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JP2807349B2 - 歯車装着斜板を備えた液圧機械 - Google Patents

歯車装着斜板を備えた液圧機械

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JP2807349B2
JP2807349B2 JP8505116A JP50511696A JP2807349B2 JP 2807349 B2 JP2807349 B2 JP 2807349B2 JP 8505116 A JP8505116 A JP 8505116A JP 50511696 A JP50511696 A JP 50511696A JP 2807349 B2 JP2807349 B2 JP 2807349B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は自動車、航空機、工作機械等の製造産業に使
用する型式の液圧ポンプ/モータ機械に関し、このよう
な機械における斜板を装着するための構造に関する。
発明の背景 本出願人に係る米国特許出願第936,842号明細書(199
2年8月27日付け出願;発明の名称「可変液圧機械」)
では、その「発明の背景」において周知のポンプ及びモ
ータを説明し、その発明に係る定容量形及び可変容量形
の液圧機械のいくつかの実施例を開示している(以下、
「先行ポンプ/モータ発明」という)。上記米国特許出
願第936,842号明細書の開示事項は本発明に関連する。
大半の商業的に許容できる液圧ポンプ/モータは角度
をなして位置した斜板上に乗った往復ピストンを有する
回転シリンダブロックを利用している。長年にわたり、
スプリット型の斜板を回転させるために固定のシリンダ
及びピストンを使用することが一層有効であると思われ
ていた。しかし、このようなスプリット型の斜板を装着
するための大半の既知のデザインは、複雑で製造及び維
持に費用がかかることが証明されており、比較的高圧及
び比較的高速が要求される場合(例えば、自動車駆動の
場合)は、スプリット型の斜板のデザインは幅広く商業
的に許容できない。
上記米国特許出願第936,842号明細書に開示された先
行ポンプ/モータ発明は回転しない円筒状ハウジングの
中心軸のまわりで円周方向に形成されたシリンダを有
し、コネクティングロッドが軸方向ピストンと転頭運動
する斜板との間で往復運動を伝達する。斜板は、転頭運
動するが回転しない「揺動」部分と、転頭運動及び回転
浮動を行う「ロータ」部分とに分割され、ロータ部分は
駆動素子に接続され、駆動素子はポンプの中心軸に整合
し、ハウジングの一端に位置した主軸受内で支持され
る。定容量形の実施例に対しては、スプリット型の斜板
のロータ部分は一定の傾斜で駆動素子に固定され、可変
容量形の実施例に対しては、斜板の傾斜はサーボ機構に
より位置決めされる摺動シャフトに取り付けられたピボ
ットの運動により変化する。
先行ポンプ/モータ発明は新規な方法で構成され装着
された周知の機械的素子のユニークな組み合わせに係
り、改善された最大速度及び最大圧力で作動でき、同時
に寸法及び重量を大幅に減少できる液圧機械を提供す
る。いくつかの実施例として開示された先行ポンプ/モ
ータ発明は、同様な物理的寸法の既知のポンプより大き
な馬力を発生できる極めてコンパクトな往復運動ピスト
ン/ポンプユニットから成る。
先行技術は固定シリンダ及びスプリット型の斜板を合
体した無数の構成(デザイン)を含むが、自動車又は産
業目的にこのような先行技術公正を使用した現在入手で
きる商業的な液圧ポンプ又はモータはない。明らかに、
これらの先行技術構成は自動車又は産業上の作動にとっ
て必要な広範囲の圧力及び速度のもとでは満足な性能を
発揮せず、商業的に実行可能な使用にとっては複雑過
ぎ、高価過ぎる。
このような不成功の原因の一部は、斜板の揺動部分が
回転を伴わずに複雑な転頭運動を自由に追従できるよう
にスプリット型の斜板を支持するための許容できる構造
を提供することが困難であるためと思われる。本発明が
主として解決しようとするのがこの問題点である。これ
に関し、本出願人に係る出願放棄した米国特許出願第15
3,568号明細書(1993年11月16日付け出願;発明の名称
「液圧機械のための斜板装着」)においては、この問題
点を解決する斜板装着構造対の2つの異なる実施例が開
示されている。この米国特許出願明細書(開示された発
明を、以下、「先行斜板装着発明」という)では、その
「発明の背景」において、この斜板装着問題が説明さ
れ、固定角度の斜板のための傘歯車装着組立体が説明さ
れている。
50年以上前に、スプリット型の斜板の揺動部分(すな
わち、転頭運動するが回転しない部分)のための満足な
支持体を提供することに関連する問題は、米国特許第2,
258,127号明細書において完全に検討されている。主要
な問題点は、揺動部分が回転せずに転頭運動したとき
に、その表面上のすべての点がレムニスケート(lemnis
cate)のパターン(球体の表面上に形成された「8の
字」パターン)を追従するように、複雑な運動に悪影響
を及ぼさずに揺動部分を支持する事項に関連する。
上記米国特許第2,258,127号明細書は、回転するボー
ル上に装着された「低速ユニバーサルジョイント」とし
て述べられた、固定角度の斜板のための支持構造体を開
示している。約10年前に、これと同じ回転ボール構造体
が可変容量形液圧機械に適用された(米国特許第4,433,
596号明細書)。上記米国特許第2,258,127号及び同第4,
433,596号各明細書に開示された構造体は比較的複雑
で、多数の小さな部品を必要とし、斜板が傾斜できる最
大角度が比較的限られていた(例えば、15゜以下)。こ
れに対し、先行ポンプ/モータ発明及び本出願人に係る
先行技術としての特殊な装着構成においては、斜板の傾
斜は、産業上の使用にとって必要な高圧状態の下で、25
゜−30゜の如き大きな角度で維持できる。
発明の背景の説明のために、冷凍ガスコンプレッサと
いう別の分野で使用される斜板のための既知の歯車装着
技術を説明する。「別の分野」という用語を使用した理
由は、自動車及び産業液圧機械が高速(例えば、2,000r
pm)及び高圧(例えば、6,000psi)で作動し、このよう
な機械を設計する当業者は低速/低圧冷凍ガスコンプレ
ッサを同じ技術の一部と見做さないからである。しか
し、ある既知の冷凍コンプレッサの構造はそれぞれの歯
車間で軸受として作用する分担ボールにより整合された
一対の小さな噛合傘歯車により支持された揺動部分を含
む(例えば、米国特許第3,712,759号及び同第4,042,309
号各明細書参照)。
スプリット型の斜板のための歯車装着組立体に関し
て、自動車及び産業上の使用に適すると思われる唯一の
構成、すなわち、傘歯車発明(上述の先行斜板装着発
明)があり、この構成は、プロトタイプのモータにおい
て、415ft・lbsの如き大きな負荷を常に受けている間
に、モータが完全停止状態へ減速し、次いでいずれかの
方向へ再回転するときに、円滑に作動できる。
(重産業及び自動車への応用のための)従来のスプリ
ット型斜板ポンプの商業的に不成功な別の理由は、斜板
組立体に対してピストンの軸方向スラスト力(推力)を
支持するのに必要なローラ軸受の寸法及び重量に関連す
る。回転シリンダブロック構成のある商業的に使用され
る従来の機械においては、圧力平衡摺動シューが回転ピ
ストンの端部に取り付けられ、固定斜板とピストンとの
間のインターフェイスでのスラスト力を減少させる。し
かし、このような摺動シューは固定シリンダ/スプリッ
ト型斜板の機械に明らかに適していなかった。
発明の概要 本明細書で開示する本発明の主要な特徴は米国特許出
願第252,743号明細書(1994年6月2日付け出願;発明
の名称「可変角度歯車装置」)に記載された新規な歯車
装置の特殊な応用である。
広義の意味において、この新規な歯車装置は、駆動シ
ャフトから被駆動シャフトへ回転を伝達でき、それと同
時に、180゜の各側で(すなわち、軸線が平行に整合す
るか又は一致する位置の各側で)180゜とは異なるある
好ましい最大角度(例えば、±45゜)まで延びる広範囲
にわたって、シャフトの軸線間の交差角度を変化させる
ことのできるような方法で2つのシャフトを直列連結す
るための歯車装置の新規な形を提供する。
この新規な歯車装置の特定の構成が液圧機械のデザイ
ンに顕著な改善を加えるために使用できることが判明し
た。すなわち、上記米国特許出願第252,743号明細書に
記載された新規な歯車装置の構成においては、噛合歯車
のピッチ円は同じ寸法を有し、同じ球体上で大円(grea
t circles)として常に維持される。この構成は、任意
の平面内で2つのシャフトの相対的な関節運動を許容し
た状態で、2つのシャフト間で一定速度を伝達するため
に使用できる。更に、球体幾何学において自明の如く、
これらの大円は2つの点で交差し、交差する大円(即
ち、歯車のピッチ円)間で球体の表面上に形成された一
対の弓形(lunes)は球体の表面のまわりで大きなレム
ニスケート(8の字)を描く。噛合歯車間で分担された
接触点の相対運動は歯車のシャフトのすべての相対角度
調整においてそれぞれのレムニスケートを描き、それ
故、2つのシャフトは一定速度で回転する。
上述のように、そして、本発明の歯車の噛合歯の設計
及び構造に関連して後に説明するように、理論的には、
各歯車のピッチ円は同じピッチ球体上の大円と見做すこ
とができる。しかし、本発明の歯車間の相対運動を考察
するためには、対をなす各歯車は、もちろん、それぞれ
の理論的なピッチ表面を有しなければならない。それ
故、各歯車は一対のピッチ球体のうちの対応する球体上
に理論的なピッチ表面を有するものと見做すべきであ
り、これらの球体は、同心であって、実質的に同一の半
径を有するが内側のピッチ球体が外側のピッチ球体に関
して転頭運動できるのに十分なクリアランスを与えるよ
うな半径を有する。2つの歯車のピッチ円は180゜離れ
て位置した2つの点(即ち、「極」)で互いに交差し、
2つのピッチ球体の回転軸は、転頭運動中に、2つの極
がピッチ球体の表面のまわりで旋回するときに、すべて
の交角で2つのピッチ球体の一致する中心において常に
交差する。
歯車装置のこの構成に対して、所定のピッチ円を有す
る内歯を備えた第1歯車を使用し、第1歯車と同じピッ
チ円を有し外歯を備えた第2歯車に第1歯車を噛合させ
る。噛合歯を有するこれらの歯車は180゜離れてセンタ
リングされた2つの領域で噛み合う。歯車のピッチ円が
同じ寸法を有するので、これらの歯車は1:1の比率で回
転する。
本発明の液圧機械に適用される場合、一対の1:1の比
率の「低速」歯車は機械の斜板装着組立体の揺動部分を
支持するために使用される。しかし、この特殊な応用に
おいては、ユニークな歯車対は2つのシャフト間で回転
運動を伝達せず、転頭運動のみを行い、噛合する歯車対
は、転頭運動する揺動部分の回転を阻止するのみなら
ず、自動車の駆動に必要な高速においてさえ、揺動部分
がその転頭レムニスケート運動を自由かつ完全に追従で
きるようにする。
揺動部分を支持するために使用する転頭運動歯車に対
して、4つの異なる歯車の歯の構造、即ち、円/接線
(CT)構造、ダイヤモンド上の円(CD)構造、「弓形」
構造、及び、弓形/逆曲線(L/IC)構造を開示する。こ
れらの構造については後に詳細に説明する。これらすべ
ての構造においては、転頭運動する歯車の軸線は180゜
の各側からある好ましい最大角度まで測った連続角度範
囲にわたって可変的に交わることができ、これらすべて
は共通の特徴を有する。すなわち、それぞれの歯車のピ
ッチ表面において見たときに、各噛合する歯の各歯表面
の少なくとも中央部分は、歯車が転頭運動しているとき
に、軸線が一致整合位置から好ましい最大角度(例え
ば、18゜、30゜等)まで延びる連続角度範囲にわたって
交差できるように選択された直径を有する単一円の円弧
となる。[注:本発明の各歯車に対して、それぞれの
「ピッチ表面」はピッチ球体である。」 上記CT構造及びCD構造においては(及びL/IC構造にお
ける一対のうちの一方の歯車においては)、ピッチ面に
おいて見たときに、各歯の中央部分のみが単一円の円弧
を有するように形成される。一方、弓形構造において
は、各歯表面の全体の長手方向湾曲部が単一円の円弧と
なる。
本発明の転頭運動する歯車のためのすべての好ましい
機械においては、ダイヤメトラルピッチは、歯車の軸線
が好ましい最大角度で相対的に傾斜したときに、各歯車
の2以上の噛合する歯が歯車間で分担された2つの噛合
領域の各々で同時に噛み合うように選択される。従来の
歯車装置の構成と同様、歯厚は、所期の負荷が噛合する
多数の歯により安全に支持されるのを保証するように選
択される。上記CT構造及びCD構造においては(及びL/IC
構造における一対のうちの一方の歯車においては)、ピ
ッチ面において見たときに、噛合する各歯の両方の歯表
面の中央部分は、所定の直径の単一円の両側部を形成す
るそれぞれの円弧となる。
弓形構造においては、各歯表面の全体の長手方向湾曲
部を形成する円弧は所定の直径の単一円の一部である。
しかし、弓形構造においては、この円は球体の表面上に
形成された特定の円と同一であり、球体上では、各歯車
のピッチ円は大円となり、その直径は歯車の軸線間の所
望の最大交角に等しい(球体の中心から測った)角度に
対峙する。
好ましくは、本発明の歯車の歯は頂部ランド部と底部
ランド部との間で直線プロフィールを有するように形成
される。その理由は、(イ)噛合する歯は相対的に「転
がらず」、むしろ、ハイポイドギヤと幾分同様の方法
で、摺接接触し、(ロ)歯の直線側部は噛合する歯上の
接触パターンを長くするからである。しかし、他のプロ
フィールを使用することもできる。インボリュートプロ
フィールはCT構造、CD構造及びL/IC構造に対しては比較
的採用しにくいが、弓形構造に対しては採用できる。
特殊な転頭運動する歯車構造は、高速/高圧機械に使
用した場合に、大きな回転力に容易に耐えることがで
き、斜板の揺動部分の円滑なレムニスケート転頭運動を
許容しながら、揺動部分の回転を阻止する。これは比較
的小さな空間を占有する一対のみの歯車により達成され
る。斜板を支持するための特殊な転頭運動する歯車構造
のほかに、液圧機械は、機械の寸法及び重量を更に大幅
に減少させることのできる種々の摺動シュー軸受構成を
含む。
また、液圧機械のためのモジュラ構造開示され、その
構造においては、ハウジングは3つの別個のユニット、
即ち、斜板組立体が位置する中央ユニットのそれぞれの
端部にそれぞれ着脱自在に取り付けられたシリンダユニ
ット及び端キャップを有する。固定のシリンダを含むほ
かに、シリンダユニットは、液圧流体を制御するに必要
なポート、通路及び弁を有する。駆動素子を支持するた
めのカートリッジ軸受は端キャップの近傍において中央
ユニットの端部に装着される。本発明のモジュラ液圧機
械の馬力定格は、端キャップ又はその隣接する軸受を修
正することなく、及び、斜板組立体又はシリンダの軸方
向寸法を除いたシリンダユニットの任意の部分を修正す
ることなく、容易に変えることができる。本発明の機械
の容量を実質的に変更する(例えば、7cu.in.から11cu.
in.に変更する)のに必要なことは、(イ)シリンダユ
ニットにおけるシリンダの軸方向長さのみを修正し、
(ロ)中央ハウジングユニットを、同じ半径方向寸法を
有するが軸方向寸法が異なった同様な中央ユニットと交
換し、(ハ)それぞれの軸方向寸法において駆動素子及
びピストンを相対的に修正することにより、斜板の最大
傾斜を(例えば、18゜から30゜)に変更することであ
る。
このような本発明の構造により、本発明の液圧機械は
著しく小さなフォーマットにおいて比較的大きな馬力を
提供する。すなわち、同様の物理的な寸法の現存の商業
的に入手できるユニットの馬力を遥かに越える馬力を提
供する。
図面 第1図は、図面を明瞭にするために多くの部品を図示
省略した状態の液圧機械のスプリット型の斜板の概略部
分断面図で、斜板の揺動部分の回転が一対の転頭運動歯
車により抑制される状態を示す図、 第2A、2B及び2C図は、実質上第1図に示すような方法
で配列された一対の転頭運動する噛合歯車のピッチ表面
上の組をなす歯接触転間の相対運動を概略的に示す図
で、外歯車が固定の内歯車のまわりで転頭運動し、これ
らの歯車の軸線が選択された最大角度で相対的に傾斜し
ている状態を示す図、 第3図は第2A、2B及び2C図に示す各組の歯接触点間の
相対運動をグラフ的に示す図、 第4図は第1図の一対の噛合歯車の一部を概略的に示
す図で、歯車の軸線が(180゜で)整合した状態を示
し、各歯車のピッチ円上の連続する歯間の投影された弦
方向中心間距離を示す図、 第5図は選択された好ましい最大角度xで可変的に交
差する第4図に示す一対の歯車の一部の概略図で、歯車
がそれぞれの軸線のまわりで転頭運動するときの修正さ
れた平坦な投影面における噛合歯を示す図、 第6図は180゜で整合した軸線を有する歯車の半径方
向中央面における本発明の一対の噛合歯の部分的な輪郭
を示す概略図、 第7図は本発明のCT構造に係る歯車の歯の輪郭を、歯
車のピッチ面において概略的に示す図、 第8A、8B及び8C図は、本発明のCT構造に係る一対の転
頭運動歯車の噛合歯の輪郭を、修正した平坦な投影面内
にて示す概略図で、好ましい最大角度xで交差した軸線
を有する歯車対を示す図であり;第8A図及び8B図は,同
じ時刻で歯車が同時に接触する180゜離れてセンタリン
グされた2つの噛合領域をそれぞれ示し、第8C図は、噛
合領域の中心が歯車のピッチ円のまわりで円ピッチの3/
4の距離だけ更に転頭運動した後の第8B図の噛合領域を
示す図、 第9A及び9Bは、本発明のCD構造に係る一対の歯車の歯
形を決定するための幾何学形状を示す図、 第10図は本発明のCD構造に係る一対の歯車の噛合歯の
輪郭を、修正した平坦な投影面内にて示す概略図、 第11図はCT構造及びCD構造の歯に必要な極めて小さな
先端逃しクリアランスを誇張して示す概略図、 第12A及び12B図は、本発明の弓形構造に従って形成し
た歯車の歯の概略図であり;12A図は各歯面の長手方向湾
曲部を形成する円弧を決定するための幾何学形状を示
し、第12B図は、歯車が選択された最大角度で可変的に
交差するそれぞれの軸線のまわりで転頭運動するときの
2組の噛合歯の輪郭を、修正した平坦な投影面内にて示
す図、 第13A図及び13B図は、本発明のL/IC構造に係る一対の
歯車の噛合歯の輪郭を、修正した平坦な投影面内にて示
す概略図であり;第13A図は好ましい最大角度で交差す
る歯車の軸線を示し、第13B図は20゜の角度で交差する
軸線を示す図、 第14図は、斜板の傾斜が調整可能となった本発明に係
る斜板装着組立体を備えた液圧機械の部分概略断面図で
あるが、斜板の傾斜を調整するためのサーボ機構は図示
省略してある図、 第15図は、第14図に示す機械の斜板機構の傾斜を調整
するためのサーボ制御機構の概略図で、図を明瞭にする
ため第14図に示す多くの部品を図示省略した状態で機械
の斜板部分を示す図、 第16図は、第14図の液圧機械の拡大詳細図で、斜板装
着部における本発明の圧力平衡摺動シュー軸受組立体部
分を示す図、 第17図は線W−Wに沿って見た第14図の液圧機械の別
の詳細図で、スプリット型の斜板装着部の揺動部分の背
面に装着された本発明の圧力平衡摺動シュー軸受のみを
示す図、 第18図は本発明に係る固定角度斜板組立体の概略図で
ある。
好ましい実施例の詳細な説明 転頭運動する歯車装置 上述のように、本発明の液圧機械の主な特徴は、斜板
の揺動部分の回転を抑制するために一対の転頭運動する
歯車を使用することである。第1図ないし第5図はこれ
らの特殊な転頭運動歯車の一般的な特徴を示す。
図面を明瞭にするために多くの部品を図示省略した状
態の液圧機械の斜板組立体の概略部分断面図である第1
図において、内歯車10はハウジング12に固定されてい
る。噛合する外歯車20はスプリット型の斜板を形成する
ためにロータ16と共働する揺動部分14の外側円周方向表
面に固定されている。すなわち、揺動部分14はそれぞれ
のシリンダ(図示せず)内に装着されたピストン18の端
部を受け入れ当該端部を支持し、ロータ16は駆動素子24
のシャフト22と共に回転する。
外歯車20の軸線40は揺動部分14の前面26に対して垂直
に位置し、軸線40は地点28において駆動素子24の回転軸
線42と交差し、この地点28は、ロータ16が回転軸線42に
対して傾斜する際の有効中心となる。内歯車10の軸線は
回転軸線42と一致する。
図示省略した多くの部品のうちには、当業界で周知の
方法にて回転軸線42に関してロータ16の傾斜を調整する
ための適当な機構があり、本発明の液圧機械の一層完全
な実施例に関連して後に説明する。本発明の転頭運動歯
車の特徴を認識する目的で、回転軸線42に関するロータ
16の傾斜角度が図に示す角度から180゜位置(即ち、軸
線40、42が一致する位置)を通って180゜より小さな同
じ大きさの角度まで連続的に変化できるものと仮定す
る。
ロータ16がシャフト22と共に回転すると、軸線40は軸
線42のまわりで転頭運動する。後の説明から理解できる
ように、軸線間のこのような相対角度転頭運動の期間中
常に、歯車10、20のピッチ円は同じピッチ球体の表面上
の2つの噛合領域で噛み合いを維持し、各噛合点の中心
は2つの軸線の交点に一致するピッチ球体の中心を通る
線上に位置する。例えば、第1図に示す状態の時刻にお
いて、歯車10、20の2つの噛合点の中心は第1図の噛面
に垂直で地点28を通る線32上に位置する。更に、軸線4
0、42が180゜で一致整合したとき、両方の歯車10、20の
すべての歯は既知の歯車カップリングと同じ方法で完全
に噛み合う。この完全噛合状態を第4図の歯車10、20の
部分図において示す。
しかし、これらの軸線の相対角度方位が180゜の整合
位置(第1図)から外れるように可変的に調整される場
合は、歯車20が軸線42及び歯車10のまわりで転頭運動す
るときに、歯車の歯は噛合状態及び噛合解除状態となる
ように連続的に移動する。噛合状態及び噛合解除状態と
なるような歯車10、20のこの相対転頭運動は第2A、2B、
2C図に概略的に示し、これらの図は、軸打線40、42があ
る好ましい最大角度xで交差しているときの相対転頭運
動の3つの異なる位置における歯車のピッチ円をそれぞ
れ示す。第2A、2B、2C図は、転頭運動する歯車の噛合歯
が噛合状態及び噛合解除状態となるように移動するとき
に、4つの異なる組の歯接触転の相対位置を示す。
第2A図において、内歯車10上の歯接触点Aは外歯車20
上の歯接触点A′と噛合し、これと同時に、内歯車10上
の歯接触点Cは外歯車20上の歯接触点C′と噛合する。
第2B図は、歯車が90゜だけ転頭運動した後の各歯車上の
同じ歯接触点を示し、この場合は、歯車10の歯接触点
D、Bと歯車20の歯接触点D′、B′とが噛合接触す
る。更に1/4回転だけ転頭運動すると、第2C図に示すよ
うに、歯車20は歯車10のまわりで1/2回転の転頭運動を
終了しており、歯接触点A、A′とC、C′とが再度噛
合する。
第2A、2B及び2C図に示す歯接触点はすべて、それぞれ
の歯車のピッチ円上に位置し、幾何学的には、これらの
ピッチ円はそれぞれ同じ球体上の大円となる。すべての
大円は180゜離間した2つの位置で互いに交差する。第
3図は、第2A、B及び2C図に示すそれぞれの組の歯接触
点の間の相対運動、即ち、歯車10、20が一緒に一回転だ
け転頭運動ときの歯接触点A、A′の相対運動の軌跡を
概略的に示す。それぞれのピッチ円は第3図で平坦な投
影面において示すが、各歯接触点は、各転頭運動におい
て2回、ピッチ球体の極(pole)となり、各対の分担さ
れた接触点の相対位置はレムニスケート状のパターン
(「球体の表面上の8の字」)をたどることが分かる。
そして、ユニバーサルジョイント分野において周知のよ
うに、このようなレムニスケート運動は2つの関節運動
するシャフト間で一定速度を伝達するときに本質的に生
じるものである。
上述のように、第4図は第1図の一対の転頭運動する
歯車の一部を概略的に示し、内歯車10の軸線と外歯車20
の軸線とが180゜位置で一致整合している状態を示す。
この位置において、それぞれのピッチ円10′、20′は一
致する。一致したピッチ円上に、内歯車の歯I1、I2の歯
中心44、45及び外歯車の歯E1、E2、E3の歯中心46、47、
48をそれぞれ示す。また、連続する歯中心46、47と歯中
心47、48との間の投影弦方向中心間距離PCをも示す。
第5図は第4図に示した歯車10、20の部分とほぼ同じ
部分を概略的に示す。しかし、第5図においては、歯車
の軸線は選択した好ましい最大角度xにて可変的に(第
1図のように)交わった状態で示され、歯車の歯は各組
の歯車の歯のピッチ球体の修正して分担された投影面に
おいて現されている。平坦な投影面は、各平坦な投影面
上の連続する歯間の中心間距離が歯中心間の投影された
弦方向距離PCに等しくなるように修正される。
[注:平坦な投影面及び本発明の歯の形状を示すために
使用する幾何学的な平面構造に関して、本発明の歯車装
置は球体幾何学を基礎においていることを覚えておく必
要がある。すなわち、図面の平坦な表面(紙面)上への
投影は、歯車のピッチ円が大円となるそれぞれの球体の
表面上の線を示す。例えば、第5図の内歯車/外歯車の
組み合わせ体の表現に関しては、歯車10、20の歯の平坦
にされた投影像はピッチ球体の各表面上でのものであ
る。] 歯車10、20の軸線が所定の好ましい最大角度xで可変
的に交わった状態でこれらの歯車が一緒に転頭運動して
いる場合、枢動地点28のまわりで回転しているときに、
噛合係合の2つの中心は軸線32を追従する。第5図は、
この最大角度においてさえ、歯車間で伝達されている負
荷が10個の歯により分担されることを示す。すなわち、
第5図においては5個のみの歯が噛合係合している状態
を示すが、上述のように、歯車10、20は180゜離間して
位置した2つの噛合中心のまわりで常に同時に噛み合
う。
本発明の歯車が従来の歯車装置と明らかに異なってい
ることを理解することは重要である。歯車の2つの同時
に噛み合う中心があるため、歯車は従来の歯車装置にお
いて周知のような方法では転頭運動しない。同様に、従
来構造の歯車の歯は本発明の液圧機械には適さない。上
述の本出願人に係る新規な「可変角度歯車装置」の発明
のために開発されたユニークな歯車の歯の設計を使用す
る必要があり、このような設計を本発明への応用のため
に以下に説明する。
歯車の歯の設計 次の歯の設計は本発明の転頭運動歯車にとって適して
いる。
(イ)基本的な設計要素 第6図には、本発明に係る一対の歯具50、52の噛合す
る歯の部分的な輪郭を概略適に示す。また、図面を明瞭
にするため、外歯車52は断面図として示さない。歯車の
軸線は180゜の位置で整合し、歯の輪郭は歯車のラジア
ル中央面において示す。外歯車の2つの歯54、55が内歯
車の3つの歯56、57、58と十分に噛合している状態を示
す。
第6図から分かるように、歯車のすべての歯の作業表
面は直線的な側面を有する。これは好ましいプロフィー
ル形状である。上述のように、本発明の歯車の軸線が転
頭運動中に180゜の整合から外れるように位置決めされ
たとき、歯車は2つの分担された噛合中心のまわりで噛
合及び噛合解除を行うように常に運動する。この運動に
より、噛合する歯の表面はハイポイドギヤの噛合する歯
間に生じる摺動接触と幾分似た方法で互いに摺動でき
る。好ましい直線状の歯の表面は噛合を介して摺動接触
の連続ラインを生じさせる。更に、直線状の歯は半径方
向のライン60を追従するように設計することができる
が、(ライン62にて示す)スプライン形状が好ましい。
本発明に係る歯車の歯に共通の別の特徴があり、本発
明のCT(円/接線)構造に従って形成された歯車の歯を
例にとってこの特徴を説明する。第7図は、CT構造の歯
車の歯64の輪郭を、歯車のピッチ面において概略的に示
す。本発明に係るすべての歯と同様、このCT構造の歯は
次のような基本的な設計上の特徴を有する。半径方向の
中心線68の各側部における歯64の作業表面の中央部分6
6、67は、その歯車が負荷を受けて転頭運動していると
きに噛合する歯車の軸線の交点が180゜の各側において
ある所定の好ましい最大角度までの角度範囲にわたって
180゜の整合位置から連続的に変化できるように選択さ
れた直径を有する単一の円70の円弧により、形成され
る。各CT構造、CD構造及びIC構造の歯の2つの作業表面
の中央部分を形成する円弧は同じ円の一部から得られ
る。しかし、各弓形構造の歯の2つの作業表面も同じ直
径を有する円の円弧とすることができるが、これらの表
面は同一の円上に形成されない。これらの特徴は後に詳
細に説明する。
更に、本発明のすべての設計における必要な単一円の
ための直径は、2以上の噛合する歯が噛合する歯車によ
り分担される各噛合中心のまわりで同時に噛み合うこと
を保証するように選択される。単一円の直径の選択につ
いては、本発明の4つの好ましい歯の設計の以下の説明
において、他のパラメータと一緒に説明する。
(ロ)CT(円/接線)構造の歯の設計 上述のように及び第7図から分かるように、CT構造の
歯車の歯の設計は単一の円の選択から始まる。この第1
工程は歯車技術において周知な方法と同じ方法で達成で
きる。すなわち、歯車対のための寸法及び強度仕様は、
本発明の斜板組立体及び液圧機械を使用する圧力、馬力
及び応用(例えば、定デューティサイクルの産業上駆動
及び自動車駆動への応用)に従って最初に決定される。
すなわち、歯車の歯末円(最大直径)は歯車を作動させ
ねばならない物理的な空間により制限されることがある
し、ダイヤメトラルピッチは、歯の垂直弦方向厚さ(即
ち、ピッチ円に沿った各歯の弦方向厚さ)が噛合する多
数の歯により所期の最大負荷を支えることができるのに
十分なものとなるように選択しなければならない。
これに関し、本発明の一対の転頭運動歯車は同じ寸法
の一対の従来の歯車における負荷の2倍の負荷を扱うこ
とができることに留意されたい。すなわち、本発明の歯
車対は180゜離れてセンタリングされた2つの噛合領域
を分担するので、これらの歯車対は同じ寸法の従来の歯
車の2倍の噛合歯を有し、ダイヤメトラルピッチは従来
必要だった厚さより十分小さな垂直弦方向合厚さを提供
するように選択することができる。
第7図を参照すると、適当な歯末の寸法及びダイヤメ
トラルピッチを選択した後、歯の中央部分を形成するた
めの単一の円70を使用する。円70は半径方向の中心線68
に沿って必要な垂直弦方向厚さDを有する円を提供する
半径Rを有する。
次いで、2以上の歯が歯車対により分担される2つの
噛合中心の各々のまわりで噛み合うことを保証するのに
十分な程度まで、各歯車の長手方向の面幅を延長させる
のが好ましい。これを達成するため、特定の応用にとっ
て必要となる角度変化を最初に決定する。例えば、多く
の斜板の仕様は15゜以下を必要とし、別の用途に体して
は、30゜以上が望ましい。上述のように、この所望の角
度変化を「好ましい最大角度x」として参照する。
第7図に示す例においては、好ましい最大角度xが40
゜であると仮定する。角度xは(点A、B及びE、F間
の構成ラインにより示される)半径方向の中心線68の各
側部で形成され、点A、Eは歯表面66上の中心線68の各
側部でそれぞれの歯表面角x′(この例では、40゜)を
画定し、点F、Bは歯表面67上の同様の歯表面角を画定
する。
次いで、直線72、73及び74、75によりそれぞれ示され
る歯表面延長部を形成することにより各歯表面66、67を
延長させる。各直線はそれぞれの歯表面上の点A、E、
F、Bにおける接線として引かれたものである。各延長
線72、73及び74、75はそれぞれの接線点から軸方向の中
央線76との投影交点までは延び、歯表面延長部の構造を
慣性させる。最終的な歯形においては、好ましくは、歯
表面延長部の鋭利な端部を破線で示すように面取りす
る。
各延長線72、73及び74、75がそれぞれの接線点におい
て引かれた半径方向の線に対して垂直となっているの
で、簡単な幾何学的分析により、各延長線と軸方向の中
心線76との間に形成される角度が角度x(この例では、
40゜)に等しくなることが分かる。
本発明の歯車が可変的に交わる角度で転頭運動すると
きに、このCT構造に従って形成された歯は係合及び係合
解除を行うように適正に摺動する。また、このCT構造
は、歯車対の噛合係合中心の一方又は両方において、歯
車の軸線が好ましい最大角度で交わっている場合でさえ
も、2以上の噛合する歯が負荷を支えることを保証す
る。
更に、各歯車が奇数個の歯を有するようにダイヤメト
ラルピッチを選択した場合、この構成は、歯車の軸線が
好ましい最大角度で交わっているときに、2以上の噛合
する歯が歯車対の両方の噛合係合中心のまわりで負荷を
支えることを保証する。このような状態を第8A及び8B図
に概略的に示すが、これらの図は、本発明のCT構造に係
る一対の歯車の噛合歯の輪郭を、修正された平坦な投影
面において示し、また、歯車対の軸線が好ましい最大角
度xで交わっている状態を示す。
第8A図は上述の方法により設計したCT構造の歯車対の
噛合領域のうちの第1噛合領域を示し、第8B図は同じ時
刻における当該歯車対の第2噛合領域を示す。上述と同
様、説明を簡単にするために、歯車の歯がx゜の好まし
い最大角度を持つように設計されているものと仮定す
る。上述のように、この設計では、軸線が一致している
ような位置の各側へx゜延びる角度範囲が提供され、合
計2x゜の関節運動領域が得られる。
第8A図において、外歯車の歯80の中心は第1噛合領域
の中心に位置し、外歯車の歯80は内歯車の歯81、82と接
触する。同じ時刻において、第8B図に示す第2噛合領域
では、内歯車の歯83の中心が噛合領域の中心に位置し、
内歯車の歯83は外歯車の歯84、85と接触する。従って、
歯車対により相互連結されたシャフトが最大角度で交差
するとき、歯車の6つの歯が負荷を分担して支える。
第8C図は各歯車が円ピッチの3/4の距離だけ更に転頭
運動した後の時刻における第8B図に示したような第2噛
合領域を示す。第8C図に示す時刻において、外歯車の歯
86の半径方向の中心線は内歯車の歯87の右手側延長部に
接触し、これら2つの歯間の接触ラインは、歯86の前面
に沿って(図の)右方への摺動運動を開始し、歯87の後
面に沿って左方への摺動運動を開始する。同時に、内歯
車の歯87と外歯車の歯85との間の接触ラインは、歯87の
前面に沿って左方へ摺動し、歯85の後面に沿って右方へ
摺動する。
上述のように、歯車の軸線が好ましい最大角度xで指
向しているときに噛合する歯の数は、すべての予期され
る作動条件に対して噛合する歯の最小数を表す。シャフ
トが実質的な180゜の整合位置へ移動したとき、2つの
歯車の歯はカップリングのような方法で互いに完全に噛
み合う。それ故、選択されたダイヤメトラルピッチ及び
歯の垂直弦方向厚さが(多数の歯が好ましい最大角度で
噛合している状態で)予期される負荷を支えるのに十分
な場合は、歯車対は、一層小さな角度方位の下では、十
分な強度を有する。
当業者なら、歯車の歯面の可能なスコアリング(scor
ing)は本発明の歯車間の摺動接触を考慮して特殊な考
察を必要とすることを認識できよう。また、各対の噛合
歯が噛合及び噛合解除を行うときに相対的に摺動する歯
表面距離は、シャフト角が180゜に近づくにつれて減少
する。それ故、歯車間のシャフト角が減少するにつれて
摺動速度が減少し、歯車の歯間の表面圧力及び摺動速度
が好ましい最大角度で許容できるものである場合は、ス
コアリングの可能性の問題は最小となる。
(ハ)CD(ダイアモンド上の円)構造の歯の設計 本発明の可変角度転頭運動装置に適した歯車の歯の設
計パラメータを決定する他の方法も存在するが、ここで
は、一般幾何学的な形状により設計パラメータを決定す
る。第9A及び9B図に示すCD構造の歯に対する一般幾何学
的な形状は次の通りである。
(1)CT構造の歯に関して上述したものと同じ方法で、
CD構造の歯の設計は、歯車装置を使用する応用に従って
所要の寸法及び強度仕様を最初に決定し、これに基づ
き、歯の適当な歯末寸法、ダイヤメトラルピッチ及び垂
直弦方向厚さを選択することから始まる。
(2)このような適当な基本パラメータの最初の選択に
続き、第9A図の右側部分に示すような方法で歯車対の外
歯車の一部を、軸方向から見た平面内でレイアウトす
る。すなわち、ピッチ円aの一部及び少なくとも2つの
歯中心b、cを形成する。歯中心bを通る半径方向の線
dは「希望する噛合」(proposed mesh)の中心を特定
するように選択され、外歯車のピッチ円aの一部の平坦
な投影線a′は半径方向の線dに垂直にレイアウトされ
る。
(3)投影された歯中心b′は半径方向の線dと平坦に
されたピッチ円(投影線)a′との交点に位置し、上述
のような希望する噛合の中心として作用する。次いで、
歯中心bに隣接する第2の歯中心cが最初に形成された
ピッチ円aから平坦にされたピッチ円a′へ投影され、
その投影された歯中心はc′にて示す。
(4)次いで、歯中心b′、c′のまわりに円e、fを
それぞれ形成するが、これら各円は上記工程(1)にお
いて選択されたダイヤメトラルピッチにより決定される
垂直弦方向歯厚に等しい直径を有する。当業者なら分か
る通り、この直径は(投影された歯中心b′、c′間の
中間に示された同一直径の破線円にて表されるような)
歯車の投影された円ピッチの1/2に等しい。
(5)次いで、歯車対の内歯車のピッチ円gの平坦にさ
れた投影線を描くが、この投影線は、希望する噛合の歯
中心b′を通り、歯車の軸線間の交点での最大所望角度
に等しくなるように選択憂された角度xで傾斜するよう
にする。次いで、2つの新たな歯中心h、iを平坦にさ
れたピッチ円g上に形成するが、歯中心h、iは投影さ
れた円ピッチに等しい距離だけ離れて位置し、噛合中心
b′の両側に位置する。歯円e、fと同じ直径をそれぞ
れ有する新たな円k、mを歯中心h、iを中心として描
く。
(6)第9B図を参照して、第9A図の左側部分における投
影噛合構成の続きを開始する。平坦にされたピッチ円g
は各歯円k、mの半径方向中心線を表し、歯円kの両側
で中心線gの各側に(歯車の軸線間の交点における好ま
しい最大角度に等しい)角度xを形成し、歯円kの各対
向する面に2つの歯面角度(x゜)を形成する。次い
で、歯円kの片側上のそれぞれの断面角度の外側の点
o、pを結ぶ弦nを引き、歯中心hと弦nの二等分点と
を通る二等分線qを形成する。
(7)点oから歯円fの表面に対する点rでの接線を引
き、この接線は二等分線q上の交点sで終端する。点s
から弦nの他端の点pまで第2の線を引き、二等辺三角
形opsの等辺の二辺が歯円kの片側における軸方向で歯
車の歯の長手方向の幅を増大させる延長部の基本形状を
形成する。二等分線qは歯の軸方向中心線を形成するよ
うに延び、次いで、第9B図に示すような歯円kの反対側
でのそれぞれの歯面角度の外側の点から延びる同一寸法
の三角形を描き、軸方向反対側での延長部を完成させ
る。
(8)次いで、上述の方法で歯円kのまわりに形成され
たこの見掛けの「ダイアモンド上の円」構造の歯形の輪
郭は、噛合するCD構造の歯車対の両方の歯車の(歯車の
ピッチ面内で見た)歯の形状のために使用される。もち
ろん、当業者なら分かるように、本発明のCD構造の歯の
最終形状は実質的に上述の形を有するが、先端逃がし、
クリアリンス、エッジ及び表面の円滑性等のために多少
の修正を加える必要がある。
一組のこのような噛合するCD構造の歯を第10図に概略
的に示すが、歯車は噛合中心88のまわりに位置し、歯車
の軸線はx゜の選択において好ましい最大角度(交角)
となるように指向している。この最大角度において、内
歯車の3つの歯90、91、92は外歯車の2つの歯93、94に
接触していることが分かる。それ故、本発明の他の歯の
設計と同様、CD構造の歯は従来の歯車装置におけるより
も一層大きな予期される負荷を支えるように常に噛み合
う。
CT構造、CD構造及びL/IC構造の歯車は別の設計上の特
徴を有する。すなわち、これらすべての構造はクリアラ
ンスのために極めて小さな先端逃しを必要とする。第11
図はこのような選択逃しを誇張して概略的に示す。外歯
車のCD構造の歯114の歯面は僅かに面取ちされた各延長
部116、117の上方歯末丈を有し、面取りの深さは、歯の
半径方向中心線でのゼロから、歯の軸方向中心線に遭遇
するときの歯面の外側エッジでの最大値まで増大する。
適当な必要な逃がし量を提供するためには、10cm(4イ
ンチ)の外径を有する外歯車のCD構造又はCD構造の歯は
その外側エッジにおいて約0.2mm(0.008インチ)の最大
先端逃がしを必要とする。
このような小さな先端逃がしは歯車装置の製造中に簡
単に形成することができる。例えば、歯車を「およそだ
が最終形状に近い」形状に最初に鍛造する工程におい
て、先端逃がしの無い噛合歯車の形をした仕上げ工具を
用いてCBN研磨することにより、鍛造した粗い歯車を仕
上げることができる。
(ニ)弓形構造の歯の設計 本発明に関連する歯車装置は、容易に製造でき、ある
転頭運動応用に特に適した更に別の歯車の歯の設計を含
む。この設計を「弓形」構造と呼ぶことにする。その理
由は、各歯の各対向する作業面の全体の長手方向表面の
輪郭が単一の円の円弧により形成され、歯車のピッチ表
面内で見たときに、各歯の2つの作業面の輪郭が弓形の
形状を呈するからである(幾何学的には、「弓形」は球
体の表面上の2つの交差する大円により境界を定められ
た領域である。)弓形構造を説明するために、第12A図
及び第12B図を参照する。
第12A図は各歯面の長手方向湾曲部を形成する円弧を
決定するために使用する幾何学的形状を示す。まず、CT
構造及びCD構造の歯に関して説明した方法と同じ方法
で、歯車装置を使用する応用に従って所要の寸法及び強
度仕様を最初に決定し、これに基づき、歯のための適当
な歯末丈寸法、ダイヤメトラルピッチ及び垂直弦方向厚
さを選択することにより、弓形構造の歯の設計を開始す
る。この情報から、歯末円116、歯元円118及びピッチ円
120をレイアウトすることにより外歯車115の横断面の簡
単な形状が形成され、数個の歯の輪郭も形成される。
次いで、所定の好ましい最大角度x(この例では、25
゜)が半径方向の線124、125間で歯車の中心122からレ
イアウトされる。そして、半径方向の線124、125がピッ
チ円120と交わる2つの点127、128間を結ぶ弦126を引
く。弦126の長さを測定して、歯車のための弓形構造の
各歯の作業表面の全長を形成する円弧を決定する単一の
円を形成するために使用される直径値Xを得る。
第13B図に示す更なる形状においては、外歯車115及び
これに噛合する内歯車130は、その軸線が所定の好まし
い最大角度(例えば、25゜)で交わった状態で、(上述
のような)修正した平坦な投影面内でレイアウトされ、
所望の分担された噛合の中心132が形成される。直径値
Xを有する円を中心132のまわりで描き、この円の円弧
が外歯車の歯134の前面及び外歯車の歯135の後面を形成
する。中心132はまた、外歯車の中心を印すために使用
され、別の外歯の中心137、138が歯車115の半径方向中
心線136に沿って所定の円ピッチに等しい連続距離だけ
(中心132から)離れた位置に印される。その後、同じ
直径値Xの塩を使用し、連続する中心137、138等を使用
することにより、他の外歯車の歯の前面及び後面を形成
する。
同様に、噛合中心132の各側で円ピッチの1/2の距離に
2つの点を印すことにより、内歯車130の半径方向の中
心線141に沿って連続する歯中心139、140を形成する。
次いで、同じ直径値Xの円を使用し、連続する中心13
9、140等を使用することにより、内歯車130の歯の前面
及び後面を形成する。歯車の製造業者にとっては容易に
理解できる如く、このような弓形構造の歯車歯は値Xを
持つ内径を有する中空の円筒状カッタを使用することに
より形成できる。
図示のような構成のため、多くの弓形構造の歯(例え
ば、各分担された噛合領域における約10個の歯)は、歯
車間のシャフト各が最大角度になったときに、それぞれ
の歯間で十分に接触する。しかし、弓形構造の各歯の垂
直弦方向厚さは噛合する歯車の歯間の歯みぞほどには大
きくなく、このため、シャフト角が最大方位角度から18
0゜の整合位置に向かって減少したときには、噛合する
弓形構造の歯間のバックラッシュは増大し、軸線が180
゜の整合位置に達したときには、バックラッシュは実質
上最大量となる。それ故、弓形構造の歯の設計は常に最
小バックラッシュを必要とする応用(例えば、通常の作
動中に、予期されるシャフトの回転の逆転が相対周期に
て発生するような応用)には適さない。
(ホ)L/IC(弓形/逆曲線)組み合わせ構造の歯の設計 第13A及び13B図は本発明に係る更に別の対の噛合歯の
輪郭を概略的に示す。後の説明から明らかとなる理由の
ため、この構造を弓形/逆曲線(L/IC)組み合わせ構造
と呼ぶことにする。歯の輪郭は、歯車の軸線が好ましい
最大角度で交差している状態で、歯車対の修正した平坦
な投影面において示す。もちろん、このような平坦な投
影面は球状ピッチ表面を有する実際の歯車を単にシミュ
レートしたものであることに留意されたい。すなわち、
第13A図に示す歯車が従来の方法でピッチ円筒上で間違
ってレイアウトされた場合、重大な干渉が生じる。しか
し、ピッチ球体上でレイアウトした場合は、これらの歯
は、干渉及び過剰なバックラッシュを伴わずに、角度調
整の全範囲にわたって噛み合う。
上述の本発明の他の歯の設計と同様、第13A、13B図に
示す歯はその形状設計により容易に説明できる。このよ
うなL/IC構造の歯に対しては、その形状設計は、歯車の
シャフトが180゜の整合位置の各側で可変的に交差する
ときの歯車シャフト間の所望の最大角度xと共に、歯の
適当な歯末丈寸法、ダイヤメトラルピッチ及び垂直弦方
向厚さを選択するための最初の決定から始まる。
これらの先に選択したパラメータに基づき、最大角度
(第13A図に示す例では、45゜の角度)で交差するよう
に2つの歯車のピッチ円の平坦な投影図をレイアウトす
る。そして、CT構造及びCD構造と同様に、一方の歯車の
ための歯中心80′はピッチ円間の交点に位置する。選択
された円ピッチP′を使用するすることにより、付加的
な歯中心81′、82′及び83′、84′、85′及び86′をそ
れぞれ各ピッチ円上に印す。次いで、各歯の中央部分
を、所望の弦方向厚さD′に匹敵する直径を有するそれ
ぞれの円としてレイアウトする。すなわち、それぞれの
各円は弦方向厚さの1/2に匹敵する半径T(即ち、円ピ
ッチの1/4)となるように形成される。
次いで、一方の歯車(第1歯車)の歯が弓形構造の設
計により形成され、各歯の各歯面87′、88′、89′、9
0′の全体長さは、第1歯車のピッチ円上に位置した中
心を有し、次式で示すような半径R′を有する円の円弧
により決定される。
R′=3T=3D′/2=3P′/4 半径R′は選択された弦方向厚さの1.5倍に匹敵し、
これは円ピッチの3/4に匹敵する。
第2歯車の噛合する歯車の歯はCT構造及びCD構造の歯
に関して説明した方法と同じ方法で歯中心80′、81′、
82′のまわりに形成される。すなわち、各歯表面の各円
弧の中央部分91′、92′はその端部に隣接する2つの軸
方向に延びた部分93′、94′を具備する。各延長部9
3′、94′の表面は、(イ)それぞれ所定の歯表面角度
xで歯の半径方向中心線95′の両側に位置する2つの点
A′、E′及びB′、F′の各々において円弧形の中央
部分91′、92′から延び、かつ、(ロ)歯の軸方向中心
線96′と交差する投影面の方へ延びるラインからであ
る。また、本発明のL/IC構造においては、CT構造と同
様、各歯表面の延長部の表面は各歯面の円弧中央部分に
対して接線方向となっている。
しかし、第13A図に示すように、各歯表面の延長部9
3′、94′は円弧の中央部分91′の湾曲と逆の湾曲を有
する曲線となっている。このような逆曲線の各延長部は
対応する歯表面角度線A′、B′及びE′、F′の延長
部上に位置する湾曲の中心を有する円弧となっている。
このような構成は歯97′の歯表面の延長部に対して示さ
れ、その歯の延長部100′、101′、102′、103′のため
の湾曲の中心は点104′、105′、106′、107′によりそ
れぞれ示される。この構成においては、各延長部の半径
R′はその円弧の中央部分の半径Tの3倍に匹敵する。
第13B図は第13A図に示したL/IC構造の歯車対と同じ噛
合関係を示すが、歯車の軸線は、好ましい最大角度では
なく、20゜の角度で交差している。5つの歯が噛み合っ
ていることが分かる。それ故、本発明のL/IC構造の設計
においては、従来の歯車装置よりも一層多くの常時噛合
している歯が提供される。更に、軸線が180゜の位置で
整合したとき、歯車カップリングのようにすべての歯が
噛み合う。
可変容量形の液圧機械 本発明の液圧機械の第1実施例の好ましい形を第4、
15、16及び17図を参照して説明する。上述のように、本
発明は主として機械の斜板組立体及びスラスト軸受部分
に関する。機械の他の素子は当業界で周知なので、これ
らの素子は比較的簡単に説明する。
第14図は、シリンダユニット150aと、中央のハウジン
グユニット150cの各端部に適当なボルト(図示せず)に
より取り付けられた端キャップ150bとから成る3部品モ
ジュラハウジング内に収容された液圧機械の概略部分断
面図である。シリンダユニット150aに形成された複数個
の固定シリンダ152、153には、複数個の「犬の骨」形の
ピストン154、155が往復運動自在に収容されている。ま
た、シリンダユニット150aに形成された適当な通路15
6、157はシリンダ152、153に対して液圧流体を授受する
ためのものである。シリンダ152、153に対する流体の流
れな制御は複数個の(それぞれ3つのランド部を備え
た)ラジアル弁158、159により行われ、これらの弁はシ
リンダユニット150a内で支持され、駆動素子162に固定
されてこれと一緒に回転するカム160により同期的に作
動される。
ラジアル弁158は、通路156をシリンダ152に接続し、
シリンダ152と通路157との間の接続を遮断する状態で示
されている。ラジアル弁159は、同じ時刻において、通
路157をシリンダ153に接続し、シリンダ153と通路156と
の間の接続を遮断する状態で示されている。通路156、1
57は、機械がモータとして作動しているときに高圧及び
低圧液圧流体をそれぞれ供給するために、又は、機械が
ポンプとして作動しているときに低圧及び高圧流体をそ
れぞれ供給するために使用される。シリンダ152、153に
対する流体の流れ及びラジアル弁158、159の作動は当業
界で十分理解できるので、その更なる詳細は説明しな
い。
ピストン154、155のストロークは揺動部分14′と、駆
動素子162と一緒に回転しているときに転倒運動するロ
ータ16′とから成るスプリット型の斜板の角度傾斜によ
り決定される。ロータ16′は、ピボット点28′のまわり
でのロータ16′の角度傾斜の調整を可能にするボール軸
受支持体により駆動素子162に取り付けられる。
揺動部分14′はピストン154、155の球状端部170、171
を受け入れて保持する。揺動部分はロータと共に転頭運
動するが、既に詳細に説明した本発明の転頭運動歯車装
置により、揺動部分の回転は阻止される。すなわち、内
歯車10′が中央ハウジングユニット150Cに固定され、噛
合する外歯車20′が揺動部分14′の外側円周方向表面に
固定されている。内歯車10′の軸線は駆動素子162の回
転軸線42′に一致し、外歯車20′の軸線はピボット点2
8′を通る。
また、第1図に関連して概略的に説明したように、外
歯車20′の軸線は揺動部分14′の前面26′に対して垂直
に位置し、この軸線40は点28′において駆動素子162の
回転軸線42′と交差する。転頭運動する歯車対10′、2
0′はCT構造、CD構造、弓形構造又はL/IC構造の噛合歯
を備え、外歯車20′は内歯車10′のまわりで転頭運動
し、既に詳細に説明した方法で揺動部分14′の回転を抑
制する。
スプリット型の斜板の角度傾斜はサーボ制御機構によ
り調整され、この機構は第14図には示さないが、第14図
の機械の斜板部分を概略的に示す(ただし、図を明瞭に
するため、第14図に示した多くの部品を図示省略した)
第15図に詳細に示す。トグルリンク172の一端はロータ1
6′に連結され、他端は駆動素子162を取り囲む制御ピス
トン174に連結される。
カラー176はキー止めされて駆動素子162と一緒に回転
し、このカラー176は、駆動素子162を取り囲み、制御ピ
ストン174の端部に形成されたフランジ178を受け入れる
円筒状キャビティ(空所)177を含む。シリンダハウジ
ングユニット150aの外側に取り付けられた小さなサーボ
機構180は2つのランド部183、184を備えたサーボピス
トン182から成り、サーボシリンダ185内に収容される。
サーボピストン182の一端に形成された制御ロッド186は
ロータ16′の傾斜、従って、揺動部分14′の角度及びピ
ストン154、155(第14図)のストロークを調整するため
に手動で又は周知の手段(図示せず)により移動するこ
とができる。
斜板の傾斜及びピストン154、155のストロークを減少
させるため、制御ロッド186が右方へ移動せしめられ、
サーボシリンダ185内に形成されたポート183′からピス
トン182のランド部183を引き離し、入力188をシリンダ
ユニット150aの通路189に接続する。このため、入力188
からの加圧流体の流れは通路189及び(駆動素子162の)
通路190を通ってカラー176に形成したキャビティ177の
左手部分に至り、加圧流体を制御ピストン174のフラン
ジ178の左手側へ導入される。
同時に、サーボピストン182のランド部184の運動によ
りサーボシリンダ185のポート184′が開き、シリンダユ
ニット150aの通路192を流体ドレン(図示せず)に接続
し、キャビティ177の右手部分から(駆動素子162の)通
路192、193を介して流体の排出を可能にする。その結
果、フランジ178の両側の圧力差により、制御ピストン1
74及びトグルリンク172が右に移動し、ホロワ195が制御
ピストン174と一緒に右に移動する。ホロワ195はサーボ
シリンダ185の端部に固定され、ポート183′、184′が
サーボピストン182のランド部183、184により再度閉じ
られるまで、サーボシリンダは右に移動し続ける。
サーボピストン182の制御ロッド184が左に移動した場
合は、上述のプロセス(工程)が逆になる。すなわち、
ポート184′が流体入力188に対して開き、ポート183′
が流体ドレンに接続される。従って、加圧流体は通路19
2、193を介してキャビティ177の右手部分に供給され、
キャビティ177の左手部分内の流体の排出が可能にな
る。これにより、制御ピストン174のフランジ178及びト
グルリンク172が左へ移動し、ホロワ195がサーボシリン
ダ185を、そのポート183′、184′がサーボピストン182
のランド部183、184により再度塞がれる位置へ移動させ
るまで、ロータ16′の傾斜及びピストンのストロークを
増大させる。
摺動シュー軸受組立体 上述のように、本発明の液圧機械は著しく軽量でコン
パクトであり、重量及び寸法の減少は、往復運動ピスト
ンにより転頭歯車装着斜板及び駆動素子に作用する軸方
向の力を支えるために使用される圧力平衡摺動シュー軸
受組立体により達成される。しかし、これに関し、従来
とは全く異なる方法で周知の「摺動シュー」技術を利用
することを明確にすることは重要である。すなわち、本
発明の組立体は、摺動シューがピストンと一緒に回転シ
リンダブロック内で回転するときに摺動シューが軸受表
面上で摺動するような従来の構造とは異なる。本発明の
摺動シューは機械の回転軸のまわりで運動せず、回転支
持部材が摺動する軸受表面を形成するために適所に保持
される。また、比較的小さなバネ前負荷(プレロード)
のみが対応する軸受表面に対して摺動シューを弾性的に
偏倚するために使用される。すなわち、本発明では、摺
動シューに対して比較的大きな軸方向力を作用させて
(克服せねばならぬような)大きな摩擦負荷の付加によ
る効率の低下を招くような従来の構造に使用する強力な
バネを使用しない。
第1図の概略的な斜板組立体を参照すると、揺動部分
14及び駆動素子24に作用するピストン18の軸方向スラス
ト力は周知の組をなすローラ軸受197、198により従来の
ように支えられる。ロータ16が駆動素子24と共に回転し
ている間に、揺動部分14の回転が転頭運動歯車10、20に
より制御されるため、ローラ軸受197は揺動部分14に関
するその回転が可能になる。ピストン18の軸方向スラス
ト力はローラ軸受197を介してロータ16に伝達され、次
いで、ロータ16を介して駆動素子24に伝達され、最後
に、駆動素子24のカラー177′及びローラ軸受198を介し
てハウジング12の軸受表面に伝達される。
機械のピストンの軸方向スラスト力を支えるローラ軸
受の上述の従来の使用法とは異なり、第14図に示す本発
明の液圧機械の好ましい実施例は2組の圧力平衡摺動シ
ュー200、201を使用し、これらの組のシューはそれぞ
れ、揺動部分14′とロータ16′との間、及び、駆動素子
162のカラー176と中央ハウジングユニット150cに固定し
た支持部材202により軸方向で抑制された円筒状リング2
18との間で独立に装着される。
第16、17図は第15図の液圧機械の斜板組立体部分の2
つの拡大詳細図である。第16図は揺動部分14′とロータ
16′との間に使用された本発明の圧力平衡摺動シューの
一部を示す。複数個の摺動シューの各々は対応するピス
トン154の球状端部170と整合し、各シュー200は揺動部
分14′の後面206に形成された対応するポケット205内に
収容されたハブ204を有する。
第17図はポケット205内に位置した複数個の摺動シュ
ー200を示す揺動部分14′の後面206の軸方向概略図であ
る。各摺動シュー200はロータ16′の前面210に形成した
適合表面に摺動摺接して位置した軸受表面208を有す
る。各摺動シュー200はまた、軸受表面208に形成した圧
力平衡キャビティ211を含む。流体通路212、213、214は
各ピストン154、揺動部分14′及び各摺動シュー200を貫
通してそれぞれ形成され、各圧力平衡キャビティ211を
各対応するシリンダ152のヘッドに接続する。このよう
にして、各それぞれの摺動シュー200は各対応するシリ
ンダ152のヘッドにおいて存在する圧力に等しい圧力に
よりロータ16′の回転する前面210上で支持される。
[注:当業者は、シュー200が形成される円形フォーマ
ットが従来の構成(摺動シューが僅かに卵形のパターン
として配列された構成)とは異なることを認識できよ
う。そして、ある応用にとって必要なら、ポケット205
をこのような僅かに卵形のパターン内に位置させること
ができることに留意すべきである。] 更に、各摺動シュー200は予負荷されたバネ216により
ロータ16′の前面210の方へ弾性的に偏倚される。これ
は関連するシリンダの排気/充填ストローク期間注に軸
受表面208とロータ16′との間の接触を維持するために
必要である。
上述のように、駆動素子162の回転するカラー176は、
支持部材202によりハウジングユニット105c内で軸方向
において抑制された円筒状リング218の前面のポケット
内に位置した第2組の摺動シュー201に対して当接す
る。摺動シュー201及び円筒状支持リング218の前面の外
見及び関係は、第17図に示すような摺動シュー200及び
揺動部分14′の後面の外見及び関係と同じである。
更に、摺動シュー200に関して上述した方法と同様の
方法で、各摺動シュー201のそれぞれの軸受表面はカラ
ー176の適合する表面に対して弾性的に偏倚され、各軸
受表面はそれぞれの軸受表面に形成された圧力平衡キャ
ビティを含む。また、ハウジングユニット150c内に形成
された流体通路220は各圧力平衡キャビティを関連する
シリンダ152、153のピェッドに接続し、カラー176の回
転する表面に対する(シリンダのヘッドにおいて存在す
る圧力に匹敵する)支持圧力を提供する。これと同じ摺
動シュー組立体の基本的なフォーマットは以下に詳説す
る液圧機械の別の実施例に使用される。
定容量形の液圧機械 第18図は本発明に係る固定角度斜板組立体を示す。図
面を明瞭にするために多くの部品を図示省略し、この実
施例の残りの部分の大半の素子は第14図の実施例で示さ
れた素子と実質上同じである。
内歯車10″はハウジング12″に固定され、これと噛合
する外歯車20″はスプリット型の斜板を形成するために
ロータ16″と共働する揺動部分14″の外側円周方向表面
に固定される。揺動部分14″は対応するシリンダ(第18
図には示さない)内に装着されたピストン18″の端部を
受け入れてこれを支持し、ロータ16″は駆動素子24″の
シャフト22″と一緒に回転する。外歯車20″の軸線40″
は揺動部分16″の前面26″に対して垂直に位置し、軸線
40″は点28″において駆動素子24″の回転軸線42″と交
差し、点28″は、回転及び転頭運動のためにロータ16″
が軸線42″に対して傾斜する際の有効中心となる。内歯
車10″の軸線は回転軸線42″と一致する。
この実施例においては、ロータ16″はある好ましい角
度x(例えば、30゜)の傾斜で駆動素子24″に固定さ
れ、歯車10″、20″の噛合する歯は上述の設計の1つに
従って形成される。
上述の組立体と同様の方法で、ロータ16″はハブ224
を含み、揺動部分14″はスパナー(spanner)ナット228
及びニードル軸受226によりハブ224上に保持され、ニー
ドル軸受227によりハブ224から離間せしめられている。
揺動部分14″の後面206″は複数個のポケット205″を有
し、これらのポケット内に、対応する摺動シュー200″
のハブ部分が嵌合している。各摺動シュー200″はバネ2
16″によりロータ16″の回転する前面210″に対して弾
性的に偏倚された軸受表面208″を有する。第16図に示
した実施例と同様、各摺動シュー200″の軸受表面208″
に形成された圧力平衡キャビティ211″は適当な流体通
路により関連するピストン18″のシリンダヘッドに接続
される。
固定角度のロータ16″の後面は駆動素子24″のための
カラー230として作用し、第2組の摺動シュー201″上で
摺動する適合表面を提供する。各シュー201″は支持部
材202″によりハウジング12″内で軸方向に抑制された
円筒状リング218″の前面に形成された対応するポケッ
ト205″内に収容されたハブ204″を有する。摺動シュー
201″及び円筒状支持リング218″の前面の外見及び関係
は、第17図に示すような摺動シュー200及び揺動部分1
4′の後面の外見及び関係と同じである。
更に、上述の他の摺動シューと同様、各摺動シュー20
1″はバネ216″により駆動素子24″の回転するカラー23
0″に対して(即ち、ロータ16″の後面に対して)弾性
的に偏倚された軸受表面208″を有する。第14図に示す
実施例と同様、各摺動シュー200″の軸受表面208″に形
成された圧力平衡キャビティ211″は適当な流体通路20
0″により関連する各ピストン18″のシリンダヘッド
(第14図)に接続され、カラー230の回転する表面に対
する(シリンダのヘッドにおいて存在する圧力に匹敵す
る)支持圧力を提供する。
摺動シュー200″、201″は回転軸線42″のまわりで運
動せず、揺動部分14″の後面206″及び円筒状リング21
8″の前面におけるそれぞれのポケット205″内での回転
を阻止され、回転運動及び転頭運動するロータ16″の適
合する前面及び後面のための圧力平衡軸受表面のみを提
供する。
上述のように、この定容量形の実施例の弁/シリンダ
/ピストン素子は第18図には示さないが、これらの素子
は第14図に示す液圧機械の実施例のシリンダハウジング
ユニット150a内に示された弁/シリンダ/ピストン素子
と同じである。第14図に示した素子を参照することによ
り理解できるよに、各ピストン18″が反復する加圧/排
気ストロークの交互に変化する圧力により往復運動する
ときに、整合する各摺動シュー200″、201″は、それぞ
れのシリンダのヘッドにおいて存在する交互に変化する
圧力と正確に同じ大きさの圧力により常に平衡される。
上述の非回転摺動シュー組立体は、従来の液圧機械に
使用されていた大型で重量のあるローラ軸受組立体を排
除できるようにした。本発明のシュー組立体を先の発明
に係る新規な歯車装置の転頭運動歯車と組み合わせた場
合には、寸法及び重量が著しく減少し、高速/高圧力の
自動車及び産業上の用途に必要な重荷重を有効かつ完全
に支えることのできる液圧機械が提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01B 3/02 F02B 75/32

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ハウジングと、上記ハウジングに固定され
    たシリンダ内で往復運動自在に装着され、駆動素子の回
    転軸線のまわりにおいて第1の半径方向距離で円周方向
    に位置した複数個のピストンと、上記回転軸線に関して
    所定の最大角度まで変化できる傾斜角度を有するスプリ
    ット型の斜板とを有し、上記ピストンが上記斜板の傾斜
    角度により決定されるストロークを有する液圧機械であ
    って、 当該斜板が、上記回転軸線のまわりで転頭運動するが回
    転しない揺動部分であって、当該回転軸線から上記第1
    の半径方向距離だけ離れて上記ピストンに連結される第
    1面と、外側の円周方向表面とを有する揺動部分;及
    び、ピボットに装着されたロータであって、該回転軸線
    に対してある角度で傾斜したときに回転中のロータが転
    頭運動するように上記駆動素子により回転せしめられる
    ロータを有する液圧機械において、 上記ハウジングに固定され、上記回転軸線に一致して位
    置した軸線を有する内歯車と; 上記揺動部分の外側円周方向表面に固定され、当該揺動
    部分の上記第1面に垂直に整合した軸線を有する外歯車
    と; を備え、 上記内歯車及び外歯車が、同心であって、実質的に同一
    の半径を有し、当該外歯車が回転を伴わずに当該内歯車
    のまわりて転頭運動できるのに十分なクリアランスを与
    えるような半径を有する一対のピッチ球体の形をしたピ
    ッチ表面を有し; 上記歯車が180゜離れてセンタリングされた2つの噛合
    領域で同時に噛み合う噛合歯を有し、上記各噛合歯が、
    それぞれの歯車のピッチ球体上で見たときに、所定の直
    径の単一の円の円弧により形成される少なくとも中央部
    分を備えた長手方向表面を有する; ことを特徴とする液圧機械。
  2. 【請求項2】請求の範囲第1項に記載の液圧機械におい
    て、上記斜板の傾斜が、 (イ)上記回転軸線に対して所定の最大角度で固定され
    るか、又は (ロ)上記ピストンのストロークが最小となる第1位置
    と、上記斜板が上記回転軸線に対して上記所定の最大角
    度で傾斜し当該ピストンのストロークが最大となる第2
    位置との間で調整可能であるか、 のいずれかであることを特徴とする液圧機械。
  3. 【請求項3】請求の範囲第1項に記載の液圧機械におい
    て、上記所定の最大角度が30゜であることを特徴とする
    液圧機械。
  4. 【請求項4】請求の範囲第1項に記載の液圧機械におい
    て、上記各噛合する歯が所定の測定による弦方向厚さを
    有し、上記単一の円が上記所定の測定に匹敵する直径を
    有することを特徴とする液圧機械。
  5. 【請求項5】請求の範囲第4項に記載の液圧機械におい
    て、 上記歯車のうちの少なくとも一方の歯車の各歯表面の上
    記円弧中央部分が各端部にそれぞれ隣接する2つの軸方
    向に延びる延長部を有し; 上記各延長部の表面が、ピッチ球体上で見たときに、
    (イ)上記歯表面の半径方向中心線から測ったそれぞれ
    所定の歯表面角度で両側に位置した2つの点のうちの対
    応する点において上記円弧中央部分から接線方向に延
    び、かつ(ロ)歯の軸方向中心線と交差する投影面の方
    へ延びる線により画定され; 上記各歯表面延長部が直線、又は、上記円弧中央部分の
    湾曲とは逆向きの湾曲を有する曲線により画定される; ことを特徴とする液圧機械。
  6. 【請求項6】請求の範囲第5項に記載の液圧機械におい
    て、上記各歯表面角度が上記所定の最大角度に等しいこ
    とを特徴とする液圧機械。
  7. 【請求項7】請求の範囲第5項に記載の液圧機械におい
    て、上記逆向きの湾曲が上記円弧中央部分の半径の3倍
    に匹敵する半径を有する円の円弧であることを特徴とす
    る液圧機械。
  8. 【請求項8】請求の範囲第1項に記載の液圧機械におい
    て、上記歯車のうちの第2歯車の上記各噛合歯の全体の
    長手方向表面が、上記第2歯車のピッチ球体上で見たと
    きに、円の円弧により形成されることを特徴とする液圧
    機械。
  9. 【請求項9】請求の範囲第1項に記載の液圧機械におい
    て、上記歯車のうちの少なくとも第1歯車の上記各噛合
    歯の歯表面が、上記第1歯車の半径方向中央面内で見た
    ときに、実質上直線状のプロフィールを呈し、上記直線
    状のプロフィールが(イ)スプライン形状か、又は
    (ロ)当該第1歯車の半径方向の線を追従し;上記各歯
    面が先端逃しを含む上方歯末を有することを特徴とする
    液圧機械。
  10. 【請求項10】請求の範囲第1項に記載の液圧機械にお
    いて、 上記斜板の傾斜は、上記ピストンのストロークが最小と
    なる第1位置から、当該斜板が上記所定の最大角度で傾
    斜し当該ピストンのストロークが最大となる第2位置ま
    で調整可能となっており; 上記斜板の傾斜が上記駆動素子に関して軸方向に移動で
    きるトグルリンクにより調整され; 上記トグルリンクの一端が上記ロータに連結され、当該
    トグルリンクの他端が制御ピストンに連結される; ことを特徴とする液圧機械。
  11. 【請求項11】請求の範囲第1項に記載の液圧機械にお
    いて、 上記揺動部分が上記ロータの対応する表面に近接した第
    2の面を有し; 第1組の摺動シューは、上記ピストンが上記揺動部分の
    上記第1面に連結される位置に直接整合して、当該揺動
    部分の上記第2面に設けたポケット内にそれぞれ位置し
    ており、上記各摺動シューの表面が上記ロータの上記対
    応する表面に摺動接触して位置し; 上記ロータが上記ハウジングに形成された軸受表面に近
    接して位置した後面を有し; 第2組の摺動シューが上記ハウジングの上記軸受表面に
    設けたポケット内にそれぞれ位置しており、上記第2組
    の各摺動シューの表面が上記ロータの上記後面に形成し
    た対応する表面に摺動接触して位置し; 上記各組の上記各摺動シューが上記対応する表面の方へ
    弾性的に偏倚され、各シューが当該対応する表面と摺動
    接触する上記表面に形成された圧力平衡キャビティを含
    み; 対応する流体通路が上記各シリンダの対応するヘッドと
    上記各組の対応する摺動シューの圧力平衡キャビティと
    の間に形成されている; ことを特徴とする液圧機械。
  12. 【請求項12】請求の範囲第1項に記載の液圧機械にお
    いて、 上記ハウジングが軸線及び半径方向寸法を有する中央ユ
    ニットの対応する端部にそれぞれ着脱自在に取り付けら
    れたシリンダユニット及び端キャップを備え; 上記ピストンが所定の半径方向及び軸方向寸法を有し、
    上記シリンダユニットに形成された対応する半径方向寸
    法のシリンダ内に収容されており;上記駆動素子が所定
    の軸方向寸法を有し、上記端キャップに隣接して装着さ
    れた軸受により支持されており;上記斜板が上記中央ユ
    ニット内に装着されており; 液圧機械が、上記端キャップ及びこれに隣接する軸受、
    又は、上記斜板、又は、上記シリンダの軸方向寸法を除
    いた上記シリンダユニットの任意の部分を修正すること
    なく、(イ)上記中央ユニットを、同じ半径方向寸法を
    有するが修正された軸方向寸法を有する同様の中央ユニ
    ットに交換し、(ロ)上記駆動素子及び上記ピストン
    を、それぞれの軸方向寸法のみが相対的にそれぞれ修正
    された駆動素子及びピストンに交換することにより、モ
    ジュラ的に変更できる; ことを特徴とする液圧機械。
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