JP2009503415A - フレックスピンを備えた遊星ギアシステム - Google Patents

Abstract

遊星ギアシステムＡは太陽ギア２、当該太陽ギアの周りに配置されるリングギア４、太陽ギアとリングギアとの間で二列に配される遊星ギア６、及び遊星ギアの向こう側に配置される壁と、当該壁から遊星ギアへと突出するフレックスピン２４とを有するキャリア８を備えている。各フレックスピンには、壁に固定されたフランジ３６を備えるとともに壁から一端が突出している内側ピン３０と、当該内側ピンの他端から突出するとともに、内側ピンを越えて背部に伸びるスリーブ３２と、が備えられ、ダブルカンチレバーとされている。フレックスピンのスリーブと当該フレックスピンに対応する遊星ギアとの間には二列テーパーローラーベアリングがある。一列の遊星ギアは他列の遊星ギアに関して角度的にオフセットされていてもよい。

Description

本出願は米国仮特許出願（出願番号６０／７０４，３２９、出願日２００５年８月１日）から派生したものであり、当該仮特許出願に基づく優先権を主張している。

本発明は概してギア装置に関し、より詳しくは遊星ギアシステムに関する。

遊星ギアシステムは、限定された空間において相当な力を伝達することができる。当該限定された空間の典型例としては、風力タービンのエンジン室が挙げられる。風力タービンにおいては、風力を受け取る翼板により動作するローターが発電機となる。発電機が比較的小さいものとされる場合は、当該発電機はかなりの高回転速度で回転しなければならないのであるが、それに対してローターの回転は遅い。当該目的を達成するために、ローターと発電機との間には変速機が存在し、ローターの回転速度を増加させる。通常、変速機には一つ以上の遊星ギアセットが備えられている。

遊星ギアシステムの最も基本的な構造には、太陽ギア、及び当該太陽ギアの周りに配置されるリングギアが備えられており、太陽ギア及びリングギアは、双方とも、共通の中心軸に沿って集められている。太陽ギアとリングギアとの間に配置された遊星ギアは、当該太陽ギア及びリングギアと噛み合い、中心軸からオフセットされた軸を規定するピンを中心に回転する。ピンは中心軸を同じように共有するキャリア部分を形成する。

キャリアは跨状の類の形状を有していればよく、各ピンが内部に伸びるとともに、キャリア両端で壁に固定されている。その一方で、キャリアはフレックスピン類であってもよく、各フレックスピンには、片持ち梁のようにキャリア部壁から延びる内側ピンが備えられ、その離端は内側ピンにわたって折り返されたスリーブと係合し、内側ピンの離端から一端が飛び出している。これは、いわゆるダブルカンチレバーのことである。米国特許３，３０９，７４３号（Ｒ．Ｊ，Ｈｉｃｋ）参照。

大荷重の下にある跨状キャリア部は、ねじり巻き上げられ、一つのキャリア壁が他のキャリア壁にわずかに先んじてねじれることとなる。従って、ピンが曲がり、遊星ギア、太陽ギア、及びリングギア間の噛み合わせが変化してしまう。このことで、過度のノイズ、摩擦、摩耗が生じることとなる。

フレックスピンキャリアにおいては、各フレックスピンの内側ピンが一方向に曲がる一方で、スリーブが当該内側ピンの曲がりを打ち消すように、内側ピンの曲がり方向とは反対に曲がる。このように、曲がりにかかる問題を緩和する一方で、内側ピンは、キャリア壁から飛びだした個所にて、強いストレスを受ける。

まず、図について言及する。中心軸Ｘのまわりに構成される遊星ギアシステムＡ（図１参照）には、太陽ギア２と、当該太陽ギア２を取り囲むリングギア４と、太陽ギア２及びリングギア４の間に二列に配列されるとともに、太陽ギア２及びリングギア４双方に噛み合う遊星ギア６と、当該遊星ギア６を周回させるキャリア８が備えられている。太陽ギア２、リングギア４、及びキャリア８は、中心軸Ｘを共有しており、いずれもＸ軸を中心に回転する。遊星ギア８はＹ軸を中心に回転し、当該Ｙ軸はＸ軸からオフセットされるとともに通常Ｘ軸と平行とされている。

太陽ギア２は外歯を有しており、当該外歯はギア２全体に広がっている。また、太陽ギア２は二列に配列され、一つの太陽ギア２が各遊星ギア６の配列と対応している。太陽ギア２はその端部にスピンドル１０を有しており、当該スピンドル１０はキャリア８へと軸方向に突出している。リングギア４は内歯を有しており、当該内歯も同様に、ギア全体にわたっている。又は、リングギア４は二列に配列されていてもよい。遊星ギア６は外歯を有しており、当該外歯は太陽ギア２及びリングギア４の歯と噛み合う。

キャリア８は、遊星システムＡの端部で互いに平行となっている端壁１４と、端壁１４間を橋渡しするとともに二つのフランジ１４と互いに固く連結するブリッジ１６と、を有している。そのような場合であっても、端壁１４のうち少なくとも一つは、ブリッジ１６から取り外され得るとともに、ギアシステムＡの組み立てを容易とするために取り除かれ得る。ブリッジ１６は二つの端壁１４の間にある空間を複数のポケット１８に分け、当該ポケット１８に遊星ギア６が収容される。各ポケット１８において、各フランジ１４がソケット２０を有しており、当該ソケット２０はポケット１８へと開口している。キャリア８の端壁１４には転がり軸受２２が備えられており、当該転がり軸受２２は太陽ギア２のスピンドル１０を受け容れ、太陽ギア２とキャリア８との間の相対的回転が許容され、これらが同心を維持することを確実なものとしている。さらに、キャリア８にはフレックスピン２４が備えられており、当該フレックスピン２４は端壁１４からポケット１８内の遊星ギア６へと突出している。そして、キャリア８はフレックスピン２４と遊星ギア６との間に入れられる転がり軸受２６を有しており、各遊星ギア６は隔離軸受２６のフレックスピン２４を中心に回転する。

各フレックスピン２４は、キャリア端壁１４の一つから一端が飛び出した内部ピン３０と、当該内部ピン３０を取り囲むとともに、端壁１４に対して離端側の内部ピン３０から一端が飛び出したスリーブ３２と、を有している。ピン３０は固定された状態であり、ダブルカンチレバーとなっている。このようにするために、内部ピン３０には、軸部３４と、当該軸部３４の一端にある一体フランジ３６と、が備えられている。軸部３４は隅肉３７でフランジ３６と一体とされており、隅肉３７は、曲げモーメントが最大となる片持ち梁状のピン３０において感度を制御するように特定された半径を有している。内部ピン３０には円筒状突起３８も備えられており、当該円筒状突起３８はフランジ３６から軸部３４とは離れる方向に突出している。円筒状突起３８の径は、キャリア端壁１４にあるソケット２０の径よりもわずかに大きい。軸部３４には溝４０が存在し、当該溝４０によって軸部３４の中間部の径が減ぜられている。当該中間部においては柔軟性がより高い。溝４０の基部にはさらなる隅肉が存在し、溝４０の端部からピン大径部へと突然径が変化することはない。内部ピン３０の円筒状突起３８は、端壁１４のソケット２０の一つへと嵌め合わさり、端壁１４からフレックスピン２４が突出し、突起３８とソケット２０との間には締り嵌めが存在する。ピンフランジ３６はキャリア端壁１４の内側面に接するように位置しており、ピンフランジ３６とキャリア端壁１４とは小ネジ４２で互いに硬く連結されている。小ネジ４２はキャリア端壁１４を通り抜け、ピンフランジ３６へと通っている。

スリーブ３２は貫通孔４４を有しており、当該貫通孔４４の径はキャリア端壁１４から離端側のほうが、孔４４の残りの部分よりも小さくなっている。実際には、離端側の孔４４の径は、スリーブ３２と、溝４０の向こう側の軸部３４と、の間に締り嵌めが存在するような径とされている。しかしながら、孔４４の残りの部分の径については、軸部３４の溝４０、溝と隅肉３７との間、及び隅肉３７において、スリーブと内部ピン３０との間に隙間が存在するような径とされている。さらに、スリーブ３２はフランジ３６まで届いてはおらず、スリーブ３２端部とフランジ３６との間には隙間が存在する。これら隙間により、スリーブ３２は内部ピン３０に対して屈折することが可能となり、双方が互いに反対の傾斜角度とされる。スリーブ３６の他端は軸部３４の端部とともに平らとされており、当該箇所で、内部ピン３０及びスリーブ３２が溶接部４６に沿って互いに連結されている。スリーブ３２の当該他端には切り込み４８も備えられている。

軸受２６は、遊星ギア６とフレックスピン２４上のスリーブ３２との間に位置している。実際には、軸受２６の構成要素は、ギア６及びスリーブ３２上に存在し、当該双方と一体とされている。このようにするために、各スリーブ３２は、互いに向かい合って下向きに先細りとなる内側及び外側レースウェイ５０を有している。内側レースウェイ５０の大径端部は、スラストリブ５２に沿って配置されており、当該スラストリブ５２は、スリーブ３２と一体に形成されている。外側レースウェイ５０の大径端部は、もう一つのスラストリブ５４に沿って配置されており、当該スラストリブ５４は、スリーブ３２の離端で切り込み４６に嵌め合わさるリブリング５６から突出している。リブリング５６の反対側端部は、通常、スリーブ３２とともに平らとされており、当該箇所において、スリーブ３２とリブリング５６とは溶接部５８に沿って互いに連結されている。軸受２６には、遊星ギア６によって供される内側及び外側アウターレースウェイ６０も備えられており、当該遊星ギア６と対応するフレックスピン２４のスリーブ３２を取り囲んでいる。内側アウターレースウェイ６０は内側インナーレースウェイ５０を取り囲んでおり、双方は同方向に傾いている。外側アウターレースウェイ６０は外側インナーレースウェイ５０を取り囲んでおり、双方は同方向に傾いている。そして、軸受２６には二列構成の先細りの転動体６４が備えられており、先細りの転動体６４の一列は内側レースウェイ５０、６０の間にあり、もう一列は外側レースウェイ５０、６０の間にある。転動体６２のテーパー側面は、レースウェイ５０、６０と接触している。内側列にある転動体６２の大径端面は、一体スラストリブ５２と接するように備えられており、外側列にある転動体６２の大径端面はリブリング５６のスラストリブ５４と接するように備えられている。実際には、スラストリブ５２、５４により、転動体６２がレースウェイ５０、６０間の環状の空間から取り除かれることはない。転動体６２は頂部にあり、即ち、転動体６２の各列についての側面が位置している円錐エンベロープが、軸受２６のＹ軸に沿った共通箇所に頂部を有している。レースウェイ５０、６０の列についても同様のことが言える。さらに、軸受２６は僅かに負荷が加えられた状態で設置され、内部に隙間は存在していない。このことは、外側インナーレースウェイ５０に沿ったスラストリブ５２の軸位置によって制御される。

ギアシステムＡが用いられ、角速度の増加をもたらす場合、通常、リングギア４は固く保持される。トルクは、相対的に低角速度にてキャリア８へと供され、太陽ギア２で高角速度となって供される。例えば、キャリア８は風力タービンのローター６６（図４参照）に連結されていてもよい。風を捕らえるため、ローター６６には羽又は翼板６８が備えられており、当該翼板６８に向かって風がぶつかることで、ローター６６にトルクが発生し、回転することとなる。ローター６６はキャリア８を回転させ、そのことで、遊星ギア６は太陽ギア２の周り且つリングギア４内にて軌道に乗る。遊星ギア６は、太陽ギア２を高速度で回転させる。太陽ギア２は発電機のさらなるギア回転を供するものと解される。高角速度を有しているから、発電機は過剰なスペースを必要としない。

キャリア８及び遊星ギア６が実質的なトルクを伝達するとしても、遊星ギア６は適合されたままである。すなわち、遊星ギア６は自ずと太陽ギア２及びリングギア４と噛み合い、ほとんど若しくは全く歪みがない。このような適合性はフレックスピン２４及びそれらと一体とされたダブルカンチレバーによるものである。キャリア８に実質的なトルクが発生したとき、各フレックスピン２４の内側ピンは、供されるモーメントの下で曲がる。そして、これはピン３０の離端へと移り、ピン３０は反対側端においてフランジ３６を追従又はフランジ３６から立ち遅れることとなる。しかしながら、フレックスピン２４のスリーブ３２自体は、屈曲方向とは反対に順応することで、基本的には中心軸Ｘと平行のままである。スリーブ３２は遊星ギア４の回転軸Ｙを規定しているから、基本的に回転軸Ｙは中心軸Ｘと平行のままである。このことで、遊星ギア６と太陽ギア２及びリングギア４とは良好に噛み合う。

従来、キャリア壁にフレックスピンの打つ側を固定するに際しては、内側ピンの当該端部とキャリア壁との間で強いプレス嵌め及び溶接を行うことが通例であった。これは、キャリア壁内のプレス嵌め部分で樹脂変形を引き起こし、さらに、内側ピンのキャリア壁から出ている部分には高い応力集中が起きることとなっていた。それとは別に、フレックスピンやそれに支えられる遊星ギアを保守又は取り換えるためにアセンブリを解体することが、実質的に不可能であった。

遊星ギアシステムＡによれば、これら問題は解消される。各フレックスピン２４の円筒状突起３８とキャリア壁１４のソケット２０との間に存在する締り嵌めにより、フレックスピン２４及び遊星ギア６は正確にキャリア壁上に配され、且つ、プレス嵌めが小さく、内側ピン３０上のキャリア壁１４にも過度に圧力がかかることはない。小ネジ４２は各フレックスピン２４の内側ピン３０をキャリア壁１４に固く固定するとともに、取り外す際には、フレックスピン２４及び遊星ギア６を容易に取り外すことができ、ユニットは保守又は交換される。内側ピン３０の軸部３４が内側ピン３０のフランジ３６と一体とされる箇所である隅肉３７によって、最も大きなモーメント領域における高い応力集中が解消される。

キャリア壁１４のうちの片方から突出するフレックスピン２４はキャリア壁１４のもう片方から突出するフレックスピン２４と一列とされてもよく、フレックスピン２４と遊星ギア６とは一列に対となるように構成される。結果として、各対の遊星ギア６は、太陽ギア２及びリングギア４の同じ歯と同時に噛み合い、当該歯はギア２、４の全体に伸びているものと解される。それら歯に過度の圧力がかかり、当該圧力によって歯が曲がってしまうことがないように、一つのキャリア壁１４にあるフレックスピン２４は他のキャリア壁１４にあるフレックスピン２４から角度的にオフセットされている。オフセットは、一列にある遊星ギア６が他列にある対応するギア６に対して一つ又は二つの歯数分進んで、又は遅れて、太陽ギア２及びリングギア４に噛み合うことができるのに十分なオフセット量であればよい。

フレックスピン２４をキャリア壁１４に配置するに際して、各フレックスピン２４の内側ピン３０には円筒状突起３８が備えられている必要はない（図５参照）。内側ピン３０は突起３８なしに構成され、キャリア壁１４には浅いソケット７２が備えられており、当該ソケット７２が、内側ピン３０のフランジ３６を、わずかな締り嵌めでもって受け容れる。ソケット７２が浅いことで、ソケット７０にはフランジ３６が接地する底面がある。小ネジ４２はソケット７２へと伸びており、フランジ３６へとねじ込まれている。

フレックスピン２４を備えた遊星ギア６は太陽ギア２及びリングギア４の間において一列のみで構成されていてもよく、そのような場合には、キャリア８はキャリア壁１４を一つだけ有していればよい。針状ころ軸受、球面ころ軸受、円筒ころ軸受、又はアンギュラ玉軸受等の他のタイプの軸受や、他の単純な軸受についても、遊星ギア６とフレックスピン２４との間の回転のために用いられるものと解される。

一部を切り欠き断面としている本発明の実施形態にかかる遊星ギアシステムについての斜視図である。 遊星ギア及び当該遊星ギアが周回するフレックスピンのうちの一組についての断面図である。 一部を切り欠き断面としている遊星ギア及びフレックスピンについての分解組立斜視図である。 遊星ギアシステム及び風力タービンローターの分解組立斜視図であり、トルクはギアシステムを通って伝達される。 変形例にかかる遊星ギア及びフレックスピンについての断面図である。

Claims (13)

1. 中心軸に沿って配置される太陽ギアと、
   前記太陽ギアの周りに配置されるとともに、前記中心軸を中心とするリングギアと、
   前記太陽ギアと前記リングギアとの間に配置されるとともに、前記太陽ギアと前記リングギアと噛み合う遊星ギアと、
   前記中心軸を中心とするキャリアであって、キャリア壁及び該キャリア壁から前記遊星ギアへと突出しているフレックスピンを有するキャリアと、
   を備える遊星ギアシステムであって、
   前記フレックスピンは、フランジが備えられた内側ピンを有しており、前記フランジに沿って前記キャリア壁に取り付けられることで、前記内側ピンは前記キャリア壁から一端が突出しており、
   前記フレックスピンは、さらにスリーブを有しており、前記スリーブは前記内側ピンを取り囲むとともに、前記フランジから離端側にある前記内側ピンから突出し、前記フレックスピンがダブルカンチレバーとされ、
   前記キャリアには、前記フレックスピンの前記スリーブと前記遊星ギアとの間に配置される軸受がさらに備えられ、前記軸受へと前記フレックスピンが突出していることを特徴とする、遊星ギアシステム。
2. 前記フレックスピンの前記内側ピンが、小ネジによって前記キャリアに固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の遊星ギアシステム。
3. 前記小ネジが、前記キャリア壁を通って伸びており、前記フレックスピンと対応する前記内側ピンの前記フランジへと螺入していることを特徴とする、請求項２に記載の遊星ギアシステム。
4. 前記キャリア壁がソケットを有しており、前記フレックスピンの前記内側ピンが前記フランジの背部に、前記ソケットへと嵌合する突起を有することを特徴とする、請求項１に記載の遊星ギアシステム。
5. 前記ソケット及び前記突起が円筒状であり、前記突起が締り嵌めにより前記ソケットへと嵌合することを特徴とする、請求項４に記載の遊星ギアシステム。
6. 前記キャリア壁は底面が備えられたソケットを有しており、前記フレックスピンと対応する前記内部ピンの前記フランジが、前記ソケットに嵌合するとともに、前記底面に対して接地することを特徴とする、請求項１に記載の遊星ギアシステム。
7. 前記キャリア壁が、前記キャリアの二つのキャリア壁のうちの一つであり、前記フレックスピンが、各前記キャリア壁から突出するとともに、前記遊星ギアのうちの一つへと突出しており、そのことで前記フレックスピン及び前記遊星ギアが、二列に構成され、該列の一列にある前記フレックスピンが前記列の他列にある前記フレックスピンから引き離されていることを特徴とする、請求項１に記載の遊星ギアシステム。
8. 前記一列の前記フレックスピン及び前記遊星ギアが、前記他列の前記フレックスピン及び前記遊星ギアに関して角度的にオフセットされており、二列の前記遊星ギアが、前記太陽ギア及び前記リングギアの同じ歯に同時に噛み合うことがないことを特徴とする、請求項７に記載の遊星ギアシステム。
9. 前記一列の前記遊星ギアによって噛み合わされる前記太陽ギア及び／又は前記リングギアの歯が、前記他列の前記遊星ギアによって噛み合わされる歯とは別であることを特徴とする、請求項７に記載の遊星ギアシステム。
10. 各前記フレックスピンの前記内側ピンは軸部を有しており、前記フランジが前記軸部の端部に備えられ、さらに、各前記フレックスピンの前記内側ピンには前記軸部及び前記フランジが結合する隅肉が備えられることを特徴とする、請求項１に記載の遊星ギアシステム。
11. 風力タービンのローターと組み合わされ、前記ローターの角速度よりも大きな角速度でトルクを供することを特徴とする、請求項１に記載の遊星ギアシステム。
12. 中心軸に沿って配置される太陽ギアと、
    前記太陽ギアを取り囲むとともに前記中心軸を中心とするリングギアと、
    前記太陽ギア及び前記リングギアに噛み合わされる、第一列に配置された第一遊星ギア及び第二列に配置された第二遊星ギアと、
    互いに離隔されるとともに前記第一遊星ギア又は第二遊星ギアに沿って配置された第一壁及び第二壁、を有するキャリアと、
    を備える遊星ギアシステムであって、
    前記キャリアには第一フレックスピン及び第二フレックスピンがさらに備えられ、前記第一フレックスピンが前記第一壁から前記第一遊星ギアへと突出し、前記第二フレックスピンが前記第二壁から前記第二遊星ギアへと突出しており、
    前記第一遊星ギアが前記第二遊星ギアに関して角度的にオフセットされており、前記第一遊星ギア及び第二遊星ギアが、前記太陽ギア及び前記リングギアの同じ歯に同時に噛み合うことがないことを特徴とする、遊星ギアシステム。
13. 風力タービンのローターと組み合わされ、前記ローターの角速度よりも大きな各速度でトルクを供することを特徴とする、請求項１２に記載の遊星ギアシステム。

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