JP2000509123A - 逆止弁タイミング装置を備えた低ノイズ油圧ポンプ - Google Patents

逆止弁タイミング装置を備えた低ノイズ油圧ポンプ

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Abstract

(57)【要約】 ピストンポンプやベーンポンプといった低騒音油圧ポンプが、液圧装置に正の圧油吐出量を生じ作り出すさせるように、少なくとも1つのポンプ室をもった流れ発生組立体を含んで開示される。また、ポンプは、前記流れ発生組立体との圧油流通部の中に弁板を含み、前記弁板は圧油を受け入れるための入口と、吐出された圧油を受け入れるための吐出口も構成する。逆止弁組立体は、流れ発生組立体と出口の間に圧油通路を設けるように前記弁板の中に設けられ、前記逆止弁組立体は流れ発生組立体と出口の間の圧力オーバシュートを減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】 逆止弁タイミング装置を備えた低ノイズ油圧ポンプ 発明の背景 本発明は、油圧ポンプ、特に軸流ピストンポンプやベーンポンプといった容積 式ポンプの分野に関するものである。液圧システムは多くの動力及び運動制御の 分野で広く使用され、高出力密度で頑丈な性能および比較的安いコストなどの多 くの利点を有している。しかしながら、液圧システムは、多くの場合、ノイズが 大きいものである。これは、多くの場合、油圧ポンプによって発生したノイズに よるものである。作業場所の全体的なノイズを制限する規制がますます厳しくな り、油圧ポンプによって発生するノイズを減少させる必要性が増大している。 標準的な軸流ピストンポンプとその動作が図1A,1Bに示されている。圧油 を受け入れるために複数のピストン10が設けられる。ピストン10は、駆動軸 14によって回転され、電源(図示せず)によって駆動されるシリンダブロック 12内に取り付けられる。シリンダブロック12が回転すると、ピストン10は 、特定の角度、典型的にはフルストロークで約17.5゜に傾むけられるヨーク 16によって、出たり入ったり交互に往復動する。ピストンは、圧油を供給し、 受け入れる入口ポート24及び出口ポート26のそれぞれと流体連通している。 シリンダブロック12が回転すると、ピストン10が引っ込んでポンピングチャ ンバ18を拡張する。圧油は、入口24からバルブブロック28を通って、ポン ピングチャンバ18内に吸い込まれる。ピストン10は下死点(BDC)におい て、それらの最大量に達し、その後、ピストン10が伸長してポンピングチャン バ18の容積を減少させ、それによりバルブブロック28を通して、出口ポート 26に圧油を吐出する。 シリンダブロック12は、腎臓状の入口スロット32及び出口スロット34を すれぞれ含んだ弁板30を介して、入口及び出口ポート24,26に流体接続さ れる。典型的な弁板30の構造と動作は図2A,2Bに示される。動作中、回転 ピストン10は、腎臓状の入口スロット32を通じて、典型的には大気圧下で供 給される圧油を吸い込む。ポンピングチャンバ18は入口32に近接した後、B DCを通過し、圧油を圧縮し、腎臓状の出口スロット34に圧油を吐出し、そこ で、圧油は液圧システムに供給される。さまざまな弁板が、多くの異なった運転 条件に対してポンプ動作を最適化するために交換可能に使用できるので、そのよ うな弁板は有利である。 ポンピングチャンバの圧油がBDCの周りの移行領域内で圧縮されると、圧油 は特定のチャンバ圧(PC)に達し、その後、吐出口34を通して、特定のシス テム圧(PS)を有する液圧システム内に吐出される。しかしながら、液圧シス テムに対するピストンチャンバの過剰な押圧又は押圧不足が、油圧ポンプのノイ ズの発生源として確認されている。図3Aでわかるように、過剰に押圧されたピ ストンチャンバは、吐出口34に通じる際、圧力の「オーバシュート」を生じる 。このオーバシュートは、システムにおける衝撃と等価なショックを生じて、聞 こえるようなノイズを発生させる。図3Bでわかるように、押圧の非常に大きな 違いは、より騒々しいノイズを生ずる大きいオーバシュートを生じさせる。また 、押圧不足も、ピストンチャンバ内での圧力変化率が急激であるので、図3Cに 見られるように、ノイズを生じさせ、より高いシステム圧がピストンチャンバに 衝撃を与える。理想的なシステム運転は、図3Dに示されるように、チャンバ圧 がシステム圧に等しい条件下で生じ、そこでは、圧力オーバシュートはゼロで、 ピストンチャンバ内の圧力変化率は高くない。 最適に静かな動作を保証するために、油圧ポンプのチャンバ圧をシステム圧に 合わせるべきである。しかしながら、いくつかの可変要素が圧力プロファイルに 影響を及ぼす。油圧ポンプは広範囲の流量にわたって駆動することができる。シ ャフト14がより速く回転すると、ピストン10は単位時間あたりにより大きい 容積の圧油を吐出する。第二に、流れは、ストローク、すなわち、ヨーク16の 角度によって決定されるピストンの変位距離によっても変化する。ヨーク16は 、コントロールピストン20と偏向ピストン22を用いて、(最大のピストン変 位量を生じる)最大のピッチと(ピストンの変位量がゼロとなる)ゼロのピッチ の間で変化させることができる。ピストンの変位量は吐出される圧油の容積に、 それゆえに、流量に対応する。ポンピングチャンバ内の圧力に影響を及ぼす第3 の 要素は圧油温度の変化で、それが圧油の体積弾性係数(圧油の剛さ)を変えるか らである。 これらの変数はチャンバ押圧に影響を与え、かくして、動作中出口ポートが開 く際に、チャンバ圧がシステム圧に一致しない場合にノイズレベルを増加させる 。しかしながら、システム圧は特定の動作過程にわたって液圧システム中で変化 するかもしれない。したがって、チャンバ圧とシステム圧が可変運転状態の大部 分にわたって一致せず、標準的な油圧ポンプにおいて、全体的に騒がしい運転が 生ずることは珍しいことではない。 ノイズは、バルブブロック,ハウジング,ヨーク,および駆動軸などの種々 の構成要素の変位から、ポンプの中で生じる。これらはポンピングチャンバにお ける圧力に関連する力に由来するものである。これらの変位は、ピストンのポン ピング周波数の高調波である。したがって、増加したポンプ流量のピッチで、ノ イズが増加する。 ポンプハウジング振動の別の発生源は「ヨークフラッタ」、すなわち、ヨー ク16に対するピストン10の往復運動力によって生じたヨーク16の振動であ る。図4に示されるように、各ピストン10は、ヨーク16にモーメントを加え 、ヨーク16のピッチをわずかに変更し、引き続いて、ピストンのストロークを わずかに変更する。ヨーク振動は、ポンプハウジングにおける変位を生じさせ、 その結果、ノイズを発生させる「ピッチング」を生じる。ノイズのレベルは、ヨ ークモーメントの変化の大きさに比例している。曲線40は、典型的なヨーク装 置に対し、モーメントが、(ポンピングチャンバ容積が最大となる)下死点を通 るチャンバ角度の関数として、数100インチ−ポンドで変化しうることを示し ている。また、この曲線は、チャンバ角度360/n(nはピストンの数)度に わたって繰り返される。 多くの油圧ポンプが、ヨーク16を支持するためにブッシュを使用する。これ らのブッシュは、ヨークの振動を最小にする高い摩擦を有する傾向がある。その ようなポンプは低いレベルのノイズを生じる。しかしながら、そのようなブッシ ュは、急激なストローク変更を行う必要があるポンプには望ましくない。例えば 、ある射出成形機は、流量ゼロから最大流量まで数10ミリ秒で変化し得るヨー ク 16を必要とする。そのようなヨークは、典型的には、高速変化を許容する低摩 擦ローラベアリングに取り付けられる。しかしながら、そのようなベアリングは 、また、ヨークモーメントから生じる好ましくない変位変化を許容する。低摩擦 ベアリングは、より高いレベルの振動を生じ、その結果、ノイズのレベルが増大 する。 ノイズを減少させる望ましい方法は、ポンプ要素の変位とヨークの振動を生じ させる交互力を減少させることである。図2A及び2Bに示されるように、これ は計量溝38を使用することによってなされる。計量溝は、下死点の周りの移行 領域内に延び、ピストンチャンバと出口34の間に圧油通路を作る。油圧ポンプ の標準的作動の間、ピストンチャンバ18は、ポンピングピストンの前進運動に よって「機械的」に押圧される。チャンバと出口34の間の計量溝38が油を計 量するとき、ポンピングチャンバは又、「油圧的」に押圧される。したがって、 チャンバとシステムの間の圧力差は均等化され、その結果、オーバシュートとそ れによって生ずるノイズを減少させる。 計量溝38の形状によって、圧力プロファイルの形状は制御される。この溝 の設計は、「ポンプタイミング」と称される。ノイズの発生源としてのオーバシ ュート及びアンダーシュートに加えて、高い圧力の変化率は、構造的な共鳴を励 起して、ノイズを生じさせる傾向がある多量のエネルギーを生じさせるほどであ る。したがって、ポンプ要素の共鳴を励起する強制的な作用のスペクトルの内容 を制御するように、押圧速度を制御することも重要である。注意深く、計量溝3 8を設計することによって、最小のオーバシュートに加えて、最小の圧力変化率 を生じさせるために、押圧を制御してポンプタイミングを設計することができる 。しかしながら、ポンプタイミングの設計は、特定のポンプ流量,システム圧お よびポンプストロークのために、単に、「調整」されるだけに過ぎない。これら の量が変数であるので、どんな低いノイズポンプ設計も必ず妥協しなければなら ない。何故ならば、ポンプは広範囲の条件にわたって作動可能でなければならな いからである。 発明の概要 従来の油圧ポンプから生じる困難さと欠点に鑑みて、より頑丈で、より多くの 用途を有するポンプ設計を提供するとともに、従来の問題を解決する油圧ポンプ を提供することは有用である。 したがって、減少したレベルのノイズで動作する油圧ポンプが要求されている 。 また、ポンプ流量、温度,システム圧およびピストン変位の広範囲にわたって より広範囲なタイミングを提供する油圧ポンプの要望がある。 圧油の可変計量を可能にする計量装置を含む油圧ポンプの要望もある。 さらに、弁板全体を変えることなく、異なる条件に対して最適にする可変計量 付きの油圧ポンプの要望もある。 これらおよび他の要望は、液圧システム内に圧油の正の変位量を生じさせるた めの少なくとも1つのポンピングチャンバを含む流れ発生組立体を含む本発明の 油圧ポンプによって実現される。この流れ発生組立体は、ピストンポンプ,ベー ンポンプ,または、他のあらゆるタイプの容積型油圧ポンプの構成要素であり得 る。 弁板は、前記流れ発生組立体と流体連通されており、圧油を入れるための入口 を構成するとともに、吐出された圧油を受け入れるための出口を構成する。逆止 弁組立体は、前記弁板の中に収容され、流れ発生組立体と出口の問に圧油通路を 形成する。この逆止弁組立体は、流れ発生組立体と出口の間での圧力オーバシュ ートを減少させる。 逆止弁組立体は、さらに、複数の孔を有する逆止弁を有し、前記孔は、逆止弁 組立体を通る圧油の所定の流れを許容するように、一定のサイズを有し、その結 果、逆止弁組立体は、流れ発生組立体と出口の間の圧力差によって発生されるノ イズを減少させる。 認識されるであろうように、本発明は他の異なる実施態様とすることができ、 その細部のいくつかは、本発明から逸脱することなく、様々な点で変更すること ができる。したがって、図面および説明は、本質的に例示的なもので、制限的な ものと見なされるべきではない。 図面の簡単な説明 本発明の実施態様が、同様の部材には同様の参照数字が付せられた添付図面 を参照して、以下に、単なる例示として説明される。ここに、 図1A及び1Bは、それぞれ、標準的な軸流油圧ピストンポンプの構成及び 動作を図示する断面図である。 図2A及び2Bは、それぞれ、標準的な液圧制御バルブプレートの構成及び 動作を示す正面図及び斜視図である。 図3A,3B,3C及び3Dは、標準的な油圧ポンプにおいて、ピストンチ ャンバと液圧装置の間に生じる種々の圧力プロファイルを、下死点をゼロとした チャンバ角度の関数として測定して、表わしたグラフである。 図4は、標準的な油圧ポンプ及び本発明にかかる逆止弁を備えた油圧ポンプ のヨークモーメントを、下死点を過ぎたチャンバ角度の関数として測定して、表 わしたグラフである。 図5は、本発明にかかる逆止弁組立体を備えた弁板を示す正面図である。 図6は、本発明の第一の実施態様にかかる逆止弁タイミングデバイスの詳細 を示す斜視断面図である。 図7は、本発明にかかる逆止弁を示す正面図及び側面図である。 図8A及び8Bは、それぞれ、本発明の第二の実施態様にかかる逆止弁組立 体を備えた弁板の詳細を示す断面図及び分解断面図である。 図9A,9B,9C及び9Dは、本発明の第一の実施態様にかかる逆止弁タ イミングデバイスを含む油圧ポンプの動作を図示する側断面図である。 図10は、本発明にかかる逆止弁調節装置を備えるポンプと備えないポンプ の圧力プロファイルを比較するグラフである。 図11は、音のプロファイルを、油圧ポンプ及び本発明にかかる逆止弁タイ ミングデバイスを含む油圧ポンプに対するシステム圧の関数として、比較するグ ラフである。 発明の詳細な説明 今、本発明の好ましい実施態様のみを例示するとことのためであり、本発明を 制限するためではない図面を参照すると、図面は、圧力プロファイルによって 生じたノイズを減少させる逆止弁タイミングデバイスを含む軸流ピストン油圧ポ ンプを示している。しかしながら、本発明は、ベーンポンプのような他の容積型 ポンプで使用されてもよい。図5及び図6は、下死点をちょうど過ぎた入口52 と出口54の間の移行領域に位置する連通孔58を備えた逆止弁組立体を有する 本発明の第1の実施態様にかかる弁板50を図示している。連通孔58は、逆止 弁62を収納するために、弁板50の底に形成された逆止弁シート60に流体的 に接続されている。逆止弁シート60は、シート内において逆止弁62が往復運 動を可能にするように、実質的に逆止弁62よりもわずかに大きくなるように寸 法決めされている。逆止弁シート60は、油圧ポンプのバルブブロック66の合 わせ面に形成された逆止弁ポケット64に開口している。逆止弁ポケット64は 、逆止弁62がバルブブロック66の表面に沿って留まるように、逆止弁シート 60より小さく形成されている。圧油通路68は、出口54に逆止弁ポケット6 4を流体的に接続するように、バルブブロック66内に形成される。図示されて いるように、逆止弁組立体56は、移行領域におけるピストンと出口54の間の 圧油圧力を均等化し、動作中のノイズレベルを減少させる制御可能な圧油通路を 構成する。 逆止弁62の詳細は図7に示される。逆止弁62は、円板の中心の孔72の周 りに同心的に位置した複数の孔70を有する薄い円板であることが望ましい。図 示されるように、これらの孔70,72は、それぞれ、逆止弁組立体56を通し て、所望の流量を確保するように、選択的に寸法決めされる。 本発明の逆止弁組立体56を備えた油圧ポンプの動作が、特に、図9Aないし 9Dによって示されている。図9に示されているように、入口52に近接すると 、ただちに、ポンピングチャンバは連通孔58に通じる。チャンバは、典型的に は、この位置において、吐出口54よりも低いチャンバ圧にあるので、圧油は通 路68を通って流れ、弁板50に逆止弁62を押しつける。ここで、同心状の孔 70は塞がれ、圧油は中央の開口72を通って流れるだけであり、連通穴58を 介して、ポンピングチャンバを押圧する。 ピストンチャンバが収縮するに従って、圧油は機械的に圧縮されるようになる 。チャンバ圧が(図9Bに示すように、)システム圧を超えると、チャンバ圧 油は逆止弁62を下方に押圧して、圧油が孔70,72のすべてを通って、逆止 弁ポケット64に流れさせる。このようにして、大量の圧油を出口54に向かっ て流れさせることができ、定常流量で、チャンバ圧をシステム圧に等しくし、ポ ンプ要素のノイズ生成変形及び軸受けの軸線に沿ったヨークの振動からの「ピッ チング」を生じさせる圧力のオーバシュートと他の圧力の急速な変化を減少させ ることができる。 図9Cに示されるように、圧油の機械的圧縮の間、チャンバ圧がシステム圧よ りも低いままの場合は、この逆止弁組立体56は、ピストンチャンバを押圧し続 ける。中央の孔72だけが連通穴58に開口するので、少量の圧油だけが通過す ることができ、かくして、シリンダが押圧される流量を計量することができる。 いずれにしても、この逆止弁組立体はオーバシュートを減少させ、図9Dに示さ れるように、ピストンの吐出ポイントにおいて、システム圧とチャンバ圧を実質 的に均等化させる。 逆止弁62の孔70,72は、特定のポンプ運転条件に対するポンプタイミン グを最適化するように、寸法決めすることができる。図10に示されるように、 適切に選択された逆止弁を使用したポンプの圧力曲線74は、逆止弁を使用しな いポンプの圧力曲線76に比し、種々のシステム条件をわたって、オーバシュー トが顕著に減少している。0.024インチの逆止弁の孔は、4,000psi ,1200rpm、フルストロークで作動するビッカース(Vickers)のPVK4 5ポンプに対して、ポンプタイミングを最適化することが認められている。さら に、このサイズの逆止弁62は、最適化圧以外の作動圧力に対し、圧力オーバシ ュートを顕著に減少させて、全体的なノイズレベルを減少させる。図11は、ポ ンピングチャンバが下死点にあるときに開く0.024インチの計量孔を使用す るビッカースポンプの音のレベルのプロット80を示している。同じ位置に、0 .024インチの計量穴を備えているが、本発明の逆止弁組立体を有しているポ ンプは、4000psiより下のシステム圧に対して、ノイズレベルが減少され ることを示す音のレベルのプロット82を有している。したがって、本発明の逆 止弁組立体は、従来のタイミング装置で得られる逆止弁組立体に比して、ノイズ レベルを大きく減少させる。 さらに、同様のポンプにおいて、運転の多重最適化が必要とされる場合には 、計量溝を使用するポンプに要求されていた弁板全体ではなく、単に、逆止弁を 変えることが必要であるに過ぎない。もちろん、ポンプ設計には、必要なタイミ ング構成が得られるように、計量溝と逆止弁組立体を組み合わせることも含まれ る。また、入口での圧力のアンダーシュートを減少させるためには、逆止弁62 を上死点近くの入口ポートに位置させることができる。 本発明の第2の実施態様が図8A,8Bに示されている。弁板90は、逆止 弁シート98との流体接続部を構成する連通孔96を含んでいる。逆止弁インサ ート100は、逆止弁104が載るウェーブワッシャ102をキャビティ内に収 容する。そして、逆止弁インサート100は、逆止弁シート98に挿入されて、 逆止弁104を保持する。ウェーブワッシャ102は逆止弁104を弁板90に 向けて動かす。ウェーブワッシャ102があると、圧力オーバシュートがウェー ブワッシャのばね力に打ち勝つのに十分大きいときにのみ、逆止弁104は弁板 90から遠ざかる。これは逆止弁の本質的でない動きを除去し、かくして摩耗を 減少させる。もちろん、逆止弁での摩耗を減少させるという同じ目的のため、第 1の実施態様におけるのと同様に、逆止弁組立体とともに、ウェーブワッシャ1 02を使用してもよいことがわかるであろう。逆止弁インサート100は、供給 溝106に流体的に接続する圧油通路を含んでいる。このようにして、弁板出口 94に連通孔96を接続する圧油通路が構成される。この実施態様においては、 第1の実施態様と同様に、コンパクトなユニットを提供し、バルブブロックにド リル孔の必要性を除去する。 上述したように、本発明は従来の油圧ポンプ設計にかかわる多くの問題を解 決し、ノイズレベルを減少させるポンプを与える。しかしながら、発明の本質を 説明するために、ここに記載され、図示された細部、材料および部品の配置につ いての種々の変化が、添附された請求項で表現される本発明の原理と範囲内で、 当業者によりなされ得ることが理解されるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I S,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN, MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,S D,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR,TT ,UA,UG,UZ,VN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 液圧システム内に圧油の正の変位量を生じさせる少なくとも1つのポンピン グチャンバを含む流れ発生組立体と、 前記流れ発生組立体と流体連通されており、圧油を入れるための入口を構成 するとともに、吐出された圧油を受け入れるための出口を構成する弁板と、 前記弁板の中に収容され、流れ発生組立体と出口の間に圧油通路を形成する 逆止弁組立体であって、前記流れ発生組立体と前記出口の間での圧力オーバシ ュートを減少させる逆止弁組立体とを有し、 前記逆止弁組立体が、さらに、複数の孔を有する逆止弁を有し、前記孔が、 前記逆止弁組立体を通る圧油の所定の流れを許容するように、一定のサイズを 有し、その結果、前記逆止弁組立体は、前記流れ発生組立体と前記出口の間の 圧力差によって生成されるノイズを減少させるように構成されたことを特徴と する油圧ポンプ。 2 前記ポンプが、軸流ピストンポンプであり、前記逆止弁組立体が、前記入口 と前記出口の間の下死点近くに位置することを特徴とする請求の範囲第1項に 記載の油圧ポンプ。 3 前記ポンプが、軸流ピストンポンプであり、前記逆止弁組立体が、前記入口 と前記出口の間の上死点近くに位置することを特徴とする請求の範囲第1項に 記載の油圧ポンプ。 4 前記逆止弁組立体が、さらに、 前記逆止弁を受入れて、保持する前記弁板内に形成された逆止弁シートと、 前記弁板に形成され、移行するポンピングチャンバと前記逆止弁シートを流 体的に接続する連通孔と、 前記流れ発生組立体のバルブブロック内に形成され、前記逆止弁シートに流 体的に接続された逆止弁ポケットと、 前記バルブブロック内に形成され、前記逆止弁ポケットと前記出口を流体的 に接続する圧油通路とを有し、 前記ポンピングチャンバに向って流れる間は、前記複数の孔のいくつかが塞 がれ、前記ポンピングチャンバから離れるように流れる間は、前記複数の孔の すべてが開かれているように、前記連通穴が前記逆止弁ポケットよりも小さく 構成されていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の油圧ポンプ。 5 前記逆止弁組立体が、さらに、前記弁板の中に受入れられ、前記逆止弁を受 け入れて保持するキャビティを有する逆止弁インサートと、 前記逆止弁インサートと前記逆止弁の間の前記キャビティ内に受け入れられ 、前記逆止弁を前記弁板に向かって押すウェーブワッシャと、 前記弁板に形成され、前記ポンピングチャンバを前記逆止弁インサートの前 記キャビティと流体的に接続する連通孔と、 前記弁板に形成され、前記逆止弁インサートを前記出口に流体的に接続する 供給溝とを有し、 前記ポンピングチャンバに向けて流れる間は、前記複数の孔のいくつかが塞 がれ、前記ポンピングチャンバから離れるように流れる間は、前記複数の孔の すべてが開かれているように、前記連通穴が前記逆止弁インサートの前記キャ ビティよりも小さく構成されていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載 の油圧ポンプ。
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