JP2007315553A - 空冷歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空冷歯車装置において、ラジエーターの冷却に必要な冷却ファン風量の確保と冷却ファンによる騒音の低減とを両立させること。
【解決手段】空冷歯車装置５０は、油潤滑され互いに噛み合う小歯車２及び大歯車３と、小歯車２及び大歯車３を収納した歯車箱体４０と、小歯車２に同軸に設けた歯車軸１と、大歯車３に同軸に設けた大歯車軸４と、小歯車２及び大歯車３を潤滑した潤滑油を冷却するラジエーター１２と、ラジエーター１２に風を送る冷却ファン１３と、小歯車２により駆動される発電機２５と、発電機２５で発電された電力を用いて冷却ファン１３を駆動するファン用電動機１４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空冷歯車装置に係り、特に冷却ファンを用いて潤滑油を冷却する産業用空冷歯車装置に好適なものである。

河川の水位調整や灌漑などを目的とした所謂ポンプ機場は、水辺の人口密度が比較的低い地域に設置されることが多かった。しかし、最近では、宅地開発が進み、近隣に多くの民家が建築される所にも設置されるようになったことなどにより、ポンプ機場が発生する騒音には大きな制約が加えられるようになってきた。また、ポンプ機場の従業員においても、日常的に運転されるポンプ装置の騒音は、快適な労働環境を構築する上で大きな阻害要因となっている。

ポンプ機場に用いられるポンプ装置は、一般に原動機からの動力を歯車装置で減速してポンプを駆動する構造が採用されている。この歯車装置は、設備費削減のため、冷却水を要求しない空冷式とされることが多い。この場合、歯車装置には潤滑油を冷却するための冷却ファンが設けられるが、この冷却ファンが発生する騒音は、歯車の噛み合い騒音と比較しても大きく、ポンプ装置が発生する騒音の中でも無視できない問題となっている。

以上のような問題に対し、例えば特開平８−１０５５２１号公報（特許文献１）に示すような空冷歯車装置（空冷歯車変速機）が提案されている。この空冷歯車装置では、入力軸の軸端に冷却ファン（ラジアルファン）を直接取付け、この冷却ファンの外側にファンケーシングを設け、ファンケーシングには１箇所もしくは複数箇所のノーズ部及びスパイラルケーシング部を設けてケース内の通風部をスパイラル状とし、さらにノーズ部と同数の吐出口を設け、これと入力軸の軸端近傍に設けたラジエーター（フィン付き潤滑油通路）との間に風路を設ける構造とすることにより、空冷歯車装置のファン騒音を低減するのである。

特開平８−１０５５２１号公報

しかし、特許文献１の空冷歯車装置のように入力軸に冷却ファンを直接取付けた構造では、冷却ファンの回転速度が入力軸の回転速度に依存しているため、ラジエーターの冷却に必要なファン風量に最適なファン回転数に設定することが困難であり、その結果、ファン風量の確保とファン騒音の低減とを両立させることが困難である、という問題があった。

また、一般的な空冷歯車装置では、歯車装置側面に潤滑油配管や点検窓や歯車箱吊り下げ用フックなどが設けられているため、入力軸に直接取付けた冷却ファンを用いて潤滑油を導通させたラジエーターに風を当てて空冷歯車装置側面方向に流出させると、ラジエーターを通過した風の流れが、潤滑油配管や点検窓や歯車箱吊り下げ用フックなどに衝突し、乱流騒音を発生するという問題があった。冷却ファンが発生する騒音は、一般にファンの羽根枚数とファン軸の回転速度とを乗じた周波数となって表れるが、性能が良いファンにおいては、前述したラジエーター後流で発生する乱流騒音の方が大きい。この場合、潤滑油配管や点検窓などの位置は動かせないことが多いため、乱流を生むラジエーター後部の構造物を撤去することは困難である。

本発明の目的は、ラジエーターの冷却に必要な冷却ファン風量の確保と冷却ファンによる騒音の低減とを両立させることができる空冷歯車装置を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、油潤滑され互いに噛み合う小歯車及び大歯車と、前記小歯車及び前記大歯車を収納した歯車箱体と、前記小歯車に同軸に設けた小歯車軸と、前記大歯車に同軸に設けた大歯車軸と、前記小歯車及び前記大歯車を潤滑した潤滑油を冷却するラジエーターと、前記ラジエーターに風を送る冷却ファンとを備えた空冷歯車装置において、前記小歯車あるいは前記大歯車により駆動される発電機と、前記発電機で発電された電力を用いて前記冷却ファンを駆動するファン用電動機とを備えた構成にしたことにある。

係る本発明の好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記小歯車軸と同軸に且つ一体的に前記発電機のロータコアを設けたこと。
（２）前記（１）において、前記歯車箱体の一部を構成するカートリッジに前記小歯車軸を軸支する２組の軸受を設け、前記小歯車軸を軸支する２組の軸受の間に前記発電機のロータコアを設け、前記カートリッジの内部に前記発電機のロータコアを取り囲むように当該発電機のステータコアを設けたこと。
（３）前記歯車箱体を構成する歯車箱の上方に、当該歯車箱の平面投影面積内に納まるように、前記ファン用電動機、前記冷却ファン及び前記ラジエーターを下から順に積層して設置したこと。
（４）前記歯車箱体の外部に前記発電機を設置し、前記歯車箱体の外部に露出した前記大歯車軸あるいは前記小歯車軸と前記発電機の回転軸とを伝達機構を介して接続したこと。
（５）前記（４）において、前記大歯車軸を前記大歯車の両側に上下垂直に延びるように設け、前記大歯車軸を前記大歯車の両側で軸支する大歯車軸受を設け、前記小歯車軸を前記小歯車の一側に水平に延びるように設け、前記小歯車軸を軸支する２組の小歯車軸受を設け、前記小歯車軸の上方で且つ前記大歯車軸の側方に位置して前記発電機を設置したこと。
（６）前記本発明及び前記（１）〜（５）の何れかにおいて、前記ラジエーターに供給される潤滑油の温度に基づいて前記ファン用電動機の起動あるいは停止を制御すること。

上述した本発明の空冷歯車装置によれば、ラジエーターの冷却に必要な冷却ファン風量の確保と冷却ファンによる騒音の低減とを両立させることができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の空冷歯車装置について図１を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態の空冷歯車装置５０の縦断面側面図である。

空冷歯車装置５０は、河川の水位調整や灌漑などを目的としたポンプ機場のポンプ装置などに用いられ、歯車箱体４０、小歯車軸１、小歯車２、大歯車３、大歯車軸４、軸受５〜９、潤滑油ポンプ１０、潤滑油配管、ラジエーター１２、冷却ファン１３、ファン用電動機１４、発電機２５、及び電気配線１７などから構成されている。

歯車箱体４０は、歯車箱１９、上カバー２０、カートリッジ２１、及びスラスト軸受カバー２４などから構成されている。

歯車箱１９は、底壁部及び側壁部からなる円筒状筒体で構成され、小歯車２及び大歯車３を内部に収納している。上カバー２０は、歯車箱１９の上面開口を閉鎖するように、歯車箱１９の上面に取付けられている。スラスト軸受カバー２４は、上カバー２０の上面に設置され、スラスト軸受９を内蔵している。カートリッジ２１は、歯車箱１９の側面に設けられた開口部に結合され、歯車箱１９の側面から水平方向に突出して延びる筒状体で構成されている。カートリッジ２１の外径は歯車箱１９の外径より小さい。

歯車箱１９の側面には、潤滑油配管や点検窓や歯車箱吊り下げ用フックなどの障害物が設けられている。一方、歯車箱１９の上面上方、具体的にはスラスト軸受カバー２４の上面上方には、これらの障害物が設けられておらず、開放された空間１８となっている。

小歯車２と大歯車３とは、油潤滑され互いに噛み合うように設けられており、小歯車２の回転を大歯車３で減速するように構成されている。

小歯車軸１は小歯車２と同軸で一体に設けられている。具体的には、小歯車軸１は、小歯車２の一側にカートリッジ２１内を貫通して水平に延びるように設けられており、２組の小歯車軸受５、６により径方向に回転可能に支持されている。小歯車軸受５、６は、信頼性を高めるためにカートリッジ２１内に間隔を空けて設置されている。従って、小歯車軸１は、小歯車軸受５、６を介して、カートリッジ２１に回転自在に支持されている。小歯車軸１のカートリッジ２１から露出した部分には図示しない原動機が接続され、この原動機からの駆動力により小歯車軸１が回転駆動される。

大歯車軸４は大歯車３と同軸で一体に設けられている。具体的には、大歯車軸４は、大歯車３の両側に上下垂直に延びるように設けられており、大歯車３の両側で２組の大歯車軸受７、８により径方向に、上端部でスラスト軸受９により軸方向にそれぞれ回転可能に支持されている。大歯車軸受７は歯車箱１９の底壁部により保持され、大歯車軸受８及びスラスト軸受９は上カバー２０により保持されている。従って、大歯車軸４は、大歯車軸受７、８及びスラスト軸受９を介して、歯車箱１９、上カバー２０及びスラスト軸受カバー２４に回転自在に支持されている。なお、大歯車軸４の歯車箱１９から下方に突出して露出した部分にはポンプが接続されている。

潤滑油ポンプ１０は、潤滑油供給配管１１及び潤滑油戻り配管からなる潤滑油配管を介して、歯車箱１９内の潤滑油をラジエーター１２を通して循環させるものであり、歯車箱１９内の底部に配置されている。歯車対２、３や軸受５〜９に供給された潤滑油は、歯車箱１９の内部でポンプ装置１０により回収して加圧され、潤滑油供給配管１１を経てラジエーター１２へと流入されて冷却された後、図示しない潤滑油戻り配管を経て再び歯車箱１９内へと供給される。

ラジエーター１２に風を送る冷却ファン１３は、ファン用電動機１４によって回転される。この冷却ファン１２は冷却風を軸方向上方に吹出す軸流ファンで構成されている。冷却ファン１３によって発生した冷却風は、ラジエーター１２に吹き付けられる。ファン用電動機１４は発電機２５で発電された電力を用いて駆動される。

ラジエーター１２は、歯車対２、３や軸受５〜９などを潤滑した潤滑油を冷却するためのものであり、歯車箱１９、上カバー２０及びスラスト軸受カバー２４の上方に配置され、スラスト軸受カバー２４の上面で支持されている。このラジエーター１２は、冷却ファン１３の吹出し面全体に対向する広い吸込み面とこの吸込み面の上方に設けられた広い吹出し面とを有した薄型熱交換器で構成されている。

ファン用電動機１４、冷却ファン１３及びラジエーター１２は、歯車箱体４０を構成する歯車箱１９の上方に位置して、歯車箱１９の平面投影面積内に納まるように、下からこの順に積層して設置されている。

発電機２５はロータコア１５及びステータコア１６から構成されている。ロータコア１５は、小歯車軸１と同軸に且つ一体的に設けられ、具体的には、小歯車軸１を軸支する２組の軸受５、６の間に設けられている。ステータコア１６はカートリッジ２１の内部にロータコア１６を取り囲むように設けられている。ステータコア１６とファン用電動機１４とは、電気配線１７により接続されている。

原動機により小歯車軸１が回転駆動されると、同軸上の小歯車２、これと噛み合う大歯車３、及びこれと同軸の大歯車軸４が回転され、原動機の動力が大歯車軸４の出力側へと伝達される。このとき、小歯車軸１に設けられたロータコア１５は、小歯車軸１と一体的に回転し、これにより発生した電力は電気配線１７を通じてファン用電動機１４へと供給される。

ここで、ラジエーター１２には図示しないサーモスタットが組み込まれ、電気配線１７の途中に介在されている。循環する潤滑油の温度が所定値を超えると、サーモスタットがオンされてファン用電動機１４が回転を始め、また、循環する潤滑油の温度が所定値以下になると、サーモスタットがオフされてファン用電動機１４の回転が停止される。

ラジエーター１２に吹き付けられた風は、ラジエーター１２を通過後、歯車装置の鉛直上方の空間１８へと排出される。このとき、歯車装置の鉛直上方の空間１８には構造物が配置されていないため、ラジエーター１２の後流は構造物に衝突することはなく、乱流が生じないためファン騒音は小さい。

本実施形態では、油潤滑され互いに噛み合う小歯車２及び大歯車３と、小歯車２及び大歯車３を収納した歯車箱体４０と、小歯車２に同軸に設けた歯車軸１と、大歯車３に同軸に設けた大歯車軸４と、小歯車２及び大歯車３を潤滑した潤滑油を冷却するラジエーター１２と、ラジエーター１２に風を送る冷却ファン１３とを備えた空冷歯車装置５０において、小歯車２により駆動される発電機２５と、発電機２５で発電された電力を用いて冷却ファン１３を駆動するファン用電動機１４とを備えているので、ラジエーターの冷却に必要なファン風量に最適なファン回転数に設定することが可能になると共に、ラジエーター１２及び冷却ファン１３を任意の位置に設置してラジエーター１２の後流の構造物との衝突による乱流騒音の発生を防止することが可能になる。これによって、ラジエーター１２の冷却に必要な冷却ファン風量の確保と、冷却ファン１３による騒音の低減とを両立させることができる。

また、小歯車軸１と同軸に且つ一体的に発電機２５のロータコア１５を設けているので、発電機２５を大歯車軸１６に設けた場合に比較して、高速回転の発電機２５とすることができ、小型で高出力の発電機２５が得られる。

また、歯車箱体４０の一部を構成するカートリッジに小歯車軸を軸支する２組の軸受を設け、小歯車軸を軸支する２組の軸受の間に発電機のロータコアを設け、カートリッジ２１の内部に発電機２５のロータコア１５を取り囲むように当該発電機２５のステータコア１６を設けているので、２組の軸受５、６の間のデッドスペースを発電機２５の設置スペースとして利用することができ、発電機２５の設置による据付面積の増大を抑制することができる。

また、歯車箱体４０を構成する歯車箱１９の上方に、当該歯車箱１９の平面投影面積内に納まるように、ファン用電動機１４、冷却ファン１３及びラジエーター１２を下から順に積層して設置しているので、空冷歯車装置５０の据付面積の増大を招くことなく、ラジエーター５０の冷却に必要なファン風量の確保とファンによる騒音の低減を図ることができる。

また、冷却風を軸方向上方に吹出す軸流ファンで冷却ファン１４を構成すると共に、軸流ファン１４の吹出し面全体に対向する吸込み面とこの吸込み面の上方に設けられた吹出し面とを有するラジエーター１２としているので、安価な軸流ファンを用いて通風面積の大きなラジエーター１２を冷却することができ、潤滑油の冷却性能を増大することができる。

また、ラジエーター１２に供給される潤滑油の温度に基づいてファン用電動機１４の起動あるいは停止を制御するようにしているので、ラジエーター１２の冷却不要時の冷却ファン１４による騒音の発生を防止することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の空冷歯車装置２５について図２及び図３を参照しながら説明する。図２は本発明の第２実施形態の空冷歯車装置５０の縦断面側面図、図３は図２の空冷歯車装置５０の正面図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。この第２実施形態で、第１実施形態と共通する構成においては同じ効果を奏するものである。

第１実施形態の発電機２５においては、発電機２５の回転軸を兼ねる小歯車軸１内に誘導された電荷が小歯車軸受５、６や小歯車２の歯面を通して静止側へと放電され、場合によって電食を生じることがある。また、保守性を考慮すると、発電機２５は歯車箱体４０の外側に設置した方が良い場合がある。

そこで、この第２実施形態においては、歯車箱体４０の外部に発電機２５を設置し、歯車箱体４０の外部に露出した小歯車軸２１と発電機２５の回転軸とを伝達機構を介して接続している。この伝達機構は、カップリング２９、反転プーリ２８、テンションプーリ２７、発電機駆動プーリ２６及び平ベルト３１により構成されている。発電機駆動プーリ２６は発電機２５の回転軸と同軸に固定されている。カップリング２９は小歯車軸１と同軸に設けられている。カップリング２９の外周外側に反転プーリ２８及びテンションプーリ２７が設けられている。ゴム製の平ベルト３１は、反転プーリ２８、テンションプーリ２７及び駆動プーリ２６に巻きかけられ、カップリング２９の外周面であるベルト接触面３０に圧接されている。

発電機２５は、小歯車軸１の上方で且つ大歯車軸の側方に位置して設置されている。換言すれば、発電機２５は、カートリッジ２１の上方で且つ歯車箱１９の側方に位置して設置されている。

ファン用電動機１４、冷却ファン１３及びラジエーター１２は、第１実施形態と同様に積層され、小歯車軸１の上方で且つ大歯車軸の側方に位置して設置されている。

原動機により小歯車軸１が回転されると、カップリング２９に接した平ベルト３１が回転され、これに巻きかけられた発電機２５と同軸の発電機駆動プーリ２６が回転される。これによって、発電機２５が回転されて電力を発生する。

第２実施形態によれば、歯車箱体４０の外部に発電機２５を設置し、歯車箱体４０の外部に露出した小歯車軸１と発電機２５の回転軸とを伝達機構を介して接続しているので、発電機２５を歯車箱体の外部に設置することが可能となり、保守点検が容易となる。また、発電機２５と小歯車軸１とは電気的に分離されているため、電食による損傷は発生せず、歯車装置の信頼性が向上される。

また、大歯車軸４を大歯車３の両側に上下垂直に延びるように設け、大歯車軸４を大歯車３の両側で軸支する大歯車軸受７、８を設け、小歯車軸１を小歯車２の一側に水平に延びるように設け、小歯車軸１を軸支する２組の小歯車軸受５、６を設け、小歯車軸１の上方で且つ大歯車軸４の側方に位置して発電機２５を設置しているので、小歯車軸１の上方で且つ大歯車軸３の側方におけるデッドスペースを発電機２５の設置スペースとして利用することができ、発電機２５の設置による据付面積の増大を防止することができる。

本発明の第１実施形態の空冷歯車装置の縦断面側面図である。 本発明の第２実施形態の空冷歯車装置の縦断面側面図である。 図２の空冷歯車装置の正面図である。

符号の説明

１…小歯車軸、２…小歯車、３…大歯車、４…大歯車軸、５，６…小歯車軸受、７，８…大歯車軸受、９…スラスト軸受、１０…潤滑油ポンプ、１１…潤滑油供給配管、１２…ラジエーター、１３…冷却ファン、１４…ファン用電動機、１５…ロータコア、１６…ステータコア、１７…電気配線、１８…歯車装置の鉛直上方の空間、１９…歯車箱、２０…上カバー、２１…カートリッジ、２４…スラスト軸受カバー、２５…発電機、２６…発電機駆動プーリ、２７…テンションプーリ、２８…反転プーリ、２９…カップリング、３０…ベルト接触面、３１…平ベルト、４０…歯車箱体、５０…空冷歯車装置。

Claims (7)

1. 油潤滑され互いに噛み合う小歯車及び大歯車と、
   前記小歯車及び前記大歯車を収納した歯車箱体と、
   前記小歯車に同軸に設けた小歯車軸と、
   前記大歯車に同軸に設けた大歯車軸と、
   前記小歯車及び前記大歯車を潤滑した潤滑油を冷却するラジエーターと、
   前記ラジエーターに風を送る冷却ファンとを備えた空冷歯車装置において、
   前記小歯車あるいは前記大歯車により駆動される発電機と、
   前記発電機で発電された電力を用いて前記冷却ファンを駆動するファン用電動機とを備えたことを特徴とする空冷歯車装置。
2. 請求項１に記載の空冷歯車装置において、前記小歯車軸と同軸に且つ一体的に前記発電機のロータコアを設けたことを特徴とする空冷歯車装置。
3. 請求項２に記載の空冷歯車装置において、前記歯車箱体の一部を構成するカートリッジに前記小歯車軸を軸支する２組の軸受を設け、前記小歯車軸を軸支する２組の軸受の間に前記発電機のロータコアを設け、前記カートリッジの内部に前記発電機のロータコアを取り囲むように当該発電機のステータコアを設けたことを特徴とする空冷歯車装置。
4. 請求項１に記載の空冷歯車装置において、前記歯車箱体を構成する歯車箱の上方に、当該歯車箱の平面投影面積内に納まるように、前記ファン用電動機、前記冷却ファン及び前記ラジエーターを下から順に積層して設置したことを特徴とする空冷歯車装置。
5. 請求項１に記載の空冷歯車装置において、前記歯車箱体の外部に前記発電機を設置し、前記歯車箱体の外部に露出した前記大歯車軸あるいは前記小歯車軸と前記発電機の回転軸とを伝達機構を介して接続したことを特徴とする空冷歯車装置。
6. 請求項５に記載の空冷歯車装置において、前記大歯車軸を前記大歯車の両側に上下垂直に延びるように設け、前記大歯車軸を前記大歯車の両側で軸支する大歯車軸受を設け、前記小歯車軸を前記小歯車の一側に水平に延びるように設け、前記小歯車軸を軸支する２組の小歯車軸受を設け、前記小歯車軸の上方で且つ前記大歯車軸の側方に位置して前記発電機を設置したことを特徴とする空冷歯車装置。
7. 請求項１ないし６の何れかに記載の空冷歯車装置において、前記ラジエーターに供給される潤滑油の温度に基づいて前記ファン用電動機の起動あるいは停止を制御することを特徴とする空冷歯車装置。

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