エンジニアリング・エッセンシャルズ 油圧モータ

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図1. 外歯車モータは、1つのハウジングに1つの駆動歯車と1つのアイドラ歯車が収められている。

すべてのタイプの油圧モータは、圧力差を受ける駆動面、連続回転を実現するための圧力面への圧力流体の導入タイミング、および駆動面と出力軸との間の機械的接続という共通の設計特徴を持つ。

力に対する圧力面の能力、各タイプのモータの漏れ特性、および圧力面と出力軸を連結するために使用する方法の効率は、圧力、流量、トルク出力、速度、体積効率および機械効率、寿命、および物理構成の観点から、モータの最大性能を決定する。

油圧モータの変位は、固定または可変である場合があります。 固定変位モーターは、一定のトルクを提供する。 回転数は、モータへの入力量を制御することによって変化させることができる。 可変容量形は、トルクと回転数が変化するものである。

トルク出力は、インチポンドまたはフットポンドで表され、システム圧力とモータ変位の関数である。 モータのトルク定格は、通常、モータにかかる特定の圧力損失に対して与えられます。 理論的な数値は、機械的な損失がないと仮定して、モータシャフトで利用可能なトルクを示しています。

離脱トルクは、静止した負荷を回転させるために必要なトルクです。

走行トルクは、モータの負荷を指す場合と、モータを指す場合があります。 負荷を指す場合は、負荷を回し続けるために必要なトルクを表します。 モータの場合は、負荷を回転させ続けるためにモータが実際に発生させることができるトルクを示します。 回転トルクはモータの非効率性を考慮し、理論トルクに対するパーセンテージで表します。 一般的なギヤモータ、ベーンモータ、ピストンモータの走行トルクは理論値の約90%である。

起動トルクは、油圧モータが負荷を起動する能力を示す。 負荷の回転を開始させるのに必要なモータのトルクの大きさを示します。 場合によっては、モータの回転トルクよりかなり小さくなる。 また、起動トルクは理論トルクに対する割合で表すこともできます。

機械効率は、理論トルクに対する実際のトルクの比率です。

トルクリップルは、モータの1回転中に与えられた圧力で提供される最小および最大トルクの間の差です。

最大モータ速度は、モータが損傷せずに一定時間維持できる特定の入口圧力での速度です。

最小モータ速度は、モータ出力シャフトから得られる最も遅く、連続した、中断されない回転速度です。

スリップとは、モータからの漏れ、または仕事を行わずにモータを通過する流体のこと。

ギアモータ

図1の外付けギアモータは、一つのハウジングに収められた一対のマッチしたギアからなる。 両歯車は同じ歯形をもち、圧力流体により駆動される。 一方の歯車は出力軸に接続され、他方はアイドラーである。 圧力流体は、歯車の噛み合わせ部分からハウジングに入り込みます。 圧力流体は歯車を強制的に回転させ、ハウジングの外周の最も抵抗の少ない経路をたどります。

歯車とハウジングの間の公差を小さくすることで、流体の漏れを抑え、容積効率を向上させることができます。

内歯車モータは、2つのカテゴリに分類されます。 直接駆動するジェロータモータは、図2に示すように、インナー・アウタギヤセットと出力軸から構成されている。 内歯車は外歯車より歯数が1枚少なくなっている。 内歯車の歯は、外歯車の一部と常に接触しているような形状をしている。 圧力流体がモーターに導入されると、両方のギアが回転する。 モーターハウジングには，腎臓のような形の吸入口と排出口が一体となっています。 2つの歯車の回転中心は、偏心量と呼ばれる所定の量だけ離れています。 内歯の中心は出力軸の中心と一致する。

図2.内歯車と出力軸の関係 ダイレクトドライブジェロータモータは、内歯車と外歯車のセットを持っている。

図2(a)において、圧力流体は入口ポートからモータに入る。 このポケットの容積が最大になると、内歯6と1の歯先でシールされて流体が遮断されるように、図2(b)のように腎臓形の吸入ポートが設計されている。

外歯に余分な歯があるため、内歯は1回転に1歯分外歯より先に動く。 図2(c)では、内歯4が外側のソケットEに入り、次のサイクルでは内歯4が外側のソケットFに入る。このため、歯車間の相対差速度は小さくなる。 静止している外歯車は、回転している内歯車より歯数が1枚多くなっている。 コミュテータは内歯車と同じ速度で回転し、常に圧力流体とタンクへの通路を2つの歯車の間の適切なスペースに供給する。

動作時、図3(a)は内歯車の歯1が外歯車のソケットDに正確に整列している状態である。 点yは固定歯車の中心、点xはロータの中心である。 もし流体がなければ、ロータはソケットDを中心にどちらの方向にも自由に揺動することができる。 もし流体がなければ、ロータはソケットEの歯2の着座方向にも、逆にソケットJの歯6の着座方向にも動くことができる。 オービティングジェロータモータは、固定された外歯車と回転する内歯車を持っている。 ロータとシャフトは反時計方向に回転するが、点Xの軌跡は時計方向である。

内歯車と外歯車の間の容積の下半分に圧力流体が流入するとき、内歯車と外歯車の間の容積の上半分にタンクへの通路があれば、内歯車を反時計方向に回転させ、歯2をソケットEに装着し始める力が発生する。 図3(a)の瞬間、歯4は圧力と戻り流体の間をシールしている。

しかし、回転を続けると点xの軌跡は時計回りになる。 図3(b)に示すように、ローターの歯がソケットに収まると、ローター上で収まった歯と反対側の歯が、圧力と戻り流体のシールとなる。 この時、軸は1/7回転し、点xは6/7回転したことになる。 図3(c)では，歯2がソケットDにかみ合い，点xは再びソケットDと点yの間に位置するようになり，ロータは外歯車の内側を1回転したことになる． 図3(a)で歯1は元の位置から60°動いたことになり、軸が1回転するには42（または6×7）回の歯の噛み合わせ、または流体サイクルが必要である。 この通路は、歯がそのソケットに着座するときに適切なポートへの圧力または戻り流を提供しないように間隔をあけて配置されている。

ローラベーンジェロータモータ（図4）は、オービティングジェロータモータの変形版である。 静止しているリングギヤ（ステータ）と動いているプラネットギヤ（ロータ）を持っている。 遊星歯車の偏心アームは、2つのジャーナル軸受で保持する代わりに、6枚歯ロータと7枚歯ステータの噛み合わせで保持される。 ステーターとローターを直接接触させるのではなく、ローラーベーンを組み込んで変位室を形成している。 このローラーベーンにより摩耗が少なく、閉ループ高圧静圧回路でのダイレクトマウントホイールドライブとして使用することができる。 ベーンモータ（図はバランス型）は、スロット付きのロータにベーンが取り付けられている。

図5のベーンモータは、ロータが駆動軸に取り付けられ、その駆動によって動く。 ローターのスロットに密着したベーンは半径方向に移動し、カムリングに対してシールする。 カムリングは、半径方向に2つの大径部と2つの小径部があり、過渡的な部分またはランプで結合されています。

いくつかの設計では、軽いスプリングがベーンをカム輪郭に半径方向に押しつけ、ゼロ速度でのシールを保証して、モータが始動トルクを発生できるようにしている。 高速回転では遠心力によってスプリングがアシストされます。

圧力流体は、ランプのサイドプレートの開口部を通して、モーターハウジングに出入りします。 入口ポートから入った圧力流体は、ローターを反時計回りに動かします。 ローターは流体を出口ポートのランプ開口部まで搬送し、タンクに戻します。

ローターは流体膜によってサイドプレート表面から軸方向に分離されています。

ロータは流体膜によって側板表面から軸方向に分離されている。前側板は圧力によってカムリングに固定され、温度や圧力が変化しても最適なクリアランスを保つことができる。

ベーン・モーターの寿命は、ピストン・モーターより短い。 ベーンモータは、排気量20インチ3/revから、低速・高トルク型では756インチ3/revまでのものがある。

ピストン型モータ

図6.ピストン型モータの低速度特性

ラジアルピストンモータ(図6)は、駆動軸に取り付けられたシリンダバレルを持っており、バレルにはラジアルボアの中で往復運動する多数のピストンが入っている。 ピストンの外側には、スラストリングが取り付けられている。 圧力流体はシリンダーバレルの中央にあるピントルを通過し、ピストンを外側に駆動する。

モータの変位は、スライドブロックを横方向に移動させてピストンストロークを変えることにより変化させる。 シリンダバレルとハウジングの中心線が一致すると、流体の流れがないためシリンダバレルは停止する。

ラジアルピストンモータは非常に効率のよいモータです。 ラジアルピストンモーターの製造には高い精度が要求されるため、初期コストが高くなるが、一般に寿命が長い。 比較的低い軸回転数で高いトルクが得られ、低速回転での効率も良いが、高速回転には限界がある。 ラジアルピストンモーターの変位は1,000インチ3/レヴァまである。

アキシャルピストンモーターもピストンの往復運動原理を利用して出力軸を回転させるが、運動はラジアルではなくアキシャルである。 その効率的な特性はラジアルピストンモータに似ている。 当初、アキシャルピストンモーターは、同程度の馬力のベーンモーターやギアモーターよりもコストが高く、ラジアルピストンモーターと同様に長い動作寿命を持っています。 このため、イニシャルコストが高いということは、機器の耐用年数中に予想される総コストを本当に反映していない可能性がある。 一般にアキシアルピストンモータは高速性に優れるが、ラジアルピストンモータと異なり低速域に制限があり、インラインタイプは100rpm、ベントアクシスタイプは4rpmまで滑らかに出力される。 図7はインライン・ピストン・モーターで、シリンダーブロックの中を往復するピストンの端に圧力をかけてトルクを発生させるものである。 インライン型では、モータの駆動軸とシリンダブロックは同一軸心上にある。 ピストンの先端にかかる圧力は、傾いた斜板に対して反作用を起こし、シリンダーブロックとモーター軸を回転させる。 トルクはピストンの面積に比例し、斜板が置かれる角度の関数である。

これらのモータには固定容量型と可変容量型がある。 斜板の角度によってモータの変位が決まる。 可変モデルでは、斜板はスイングヨークに取り付けられ、単純なレバーやハンドホイールから高度なサーボ制御まで、さまざまな手段で角度を変えることができる。 斜板の角度を大きくすると、トルク容量が大きくなりますが、駆動軸の速度は遅くなります。 逆に、角度を小さくすると、トルク容量は減少しますが、駆動軸の速度は増加します（流体圧力が低下しない限り）。

補償器は、負荷の変化に応じてモータの変位を変化させるもので、角度を変えることによりトルクと速度が動作範囲内に収まるようにします。 バネ仕掛けのピストンがヨークに接続され、作動圧力の変化に応じてピストンを移動させます。 負荷が増加すると、それに伴って必要なトルクが増加するため、圧力が増加します。 そして、負荷が軽いときにはトルクが増加するようにヨークを自動的に調整する。 理想的には、リリーフバルブの設定値までのすべての負荷条件下で、コンペンセータが変位を調節し、最大限の性能を発揮する。 曲げ軸ピストンモータの断面図。

図8の曲げ軸ピストンモータは、往復するピストンの圧力に対する反作用でトルクを発生させるものである。 この設計では、シリンダブロックとドライブシャフトは互いに角度をつけて取り付けられ、反作用はドライブシャフト・フランジに対して起こる。

速度とトルクは、約30°の角度で最大変位とトルクで所定の最小速度から約7-1/2°で最小変位とトルクで最大速度まで、角度の変化に応じて変わる。 9334>

ロータリーアバットメントモーター

図9のロータリーアバットメントモーターは、アバットメントAが回転してロータリーベーンBを通過し、第2のアバットメントCがローターハブと交互にシール係合する。 トルクは流体からロータへ、ロータからシャフトへ直接伝達される。 出力軸と回転アバットメントの間にはタイミングギアがあり、ローターベーンとアバットメントを適切な位相に保っています。 ローターベーンの先端にあるアリ溝の中のローラーは、基本的に摩擦がなく、比較的摩耗に敏感なポジティブシールを提供します。

スクリューモーターは、基本的に流体の流れ方向を逆にしたポンプである。 スクリューモータはパワーロータと2つのアイドラロータの3つのかみ合うスクリューを使用している(図10)。 アイドラーロータは、ロータハウジングに密着した連続した孤立したヘリカル室を形成するシールとして機能する。

アイドラーローターはそのボア内で浮いている。 スクリュウセットの回転速度と流体の粘性により流体力学的な膜を形成し、ジャーナルベアリングのシャフトのようにアイドラ・ロータを支え、高速運転を可能にします。

油圧モータの選定

図9.油圧モータを選定する。 ロータリーアバットメントモーターのアバットメントAはロータリーベーンBを通過して回転し、第2アバットメントCはシールプレートに接触して高圧領域と低圧領域が分離される。 ベーン先端とロータ外周のシールピンは、ほぼ摩擦のないシールを実現している。

油圧モータの用途は、一般に必要な馬力とモータの回転数範囲を決定するが、必要な馬力を維持したまま実際の回転数とトルクを変化させることがある。

一旦、流体の種類が決定されると、実際のサイズの選択は、期待される寿命と機械への全体的な設置の経済性に基づいて行われる。

定格容量未満で動作する液体モーターは、定格容量未満の動作における減少に比例して、より長いサービス寿命が得られる。 モータを常にこの条件で運転すれば、イニシャルコストは最も低くなります。 しかし、出力速度を下げる必要がある場合は、減速した場合のモータの全体的なコストを考慮し、ドライブの設置コスト全体を最適化する必要があります。

油圧モータのサイズ決定

用途に合わせた油圧モータサイズの算出方法の一例として、次のような場合を考えてみます。

必要な理論トルクは次の式で計算されます:

T = (63,0252 3馬力)/N

ここで、
Tはトルク、lb・インチ。

モーター変位は次のように計算されます：

D = 2π T ÷ ΔPeM

ここで、
Dは変位、インチ3です。/rev
ΔP is pressure differential, psi, and
eM is mechanical efficiency, %.
If mechanical efficiency is 88%, then D is 0.258 in.3/rev.

必要流量の計算：

Q = DN/231eV,

ここに。 Qは流量、gpm、
eVは容積効率、%。
容積効率が93%の場合、Qは3.6gpm。

これらの方程式における圧力は、入口と出口圧力間の差である。

ほとんどのモータの効率係数は、半定格圧力から全定格圧力まで、および定格回転数範囲の中央部で動作する場合、ほぼ一定になります。

動作圧力が低くなると、どの流体モータにも特徴的な内部回転損失が固定されるため、全体の効率が低くなります。

油圧モータの故障

モータの問題の大部分は、以下のカテゴリに分類されます：

不適切な流体-モータは、油圧システムの他のコンポーネントと変わりません。

不十分なメンテナンス-不十分なメンテナンス・プログラムは、大きな問題の原因の第2位を占めます。

• ラインや接続部のチェックと修理を怠り、漏れを止めることができなかった場合。 モーターシャフトのミスアライメントは、ベアリングの摩耗を引き起こし、効率の低下につながる可能性があります。
• failure to find the cause of a motor malfunction.シャフトがずれていると、トルクが減少し、摩擦抵抗や熱が増加し、シャフトの故障につながる可能性があります。 モータが故障したら、必ずその原因を探します。 明らかに、原因が修正されないと、故障は再発します。

不適切な運転 – モーターの動作限界を超えると、モーターの故障を促進します。 すべてのモータには、圧力、速度、トルク、変位、負荷、および温度に関する設計上の制限があります。 過剰な圧力は、モータのスリップによる発熱や、モータのトルク制限を超える原因となる可能性があります。

過度のトルクは、ベアリングやモータシャフトに疲労やストレスを与える可能性があります。 過大な負荷は、ベアリングやシャフトに疲労を生じさせることがあります。 また、過度の温度は、オイルが薄くなるため効率の低下を招き、潤滑不足により急速な摩耗を生じさせる可能性があります。

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