JP2013137045A - 動力伝達装置及び風車 - Google Patents

Abstract

【課題】カムローラを用いた動力伝達機構において、ローラのスキューによる影響を抑制する。
【解決手段】動力伝達装置は、回転軸を中心として回転するカムと、カムにガイドされて回転軸のラジアル方向に往復運動をするローラと、ローラに接続されたピストンを有する油圧シリンダと、ローラを回転軸のスラスト方向に挟む一対の側板と、一対の側板の対向面に取り付けられ、側板よりも摩擦係数が小さい摩擦力低減部材とを備える。側板は、回転軸の周方向に並ぶ複数の側板片からなる。摩擦力低減部材は、周方向に並び、複数の側板片の個数よりも少ない１又は複数の部材からなる。
【選択図】図７

Description

本発明は、動力伝達装置に関する。本発明は特に、油圧系の動力伝達装置に関する。

様々な動力伝達装置が用いられている。動力伝達装置は、例えば入力した回転運動を、回転速度やトルクの異なる回転運動に変換して出力する。このような動力伝達装置は、原動機が発生する動力を駆動軸に伝達したり、回転動力を増速して発電機に伝達するために用いられる。

動力変換装置に関する参考技術として特許文献１〜３を挙げる。これらの文献には、カムローラを用いることにより、回転動力を油圧動力に変換し、又は油圧動力を回転動力に変換する技術が記載されている。

国際公開第２０１１／１０４５４３号 国際公開第２０１１／１０４５４４号 国際公開第２０１１／１４７９９６号

以下、本発明が解決しようとする課題について、参考例を挙げて説明する。この参考例では、カムローラを用いた油圧式の動力伝達装置が風力発電装置における増速機として用いられる。

図１は、風車１の側面図を示す。風車１は、大地や、洋上の浮体に設けられた基礎６の上に設けられる。基礎６の上に塔２が設置される。塔２の上端にナセル３が設置される。ナセル３の水平方向の一端にロータヘッド４が設置される。ロータヘッド４の周囲に、概ね水平方向に向く回転軸を中心として互いに一定の角度で複数のブレード５が取り付けられる。ブレード５が風を受けると、ロータヘッド４が回転軸を中心として回転する。

図２は、ナセル３及びロータヘッド４を示す。内部構造を示すために、ナセル３の壁面の一部の図示を省略している。ナセル３の内部に、ロータヘッド４に伴って回転する主軸１０、油圧ポンプ１１、油圧モータ１２及び発電機１３が設置される。

図３は、油圧ポンプ１１の内部構造を示す。油圧ポンプ１１は、主軸１０に対して固定され、主軸１０と同一の回転中心軸を有し、主軸１０と共に回転する円環状のカムキャリア２０を備える。カムキャリア２０の外周面に、全周に渡ってカム２１が取り付けられる。カム２１は、周方向に沿って周期的な波型を形成し、且つ回転軸に垂直な面形状が一様な案内面を形成する。

カム２１の外周側に、カムキャリア２０と同一の中心軸を有する円環状に並ぶ多数のシリンダ２２（油圧シリンダ）が取り付けられる。それらのシリンダ２２は、ナセル３に対して固定される固定部を形成する。各シリンダ２２の内部に、ピストンが配置される。図３では図示を簡単にするために、上部の４本のピストンのみが示されている。各ピストンのカム２１側の端部に、ローラ２３が配置される。

図４は、カム２１の一部の付近の拡大図を示す。カム２１は、カムキャリア２０の周方向に沿って並ぶ複数の要素部品からなる。各シリンダ２２は、油圧系の作動流体である油が充填されるチャンバ２５を形成する。チャンバ２５の形状は、シリンダ２２の内壁面の形状と、カムキャリア２０のラジアル方向におけるピストン２４の位置とによって決まる。ローラ２３は、チャンバ２５の油圧によってピストン２４を介してラジアル方向内側に付勢され、常にカム２１の案内面に押し付けられる。ローラ２３は、カムキャリア２０の回転中心軸（ｘ軸）に平行な方向をローラ中心軸とする円筒形を有する。ローラ２３は、ローラ中心軸を中心として回転自在であるように、ピストン２４によって支持される。

ロータヘッド４の主軸１０の回転に同期してカムキャリア２０及びカム２１が回転する。図４では、矢印が回転方向を示す。回転に伴って、各ピストン２４が配置された周方向の角度位置において、カム２１の表面がラジアル方向に往復運動する。この往復運動に追従して、ローラ２３及びピストン２４も往復運動する。ローラ２３はピストン２４に回転自在に支持されているため、転がり接触によってカム２１の案内面に追従する。ピストン２４の往復運動により、チャンバ２５の体積が周期的に変化し、チャンバ２５内の作動油に周期的に変動する圧力が加えられる。

チャンバ２５は、低圧弁２６を介して低圧配管２７に接続される。チャンバ２５は更に、高圧弁２９を介して高圧配管３０に接続される。センサ３９はカムキャリア２０の回転速度と回転角とを検出して、信号線４０を介して制御部３２に送信する。制御部３２はそれらの検出値に基づいて、信号線２８、３１を介して低圧弁２６と高圧弁２９の開閉のタイミングを制御する。この制御により、ピストン２４が下がる局面において低圧配管２７の油がチャンバ２５に取り込まれ、ピストン２４が上がる局面においてチャンバ２５の油が高圧配管３０に送出される。

低圧配管２７と高圧配管３０の油圧差により、油圧モータ１２が駆動される。油圧モータ１２の駆動軸の回転速度は、主軸１０の回転速度よりも大きい。すなわち油圧ポンプ１１と油圧モータ１２とは、主軸１０の回転を増速して後段側回転軸である油圧モータ１２の回転軸を駆動する増速機（増速部）として機能する。油圧モータ１２の回転軸は、発電機１３に接続される。発電機１３はその回転に基づいて電力を生成する。

図５は、カム２１とローラ２３の拡大斜視図である。シリンダ２２、ピストン２４等の図示は省略されている。カム２１の幅方向（カムキャリア２０の回転軸の延長方向、図のｘ方向）の両側に、側板３３が設けられる。この一対の側板３３は、カム２１を挟むようにカムキャリア２０の周方向に３６０度設けられる。ローラ２３の幅方向（カムキャリア２０の回転軸のスラスト方向）の動きは、一対の側板３３によって挟まれることにより拘束される。

図６は、ローラ２３を上部、すなわちカムキャリア２０のラジアル方向の外側から見た図を示す。ローラ２３の幅は、一対の側板３３の間の幅よりもわずかに小さい。カム２１が回転するとき、ローラ２３は側板３３に対してわずかな隙間（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍのオーダー）を介して対向するか、又は面接触してカム２１に相対的に運動する。

本願発明の発明者は、以下の点に着目した。このような構成において、耐久性の観点から、経年変化などによってローラ２３の角度が傾いた場合について検討しておくことが望ましい。図６に示すように円筒形のローラ２３の中心軸Ｃがカム２１の幅方向に対して傾くスキューが発生すると、点線で囲った角部３５においてローラ２３が小さい面積で側板３３に接触する可能性がある。更に、このような状態では、ローラ２３はその形状によって、カム２１の延長方向（周方向）からズレた方向に転がる傾向を持つ。このようなローラ２３の姿勢及び運動は、カムローラの正常な運動からの好ましくないズレである。油圧系を駆動するカムローラにおいては特にカムローラに掛かる荷重が大きいため、このようなズレによる影響を高精度に抑えることが望まれる。

更に、大型の動力伝達装置の場合、単一の側板３３によってカム２１を周方向に全周覆うことは困難である。従って、周方向に複数に分割された側板片を周方向に互いに隣接させて設置することによって側板３３を構成することが必要となる。このような構成においては、隣接する側板片の間に継ぎ目３４が生じる。ローラ２３が側板３３に沿ってカム２１に対して相対的に移動するとき、継ぎ目３４による抵抗を受ける可能性がある。このような継ぎ目３４による影響を低減する技術が望まれる。特に、ローラ２３にスキューが発生した場合であっても継ぎ目３４による影響を低減する技術が望まれる。

このようなカムローラを用いた動力伝達機構において、ローラのスキューによる影響を抑制する技術が望まれる。

本発明の一側面において、動力伝達装置は、回転軸を中心として回転するカムと、カムにガイドされて回転軸のラジアル方向に往復運動をするローラと、ローラに接続されたピストンを有する油圧シリンダと、ローラを回転軸のスラスト方向に挟む一対の側板と、一対の側板の内側面に取り付けられ、側板よりも摩擦係数が小さい摩擦力低減部材とを備える。側板は、回転軸の周方向に並ぶ複数の側板片からなる。摩擦力低減部材は、周方向に並び、複数の側板片の個数よりも少ない１又は複数の部材からなる。

本発明により、カムローラを用いた動力伝達機構において、ローラのスキューによる影響を抑制する技術が提供される。

図１は、風車の側面図を示す。 図２は、ナセル及びロータヘッドを示す。 図３は、油圧ポンプの内部構造を示す。 図４は、カムの一部の付近の拡大図を示す。 図５は、カムとローラの拡大斜視図である。 図６は、ローラを上部から見た図である。 図７は、側板と摩擦力低減部材の斜視図である。 図８は、カムとローラの上面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態における動力伝達装置及び風車は、図１〜図６を参照して説明した構成を有する。これらの実施形態においては更に、図５、図６に示された側板３３とローラ２３との間に、摩擦力を低減するための摩擦力低減部材が設けられる。

図７は、側板３３と摩擦力低減部材４３とを示す分解斜視図である。図８は、ローラ２３を上部、すなわちカムキャリア２０のラジアル方向の外側から見た図を示す。摩擦力低減部材４３は、側板３３に取り付けられるパッドであり、側板３３と同様に、カムキャリア２０の中心軸を中心とする円環形状を有する。摩擦力低減部材４３は、一対の側板３３の対向面、すなわちローラ２３が配置される内側の面に取り付けられる。摩擦力低減部材４３は、側板３３の内側面のうち、少なくともローラ２３の側面に対向する部分を覆う。摩擦力低減部材４３は、例えばバビットメタルなど、側板３３の内側面よりも摩擦係数が小さい材料によって形成される。

図７、図８の例では、側板３３は、前述したように複数（ｎ個、ｎは２以上の整数）の側板片４１からなる。一方、摩擦力低減部材４３は、例えば周方向に等角度で分割された円弧状（扇状）の１又は複数（ｍ個、ｍは１以上の整数）の摩擦力低減部材片４２からなる。摩擦力低減部材４３を構成する摩擦力低減部材片４２の個数ｍは、側板３３を構成する側板片４１の個数ｎよりも小さい。すなわち摩擦力低減部材片４２は、側板片４１に比べて周方向の長さが大きい。

側板３３にはローラ２３のスラスト方向の荷重に耐える強度が要求されるため、重量が大きくなる等の理由によって、比較的多くの側板片４１に分割する必要がある。それに対して、摩擦力低減部材４３の強度は側板３３によって支持される。そのため摩擦力低減部材４３は比較的軽量にでき、摩擦力低減部材片４２の個数ｍの数を側板片４１の個数ｎよりも小さくすることができる。

このような構成により、摩擦力低減部材４３の継ぎ目４４の数を、側板３３の継ぎ目３４の数よりも少なくすることができる。その結果、ローラ２３にスキューが発生した場合であっても、継ぎ目４４による振動・摩耗などの影響を低減することができる。

摩擦力低減部材片４２は、側板３３に対してボルト・ナットによる締結などの着脱可能な手段で取り付けられることが望ましい。このような構成により、摩擦力低減部材片４２が摩耗した場合に、交換することができる。図６に示した構成に比べて、側板３３それ自体が摩耗することが避けられる。

１ 風車
２ 塔
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ ブレード
６ 基礎
１０ 主軸
１１ 油圧ポンプ
１２ 油圧モータ
１３ 発電機
２０ カムキャリア
２１ カム
２２ シリンダ
２３ ローラ
２４ ピストン
２５ チャンバ
２６ 低圧弁
２７ 低圧配管
２８ 信号線
２９ 高圧弁
３０ 高圧配管
３１ 信号線
３２ 制御部
３３ 側板
３４ 継ぎ目
３５ 角部
３９ センサ
４０ 信号線
４１ 側板片
４２ 摩擦力低減部材片
４３ 摩擦力低減部材
４４ 継ぎ目

Claims (2)

1. 回転軸を中心として回転するカムと、
   前記カムにガイドされて前記回転軸のラジアル方向に往復運動をするローラと、
   前記ローラに接続されたピストンを有する油圧シリンダと、
   前記ローラを前記回転軸のスラスト方向に挟む一対の側板と、
   前記一対の側板の対向面に取り付けられ、前記側板よりも摩擦係数が小さい摩擦力低減部材とを具備し、
   前記側板は、前記回転軸の周方向に並ぶ複数の側板片からなり、
   前記摩擦力低減部材は、前記周方向に並び、前記複数の側板片の個数よりも少ない１又は複数の部材からなる
   動力伝達装置。
2. ブレードが取り付けられたロータヘッドと、
   請求項１に記載され、前記ロータヘッドに伴って回転する前記回転軸を備えた動力伝達装置と、
   前記油圧シリンダにより圧力を加えられた作動油によって駆動するピストンシリンダを備え、前記ピストンシリンダにより、後段側回転軸を駆動する増速部
   とを具備する風車。

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