の両者相反する性能の向上を目的にシミュレーションを実施した。この場合、突出部数を増加させ、まず脈動率を低下させてから容積率を向上させることを考えた。内側カム曲線に特殊関数を用い、内側カムの突出部の高さＨｒｌおよび変曲点Ｋの角度φｂｐとその位置の勾配ｄｒbpなどの条件を探索し、これらの３者がもっとも有効な条件であることを見出してシミュレーションを実施した。
【００２２】
このとき突出部数について、図１は内側カム１２の突出部数が４、外側カム１０の突出部数が５であるが、図５は内側カム１２の突出部数５、外側カム１０の突出部数６の場合、図６は内側カム１２の突出部数３、外側カム１０の突出部数４の場合であり、これらも同様に行なった。
表１は、変曲点Ｋの角度φｂｐ＝０．５、勾配ｄｒbpは０．５の場合における、内側カム１２と外側カム１０の突出部数の組合せにおける、Ｒｍｉｎ＝１としたときの突出部の高さを表したものである。
【００２３】
【表１】
0004076603.tif 000002
【００２４】
突出部の高さＨｒｌは脈動率にはほとんど影響しないが、容積率に影響することから、まず内側カム１２の突出部の高さＨｒｌを標準的な曲線関数を用いて検討した。その結果、内側カム１２および外側カム１０のそれぞれの構成において、内側カム１２の突出部の高さＨｒｌが可能な最大高さであるとき最適であることを見出した。
【００２５】
表２は、内側カム１２と外側カム１０の突出部数の組合せにおける、最適の突出部高さＨｒｌにおける最小半径Ｒｍｉｎに対する比Ｈｒｌ／Ｒｍｉｎ、変曲点Ｋの角度φｂｐおよび勾配ｄｒbpを表したものである。
【００２６】
【表２】
0004076603.tif 000003
【００２７】
変曲点Ｋの角度φｂｐと勾配ｄｒbpは、標準的な曲線を比較の規準とするため、曲線の変曲点Ｋの角度φｂｐ＝０．５と勾配ｄｒbp＝０．５における前後の数値を用いて探索した。すなわち、実現可能と予測された最適な変曲点Ｋの角度φｂｐの範囲および勾配は表２のような範囲であった。
表３は、内側カム１２と外側カム１０の突出部数の組合せにおける脈動率と容積率を表したものである。
【００２８】
ここで、遊星カム型流体圧装置の理論容積Ｖｔｈは次の式１により求めることができる。
【００２９】
【数１】
0004076603.tif 000004
【００３０】
ここに、Ｎｒｏは外側カム１０の内方突出部１０ａの数、Ｎｒｉは内側カム１２の外方突出部１２ａの数、Ｖｍｘは流体室Ａ〜Ｉの最大時の押し退け容積、Ｖｍｎは流体室Ａ〜Ｉの最小時の押し退け容積である。また、この装置を一定回転速度のポンプとして使用した場合の１回転中の流量の脈動率Ｄｔｈは、次の式２により求めることができる。
【００３１】
【数２】
0004076603.tif 000005
【００３２】
ここに、Ｑｍｘは１回転中の最大吐出量、Ｑｍｎは１回転中の最小吐出量、Ｗｒは内側カム１２の角速度、Ｖｔｈは理論容積（式１による）である。また、容積率ηは、次の式３により簡略に求めるものとする。
【００３３】
【数３】
0004076603.tif 000006
【００３４】
ただし、
【００３５】
【数４】
0004076603.tif 000007
【００３６】
【数５】
0004076603.tif 000008
【００３７】
ここに、Ｒｍｎは内側カム１２の歯車最小半径、Ｈｒｌは内側カム１２の外方突出部１２ａの高さ、Ｒｐは遊星歯車１４の半径、Ｎｒは遊星歯車１４の数、Ｖｃｈは１つの流体室の押し退け容積、θは内側カム１２の回転角度、Ｗｐは遊星歯車１４の幅である。表３は、種々のカム面形状に対して式１〜３を用いて計算し、突出部の数ごとに最良のものをまとめて示している。
【００３８】
【表３】
0004076603.tif 000009
【００３９】
この表３から、従来の外側カムの突出部４つ及び内側カムの突出部３つのものと比較して脈動率と容積率の両方を改善できるのは、本願発明の構成のものだけであることがわかる。なお、突出部５：３、６：４、６：３、７：４、７：３、８：７、８：６、９：６、１０：６などの場合についても計算したが、いずれも４：３のものには及ばないか、設計不能となり、わずらわしくなるので表３には示してない。
【００４０】
またこの表３は、勾配ｄｒbpが０．５の場合で変曲点Ｋの角度φｂｐが０．５からずれた０．５５の場合、ならびに変曲点Ｋの角度φｂｐが０．５５で勾配が０．４５、０．５５にずれた場合について、それぞれの脈動率および容積率を表している。これに併せて、従来の突出部数３：４を基準にした脈動率および容積率の改善も表している。ただし、脈動率では−が改善を表し、容積率では＋が改善を表している。なお、注１は脈動率が比較対象のものよりも悪化したので計算を省略し、注２は流体室に連通する流路を設けることができず設計不能であった。
【００４１】
その結果、内側カム１２の突出部数４で外側カム１０の突出部数５のとき、および内側カム１２の突出部数５で外側カム１０の突出部数６のときにおいて、変曲点Ｋの角度φｂｐはφｂｐ＝０．５から山側にずれたφｂｐ＝０．５５であるとき、容積率の向上にもっとも寄与することがわかる。また変曲点Ｋの勾配ｄｒbp＝０．５５のとき容積率の向上に最適である。さらに変曲点Ｋの勾配ｄｒbp＝０．４５のとき脈動率の向上がもっとも有利である。また変曲点Ｋの角度φｂｐ＝０．５５および勾配ｄｒbp＝０．５のとき、脈動率と容積率を共に向上させることが明らかである。
【００４２】
上記から、流体圧装置として最も適当な構成は、容積率の向上にウエイトを置いた場合、内側カム１２の突出部の数４、外側カム１０の内方突出部の数５、変曲点の角度φｂｐ＝０．５５および勾配ｄｒbp＝０．５５であるといえる。
また脈動率の向上にウエイトを置いた場合、内側カム１２の突出部の数５、外側カム１０の内方突出部の数６、変曲点の角度φｂｐ＝０．５５および勾配ｄｒbp＝０．４５である。
【００４３】
さらに、内側カム１２の突出部の数３、外側カム１０の内方突出部の数４においても、正弦曲線から変曲点Ｋの位置をずらせた特殊関数を内側カム曲線とすることによって、曲線に前記した変曲点の角度φｂｐ＝０．５５および勾配ｄｒbp＝０．５５のとき容積率が改善されていることがわかる。なおこの場合に、変曲点Ｋの角度φｂｐ＝０．５５で勾配ｄｒbp＝０．４５，ｄｒbp＝０．５とすることももちろん可能である。
【００４４】
なお、実施の形態の説明においては、後側板２０に各流路２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３、２０ａ４、２０ａ５、２０ｂ１、２０ｂ２、２０ｂ３、２０ｂ４、２０ｂ５をそれぞれ形成するものとしたが、これらは後側板２０に形成しないで前側板１８に形成するようにすることもできる。
また、実施の形態の説明においては、外側カム１０の突出部５つおよび内側カム１２の突出部４つの場合を説明したが、外側カム１０の突出部６つおよび内側カム１２の突出部５つの場合には、遊星歯車の数が突出部の数の和に対応して１１となり、流路の数は合計で１２形成することになる。
【００４５】
また、内方突出部１０ａについても、外方突出部１２ａに代えてまたは内方突出部１０ａとともに、谷部Ｋａ、山部Ｋｂを前記のように構成することが可能である。外側カム１０の変曲点および曲線を決めて、これに応じて内側カム１２の曲線を決めることも可能だからである。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１記載の遊星カム型流体圧装置によれば、突出部の谷部から山部に至る曲線の変曲点の位置をずらし最適値を求めることにより、突出部数を増加して脈動率を低下しても、容積率を向上することができる。
請求項２記載の遊星カム型流体圧装置によれば、請求項１よりもさらに脈動率および容積率が改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態の遊星カム型流体圧装置の変曲点の位置および突出部高さを説明する説明図である。
【図２】遊星カム型流体圧装置の横断面図である。
【図３】図２の２ー２線に沿う断面図である。
【図４】横軸が角度φ、縦軸がｒ（φ）の関数曲線図である。
【図５】外側カムの突出部の数が６、内側カムが５の場合の変曲点の位置および突出部高さを説明する説明図である。
【図６】外側カムの突出部の数が４、内側カムが３の場合の変曲点の位置および突出部高さを説明する説明図である。
【符号の説明】
１０    外側カム
１０ａ  内方突出部
１２    内側カム
１２ａ  外方突出部
１４    遊星歯車
Ｋ    変曲点
Ｋａ    谷部
Ｋｂ    山部
φｂｐ  変曲点の角度
【図１】
0004076603.tif 000010
【図２】
0004076603.tif 000011
【図３】
0004076603.tif 000012
【図４】
0004076603.tif 000013
【図５】
0004076603.tif 000014
【図６】
0004076603.tif 000015