JP3859643B2 - 軸受ジャーナル - Google Patents

Description

本発明は、変速機に関し、より詳細には、ギアターボファンエンジンに関する。

高バイパスターボファンエンジンにおいては、タービンは、減速ギア装置を通してファンを駆動するのが有利である。これによって、タービンは、タービン効率のよい相対的に速い速度で作動できると同時に、いっそうより大きな直径のファンは、ファン効率のよい相対的に遅い速度で作動する。可能なギア装置は、遊星ギア装置を含む。例示的な遊星ギア構成では、タービンシャフトが、太陽ギアを直接駆動する。多数の遊星ギアが、エンジンナセルまたはエンジンが取り付けられている他の周囲構造に対して回転しないリングギアと太陽ギアの間で噛み合わされる。ファンは、遊星ギアを保持するキャリアケージにより直接駆動される。一般に、（ａ）周囲構造に対してタービンシャフトおよび太陽ギアを支持するため、および、（ｂ）キャリアに対して遊星ギアを回転可能に支持するために、軸受が備えられる。前者は、通常、回転要素軸受であるのに対して、後者は、ジャーナル軸受が有利である。ジャーナル軸受は、小型さと負荷支持能力との間で有利なバランスを与えることができる。
米国特許第５，４６６，１９８号明細書 米国特許第５，１０２，３７９号明細書

通常の構成では、各ジャーナルの第１の端部および第２の端部（参照を容易にするために前部および後部とする）は、キャリアの前部および後部に取り付けられる。基本的な構成では、この前部および後部は、ジャーナルにより互いに結合された別々のプレートであり、前部プレートは、そして次に、ファンに結合される。負荷が掛かると、後部プレートに対して前部プレートにねじり力によるねじれが生じ、ジャーナル軸が、エンジン軸との平行から外れてねじれることがあり得る。この位置合わせ不良は、米国特許第５，４６６，１９８号において言及されているように、ギアに損傷を与え得るが、この米国特許第５，４６６，１９８号の開示は、あたかもその全体が詳細に述べられているかのように、参照することによってここに組み込まれる。‘１９８号特許は、キャリアねじれを防止するのにトルクフレーム装置を使用することを教示している。あるいは、米国特許第５，１０２，３７９号は、ジャーナルの前面および後面にアンダーカットまたは環状区画が存在して、ジャーナル中心線に対するジャーナル軸受面の末端部が曲がるのが可能となって、少なくとも部分的にジャーナル上への径方向負荷に適合することを、教示している。

従って、本発明の一態様は、遊星ギアキャリアが、第１の側面と第２の側面において遊星ギアジャーナルをそれぞれ支持する第１の部分と第２の部分を有する、遊星ギア式変速機を含む。各ジャーナルは、第１の外側リムと第２の外側リムの間に延びる外側部分と、第１の端部と第２の端部の間に延びる内側部分とを有する。移行部分は、内側部分と外側部分とを連結しており、第１の方向および第２の方向に開いた第１の区画および第２の区画の基部をそれぞれ形成する第１の端部と第２の端部とを有する。これらの区画は、互いに非対称である。有利なことには、この非対称が、キャリアねじれに応じてジャーナル潤滑剤膜厚を制御するように機能する。

本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細が、添付の図面と以下の説明に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、この説明と図面、および請求項から明らかであろう。

さまざまな図面中の同様の参照番号および符号は、同様の要素を示す。

図１は、ロータシャフトアッセンブリ２４を含むメインハウジング２２を有するギアターボファンエンジン２０を示す。例示的なエンジンは、高バイパスターボファンである。そのようなエンジンでは、コア（例えば、圧縮機セクションおよび燃焼室）の外側を流れる空気質量のコアを通過する空気質量に対する通常巡航条件比（バイパス比）は、一般に４．０を上回り、より狭くは、通常４．０と８．０の間にある。シャフトアッセンブリ２４の高圧シャフト部分および低圧シャフト部分を介して、高圧タービンセクション２５および低圧タービンセクション２６が、高圧圧縮機セクション２８および低圧圧縮機セクション３０を駆動する。エンジンは、長手軸５００に沿って前部から後部へと延びている。前部に隣接して、シュラウド４０が、ファン４２を取り囲み、ベーン４４により支持されている。ロータシャフトアッセンブリ２４の低圧シャフト部分は、減速変速機４６を通してファン４２を駆動する。例示的な減速変速機は、遊星ギア装置である。

図２は、変速機４６の詳細を概略示す。ロータシャフトアッセンブリの前部は、太陽ギア５２に結合されている。外歯太陽ギアは、ハウジング２２に対して実質的に回転しないように取り付けられている内歯リングギア５４により取り囲まれる。多数の外歯遊星ギア５６が、遊星ギアおよびリングギアの間にこれらに噛み合うように配置される。

ケージまたは遊星キャリアアッセンブリ６０が、遊星ギアを、付随するジャーナル６２を介して支持する。ジャーナルは、付随する遊星ギアの内部ボア面６６内にぴったりと適合する周方向表面部６４を有する。減速比は、太陽ギアに対するリングギアの直径の比により決定される。この比は、与えられたリング内の遊星ギアの最大数を実質的に決定するものである。遊星ギアの実際の数は、安定性および応力／負荷分配を考慮して決定されることになる。例示的な減速比は、２：１から１３：１である。遊星ギアの例示的な数は、３から１１である。図２は、太陽ギア５２周りの５つの遊星ギア５６の等間隔の配置を示す。

図３および図４は、例示的なキャリア６０とジャーナルまたはピン６２のさらなる構造の詳細を示す。例示的なジャーナルは、中央セクション７０と、この中央セクション７０の端部から延びているシャフトセクション７２および７４との一体の組み合わせを備える。表面部６４は、中央セクション７０に沿って形成される。中心ボア８０は、シャフトセクション７２および７４の外側端部から内向きに延びることができる。シャフトセクション７２および７４の末端部は、ナット８６および８８を介してキャリアプレート８２および８４に取り付けられている。図４は、負荷の掛かったジャーナルおよびキャリアを示す（負荷の掛かっていない状態は、破線で示す）。代替として説明すれば、シャフトセクションと中央セクションの内側部分とは、シャフトセクションの末端部間に延びるジャーナルの内側部分を形成する。表面部６４へと延びる中央セクションの外側部分は、ジャーナルの外側部分を形成し、中央セクションの径方向中間部分は、内側部分と外側部分の間の移行部分を形成する。さらに、図４は、ジャーナル間に交互に配置された複数のウェブ９０の１つにより連結されたキャリアプレート８２および８４を示す。ジャーナルと共にウェブは、キャリアプレート間のねじれ結合を提供する。例示的な実施態様では、第１のキャリアプレート８２は、メインまたは負荷プレートであり、このプレートは、例示的なエンジン実施態様では、ファンに結合される。第２のプレート８４は、自由または無負荷である。従って、第１のプレート８２は、一般に、より頑丈であり、ファンに結合するための構成要素９２を備える。

図３に戻ると、中央セクション７０とその表面部６４は、中央セクションのそれぞれ第１の端部および第２の端部にある第１のリム９４から第２のリム９６へと延びている。第１の環状区画または溝１００および第２の環状区画または溝１０２が、中央セクション７０の各カラー（断面で見れば翼）部分１０４および１０６と各シャフトセクション７２および７４との間に第１の端部および第２の端部から長手方向内向きに延びる。溝は、各付随するリムに対して溝深さＬ₁およびＬ₂を規定する長手方向最内側部分または基部１０８および１１０を有する。例示的な実施態様では、溝は、直径Ｄ₁およびＤ₂を有する付随するシャフトの概略円筒部分により実質的に形成された径方向内側面を有する。径方向外側面１２０および１２２は、概略円錐台形であり、溝基部において内側面への凹状移行部を有する。外側面は、内側面および中心長手軸５１０に対して例示的な角度θ₁およびθ₂にある。さらに参照すると、溝基部は、中央セクション７０の横断中心面５１２からそれぞれ距離Ｌ₃およびＬ₄にある。例示的な実施態様では、溝基部１０８および１１０は、それぞれ断面曲率半径Ｒ₁およびＲ₂を有する。これらの半径は、一定または変わり得る。

例示的な実施態様では、溝は、非対称である。これは、特定されたパラメータまたは他の形状因子の１つまたは複数における非対称を含み得る。例示された実施態様では、深さＬ₁は、深さＬ₂より実質的に大きくなっている。これらの深さの例示的な比は、１．３：１から５：１（より狭くは、１．５：１から３：１）である。例示的な構成では、直径Ｄ₁およびＤ₂は、１．４２インチ（３６．０６８ｍｍ）であり、中心ボア直径は、０．６８インチ（１７．２７２ｍｍ）である。軸受面６４は、１．１１インチ（２８．１９４ｍｍ）の半径であり、２．３６インチ（５９．９４４ｍｍ）の長さを有する。溝深さＬ₁およびＬ₂は、それぞれ、０．８１インチ（２０．５７４ｍｍ）および０．４３インチ（１０．９２２ｍｍ）である。曲率半径Ｒ₁およびＲ₂は、それぞれ、０．１０インチ（２．５４ｍｍ）および０．１５インチ（３．８１ｍｍ）である。面９４および９６の内側半径は、それぞれ、１．１１インチ（２８．１９４ｍｍ）および１．０７インチ（２７．１７８ｍｍ）である。角度θ₂は、ほぼ一定の１２°であり、一方、角度θ₁は、内側１２°部分と外側２０°部分の間でほぼ中程で分割されており、それによって、面１２０は、実質的に双円錐台形となる。カラー部分の厚み形状および溝深さにおけるこれらの非対称によって、中央セクションのカラー部分および溝内のシャフトセクションの部分を含む装置の部分の負荷特性（例えば、可撓性）の制御が可能となる。キャリア特性および遊星ギア特性を考慮して（またはこれらと組み合わせて）、非対称は、有利な特性パラメータを与えるように最適化される。注目に値するパラメータは、負荷、特に、キャリアねじれに通常付随する最大高出力（例えば、離陸）負荷の掛かった特性を含む。

図４は、負荷の掛かったジャーナルおよびキャリアの（軸５００に対する）径方向の長手方向断面の変形を示す。ジャーナル上の負荷は、力の複雑な組み合わせに相当する。これらは、遊星ギアからの局所的な膜圧とトルク伝達に付随するギアの力とにより生じるビーム曲げ効果を含むように通常検討される。従来技術の２つの対称な溝の存在は、前者に対処する傾向があり、一方、後者は、トルクフレームの使用を介して通常対処される。本発明の非対称は、ねじれに対処するトルクフレームなしで使用できる。例示された実施態様では、第１の溝のより大きな深さが、第１のシャフトセクション７２に沿ってねじれを集中させる傾向がある。非対称による望ましい結果は、与えられた作動条件下（過渡状態であろうと定常状態であろうと）で目標とする臨界値の上に面６４と係合遊星ギア面との間の最小潤滑剤膜厚を維持することである。従って、上述したように、遊星ギアとキャリアの両方の特性が、ジャーナル特性の最適化に関連し得る。

種々のジャーナル構造が、知られているとともに開発でき、本発明の原理は、そのようなさまざまなジャーナルに適用できる。例えば、本発明の原理により設計されたジャーナルは、既存のジャーナルのための差し込み式の代替品として使用でき、この場合は、それらの構成は、既存の変速機の残りの部分によって影響され得る。

ジャーナルおよびギアは、鋼から通常製造される。両方とも、一般に浸炭により表面硬化された同じ鋼から製造され得る。通常使用される鋼としては、ＡＭＳ６２６５およびＡＭＳ６３０８が挙げられる。例示的な実施態様では、面６６は、軟金属被覆などの軸受材料で形成または被覆される。例示的な実施態様では、面６４は、潤滑被覆で被覆される。被覆は、固体膜被覆材料が有利である。

所望の変形を達成するパラメータの最適化は、変速機設計の実施態様に対して繰り返し解決され得る。そのような実施態様は、実際の変速機またはエンジン、部分的変速機、または、シミュレーションの目的で適切な大きさとされた模型などの物理的な実施態様とすることができ、あるいは、計算機シミュレーションの形態とすることもできる。このような繰り返し設計処理においては、予想される条件下の与えられたジャーナル形状寸法に対して、膜厚や他の要因に対する影響の結果が観測される。溝非対称のパラメータは、変わり得るし、要因が特定の所望の範囲内に含まれるまでシミュレーションは繰り返される。

本発明の１つまたは複数の実施態様を記載した。それにもかかわらず、理解されるように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変形を行い得る。例えば、アッセンブリは、個々の部品に置き換えることができ、また、逆の場合も同様である。原理は、さまざまな既存のエンジンおよび変速機と、なお開発されるエンジンおよび変速機との両方に適用され得る。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲内にある。

ギアターボファンエンジンの長手方向概略図である。 図１のエンジンの変速機の概略横断切欠図である。 図２の変速機のジャーナルの長手方向略模式断面図である。 負荷が掛かったジャーナルおよびキャリアの変形した長手方向径方向断面図である。

符号の説明

２０…ギアターボファンエンジン
２４…ロータシャフトアッセンブリ
２５…高圧タービンセクション
２６…低圧タービンセクション
４２…ファン
４６…変速機
５２…太陽ギア
５４…リングギア
５６…遊星ギア
６０…キャリア
６２…ジャーナル
６４…表面部
７０…中央セクション
７２、７４…シャフトセクション
８２、８４…キャリアプレート
９０…ウェブ
９４…第１のリム
９６…第２のリム
１００…第１の環状区画
１０２…第２の環状区画
１０８、１１０…基部
５１０…中心長手軸

Claims (10)

1. 太陽ギアと、
   太陽ギアと噛み合う複数の遊星ギアと、
   遊星ギアを取り囲むとともに遊星ギアと噛み合うリングギアと、
   各ジャーナルが、互いに逆向きの第１の方向と第２の方向を規定する中心長手軸を有し、かつ、遊星ギアの少なくとも付随する１つを支持する、複数のジャーナルと、
   遊星ギアの第１の側面と第２の側面においてジャーナルをそれぞれ支持する第１の部分と第２の部分を有する、ギアキャリアと、
   を備える遊星ギア式変速機であって、各前記ジャーナルは、
   第１の外側リムから第２の外側リムへ延びる外側部分と、
   第１の端部から第２の端部へ延びる内側部分と、
   内側部分と外側部分とを連結する移行部分と、
   を有し、移行部分は、第１の方向および第２の方向に開いた第１の区画および第２の区画の基部をそれぞれ形成する第１の端部と第２の端部とを有し、第１の区画と第２の区画は、互いに非対称である、ことを特徴とする遊星ギア式変速機。
2. 前記複数のジャーナルは、第１のギアキャリア部分と第２のギアキャリア部分の間にねじれ結合の一部分を提供することを特徴とする請求項１記載の変速機。
3. 前記第２の区画は、第１の区画より深いことを特徴とする請求項１記載の変速機。
4. 前記ギアキャリアは、トルクフレームを有していないことを特徴とする請求項１記載の変速機。
5. タービンと、
   ファンと、
   タービンをファンに結合し、タービンが減速してファンを駆動するのを可能とする、請求項１記載の変速機と、
   を備えることを特徴とするターボファンエンジン。
6. 互いに逆向きの第１の方向と第２の方向を規定する中心長手軸と、
   第１の外側リムから第２の外側リムへ延びる外側部分と、
   第１の端部から第２の端部へ延びる内側部分と、
   内側部分と外側部分とを連結する移行部分と、
   を有する、遊星ギア式変速機において遊星ギアを支持するためのジャーナルであって、移行部分は、第１の方向および第２の方向に開いた第１の区画および第２の区画の基部をそれぞれ形成する第１の端部と第２の端部とを有し、第１の区画と第２の区画は、互いに非対称である、ことを特徴とするジャーナル。
7. 前記第１の区画および第２の区画は、連続した環状溝であることを特徴とする請求項６記載のジャーナル。
8. 前記第１の区画は、第１の外側リムからの第１の深さを有し、第２の区画は、第２の外側リムからの第２の深さを有し、この第２の深さは、第１の深さより大きいことを特徴とする請求項６記載のジャーナル。
9. 遊星ギア装置内の遊星ギア支持軸受ジャーナルの設計を最適化して、キャリアねじれに付随する所望の遊星ギア−ジャーナル間潤滑剤膜厚を提供する方法であって、遊星ギア装置は、太陽ギアと、太陽ギアと噛み合う複数の遊星ギアと、遊星ギアを取り囲むとともに遊星ギアと噛み合うリングギアと、各ジャーナルが、互いに逆向きの第１の方向と第２の方向を規定する中心長手軸を有し、かつ、遊星ギアの少なくとも付随する１つを支持する、複数のジャーナルと、遊星ギアの第１の側面と第２の側面においてジャーナルをそれぞれ支持する第１の部分と第２の部分を有する、ギアキャリアと、を備えており、該方法は、
   予め決められた作動条件下の設計の実施態様においてキャリアねじれを誘導し、
   キャリアねじれに付随する潤滑剤膜厚を観測し、
   さらに、特定の修正された設計に付随する潤滑剤膜厚が、所望の範囲内に含まれるまで、
   ジャーナルの前面と後面とが互いに非対称となる長手方向非対称の少なくとも１つのジャーナル形状寸法パラメータを変更することにより設計を修正し、
   修正された設計の実施態様においてキャリアねじれを誘導し、
   キャリアねじれに付随する修正された設計の実施態様の潤滑剤膜厚を観測する、
   ことを繰り返す、
   ことを含むことを特徴とする方法。
10. 前記変更することは、
    ジャーナルの軸受面の径方向内側にかつ長手方向内向きに延びる第１の溝および第２の溝の相対的な深さを変更すること、
    ジャーナル内の第１の溝および第２の溝の径方向内側の第１のジャーナルシャフトセクション部分および第２のジャーナルシャフトセクション部分の相対的な直径を変更すること、および
    ジャーナル内の第１の溝および第２の溝の径方向外側の第１のジャーナルカラー部分および第２のジャーナルカラー部分の厚み形状を変更すること、
    のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。

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