JP2021524899A - 可変線速度減速クラッチ - Google Patents

Abstract

可変線速度減速クラッチであって、可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構及びブレーキ各１つが接続して構成され、減速機、クラッチの両方の機能を持つ伝動機械である。可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の遊星キャリヤは入力端とされ、一方の中心歯車は出力端とされ、他方の中心歯車は制動端とされ、制動端はブレーキに直接的に接続される。可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構には２種の遊星歯車機構のうちの一つが用いられる。ブレーキは少なくとも制動、非制動の２つの状態を有し、ブレーキ制動はクラッチの結合状態に相当し、ブレーキ非制動はクラッチの分離状態に相当する。本発明は可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の設定方法、使用方法も提供した。多段減速機、クラッチがそれぞれ独立して設けられたものと比べ、本発明は構造がシンプルで体積が小さく重量が軽いものである。【選択図】図１

Description

本発明は遊星歯車機構構造の伝動機械に関し、具体的には、可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構及びブレーキ各１つが接続して構成され、減速機、クラッチの両方の機能を持つ伝動機械（transmission machinery）である。

まずは遊星歯車機構について紹介する。遊星歯車機構は２つの中心歯車、遊星歯車を備える遊星キャリヤの３つの部品からなり、３つの部品の配置方式及び噛合構造により遊星歯車機構の運動特性方程式が決まり、遊星歯車機構のタイプが決定される。従来の遊星歯車機構は円筒歯車遊星歯車機構、かさ歯車（傘歯車、ベベル歯車）遊星歯車機構に大別される。円筒歯車遊星歯車機構は１つの太陽歯車と、１つの内歯車と、遊星歯車を備える遊星キャリヤとを含み、太陽歯車、内歯車、遊星歯車はいずれも円筒歯車である。遊星歯車の層数が１層であるか２層であるかによって円筒歯車遊星歯車機構は単層遊星の遊星歯車機構、二層遊星の遊星歯車機構に分けられる。単層遊星の遊星歯車機構では太陽歯車が遊星歯車に噛合し、遊星歯車は内歯車に噛合する。二層遊星の遊星歯車機構では太陽歯車が内層の遊星歯車に噛合し、内層の遊星歯車は外層の遊星歯車に噛合し、外層の遊星歯車は内歯車に噛合する。かさ歯車遊星歯車機構は２つの中心歯車と、遊星歯車を備える遊星キャリヤとを含み、一般に単層遊星の遊星歯車機構であり、遊星歯車は１層であり、その２つの中心歯車、遊星歯車はいずれもかさ歯車である。左側の中心歯車は遊星歯車に噛合し、遊星歯車は右側の中心歯車に噛合する。太陽歯車及び内歯車はいずれも中心歯車であり、太陽歯車は左側の中心歯車でピッチ円直径が小さい方の中心歯車であり、内歯車は右側の中心歯車でピッチ円直径が大きい方の中心歯車である。本発明では、２つの中心歯車及び遊星歯車を備える遊星キャリヤからなる伝動機械は全て遊星歯車機構であるとされ、一方の中心歯車は遊星歯車に噛合し、複数層の遊星歯車は互いに噛合し又は直接的に接続され、遊星歯車は他方の中心歯車に噛合し、遊星キャリヤは遊星歯車を連れて（連動させて）中心歯車の軸線の周りを回転させ、遊星歯車は公転しつつ自転する。遊星歯車の層数は１層、２層、又は３層である。その例として、太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構で、二層遊星の遊星歯車機構であり、２つの中心歯車（太陽歯車）と、遊星歯車を備える遊星キャリヤとを含み、２つの中心歯車、遊星歯車はいずれも円筒歯車である。各遊星歯車は、左側遊星歯車、右側遊星歯車と呼ばれる同軸の２つの歯車である。左側遊星歯車は左側の中心歯車に噛合し、左側遊星歯車は右側遊星歯車に直接的に接続され、右側遊星歯車は右側の中心歯車に噛合する。左側の中心歯車のピッチ円直径は右側の中心歯車のピッチ円直径と異なり、左側の中心歯車のモジュールは必ずしも右側の中心歯車のモジュールに等しいとは限らない。また例として、内歯車を２つ備える遊星歯車機構で、二層遊星の遊星歯車機構であり、２つの中心歯車（内歯車）と、遊星歯車を備える遊星キャリヤとを含み、２つの中心歯車、遊星歯車はいずれも円筒歯車である。各遊星歯車は左側遊星歯車、右側遊星歯車と呼ばれる同軸の２つの歯車である。左側遊星歯車は左側の中心歯車に噛合し、左側遊星歯車は右側遊星歯車に直接的に接続され、右側遊星歯車は右側の中心歯車に噛合する。左側の中心歯車のピッチ円直径は右側の中心歯車のピッチ円直径と異なり、左側の中心歯車のモジュールは必ずしも右側の中心歯車のモジュールに等しいとは限らない。遊星歯車機構の３つの部品で左側の中心歯車はｚ、遊星キャリヤはｊ、右側の中心歯車はｙとし、左側遊星歯車はｘｚ、右側遊星歯車はｘｙとし、左側の中心歯車の歯数はＺｚ、右側の中心歯車の歯数はＺｙ、左側遊星歯車の歯数はＺｘｚ、右側遊星歯車の歯数はＺｘｙ、左側の中心歯車の回転数はＮｚ、右側の中心歯車の回転数はＮｙ、遊星キャリヤの回転数はＮｊとする。太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構の特性パラメータ、内歯車を２つ備える遊星歯車機構の特性パラメータはいずれもａ＝（Ｚｙ×Ｚｘｚ）／（Ｚｚ×Ｚｘｙ）である。単層遊星の遊星歯車機構の運動特性方程式は全てＮｚ＋ａ×Ｎｙ＝（１＋ａ）×Ｎｊであり、当該運動特性方程式に従う遊星歯車機構であれば、単層遊星の遊星歯車機構である。単層遊星の遊星歯車機構では、遊星キャリヤの制動時に２つの中心歯車の回転方向は逆になる。二層遊星の遊星歯車機構の運動特性方程式は全てＮｚ−ａ×Ｎｙ＝（１−ａ）×Ｎｊであり、当該運動特性方程式に従う遊星歯車機構であれば、二層遊星の遊星歯車機構である。二層遊星の遊星歯車機構では、遊星キャリヤの制動時に２つの中心歯車の回転方向は同じである。太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構は内歯車を２つ備える遊星歯車機構における左側遊星歯車及び右側遊星歯車に直接的に接続され、この２種類の遊星歯車は同軸であり且つ一対一で対応し、この２種類の遊星歯車は回転数が同じであり、ピッチ円直径が異なるため、ピッチ円線速度は異なる。したがって、太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構、内歯車を２つ備える遊星歯車機構はいずれも可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構である。

従来、燃油を動力源とするヘリコプターの伝動システムには減速機及びクラッチを設けなければならない。ヘリコプターによってメインローターの減速機の伝動比は７０ないし１４０であり、当該減速機には多段減速機が用いられ、構造が複雑であり、体積が大きく且つ重量が重い。クラッチには一般に油圧多板摩擦クラッチが用いられ、クラッチは結合する時に動力を伝動することができ、分離する時に動力を伝動せず、メインローターを受動的に自由回転させて緊急着陸を行うことができる。当該２つの装置はそれぞれ独立して設けられるため、ヘリコプターの伝動システムは構造が複雑であり、体積が大きく且つ重量が重い。

本発明は、可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構及びブレーキ(brake)各１つが接続して構成された可変線速度減速クラッチを提供し、減速機、クラッチ（clutch）の両方の機能を併せ持ち、構造がシンプルで体積が小さく重量が軽い。ヘリコプターに伝動システムの改善のために用いられるものである。

本発明の可変線速度減速クラッチ（linear speed reduction clutch）は可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構（changeable linear speed double-layer planet row）及びブレーキ各１つが接続して構成される。前方に動力源が接続され、後方に動力使用装置が接続される。

可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構のそれぞれは２つの中心歯車、遊星歯車を備える遊星キャリヤという３つの部品を有し、本発明で可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構は、２つの中心歯車のピッチ円直径は、近いが等しくないことを特徴とする。本発明では可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の遊星キャリヤは入力端とされ、一方の中心歯車は出力端とされ、他方の中心歯車は制動端とされる。当該入力端は本発明の入力端でもあり、当該出力端は本発明の出力端でもあり、制動端はブレーキに直接的に接続される。可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構には２種類の遊星歯車機構の一つが用いられ、遊星歯車機構で遊星歯車の組数は１組ないし６組である。第１種は太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構であり、太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構が用いられる場合には、当該遊星歯車機構の遊星キャリヤ（１）は入力端（４）とされ、左側の中心歯車（２）は出力端（５）とされ、右側の中心歯車（３）は制動端とされ、制動端はブレーキ（６）に直接的に接続される（図１参照）。第２種は内歯車を２つ備える遊星歯車機構である。内歯車を２つ備える遊星歯車機構が用いられる場合には、当該遊星歯車機構の遊星キャリヤ（１）は入力端（４）とされ、左側の中心歯車（２）は出力端（５）とされ、右側の中心歯車（３）は制動端とされ、制動端はブレーキ（６）に直接的に接続される（図２参照）。

ブレーキは従来の成熟した技術であり、ブースト式ブレーキ（booster brake）、電気制御ブレーキ等があり、少なくとも制動、非制動の２つの状態を有し、制御システムに制御されていずれかの状態になる。図面では、ブレーキは片端が接地されたクラッチとして符号で表示されている。

本発明の可変線速度減速クラッチでは入力端は動力源に接続され、出力端は動力使用装置に接続され、ブレーキは制御システムによって制御される。

本発明で可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の設定方法は次のとおりである。遊星歯車機構の特性パラメータａは１．０に近く１．０ではないように設定し、即ち２つの中心歯車のピッチ円直径は近いが等しくないことであり、具体的には、ａは０．８〜１．２５であり、且つ１．０ではないことである。ａの値は所望の減速伝動比によって決まる。即ち、ａ＝右側の中心歯車の歯数×左側遊星歯車の歯数／（左側の中心歯車の歯数×右側遊星歯車の歯数）において、ａは０．８〜１．２５であり、且つ１．０ではないとする。歯車の歯数がゼロ以外の自然数であるため、ａの値の範囲は非連続的なものである。右側の中心歯車の歯数、左側の中心歯車の歯数、右側遊星歯車の歯数、左側遊星歯車の歯数の組み合わせは実施例１、実施例２を参照する。右側の中心歯車の歯数、左側の中心歯車の歯数、右側遊星歯車の歯数、左側遊星歯車の歯数の組み合わせごとに、ａの値が得られ、ａの値が１．０に近いほど、減速伝動比は大きい。減速伝動比は１／（１−ａ）であり、減速伝動比の値の範囲は非連続的なものである。伝動比が正の値である場合には、入力端と出力端の回転方向は同じである。伝動比が負の値である場合には、入力端と出力端の回転方向は逆になる。本発明では、遊星歯車機構の設定方法において数値で遊星歯車機構の特性パラメータを示すが、遊星歯車機構の特性パラメータは実質的には遊星歯車機構の各部品の歯数及び構造の設定に関する説明である。当業者は以下のように理解できる。遊星歯車機構の特性パラメータの設定は、遊星歯車機構の歯数及び構造の設定に対応し、結果的には可変線速度減速クラッチの構造設定に対応する。

本発明の使用方法は次のとおりである。制御ブレーキが制動状態である時に、入力端から動力回転数を入力し、減速伝動比で減速伝動して出力端に出力し、入力端は主動端であり、出力端は受動端である。入力端と出力端がクラッチの結合状態に相当する。制御ブレーキが非制動状態である時に、制動端は自由になり、入力端から動力回転数を入力し、出力端からヘリコプターのローター等の動力使用装置の受動回転の回転数を逆に入力し、入力端及び出力端は主動端になり、制動端は受動端になる。動力回転数が減速伝動により出力端に出力することはできず、出力端は動力使用装置に連れられて自由に回転し、入力端と出力端がクラッチの分離状態に相当する。ブレーキ制動はクラッチの結合状態に相当し、ブレーキ非制動はクラッチの分離状態に相当する。

本発明において前記接続は直接的な接続及び間接的な接続に分けられ、直接的な接続の場合は接続に関わる各部品の回転数は同じであり、間接的な接続の場合は接続に関わる各部品の回転数には確定した比例関係がある。本発明で接続とは、直接的な接続又は間接的な接続を用いることである。前記動力源とは、燃油モータ、電気モータ等モータ、又はモータに続く伝動装置等である。動力源は入力端に接続されれば、動力回転数を入力することができる。動力使用装置は出力端に接続され、動力出力を受ける装置であり、例えば、ローター、プロペラ等、又はローターもしくはプロペラの前の駆動軸、伝動装置等である。

本発明の可変線速度減速クラッチは次の利点を有する。本発明は可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構及びブレーキ各１つが接続して構成されたもので、可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の設定方法、本発明の使用方法を提供した。多段減速機、クラッチがそれぞれ独立して設けられた従来のヘリコプターの伝動システムと比べ、本発明は減速機、クラッチの両方の機能を持ち、構造がシンプルで体積が小さく重量が軽いため、ヘリコプターの伝動システムを改善できる。

図１は太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構を用いる可変線速度減速クラッチの模式図である。１は遊星キャリヤであり、２は左側の中心歯車であり、３は右側の中心歯車であり、４は入力端であり、５は出力端であり、６はブレーキである。 図２は内歯車を２つ備える遊星歯車機構を用いる可変線速度減速クラッチの模式図である。１は遊星キャリヤであり、２は左側の中心歯車であり、３は右側の中心歯車であり、４は入力端であり、５は出力端であり、６はブレーキである。

各図中、各遊星歯車機構は当技術分野の共通認識に基づいて全体の半分の模式図として示され、各部品については構造上の関係を示しているが、実際の寸法を反映したものではない。

（実施例１）
太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構を用いる可変線速度減速クラッチであり、可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構及びブレーキ各１つが接続して構成される。ヘリコプターのテールロータープロペラの伝動システムで減速機及びクラッチの両方として機能し、テールロータープロペラは開発中の高速ヘリコプター用テールローターである。

可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構には太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構が用いられ、遊星歯車機構で遊星歯車の組数は２組であり、当該遊星歯車機構の遊星キャリヤ（１）は入力端（４）とされ、左側の中心歯車（２）は出力端（５）とされ、右側の中心歯車（３）は制動端とされ、制動端はブレーキ（６）に直接的に接続される（図１参照）。

ブレーキはブースト式ブレーキであり、制動、非制動の２つの状態を有し、制御システムに制御されていずれかの状態になる。

入力端は動力源になるモータに接続され、出力端は動力使用装置になるヘリコプターのテールロータープロペラ前の伝動軸に接続され、ブレーキは制御システムによって制御される。

可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の設定方法は次のとおりである。特性パラメータａは１．０に近く、且つ１．０ではないように設定し、ａは０．８〜１．２５であり、且つ１．０ではないとする。ａの値は所望の減速伝動比によって具体的に決まり、本実施例では、所望の減速伝動比は４０である。したがって、ａ＝３９／４０＝右側の中心歯車の歯数×左側遊星歯車の歯数／（左側の中心歯車の歯数×右側遊星歯車の歯数）＝１８×２６／（２０×２４）と設定する。具体的には、右側の中心歯車の歯数は１８であり、左側の中心歯車の歯数は２０であり、右側遊星歯車の歯数は２４であり、左側遊星歯車の歯数は２６であり、左側の中心歯車のモジュールは右側の中心歯車のモジュールと異なるように設定する。減速伝動比は１／（１−ａ）で４０であり、入力端と出力端の回転方向は同じである。

本実施例の使用方法は次のとおりである。制御ブレーキが制動状態である時に、入力端から動力回転数を入力し、減速伝動比、即ち４０で減速伝動して出力端に出力し、入力端は主動端であり、出力端は受動端である。入力端と出力端がクラッチの結合状態に相当する。制御ブレーキが非制動状態である時に、制動端は自由になり、入力端から動力回転数を入力し、出力端から動力使用装置の受動回転の回転数を逆に入力し、入力端及び出力端は主動端になり、制動端は受動端になる。動力回転数は減速伝動により出力端に出力することはできず、出力端は動力使用装置に連れられて自由に回転し、入力端と出力端がクラッチの分離状態に相当する。ブレーキ制動はクラッチの結合状態に相当し、ブレーキ非制動はクラッチの分離状態に相当する。

本実施例はヘリコプターのテールロータープロペラの伝動システムに用いる場合に、減速機及びクラッチの両方の機能を持ち、当該テールロータープロペラは場合によって動力を伝達するか、動力を断ち切って自由に回転するかを選択できる。多段減速機、クラッチがそれぞれ独立して設けられた従来のヘリコプターのテールロータープロペラの伝動システムと比べ、本実施例は構造がシンプルで体積が小さく重量が軽いため、伝動システムを改善できる。

（実施例２）
内歯車を２つ備える遊星歯車機構を用いる可変線速度減速クラッチであり、可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構及びブレーキ各１つが接続して構成される。ヘリコプターのメインローターの伝動システムで減速機及びクラッチの両方として機能する。

可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構には内歯車を２つ備える遊星歯車機構が用いられ、遊星歯車機構で遊星歯車の組数は２組であり、当該遊星歯車機構の遊星キャリヤ（１）は入力端（４）とされ、左側の中心歯車（２）は出力端（５）とされ、右側の中心歯車（３）は制動端とされ、制動端はブレーキ（６）に直接的に接続される（図２参照）。

ブレーキはブースト式ブレーキであり、制動、非制動の２つの状態を有し、制御システムに制御されていずれかの状態になる。

入力端は動力源になるモータに接続され、出力端は動力使用装置になるヘリコプターのメインローター前の伝動軸に接続される。ブレーキは制御システムによって制御される。

可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の設定方法は次のとおりである。特性パラメータａは１．０に近く、且つ１．０ではないように設定し、ａは０．８〜１．２５であり、且つ１．０ではないとする。ａの値は所望の減速伝動比によって具体的に決まり、本実施例では、所望の減速伝動比は１００である。しがって、ａ＝９９／１００＝右側の中心歯車の歯数×左側遊星歯車の歯数／（左側の中心歯車の歯数×右側遊星歯車の歯数）＝５４×２２／（６０×２０）と設定する。具体的には、右側の中心歯車（内歯車）の歯数は５４であり、左側の中心歯車（内歯車）の歯数は６０であり、右側遊星歯車の歯数は２２であり、左側遊星歯車の歯数は２０であり、左側の中心歯車のモジュールは右側の中心歯車のモジュールと異なる。減速伝動比は１／（１−ａ）で１００であり、入力端と出力端の回転方向は同じである。

本実施例の使用方法は次のとおりである。制御ブレーキが制動状態である時に、入力端から動力回転数を入力し、減速伝動比、即ち１００で減速伝動して出力端に出力し、入力端は主動端であり、出力端は受動端である。入力端と出力端がクラッチの結合状態に相当する。制御ブレーキが非制動状態である時に、制動端は自由になり、入力端から動力回転数を入力し、出力端から動力使用装置の受動回転の回転数を逆に入力し、入力端及び出力端は主動端になり、制動端は受動端になる。減速伝動により動力回転数を出力端に出力することはできず、出力端は動力使用装置に連れられて自由に回転し、入力端と出力端がクラッチの分離状態に相当する。ブレーキ制動はクラッチの結合状態に相当し、ブレーキ非制動はクラッチの分離状態に相当する。

本実施例はヘリコプターのメインローターの伝動システムに用いる場合に、減速機及びクラッチの両方の機能を持ち、当該メインローターは場合によって動力を伝達するか、動力を断ち切って自由に回転することができる。多段減速機、クラッチがそれぞれ独立して設けられた従来の伝動システムと比べ、本実施例は構造がシンプルで体積が小さく重量が軽いため、伝動システムを改善できる。

本明細書では本発明の基本原理、主な特徴及び利点を記載し、それらを説明している。当業者は以下のように理解すべきである。本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨や範囲から逸脱していなければ様々な変化と改善が可能であり、これらの変化や改善も本発明の保護範囲に入るものである。本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲及び均等的な内容によって定義される。

Claims (3)

1. 可変線速度減速クラッチであって、
   一つの可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構、及び、一つのブレーキが接続して構成され、
   減速機及びクラッチの両方の機能を持つ伝動機械であり、
   可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構では２つの中心歯車のピッチ円直径は近いが等しいものではなく、
   可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の遊星キャリヤは入力端とされ、
   一方の中心歯車は出力端とされ、他方の中心歯車は制動端とされ、
   前記入力端は本発明の入力端でもあり、前記出力端は本発明の出力端でもあり、
   制動端はブレーキに直接的に接続され、可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構には２種類の遊星歯車機構の一つが用いられ、
   ブレーキはブースト式ブレーキ、電気制御ブレーキ等であり、少なくとも制動、非制動の２つの状態を有し、制御システムに制御されていずれかの状態になり、
   可変線速度減速クラッチの入力端は動力源に接続され、出力端は動力使用装置に接続され、ブレーキは制御システムによって制御され、
   可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構の設定方法は、遊星歯車機構の特性パラメータａは０．８〜１．２５であり、且つ１．０ではないこと、即ち、
   ａ＝右側の中心歯車の歯数×左側遊星歯車の歯数／（左側の中心歯車の歯数×右側遊星歯車の歯数）に対し、ａは０．８〜１．２５であり、且つ１．０ではないとすることであり、
   右側の中心歯車の歯数、左側の中心歯車の歯数、右側遊星歯車の歯数、左側遊星歯車の歯数の組み合わせごとに、ａの値が得られ、ａの値が１．０に近いほど、減速伝動比は大きく、
   使用方法は、制御ブレーキが制動状態である時に、入力端から動力回転数を入力し、減速伝動比で減速伝動して出力端に出力し、入力端は主動端であり、出力端は受動端であり、入力端と出力端がクラッチの結合状態に相当し、
   制御ブレーキが非制動状態である時に、制動端は自由になり、入力端から動力回転数を入力し、出力端から動力使用装置の受動回転の回転数を逆に入力し、入力端及び出力端は主動端になり、制動端は受動端になり、動力回転数を減速伝動により出力端に出力することはできず、出力端は動力使用装置に連れられて自由に回転し、入力端と出力端がクラッチの分離状態に相当し、ブレーキ制動はクラッチの結合状態に相当し、ブレーキ非制動はクラッチの分離状態に相当することを特徴とする、前記可変線速度減速クラッチ。
2. 可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構には太陽歯車を２つ備える遊星歯車機構が用いられ、前記遊星歯車機構の遊星キャリヤは入力端とされ、左側の中心歯車は出力端とされ、右側の中心歯車は制動端とされ、制動端はブレーキに直接的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の可変線速度減速クラッチ。
3. 可変線速度の二層遊星の遊星歯車機構には内歯車を２つ備える遊星歯車機構が用いられ、前記遊星歯車機構の遊星キャリヤは入力端とされ、左側の中心歯車は出力端とされ、右側の中心歯車は制動端とされ、制動端はブレーキに直接的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の可変線速度減速クラッチ。

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