JP2008175388A - 改良歯車を備えた航空機、および、その歯車を製作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動力伝達装置の機械的強度を保ち、動力の広範囲で、騒音と振動のレベルを低減した航空機を提供する。
【解決手段】駆動装置から被駆動装置へ動作を伝達する伝達装置（５）を備えたヘリコプター（１）で、伝達装置は、少なくとも、駆動装置で駆動される第一歯車（８；１０）と、被駆動装置と噛合う第一歯車（８）と噛合う第二歯車（１０；１２）を備え；第一、第二歯車（８；１０，１０：１２）は、歯車（８，１０）が、少なくとも２つの、それぞれ互いに同時に噛合う組（１６，１７；１７，１８）を持つように形作られた歯（１６，１７，１８）を備え；歯車（８，１０，１２）の少なくとも一つの歯（１６，１７，１８）は、理論伸開線（Ｅ）を削った端部（２１）を持つ輪郭（１９）をなし；歯の軸（Ａ，Ｈ）に沿った端部上の点と理論伸開線上の点間の距離のパターン（Ｇ）は、少なくとも、第一と第二の互いに傾斜するセグメント（Ｂ，Ｃ）を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、改良歯車を備えた航空機、および、その歯車を製作する方法に関し、特に、ヘリコプターに関する。

よく知られているように、ヘリコプターは、通常、一つあるいはそれ以上のタービンからメイン・ローター、および／あるいは、テール・ロータに動力を伝達する、あるいは／および、タービンから、例えば、搭載された装置に動力を与える、エネルギーを供給するための多くの付属装置へ動力を伝達する、多くの伝達装置を備えている。

より具体的には、所望の動力を伝達するために各々の歯で互いに噛み合う、多くのギアを備えた伝達装置が知られている。

よく知られているように、各々のギアの歯は、インボリュート・プロファイル（伸開線・輪郭（形状））を持っており、動力伝達特性とその動力を伝達する際のノイズ・レベルを低減とを最適化する。

幾何学的および寸法の許容誤差、および、歯に加えられた応力の下での変形によって、動作時には、噛み合った歯の、このプロファイル（輪郭（形状））は、理論インボリュート・プロファイルからずれる。

その結果、噛み合った歯の実際の位置は、幾何学的および寸法の許容誤差、および、歯に加えられた応力の下での変形がない場合の、歯の理論位置からずれる。

このずれは、その時に噛み合っている歯の弾性とプロファイルの相互位置関係とに起因するので、ギアによって伝達される動力に変化がない場合でも、ギアが動作している間は変化する。

このようなずれは、ノイズと振動を発生する。出願人によって観測されたように、そのノイズと振動は、ギアによって伝達される動力の変化に応じて均一にはなっていない。

本発明の目的は、上記のような伝達装置のノイズ・レベルと振動レベルを、機械的な強度を最適化しながら、動力の広範囲に渡って低減するように製作された、航空機を提供することである。

本発明によれば、請求項１に記載の航空機が提供される。

本発明は、請求項８に記載の航空機用のギアの製作方法にも関連している。

以下、このヘリコプターに関して記載するが、記載はあくまで例示であって、ここでの記載によって、本発明の一般的な意味を失うものではない。本発明の、限定を意図しない、好適な実施形態を、図１−９を用いて例示として記載する。

図１の参照番号１は、航空機一般、具体例として、実質的に、胴体（機体）２、胴体２に備えられてヘリコプター１全体を支持するために第一平面内を回転するメイン・ロータ４、および、胴体２の一方の端に備えられたテール・ロータ３とを備えている、ヘリコプターを示している。さらに具体的には、胴体２に備えられたメイン・ロータ４が発生した回転トルクを抑制するために、テール・ロータ３は、第一平面と交差する第二平面内で回転する。

ヘリコプター１は、タービン６によって駆動されてテール・ロータ３を駆動する、付属伝達装置（図２）からメイン・ロータ４へ動力を伝達するための、主伝達装置（メイン・トランスミッション）５も備えている。

ヘリコプター１は、伝達装置５によって駆動されてヘリコプター１の補助部材（図示しない）を駆動する、さらに多くの補助伝達装置（図示しない）を備えている。

図２に示すように、補助伝達装置のひとつは、ケーシング７、ケーシング７の中に収容されて（図示されない態様で）作動可能に２つの駆動装置に接続されている、ギア８（図３、４にも示してある）およびギア９（図３、４にも示してある）、および、ケーシング７の中に収容されてギア１３と噛み合い被駆動装置（図示しない）に接続されている、ギア１２を備えている。

補助伝達装置は、ケーシング７の中に収容されて共にギア１２と噛み合うギア１０、１１の列も備えている。ギア１０、１１は、それぞれギア８、９とも噛み合い、ギア１２に動力を伝達する。

より具体的には、ギア１０は、ギア８によって駆動され、ギア１２を駆動する。

したがって、ギア１０は、ギア８、１２が同じ方向に回転することを保証する、中間ギアである。

ギア１２は、ギア１０と反対側でギア１１と噛み合う歯１５と、ギア１３と噛み合う歯１４と、を備えている。歯１５は、歯１４とギア１２の軸に対して径方向外側に位置している。

ギア１０とまったく同様に、ギア１１は、ギア９によって駆動されて、ギア１２を駆動する。

それゆえ、ギア１１は、ギア９、１２が同じ方向に回転することを保証する、中間ギアである。

ギア８、９、１０、１１、１２、１３は、直線歯を備えており、互いに平行な、それぞれのシャフトに固定されている。

好適には、ギア１０の２つの歯１７（図２にはその中の１つだけを矢印で示してある）と同時に噛み合う、すくなくとも２つのこれらに対応する歯１６（図２にはその中の１つだけを矢印で示してある）をギア８は備えていることが望ましく、ギア１０は、ギア１２の２つの対応する歯１８（図２にはその中の１つだけを矢印で示してある）と同時に噛み合う、さらに２つの歯１７（図２にはその中の１つだけを矢印で示してある）を備えていることが望ましい。歯１６、１７、１８は、当初の理論インボリュート（理論伸開線）Ｅから削られた、端部２１（図６には歯１６に対するものだけ示してある）を持つ、プロファイル１９（歯１６に関しては図６に示し、歯１６、１７に対しては図５に示す）を持っている。歯１６、１７、１８の軸Ａに沿った、端部２１上の各点と理論インボリュート（理論伸開線）との間の距離のパターン（歯１６に対して図６に示した）は、互いに傾斜している、２つのセグメントＢ，Ｃで形成される折れ線によって定義される。

図５に示すように、ギア８、１０は、接触比が２より大きく製作されており、少なくとも２つの、同時に互いに噛み合う、歯１６、１７の組を備えている。

図５に示すように、“接触比”とは、ギア８、１０の円ピッチｐに対する、接触弧の長さの比である。

より具体的には、接触弧は、圧力線Ｆと、ギア８、１０各々の外側円、Ｗ，Ｙとの２つの交点の間を、ギア８のピッチ円Ｕに沿って計った、弧である。周知のように、圧力線Ｆは、これに沿ってギア８、１０の歯１６、１７が往復運動と反発力を交換する線である。圧力線Ｆは、ギア８、１０のそれぞれのピッチ円Ｕ，Ｖに共通の接線Ｔに対して圧力角αだけ傾斜している。

他方、円ピッチｐは、ギア８のピッチ円Ｕに沿って計った、２つの対応する点Ｑ，Ｒ間の距離である。

実際、ギア８、１０については、圧力角α、および、アデンダムと歯の高さとの比に関する、噛み合いを特徴付けるマクロな幾何学的パラメータは、ギア８、１０が高い接触比を持つ、すなわち、接触比が２より大きくなるように、実際には、２．２から２．４の間になるように、定義されている。

ギア１２とギア１０の噛み合いは、ギア８とギア１０の噛み合いとまったく同一であるので、詳細は記載しない。

しかしながら、非常に簡単に述べると、ギア１２は、ギア１０の２つの歯１７と同時に噛み合う、これらと対応する、少なくとも２つの歯１８を備えている。

同様に、ギア９と１１、および、ギア１１と１２の噛み合いは、ギア８とギア１０の噛み合いとまったく同一であるので、詳細は記載しない。

図６の右側に示したように、端部２１に加えて、歯１６のプロファイル１９は、作動斜面が修正されていない、インボリュートＥの形状を有する根部２０も備えている。

より具体的には、各々の歯１６の根部２０は、歯１６の根部を画定する２つのフィレット２７の位置でギア８から突出して、フィレット２７の反対の端である端部２１に続いている。

より具体的には、これらのフィレット２７は、軸Ａに対して対称的に、互いに対面して伸びている。

歯１６の端部２１は、ギア８の軸（図示しない）に対して反対の端で、歯１６の自由端２２を画定する。

図６の左側の文字Ｇは、プロファイル１９上の各点とインボリュートＥの間の距離のパターンを、これら各点の軸Ａに沿っての位置の関数としたグラフを示している。より具体的には、プロファイル１９上の各点とインボリュートＥの間の距離は、水平軸Ｋで示されている。また、軸Ａに沿ったこれら各点の位置は、垂直軸Ｈによって示されている。

垂直軸Ｈは、軸Ａに沿ってフィレット２７から端２２へ向かって座標値が増加するように向けられている。

ここで重要なのは、上記の距離が、幾何学的にミクロに、実際には、数ミクロンから数十ミクロンの単位で計測されるということである。

グラフＧは、歯先の修正分（削り量）（図７、８）を精密に記述するのに使われている。すなわち、グラフＧは、プロファイル１９の各点に対して、理論インボリュートＥから素材を取除く量を示すチャートを作成するのに使われている。

より具体的には、プロファイル１９の各点は、グラフＧ上の各点に対応して、グラフＧ上の各点の軸Ｈからの距離に応じた量だけインボリュートＥから素材が取除かれている。

より具体的には、グラフＧは、部分ＤとセグメントＢ，Ｃとからなっている。

より具体的には、根部２０上の修正していない作動斜面を持つ各点は、部分Ｄに対応する。そして、根部２０は、当初のインボリュートＥの形状をなしているので、部分Ｄは軸Ｈに重なることになる。

セグメントＢは、根部２０に隣接する端部２１の部分２３に対応し、セグメントＣは、軸Ａに沿って端２２と部分２３との間に位置する部分２４に対応する。

セグメントＢの軸Ｈに対する傾斜角は、セグメントＣの軸Ｈに対する傾斜角より小さく、部分２３と当初のインボリュートＥの間の距離の軸Ａ方向の変化は、部分２４と当初のインボリュートＥの間の距離の軸Ａ方向の変化よりも急峻ではない。

言い換えると、セグメントＢの軸Ｈ座標（変数）に対する角係数は、セグメントＣの軸Ｈ座標（変数）に対する角係数よりも小さい。

端部分２１とインボリュートＥとの間の距離のパターンは、セグメントＢ，Ｃの間に位置する湾曲部分Ｌ（図８に示した）によっても定義される。

より具体的には、湾曲部分Ｌは、セグメントＢに繋がる一方の端部２５と、端部２５と反対側で、セグメントＣに繋がるもう一方の端部２６とを持っている。

端部２１と当初のインボリュートＥの間の距離は、湾曲部分Ｌで、セグメントＢでよりも大きく、セグメントＣでよりも小さく、増加する。

言い換えると、軸Ｈの座標（変数）に対する端部２１の点の変位は、セグメントＢの角係数とセグメントＣの角係数との間の範囲にある。

端部２１は、歯１６のプロファイル１９が、根部２０と端部２１の双方で、連続上位導関数を持つ（連続した微分係数（傾き）を持つ）曲線によって表されるように形作られている。

グラフＧは、歯１６の端２２上の複数の点に対応する、軸Ｋに対して平行に伸びる部分Ｍも有している。

ギア１０の歯１７、ギア１２の歯１８は、いずれも、ギア８の歯１６と同様であり、これとまったく同じ方法で製作することができるので、歯１７，１８についても、それらのそれぞれのプロファイル１９についても、詳細な説明は行わない。

同様に、ギア９，１１の歯は、それぞれ、ギア８の歯１６、ギア１０の歯１７と同様であり、これとまったく同じ方法で製作することができる。

それ故、ギア９，１１の歯も、これらそれぞれのプロファイルも詳細な説明は行わない。

周知のように、ギアの歯先の改善によって、負荷が加わったギアの噛み合い品質を最適化することができる。このような改善の効果を評価するのに、図９に示すような比較グラフが知られている。

図９の連続線３０は、伝達動力の変化に対する、歯１６，１７の“ピーク・トゥ・ピーク・伝達エラー（ＰＰＴＥ）”といわれるものを示している。

“伝達エラー”は、ギア８の歯１６の回転がある固定値の時の、歯１７の各々の実際の位置と、運動学的に完全に伝達された場合にそれらが有しているはずの理論上の位置との間の線形変位を表している。

この変位は、実質的に、歯１６，１７の弾性と、ジオメトリ（形状、配置等）と寸法の許容誤差に依存する。

この理論上の位置は、負荷が加わっている場合においても完全なインボリュート・プロファイルを持つ歯、すなわち、歯１６，１７のジオメトリと寸法がまったく変化しない、無限に硬い、いわゆる剛体からなる歯と仮定して導かれている。

“ピーク・トゥ・ピーク・伝達エラー（ＰＰＴＥ）”は、弧が完全に噛み合っている間での、歯１６の直線的な変位の最大値と最小値との差の絶対値である。

上述したように、図９は、ギア１０の歯１７にも、ギア１２の歯１８にも、ギア９，１１の歯にも、適用できる。

図９の一点鎖線３１は、接触比が２を超え、当初のインボリュートから削られたプロファイルを持った歯を持つギアのピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーを表している。より具体的には、そのプロファイルは、プロファイル上の各点と当初のインボリュート間で、特定のセグメント距離パターンを実現できるように削られている。このようなプロファイルは、直線的に削ったインボリュートとして以下で再度言及する。

実際、このような歯先の改善は、歯先の改善の出発点として、ある３つの内側の接触（互いに同時に噛み合う歯の３つのペア）とある２つの内側の接触（互いに同時に噛み合う歯の２つのペア）の間の通路に対応する直径を選択して、ギア８，１０の噛み合い負荷を加えた下での挙動を改善するように最適化したプロセスの結果である。このような直線的な改善(リニア・モディフィケーション)は、ロング・モディフィケーションとして知られている。

図９の点線３２は、当初のインボリュートから削られたプロファイルを持った歯を持つが、接触比が２より小さい、ギアのピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーを表している。

上記の場合との類推から、このような改善は、実際、ロング・モディフィケーションを仮定して、プロセスを最適化することによって決定されている。

図９に示されているように、ギア８の歯１６のピーク・トゥ・ピーク・伝達エラー（線３０）は、伝達動力値が、特に、大きい、あるいは、小さい場合には、他のギアの歯のピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーより小さく、伝達動力値が、中間にある場合には、他のギアの歯のピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーと同等である。

ヘリコプター１、および、本発明の方法の利点は、以下の記載で明確になるであろう。

実際、歯１６，１７，１８の削られたインボリュートの形状と、ギア１０，１２とギア１２，１４が、同時に噛み合っている、２つ以上の歯１６，１７、歯１７，１８を持っているという事実によって、歯が、直線的に削られたインボリュート・プロファイルを持つ場合、あるいは、接触比が２より小さい場合と比較して、伝達動力値の広い領域に渡って、ピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーを低減している。

それ故、ヘリコプター１で要求される動力の広い領域に渡って、高品質の噛み合いが保証される。

より具体的には、図９に示すように、非常に小さい、あるいは、非常に大きい伝達動力値での、ギア８のピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーは、２より小さい接触比を持ち、線形に削られたインボリュート歯を持った、ギアのピーク・トゥ・ピーク・伝達エラー（線３２で示される）より小さい。

図９に示すように、伝達動力値が中間領域での、ギア８のピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーは、２より小さい接触比を持ち、線形に削られたインボリュート歯を持った、ギアのピーク・トゥ・ピーク・伝達エラーと同等である。

言い換えると、伝達動力値が中間領域では、削られたインボリュートＥの形状を持ち、接触比が２を超える端部２１は、実質的に、２より小さな接触比を持ち、線形に削られたインボリュート・プロファイルを持った歯の、ジオメトリあるいは寸法の許容誤差で誘因される変位（図９の線３２で示される）を補償している。

他方で、非常に低い、あるいは、非常に高い伝達動力値では、削られたインボリュートＥの形状を持ち、接触比が２を超える端部２１は、線形に削られたインボリュート・プロファイルを持った歯の、ジオメトリあるいは寸法の許容誤差で誘因される変位（図９の線３２で示される）を低減する。

その結果、理論上の位置から変位した、噛み合っている歯の実際の位置によって生み出される、騒音（ノイズ）と振動は、伝達動力値の広い領域に渡って、低減される。

このような歯先の改善の利点も、通常の負荷が加えられている間にギアに加わる歯根の曲げ応力を最適化することに帰着する。このような低減は、プロファイル１９のジオメトリ特性の決め方に直接依存し、正味の強度利得、すなわち、２５％を超える歪みの低減として、改善効果を得ることができる。

添付の請求項で定義されている権利保護範囲を逸脱せずに、ここに記載し例示したヘリコプター１と方法を変更できることは明らかである。

たとえば、ギア８，９，１０，１１，１２，１３は、伝達装置５、あるいは、ヘリコプター１のその他の補助伝達装置の部品として使用することができる。

さらに、ギア８，９，１０，１１，１２，１３は、たとえば、固定翼機、あるいは、転換式航空機のような、他のタイプの飛行機に適用することで、優位な効果が得られる。

本発明のヘリコプターのひとつの実施形態の斜視図である。 図１のヘリコプターの伝達装置の拡大断面図である。 図２の伝達装置のひとつの歯車の断面図（半分）である。 図３の歯車の正面図である。 図２の拡大詳細図である。 図３の歯車の歯の拡大図と歯のプロファイルの理論インボリュートプロファイルからの変移パターンである。 図６の歯のプロファイル線図である。 図７の拡大詳細図である。 図１のヘリコプター、および、その他の伝達装置の出力変化（伝達動力の変化）に対するピーク・トゥ・ピーク伝達誤差（ＰＰＴＥ）を示すグラフである。

Claims (9)

1. 航空機（１）であって、
   駆動装置から被駆動装置へ動力を伝達する、伝達装置（５）を具備し、
   前記伝達装置（５）は、少なくとも、前記駆動装置によって駆動される、前記第一歯車（８；１０）と、第一歯車（８；１０）と噛み合うことで、前記被駆動装置と噛み合う、第二歯車（１０；１２）とを備える、航空機（１）において、
   前記第一、前記第二歯車（８，１０；１０，１２）は、それぞれ、同時に噛み合っている、少なくとも２つの組（１６，１７；１７，１８）で、互いに噛み合うように形作られた、歯（１６，１７，１８）を備え、
   少なくとも一つの前記歯車（８，１０，１２）の歯（１６，１７，１８）は、当初の理論インボリュート（Ｅ）から削られたプロファイル（１９）を持つ、端部（２１）を備え、
   前記歯（１６，１７，１８）の軸（Ａ，Ｈ）に沿って、前記端部（２１）上の点と、前記当初の理論インボリュート（Ｅ）上の点との間の距離を表す、パターン（Ｇ）は、少なくとも、第一と第二の、互いに傾斜している、セグメント（Ｂ，Ｃ）を有している、ことを特徴とする、航空機。
2. 前記軸（Ａ，Ｈ）に沿って、前記歯（１６，１７，１８）の根部（２７）から、前記歯（１６，１７，１８）の自由端（２２）に向かって、前記距離が増加する、ことを特徴とする、請求項１に記載の航空機。
3. 前記第一のセグメント（Ｂ）は、前記第二のセグメント（Ｃ）より、前記軸（Ａ，Ｈ）に対して緩やかに傾斜し、前記軸（Ａ，Ｈ）に沿って、前記歯（１６，１７，１８）の根部（２７）から前記歯（１６，１７，１８）の自由端（２２）へ向かって、前記第一のセグメント（Ｂ）は、前記第二のセグメント（Ｃ）より手前に位置する、ことを特徴とする、請求項２に記載の航空機。
4. 前記パターン（Ｇ）は、前記第一セグメント（Ｂ）と前記第二のセグメント（Ｃ）との間に湾曲部（Ｌ）を備える、ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一つに記載の航空機。
5. 前記軸（Ａ，Ｈ）に対する、前記湾曲部（Ｌ）の各点における駆動接線の傾斜が、前記軸（Ａ，Ｈ）に対する前記第一セグメント（Ｂ）の傾斜と、前記軸（Ａ，Ｈ）に対する前記第二のセグメント（Ｃ）と、の間の範囲にある、ことを特徴とする、請求項４に記載の航空機。
6. 前記プロファイル（１９）が、前記当初の理論インボリュート（Ｅ）の形状を持った、根部（２０）を持つ、ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一つに記載の航空機。
7. 前記第一、前記第二歯車（８，１０）は、２０°より小さい、圧力角（α）で、互いに噛み合う、ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一つに記載の航空機。
8. 航空機（１）用の歯車（８，１０，１２）を製作する方法において、
   複数の歯（１６）を備えた、歯車（８）を製作する工程であって、
   前記複数の歯（１６）は、前記複数の歯（１６）の各々が、外側に当初のインボリュート（Ｅ）形状の輪郭を持つように形作られ、
   前記歯車（８）の前記複数の歯（１６）の少なくとも２つが、他の歯車（１０）噛み合う、
   前記複数の歯（１６）を備えた、前記歯車（８）を製作する工程と、
   前記複数の歯（１６）の各々の前記端部（２１）から部材を取除く工程であって、
   前記複数の歯（１６）の各々の前記端部（２１）から部材を取除いて、前記端部（２１）に、前記インボリュート（Ｅ）を削った形状のプロファイル（１９）を与え、
   前記端部（２１）上の点と、前記前記インボリュート（Ｅ）の点との間の距離で定義される、パターン（Ｇ）は、少なくとも、第一と第二の、お互いに傾斜している、セグメント（Ｂ，Ｃ）を有するように、前記端部（２１）は形作られている、
   前記複数の歯（１６）の各々の前記端部（２１）から部材を取除く工程と、
   を含むことを特徴とする、航空機（１）用の歯車（８，１０，１２）を製作する方法。
9. 前記の部材を取除の工程は、前記プロファイル（１９）に、第一のセグメント（Ｂ）と第二のセグメント（Ｃ）の間に、湾曲部（Ｌ）を形成する、ことを特徴とする、請求項８に記載の方法。

Images