DE102017106760A1

DE102017106760A1 - Drehzahlerhöher

Info

Publication number: DE102017106760A1
Application number: DE102017106760.4A
Authority: DE
Inventors: Ryosuke FUKUYAMA; Kaho TAKEUCHI
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: DE102017106760B4; US10260604B2; KR101970395B1; JP2017180783A; US20170284518A1; KR20170113170A; JP6583101B2

Abstract

Ein Drehzahlerhöher bzw. eine Übersetzungsvorrichtung weist eine ringförmige Umfangswand, die mit einer Drehung der niedertourigen Welle drehbar ist, eine hochtourige Welle, die innerhalb der Umfangswand angeordnet ist und eine Drehachse hat, die sich in der gleichen Richtung wie jene der Umfangswand erstreckt, und drei Rollelemente auf, die innerhalb der Umfangswand angeordnet und mit sowohl der Umfangswand als auch der hochtourigen Welle in Kontakt sind. Die drei Rollelemente sind an verschiedenen Positionen entlang der Drehachse der hochtourigen Welle angeordnet, wobei sich Drehachsen der drei Rollelemente in der gleichen Richtung wie die Drehachse der hochtourigen Welle erstrecken und die Drehachsen der drei Rollelemente in einer Umfangsrichtung der hochtourigen Welle beabstandet sind. Die drei Rollelemente sind derart angeordnet, dass zumindest ein Teil von Kontaktbereichen zwischen der hochtourigen Welle und den Rollelementen frei von einem einander Überlappen entlang der Drehachse der hochtourigen Welle ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehzahlerhöher bzw. eine Geschwindigkeitserhöhungsvorrichtung.
Die japanische Patentanmeldungsoffenlegung 2004-308757 offenbart einen Drehzahlerhöher mit einer ringförmigen Umfangswand, die mit der Drehung einer niedertourigen Welle bzw. einer Welle mit geringer Geschwindigkeit drehbar ist, einer hochtourigen Welle bzw. einer Welle mit hoher Geschwindigkeit, die innerhalb des Ringbauteils angeordnet ist, und drei Walzen bzw. Rollelementen, die innerhalb des Ringbauteils und in Kontakt mit der Umfangswand und der hochtourigen Welle angeordnet sind. In diesem Drehzahlerhöher, wenn die niedertourige Welle mit Öl, das ausreichend zugeführt wird, gedreht wird, wird ein Ölfilm an Positionen ausgebildet, an denen die Walzen mit der Umfangswand und mit der hochtourigen Welle in Kontakt sind, und die Drehung der niedertourigen Welle wird an die hochtourige Welle durch den Ölfilm übertragen, wodurch die hochtourige Welle bei einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl gedreht wird, die größer als jene der niedertourigen Welle ist.
Ein Drehzahlverhältnis des Drehzahlerhöhers der vorangehend genannten Publikation wird durch das Verhältnis des Innendurchmessers des Rings zu dem Außendurchmesser der hochtourigen Welle bestimmt. Um das Drehzahlverhältnis in einem Drehzahlerhöher mit einer Umfangswand mit einem konstanten Innendurchmesser zu erhöhen, kann zum Beispiel der Durchmesser der hochtourigen Welle reduziert werden und die Durchmesser der Walzen bzw. Rollelemente können derart eingestellt sein, dass die Kraft bzw. Leistung der niedertourigen Welle an die hochtourige Welle übertragen wird.
In dem vorangehend genannten Drehzahlerhöher mit einer Konfiguration, in der die hochtourige Welle durch die drei Rollelemente gestützt wird, die innerhalb des Ringbauteils angeordnet sind, kann die hochtourige Welle noch stabiler gestützt werden als verglichen mit dem Fall, in dem die hochtourige Welle durch zwei Rollelemente gestützt wird. Um ein Drehzahlverhältnis in dem Drehzahlerhöher mit drei Rollelementen zu erhöhen, muss eine Beeinträchtigung zwischen den Rollelementen berücksichtigt werden, welche durch eine Erhöhung des Durchmessers der Rollelemente verursacht werden kann, so dass der Durchmesser der hochtourigen Welle lediglich innerhalb eines Bereichs reduziert werden kann, der keine Beeinträchtigung der Rollelemente verursacht. Als ein Ergebnis besteht die Befürchtung, dass ein gewünschtes Drehzahlverhältnis nicht erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung, welche im Lichte der vorangehenden Probleme gemacht wurde, ist darauf gerichtet, eine Drehzahlerhöhungsvorrichtung bzw. einen Drehzahlerhöher zu bieten, der drei Rollelemente verwendet und ein Erreichen eines gewünschten Drehzahlverhältnisses erlaubt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Drehzahlübersetzungsvorrichtung bzw. ein Drehzahlerhöher vorgesehen, der eine ringförmige Umfangswand, die koaxial zu einer niedertourigen Welle bzw. einer Welle mit geringer Drehzahl angeordnet und mit einer Drehung der niedertourigen Welle drehbar ist, eine hochtourige Welle bzw. eine Welle mit hoher Drehzahl, die innerhalb der Umfangswand angeordnet ist und eine Drehachse hat, die sich in der gleichen Richtung wie die Drehachse der Umfangswand erstreckt, und drei Rollelemente bzw. Walzen (rollers) aufweist, die innerhalb der Umfangswand und in Kontakt mit sowohl der Umfangswand als auch der hochtourigen Welle angeordnet sind. Die drei Rollelemente sind an verschiedenen Positionen entlang der Drehachse der hochtourigen Welle angeordnet, wobei sich Drehachsen der drei Rollelemente in der gleichen Richtung wie die Drehachse der hochtourigen Welle erstrecken und die drei Drehachsen der drei Rollelemente in einer Umfangsrichtung der hochtourigen Welle beabstandet sind. Die drei Rollelemente sind derart angeordnet, dass zumindest ein Teil von Kontaktbereichen zwischen der hochtourigen Welle und den Rollelementen frei von einem einander Überlappen entlang der Drehachse der hochtourigen Welle ist.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, die in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen genommen wird, die beispielhafte Prinzipien der Erfindung darstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische fragmentarische Längsschnittansicht einer Drehzahlerhöhungsvorrichtung bzw. eines Drehzahlerhöhers und eines Zentrifugalkompressors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie II-II in 1 genommen ist;
3 ist eine Querschnittsansicht einer hochtourigen Welle, die Positionen von drei Rollelementen zeigt; und
4 ist eine Querschnittsansicht eines Drehzahlerhöhers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Folgende wird einen Drehzahlerhöher gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 3 beschreiben. Der Drehzahlerhöher der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung in einem Zentrifugalkompressor angepasst, der an einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCV) mit einer Brennstoffzellenbatterie montiert ist und Luft zu der Brennstoffzellenbatterie schickt.
Bezugnehmend auf 1 ist ein Zentrifugalkompressor bzw. Radialverdichter 10 gezeigt, der eine niedertourige Welle bzw. eine Welle 11 mit geringer Drehzahl, eine hochtourige Welle bzw. eine Welle 12 mit hoher Drehzahl, einen Elektromotor 13, der angetrieben wird, um die niedertourige Welle 11 zu drehen, einen Drehzahlerhöher 14, der die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der niedertourigen Welle 11 erhöht und sie an die hochtourige Welle 12 überträgt, und einen Kompressionsteil 15 aufweist, der mit der hochtourigen Welle 12 verbunden ist und ein Fluid (Luft in der vorliegenden Ausführungsform) mit der Drehung der hochtourigen Welle 12 komprimiert. Die niedertourige und hochtourige Welle 11, 12 sind aus einem Metall, wie zum Beispiel Stahl, hergestellt.
Der Zentrifugalkompressor 10 weist ein Gehäuse 20 auf, das den äußeren Mantel des Zentrifugalkompressors 10 bildet. Das Gehäuse 20 hat eine im Allgemeinen zylindrische Form und beherbergt darin die niedertourige und die hochtourige Welle 11, 12, den Elektromotor 13, den Drehzahlerhöher 14 und den Kompressionsteil 15. Das Gehäuse 20 weist ein Motorgehäuse 21, das in sich den Elektromotor 13 beherbergt, ein Drehzahlerhöhergehäuse 22, das darin den Drehzahlerhöher 14 beherbergt, und ein Kompressorgehäuse 23 auf, das darin den Kompressionsteil 15 beherbergt. Das Motorgehäuse 21, das Drehzahlerhöhergehäuse 22 und das Kompressorgehäuse 23 sind in dieser Reihenfolge entlang der axialen Richtung des Gehäuses 20 angeordnet. Das Gehäuse 20 weist ferner eine Platte 24 auf, die zwischen dem Drehzahlerhöhergehäuse 22 und dem Kompressorgehäuse 23 liegt. Das Motorgehäuse 21 ist auf einer Seite des Drehzahlerhöhergehäuses 22 angeordnet und das Kompressorgehäuse 23 ist auf der anderen Seite des Drehzahlerhöhergehäuses 22 mit der Platte 24 angeordnet, die dazwischen angeordnet ist.
Die niedertourige Welle 11 ist in dem Motorgehäuse 21 beherbergt. Die niedertourige Welle 11 ist koaxial zu dem Gehäuse 20 angeordnet und wird durch dieses drehbar gestützt. Ein Teil der niedertourigen Welle 11 ist durch ein Loch 22a eingesetzt, das sich durch die Bodenwand des Drehzahlerhöhergehäuses 22 erstreckend ausgebildet ist, so dass der Teil der niedertourigen Welle 11 in dem Drehzahlerhöhergehäuse 22 positioniert ist. Ein Dichtbauteil 25 liegt zwischen der Innenumfangsfläche des Lochs 22a des Drehzahlerhöhergehäuses 22 und der niedertourigen Welle 11, um so Öl O an einem Ausströmen von dem Drehzahlerhöhergehäuse 22 in das Motorgehäuse 21 zu hindern. Das Öl O wird in das Drehzahlerhöhergehäuse 22 durch einen Einlassanschluss 22b geströmt, der in dem Drehzahlerhöhergehäuse 22 ausgebildet ist, und wird innerhalb des Drehzahlerhöhergehäuses 22 zirkuliert. Dann wird das Öl O durch einen Abgabeanschluss (nicht gezeigt) abgegeben, der in dem Drehzahlerhöhergehäuse 22 ausgebildet ist.
Der Elektromotor 13, der in dem Motorgehäuse 21 untergebracht ist, weist einen Rotor, der an der niedertourigen Welle 11 fixiert ist, und einen Stator auf, der radial auswärts von dem Rotor angeordnet ist und an der Innenumfangsfläche des Motorgehäuses 21 fixiert ist. Mit einer Spule des Stators, die durch Strom erregt wird, werden die niedertourige Welle 11 und der Rotor einstückig gedreht.
Die hochtourige Welle bzw. Hochdrehzahlwelle 12, die einen Teil des Drehzahlerhöhers 14 bildet, ist in dem Drehzahlerhöhergehäuse 22 beherbergt. Die hochtourige Welle 12 ist koaxial zu dem Gehäuse 20 angeordnet und wird dadurch drehbar gestützt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die hochtourige Welle 12 und die niedertourige Welle 11 koaxial angeordnet. Die hochtourige Welle 12 erstreckt sich durch ein Loch 24a hindurch, das durch die Platte 24 ausgebildet ist, so dass ein Teil der hochtourigen Welle 12 in dem Kompressorgehäuse 23 positioniert ist. Ein Dichtbauteil 26 liegt zwischen der Innenumfangsfläche des Lochs 24a der Platte 24 und der hochtourigen Welle 12, um Öl O an einem Ausströmen von dem Drehzahlerhöhergehäuse 22 in das Kompressorgehäuse 23 zu hindern.
Der Kompressionsteil 15 ist gestaltet, um ein Fluid zu komprimieren bzw. zu verdichten, das angezogen wird, um das komprimierte Fluid abzugeben. Der Kompressionsteil 15 des Zentrifugalkompressors 10 weist ein Laufrad, einen Diffuserdurchgang und eine Abgabekammer auf (wovon keine gezeigt ist). Das Laufrad ist an der hochtourigen Welle 12 zur Drehung damit montiert. Mit der Drehung des Laufrads mit der hochtourigen Welle 12 wird das Fluid, das in den Kompressionsteil 15 gezogen ist, komprimiert, und das komprimierte Fluid wird ferner verdichtet bzw. komprimiert, während es durch den Diffuserdurchgang zu der Abgabekammer hin tritt und wird von der Abgabekammer abgegeben.
Der Drehzahlerhöher 14 der vorliegenden Ausführungsform ist von einer sogenannten Traktionsantriebsart (Friktionsrollenart). Wie in 1 gezeigt ist, weist der Drehzahlerhöher 14 ein Ringbauteil 27 auf, das mit der niedertourigen Welle 11 verbunden ist und damit drehbar ist. Das Ringbauteil 27 weist eine Basis 28, die eine Scheibenform hat und mit der niedertourigen Welle 11 verbunden ist, und eine ringförmige Umfangswand 29 auf, die sich von dem Außenumfang der Basis 28 zu der Platte 24 hin erstreckt. Die Umfangswand 29 ist mit der Drehung der niedertourigen Welle 11 drehbar. Der Innendurchmesser der Umfangswand 29 ist größer als der Durchmesser des Endes der niedertourigen Welle 11, das mit der Basis 28 verbunden ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind das Ringbauteil 27 und die niedertourige Welle 11 miteinander derart verbunden, dass sich die Drehachse der Basis 28 des Ringbauteils 27 koaxial zur Drehachse 11L der niedertourigen Welle 11 erstreckt. Außerdem erstreckt sich die Drehachse 29L der Umfangswand 29 koaxial zu der Drehachse 11L der niedertourigen Welle 11. Das Ringbauteil 27 dreht sich mit der Drehung der niedertourigen Welle 11. Mit anderen Worten ist die Umfangswand 29 koaxial zu der niedertourigen Welle 11 angeordnet. Ein Teil der hochtourigen Welle 12 ist innerhalb der Umfangswand 29 des Ringbauteils 27 angeordnet. Symbol bzw. Bezugszeichen 12L, das in 1 gezeigt ist, gibt die Drehachse der hochtourigen Welle 12 an.
Bezugnehmend auf 2 weist der Drehzahlerhöher 14 ferner drei Rollelemente bzw. Walzen auf, nämlich ein erstes, zweites und drittes Rollelement bzw. Rollbauteil 30, 31, 32, die innerhalb der Umfangswand 29 und in Kontakt mit sowohl der Umgangswand 29 als auch der hochtourigen Welle 12 angeordnet sind. Das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 haben eine zylindrische Form und sind mit den Drehachsen von diesen, die sich in der gleichen Richtung wie die Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 erstrecken, angeordnet. Das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 sind mit den Drehachsen 30L, 31L, 32L von diesen angeordnet, die winkelartig bei einem regelmäßigen Abstand (bei 120 Grad in der vorliegenden Ausführungsform) in der Umfangsrichtung der hochtourigen Welle 12 beabstandet sind.
In dem Drehzahlerhöher 14 der vorliegenden Ausführungsform sind das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 im Wesentlichen identisch in einer Form zueinander ausgebildet. Mit anderen Worten haben das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 im Wesentlichen den gleichen Durchmesser, welcher die Abmessung in der Richtung ist, die sich senkrecht zu der Drehachse erstreckt, und die Breite, die die Abmessung in der Richtung ist, die sich entlang der Drehachse erstreckt. Wie in 2 gezeigt ist, sind die Durchmesser des ersten, zweiten und dritten Rollelements 30, 31, 32 größer als jene der Hochdrehzahlwelle bzw. der hochtourigen Welle 12. Die Durchmesser der entsprechenden Rollelemente 30, 31, 32 sind kleiner als der Innenradius der Umfangswand 29, so dass die Rollelemente 30, 31, 32 innerhalb der Umfangswand 29 angeordnet sind. Das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 sind aus dem gleichen Material wie die hochtourige Welle 12 hergestellt.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, weist der Drehzahlerhöher 14 ferner ein Stützbauteil 35 auf, das die Rollelemente 30, 31, 32 in Zusammenarbeit mit der Platte 24 drehbar stützt. Das Stützbauteil 35 hat einen Durchmesser kleiner als jener der Umfangswand 29 und ist innerhalb der Umfangswand 29 angeordnet. Wie in 2 gezeigt ist, weist das Stützbauteil 35 einen ersten, zweiten und dritten Stützabschnitt 35a, 35b, 35c auf, die in den Räumen angeordnet sind, die jeweils durch die Innenumfangsfläche 29a der Umfangswand 29 und die Außenumfangsflächen von beliebigen zwei benachbarten Rollelementen 30, 31, 32 definiert sind.
Jeder von dem ersten, zweiten und dritten Stützabschnitt 35a, 35b, 35c ist in dem Raum mit einem konstanten Abstand bzw. Spielraum angeordnet, der zwischen der Innenumfangsfläche 29a der Umfangswand 29 und den Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a der entsprechenden Rollelemente 30, 31, 32 ausgebildet ist. Zum Beispiel ist der erste Stützabschnitt 35a in dem Raum angeordnet, der durch die Innenumfangsfläche 29a der Umfangswand 29, der Außenumfangsfläche 30a des ersten Rollelements 30 und der Außenumfangsfläche 31a des zweiten Rollelements 31 ausgebildet ist, mit konstanten Spielräumen, die dazwischen ausgebildet sind. Ein Gewindeloch 37 ist in jedem von dem ersten, zweiten und dritten Stützabschnitt 35a, 35b, 35c zum Eingriff mit einer Schraube 36 ausgebildet. Das Stützbauteil 35 ist mit der Platte 24 bzw. an der Platte 24 mit den Schrauben 36 fixiert, die durch den ersten, zweiten und dritten Stützabschnitt 35a, 35b, 35c eingesetzt sind und jeweils in die Platte 24 geschraubt sind.
Wie in 1 gezeigt ist, hat das erste Rollelement 30 Vorsprünge 40, 41, die eine zylindrische Form haben und sich axial von der Mitte von den entgegengesetzten Endflächen des ersten Rollelements 30 aus erstrecken. Walzenlager 42, 43 sind an den Vorsprüngen 40, 41 montiert, durch die das erste Rollelement 30 durch die Platte 24 und das Stützbauteil 35 drehbar gestützt wird. Das zweite und dritte Rollelement 31, 32 sind durch die Platte 24 und das Stützbauteil 35 in der gleichen Art und Weise wie das erste Rollelement 30 drehbar gestützt.
Das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32, das Ringbauteil 27 und die hochtourige Welle 12 sind in einer Einheit zusammengesetzt, während sie gegeneinander gedrückt werden. Die hochtourige Welle 12 ist durch das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 drehbar gestützt. Die Innenumfangsfläche 29a der Umfangswand 29 ist in Kontakt mit den Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a der Rollelemente 30, 31, 32 an Ringkontaktbereichen Pa1, Pa2, Pa3 jeweils eingestellt. Die Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a der Rollelemente 30, 31, 32 sind in Kontakt mit der Außenumfangsfläche 12a der hochtourigen Welle 12 an Wellenkontaktbereichen Pb1, Pb2, Pb3 eingestellt. Druck wird auf die Ringkontaktbereiche Pa1, Pa2, Pa3 und die Wellenkontaktbereiche Pb1, Pb2, Pb3 aufgebracht. Die Ringkontaktbereiche Pa1, Pa2, Pa3 und die Wellenkontaktbereiche Pb1, Pb2, Pb3 erstrecken sich in der axialen Richtung der hochtourigen Welle 12.
3 ist eine Seitenansicht des Drehzahlerhöhers 14, in dem einige der Teile, wie z. B. das Stützbauteil 35, in der Darstellung nicht gezeigt sind. Wie in 3 gezeigt ist, sind das erste, das zweite und das dritte Rollelement 30, 31, 32 an deren entsprechenden axialen Positionen angeordnet, ohne einander entlang der Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 zu überlappen. In der vorliegenden Ausführungsform sind das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 mit einem Abstand bzw. Spielraum angeordnet, der zwischen beliebigen zwei axial benachbarten Rollelementen gemäß der Abmessung eines Flansches 45 ausgebildet ist, wenn in der axialen Richtung von diesem gemessen, der in der hochtourigen Welle 12 ausgebildet ist. Die Flansche 45 sind voneinander durch die Abmessung bzw. Dimension der Rollelemente 30, 31 32 in deren axialer Richtung mit Ausnahme der Vorsprünge 40, 41 beabstandet. Gemäß dem Drehzahlerhöher 14 der vorliegenden Ausführungsform sind das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 mit der hochtourigen Welle 12 an dem Wellenkontaktbereich Pb1, Pb2, Pb3, in Kontakt, der sich entlang der gesamten axialen Abmessung der Rollelemente 30, 31, 32 erstreckt. Da das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 an axial verschiedenen Positionen entlang der Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 positioniert sind, sind die Wellenkontaktbereiche Pb1, Pb2, Pb3 frei von einem einander Überlappen entlang der Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12. Die Wellenkontaktbereiche Pb1, Pb2, Pb3 sind durch die Formen der Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a des entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelements 30, 31, 32 bestimmt.
In der vorangehend beschriebenen Konfiguration des Drehzahlerhöhers 14, in der das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 an den axial unterschiedlichen Positionen angeordnet sind und der Innendurchmesser der Umfangswand 29 entlang der Drehachse der hochtourigen Welle 12 konstant ist, beeinträchtigen das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 einander nicht, selbst wenn die Durchmesser des entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelements 30, 31, 32 vergrößert sind mit dem Durchmesser der hochtourigen Welle 12, der verringert ist. In einer Vorderansicht des Drehzahlerhöhers bzw. der Übersetzungsvorrichtung 14, wie in 2 dargestellt ist, können beliebige zwei benachbarte Rollelemente von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 einander überlappend gesehen werden. In einer Seitenansicht des Drehzahlerhöhers 14 in 3 sind jedoch das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 ohne ein Überlappen in der Achsenrichtung der hochtourigen Welle 12 angeordnet.
Wie in 1 und 3 gezeigt ist, ist eine Vielzahl der Flansche 45 ausgebildet, die sich von der Außenumfangsfläche 12a der hochtourigen Welle 12 radial auswärts erstrecken. Die Flansche 45 sind voneinander derart beabstandet, dass jedes von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 zwischen zwei benachbarten Flanschen 45 liegt, was eine axiale Dislokation von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 relativ zu der hochtourigen Welle 12 verhindert.
Gemäß dem Drehzahlerhöher 14 mit der vorrangehend beschriebenen Konfiguration, wenn das Ringbauteil 27 mit der Drehung der niedertourigen Welle 11 gedreht wird mit dem Öl O, das ausreichend zu den Ringkontaktbereichen Pa1, Pa2, Pa3 zugeführt wird, wird ein solidifizierter bzw. verfestigter Ölfilm (elastohydrodynamischer Schmierfilm) an Positionen ausgebildet, die den Ringkontaktbereichen Pa1, Pa2, Pa3 entsprechen. Insbesondere wird der verfestigte Ölfilm zwischen der Innenumfangsfläche 29a der Umfangswand 29 und den Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a der entsprechenden Rollelemente 30, 31, 32 ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Innenumfangsfläche 29a der Umfangswand 29 und die Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a der entsprechenden Rollelemente 30, 31, 32 miteinander durch den Ölfilm in Kontakt. Die Drehung des Ringbauteils 27 wird an die Rollbauteile bzw. Rollelemente 30, 31, 32 durch den Ölfilm übertragen, der zwischen der Innenumfangsfläche 29a der Umfangswand 29 und den Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a der entsprechenden Rollelemente 30, 31, 32 ausgebildet ist, um dadurch die Rollelemente 30, 31, 32 in der gleichen Drehrichtung zu drehen.
Ähnlicher Weise wird ein verfestigter bzw. verdichteter Ölfilm an Positionen ausgebildet, die den Wellenkontaktbereichen Pb1, Pb2, Pb3 entsprechen, mit der Drehung des ersten, zweiten und dritten Rollelements 30, 31, 32. Insbesondere wird ein verfestigter bzw. verdichteter Ölfilm zwischen der Außenumfangsfläche 12a der hochtourigen Welle 12 und den Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a von den entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelementen 30, 31, 32 ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Außenumfangsfläche 12a der hochtourigen Welle 12 und die Außenumfangsfläche 30a, 31a, 32a von dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 miteinander durch den Ölfilm in Kontakt. Die Drehung des ersten, zweiten und dritten Rollelements 30, 31, 32 wird übertragen, um die hochtourige Welle 12 durch den Ölfilm zu drehen, der zwischen der Außenumfangsfläche 12a der hochtourigen Welle 12 und den Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a von dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 ausgebildet ist, wodurch sich die hochtourige Welle 12 dreht. Die Umfangswand 29 des Ringbauteils 27 wird bei der gleichen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl wie die niedertourige Welle 12 gedreht, während sich das erste, zweite und dritte Rollbauteil bzw. Rollelement 30, 31, 32 bei einer Geschwindigkeit größer als jener der niedertourigen Welle 11 drehen. Die hochtourige Welle 12 mit einem Durchmesser, der kleiner als jene von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 ist, wird bei einer Geschwindigkeit gedreht, die größer als jene von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 ist. In dem Drehzahlerhöher 14 der vorliegenden Ausführungsform dreht sich die hochtourige Welle 12 daher bei einer Geschwindigkeit, die größer als jene der niedertourigen Welle 11 ist gemäß dem Drehzahlerhöher 14.
Der Drehzahlerhöher 14 der ersten Ausführungsform bietet die folgenden Wirkungen.

(1) In dem Drehzahlerhöher 14, in dem das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 an deren entsprechenden axialen Positionen entlang der Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 angeordnet sind, tritt keine Beeinträchtigung zwischen dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 auf. Daher können die Durchmesser von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 erhöht werden, während der Durchmesser der hochtourigen Welle 12 reduziert wird, um ein größeres Drehzahlverhältnis zu erreichen, ohne eine Beeinträchtigung zwischen den Rollelementen zu verursachen. Da eine Beeinträchtigung zwischen den Rollelementen nicht beachtet werden muss, kann ein gewünschtes Drehzahlverhältnis unter Verwendung von drei Rollelementen in dem Drehzahlerhöher 14 eingestellt werden.
(2) Gemäß dem Drehzahlerhöher 14 der vorliegenden Ausführungsform kann ein beliebiges Drehzahlverhältnis eingestellt werden, falls strukturelle Faktoren, wie zum Beispiel die Größe des Drehzahlerhöhers 14 und die Festigkeit der hochtourigen Welle 12, nicht in Erwägung gezogen werden müssen.

Das Folgende wird einen Drehzahlerhöher 14 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 4 beschreiben. Gleiche Teile oder Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird nicht wiederholt werden.
Der Drehzahlerhöher 14 der zweiten Ausführungsform ist gestaltet, um ein Drehmoment von der Eingangswelle (niedertourige Welle 11) an eine Ausgangswelle (hochtourige Welle 12) durch ein Erzeugen einer drückenden Last bzw. Drücklast mit dem Teileffekt des Ölfilms an Kontaktbereichen zwischen der Umfangswand 29 und den Rollelementen 30, 31, 32 und zwischen den Rollelementen 30, 31, 32 und der hochtourigen Welle 12 zu übertragen.
Wie bei der ersten Ausführungsform erstrecken sich die Drehachse 11L der niedertourigen Welle 11 und die Drehachse 29L der Umfangswand 29 in Ausrichtung miteinander in dem Drehzahlerhöher 14 der zweiten Ausführungsform. Währenddessen ist die Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 exzentrisch zu der Drehachse 12L der niedertourigen Welle 11 und der Drehachse 29L der Umfangswand 29 angeordnet. Die Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 ist bei einem vorbestimmten Abstand von der Drehachse 11L der niedertourigen Welle 11 und der Drehachse 29L der Umfangswand 29 versetzt, obwohl sich die Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 in der gleichen Richtung wie die Drehwelle 11L der niedertourigen Welle 11 erstreckt.
Wie in 4 gezeigt ist, weist der Drehzahlerhöher 14 das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 auf, die innerhalb der Umfangswand 29 und in Kontakt mit sowohl der Umfangswand 29 bzw. der hochtourigen Welle 12 angeordnet sind. Von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 sind das erste und dritte Rollelement 30, 32 fixierte Rollelemente bzw. feste Rollelemente, die an festen Positionen um deren entsprechende Drehachsen herum drehbar sind, während das zweite Rollelement 31 ein bewegliches Rollelement ist, das relativ zu der hochtourigen Welle 12 und der Umfangswand 29 beweglich ist.
Die Durchmesser von den entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelementen 30, 31, 32, sind größer als jener von der hochtourigen Welle 12 und sind eingestellt, um innerhalb der Umfangswand 29 angeordnet zu sein. Da die hochtourige Welle 12 und die Umfangswand 29 des Drehzahlerhöhers 14 der zweiten Ausführungsform mit deren Drehachsen 12L und 29L angeordnet sind, die voneinander versetzt sind, sind die Durchmesser von dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 gemäß den Abständen zwischen der Innenumfangsfläche 29a, der Umfangswand 29 und der Außenumfangsfläche 12a der hochtourigen Welle 12 an Positionen von den ersten, zweiten und dritten Rollelementen 30, 31, 32 bestimmt, an denen die Ringkontaktbereiche Pa1, Pa2, Pa3 und der Wellenkontaktbereich Pb1, Pb2, Pb3 gewährleistet sind. In der zweiten Ausführungsform ist der Durchmesser des ersten Rollelements 30 größer als jene von dem zweiten und dem dritten Rollelement 31, 32, welche im Wesentlichen den gleichen Durchmesser haben.
Das erste und dritte Rollelement 30, 32 sind an den Vorsprüngen 40, 41 über die Walzenlager 42, 43 gestützt, die relativ zu der Platte 24 und dem Stützbauteil 35 drehbar und relativ zu der hochtourigen Welle 12 und der Umfangswand 29 unbeweglich sind. Das zweite Rollelement 31 ist ebenfalls an den Vorsprüngen 40, 41 über die Walzenlager 42, 43 gestützt, die relativ zu der Platte 24 und dem Stützbauteil 35 drehbar und in der Umfangsrichtung der Umfangswand 29 relativ zu der hochtourigen Welle 12 und der Umfangswand 29 beweglich sind. Das Stützbauteil 35 stützt das zweite Rollelement 31 derart, dass das zweite Rollelement 31 über dessen beweglichen Bereich hinaus nicht bewegt wird.
Wie in der ersten Ausführungsform sind das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 an axial unterschiedlichen Positionen entlang der Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 positioniert, so dass die Wellenkontaktbereiche Pb1, Pb2, Pb3 zwischen der hochtourigen Welle 12 und dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 einander entlang der hochtourigen Welle 12 nicht überlappen.
In 4 bezeichnet Symbol L1 eine Linie, die tangential zu dem zweiten Rollelement 31 an dem Punkt ist, der dem Ringkontaktbereich Pb2 entspricht, und L2 bezeichnet eine Linie die tangential zu dem zweiten Rollelement 31 an dem Punkt ist, der dem Wellenkontaktbereich Pb2 entspricht. Da die Achse der hochtourigen Welle 12 und die Achse der Umfangswand 29 voneinander versetzt sind, schneiden sich die Linien L1, L2 einander, um dadurch einen spitzen Winkel oder eine Keilform auszubilden.
Wie durch einen dicken Pfeil angezeigt ist, ist das zweite Rollelement 31 zu dem Schnittpunkt zwischen den Linien L1, L2 hin und von diesem weg beweglich. Wenn die Umfangswand 29 des Ringbauteils 27 durch eine normale Drehung des Elektromotors 13 gedreht wird, wird eine Kraft erzeugt, die das zweite Rollelement 31 veranlasst, sich zu dem Schnittpunkt zwischen den Linien L1, L2 hin zu bewegen. Mit solch einer Bewegung des zweiten Rollelements 31 nimmt das zweite Rollelement 31 eine sich erhöhende Kraft von der Umfangswand 29 und der hochtourigen Welle 12 aufgrund des Keileffekts auf. Mit anderen Worten ist das zweite Rollelement 31 angeordnet, um sich in der Richtung zu bewegen, in der eine Kraft, die von der Umfangswand 29 und der hochtourigen Welle 12 auf das zweite Rollelement 31 aufgebracht wird, mit der Drehung der Umfangswand 29 steigt, die durch die Drehung der niedertourigen Welle 11 gedreht wird. Entsprechend erhöht der Drehzahlerhöher 14 der zweiten Ausführungsform die Kraft bzw. Leistung, die von der niedertourigen Welle 11 an die hochtourige Welle 12 übertragen wird.
Der Drehzahlerhöher 14 der zweiten Ausführungsform bietet die folgenden Wirkungen.

(3) Da das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 an unterschiedlichen Positionen entlang der Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 angeordnet sind, tritt keine Beeinträchtigung zwischen beliebigen zwei von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 auf, so dass kein Rollelement in den Bewegungsbereich des zweiten Rollelements 31 eintreten kann, das als bewegliches Rollelement dient. Entsprechend kann ein beweglicher Bereich für das zweite Rollelement 31 eingestellt werden ohne irgendeine Beschränkung, so dass der Keileffekt nach Bedarf erhöht werden kann. Außerdem, da die hochtourige Welle 12 durch das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 gestützt wird, kann der Keileffekt vergrößert werden mit der hochtourigen Welle 12, die stabil gestützt wird.
(4) In dem Drehzahlerhöher 14, der den Keileffekt verwendet, müssen das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 derart angeordnet werden, dass keine Beeinträchtigung zwischen dem beweglichen zweiten Rollelement 31 und dem anderen ersten und zweiten Rollelement 30, 32 auftritt. Insbesondere müssen Abstände bzw. Spielräume zwischen dem beweglichen zweiten Rollelement 31 und dem anderen ersten und dritten Rollelement 30, 32 gewährleistet werden, die benachbart zu dem beweglichen Rollelement mit dem beweglichen Bereich angeordnet sind, der in Erwägung gezogen wird, um die Rollen an einem einander Beinträchtigen zu hindern. Die Spielräume, die dementsprechend in dem Drehzahlerhöher mit einem beweglichen Rollelement ausgebildet sind, sind größer als verglichen mit dem Fall, in dem all die Rollelemente um deren entsprechende feste Achsen herum drehbar sind. In solch einem Fall muss der Durchmesser des beweglichen Rollelements verringert werden und der Durchmesser der Ausgangswelle (hochtourige Welle 12) muss für das bewegliche Rollelement vergrößert werden, um in Kontakt mit der Ausgangswelle eingestellt zu sein. Mit dem erhöhten Durchmesser der Ausgangswelle wird das Drehzahlverhältnis reduziert. In dem Drehzahlerhöher 14 der vorliegenden Ausführungsform, da es keine Notwendigkeit gibt, eine Beeinträchtigung des beweglichen zweiten Rollelements 31 mit dem anderen ersten und dritten Rollelement 30, 32 in Erwägung zu ziehen, muss der Durchmesser des beweglichen zweiten Rollelements 31 nicht reduziert werden, um eine Beeinträchtigung mit anderen Rollelementen zu verhindern. Der Drehzahlerhöher 14 der zweiten Ausführungsform bietet die vorangehend beschriebenen Effekte (1) und (2) wie bei dem Drehzahlerhöher 14 der ersten Ausführungsform.

Der Drehzahlerhöher 14 der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Weisen modifiziert werden, wie nachfolgend beispielhaft erläutert ist.
In der ersten Ausführungsform müssen das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 nicht bei einem regulären Abstand in der Umfangsrichtung der hochtourigen Welle 12 beabstandet sein, solange die hochtourige Welle 12 durch die Rollelemente 30, 31, 32 stabil gehalten wird. Mit anderen Worten können das erste, zweite und dritte Rollelemente 30, 31, 32 bei beliebigen gewünschten Positionen in der Umfangsrichtung der hochtourigen Welle 12 in Übereinstimmung mit den Größen und den Positionen der Kontaktbereiche angeordnet werden, um die hochtourige Welle 12 stabil zu stützen.
In der ersten Ausführungsform können die Durchmesser von den ersten, zweiten und dritten Rollelementen 30, 31, 32 voneinander verschieden sein. Alle drei von dem ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 oder lediglich eines von diesen kann mit einem Durchmesser ausgebildet sein, der von den anderen verschieden ist. In diesem Fall ist die Drehachse 12L der hochtourigen Welle 12 nicht koaxial zu der Drehachse 29L, der Umfangswand 29 oder mit der Drehachse 11L der niedertourigen Welle 11 angeordnet. Es sei vermerkt, dass das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 feste Rollelemente in dieser Modifikation sind, die an deren festen Positionen drehbar sind.
Der Drehzahlerhöher 14 der zweiten Ausführungsform kann in solch einer Weise modifiziert werden, dass zwei von den Rollelementen in der Umfangsrichtung der hochtourigen Welle 12 beweglich sind.
Obwohl das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 derart angeordnet sind, dass der gesamte Wellenkontaktbereich Pb1, Pb2, Pb3 zwischen der hochtourigen Welle 12 und den Außenumfangsflächen 30a, 31a, 32a von dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten Rollelement 30, 31, 32 frei von einem einander Überlappen entlang der hochtourigen Welle 12 sind, können das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 angeordnet sein, dass die Wellenkontaktbereiche Pb1, Pb2, Pb3 teilweise überlappen, solange keine Beeinträchtigung zwischen beliebigen zwei Rollelementen auftritt. In diesem Fall kann die Abmessung des Drehzahlerhöhers 14 erhöht werden.
Das erste, zweite und dritte Rollelement 30, 31, 32 können mit verschiedenen axialen Abmessungen ausgebildet sein.
Der Kompressionsteil 15 muss nicht notwendiger Weise von Laufradart sein. Zum Beispiel kann der Flügel- oder Schneckenkompressionsteil für den Zentrifugalkompressor 10 verwendet werden.
Die Verwendung des Drehzahlerhöhers 14 ist nicht auf den Zentrifugalkompressor 10 beschränkt. Der Drehzahlerhöher 14 kann an einer beliebigen Ausrüstung verschieden zu einem Fahrzeug montiert sein.
Der Zentrifugalkompressor 10 kann zur Kompression eines beliebigen Fluids verwendet werden.
Zum Beispiel kann der Zentrifugalkompressor 10 für eine Klimaanlage zum Komprimieren eines Kühlmittelgases verwendet werden.
Ein Drehzahlerhöher bzw. eine Übersetzungsvorrichtung weist eine ringförmige Umfangswand, die mit einer Drehung der niedertourigen Welle drehbar ist, eine hochtourige Welle, die innerhalb der Umfangswand angeordnet ist und eine Drehachse hat, die sich in der gleichen Richtung wie jene der Umfangswand erstreckt, und drei Rollelemente auf, die innerhalb der Umfangswand angeordnet und mit sowohl der Umfangswand als auch der hochtourigen Welle in Kontakt sind. Die drei Rollelemente sind an verschiedenen Positionen entlang der Drehachse der hochtourigen Welle angeordnet, wobei sich Drehachsen der drei Rollelemente in der gleichen Richtung wie die Drehachse der hochtourigen Welle erstrecken und die Drehachsen der drei Rollelemente in einer Umfangsrichtung der hochtourigen Welle beabstandet sind. Die drei Rollelemente sind derart angeordnet, dass zumindest ein Teil von Kontaktbereichen zwischen der hochtourigen Welle und den Rollelementen frei von einem einander Überlappen entlang der Drehachse der hochtourigen Welle ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004-308757 [0002]

Claims

Drehzahlerhöher (14), der Folgendes aufweist: eine ringförmige Umfangswand (29), die koaxial zu einer niedertourigen Welle (11) angeordnet und mit einer Drehung der niedertourigen Welle (11) drehbar ist; eine hochtourige Welle (12), die innerhalb der Umfangswand (29) angeordnet ist und eine Drehachse (12L) hat, die sich in der gleichen Richtung wie eine Drehachse (29L) der Umfangswand (29) erstreckt; und drei Rollelemente (30, 31, 32), die innerhalb der Umfangswand (29) angeordnet sind und in Kontakt mit sowohl der Umfangswand (29) als auch der hochtourigen Welle (12) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Rollelemente (30, 31, 32) an unterschiedlichen Positionen entlang der Drehachse (12L) der hochtourigen Welle (12) sind, wobei sich Drehachsen (30L, 31L, 32L) der drei Rollelemente (30, 31, 32) in der gleichen Richtung wie die Drehachse (12L) der hochtourigen Welle (12) erstrecken und die Drehachsen (30L, 31L, 32L) der drei Rollelemente (30, 31, 32) in einer Umfangsrichtung der hochtourigen Welle (12) beabstandet sind, wobei die drei Rollelemente (30, 31, 32) derart angeordnet sind, dass zumindest ein Teil von Kontaktbereichen (Pb1, Pb2, Pb3) zwischen der hochtourigen Welle (12) und den Rollelementen (30, 31, 32) frei von einem einander Überlappen entlang der Drehachse (12L) der hochtourigen Welle (12) ist.
Drehzahlerhöher (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (12L) der hochtourigen Welle (12) von einer Drehachse (11L) der niedertourigen Welle (11) und der Drehachse (29L) der Umfangswand (29) versetzt ist, wobei die drei Rollelemente (30, 31, 32) zumindest ein festes Rollelement (30, 32) und zumindest ein bewegliches Rollelement (31) aufweisen, das mit der Drehung der Umfangswand (29) beweglich ist, und wobei das bewegliche Rollelement (31) angeordnet ist, um sich in einer Richtung zu bewegen, in der eine Kraft, die von der Umfangswand (29) und der hochtourigen Welle (12) auf das bewegliche Rollelement (31) aufgebracht wird, mit der Drehung der Umfangswand (29) steigt, die durch die Drehung der niedertourigen Welle (11) gedreht wird.
Elektrischer Kompressor, der Folgendes aufweist: einen Elektromotor (13), der antreibt, um eine niedertourige Welle (11) zu drehen; einen Drehzahlerhöher (14), der eine hochtourige Welle (12) aufweist und eine Drehung der niedertourigen Welle (11) an die hochtourige Welle (12) überträgt, und einen Kompressionsteil (15), der mit der hochtourigen Welle (12) verbunden ist und ein Fluid mit einer Drehung der hochtourigen Welle (12) komprimiert; dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlerhöher (14) eine ringförmige Umfangswand (29), die koaxial zu der niedertourigen Welle angeordnet und mit einer Drehung der niedertourigen Welle (11) drehbar ist, die hochtourige Welle (12), die innerhalb der Umfangswand (29) angeordnet ist und eine Drehachse (12L) hat, die sich in der gleichen Richtung wie die Drehachse (29L) der Umfangswand (29) erstreckt; und drei Rollelemente (30, 31, 32) aufweist, die innerhalb der Umfangswand (29) angeordnet und mit sowohl der Umfangswand (29) als auch der hochtourigen Welle (12) sind, wobei die drei Rollelemente (30, 31, 32) an verschiedenen Positionen entlang der Drehachse (12L) der hochtourigen Welle (12) angeordnet sind, wobei Drehachsen (30L, 31L, 32L) der drei Rollelemente (30, 31, 32) sich in der gleichen Richtung wie die Drehachse (12L) der hochtourigen Welle (12) erstrecken und die Drehachsen (30L, 31L, 32L) der drei Rollelemente (30, 31, 32) in einer Umfangsrichtung der hochtourigen Welle (12) beabstandet sind, und wobei die drei Rollelemente (30, 31, 32) derart angeordnet sind, dass zumindest ein Teil von Kontaktbereichen (Pb1, Pb2, Pb3) zwischen der hochtourigen Welle (12) und den Rollelementen (30, 31, 32) frei von einem einander Überlappen entlang der Drehachse (12L) der hochtourigen Welle (12) ist.