JP2015152133A

JP2015152133A - 歯車装置

Info

Publication number: JP2015152133A
Application number: JP2014028191A
Authority: JP
Inventors: 興史石本; Kyoshi Ishimoto
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【課題】駆動装置によって回転する軸に作用するスラスト力を支持する軸受のうち、反スラスト側に配設された軸受の滑り面における隙間を狭くすることが可能であり、必要以上に潤滑油が供給されることを防止することができる歯車装置を提供する。
【解決手段】駆動装置により回転する大歯車軸１１、大歯車軸１１に配設され、大歯車軸１１の軸心を中心に回転駆動される大歯車１２、大歯車１２と歯合し且つ大歯車１２の歯数よりも少ない歯数を有する小歯車１４、大歯車軸１１に配設され、大歯車軸１１に作用するスラスト力を支持する複合軸受２０Ａ及び２０Ｂ、反スラスト側に配設された複合軸受２０Ａを、スラスト側に向けて付勢する弾性部材２５を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ターボ圧縮機等に搭載される歯車装置に関する。

例えば、歯車駆動ターボ圧縮機には、歯車装置が搭載されており、電動機、エンジン、タービン等の駆動装置の回転を当該歯車装置で増速し、当該歯車駆動ターボ圧縮機のインペラを高速で回転駆動する構成を備えている。この歯車装置は、羽根車の回転軸に配設された小歯車と、駆動装置の回転軸に配設された大歯車とが歯合し、大歯車から小歯車にトルクを伝達している。羽根車で生じるスラスト力は小歯車に配されたスラストカラーを介して大歯車に伝達され、スラスト軸受にて支持する構造になっている。このような歯車装置では、前記駆動装置の回転軸にスラスト軸受が配設されているが、特に大型の装置では、このスラスト軸受に高負荷がかかるため、一般的に滑り軸受が用いられている。

また、住宅用の小型換気扇のモータに好適に組み込むことができる流体動圧軸受装置として、ラジアル軸受面とその両端に形成したスラスト軸受面を備えた外方部材と、この外方部材の内側に配置され、前記ラジアル軸受面とスラスト軸受面のそれぞれに対向するラジアル軸受面とスラスト軸受面を備えた内方部材とからなり、前記外方部材と内方部材のラジアル軸受面間にラジアル軸受隙間を形成し、かつスラスト軸受面間にスラスト軸受隙間を形成し、これらの軸受隙間に潤滑油を介在させた流体動圧軸受装置が紹介されている。この流体動圧軸受装置は、前記外方部材を構成する少なくとも１つの部材が、板材のプレス加工により成形されたものであって、このプレス加工により前記ラジアル軸受面と少なくとも片側のスラスト軸受面が形成されていると共に、前記内方部材の少なくともラジアル軸受面とスラスト軸受面を形成する部分が焼結金属からなることを特徴としている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２３１８７４号公報

前述した歯車装置では、通常、前記スラスト荷重は一方向に作用するが、位置決めを目的として、前記スラスト荷重がかかる側とは反対側（以下、「反スラスト側」という）にもスラスト軸受が配設されている。ここで、この反スラスト側に配設されたスラスト軸受には殆ど負荷がかからないが、滑り面における隙間が広くなり、無駄な潤滑油が流れてしまうことになる。即ち、反スラスト側に配設されたスラスト軸受は、軸受として殆ど機能しないが、潤滑油が必要以上に供給されることになる。したがって、潤滑油を貯蔵するタンクや、当該潤滑油を供給するポンプ等が大型化することになる。

また、特許文献１に記載された流体動圧軸受装置は、スラスト荷重がかからない軸受に必要以上に潤滑油が供給されることを防止することについては何ら考慮がなされていない。また、特許文献１に記載された流体動圧軸受装置は、住宅用の小型換気扇のモータに搭載されるものであり、駆動装置によって回転する第１の軸の回転を歯車機構を介して増速し、第２の軸に伝達するような大型の装置に適用することについては、何ら記載がなされていない。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、電動機、エンジン、タービン等の駆動装置の回転を増速させる歯車装置において、駆動装置によって回転する軸に作用するスラスト力を支持する軸受のうち、反スラスト側に配設された軸受の滑り面における隙間を狭くすることが可能であり、必要以上に潤滑油が供給されることを防止することができる歯車装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、駆動装置により回転する第１の軸と、前記第１の軸の回転が伝達される第２の軸と、前記第１の軸に配設され、当該第１の軸の軸心を中心に回転駆動される第１の歯車と、前記第２の軸に配設され、前記第１の歯車と歯合し且つ当該第１の歯車の歯数よりも少ない歯数を有し、前記第２の軸の軸心を中心に回転駆動される第２の歯車と、前記第１の軸に配設され、当該第１の軸に作用するスラスト力を支持する複数の軸受と、前記複数の軸受のうち、反スラスト側に配設された軸受を、スラスト側に向けて付勢する弾性部材とを備えてなる歯車装置を提供するものである。

この構成を備えることで、第１の軸の反スラスト側に配設された軸受をスラスト側に向けて付勢する（予圧を与える）ことができるため、当該軸受が第１の軸のスラスト受面に接近させることができる。したがって、反スラスト側に配設された軸受の滑り面と、前記第１の軸との間に形成される隙間を狭くすることができ、この隙間に供給される潤滑油の量を減少させることができる。

また、本発明に係る歯車装置は、前記第２の軸に配設され、第２の軸の軸心を中心に回転駆動される羽根車と、前記第２の軸に配設され、当該第２の軸のスラスト力を前記第１の歯車に伝達するスラストカラーとをさらに備えることができる。

このように、本発明に係る歯車装置は、前記第２の軸が最も回転速度が速い軸（即ち、羽根車が配設される軸）であってもよく、別の歯車機構を介して、前記第２の軸の回転がさらに増速されて伝達される第３の軸を有していてもよい。

前記軸受は、スラスト軸受であってもよく、スラスト力及びラジアル力を共に支持する複合軸受であってもよい。

本発明に係る歯車装置は、駆動装置によって回転する軸に作用するスラスト力を支持する軸受のうち、反スラスト側に配設された軸受をスラスト側に向けて付勢して第１の軸のスラスト受面に接近させることができる。このため、反スラスト側に配設された軸受の滑り面と、前記第１の軸との間に形成される隙間を狭くすることができ、この隙間に供給される潤滑油の量を減少させることができるので、潤滑油を貯蔵するタンクや、潤滑油を供給するポンプ等を小型化することができる。

本発明の実施形態に係る歯車装置の主要部を示す断面図である。図１に示す歯車装置のスラスト軸受付近を拡大して模式的に示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る歯車装置のスラスト軸受付近を拡大して模式的に示す断面図である。

次に、本発明の実施形態に係る歯車装置について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本実施形態に係る歯車装置の主要部を示す断面図、図２は、図１に示す歯車装置のスラスト軸受付近を拡大して模式的に示す断面図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。

図１に示すように、本実施形態に係る歯車装置１は、大歯車軸１１と、大歯車軸１１に配設された大歯車１２と、大歯車軸１１に配設された複合軸受２０Ａ及び２０Ｂと、大歯車１２に歯合する小歯車１４と、小歯車１４の回転支軸である小歯車軸１３と、小歯車軸１３の先端に配設された羽根車１６Ａ及び１６Ｂと、小歯車軸１３に配設されたスラストカラー１８Ａ及び１８Ｂと、複合軸受２０Ａを複合軸受２０Ｂに向けて付勢する弾性部材２５とを備えている。なお、本実施形態では、大歯車軸１１、大歯車１２が、本発明に係る「第１の軸」、「第１の歯車」にそれぞれ相当し、小歯車軸１３、小歯車１４が、本発明に係る「第２の軸」、「第２の歯車」にそれぞれ相当している。

大歯車軸１１及び小歯車軸１３は、互いに間隔をおいて平行に配設されており、大歯車１２及び小歯車１４を収容する歯車箱１５を貫通している。大歯車軸１１には、図示しない外部駆動装置（例えば、電動機、エンジン、タービン等）に接続されており、この駆動装置の駆動により大歯車軸１１が回転するようになっている。小歯車１４は、後に詳述する大歯車１２との歯合により、大歯車軸１１の回転が伝達されるようになっている。

大歯車１２は、大歯車軸１１に固定されており、大歯車軸１１の軸心を中心として大歯車軸１１と共に回転する。この大歯車１２は、小歯車１４の回転速度を増速するように、小歯車１４よりも大きい径を有している。なお、本実施形態では、大歯車１２として、小歯車１４の１０倍程度歯数が多いはすば歯車を配設したが、これに限らず、大歯車１２は、例えば平歯車、やまば歯車等、増速機能を有すれば、他の歯車であってもよい。

小歯車１４は、大歯車１２と歯合し、高速回転する。なお、小歯車１４と小歯車軸１３は、一体に成形されていてもよく、別体として形成し、両者を固定した構成を有していてもよい。

羽根車１６Ａ及び１６Ｂは、小歯車軸１３の両端に各々固定され、小歯車軸１３の軸心を中心として小歯車１４と共に高速回転する。なお、本実施形態では、小歯車軸１３の両端に羽根車１６Ａ及び１６Ｂを配設したが、所望により、一方のみを配設してもよい。また、本実施形態では、羽根車１６Ａ及び１６Ｂを囲むケーシング（コンプレッサハウジング）とガス流路は図示を省略している。

スラストカラー１８Ａ及び１８Ｂは、小歯車１４の軸方向両側に配置され、小歯車軸１３の周りに固定されている。これらのスラストカラー１８Ａ及び１８Ｂは、大歯車１２の側面を摺動可能に支持し、羽根車１６Ａ及び１６Ｂのスラスト力を大歯車１２に伝達する。これらのスラストカラー１８Ａ及び１８Ｂには、補助スラストカラー１９Ａ及び１９Ｂが配設されている。なお、補助スラストカラー１９Ａ及び１９Ｂは不可欠ではなく、スラストカラー１８Ａ及び１８Ｂとそれぞれ一体に形成してもよい。

また、各々のスラストカラー１８Ａ及び１８Ｂと、大歯車１２の歯部との隙間は、油潤滑により低抵抗で摺動可能な限りで十分小さい隙間（例えば、０．１〜０．２ｍｍ程度）に設定することが好ましい。

複合軸受２０Ａ及び２０Ｂは、スラスト軸受とラジアル軸受とを組合せた軸受であり、大歯車軸１１を支持し、大歯車軸１１に作用するスラスト力及びラジアル力の両方を受ける（支持する）ことができるようになっている。これらの複合軸受２０Ａ及び２０Ｂは、歯車箱１５の内部を確定する壁部１５Ａ及び１５Ｂと、大歯車軸１１とによって形成される空間に収容され、大歯車軸１１の軸方向に移動可能となっている。なお、本実施形態では、大歯車軸１１（大歯車１２）及び小歯車軸１３（小歯車１４）が回転する際に、複合軸受２０Ｂに高負荷がかかるようになっている。即ち、複合軸受２０Ａが反スラスト側の軸受、複合軸受２０Ｂがスラスト側の軸受である。

弾性部材２５は、反スラスト側に配設されている複合軸受２０Ａの背面２１（大歯車１２が配設されている側とは反対側の面）と、この背面２１に対向する壁部１５Ａの面との間に配設されており、複合軸受２０Ａをスラスト側に向けて（即ち、図１でいう複合軸受２０Ｂに向けて）付勢（押圧）する。この弾性部材２５の付勢力により、複合軸受２０Ａが大歯車軸１１のスラスト受面１１１（図２参照）に向けて押圧され、スラスト受面１１１と複合軸受２０Ａのスラスト面１１２（背面２１とは反対側の面：図２参照）との間の隙間が狭くなるため、この隙間に供給される潤滑油の量を減らすことができる。この結果、潤滑油を供給するためのポンプや、潤滑油を貯蔵するタンク等を小型化することが可能となる。

なお、弾性部材２５としては、付勢力や弾性復元力等により、複合軸受２０Ａを大歯車軸１１のスラスト受面１１１に向けて押圧可能であれば、弾性部材２５の材質や種類、構造等は適宜選択することができ、例えば、ばね、ピストン機構等を好適に選択することができる。

また、小歯車軸１３のスラストカラー１８Ａ及び１８Ｂが配設されている各々の位置よりも端部側には、小歯車軸１３の半径方向力を支持するラジアル軸受２２Ａ及び２２Ｂが各々配設されている。これらのラジアル軸受２２Ａ及び２２Ｂは、好ましくは滑り軸受であり、図示しない流路を介して潤滑油が供給されている。

さらにまた、小歯車軸１３の羽根車１６Ａ及び１６Ｂが各々配設された位置の近傍には、ガスシール２３Ａ及び２３Ｂが各々配設されており、羽根車１６Ａ及び１６Ｂで加圧されたガスが、ラジアル軸受２２Ａ及び２２Ｂに流入しないようになっている。ガスシール２３Ａ及び２３Ｂとしては、例えば、ラビリンスシール、ドライガスシール、オイルフィルムシール、メカニカルシール等を用いることができる。

なお、本実施形態に係る歯車装置１は、例えば、ターボ圧縮機等に好適に搭載することができるが、このターボ圧縮機は、１段圧縮機、あるいは、複数段の圧縮機であってもよい。本実施形態では、小歯車１４は、図１における左側に１つのみ示しているが、例えば、４段圧縮機の場合には、図１の右側に別の小歯車を設けることができる。

また、本実施形態では、大歯車軸１１と、小歯車軸１３とを示しているが、所望により大歯車軸１１（回転が最も遅い軸）と、小歯車軸１３（回転が最も速い軸）との間に、１本または複数本の別の軸を配設し、この軸を介して、大歯車軸１１（大歯車１２）の回転を小歯車軸１３（小歯車１４）に伝達するようにしてもよい。この場合は、大歯車１２は、前記別の軸に配設された歯車と歯合し、小歯車１４は、当該別の軸に配設された別の歯車と歯合することになる。

また、本実施形態では、スラスト軸受とラジアル軸受とを組合せた軸受（複合軸受２０Ａ及び２０Ｂ）を配設したが、これに限らず、例えば、図３に示すように、大歯車軸１１に作用するスラスト力を受けるスラスト軸受１２０と、大歯車軸１１に作用するラジアル力を受けるラジアル軸受１３０とを配設してもよい。この構成の場合、弾性部材２５は、反スラスト側に配設されているスラスト軸受１２０の背面２１（大歯車１２が配設されている側とは反対側の面）と、この背面２１に対向する壁部１５Ａの面との間に配設されており、この弾性部材２５によってスラスト軸受１２０をスラスト側に向けて付勢（押圧）することができる。

１…歯車装置、１１…大歯車軸、１２…大歯車、１４…小歯車、１６Ａ及び１６Ｂ…羽根車、１８Ａ及び１８Ｂ…スラストカラー、２０Ａ及び２０Ｂ…複合軸受、２５…弾性部材

Claims

駆動装置により回転する第１の軸と、
前記第１の軸の回転が伝達される第２の軸と、
前記第１の軸に配設され、当該第１の軸の軸心を中心に回転駆動される第１の歯車と、
前記第２の軸に配設され、前記第１の歯車と歯合し且つ当該第１の歯車の歯数よりも少ない歯数を有し、前記第２の軸の軸心を中心に回転駆動される第２の歯車と、
前記第１の軸に配設され、当該第１の軸に作用するスラスト力を支持する複数の軸受と、
前記複数の軸受のうち、反スラスト側に配設された軸受を、スラスト側に向けて付勢する弾性部材と、
を備えてなる歯車装置。
前記第２の軸に配設され、第２の軸の軸心を中心に回転駆動される羽根車と、
前記第２の軸に配設され、当該第２の軸のスラスト力を前記第１の歯車に伝達するスラストカラーと、
をさらに備えてなる請求項１記載の歯車装置。
前記軸受がスラスト軸受である請求項1または２記載の歯車装置。
前記軸受がスラスト力及びラジアル力を共に支持する複合軸受である請求項1または２記載の歯車装置。