JP2015001289A - 遊星歯車機構 - Google Patents

Abstract

【課題】設計の自由度の低下、部品点数、重量及び設置に要するスペースの増大といった不具合の発生を招くことなく、トルク変動の小さな３Ｋ型遊星歯車機構を実現する。
【解決手段】太陽歯車１と、太陽歯車に噛み合うとともに太陽歯車の周囲を公転可能な複数の第１の遊星歯車２と、第１の遊星歯車とそれぞれ同軸に設けられそれぞれが第１の遊星歯車と同期して回転する第２の遊星歯車３と、第１の遊星歯車と噛み合う固定内歯車４と、第２の遊星歯車と噛み合う差動内歯車５とを備え、太陽歯車と差動内歯車との一方を入力軸７に接続し、他方を出力軸８に接続し、複数の遊星歯車のうち少なくとも一つが固定内歯車、差動内歯車若しくは太陽歯車に噛み合う噛合位相と、他の遊星歯車が固定内歯車、差動内歯車若しくは太陽歯車に噛み合う噛合位相とを異ならせるべく複数の遊星歯車を非等角に配置する構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に航空機用ギヤードロータリーアクチュエータに組み込まれる減速装置や、その他航空機や産業機械等に組み込まれる加減速装置として用いられる遊星歯車機構に関する。

従来より、航空機用ギヤードロータリーアクチュエータに組み込まれる減速装置や、その他航空機や産業機械等に組み込まれる加減速装置として、特に限られた設置スペースで高い加減速比を得る目的で、図１にスケルトン図を示すような３Ｋ型遊星歯車機構が用いられてきている。このような３Ｋ型遊星歯車機構は、太陽歯車と、前記太陽歯車に噛み合うとともに前記太陽歯車の周囲を公転可能な複数の第１の遊星歯車と、前記第１の遊星歯車と同数それぞれ同軸に設けられそれぞれが前記第１の遊星歯車と同期して回転する第２の遊星歯車と、前記第１及び第２の遊星歯車の一方と噛み合う固定内歯車と、他方と噛み合う差動内歯車とを備え、前記太陽歯車と前記差動内歯車との一方を入力軸に接続し、他方を出力軸に接続しているという特徴を有する。そして、前記遊星歯車の公転と前記差動内歯車の自転との間の差動運動を利用して高い加減速比を得ることができるという特徴を有する。

一方、遊星歯車と差動内歯車とが噛み合う際には噛み合い位置により歯間に発生する摩擦力が変動することに伴いトルクが変動することがある。一般的な構成の遊星歯車機構においては、トルク変動の幅は特に問題となる大きさではないが、３Ｋ型遊星歯車機構においては、前記差動運動を利用していることにより前記トルク変動が増幅され、トルク変動が非常に大きくなり、振動やがたつき音の発生といった不具合が発生する。

このような不具合の発生を防ぐための構成の一つとして、太陽歯車の歯数、固定内歯車の歯数及び差動内歯車の歯数をいずれも遊星歯車の個数の倍数でない数に設定する構成が考えられる（例えば、非特許文献１を参照）。このような構成を採用すれば、各遊星歯車と固定内歯車とが噛み合うタイミング、及び各遊星歯車と差動内歯車とが噛み合うタイミングがばらつくので、各遊星歯車と固定内歯車及び差動内歯車とが噛み合う際のトルク変動が互いに打ち消され、従って全体としてのトルク変動を小さくすることができる。

ところが、このような歯数の組み合わせを採用するにあたっては、各歯車の歯数及び遊星歯車の個数が限定されることとなり、設計の自由度が低下するという新たな不具合が発生し得る。さらに、前記非特許文献１には、上述したような歯数の組み合わせを実現するためには遊星歯車の個数を増加させることが望ましいことが示唆されている。しかし、遊星歯車の個数を増加させた場合、各遊星歯車と固定内歯車及び差動内歯車とが噛み合うタイミングをさらにばらつかせてトルク変動を互いに打ち消しあうようにする効果は得られるものの、部品点数が増加するとともに、太陽歯車に内歯車に多数の遊星歯車を外接させる必要があるので太陽歯車を大きなものにする必要があり、さらに内歯車の内部に太陽歯車及び多数の遊星歯車を収納する必要があるので内歯車も大きくする必要があることから、重量及び設置に要するスペースが大きくなるといった不具合が発生する。

"Journal of Mechanical Design", Vol. 133, pp. 051008-01-11, 2011年

本発明は以上の点に着目し、設計の自由度の低下、部品点数の増大、重量及び設置に要するスペースの増大といった不具合の発生を招くことなく、トルク変動の小さな３Ｋ型遊星歯車機構を実現することを目的とする。

本発明に係る遊星歯車機構は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る遊星歯車機構は、太陽歯車と、前記太陽歯車に噛み合うとともに前記太陽歯車の周囲を公転可能な複数の第１の遊星歯車と、前記第１の遊星歯車とそれぞれ同軸に設けられそれぞれが前記第１の遊星歯車と同期して回転する第２の遊星歯車と、前記第１及び第２の遊星歯車の一方と噛み合う固定内歯車と、他方と噛み合う差動内歯車とを備え、前記太陽歯車と前記差動内歯車との一方を入力軸に接続し、他方を出力軸に接続した３Ｋ型遊星歯車機構であって、前記複数の遊星歯車のうち少なくとも一つが前記固定内歯車、差動内歯車若しくは太陽歯車に噛み合う噛合位相と、他の前記遊星歯車が前記固定内歯車、差動内歯車若しくは太陽歯車に噛み合う噛合位相とを異ならせるべく前記複数の遊星歯車を非等角に配置している。

このようなものであれば、前記遊星歯車と噛み合う固定内歯車、差動内歯車内歯車若しくは太陽歯車の歯数が前記遊星歯車の個数の倍数であっても、固定内歯車、差動内歯車若しくは太陽歯車に噛み合う各遊星歯車の該内歯車若しくは太陽歯車に対する噛合位相が全て一致することがなくなるので、これらの歯車が噛み合う際のトルク変動が互いに打ち消され、従って遊星歯車機構全体としてのトルク変動を小さくすることができる。さらに、このような構成により、トルク変動を小さくすべく遊星歯車に噛み合う各歯車の歯数を遊星歯車の個数の倍数でないものとする必要がなくなるので、トルク変動を小さくするための遊星歯車に噛み合う各歯車の歯数と遊星歯車の個数との組み合わせの選択肢が増え、従って設計の自由度の向上を図ることができる。加えて、遊星歯車の個数をいたずらに増加させなくとも各遊星歯車と少なくとも一つの内歯車若しくは太陽歯車とが噛み合うタイミングをばらつかせてトルク変動を互いに打ち消しあうようにできるので、部品点数の増大、重量及び設置に要するスペースの増大といった不具合の発生を抑制できる。

なお、本発明の遊星歯車機構は、第１の遊星歯車として機能する遊星歯車、又は第２の遊星歯車として機能する遊星歯車を複数組備え、各組に属する遊星歯車がそれぞれ異なる内歯車に噛み合う構成を有するものであってもよい。

また、「噛合位相を異ならせている」とは、２組以上の歯車が噛み合うタイミングを異なるものとしていることを示す概念である。

本発明によれば、設計の自由度の低下、部品点数の増大、重量及び設置に要するスペースの増大といった不具合の発生を招くことなく、トルク変動の小さな３Ｋ型遊星歯車機構を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る遊星歯車機構を示すスケルトン図。 同実施形態に係る遊星歯車機構を示す側断端面図。 図１におけるＡ−Ａ断面図。 同実施形態に係る遊星歯車機構の出力トルクと入力トルクとの比の回転角度に対する変化を示す図。

本発明の一実施形態を図１〜図３を参照しつつ以下に示す。

本実施形態に係る遊星歯車機構は、主に航空機用ギヤードロータリーアクチュエータに組み込まれる減速装置、より具体的には航空機の前縁フラップを回転駆動するためのギヤードロータリーアクチュエータに組み込まれる減速装置として用いられるものである。この遊星歯車機構は、図１及び図２に示すように、太陽歯車１と、前記太陽歯車１に噛み合うとともに前記太陽歯車１の周囲を公転可能な複数の第１の遊星歯車２と、前記第１の遊星歯車２と同数それぞれ同軸に設けられそれぞれが該第１の遊星歯車２と同期して回転する第２の遊星歯車３と、前記第１及び第２の遊星歯車２、３の一方と噛み合う固定内歯車４と、他方と噛み合う差動内歯車５とを備えた３Ｋ型遊星歯車機構である。

前記太陽歯車１は、入力軸７に接続されており、この入力軸７と一体的に回転可能である。また、この太陽歯車１には、前記第１の遊星歯車２を４個外接させた状態で噛み合わせている。

前記第１の遊星歯車２は、上述したように前記太陽歯車１と外接して噛み合っており、この太陽歯車１の周囲を公転可能である。本実施形態では、前記第１の遊星歯車２を４個設けている。また、前記第１の遊星歯車２は、キャリア６を介して前記第２の遊星歯車３と同軸に支持されている。前記キャリア６は前記太陽歯車１の軸心と同一の軸心周りに回転自在に配されたキャリア本体６ａと前記第１及び第２の遊星歯車２、３を軸支するピン６ｂとを備えている周知のものである。また、このキャリア６は、遊星歯車機構の外部から回転駆動力の伝達を受けることも遊星歯車機構の外部に回転駆動力を伝達することもない。

前記第２の遊星歯車３は、上述したように前記第１の遊星歯車２と同数、すなわち４個設けている。また、各第２の遊星歯車３は、前記第１の遊星歯車２と同軸に配している。前記第１の遊星歯車２は前記固定内歯車４と内接した状態で噛み合っており、前記第２の遊星歯車３は前記差動内歯車５と内接した状態で噛み合っている。

前記固定内歯車４は、前記第１の遊星歯車２が内接した状態で該第１の遊星歯車２と噛み合っており、回転不能に固定されている。

前記差動内歯車５は、前記第２の遊星歯車３が内接した状態で前記第２の遊星歯車３と噛み合っており、出力軸８に接続されている。

ここで本実施形態では、前記太陽歯車１、前記第１の遊星歯車２、前記第２の遊星歯車３、前記固定内歯車４及び前記差動内歯車５の歯数は、順に２０、２０、１９、６０、６０である。すなわち、前記太陽歯車１、前記固定内歯車４及び前記差動内歯車５の歯数はいずれも４の倍数、すなわち遊星歯車２、３の個数の倍数である。

しかして本実施形態では、前記４個の第２の遊星歯車３を、それぞれ以下に述べるように配置している。すなわち、図３に示すように、本実施形態では、４個の前記第２の遊星歯車３をそれぞれ２個ずつのグループに分けており、各グループに属する２個の第２の遊星歯車３は、それぞれ１８０°だけ周方向に離間している。その上で、本実施形態では、一方のグループに属する第２の遊星歯車３は、周方向に隣接する第２の遊星歯車３すなわち他方のグループに属する第２の遊星歯車３とそれぞれ９０°周方向に離間した位置から９°ずらした位置に配している。換言すれば、４個の第２の遊星歯車３を全て等方的に配した場合、周方向に隣接する第２の遊星歯車３は周方向に９０°ずつ離間することとなるが、本実施形態では、一方のグループに属する第２の遊星歯車３を、４個の第２の遊星歯車３を全て等方的に配した場合の配置から９°ずらした位置に配している。ここで、作動内歯車５の歯数は上述したように６０であるので、この作動内歯車５の１歯の位相は６°であり、従って、この第２の遊星歯車３の等方的配置からのずれは、前記作動内歯車５の１歯の位相の１．５倍である。換言すれば、前記他方のグループに属する第２の遊星歯車３の差動内歯車５に対する噛合位相は、前記一方のグループに属する第２の遊星歯車３の差動内歯車５に対する噛合位相に対して半位相ずれている。一方、図示は省略しているが、前記第１の遊星歯車２は、前述したようにキャリア６により前記第２の遊星歯車３と同軸に支持されているので、４個の前記第１の遊星歯車２はそれぞれ軸方向に隣接する第２の遊星歯車３と同一の位相に配されている。換言すれば、本実施形態では、４個の前記第１の遊星歯車２も２個ずつのグループに分けており、各グループに属する２個の第１の遊星歯車２も、それぞれ１８０°だけ周方向に離間している。その上で、一方のグループに属する第１の遊星歯車２は、周方向に隣接する第１の遊星歯車２すなわち他方のグループに属する第１の遊星歯車２とそれぞれ９０°周方向に離間した位置すなわち４個の第１の遊星歯車２を等方的に配置した場合の位置から９°ずらした位置に配されている。一方、固定内歯車３の歯数も上述したように６０であるので、この作動内歯車４の１歯の位相も６°であり、従って、この第１の遊星歯車２の配置の等方的配置からのずれも、前記固定内歯車４の１歯の位相の１．５倍である。そして、太陽歯車１の歯数は上述したように２０であるので、この太陽歯車１の１歯の位相は１８°であり、従って、前記第１の遊星歯車２の配置の等方的配置からのずれは、前記太陽歯車１の１歯の位相の半分である。換言すれば、前記他方のグループに属する第１の遊星歯車２の太陽歯車１及び固定内歯車４に対する噛合位相も、前記一方のグループに属する第２の遊星歯車３の太陽歯車１及び固定内歯車４に対する噛合位相に対して半位相ずれている。換言すれば、一方のグループに属する第１の遊星歯車２が前記固定内歯車４及び太陽歯車１に噛み合う噛合位相と、他方のグループに属する第１の遊星歯車２が前記固定内歯車４及び太陽歯車１に噛み合う噛合位相とをそれぞれ異ならせるとともに、一方のグループに属する第２の遊星歯車３が前記差動内歯車５に噛み合う噛合位相と、他方のグループに属する第２の遊星歯車３が前記差動内歯車５に噛み合う噛合位相とを異ならせるべく、前記第１及び第２の遊星歯車２、３をそれぞれ非等角に配置している。

本実施形態の遊星歯車機構の作動を以下に示す。図示しない動力源から入力軸７を経て太陽歯車１に回転駆動力が伝達されると、この太陽歯車１に噛み合う第１の遊星歯車２が自転する。また、第１の遊星歯車２は固定内歯車４と噛み合っており、この固定内歯車４は回転不能に固定されているので、第１の遊星歯車２は太陽歯車１の周囲を公転する。第２の遊星歯車３は第１の遊星歯車２と一体をなし、キャリア６により第１の遊星歯車２と同軸に支持されているので、第２の遊星歯車３も公転する。そして、この第２の遊星歯車３は前記差動内歯車５に内接した状態で噛み合っているので、前記第１の遊星歯車２からこの第２の遊星歯車３を経て差動内歯車５に回転駆動力が伝達される。このとき、一方のグループに属する２個の第１の遊星歯車２の太陽歯車１及び固定内歯車４に対する噛合位相と、他方のグループに属する２個の第１の遊星歯車２の太陽歯車１及び固定内歯車４に対する噛合位相とは、上述したようにちょうど半位相ずれているので、一方のグループに属する第１の遊星歯車２が太陽歯車１及び固定内歯車４と噛み合う際のトルク変動と、他方のグループに属する第１の遊星歯車２が太陽歯車１及び固定内歯車４と噛み合う際のトルク変動とは互いに打ち消し合う。また、一方のグループに属する２個の第２の遊星歯車３の差動内歯車５に対する噛合位相と、他方のグループに属する２個の第２の遊星歯車３の差動内歯車５に対する噛合位相とも、上述したようにちょうど半位相ずれているので、一方のグループに属する第２の遊星歯車３が差動内歯車５と噛み合う際のトルク変動と、他方のグループに属する第２の遊星歯車３が差動内歯車５と噛み合う際のトルク変動とも互いに打ち消し合う。そして、差動内歯車５からさらにこの差動内歯車５に接続した出力軸８に回転駆動力が伝達される。

本実施形態の遊星歯車機構及び遊星歯車２、３を等方的に配置した従来のこの種の遊星歯車機構の入力トルクに対する出力トルクの比率を回転角度に対してプロットしたものを図４に示す。なお、同図の実線ａに本実施形態の遊星歯車機構の前記比率、同図の破線ｂに従来の実施形態の遊星歯車機構の前記比率をそれぞれ示す。従来の遊星歯車機構は、前記比率が約５８〜９９％の範囲で大きく変動しているのに対し、本実施形態の遊星歯車機構は、前記比率が約６８〜７８％の範囲であり、トルク変動が従来の遊星歯車機構と比較して大幅に抑制されている。

以上に述べたように、本実施形態によれば、太陽歯車１の歯数、固定内歯車４の歯数及び差動内歯車５の歯数が、いずれも遊星歯車２、３の個数の倍数、すなわち４の倍数であるが、４個の第１の遊星歯車２の太陽歯車１及び固定内歯車４に対する噛合位相、並びに４個の第２の遊星歯車３の前記差動内歯車５に対する噛合位相が全て一致することはなく、これらの歯車が噛み合う際のトルク変動が互いに打ち消される。従って、遊星歯車機構全体としてのトルク変動を小さくすることができる。さらに、このような構成により、トルク変動を小さくするための太陽歯車１、固定内歯車４及び差動内歯車５の歯数と遊星歯車２、３の個数との組み合わせの選択肢が増加するので、設計の自由度の向上を図ることができる。加えて、遊星歯車２、３の個数をいたずらに増加させなくとも、第１の遊星歯車２と太陽歯車１及び固定内歯車４とが噛み合うタイミング、並びに第２の遊星歯車３と差動内歯車５とが噛み合うタイミングをばらつかせてトルク変動を互いに打ち消しあうようにすることができる。換言すれば、部品点数の増大、重量及び設置に要するスペースの増大といった不具合の発生を抑制しつつ、各第１の遊星歯車２と太陽歯車１及び固定内歯車４との噛み合いの際及び各第２の遊星歯車３と差動内歯車５との噛み合いの際に発生するトルク変動を互いに打ち消しあうようにすることができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、１８０°周方向に離間した２個の遊星歯車を２グループ配することにより計４個の遊星歯車を備えるようにしているが、それ以外であっても、少なくとも一つの前記遊星歯車の差動内歯車に対する噛合位相を、他の前記遊星歯車の前記差動内歯車に対する噛合位相と異ならせているものであれば、遊星歯車の配置は任意に設定してよい。このような遊星歯車の配置の他の一例として、４個の遊星歯車をそれぞれ以下に述べるように配したものが挙げられる。すなわち、４個の遊星歯車のうち１つと内歯車との噛合位相を基準として、他の３個の遊星歯車と内歯車との噛合位相が、それぞれ４分の１位相、半位相及び４分の３位相ずれるように各第２の遊星歯車を配したものが挙げられる。このようなものであれば、各遊星歯車と内歯車との噛み合いタイミングが全て異なり、しかも等間隔となるので、トルク変動がより平均化されるからである。

また、上述した実施形態では、遊星歯車の個数を４個としているが、遊星歯車の個数が３個であるものも望ましい。すなわち、遊星歯車の個数は３個又は４個が最も望ましい。このようなものであれば、部品点数及び設置スペースの増大を招くことなく、太陽歯車をバランスよく支持できるからである。また、遊星歯車の個数を３個とした場合も、少なくとも一つの前記遊星歯車の前記差動内歯車に対する噛合位相を、他の前記遊星歯車の前記内歯車に対する噛合位相と異ならせているものであれば、遊星歯車の配置は任意である。遊星歯車の個数を３個とした場合の望ましい遊星歯車の配置の一例として、３個の遊星歯車のうち１つと内歯車との噛合位相を基準として、他の２個の遊星歯車と内歯車との噛合位相が、それぞれ３分の１位相及び３分の２位相ずれるように各第２の遊星歯車を配したものが挙げられる。このようなものであれば、各遊星歯車と内歯車との噛み合いタイミングが全て異なり、しかも等間隔となるので、トルク変動がより平均化されるからである。

さらに、第１及び第２の遊星歯車の歯数を同一とし、固定内歯車の歯数と差動内歯車の歯数とを異ならせた上でこれら固定内歯車及び差動内歯車のうち少なくとも一方を転位歯車とし、これら固定内歯車及び差動内歯車をそれぞれ前記遊星歯車に噛み合わせるようにする、３Ｋ型不思議遊星歯車機構として周知の遊星歯車機構に本発明を適用してもよい。

加えて、上述した実施形態では太陽歯車、固定内歯車及び差動内歯車の歯数を全て遊星歯車の個数の倍数に設定しているが、太陽歯車、固定内歯車及び差動内歯車の歯数のうちいずれか１つまたは２つのみを遊星歯車の個数の倍数に設定し、その上で、前記複数の遊星歯車のうちいずれかの前記固定内歯車若しくは太陽歯車に対する噛合位相と、他の前記遊星歯車の前記固定内歯車若しくは太陽歯車に対する噛合位相とを異ならせるようにしてもよい。

さらに、第１の遊星歯車として機能する遊星歯車、又は第２の遊星歯車として機能する遊星歯車を複数組備えているとともに、３つ以上の内歯車を備えており、各組に属する遊星歯車がそれぞれ内歯車に噛み合っており、少なくとも２つの内歯車が固定内歯車及び差動内歯車として機能する３Ｋ型遊星歯車機構において、前記遊星歯車と噛み合う少なくとも一つの内歯車若しくは太陽歯車の歯数が前記遊星歯車の個数の倍数であり、複数の前記遊星歯車のうちいずれかの前記少なくとも一つの内歯車若しくは太陽歯車に対する噛合位相と、他の前記遊星歯車の前記少なくとも一つの内歯車若しくは太陽歯車に対する噛合位相とを異ならせている構成を採用してもよい。

そして、上述した実施形態では固定内歯車を第１の遊星歯車に噛み合わせ、差動内歯車を第２の遊星歯車に噛み合わせるようにしているが、固定内歯車を第２の遊星歯車に噛み合わせ、差動内歯車を第１の遊星歯車に噛み合わせた態様の遊星歯車機構に本発明を適用してもよい。もちろん、第１及び第２の遊星歯車にそれぞれ噛み合う第１及び第２の内歯車を設け、これら第１及び第２の内歯車のいずれか一方を選択的に固定内歯車とし、他方を差動内歯車とすることが可能な態様の遊星歯車機構に本発明を適用してもよい。加えて、差動内歯車を入力軸に接続し、太陽歯車を出力軸に接続する態様の遊星歯車機構に本発明を適用してもよい。

加えて、上述した実施形態では、限られた設置スペースで高い減速比を得る目的で、航空機用ギヤードロータリーアクチュエータに組み込まれる減速装置として本発明の遊星歯車機構を用いているが、その他航空機や産業機械等に組み込まれる加減速装置として、特に限られた設置スペースで高い加減速比を得るために本発明の遊星歯車機構を用いてもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１…太陽歯車
２…第１の遊星歯車
３…第２の遊星歯車
４…固定内歯車
５…作動内歯車
７…入力軸
８…出力軸

Claims (1)

1. 太陽歯車と、前記太陽歯車に噛み合うとともに前記太陽歯車の周囲を公転可能な複数の第１の遊星歯車と、前記第１の遊星歯車とそれぞれ同軸に設けられそれぞれが前記第１の遊星歯車と同期して回転する第２の遊星歯車と、前記第１及び第２の遊星歯車の一方と噛み合う固定内歯車と、他方と噛み合う差動内歯車とを備え、前記太陽歯車と前記差動内歯車との一方を入力軸に接続し、他方を出力軸に接続した３Ｋ型遊星歯車機構であって、
   前記複数の遊星歯車のうち少なくとも一つが前記固定内歯車、差動内歯車若しくは太陽歯車に噛み合う噛合位相と、他の前記遊星歯車が前記固定内歯車、差動内歯車若しくは太陽歯車に噛み合う噛合位相とを異ならせるべく前記複数の遊星歯車を非等角に配置していることを特徴とする遊星歯車機構。

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