JP2013061068A - 軸方向力ローディングのためのフレキシブルダイヤフラムカップリング - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向力ローディングに起因して発生した線形撓みおよび非線形撓み双方に耐えることが可能な曲線状ダイヤフラム要素を備えたフレキシブルダイヤフラムカップリングを提供する。
【解決手段】フレキシブルダイヤフラムカップリングは、ラジアル方向の内側ハブ部１２と、ラジアル方向の外側リム部１４と、フレキシブルダイヤフラム部１６とを含む。フレキシブルダイヤフラム部は、外側リム部と、内側ハブ部との間に延び、内側ダイヤフラム部１８と、外側ダイヤフラム部２０とを含む。内側ダイヤフラム部は、内側ハブ部に隣接する最大軸方向厚さＴＢＦと、ラジアル方向の外側方向にテーパー付けされた軸方向厚さとを有する。外側ダイヤフラム部は、外側リム部に隣接する最大軸方向厚さＴＡと、最小軸方向厚さＴｍｉｎまで延びるテーパー付けされた厚さとを有する。設計によっては、最小軸方向厚さの点は、外側リム部によりも内側ハブ部により近接する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本出願は、米国仮特許出願番号第６１／５３２，６５３号に対する優先権を主張する。本明細書中、同出願書類全体を参考のため組み込む。

本発明は、フレキシブルカップリングに関し、詳細には、軸部品を回転させるためのフレキシブルダイヤフラムカップリングに関する。前記フレキシブルダイヤフラムカップリングは、軸方向力と、軸方向力と関連付けられた軸方向曲げ応力分布とに耐えるように構成される。

２本の回転軸の軸方向不整合および／または角度不整合に対応しつつトルクを伝達するように前記軸を相互に接続するフレキシブルカップリングが、航空宇宙分野において長年用いられている。これらのデバイスにおいて頻繁に用いられている１つ以上の曲線状ダイヤフラムは、溶接されているかまたは他の場合は相互固定されて、駆動軸部品と被駆動軸部品との間に取りつけられたフレキシブルカップリングを形成している。

例えば、Ｓｔｏｃｃｏに譲渡された同一出願人による米国特許第５，１５８，５０４号明細書において開示されている、カップリングにおいては、複数の曲線状ダイヤフラムが相互に溶接されて、駆動軸と被駆動軸との間のフレキシブル接続が形成されている。これらの従来技術のダイヤフラムは、ダイヤフラム材料への過大応力を発生させずに大きな軸方向撓みに対応するように、構成される。これらの従来技術のダイヤフラムは、ハブとリムとの間の中間点において最も肉薄となるように成形されている。この位置において、軸方向撓みによって発生した曲げモーメントが最小となるように決められている。その結果、ダイヤフラム全体において、応力レベルの最小化が確保される。米国特許第５，１５８，５０４号明細書に開示されているダイヤフラム外形は、多様な航空宇宙用軸カップリングにおいて長年繁用されている。

近年、米国特許第５，１５８，５０４号明細書において企図されているローディング要求と異なり、新しい航空宇宙軸カップリング用途が発生している。詳細には、当該技術分野において、軸方向力ローディングに起因して発生した線形撓みおよび非線形撓み双方に耐えることが可能な曲線状ダイヤフラム要素が必要とされている。より詳細には、米国特許第５，１５８，５０４号明細書において企図されているような、ダイヤフラムの線形軸方向ばね定数に起因して発生する第１の復元力に耐えるだけでなく、新規のダイヤフラム外形は、軸方向負荷に起因してダイヤフラムがラジアル方向に伸展した際に発生する立方形の非線形膜応力を伴う第２の復元力にも耐えなければならない。この設計要求は、米国特許第５，１５８，５０４号明細書中において企図または理解されていない。

本発明は、回転軸カップリングを支持するための新規かつ有用なフレキシブルダイヤフラムカップリングに関する。前記カップリングは、軸方向力負荷合計と、前記軸方向力負荷合計と関連付けられた軸方向曲げ応力分布とに対応するように適用および構成される。より詳細には、本発明のダイヤフラムカップリングの幾何学的構成は、軸方向に付加された負荷に起因して発生した線形の復元ばね力および立方体非線形の復元ばね力と関連付けられた応力分布に対応するように最適化される。

この新規なダイヤフラムカップリングは、中心軸を規定する、ラジアル方向の内側ハブ部と、ラジアル方向の外側リム部と、前記ラジアル方向の外側リム部と前記ラジアル方向の内側ハブ部との間に延びるフレキシブルダイヤフラム部とを含む。前記フレキシブルダイヤフラム部は、ラジアル方向の内側ダイヤフラム部と、ラジアル方向の外側ダイヤフラム部とを含む。前記ラジアル方向の内側ダイヤフラム部は、前記ラジアル方向の内側ハブ部に隣接する最大軸方向厚さと、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さの点まで延びるラジアル方向の外側方向にテーパー付けされた軸方向厚さ、とを有する。前記ラジアル方向の外側ダイヤフラム部は、前記ラジアル方向の外側リム部に隣接する最大軸方向厚さと、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さの点まで延びるラジアル方向の内側方向にテーパー付けされた軸方向厚さと、を有する。

本発明の好適な実施形態によれば、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さを有する点は、前記ラジアル方向の内側ハブ部によりも、前記ラジアル方向の外側リム部により近接する。好適には、前記ラジアル方向の内側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さは、前記ラジアル方向の外側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さよりも大きい。前記ダイヤフラム部は、軸方向に対向する第１の側面および第２の側面を含む。本発明の一実施形態において、前記ダイヤフラム部の第１の側面は曲線状であり、前記第２の側面は平面状である。別の実施形態において、前記ダイヤフラム部の第１の側面および第２の側面は曲線状である。

前記ダイヤフラムカップリングは、別のフレキシブル要素と一体形成されることが企図される。前記フレキシブル要素は、スプライン、ボルト締めフランジまたは別のフレキシブルダイヤフラムからなる群から選択され得る。前記フレキシブル要素は、前記ダイヤフラムカップリングのラジアル方向の外側リム部または前記ダイヤフラムカップリングのラジアル方向の内側ハブ部へと接続され得る。

本発明は、また、フレキシブルダイヤフラムカップリングアセンブリに関する。前記フレキシブルダイヤフラムカップリングアセンブリは、複数の環状ダイヤフラム要素を含む。前記複数の環状ダイヤフラム要素は、共通軸上において軸方向に空間を設けて配置され、これにより、第１の回転軸部品と第２の回転軸部品との間のフレキシブル接合を提供する。前記カップリングアセンブリは、たった２つの環状ダイヤフラム要素および８つ以上もの環状ダイヤフラム要素を含み得ることが企図される。

前記カップリングアセンブリ内の各ダイヤフラム要素は、フレキシブルダイヤフラム部を含む。前記フレキシブルダイヤフラム部は、ラジアル方向の外側リム部と、ラジアル方向の内側ハブ部との間に延びる。前記フレキシブルダイヤフラム部は、ラジアル方向の内側ダイヤフラム部と、ラジアル方向の外側ダイヤフラム部とを含む。前記ラジアル方向の内側ダイヤフラム部は、前記ラジアル方向の内側ハブ部に隣接する最大軸方向厚さと、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さの点まで延びたラジアル方向の外側方向にテーパー付けされた軸方向厚さとを有する。前記ラジアル方向の外側ダイヤフラム部は、前記ラジアル方向の外側リム部に隣接する、ラジアル方向の内側方向にテーパー付けされた軸方向における最大軸方向厚さを有する。前記アセンブリは、前記第１の軸部品と噛み合う第１のフランジ部と、前記第２の軸部品と噛み合う第２のフランジ部とをさらに含む。

前記ラジアル方向の内側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さは、前記ラジアル方向の外側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さよりも大きい。前記ダイヤフラム部は、軸方向に対向する側面を含む。１つの側面は曲線状であり、他方の側面は平面状である。

本発明の一実施形態において、前記カップリングアセンブリは、４本の軸方向に整列されたフレキシブルダイヤフラム要素を含む。前記フレキシブルダイヤフラムは、第１から第４のダイヤフラム要素を含む。より詳細には、前記カップリングアセンブリは、２つの逆転した一対の軸方向に整列されたフレキシブルダイヤフラム要素を含む。前記第１のダイヤフラム要素および第２のダイヤフラム要素は、その曲線表面が前記第１のフランジ部に対面するように配置され、第３のダイヤフラム要素および第４のダイヤフラム要素は、その曲線表面が前記第２のフランジ部に対面するように配置される。

本発明のダイヤフラムカップリング要素の上記および他の特徴ならびに前記ダイヤフラムカップリング要素を製造および使用する方法は、以下の本発明の好適な実施形態を可能にする記載を以下に示すいくつかの図面と共に読めば、当業者により容易に明らかになる。

本発明に関連する当業者が過度の実験を必要とすることなく、本発明のフレキシブルダイヤフラムカップリング要素を作製および利用する方法を容易に理解できるようにするために、本発明の好適な実施形態について、特定の図面を参照して以下に詳述する。

同一出願人による米国特許第５，１５８，５０４号明細書に従って構築された従来技術のダイヤフラムカップリング要素の部分断面図である。 本発明の好適な実施形態に従って構築されたダイヤフラムカップリング要素の部分断面図である。 本発明の好適な実施形態に従って構築された、４本の軸方向に整列され、かつ相互接続されたダイヤフラムカップリング要素の配列を含むフレキシブルカップリングアセンブリの断面図である。

ここで、図面を参照すると、図面中、類似の参照符号は、本明細書中に開示される本発明の多様な実施形態の類似の特徴または要素を示す。図１Ｂ中、本発明の好適な実施形態に従って構築されたフレキシブルダイヤフラム要素が図示される。このフレキシブルダイヤフラム要素を主に参照符号１０によって示す。ダイヤフラム要素１０は、ラジアル方向の内側環状ハブ部１２と、ラジアル方向の外側環状リム部１４と、フレキシブルダイヤフラム部１６とを含む。フレキシブルダイヤフラム部１６は、ラジアル方向の外側リム部１４と、ラジアル方向の内側ハブ部１２との間に延びる。

フレキシブルダイヤフラム部１６は、ラジアル方向の内側ダイヤフラム部１８を含む。ラジアル方向の内側ダイヤフラム部１８は、ラジアル方向の内側ハブ部１２に隣接する最大軸方向厚さＴＢＦと、ダイヤフラム部１６の最小軸方向厚さ点Ｔ_minまで延びる、ラジアル方向の外側方向にテーパー付けされた軸方向厚さとを有する。フレキシブルダイヤフラム部１６は、ラジアル方向の外側ダイヤフラム部２０をさらに含む。ラジアル方向の外側ダイヤフラム部２０は、ラジアル方向の外側リム部１４に隣接する最大軸方向厚さＴＡと、ダイヤフラム部１６の最小軸方向厚さ点Ｔ_minまで延びるラジアル方向の内側方向にテーパー付けされた軸方向厚さとを有する。

軸方向力に最適に対応するためは、ラジアル方向の内側ハブ部１２に隣接する最大軸方向厚さＴＢＦをラジアル方向の外側リム部１４に隣接する最大軸方向厚さＴＡの２．８６倍にするとよいことが解析数学によって判明している。また、軸方向ローディングに起因する応力分布に最適に対応するためには、ダイヤフラム部１６の最小軸方向厚さ点Ｔ_minをラジアル方向の外側リム部１４によりもラジアル方向の内側ハブ部１２に近接させる必要があることも解析数学によって判明している。ラジアル方向の外側リム部１４への最小軸方向厚さ点Ｔ_minの近隣は、ダイヤフラム要素の必要な剛性特性を維持しつつ、約２０％の範囲内において変化し得ることが企図される。さらに、ダイヤフラム要素１０の曲線状外形により、前記トルク伝達要求およびカップリング座屈安定性が得られる。

ダイヤフラム部１６は、軸方向に対向する第１の側面２２と、第２の側面２４とを含む。本発明の一実施形態において、第１の側面２２は曲線状であり、第２の側面２４は平面状である。別の実施形態において、前記ダイヤフラム要素の第１の側面および第２の側面を曲線状としてもよい。

ここで図１Ａを参照して、本発明の新規なダイヤフラムカップリング要素１０と対照的に、従来技術のダイヤフラムカップリング要素１００に含まれる曲線状ダイヤフラム部１１６においては、最小軸方向厚さ点Ｔ_minは、ダイヤフラム部１１６の中点に配置されている。上述したように、この従来技術のカップリング要素１００の幾何学的外形は、軸方向力ローディングに起因する線形撓みおよび非線形撓みを説明しない。

軸方向力に最適に対応するために、従来技術のダイヤフラムカップリング１００のテーパー厚さ比に相対して、本発明のダイヤフラムカップリング要素１０のテーパー厚さ比（ＴＢＦ／ＴＡ）を少なくとも約１０％だけ増加させる必要があることが解析数学によって分かっている。そのため、従来技術のダイヤフラムカップリング要素１００のテーパー厚さ比が約１．００である場合、本発明のダイヤフラムカップリング要素１０のテーパー厚さ比は、約１．１０となる。

本発明のダイヤフラムカップリング要素１０は、別のフレキシブル要素と一体形成することができることが企図される。このフレキシブル要素は、スプライン、ボルト締めフランジまたは別のフレキシブルダイヤフラム要素１０からなる群から選択することができる。他方のフレキシブル要素は、軸部品の種類および／または前記カップリングの用途に応じて、ダイヤフラムカップリングのラジアル方向の外側リム部または前記ダイヤフラムカップリングのラジアル方向の内側ハブ部へと接続することができることがさらに企図される。

一例として、図２は、参照符号２００によって主に示されるダイヤフラムカップリングアセンブリを示す。このアセンブリにおいて、本発明に従って構築された複数のフレキシブルダイヤフラムカップリング要素により、２つの回転駆動軸部品間のフレキシブル接合が得られる。カップリングアセンブリ２００は、第１の軸部品（図示せず）と噛み合う第１のフランジ部２０２と、第２の軸部品（図示せず）と噛み合う第２のフランジ部２０４とを含む。第１のフランジ部２０２および第２のフランジ部２０４は、４本の軸方向に整列されたフレキシブルダイヤフラムカップリング要素によって相互に接続される。これら４本のフレキシブルダイヤフラムカップリング要素は、第１のフレキシブルダイヤフラム要素２１０と、第２のフレキシブルダイヤフラム要素２１２と、第３のフレキシブルダイヤフラム要素２１４と、第４のフレキシブルダイヤフラム要素２１６とを含む。

カップリングアセンブリ２００は、２つの逆転した一対の軸方向に整列されたダイヤフラム要素を含む。すなわち、第１のダイヤフラム要素２１０および第２のダイヤフラム要素２１２は、その曲線状表面が第１のフランジ部２０２に対面するように配置され、第３ダイヤフラム要素および第４のダイヤフラム要素の曲線表面が第２のフランジ部２０４に対面するように、第３ダイヤフラム要素および第４のダイヤフラム要素が配置される。

続けて図２を参照して、第１のダイヤフラム要素２１０のハブ部２１０ａは、第１のフランジ部２０２の本体２０２ａと一体形成されるため、両者の間に溶接は不要である。第１のダイヤフラム要素２１０のリム部２１０ｂは、中間溶接点２１５において、第２のダイヤフラム要素２１２のリム部２１２ｂに溶接される。第２のダイヤフラム要素２１２のハブ部２１２ａは、第３のダイヤフラム要素２１４のハブ部２１４ａと一体形成され、そのため両者の間に溶接は不要である。第３のダイヤフラム要素２１４のリム部２１４ｂは、第４のダイヤフラム要素２１６のリム部２１６ｂと一体形成され、そのため両者の間に溶接は不要である。最後に、第４のダイヤフラム要素２１６のハブ部２１６ａは第２のフランジ部２０４の本体２０４ａと一体形成され、そのため両者の間に溶接は不要である。

当業者であれば、カップリングアセンブリ２００は本発明の例示的な実施形態に過ぎず、本明細書中において用いられるフレキシブルダイヤフラムの数および方向において本開示をいかようにも制限するものとして解釈されるべきではないことを容易に理解する。さらに、本カップリングアセンブリが用いられる用途およびシステムに応じて、特定のカップリングアセンブリにおいて用いられるフレキシブルダイヤフラム要素の数と、これらのフレキシブルカップリング要素の相対配置とを変更することが可能であることが企図される。実際、本発明の好適な実施形態に従って構築されたカップリングアセンブリは、たった２つのフレキシブルダイヤフラム要素および８つ以上ものフレキシブルダイヤフラム要素を持ち得ることが企図され、本開示の範囲内である。

本発明のフレキシブルダイヤフラム要素１０の独自の曲線表面外形は好適には、１本の金属バーから機械加工されるか、または鋳造される。このような複雑な機械加工タスクを達成するために、初期ワークピースを複数面において保持する。より詳細には、ダイヤフラム要素のラジアル方向の外側リム部１４に対応する第１の面と、前記ダイヤフラム要素のラジアル方向の内側ハブ部１２に対応する第２の面と、前記ダイヤフラム要素の平面状側面２４に対応する第３の面との上において、前記ワークピースを支持する。．この複数面支持を達成するために、前記ワークピースの外径、前記ワークピースの内径および前記ワークピースの平面状側面は、適切な支持物によって支持される。

本発明について、好適な実施形態を参照して図示および記載してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の意図および範囲から逸脱することなく、多様な変更および／または改変が本発明において可能であることを容易に理解する。

Claims (16)

1. 回転型軸方向軸のためのフレキシブルダイヤフラムカップリングであって、
   ａ）ラジアル方向の内側ハブ部と、
   ｂ）ラジアル方向の外側リム部と、
   ｃ）前記ラジアル方向の外側リム部と、前記ラジアル方向の内側ハブ部との間に延びるフレキシブルダイヤフラム部であって、前記フレキシブルダイヤフラム部は、
   ｉ）ラジアル方向の内側ダイヤフラム部であって、前記ラジアル方向の内側ハブ部に隣接する最大軸方向厚さと、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さ点まで延びるラジアル方向の外側方向にテーパー付けされた軸方向厚さとを有する、ラジアル方向の内側ダイヤフラム部と、
   ｉｉ）ラジアル方向の外側ダイヤフラム部であって、前記ラジアル方向の外側リム部に隣接する最大軸方向厚さと、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さ点まで延びるラジアル方向の内側方向にテーパー付けされた軸方向厚さとを有し、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さ点は、前記ラジアル方向の内側リム部よりも前記ラジアル方向の外側ハブ部により近い、ラジアル方向の外側ダイヤフラム部と、
   を含む、フレキシブルダイヤフラム部と、
   を含む、フレキシブルダイヤフラムカップリング。
2. 前記ラジアル方向の内側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さが、前記ラジアル方向の外側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さよりも大きい、請求項１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
3. 前記ダイヤフラム部が、軸方向に対向する第１の側面および第２の側面を含み、前記第１の側面が曲線状であり、前記第２の側面が平面状である、請求項１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
4. 前記ダイヤフラム部が、軸方向に対向する第１の側面および第２の側面を含み、前記第１の側面が曲線状であり、前記第２の側面が曲線状である、請求項１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
5. 別のフレキシブル要素と一体形成される、請求項１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
6. 前記フレキシブル要素が、スプライン、ボルト締めフランジおよび別のフレキシブルダイヤフラムからなる群から選択される、請求項５に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
7. 前記フレキシブル要素が、前記ダイヤフラムカップリングのラジアル方向の外側リム部へと接続される、請求項５に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
8. 前記フレキシブル要素が、前記ダイヤフラムカップリングのラジアル方向の内側ハブ部へと接続される、請求項５に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
9. 複数面保持プロセスを用いて製造される、請求項１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
10. 前記複数面保持プロセスが、前記ダイヤフラム要素のハブ部に対応する第１の面と、前記ダイヤフラム要素のリム部に対応する第２の面と、前記ダイヤフラム要素の平面状側面に対応する第３の面との上においてワークピースを支持するステップを含む、請求項９に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
11. フレキシブルダイヤフラムカップリングアセンブリであって、
    ａ）複数の環状ダイヤフラム要素であって、前記複数の環状ダイヤフラム要素は、第１の回転軸部品と第２の回転軸部品との間のフレキシブル接合を提供するように、軸方向において共通軸上において相互に空間を空けて配置され、各ダイヤフラム要素は、ラジアル方向の外側リム部とラジアル方向の内側ハブ部との間に延びるフレキシブルダイヤフラム部を含み、前記フレキシブルダイヤフラム部は、
    ｉ）ラジアル方向の内側ダイヤフラム部であって、前記ラジアル方向の内側ハブ部に隣接する最大軸方向厚さと、前記ダイヤフラム部の最小軸方向厚さ点まで延びるラジアル方向の外側方向にテーパー付けされた軸方向厚さとを有する、ラジアル方向の内側ダイヤフラム部と、
    ｉｉ）ラジアル方向の外側ダイヤフラム部であって、前記ラジアル方向の外側リム部に隣接する最大軸方向厚さと、ラジアル方向の内側方向にテーパー付けされた軸方向とを有する、ラジアル方向の外側ダイヤフラム部と、
    を含む、フレキシブルダイヤフラムと、
    ｂ）前記第１の軸部品と噛み合う第１のフランジ部と、
    ｃ）前記第２の軸部品と噛み合う第２のフランジ部と、
    を含む、フレキシブルダイヤフラムカップリングアセンブリ。
12. 各ダイヤフラム要素のラジアル方向の内側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さが、そのラジアル方向の外側ダイヤフラム部の最大軸方向厚さよりも大きい、請求項１１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
13. 各ダイヤフラム要素のダイヤフラム部が、軸方向に対向する側面を含み、前記１つの側面は曲線状であり、他方の側面が平面状である、請求項１１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
14. 前記カップリングアセンブリが、軸方向に整列された４つのフレキシブルダイヤフラム要素を含み、前記４つのフレキシブルダイヤフラム要素は、第１のダイヤフラム要素〜第４のダイヤフラム要素を含む、請求項１３に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
15. 前記カップリングアセンブリが、２つの逆転した一対の軸方向に整列されたフレキシブルダイヤフラム要素を含み、前記第１のダイヤフラム要素および第２のダイヤフラム要素が、その曲線表面が前記第１のフランジ部に対面するように配列され、前記第３のダイヤフラム要素および第４のダイヤフラム要素が、その曲線表面が前記第２のフランジ部に対面するように配置される、請求項１４に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。
16. 前記カップリングアセンブリが、２つの軸方向に整列されたフレキシブルダイヤフラム要素および８つの軸方向に整列されたフレキシブルダイヤフラム要素を含む、請求項１１に記載のフレキシブルダイヤフラムカップリング。

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