JP2013139859A - 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、一対の側板の内側面とローラとの間に設けられ、摩擦力を低減する摩擦力低減部材とを備える。
【選択図】図８

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、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。

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する。

ピストン２４は油圧系を介して油圧モータ１２を駆動する。具体的には、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、ローラを支持する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とローラとの間に設けられ、摩擦力を低減する摩擦力低減部材とを備える。

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、側板とベアリングの側面図である。 図８は、ベアリングの上面図である。 図９は、ローラの加工穴を示す。 図１０は、突起を有するローラを示す。

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。

［第１実施形態］
図７と図８を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図７は、本実施形態における側板３３の付近をカム２１の案内面の延長方向（ｙ軸方向）から見た断面図を示す。図８は、図７と同じ箇所を一対の側板３３の内側（ローラ２３が配置される位置）から見た平面図を示す。一対の側板３３の内側の側面（ローラ２３と対向する側の面）に、ベアリングＢが摩擦力低減部材として設置される。ベアリングＢは、カム２１の全周（カムキャリア２０の回転中心軸を中心として３６０度）に渡って設置されることが望ましい。

ベアリングＢは、ローラ２３と転がり接触する転動体Ｂ２と、転動体Ｂ２を側板３３に沿った所定位置ないし所定の軌道内に保持する保持部Ｂ１とからなる。ベアリングＢとしては、例えば、ころ軸受を採用することができる。その場合、ころ軸受は、カムキャリア２０の周方向へのローラ２３の運動を転がり接触によって支持する。但し、ローラ２３の自転によるローラ２３側面と転動体Ｂ２との摩擦力の低減も要求される場合には、ベアリングＢとして、保持部Ｂ１が転動体Ｂ２を任意の回転方向に回転可能に支持する玉軸受を採用することが望ましい。

このような構成により、カムローラにおけるローラのスキューによる影響を低減することができる。このような構成により、例えば風力発電装置のような、しばしば頻繁なメンテナンスが難しい条件で長期間使用される装置において、メンテナンスの手間を軽減することができる。

［第２実施形態］
本実施形態においては、ローラ２３の側板３３に対向する側面に、ローラ２３本体よりも摩擦係数の小さい部材が摩擦力低減部材として取り付けられる。摩擦力低減部材は、例えばローラ２３の円形の側面全体を覆う円形の板状の摺動部材でもよい。

図９と図１０を参照して本発明の第２実施形態を説明する。図９は、ローラ２３の斜視図である。ローラ２３を旋盤や研削などによって成形する場合、ローラ２３の中心軸（側板３３に対向する側のローラ２３の円形の側面の中心）の位置に、加工穴が形成される。

この加工穴に摺動性の良い部材（サポート部材、樹脂等）を取り付けることにより、図１０に示すように、側板３３に対向する側の面に、摩擦力低減部材として突起３８が形成される。この突起３８により、ローラ２３と側板３３との間の隙間が小さくなり、ローラ２３が一対の側板３３のうちのいずれか一方の側に偏った軌道を取ることが防がれる。更に、ローラ２３の傾き角度αを抑制し、スキューを防止する効果も期待できる。

突起３８をローラ２３の側面の中心に形成することにより、ローラ２３の中心付近では自転の周速度が小さいため、突起３８が側板３３に接触することによる摩擦力の増加を抑制することができる。更に、突起３８として球状の転動体を用い、ローラ２３側に形成された保持部が転動体を任意の回転方向に回転自在に保持する玉軸受構成を採用することにより、更に摩擦低減効果を向上することも可能である。

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
３７ 加工穴
３８ 突起
３９ センサ
４０ 信号線
Ｂ ベアリング
Ｂ１ 保持部
Ｂ２ 転動体

Claims (4)

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、
   前記ローラを支持する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、
   前記一対の側板の内側面と前記ローラとの間に設けられ、摩擦力を低減する摩擦力低減部材
   とを具備する動力伝達装置。
2. 前記摩擦力低減部材は、前記内側面に取り付けられ前記ローラを転がり接触によって支持するベアリングである
   請求項１に記載の動力伝達装置。
3. 前記摩擦力低減部材は、前記ローラの前記側板に対向する側の面に取り付けられた突起である
   請求項１に記載の動力伝達装置。
4. ブレードが取り付けられたロータヘッドと、
   請求項１から３のいずれかに記載され、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
   とを具備する風車。

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