JP2014131892A - 舵取り機 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車が逆回転する際に生じる歯打ち音を低減し、舵軸の動的な挙動による損傷を防止することが可能な舵取り機を提供することを目的とする。
【解決手段】舵取り機は、舵軸と、舵軸に固定された舵軸歯車と、電動機と、電動機の駆動力によって回転し、舵軸歯車に回転力を伝達する少なくとも一つの遊星歯車２０とを備え、遊星歯車２０は、遊星軸３０に固定され、歯面が舵軸歯車の歯面との間で隙間を有する第１歯車２１と、第１歯車２１に接触して第１歯車２１と同軸上に設けられ、歯面が舵軸歯車の歯面との間で隙間を有さず、遊星軸３０周りに回動可能な第２歯車２２とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、舵取り機に関するものである。

船舶の舵を動かす舵取り機は、油圧式のものがあるが、油圧式舵取り機は、電力を油圧に変換するため、エネルギー効率が悪化したり、作動油が外部に漏れて海洋汚染を引き起こす可能性がある。
そこで、例えば特許文献１のように、舵軸に固定された旋回環を、ピニオンを介して電動機によって直接回転させる技術が提案されている。これにより、油圧を使用しないで舵を動かすことができ、油による海洋汚染を防止できる。

特開２００７−８１８９号公報 特開２００８−２６０３７９号公報

歯車（ピニオン）を用いて電動機の駆動力を舵軸に伝達する歯車式の場合、二つの歯車の歯面間に隙間（バックラッシ）が設けられる。バックラッシは、歯の噛み合いをスムーズに行うため、歯車機構では意図的に設けられている。そのため、ある方向に回転していた歯車が逆方向に回転する際、歯打ち音が発生したり、過大な動荷重によって損傷が生じたりするおそれがある。
なお、特許文献２では、バックラッシに起因する歯打ち音による騒音を低減するため、一対の歯車のうち一方の歯車が軸方向に移動可能に支持されている構成が開示されている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、歯車が逆回転する際に生じる歯打ち音を低減し、舵軸の動的な挙動による損傷を防止することが可能な舵取り機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の舵取り機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る舵取り機は、舵軸と、前記舵軸に固定された大歯車と、電動機と、前記電動機の駆動力によって回転し、前記大歯車に回転力を伝達する少なくとも一つの小歯車とを備え、前記小歯車は、歯車軸に固定され、歯面が他の歯車の歯面との間で隙間を有する第１の歯車と、前記第１の歯車に接触して前記第１の歯車と同軸上に設けられ、歯面が前記他の歯車の歯面との間で隙間を有さず、前記歯車軸周りに回動可能な第２の歯車とを有する。

この構成によれば、小歯車がある方向に連続して回転しているときは、歯車軸に固定されている第１の歯車がトルクを伝達する。このとき、第１の歯車の歯面と他の歯車の歯面との間に隙間（バックラッシ）が設けられているため、歯の噛み合いがスムーズに行われる。一方、ある方向に回転していた小歯車が逆方向に回転するときは、一時的に他の歯車の歯面との間に隙間（バックラッシ）が無い第２の歯車が、反対側の歯面で他の歯車の歯面と接触する。第１の歯車と第２の歯車は、互いに接触しており、摩擦力が発生することから、第２の歯車が設けられていない場合に比べて、第１の歯車は徐々に他の歯車と近づく。その結果、逆回転時に発生する衝撃力を低減でき、歯打ち音の発生や損傷を防止できる。

第２の歯車は、歯車軸周りに回動可能であるから、逆方向に回転した場合も他の歯車に動力を伝達することは無い。そして、第１の歯車が他の歯車と接触したとき、第１の歯車が動力を伝達する。

上記発明において、前記第２の歯車は、少なくとも歯面部分が合成樹脂でもよい。
この構成によれば、第２の歯車と他の歯車が接触したとき、第２の歯車が金属製であるときに比べて、歯打ち音の発生や舵軸の動的な挙動による損傷の発生を低減できる。

上記発明において、前記第１の歯車及び前記第２の歯車の少なくとも一方は、他方と接触する側面が耐摩耗性を有する表面処理が施されてもよい。
この構成によれば、第１の歯車と第２の歯車が接触しているところ、接触面において耐摩耗性を有する表面処理が施されているため、摩耗速度を低減できる。また、任意の摩擦係数を得ることも可能であるため、第１の歯車が逆方向に回転したときに他の歯車と接触する速度を調整できる。

本発明によれば、歯車が逆回転する際に生じる歯打ち音を低減し、舵軸の動的な挙動による損傷を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る舵取り機を示す部分縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線で切断した横断面図である。 図１のＢ−Ｂ線で切断した横断面図である。 本発明の一実施形態に係る舵取り機の遊星歯車を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る舵取り機の遊星歯車を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る舵取り機の舵軸歯車と遊星歯車を示す部分拡大平面図である。 本発明の一実施形態に係る舵取り機の舵軸歯車と遊星歯車を示す部分拡大平面図である。 本発明の一実施形態に係る舵取り機の舵軸歯車と遊星歯車を示す部分拡大平面図である。 本発明の一実施形態に係る舵取り機の舵軸歯車と遊星歯車を示す部分拡大平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る舵取り機１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る舵取り機１００は、図１に示されるように、船舶の舵（不図示）を、舵に連結された舵軸１を介して駆動する装置である。舵取り機１００は、舵軸１と、舵軸歯車２と、固定軸３と、固定軸歯車４と、キャリア５と、駆動装置６とを備える。また、本実施形態に係る船舶は、内燃機関（不図示）によって駆動されるスクリューによって推進力を得て推進するものである。そして、本実施形態に係る船舶には、舵取り機１００が船体に固定されており、舵取り機１００によって舵を操作することにより、船舶の進行方向を任意に制御することができる。

舵軸１は、鉛直方向の中心軸Ｃに沿って配置される円筒状の部材であり、下端部には舵が連結されている。また、舵軸１の上端部には舵軸歯車２（大歯車）が固定されている。舵軸歯車２は、例えば、ボルト等によって舵軸１と締結されており、舵軸歯車２が回転すると舵軸歯車２に固定された舵軸１も回転する。従って、舵軸歯車２が回転することによって、舵軸１に連結された舵が中心軸Ｃを中心に回転する。舵軸１には、舵軸１の直径よりも径の大きいフランジ部１ａが設けられており、舵軸１と一体となって回転する。

遊星歯車２０（遊星歯車２０ａ〜２０ｄの総称）（小歯車）は、舵軸歯車２と噛み合っており、遊星歯車２０から舵軸歯車２に駆動力が更に伝達される。以下、本実施形態に係る遊星歯車２０について詳細に説明する。

遊星歯車２０は、遊星軸３０（歯車軸）に固定された第１歯車２１と、第１歯車２１に接触して第１歯車２１と同軸上に設けられる第２歯車２２とを有する。

第１歯車２１は、遊星軸３０に固定され、図６に示すように歯面が舵軸歯車２の歯面との間で隙間（バックラッシ）を有する。第１歯車２１は、遊星軸３０が貫通する貫通孔２３にキー溝２３ａが形成され、遊星軸３０に設けられたキー３１と係り合うことで、遊星軸３０に対して固定されている（図５参照）。

第２歯車２２は、第１歯車２１に接触して第１歯車２１と同軸上に設けられる。また第２歯車２２は、図６に示すように、歯面が舵軸歯車２の歯面との間で隙間を有さず、遊星軸３０周りに回動可能である。図４に示す例では、第２歯車２２は、第１歯車２１の両側面に一つずつ設けられる。第２歯車２２は、例えば図４に示すように、ボルト２７、ナット２８及びばね２９によって、第１歯車２１に押し付けられている。これにより、第１歯車２１と第２歯車２２の間に摩擦力が生じながら、第１歯車２１と第２歯車２２は遊星軸３０回りに相対的に回動できる。

図５に示すように、第１歯車２１においてボルト２７が貫通する貫通孔２５は、ボルト２７の径とほぼ同一の径である。一方、第２歯車２２においてボルト２７が貫通する貫通孔２６は、第２歯車２２が遊星軸３０周りに回動可能なように、円弧状に形成されている。

上述したとおり、遊星歯車２０は、第１歯車２１に第２歯車２２が重ね合わされた構成を有する。これにより、図６に示すように、遊星歯車２０がある方向に連続して回転しているときは、遊星軸３０に固定されている第１歯車２１がトルクを伝達する。このとき、第１歯車２１の歯面と舵軸歯車２の歯面との間に隙間（バックラッシ）が設けられているため、歯の噛み合いがスムーズに行われる。

一方、図７〜図９に示すように、ある方向に回転していた遊星歯車２０が逆方向に回転するときは、まず、図７に示すように、一時的に舵軸歯車２の歯面との間に隙間（バックラッシ）が無い第２歯車２２が、反対側の歯面で舵軸歯車２の歯面と接触する。そして、第１歯車２１は、図８に示すように、舵軸歯車２と近づき、最終的に第１歯車２１の歯面が舵軸歯車２の歯面と接触する。

本実施形態では、第１歯車２１と第２歯車２２は、互いに接触しており、第２歯車２２が回転することによって、摩擦力が発生する。したがって、第２歯車２２が設けられていない従来の遊星歯車に比べて、本実施形態の遊星歯車２０の第１歯車２１は、徐々に舵軸歯車２と近づく。その結果、逆回転時に発生する衝撃力を低減でき、歯打ち音の発生や損傷を防止できる。

第２歯車２２は、遊星軸３０周りに回動可能であるから、逆方向に回転した場合も舵軸歯車２に動力を伝達することは無い。そして、第１歯車２１が舵軸歯車２と接触したとき、第１歯車２１が動力を伝達する。

第２歯車２２は、歯車全体又は少なくとも歯面部分が合成樹脂でもよい。
この場合、第２歯車２２と舵軸歯車２が接触したとき、第２歯車２２が金属製であるときに比べて、歯打ち音の発生や舵軸の動的な挙動による損傷の発生を低減できる。

また、第１歯車２１及び第２歯車２２の少なくとも一方は、他方と接触する側面が耐摩耗性を有する表面処理が施されていてもよい。
本実施形態の遊星歯車２０は、第１歯車２１と第２歯車２２が接触している構成を有しているところ、接触面において耐摩耗性を有する表面処理が施されているため、長期の使用における摩耗速度を低減できる。また、任意の摩擦係数を得ることも可能であるため、第１歯車２１が逆方向に回転したときに舵軸歯車２と接触する速度を調整できる。

以下、図１〜図３を参照して、舵取り機１００について詳細に説明する。
舵軸支持機構１８は、舵軸受１５と、支持軸１６と、座台１７とを備える。
支持軸１６は、舵軸１と同一軸線を有して設けられる筒状の部材であり、下端部は船体側である座台１７に対してボルト等の締結部材によって固定されている。また、支持軸１６の上面とフランジ部１ａの下面の間には、舵軸１の軸方向の荷重を支持する舵軸受１５が配置されている。舵軸受１５は、支持軸１６の上面の外周端部に固定されており、フランジ部１ａの下面と接している。舵軸１の荷重は、舵軸受１５を介して船体側の座台に固定された支持軸１６に伝達される。

固定軸３は、舵軸１と同一軸線を有して設けられる筒状の部材であり、下端部は、船体側である座台７に対してボルト等の締結部材によって固定されている。また、固定軸３の上端部には、固定軸歯車４がボルト等の締結部材によって固定されている。固定軸３の内周の径は、舵軸１の外周の径よりも大きい。

固定軸３の外面には、キャリア５の荷重を支持するキャリア軸受８の内輪内面が、圧入状態で嵌合している。また、固定軸３の外面には、環状部材９の内面が圧入状態で嵌合しており、環状部材９はキャリア軸受８の下方に配置されている。環状部材９の下端は座台７によって支持されており、環状部材９の上端はキャリア軸受８の内輪下面と接している。

キャリア軸受８の外輪外面は、キャリア５に設けられた段部５ａに圧入状態で嵌合している。キャリア軸受８は、転がり軸受であり、前述したように、内輪内面が固定軸３の外面に圧入状態で嵌合している。従って、キャリア５は、固定軸３の周りに回転可能に設置されている。

キャリア軸受８の外輪上面には、段部５ａを介してキャリア５の荷重がかかっている。キャリア軸受８の外輪上面にかかったキャリア５の荷重は、キャリア軸受８の内輪下面を介して環状部材９に伝達される。このように、キャリア軸受８は、キャリア５の荷重を支持するとともに、キャリア５を固定軸３の周りに回転可能に設置するという機能を備える。

キャリア５は、中心軸Ｃ方向の断面形状が円形の部材であり、固定軸３の周りに回転可能に設置されている。キャリア５は、段部５ａの半径方向外方の外周面に、キャリア歯車５ｂが設けられている。キャリア歯車５ｂは、キャリア５の外周面を加工することによって設けられたものである。

キャリア歯車５ｂには駆動源６ａに駆動軸６ｂを介して連結されている駆動歯車６ｃが噛み合っている。駆動源６ａは、電動モータと減速機によって構成され、駆動軸６ｂを介して駆動歯車６ｃを回転させる。駆動歯車６ｃは、キャリア歯車５ｂに駆動力を伝達しキャリア５を固定軸３の周りに回転させる。駆動源６ａは、駆動歯車６ｃを駆動してキャリア歯車５ｂに駆動力を伝達する。駆動源６ａは、固定軸３が設置される座台７に設置されている。

キャリア５は、４本の遊星軸３０ａ，３０ｂ，３０ｃ（不図示），３０ｄ（不図示）を有する。図１は舵取り機１００の部分縦断面図であるため、遊星軸３０ａと遊星軸３０ｂが示されている。遊星軸３０ａは、上端と下端がそれぞれキャリア５に固定されている軸状部材である。遊星軸３０ａには、内輪が圧入状態で嵌合した２つの転がり軸受（不図示）が設置されており、遊星歯車１０ａ及び遊星歯車２０ａが２つの転がり軸受の外輪に圧入状態で嵌合している。このようにして、遊星軸３０ａが、固定軸歯車４と噛み合う遊星歯車１０ａ（第１遊星歯車）と、舵軸歯車２と噛み合う遊星歯車２０ａ（第２遊星歯車）を回転自在に支持している。

同様に、遊星軸３０ｂは、遊星歯車１０ｂと遊星歯車２０ｂを回転自在に支持している。同様に、遊星軸３０ｃは、遊星歯車１０ｃ（不図示）と遊星歯車２０ｃ（不図示）を回転自在に支持している。同様に、遊星軸３０ｄは、遊星歯車１０ｄ（不図示）と遊星歯車２０ｄ（不図示）を回転自在に支持している。遊星歯車１０ａ〜１０ｄ（第１遊星歯車）は固定軸歯車４と噛み合っており、遊星歯車２０ａ〜２０ｄは舵軸歯車２と噛み合っている。

図２は、図１に示される舵取り機１００のＡ−Ａ矢視横断面図である。図２に示されるように、遊星歯車２０ａ〜２０ｄは、舵軸歯車２の円周方向の４箇所に、それぞれ９０°ずつの間隔を空けて、舵軸歯車２と噛み合うように配置されている。遊星歯車２０は、キャリア５が固定軸３の周りを回転するのに従い、それぞれ９０°ずつの間隔を維持したまま固定軸３に対して回転する。

図３は、図１に示される舵取り機１００のＢ−Ｂ矢視横断面図である。図３に示されるように、遊星歯車１０ａ〜１０ｄは、固定軸歯車４の円周方向の４箇所に、それぞれ９０°ずつの間隔を空けて、固定軸歯車４と噛み合うように配置されている。遊星歯車１０（遊星歯車１０ａ〜１０ｄの総称）は、キャリア５が固定軸３の周りを回転するのに従い、それぞれ９０°ずつの間隔を維持したまま固定軸３に対して回転する。

ここで、本実施形態において駆動歯車６ｃから舵軸歯車２に伝達される駆動力の速度比（減速比）について説明する。以下の説明においては、固定軸歯車４が遊星歯車１０に噛み合う場合の、固定軸歯車４のモジュールと遊星歯車１０のモジュールが等しいものとする。また、舵軸歯車２が遊星歯車２０に噛み合う場合の、舵軸歯車２のモジュールと遊星歯車２０のモジュールが等しいものとする。ここで、モジュールとは、ピッチ円直径を歯数で除した値のことをいう。

本実施形態に係る舵取り機１００は、以下の条件式を満たしている。
ｉ０＝（Ｚｂ・Ｚｄ）／（Ｚａ・Ｚｄ） （１）
ｉ１＝（１−ｉ０）／ｉ０ （２）
ｉ２＝Ｚｆ／Ｚｅ （３）
ｉ３＝ｉ１・ｉ２ （４）
Ｚａ＋Ｚｂ＝Ｚｃ＋Ｚｄ （５）
Ｚａ≠Ｚｄ （６）
Ｚｂ≠Ｚｃ （７）
ここで、Ｚａ：固定軸歯車４の歯数、Ｚｂ：遊星歯車１０の歯数、Ｚｃ：遊星歯車２０の歯数、Ｚｄ：舵軸歯車２の歯数、Ｚｅ：駆動歯車６ｃの歯数、Ｚｆ：キャリア歯車５ｂの歯数、ｉ１：キャリア５と舵軸１の速度比（減速比）、ｉ２：駆動歯車６ｃとキャリア５の速度比（減速比）、ｉ３：駆動歯車６ｃと舵軸１の速度比（減速比）である。

以上の条件式から明らかなように、駆動歯車６ｃと舵軸１の減速比は、固定軸歯車４の歯数Ｚａ、遊星歯車１０の歯数Ｚｂ、遊星歯車２０の歯数Ｚｃ、舵軸歯車２の歯数Ｚｄ、駆動歯車６ｃの歯数Ｚｅ、キャリア歯車５ｂの歯数Ｚｆによって定まる。
なお、遊星歯車１０の歯数は、それぞれ同一であり、Ｚｂはその同一の歯数をいう。また、遊星歯車２０の歯数は、それぞれ同一であり、Ｚｃはその同一の歯数をいう。

条件式（５）は、舵軸１と固定軸３が同一軸線を有して設けられ、遊星歯車１０と遊星歯車２０が遊星軸３０（遊星軸３０ａ〜３０ｄの総称）に支持されることを可能にする条件である。このような条件を満たすようにすることで、舵軸１と遊星軸３０の軸間距離と、固定軸３と遊星軸３０の軸間距離を等しくすることができる。

条件式（６）及び（７）は、キャリア５が固定軸３周りに回転するのに応じて固定軸３に対して舵軸１を相対的に回転させるための条件である。条件式（６）及び（７）が共に満たされない場合、固定軸歯車４の歯数Ｚａと舵軸歯車２の歯数Ｚｄが等しく、かつ、遊星歯車１０の歯数Ｚｂと遊星歯車２０の歯数Ｚｃが等しくなる。この場合、遊星歯車２０は舵軸歯車２の周りを周方向に回転するものの、舵軸歯車２は固定軸歯車４に対して相対的に回転することはなく静止したままとなる。条件式（６）及び（７）を満たすようにすることで、キャリア５が固定軸３周りに回転するのに応じて固定軸３に対して舵軸１を相対的に回転させることができる。

このように本実施形態係る舵取り機１００によれば、駆動源６ａによる駆動力が駆動歯車６ｃからキャリア歯車５ｂに伝達され、キャリア５が有する複数の遊星軸３０によって支持される遊星歯車２０から舵軸歯車２に駆動力が更に伝達される。このように駆動源６ａの駆動力を２段階で舵軸１に伝達する構成にすることで、各歯車が小型化される、その結果、舵取り機１００が小型化される。また、遊星歯車２０が噛み合う舵軸歯車２の噛み合いピッチ円直径２ｒ１と遊星歯車１０が噛み合う固定軸歯車４の噛み合いピッチ円直径２ｒ３とが異なるので、キャリア５が固定軸３周りに回転するのに応じて固定軸３に対して舵軸１が相対的に回転する。このように、駆動源６ａが２段階の歯車を介して舵軸１に駆動力を伝達するとともに、舵軸１が固定軸３に対して相対的に回転するので、高い減速比で舵を駆動する舵取り機１００を提供することができる。

また、本実施形態の舵取り機１００においては、舵軸歯車２、固定軸歯車４、遊星歯車１０、及び遊星歯車２０のモジュールが等しく、固定軸歯車４と遊星歯車１０の歯数の合計が、舵軸歯車２と遊星歯車２０の歯数の合計と等しい。このようにすることで、モジュールが等しい歯車を用いる際に、遊星歯車１０と遊星歯車２０とを同一の遊星軸３０によって適切に支持することができる。

また、本実施形態の舵取り機１００は、舵軸歯車２と固定軸歯車４の間に配置され、舵軸１の軸方向の荷重を支持する軸受パッド４０を備える。このようにすることで、舵軸１の軸方向の荷重が適切に支持されるとともに、舵軸１の軸方向の荷重を他の構造によって支持する場合に比べて、舵取り機１００を小型化することができる。

また、本実施形態の舵取り機１００は、固定軸３が設置される座台７に駆動源６ａが設置されている。このようにすることで、固定軸３が設置される座台７に駆動源６ａを設置し、駆動源６ａの駆動力を適切にキャリア５に伝達することができる。

なお、上述した実施形態では、駆動源６ａの駆動力を２段階で舵軸１に伝達する構成について説明したが、本発明は、この例に限定されない。駆動源の駆動力を１段階で舵軸に伝達する構成の場合も、舵軸歯車と噛み合う遊星歯車において、上述した第１歯車と第２歯車を有するようにしてもよい。
また、遊星歯車機構についても、上述した例に限定されず、他の構成を有する遊星歯車機構でもよく、このとき、舵軸歯車と噛み合う遊星歯車において、上述した第１歯車と第２歯車を有するようにしてもよい。

１ 舵軸
１ａ フランジ部
２ 舵軸歯車
３ 固定軸
４ 固定軸歯車
５ キャリア
５ｂ キャリア歯車
６ 駆動装置
６ａ 駆動源
６ｂ 駆動軸
６ｃ 駆動歯車
７ 座台
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 遊星歯車
１５ 舵軸受
１６ 支持軸
１７ 座台
１８ 舵軸支持機構
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 遊星歯車
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ 遊星軸
１００ 舵取り機

Claims (3)

1. 舵軸と、
   前記舵軸に固定された大歯車と、
   電動機と、
   前記電動機の駆動力によって回転し、前記大歯車に回転力を伝達する少なくとも一つの小歯車と
   を備え、
   前記小歯車は、
   歯車軸に固定され、歯面が他の歯車の歯面との間で隙間を有する第１の歯車と、
   前記第１の歯車に接触して前記第１の歯車と同軸上に設けられ、歯面が前記他の歯車の歯面との間で隙間を有さず、前記歯車軸周りに回動可能な第２の歯車と
   を有する舵取り機。
2. 前記第２の歯車は、少なくとも歯面部分が合成樹脂である請求項１に記載の舵取り機。
3. 前記第１の歯車及び前記第２の歯車の少なくとも一方は、他方と接触する側面が耐摩耗性を有する表面処理が施されている請求項１又は２に記載の舵取り機。
   

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