JP2012036942A - 歯車装置のスラスト荷重伝達機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジアル荷重とスラスト荷重を伝達することができ、かつスラスト荷重を伝達する面の相対速度及びすべり摩擦を大幅に低減して焼付きを防止することができる歯車装置のスラスト荷重伝達機構を提供する。
【解決手段】ホイール歯車１２は、その両側面にホイール歯車のピッチ円１２ａを含む第１切頭円錐面３２を有する。ピニオン軸１３は、ホイール歯車の両側面に位置し、軸方向内面にピニオン歯車のピッチ円１３ａを含む第２切頭円錐面３４を有する１対のスラストカラー１８を有する。第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４は、それぞれの母線の最近接位置において平行に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラジアル荷重とスラスト荷重を伝達する歯車装置のスラスト荷重伝達機構に関する。

例えば、歯車駆動ターボ圧縮機では、駆動装置の回転を歯車増速機で増速してターボ圧縮機のインペラを高速で回転駆動する。この歯車増速機は、インペラに直結されたピニオン歯車（小歯車）と駆動装置に直結されたホイール歯車とが歯合し、ホイール歯車からピニオン歯車にラジアル荷重を伝達すると共に、ピニオン歯車からホイール歯車にスラスト荷重が伝達されるようになっている。

なお、かかる歯車装置は、例えば特許文献１〜３に開示されている。

特開平０５−９９２８２号公報、「歯車装置」 特開平０８−１８９４９４号公報、「歯車駆動式多軸ターボ形圧縮機及び歯車駆動式多軸ラジアル膨張機」 特開２００８−２３１９３３号公報、「歯車駆動ターボ形圧縮機」

図１は、上述した従来の歯車駆動ターボ圧縮機におけるスラスト荷重伝達機構の構成図である。

この図において、１はインペラ（図示せず）に直結されたピニオン歯車（小歯車）、２は駆動装置（図示せず）に直結されたホイール歯車、３はピニオン歯車１の両側（図で上下）に設けられたスラストカラー、４はスラストカラー３の軸方向内面に設けられたピニオン側テーパ面、５はホイール歯車２の側面に設けられたホイール側テーパ面である。

このスラスト荷重伝達機構では、ピニオン歯車１とホイール歯車２とが歯合し、ホイール歯車２からピニオン歯車１にラジアル荷重を伝達すると共に、ピニオン歯車１を有するピニオン軸６に作用するスラスト荷重７を、ピニオン側テーパ面４とホイール側テーパ面５の間に潤滑油膜を形成させてホイール歯車２に伝達するようになっている。

図１において、Ｒはホイール歯車２の中心からホイール側テーパ面５の中心までの半径、Ｒ１はホイール歯車２のピッチ円半径である。
上述した従来のスラスト荷重伝達機構では、半径Ｒとピッチ円半径Ｒ１が大きく異なるため、ピニオン側テーパ面４とホイール側テーパ面５との相対速度が大きく、その間のすべり摩擦により、焼付きが生じるおそれがあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ラジアル荷重とスラスト荷重を伝達することができ、かつスラスト荷重を伝達する面の相対速度及びすべり摩擦を大幅に低減して焼付きを防止することができる歯車装置のスラスト荷重伝達機構を提供することにある。

本発明によれば、ピニオン歯車を有するピニオン軸とホイール歯車を有するホイール軸とを有し、ピニオン歯車とホイール歯車とが歯合し、ホイール歯車からピニオン歯車にラジアル荷重を伝達すると共に、ピニオン歯車からホイール歯車にスラスト荷重が伝達される歯車装置のスラスト荷重伝達機構であって、
前記ホイール歯車は、その両側面にホイール歯車のピッチ円を含む第１切頭円錐面を有し、
前記ピニオン軸は、前記ホイール歯車の両側面に位置し、軸方向内面にピニオン歯車のピッチ円を含む第２切頭円錐面を有する１対のスラストカラーを有し、
前記第１切頭円錐面と第２切頭円錐面は、それぞれの母線の最近接位置において平行に位置する、ことを特徴とする歯車装置のスラスト荷重伝達機構が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記歯車装置は、前記ホイール歯車を駆動装置で回転駆動し、この回転により前記ピニオン歯車を増速し、その両端に取り付けられた羽根車を高速回転する歯車駆動ターボ圧縮機の歯車増速機である。

上記本発明の構成によれば、ホイール歯車に設けられた第１切頭円錐面とピニオン軸に設けられた第２切頭円錐面が、それぞれの母線の最近接位置において平行に位置するので、第１切頭円錐面と第２切頭円錐面の最近接領域に潤滑油膜を形成して、その間で潤滑油膜を介してスラスト荷重を伝達することができる。

また、第１切頭円錐面はホイール歯車のピッチ円を含んでおり、第２切頭円錐面はピニオン歯車のピッチ円を含んでいるので、ピッチ円における相対速度及びすべり摩擦は０であり、スラスト荷重を伝達するスラスト支持面（第１切頭円錐面と第２切頭円錐面）の相対速度及びすべり摩擦を大幅に低減して焼付きを防止することができる。

従来の歯車駆動ターボ圧縮機におけるスラスト荷重伝達機構の構成図である。 本発明によるスラスト荷重伝達機構を備えた歯車駆動ターボ圧縮機の部分断面図である。 本発明によるスラスト荷重伝達機構の第１実施形態図である。 ホイール歯車とピニオン歯車のピッチ円を示す図である。 本発明によるスラスト荷重伝達機構の第２実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明によるスラスト荷重伝達機構を備えた歯車駆動ターボ圧縮機の部分断面図である。
この図において、歯車駆動ターボ圧縮機は４段圧縮機であり、４つ（図には２つのみ示す）のインペラ１６（以下、「羽根車」と呼ぶ）で対象ガスを順次圧縮し高圧を得るようになっている。なおこの図において、羽根車を囲むコンプレッサハウジングとガス流路は図示を省略している。

図２において、１２はホイール歯車（又は大歯車と呼ぶ）、１４はピニオン歯車（又は小歯車と呼ぶ）であり、ホイール歯車１２を図示しない駆動装置（電動機、エンジン、タービン等）で回転駆動し、この回転によりピニオン歯車１４を増速し、その両端に取り付けられた羽根車１６を高速回転する。ホイール歯車１２とピニオン歯車１４とからなる歯車増速機の増速比は通常１０倍程度であり、各羽根車は、毎分約１万回転〜毎分数万回転で高速回転する。

図２において、１８はピニオン軸１３にピニオン歯車１４を挟んで固定されたスラストカラーであり、２０はホイール軸１１のスラストを支持するスラスト軸受である。各羽根車に作用するスラスト力とホイール歯車とピニオン歯車の噛み合いによるスラスト力は、スラストカラー１８及びその間で摺動可能に支持されたホイール歯車１２を介してスラスト軸受２０に伝達され支持される。
なおこの図において、１５は歯車箱（ケーシング）、２２はラジアル軸受、２３はガスシール、２４は油切（オイルシール）である。

図３は、本発明によるスラスト荷重伝達機構の第１実施形態図である。この図は、図２のホイール歯車１２とピニオン歯車１４の噛み合い部分（破線部分）を反時計まわりに９０°回転させて示している。

ホイール歯車１２は、その歯先部の両側面（図で左右）にホイール歯車１２のピッチ円１２ａを含む第１切頭円錐面３２を有する。第１切頭円錐面３２はホイール歯車１２の軸線１２ｂを中心とする円錐面の一部である。

なおこの例において、ホイール歯車１２の歯面の両側に切頭円錐形部分３３が一体的に設けられ、第１切頭円錐面３２はこの切頭円錐形部分３３に設けられている。従って切頭円錐形部分３３の第１切頭円錐面３２は、凹部のない切頭円錐面である。

また、ピニオン軸１３は、ホイール歯車１２の両側面（図で左右）に位置する１対のスラストカラー１８を有する。このスラストカラー１８は、軸方向内面にピニオン歯車１４のピッチ円１４ａを含む第２切頭円錐面３４を有する。第２切頭円錐面３４は、ピニオン歯車１４の軸線１４ｂを中心とする円錐面の一部である。

第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４は、それぞれの母線の最近接位置において平行に位置する。
すなわち、ピニオン歯車１４の軸線１４ｂに直交する平面と、第１切頭円錐面３２の母線及び第２切頭円錐面３４の母線がなす角度αは等しくなっている。この角度αは、０．１〜５°程度が好適である。
以下、第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４を単に「スラスト支持面」と呼ぶ。

図３において、Ｒはホイール歯車１２の中心から第１切頭円錐面３２の中心までの半径、Ｒ１はホイール歯車１２のピッチ円半径である。

次に、本発明のスラスト荷重伝達機構の作用（動作）を説明する。
ピニオン軸１３にはスラスト荷重７（空気力、はすば歯車のかみ合い力など）が作用する。このスラスト荷重７は上述した第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４を介してホイール歯車１２に伝達され、ホイール軸１１に設けられたスラスト軸受２０（または転がり軸受）で支承される。
スラスト支持面（第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４）の間には、潤滑油により潤滑油膜（油膜）が形成されるため、両者が金属接触することはない。

上述した第１実施形態の構成によれば、切頭円錐形部分３３の第１切頭円錐面３２が凹部のない切頭円錐面であるので、スラスト支持面（第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４）の負荷容量は、従来例と実質的に同等である。
一方、第１切頭円錐面３２の中心までの半径Ｒとホイール歯車１２のピッチ円半径Ｒ１が同一であるので、ピッチ円上で荷重伝達することとなり、相対すべり速度が低く、実質的にゼロであり、焼付きのおそれをほとんど無くすことができる。
以下、この理由を説明する。

油膜の形成能力の支配因子の一つに両面の合成速度がある。合成速度Ｖは両面の周速Ｖ１とＶ２の和で定義され（Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２）、これが大きいほうが油膜形成能力が高い。一方，油膜が破断したときの焼付きの支配因子の一つに両テーパ面の相対速度Ｕがある。相対速度Ｕは両面の周速の差の絶対値で定義され（Ｕ＝｜Ｖ１−Ｖ２｜）、これが大きいほうが焼きつきやすい。

図４は、ホイール歯車１２とピニオン歯車１４のピッチ円１２ａ，１４ａを示す図である。
ホイール歯車１２とピニオン歯車１４のピッチ円半径をそれぞれＲ１，Ｒ２、回転角速度をそれぞれω１，ω２とする。増速比をα＝ω２／ω１と定義すると、α＝Ｒ１／Ｒ２が成り立つ。

図１に示した従来例において、ホイール側テーパ面５の中心半径Ｒはホイール歯車２のピッチ円半径Ｒ１よりも小さい（Ｒ＜Ｒ１）。β＝Ｒ／Ｒ１と定義すると、相対速度Ｕａは、以下の式（１）となる。
Ｕａ＝（Ｒ１＋Ｒ２−Ｒ）ω２−Ｒω１＝｛（α＋１）−（１−α）β｝Ｒ１ω１・・・（１）

一方、本発明ではスラスト支持面３２、３４の中心半径Ｒとホイール歯車１２のピッチ円半径Ｒ１を一致させることができるので、上式でＲ＝Ｒ１（β＝１）とおくと、相対速度Ｕｂは、以下の式（２）となる。
Ｕｂ＝Ｒ２ω２−Ｒ２ω１＝０・・・（２）

すなわち、常に、Ｕｂ＜｜Ｕａ｜となる。また、合成速度Ｖ（＝Ｖ１＋Ｖ２）は、両者において差は小さく、油膜形成能力は同等といえる。
したがって、本発明によれば油膜形成能力は同等であり、焼付きの危険を小さく（Ｕを小さく）することができる。

図５は、本発明によるスラスト荷重伝達機構の第２実施形態図である。
この例では、図４における切頭円錐形部分３３が省略されており、ホイール歯車１２の歯先部の両側面に第１切頭円錐面３２が直接設けられている。
従って、この例では、第１切頭円錐面３２には、歯先部の歯のない部分が凹部として周期的に存在する。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

上述した第２実施形態の構成によれば、第１切頭円錐面３２に歯先部の歯のない部分が凹部として周期的に存在するので、スラスト支持面（第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４）の潤滑面積は従来よりも小さい。
しかし、スラスト支持面３２、３４が歯面の近くにあることにより、潤滑油がより供給されやすい状況になるため、油膜形成能力が高く、負荷容量は、従来例と実質的に同等であるといえる。
一方、第１切頭円錐面３２の中心までの半径Ｒとホイール歯車１２のピッチ円半径Ｒ１が同一であるので、ピッチ円上で荷重伝達することとなり、相対すべり速度が低く、実質的にゼロであり、焼付きのおそれをほとんど無くすことができる。

上述したように本発明の構成によれば、ホイール歯車１２に設けられた第１切頭円錐面３２とピニオン軸１３に設けられた第２切頭円錐面３４が、それぞれの母線の最近接位置において平行に位置するので、第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４の最近接領域に潤滑油膜を形成して、その間で潤滑油膜を介してスラスト荷重７を伝達することができる。

また、第１切頭円錐面３２はホイール歯車１２のピッチ円１２ａを含んでおり、第２切頭円錐面３４はピニオン歯車１４のピッチ円１４ａを含んでいるので、ピッチ円１２ａ，１４ａにおける相対速度及びすべり摩擦は０であり、スラスト荷重７を伝達するスラスト支持面（第１切頭円錐面３２と第２切頭円錐面３４）の相対速度及びすべり摩擦を大幅に低減して焼付きを防止することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１１ ホイール軸、１２ ホイール歯車（大歯車）、
１２ａ ピッチ円、１２ｂ 軸線、
１３ ピニオン軸、１４ ピニオン歯車（小歯車）、
１４ａ ピッチ円、１４ｂ 軸線、
１５ 歯車箱（ケーシング）、１６ 羽根車（インペラ）、
１８ スラストカラー、
２０ スラスト軸受、２２ ラジアル軸受、
２３ ガスシール、２４ 油切り（オイルシール）、
３２ 第１切頭円錐面（スラスト支持面）、３３ 切頭円錐形部分、
３４ 第２切頭円錐面（スラスト支持面）

Claims (2)

1. ピニオン歯車を有するピニオン軸とホイール歯車を有するホイール軸とを有し、ピニオン歯車とホイール歯車とが歯合し、ホイール歯車からピニオン歯車にラジアル荷重を伝達すると共に、ピニオン歯車からホイール歯車にスラスト荷重が伝達される歯車装置のスラスト荷重伝達機構であって、
   前記ホイール歯車は、その両側面にホイール歯車のピッチ円を含む第１切頭円錐面を有し、
   前記ピニオン軸は、前記ホイール歯車の両側面に位置し、軸方向内面にピニオン歯車のピッチ円を含む第２切頭円錐面を有する１対のスラストカラーを有し、
   前記第１切頭円錐面と第２切頭円錐面は、それぞれの母線の最近接位置において平行に位置する、ことを特徴とする歯車装置のスラスト荷重伝達機構。
2. 前記歯車装置は、前記ホイール歯車を駆動装置で回転駆動し、この回転により前記ピニオン歯車を増速し、その両端に取り付けられた羽根車を高速回転する歯車駆動ターボ圧縮機の歯車増速機である、ことを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重伝達機構。