JP2010270911A - 遊星歯車伝動ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】大きい荷重に耐えることのできる遊星歯車伝導
ユニットを提供する。
【解決手段】リング歯車１７と、太陽歯車１８と、遊星軸受１３により遊星歯車１１が回転可能に取り付けられる複数の遊星軸１２を駆動する遊星キャリア１９とを備える遊星歯車伝動ユニット１０を提供する。遊星軸は、フレックスピン軸１２であり、該フレックスピン軸１２の各々は、１対の遊星歯車１１を備え、該対の遊星歯車１１の各々は、対の他方の遊星歯車１１のヘリックス角度に対向したヘリックス角度を有する、単一のヘリカル型である。本発明は、本発明の実施の形態に従った遊星歯車伝動ユニット１０を備えるギアボックス２０及びかかるギアボックス２０を備える風力タービンを更に提供する。
【選択図】図６

Description

本発明は、風力タービンのギアボックス内にて使用することのできる遊星歯車伝動ユニットに関する。

極めて高い要求が課され、また、極めて大きい荷重を受ける、例えば、風力タービン用の遊星歯車伝動ユニットのような遊星歯車伝動ユニットの場合、ヘリカル歯を有する歯車が通常、使用され、それは、ヘリカル歯を有する歯車は、要求される呼び容量を実現し且つ音及び振動を減少させる双方のより優れた特徴を有するからである。

ヘリカル歯を有するかかる遊星歯車伝動ユニットのある型式のものは既に知られている。しかし、これらの遊星歯車伝動ユニットは、依然として、大きな問題点があり、著しく最適化することが可能であろう。

遊星歯車伝動ユニットを設計するとき、要求される荷重を考慮することができまた、正確な歯車比を実現するため、リング歯車、太陽歯車及び遊星歯車に対して使用すべき歯車の歯のヘリックス角度及び寸法に関して選択を為さなければならない。

大きい荷重に耐えることができるようにするため、歯車伝動ユニットの全体の寸法を拡大することが可能であるが、かかる寸法の拡大は、当然に、経済的及び論理的な理由のため、できるだけ制限しなければならない。

全ての可能な因子を適正に組み合わせるだけで、少なくとも既存の遊星歯車伝動ユニットと比較して、比較的小さい寸法を有する一方にて、より大きい荷重を受けることのできる歯車伝動ユニットを形成することができる。

例えば、遊星歯車伝動ユニット内にて遊星歯車を支える軸受の場合、より大きい半径方向寸法を有するかかる遊星軸受を選ぶとき、多数の制約がある。それは、遊星歯車の歯と遊星軸受の外側軸受リングとの間の好ましくない相互作用を回避するため、又は、単に、荷重に耐えるため又は、軸受に対してある最小の寿命を確保するため、これら遊星歯車の歯車リムは、特定の厚さを有しなければならないからである。

軸方向に沿って、要求される歯車の容量は、歯車の幅に対して最小値を課し、また、軸受により遊星歯車に加わるトルクを受けることを可能とし、又は、遊星歯車に対して適正な軸方向及び半径方向軸受支持を実現するため、十分な歯車幅も必要である。ヘリカル歯を有する歯車は互いに軸方向に動いて離れる傾向があるから、歯車の歯のヘリックス角度は遊星軸受に影響を与える。歯のヘリックス角度が大きければ大きい程、歯の間の軸方向力は増大するであろう。リング歯車と遊星歯車との間にて、また、遊星歯車と太陽歯車との間の双方にて歯車が軸方向に動いて離れるため、遊星歯車伝動ユニットはこの傾向を有する。

遊星歯車がリング歯車に対して受ける軸方向力は、太陽歯車により遊星歯車に加えられる軸方向力に対向する。このため、これらの軸方向力は、互いに打ち消し合い、その結果、遊星歯車の軸と遊星軸受にて正味軸方向力は全く存在せず、このため、かかる軸方向力が遊星軸受に影響を与えることはない。

遊星歯車伝動ユニットが大きい荷重に耐えることができるようにする既知の解決策は、遊星軸としてフレックスピン軸を使用することである。かかるフレックスピン軸は、例えば、英国特許１，１０１，１３１号明細書から知られている。

図１は、フレックスピン軸の原理を示す。図１は、軸受３によってフレックスピン軸２に取り付けられた遊星歯車１を示す。遊星歯車１に力Ｆを加えると、フレックスピン軸２の一側部にてモーメントＡが生じ、また、フレックスピン軸２の反対側部にてモーメントＢが生じ、モーメントＡ、Ｂは、反対の方向を有する。これにより図１の右側に示したように、フレックスピン軸２は角度を付けて変形する。フレックスピン２の両側部のこの角度を付けた変形は等しくなければならない。

しかし、かかるフレックスピン軸は、ヘリカル歯を有する歯車と組み合わせて使用するのに適していない。その理由は、ヘリカル歯の場合、上述した対向した軸方向力（図２の参照番号６の矢印を参照）はリング歯車及び太陽歯車にそれぞれ加えられるからである。このため、遊星歯車の各々には、傾動モーメントが加わり、このモーメントは、遊星軸受によって取り扱われなければならない。従って、遊星歯車伝動ユニット内にてヘリカル歯を使用するとき、リング歯車及び太陽歯車がそれぞれかみ合うとき、垂直な歯の力の軸方向成分によってモーメントが形成される。これにより遊星歯車１は斜動する。フレックスピンの設計のとき、遊星軸組立体は従来の設計のものよりも剛性でなく、このため、遊星歯車のより大きい斜動を生じさせる。これは、フレックスピン軸２をその剛性が許容する限り異方性とすることにより解決することができる。これは、図３に示されており、この場合、フレックスピン軸２は、部分５よりも低剛性の部分４を有するような設計とされる。このようにして、接線方向への可撓性は依然として許容される一方、フレックスピン軸は、接線方向に対して直角な平面内にて可能な限り剛性である。このようにして、フレックスピンをヘリカル歯と組み合わせて使用することが可能となる。

しかし、上述した解決策は、複雑であり、このため、かかるフレックスピンの設計を含む遊星歯車伝動ユニットのコスト及び製造時間を増大させることになる。
このため、遊星歯車がヘリカル歯を有し、また、大きい荷重に耐えることのできる遊星歯車伝動ユニットの設計が必要とされている。

英国特許１，１０１，１３１号明細書 本発明の実施の形態の１つの目的は、大きい荷重に耐えることのできる遊星歯車伝動ユニットを提供し、また、かかる遊星歯車伝動ユニットを備えるギアボックス、及びかかるギアボックスを備える風力タービンを提供することである。

上述した目的は、本発明の実施の形態に従った装置により実現される。
本発明の第一の形態において、遊星歯車伝動ユニットが提供される。該遊星歯車伝動ユニットは、リング歯車と、太陽歯車と、遊星軸受により遊星歯車が回転可能に取り付けられる複数の遊星軸を駆動する遊星キャリアとを備えており、遊星軸は、フレックスピンとも呼ばれるフレックスピン軸であり、フレックスピン軸の各々は、１対の遊星歯車を備え、該対の遊星歯車の各々は、単一のヘリカル型であり、また、対の他方の遊星歯車のヘリックス角度に対向したヘリックス角度を有し、これは、シェブロン型の歯とも呼ぶこともできる。

本発明の新規な形態は、本発明が単一のヘリカル歯を有する歯車を使用することを許容する点にあり、このことは、この遊星歯車伝動ユニットは大きい荷重に耐えることができることを確実にしつつ、遊星歯車伝動ユニットにて直線状の歯を使用する場合よりも有利である。本発明の実施の形態に従った、遊星歯車伝動ユニットにおいて、遊星歯車における荷重の分配は最適であり、また、歯車の歯上にて列状になる。

更に、本発明の実施の形態に従った遊星歯車伝動ユニットは、取り付けが容易である。
更に、本発明の実施の形態に従った遊星歯車伝動ユニットの設計に対して、従来の等方性のフレックスピン軸を使用することができる。

本発明の実施の形態によれば、遊星軸受は、２列のテーパー付きころ軸受とすることができる。
２列のテーパー付きころ軸受の各々の最外側の軸受リングは、関係する遊星歯車内にて一体化することができる。

本発明の特定の実施の形態によれば、２列のテーパー付きころ軸受の各々のテーパー付きころ軸受の列は、Ｏ字形の形態にて配置することができる。
本発明の更なる実施の形態によれば、遊星軸受は、２列の円筒状ころ軸受とすることができる。

２列の円筒状ころ軸受の各々の最外側の軸受リングは、関係する遊星歯車内にて一体化することができる。
本発明の実施の形態によれば、リング歯車は、単一体型式のものとすることができる。

本発明の更なる実施の形態によれば、太陽歯車は単一体型式のものである。
第二の形態において、本発明は、少なくとも１つの遊星歯車伝動ユニットを備えるギアボックスを提供し、該少なくとも１つの遊星歯車伝動ユニットは、リング歯車と、太陽歯車と、遊星軸受により遊星歯車が回転可能に取り付けられる複数の遊星軸を駆動する遊星キャリアとを備え、遊星軸は、フレックスピンとも呼ばれるフレックスピン軸であり、フレックスピン軸の各々は、１対の遊星歯車を備え、対の遊星歯車の各々は、単一のヘリカル型であり、また、対の他方の遊星歯車のものと対向したヘリックス角度のものである。

ギアボックス内の遊星歯車伝動ユニットは、本発明の第一の形態の実施の形態の任意のものに従って具体化することができる。
更なる形態において、本発明は、本発明の実施の形態に従ったギアボックスを備える風力タービンを提供する。本発明のこの形態において、ギアボックス内の遊星歯車伝動ユニットは、本発明の第一の実施の形態の任意のものに従って具体化することもできる。

本発明の上記及びその他の特徴、特色及び有利な効果は、一例として、本発明の原理を示す添付図面に関して検討したとき、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。この説明は、本発明の範囲を制限することなく、単に、一例としてのみ掲げたものである。以下に引用する参照番号は、添付図面に関するものである。

異なる図面において、同一の参照番号は同一の又は類似の要素を示す。
先行技術にて既知であるフレックスピン軸の使用の原理を示す。 先行技術にて既知であるフレックスピン軸の使用の原理を示す。 先行技術にて既知であるフレックスピン軸の使用の原理を示す。 本発明の実施の形態による遊星歯車伝動ユニットの原理を示す。 本発明の実施の形態による遊星歯車伝動ユニットを概略図的に示す。 本発明の実施の形態によるギアボックスを示す。

本発明は、特定の実施の形態に関して且つ特定の非限定的な図面を参照して説明する。本発明は、これらの実施の形態にのみ限定されず、請求項によってのみ限定されるものであることを理解すべきである。説明の目的のため、図面における幾つかの要素の寸法は、誇張して示してあり、また、正確な縮尺通りではない。

「備える」及び「結合された」というような語は、本発明を何らかの仕方にて限定するものと解釈されるべきではない。請求項にて使用される「備える」という語は、その前にに記載した手段にのみ制限されるものと解釈すべきではなく、また、その他の要素又はステップを排除するものではない。同様に、請求項にて使用した「結合された」という語は、直接的な接続にのみ制限されるものと解釈されるべきではないことも認識される。

本明細書に記載した幾つかの実施の形態は、その他の実施の形態に含まれる幾つかの特徴を含まないわけではないが、異なる実施の形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲に属し、また、当業者により理解されるように、異なる実施の形態を形成することを意味する。例えば、以下の請求項において、請求項に記載した実施の形態の任意のものを任意の組み合わせにて使用することがある。

以下にて、本発明は、異なる実施の形態により説明する。これらの実施の形態は単に、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を何らかの仕方にて限定することを意図するものではないことを理解すべきである。

本発明は、ヘリカル歯を有し且つ大きい荷重に耐えることのできる遊星歯車を備える遊星歯車伝動ユニット、かかる遊星歯車伝動ユニットを備えるギアボックス、かかるギアボックスを備える風力タービンを提供する。

第一の形態において、本発明は、遊星歯車伝動ユニットを提供する。遊星歯車伝動ユニットは、リング歯車と、太陽歯車と、遊星軸受により遊星歯車が回転可能に取り付けられる複数の遊星軸を駆動する遊星キャリアとを備えている。遊星軸は、フレックスピンとも呼ぶことのできるフレックスピン軸であり、各フレックスピン軸は、１対の遊星歯車を備え、対の遊星歯車の各々は、単一のヘリカル型式のものであり且つ、対の他方の遊星歯車のものに対向したヘリックス角度のものである。

図４は、本発明の実施の形態に従った１対の遊星歯車伝動ユニット１０を示す。１対の遊星歯車１１は、軸受１３によりフレックスピン軸１２に取り付けられる。このようにして、１対の遊星歯車１１は、同一のフレックスピン軸１２に取り付けられ且つ、互いに直ぐ隣りに配置される。「互いに直ぐ隣りに」とは、例えば、先行技術（例えば、国際特許出願第２００５／０５００５８号明細書）の設計の場合におけるように、本願ではフレックスピン軸１２である、遊星軸を駆動する手段（例えば、背板、ボギィー板）のような、その他の部品が２つの遊星歯車１１の間に配置されないことを意味する。遊星歯車１１の各々は、ヘリカル歯（線１４にて図示）を有する。図面から理解し得るように、１対の歯車１１の歯車は、対向したヘリックス角度を有するヘリカル歯を備えている。これは、シェブロン型式の歯と呼ぶこともできる。

上述したように、ヘリカル歯を有する歯車によって軸方向力がリング歯車及び太陽歯車に作用し、また、遊星歯車には、傾動モーメントが加わる。本発明の実施の形態によれば、１対の遊星歯車１１の遊星歯車１１のヘリカル歯の対向した角度によって軸方向に誘発された歯の力（参照番号１５、１６によりそれぞれ示した軸方向力）は打ち消される。形成される唯一の力は、力Ｆであり、この力によって上述し且つ図１に示したように、フレックスピン軸１２の角度を付けた変形が生じる。この角度を付けた変形のため、遊星歯車伝動ユニット１０が負荷を受けたとき、軸受１３は、遊星歯車伝動ユニット１０のその他の構成要素に対して平行で且つその構成要素に対して角度を成さない方向に向けて動く。

本発明の新規な形態は、本発明は、単一のヘリカル歯を有する歯車を使用することを許容し、このことは、この遊星歯車伝動ユニット１０が大きい荷重に耐えることができることを確実にする一方にて、遊星歯車伝動ユニット１０内にて、真直ぐな歯を使用する場合よりも有利である。

本発明の実施の形態による遊星歯車伝動ユニット１０において、遊星歯車１１の上方にわたる荷重の分配は最適であり、歯車の歯の上にてラインアウトされる。
更に、本発明の実施の形態による遊星歯車伝動ユニット１０の設計に対して、従来の等方性のフレックスピン軸を使用することができる。従って、本発明の実施の形態によって説明したようにフレックスピン／遊星歯車の組み合わせを有する遊星歯車伝動ユニット１０は、遊星歯車ユニット１０の設計に対して追加的な複雑さを追加することなく、従って、具体化のため追加的なコストは不要である。

本発明の実施の形態の別の有利な効果は、遊星歯車伝動ユニットをより小型に構成することを可能にする点である。遊星歯車は互いに隣接する位置に配置することができるため、これらの遊星歯車は、従来の設計におけるよりも小さく形成することができる。本発明の設計のため、この小型の構成は、ヘリカル歯を有する歯車と組み合わせてフレックスピン軸を使用することに起因する望ましくない効果を伴うことなく実現することができる。更に、ヘリカル歯のため、真直ぐな歯が使用される場合よりも遥かに大きい定格を得ることができる。従って、本発明の実施の形態による、設計は、ヘリカル歯の利点（定格）及び小型の遊星歯車の利点を組み合わせ、また、ヘリカル歯を有する歯車とフレックスピン軸との組み合わせを使用することに起因する不利益な点が無い。

本発明の実施の形態による遊星歯車伝動ユニット１０は、取り付けが容易である。例えば、先ず、対の遊星歯車１１の第一の遊星歯車１１は、フレックスピン１２に取り付けられ、次に、リング歯車が取り付けられ、また、次のステップにおいて、対の遊星歯車１１の第二の遊星歯車１１がフレックスピン１２に取り付けられる。対の遊星歯車１１は、例えば、遊星歯車伝動ユニット１０の一側部にてカラーにより、また、遊星歯車伝動ユニット１０の反対側にて軸ナットにより係止することができる。従って、本発明の実施の形態に従った設計は、遊星歯車伝動ユニット１０内のリング歯車及び太陽歯車を単一体の型式とすることを許容し、このことは、コストの面にて大きな利点である。

本発明の実施の形態に従い遊星軸受１３は、２列のテーパー付きころ軸受とすることができる。幾つかの実施の形態において、２列のテーパー付きころ軸受の各々の最外側の軸受リングは、関係する遊星歯車１１内にて一体化することができる。２列のテーパー付きころ軸受の各々のテーパー付きころ軸受の列は、例えば、Ｏ字形の形態にて配置することができる。

更なる実施の形態に従い、遊星軸受は、２列の円筒状ころ軸受とすることができる。幾つかの実施の形態に従い、２列の円筒状のリング軸受の各々の最外側軸受リングは、関係する遊星歯車内にて一体化することができる。

本発明の実施の形態によれば、本発明ではフレックスピン軸１２である各遊星軸の各遊星軸受１３の遊星歯車の内側リングは、互いに直接接触するようにし又は１つ又はより多くのスペーサブッシュを介して互いに接触するようにすることができる。

図５は、本発明の実施の形態による遊星歯車伝動ユニット１０の可能な実施例を示す。これは単に説明を容易にするためであり、本発明を何らかの仕方にて限定することを意図するものではないことを理解すべきである。図５に示した遊星歯車伝動ユニット１０は、遊星軸受１３によりフレックスピン軸１２に取り付けられた複数対の遊星歯車１１を備えている。対の遊星歯車１１の遊星歯車１１の各々は、単一のヘリカル型であり、また、シェブロン型の歯とも呼ばれる対の他の遊星歯車１１に対向するヘリックス角度を有している。

示した例において、遊星歯車１３は、２列のテーパー付きのころ軸受とすることができる。より具体的には、当該例によれば、テーパー付きのころ軸受は、一体化した外側リングを有することができる、すなわちテーパー付きのころ軸受の各々の最外側の軸受リングは、関係する遊星歯車１１内にて一体化することができる。遊星歯車１１のテーパー付きの各々のころ軸受は、当該実施例に従い、いわゆるＯ字形の形態にて配置することができる。

図５に示した例において、遊星歯車１１及びそれらの軸受１３は、遊星歯車伝動ユニット１０の一側部にてカラー１７により、また、遊星歯車伝動ユニット１０の反対側部にて軸ナット１８により係止することができる。

第二の形態において、本発明は、少なくとも１つの遊星歯車伝動ユニット１０を備えるギアボックス２０を提供する。これは図６に示されている。遊星歯車伝動ユニット１０は、リング歯車１７と、太陽歯車１８と、遊星軸受１３により遊星歯車１１が回転可能に取り付けられる複数の遊星軸１２を駆動する遊星キャリア１９とを備えている。遊星軸はフレックスピン１２であり、フレックスピン１２の各々は、１対の遊星歯車１１を備え、対の各遊星歯車１１の各々は、単一のヘリカル型であり、また、対の他方の遊星歯車のものに対向したヘリックス角度のものである。これは、シェブロン型の歯と呼ぶこともできる。歯車伝動ユニット１０は、本発明の第一の形態に関して上記の実施の形態にて説明したように更に具体化することができる。本発明の実施の形態に従った設計は、遊星歯車伝動ユニット１０内のリング歯車１７及び太陽歯車１８を単一体型式とすることを許容し、このことは、コストの面にて大きな利点である。

更なる形態に従い、本発明は、本発明の実施の形態に従ったギアボックス２０を備える風力タービンを提供する。ギアボックス２０は、本発明の第一の形態に関して上述した実施の形態の任意のものに従った遊星歯車伝動ユニット１０を備えることができる。

１０ 遊星歯車伝動ユニット
１１ 遊星歯車
１２ 遊星軸、フレックスピン軸
１３ 遊星軸受
１７ リング歯車
１８ 太陽歯車
１９ 遊星キャリア
２０ ギアボックス

Claims (10)

1. リング歯車（１７）と、太陽歯車（１８）と、遊星軸受（１３）により遊星歯車（１１）が回転可能に取り付けられる複数の遊星軸（１２）を駆動する遊星キャリア（１９）とを備える遊星歯車伝動ユニット（１０）において、前記遊星軸は、フレックスピン軸で（１２）あり、該フレックスピン軸（１２）の各々は、１対の遊星歯車（１１）を備え、該対の遊星歯車の各々は、単一のヘリカル型であり、また、対の他方の遊星歯車（１１）のヘリックス角度に対向したヘリックス角度を有することを特徴とする、遊星歯車伝動ユニット。
2. 請求項１に記載の遊星歯車伝動ユニット（１０）において、前記遊星軸受（１３）は、２列のテーパー付きころ軸受である、遊星歯車伝動ユニット。
3. 請求項２に記載の遊星歯車伝動ユニット（１０）において、２列のテーパー付きころ軸受（１３）の各々の最外側の軸受リングは、関係した遊星歯車（１１）内にて一体化されている、遊星歯車伝動ユニット。
4. 請求項２又は３に記載の遊星歯車伝動ユニット（１０）において、２列のテーパー付きころ軸受（１３）の各々のテーパー付きころ軸受の列は、Ｏ字形の形態にて配置される、遊星歯車伝動ユニット。
5. 請求項１に記載の遊星歯車伝動ユニット（１０）において、前記遊星軸受（１３）は、２列の円筒状ころ軸受である、遊星歯車伝動ユニット。
6. 請求項５に記載の遊星歯車伝動ユニットにおいて、前記２列の円筒状ころ軸受（１３）の各々の最外側の軸受リングは、関係した遊星歯車（１１）内にて一体化されている、遊星歯車伝動ユニット。
7. 請求項１から６の何れかの項に記載の遊星歯車伝動ユニット（１０）において、前記リング歯車（１７）は、単一体型式のものである、遊星歯車伝動ユニット。
8. 請求項１から７の何れかの項に記載の遊星歯車伝動ユニット（１０）において、前記太陽歯車（１８）は単一体型式のものである、遊星歯車伝動ユニット。
9. 少なくとも１つの遊星歯車伝動ユニット（１０）を備えるギアボックスであって、該少なくとも１つの遊星歯車伝動ユニット（１０）は、リング歯車（１７）と、太陽歯車（１８）と、遊星軸受（１３）により遊星歯車（１１）が回転可能に取り付けられる複数の遊星軸（１２）を駆動する遊星キャリア（１９）とを備える、ギアボックス（２０）において、前記遊星軸は、フレックスピン軸（１２）であり、該フレックスピン軸（１２）の各々は、１対の遊星歯車（１１）を備え、該対の遊星歯車（１１）の各々は、単一のヘリカル型であり、また、対の他方の遊星歯車（１１）のものと対向したヘリックス角度のものであることを特徴とする、ギアボックス。
10. 請求項９に記載のギアボックス（２０）を備える、風力タービン。

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