JP5214897B2 - 遊星歯車列、一体型太陽歯車および継手システム、ならびに一体型継手システム構築方法 - Google Patents

Description

本発明は遊星歯車列に関する。より詳細には、本発明は、歯車システムの部品の信頼性および耐久性を向上させるように、太陽歯車を回転シャフトに可撓的に連結する継手システムに関する。本発明は、信頼性、耐久性および簡単であることが望まれる航空機のエンジンに有用である。

遊星歯車列は、２つの回転シャフトの間の回転速度を減少または増大させる機械構造である。小型の遊星歯車列は、空間が貴重である航空機エンジンの使用に適している。

遊星歯車列を介して伝達される力およびトルクは、歯車列の部品に著しい応力を与えるため、理想的な条件下でさえ、上記部品は断裂、摩耗しやすくなる。実際には、条件は理想から離れていることが多いため、歯車部品にさらに多くの応力がかかってしまう。例えば、太陽歯車、プラネットキャリヤおよびリングギアの長手方向軸は、太陽歯車を回転させる外部シャフトの長手方向軸と同軸であることが理想的である。しかし、回転するハードウェアにおける不均衡、製造上の不完全性、航空機の移動によるシャフトや支持フレームの過渡的な撓みなど多くの要因のために、完璧または理想的な同軸状の整合（アライメント）はまれである。結果生じる平行および角度的な不整合により、歯車の歯、遊星歯車をキャリア内で支持する軸受およびキャリア自体に、モーメントと力が加わる。加えられる力およびモーメントにより、歯車部品の摩耗が加速して、運転中に部品が破損する可能性が増加してしまう。部品の摩耗が加速することにより、点検および部品交換を頻繁に行うことが必要となり、エンジンや航空機の運転が非経済的になってしまう。

部品断裂の危険性は、歯車列の部品を大型化、したがって、より強くすることによって低減され得る。寸法が増大することにより、対応する大きな表面にわたって伝達される力が分配されるため、摩耗が低減される。しかし、寸法を増大させることにより、航空機エンジンの使用に有利となる遊星歯車列のコンパクトさが相殺されてしまうとともに、重量が増大してしまうため望ましくない。高強度材料および耐摩耗性コーティングの使用も有利ではあるが、歯車列のコストが上昇してしまうため、あまり望ましくない。

また、不整合による応力は、歯車列を、回転シャフトや非回転支持体などの外部機器に連結するために可撓性の継手を用いることによって低減され得る。例えば、太陽歯車を駆動シャフトに連結する可撓性の継手は、可撓性であるため、駆動シャフトの軸が完全に整合された配向に対して傾斜またはずれている場合でさえ、太陽歯車は、かみ合う遊星歯車に対して概ね理想的な配向で維持される。しかし、従来技術の継手の多くは、潤滑を必要とし、それ自体が摩耗の影響を受けやすい多数の部品を備える。また、従来の継手は、長手方向軸に対するねじれに関して、高トルクの用途に有利となる適切な剛性および強度を備えていない。また、不整合は、スプライン型の接合により対応され得る。しかし、スプライン接合において接触するスプライン歯間で生じる動きによって、非常に変わりやすい摩擦が生じるとともに、前記接合の可撓性が不定となる。

上記のような欠陥を鑑み、不整合に対応するとともに、遊星歯車列の部品を外部機器に連結する簡単で、信頼性のある継手システムが要求されている。

本発明は、シャフトによって駆動される遊星歯車列であって、太陽歯車と、リングギアハウジングに固定されたリングギアと、プラネットキャリヤに回転可能に取り付けられるとともに太陽歯車およびリングギアにかみ合う複数の遊星歯車と、継手システムと、備える。継手システムは、太陽歯車をシャフトに接続する太陽歯車継手を備え、この太陽歯車継手は、太陽歯車とシャフトとの間の不整合に適合する非可撓性のスピンドルに連結された少なくとも１つの波状の可撓セクションを有し、この波状の可撓セクションは、外部縁部部材により連結された２つの概して平行な内部壁を備える。

図１は、従来既知の典型的なタービンエンジン１０を示し、このエンジン１０は、主要部品として１つまたは複数の圧縮機１２，１４と、該圧縮機に動力を与える１つまたは複数のタービン１６，１８と、燃焼室２０と、ファン２２と、主排気２４と、ファン排気ノズル２６と、を備える。シャフト２８，３０などの動力伝達機構は、対応する圧縮機１２，１４を駆動するように各タービン１６，１８から延びている。圧縮機１２，１４の一方の回転運動は、遊星歯車列３２によってファン２２に伝達される。遊星歯車列３２は、圧縮機の回転速度を、効率的なファン２２の運転に適した速度へと減速する。主要なエンジン部品は、理想的には長手方向の中心軸３４と同軸である。

図２は、図１の遊星歯車列の一体型の継手（カップリング）システム４０の断面の立面図であり、エンジン１０に対する関係を示している。一体型の継手システム４０は、長手方向の中心軸３４を中心に回転する非可撓性のスピンドル４２と、少なくとも１つの波状の可撓セクション４４と、を含む。

また、図２には、圧縮機駆動シャフト２８、遊星歯車４６、リングギア４８、リングギアハウジング５０、リングギア継手（カップリング）５２および一体型の太陽歯車５６が図示されている。圧縮機駆動シャフト２８の前方端は、スプライン５４によって一体型継手システム４０の後方端に連結される。一体型の太陽歯車５６は、かみ合い（メッシュ）５８を介して遊星歯車４６と係合する。従って、駆動シャフト２８の回転運動は、複数の遊星歯車４６とかみ合っている太陽歯車５６に伝達される。遊星歯車４６の各々は、ジャーナルピン６４や他の適当な軸受でプラネットキャリヤ６２内に回転可能に取り付けられるため、一体型太陽歯車５６の回転運動により、各遊星歯車４６が長手方向の軸６６を中心に回転する。また、各遊星歯車４６は、かみ合い６０を介してリングギア４８とかみ合う。リングギア４８は、リングギアハウジング５２内に設けられている。

一実施態様において、リングギア継手は、リングギアの回転を防止するように、リングギアハウジング５０を機械的部分（グラウンド）に連結する。遊星歯車４６が、回転しないリングギア４８と、回転する一体型太陽歯車５６の両方にかみ合うため、遊星歯車４６は、軸６６を中心に回転するだけではなく、一体型太陽歯車５６の周囲で軌道を描くため、プラネットキャリヤ６２が中心軸３４を中心に回転する。これは、通常、遊星歯車システムと呼ばれる。プラネットキャリヤ６２の動きは、適当な手段（図示せず）で、（図１の）ファン２２に伝達される。

別の実施態様においては、リングギア４８の回転が許容される一方で、遊星歯車４６は、設定位置に留まり、個々の中心軸を中心に回転するだけである。一体型太陽歯車５６の、遊星歯車４６に対する回転により、リングギア４８の回転運動が生じる。リングギアの運動は、適当な手段（図示せず）で（図１の）ファン２２に伝達される。この構成は、スター型歯車（ｓｔａｒ ｇｅａｒ）システムと呼ばれる。本発明の太陽歯車継手（一体型継手システム）４０は、スター型歯車システムか、あるいは遊星歯車システムのいずれかに設けることができる。

太陽歯車継手４０（一体型継手システム）は、非可撓性のスピンドル４２と、少なくとも１つの波状の可撓セクション４４と、を含む。可撓セクション４４は、スピンドル４２の径よりも大きい径を有する円筒形リング６８を備えるとともに、長手方向に離間したダイアフラム７０，７２によってスピンドル４２に連結される。ダイアフラム７０，７２とスピンドル４２との間の接合部７４、ならびにダイアフラム７０，７２とリング６８との間の接合部７６は、継手４２の可撓性を高め、かつ接合部７４，７６における応力集中を最小限にするように、湾曲した断面形状を有する。単一の可撓セクション４４は、一体型太陽歯車５６とシャフト２８との間の角度的な不整に対応するのに適している。

２つまたはそれ以上の、長手方向に離間した可撓セクション４４は、平行の不整合、あるいは角度および平行の不整合の組合せに対応するのに使用される。一体型継手システム４０の端部にあるスプライン５４は、実質的に一体型継手４０の可撓性に対して貢献しておらず、一体型継手４０は、主として波状の可撓セクション４４から可撓性を得ている。リング６８およびスピンドル４２のねじり剛性により、一体型継手４０が、長手方向の軸３４を中心としたねじれに対して剛性となる。さらに、可撓セクション４４の波状の特性により、一体型継手４０は、垂直軸および水平軸を中心としたねじれに対して追従するとともに（すなわち、軸３４に平行な水平面および垂直面における角度的な不整合に対して）、３つ全ての軸を中心とした移動に対して追従する。従って、一体型継手４０は、高トルクを伝達する一方で、一体型太陽歯車５６と外部シャフト２８との間の不整合から生じる力およびモーメントから歯車列３２を切り離す。

一体型継手システム４０は、太陽歯車構成部品７８および連結シャフト８０を含む一体型太陽歯車５６を備える。一体型太陽歯車５６は、鋼鉄や当業者に周知の他の適当な材料から単体部品として作製される。連結シャフト８０は、一体型太陽歯車５６がスピンドル４２の一部として回転かつ作用すると、長手方向の中心軸３４を中心に回転する。一体型太陽歯車５６は、溶接部８２，８４，８６などにより統合された一体型継手システム４０を形成するように、可撓セクション４４に接合される。３つの異なる長さを有する短いセクションとして図示しているが、スピンドル４２は、太陽歯車５６、可撓セクション４４、駆動シャフト２８の各々の間において、駆動シャフト２８に一体型太陽歯車５６を連結させる様々な寸法形状のセクションからなっており、それら全ては鋼鉄や類似の材料から作製される。一体型太陽歯車５６により、従来の現存するスプラインギアおよび関連するスプライン連結シャフトの個別部品の製造が排除されるため、システムの複雑性およびコストが低減する。また、スプラインの摩耗が防止され、かつ不整合により歯車列構成部品が断裂する危険性が低減することにより、歯車列の信頼性が増すと、保守費用が減少する。統合された構成により、これまでの５つの部品からなる複数部品設計が、１つの部品に低減される。一体型継手システム４０の連続的な特徴により、リング６８においてボルト締めされたフランジや、同等の径方向空間における類似の構造体から得られる場合と比べて、より大きな可撓性が得られる。

一体型継手システム４０は、入口９２および出口９４を有し、かつシステムを潤滑するオイルを輸送する導管として機能する可撓性で管状の挿入部９０を備えていてもよい。オイル（図示せず）が、入口９２から供給されて、一体型継手４０および挿入部９０の回転によって径方向外側に向かって遠心移動することにより、オイルは挿入部９０の内面９６にフィルムを形成する。前方および後方の隔離部（スタンドオフ）９８，１００は、それぞれ、一体型継手４０内において径方向に挿入部９０を支持するように、挿入部９０の円周の周囲にリングを形成する。挿入部９０は、挿入部９０を一体型継手４０に対して固定するスナップリング（図示せず）や他の適当な手段により、所定の位置で長手方向に保持される。隔離部９８，１００の表面１０２，１０４の各々は、一体型継手４０の内壁１０６に沿った回転運動を促進し、可撓性を阻まないように、球面状である。各々の球面状の表面は、溝を備えており、波状の可撓セクション４４内にオイルが漏出しないように、該溝内にシールリングが配置される（図示せず）。

各波状の可撓セクション４４に対応するエルボの群１０８が、挿入部９０の壁を通って延びるため、可撓性の光学計器（図示せず）を用いて各波状の可撓セクション４４の内部を容易に点検することができる。光学計器は、継手に沿って長手方向に、エルボ１０８の口部１１０内に挿入される。さらに計器を挿入することにより、エルボ１０８の輪郭形状に沿って径方向外側に向かって屈曲するため、ダイアフラム７０，７２およびリング６８の内部も容易に見ることができる。各エルボ１０８の口部１１０は、挿入部９０の内面９６から径方向に離間している。これにより、オイルのフィルムは、口部１１０に捕捉されず、回転的な不均衡を生じ得る波状の可撓セクション４４の内部へと遠心移動しなくなる。一実施態様において、３つのエルボ１０８が、各波状の可撓セクション４４に使用されているが、不均衡を妨げるように、挿入部の円周周囲に均等に分布される限り、２つまたはそれ以上のエルボを使用してもよい。

図３は、本発明の波状の可撓セクション４４の断面の立面図である。可撓セクション４４は、スピンドル４２の径より大きい径を有する円筒形リング６８を備え、長手方向に離間したダイアフラム７０，７２によってスピンドル４２に連結される。ダイアフラム７０，７２は、平坦で直線的な内側縁部１１２，１１４と、非対称な双曲線状の外側縁部１１６，１１８と、をそれぞれ備える。直線的な内側縁部１１２，１１４により、継手の製造コストが低減する。従来技術においては、ダイアフラム７０，７２は、対照的かつ双曲線状の外郭形状を形成するように、同時にかつ均一に、ダイアフラム７０，７２の両側から材料を除去して作製されている。通常、ベンディックス社（Ｂｅｎｄｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製の機械など、専門的な機械が使用される。本発明の一体型継手では、専門的な機械や道具は必要とされず、ダイアフラム７０，７２を作製するためには従来の機械加工工程が用いられる。可撓セクション４４の製造においては、最初に平坦な縁部１１２または縁部１１４が機械加工される。次いで、平坦な縁部１１２または縁部１１４は、外側縁部１１６，１１８をテーパー状にすることなど後続の機械加工工程のために、ダイアフラム部分を取り付ける参照基準として使用される。

一実施態様において、ダイアフラム７０，７２は、相互に鏡像であるため、標準規格部品となり、さらにコストが低減される。ダイアフラム７０，７２は、溶接部８４により互いに連結される。溶接部８４は、電子ビーム溶接や当業者に周知の類似の方法などで形成される。溶接部８４は、リング６８の強度を向上させるように、リング６８の外側に設けられることが好ましい。

図示する実施態様において、リング６８は、平坦な内側面１２０と、双曲線状の外側面１２２と、を有する。潤滑されるシステムにおいては、各リング６８の円周周囲にドレイン口１２４が配設される。各リング６８の円周周囲に配設されたドレイン口１２４により、波状の可撓セクション４４の内部に不慮に漏出したオイルを逃すことが可能となるため、オイルが内部に蓄積して、一体型継手４０の回転の不均衡が生じることが防止される。また、エルボの群（図示せず）は、上述したように、波状の可撓セクション４４の各々に対応してもよい。エルボにより、溶接部の検査、応力による破損や同様な欠陥の兆候を検出するために、各波状の可撓セクション４４の内部を可撓性の光学計器を用いて容易に検査できる。

双曲線状の外側面１２２は、つり合いリム１２６を有する。つり合いリム１２６は、一体型継手システム４０の均衡化を可能にする機械加工などの工程により除去され得る過剰な材料である。代替的な実施態様（図示せず）においては、内側面１２０は、また、一体型継手システム４０を均衡化するように、内側面からの材料の除去を可能にする双曲線状の輪郭形状や類似した形状を備える。

波状の可撓セクション４４は、図３に示された、以下のような設計パラメータ変数を有する。

Ｒａ…ダイアフラム外径
Ｒｂ…ダイアフラム内径
Ｔａ…外径厚
Ｔｂ…内径厚
Ｒｏ…外側リング径
Ｒｉ…内側リング径
Ｒｓ…シャフト／ダイアフラムのフィレットの径
一実施態様において、上述の変数は、以下の設計パラメータを用いて波状の可撓セクション４４を作製するのに用いられる。

Ｒｂ／Ｒａ＜０．６
２＜Ｔｂ／Ｔａ＜３．５
Ｒｉ＞２×Ｔａ
Ｒｏ＞２×Ｒｉ
Ｒｓ＞２×Ｔｂ
上述の設計パラメータにより、エピサイクリック（遊星）歯車列の一体型継手システム４０が、そのようなシステムに共通する軸方向、水平方向、角度的な不整合の組み合わせに適合する能力を有することが可能になるとともに、同時に、システムにおけるトルクの伝達が可能となる。一体型継手システム４０は、非対照的なテーパー状の輪郭形状を介して、螺旋状の太陽歯車の不整合からスプラインシステムを切り離す。一体型継手システム４０の主要な設計パラメータは、上述のように厚さと径の比である。図２に例示したようなダイアフラムのセットは、エピサイクリック歯車列の偏位およびシャフトシステムの不整合からスプラインシステムを切り離すように、異なる径の寸法形状を有していてもよい。従って、スプラインが摩耗する傾向がわずかであり、かつ、エピサイクリック（遊星）ギアボックスが不整合下で作動する性能を有するため、システム全体の信頼性が向上する。

好ましい実施態様を参照して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形状や細部を変更可能であることを理解されるであろう。

遊星歯車列を有するタービンエンジンの概略的な側方断面図。 本発明の遊星歯車列の継手システムの立面断面図。 本発明の波状の可撓セクションの立面断面図。

Claims (20)

1. シャフトにより駆動される遊星歯車列であって、
   太陽歯車と、
   リングギアと、
   プラネットキャリヤ内に回転可能に取付けられるとともに、前記太陽歯車および前記リングギアにかみ合う複数の遊星歯車と、
   前記太陽歯車を前記シャフトに連結する太陽歯車継手であって、前記太陽歯車と前記シャフトとの間の不整合に適応するようにスピンドルに連結された少なくとも１つの波状の可撓セクションを有する太陽歯車継手と、
   を備え、
   前記波状の可撓セクションが、前記シャフトの中心軸に対して概ね垂直で、外側リング部材により連結される２つの概して平行な内部壁を有し、
   前記少なくとも１つの波状の可撓セクションは、対応する外径厚Ｔａを含む外径Ｒａと、対応する内径厚Ｔｂを含む内径Ｒｂと、外側リング径Ｒｏと、内側リング径Ｒｉと、シャフト／ダイアフラムのフィレットの径Ｒｓと、を有し、
   前記少なくとも１つの波状の可撓セクションは、
   Ｒｂ／Ｒａ＜０．６
   ２＜Ｔｂ／Ｔａ＜３．５
   Ｒｉ＞２×Ｔａ
   Ｒｏ＞２×Ｒｉ
   Ｒｓ＞２×Ｔｂ
   の設計基準を有することを特徴とする遊星歯車列。
2. 前記太陽歯車が、単一構造を形成するように前記太陽歯車継手に溶接されることを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車列。
3. 前記太陽歯車が、歯車部分と、該歯車部分から同軸状に延びるシャフト部分と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車列。
4. 前記概して平行な内部壁に対応する外側壁が、双曲線状の断面輪郭形状を形成することを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車列。
5. 前記波状の可撓セクションが、溶接工程により互いに接合された４つの均等な寸法の部品からなることを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車列。
6. 前記外側リング部材の各々が、前記概して平行な内部壁に対して概ね垂直な内部面と、断面において双曲線状である外部面と、を有することを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車列。
7. 前記波状の可撓セクションの縁部部材の各々が、オイル用のドレイン口を有することを特徴とする請求項１に記載の遊星歯車列。
8. 一体型太陽歯車および継手システムであって、
   太陽歯車と、
   前方端において前記太陽歯車に接続され、後方端において遊星歯車列のシャフトに接続されるとともに、前記太陽歯車と前記シャフトとの間の不整合に適合する少なくとも１つの波状の可撓セクションを有するスピンドルであって、前記スピンドルの隣接するセクションの径よりも大きい径を有する円筒形リングを備えるとともに、２つの長手方向に離間されたダイアフラムによって前記スピンドルに連結される前記波状の可撓セクションを有するスピンドルと、
   を備え、
   前記ダイアフラムと前記スピンドルとの間の接合部が、可撓性を向上させるとともに応力集中を最小限にするように、前記ダイアフラムの外側における断面において湾曲しており、前記ダイアフラムの内側は、前記ダイアフラムの壁が非対称の外郭形状となるように、前記シャフトの中心軸に対して垂直な直線的な縁部であり、
   前記少なくとも１つの波状の可撓セクションは、対応する外径厚Ｔａを含む外径Ｒａと、対応する内径厚Ｔｂを含む内径Ｒｂと、外側リング径Ｒｏと、内側リング径Ｒｉと、シャフト／ダイアフラムのフィレットの径Ｒｓと、を有し、
   前記少なくとも１つの波状の可撓セクションは、
   Ｒｂ／Ｒａ＜０．６
   ２＜Ｔｂ／Ｔａ＜３．５
   Ｒｉ＞２×Ｔａ
   Ｒｏ＞２×Ｒｉ
   Ｒｓ＞２×Ｔｂ
   の設計基準を有することを特徴とする一体型太陽歯車および継手システム。
9. 前記太陽歯車が、単一構造を形成するように前記太陽歯車継手に溶接されることを特徴とする請求項８に記載の一体型太陽歯車および継手システム。
10. 前記太陽歯車が、歯車部分と、該歯車部分から同軸状に延びるシャフト部分と、を備えることを特徴とする請求項８に記載の一体型太陽歯車および継手システム。
11. 概して平行な内部壁に対応する外側壁が、双曲線状の断面輪郭形状を形成することを特徴とする請求項８に記載の一体型太陽歯車および継手システム。
12. 前記波状の可撓セクションが、互いに接合された４つの均等な寸法の部品からなることを特徴とする請求項８に記載の一体型太陽歯車および継手システム。
13. 前記４つの均等な寸法の部品が、溶接工程によって接合されることを特徴とする請求項１２に記載の一体型太陽歯車および継手システム。
14. 各外側縁部部材が、前記概して平行な内部壁に対して概ね垂直な内部面と、断面において双曲線状である外部面と、を有することを特徴とする請求項８に記載の一体型太陽歯車および継手システム。
15. 前記波状の可撓セクションの縁部部材の各々が、オイル用のドレイン口を有することを特徴とする請求項８に記載の一体型太陽歯車および継手システム。
16. 太陽歯車を有する一体型継手システムを構築する方法であって、
    太陽歯車部品および連結シャフトを備える一体型太陽歯車を設けるステップと、
    基準点として使用するように、第１のダイアフラムに第１の直線的で平坦な内側縁部を機械加工するステップと、
    前記第１の直線的で平坦な内側縁部を固定するステップと、
    前記第１のダイアフラムにテーパー状の外側縁部を機械加工するステップと、
    前記第１のダイアフラムを前記一体型太陽歯車に接合するステップと、
    を含み、
    前記第１の直線的で平坦な内側縁部は、前記連結シャフトの中心軸に対して概ね垂直であり、
    前記第１のダイアフラムは、対応する外径厚Ｔａを含む外径Ｒａと、対応する内径厚Ｔｂを含む内径Ｒｂと、外側リング径Ｒｏと、内側リング径Ｒｉと、シャフト／ダイアフラムのフィレットの径Ｒｓと、を有し、
    前記第１のダイアフラムは、
    Ｒｂ／Ｒａ＜０．６
    ２＜Ｔｂ／Ｔａ＜３．５
    Ｒｉ＞２×Ｔａ
    Ｒｏ＞２×Ｒｉ
    Ｒｓ＞２×Ｔｂ
    の設計基準を有することを特徴とする一体型継手システム構築方法。
17. 基準点として使用するように、第２のダイアフラムに第２の直線的で平坦な内側縁部を機械加工するステップと、
    前記第２の直線的で平坦な内側縁部を固定するステップと、
    前記第２のダイアフラムにテーパー状の外側縁部を機械加工するステップと、
    リングを形成するように、前記第１のダイアフラムを前記第２のダイアフラムに溶接するステップと、
    をさらに含み、
    前記第２の直線的で平坦な内側縁部が、前記第１の直線的で平坦な内側縁部に対して概ね平行であることを特徴とする請求項１６に記載の一体型継手システム構築方法。
18. 前記第１の直線的で平坦な内側縁部に対して垂直である直線的な縁部を機械加工するステップと、
    前記第２の直線的で平坦な内側縁部に対して垂直である直線的な縁部を機械加工するステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の一体型継手システム構築方法。
19. 前記一体型継手システムを均衡化するように、前記リングの前記外側縁部の一部を機械加工するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の一体型継手システム構築方法。
20. 前記一体型継手システムが、歯車列内における前記太陽歯車と前記シャフトとの間の不整合に適合する少なくとも１つの波状の可撓セクションを備えることを特徴とする請求項１６に記載の一体型継手システム構築方法。

Images