JP5249902B2 - 遊星軸受構造 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえば風力発電装置の増速機等に適用される遊星軸受構造に関する。
風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして駆動される発電機により発電する装置である。
ロータヘッドの回転を増速する増速機には、たとえばプラネタリ型遊星歯車増速機構がある。このプラネタリ型遊星歯車増速機構は、入力軸と一体に回転するキャリアに取り付けられた複数の遊星歯車を備え、この遊星歯車が、出力軸と一体に回転する太陽歯車及び増速機のハウジングに固定された内歯車と噛合して公転するように構成されている。すなわち、プラネタリ型遊星歯車増速機構は、遊星歯車、太陽歯車及び内歯車に設定されたギア比に応じて、入力軸と連結されたキャリアの回転(遊星歯車の公転)数を増速し、太陽歯車と連結された出力軸から出力する装置である。
上述したプラネタリ型遊星増速機構の遊星歯車は、それぞれが遊星軸受を介してキャリアに回動自在に支持されている。この遊星軸受には、通常転がり軸受や滑り軸受が使用されている。
このうち、滑り軸受を採用した遊星軸受構造では、たとえば図11に示すように、滑り軸受50が遊星歯車40の内周面に取り付けて使用され、キャリア21側に固定された遊星ピン30の外周を回転する。このとき、滑り軸受50と遊星ピン30との摺動面では、滑り軸受50が遊星歯車40と共に回転することにより、軸受内に潤滑油の圧力を発生させる。従って、滑り軸受50の摺動面では、潤滑油の圧力によって遊星ピン30との接触を防止することができる。
また、遊星軸受に滑り軸受50を採用する場合には、通常軸受部に対する強制給油が必要であるから、潤滑油ポンプ(不図示)等を用いて摺動面まで確実に潤滑油を供給する潤滑構造が採用される。
図11に示す遊星軸受構造では、図示しない給油装置から滑り軸受50の摺動面に潤滑油を供給するため、図中に破線で示すように、キャリア21から遊星ピン30の軸中心部を通る潤滑油流路60が形成されている。この潤滑油流路60は、遊星ピン30の外周面に設けた給油溝31まで潤滑油を供給するため、遊星ピン30の内部に形成された半径方向の給油孔61を備えている。なお、図中の符号31aは、給油溝31の軸方向両端部に形成されたチャンファーである。
また、強制潤滑を行う滑り軸受の潤滑構造としては、温度上昇した潤滑油の軸受内循環を阻止し、潤滑油温度の上昇を防止して軸受面の摩耗や焼き付きを防止する技術が知られている。この従来技術において、軸受円弧面には軸方向に長い給油溝が形成され、各軸受円弧面の下流側端縁には、軸方向に長いブラシシールが嵌着されている。(たとえば、特許文献1の図1等を参照)
さらに、ジャーナル軸受においては、回転軸の回転による潤滑油の流動を積極的に利用し、軸受本体内部の固形異物を軸受本体外部へ積極的に排出することが提案されている。(たとえば、特許文献2参照)
特開平10−103344号公報 特開2000−337360号公報
ところで、遊星軸受に滑り軸受50を使用した場合、遊星歯車40と一体に回転する滑り軸受50が低速回転になると、遊星ピン30が滑り軸受50の摺動面に接触することは避けられない。このため、滑り軸受50の摺動面に使用する材料としては、軟質合金や樹脂系材料が採用されている。
しかし、滑り軸受50においては、摺動面(軸受面)と遊星ピン30との接触が避けられないため、摺動面に摩耗を生じることとなる。この結果、滑り軸受50の摺動面には摺動面材料の摩耗粉が発生するため、滑り軸受50の摺動面から摩耗粉がスムーズに排出されないと、摩耗粉を巻き込んでさらに摩耗が促進されることとなる。
このような摩耗の促進は、最終的には滑り軸受50を損傷させる原因となるので、遊星軸受の耐久性や信頼性を向上させるためにも対策が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軸受部に滑り軸受を用いた遊星軸受において、軸受面と遊星ピンとの接触により発生する摩耗粉を潤滑油と共に摺動面(軸受面)からスムーズに排出することができる遊星軸受構造を提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項1に係る遊星軸受構造は、遊星歯車の軸穴内周面に取り付けられた滑り軸受を備え、前記遊星歯車が前記滑り軸受を介してキャリアに固定された遊星ピンの外周を回転する遊星軸受構造において、前記遊星ピンの外周面に軸方向へ延在する1または複数の給油溝を形成し、該給油溝に潤滑油を強制給油する潤滑経路の潤滑油供給出口を開口させるとともに、前記給油溝から前記遊星歯車の回転方向後流側へ連通し、前記給油溝より浅い異物トラップ用の排出溝を設けたことを特徴とするものである。
このような遊星軸受構造によれば、遊星ピンの外周面に軸方向へ延在する1または複数の給油溝を形成し、該給油溝に潤滑油を強制給油する潤滑経路の潤滑油供給出口を開口させるとともに、給油溝から遊星歯車の回転方向後流側へ連通し、給油溝より浅い異物トラップ用の排出溝を設けたので、浅くした排出溝から給油溝の方向へ逆流する圧力流れが発生し、給油溝に異物をトラップすることができる。
上記の発明において、前記給油溝から後流側へ連通する前記排出溝は、回転方向を基準に少なくとも左右の一方へ傾斜して設けられていることが好ましく、これにより、回転方向から傾斜した排出溝がスパイラルグルーブとして機能し、排出溝から給油溝の方向へ逆流する圧力流れを発生させて異物を給油溝にトラップすることができる。
上記の発明において、前記給油溝から後流側へ連通する前記排出溝は、前記給油溝と軸方向に並んで設けられていることが好ましく、これにより、浅くした排出溝から給油溝の方向へ逆流する圧力流れが発生するので、排出溝と軸方向に並んでいる給油溝に異物を確実にトラップすることができる。
上記の発明において、前記排出溝は、潤滑油に逆流を発生させて異物を前記給油溝へ導くための圧力流れを形成する断面形状を有していることが好ましく、これにより、排出溝から給油溝の方向へ逆流するより強い圧力流れが発生し、給油溝に異物を確実にトラップすることができる。
上述した本発明によれば、軸受部に滑り軸受を用いた遊星軸受において、給油溝から遊星歯車の回転方向後流側へ連通し、給油溝より浅い異物トラップ用の排出溝を設けたことにより、浅い排出溝から給油溝の方向へ逆流する圧力流れが発生し、この流れにより給油溝に異物をトラップすることができる。このため、滑り軸受の摺動面(軸受面)と遊星ピンとの接触により発生する摩耗粉は、潤滑油と共に軸受面の給油溝からスムーズに排出されるようになり、従って、摩耗粉による二次的な軸受損傷の防止が可能となり、優れた信頼性や耐久性を有する遊星軸受構造を提供することができる。
そして、この遊星軸受構造を風力発電装置の増速機等に適用すれば、滑り軸受の損傷を防止または抑制し、増速機や風力発電装置の信頼性及び耐久性が向上する。
本発明に係る遊星軸受構造について第1の実施形態を示す図で、(a)は滑り軸受の潤滑構造を示す要部の断面図、(b)は(a)のA−A断面拡大図である。 本発明の遊星軸受構造が適用される遊星歯車装置の一例として、プラネタリ型増速機の概要を示す図である。 図2に示すプラネタリ型増速機を軸方向から見た概略構成図である。 本発明の遊星軸受構造を増速機に適用した風力発電装置を示す側面図である。 図4に示す風力発電装置について、ナセル内部の概略構造例を示す要部断面図である。 本発明に係る遊星軸受構造について第2の実施形態を示す図で、(a)は滑り軸受の潤滑構造を示す要部の断面図、(b)は(a)のA−A断面拡大図である。 本発明に係る遊星軸受構造について第3の実施形態を示す図で、(a)は滑り軸受の潤滑構造を示す要部の断面図、(b)は(a)のA−A断面拡大図である。 図1に示した遊星軸受構造の排出溝について、断面形状の第1変形例を示す断面図である。 図1に示した遊星軸受構造の排出溝について、断面形状の第2変形例を示す断面図である。 図1に示した遊星軸受構造の排出溝について、断面形状の第3変形例を示す断面図である。 従来の遊星軸受構造を示す要部の断面図であり、強制給油の潤滑構造が示されている。
以下、本発明に係る遊星軸受構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
<第1の実施形態>
本発明に係る遊星軸受構造は、たとえば風力発電装置の増速機等に好適である。図4に示す風力発電装置1は、基礎B上に立設されるタワー(「支柱」ともいう。)2と、タワー2の上端に設置されるナセル3と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル3の前端部側に設けられるロータヘッド4とを有している。
ロータヘッド4には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚(たとえば3枚)の風車翼5が取り付けられている。これにより、ロータヘッド4の回転軸線方向から風車翼5に当たった風の力が、ロータヘッド4を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。
ナセル3の外周面適所(たとえば上部等)には、周辺の風速値を測定する風速計7と、風向を測定する風向計8とが設置されている。
ナセル3の内部には、たとえば図5に示すように、ロータヘッド4と主軸9を介して連結された増速機10と、増速機10の出力軸11に連結された発電機12とが設置されている。すなわち、ロータヘッド4の回転数は、主軸9を介して連結された増速機10に伝達されることにより、増速機10の出力軸11側が増速された値となる。そして、発電機12が増速機10を介して増速された出力側の回転数で駆動されることにより、発電機12によって発電された電力が得られるようになっている。
さらに、ナセル3の内部には、風力発電装置1の各種運転制御を行う風車制御装置13が設けられている。
上述した増速機10は、通常複数段の増速機構を組み合わせた構成とされ、入力軸となる主軸9の回転数は、複数段階の増速を経て最終的な出力軸11の出力回転数まで増速される。
図2及び図3は、本発明の遊星軸受構造が適用される遊星歯車装置の一例として、たとえば上述した増速機10の第1段増速を行うプラネタリ型遊星歯車装置(以下、「プラネタリ型増速機」と呼ぶ)20の概要を示している。このプラネタリ型増速機20は、これを風力発電装置1の増速機として使用する場合、キャリア21が主軸9に連結されて回転する。図示の構成例では、キャリア21に3本の遊星ピン30が固定され、各遊星ピン30には、滑り軸受50及び滑り軸受50の軸受バックメタル51を介して遊星歯車40が回転自在に取り付けられている。
なお、図3における遊星ピン30と滑り軸受50との関係(内径及び外径の差)は、図示の都合上実際より極端に示されている。
また、プラネタリ型増速機20は、入力軸となる主軸9と一体に回転するキャリア21に取り付けられた3個の遊星歯車40を備え、この遊星歯車40が、出力軸22と一体に回転する太陽歯車23及びハウジング24に固定された内歯車25と噛合して公転するように構成されている。すなわち、プラネタリ型増速機20は、遊星歯車40、太陽歯車23及び内歯車25に設定されたギア比に応じて、主軸(入力軸)9と連結されたキャリア21の回転(遊星歯車の公転)数を増速する装置であり、増速された回転数は太陽歯車23と連結された出力軸22から図示しない2段増速機構等に出力される。
また、キャリア21とともに遊星歯車40が公転するハウジング24内には、たとえば図3に示す潤滑油面Loまで潤滑油が溜められている。この潤滑油面Loは、少なくとも公転する遊星歯車40の軸穴40aが潤滑油内で油浴される程度の深さを有することが望ましい。
上述したプラネタリ型増速機20は、たとえば図1に示すように、遊星ピン30が遊星歯車40を回転可能に支持する遊星軸受構造を備えている。すなわち、図示の遊星軸受構造は、図示しないキャリアに固定された遊星ピン30と、軸穴40aの内周面に滑り軸受50を取り付けた遊星歯車40とを備え、遊星ピン30が滑り軸受50を介して遊星歯車40を回動自在に支持するように構成されている。なお、この場合の滑り軸受50は、たとえば軸受バックメタル51の内周面にPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂を張り付けた構造となっている。
このように、図1に示す遊星軸受構造は、遊星歯車40に設けた軸穴40aの内周面に取り付けられた滑り軸受50を備え、遊星歯車40が滑り軸受50を介してキャリア21に固定された遊星ピン30を軸に回転するように構成されている。
このような遊星軸受構造において、遊星ピン30の外周面には軸方向へ延在する給油溝31が形成されている。この給油溝31は、遊星ピン30の円周方向へ1または複数(たとえば、180度ピッチに2箇所や90度ピッチに4箇所など)形成されており、その溝深さは通常数ミリ程度とされる。なお、給油溝31の軸方向両端部には、軸方向両端部へ向けて徐々に溝深さを浅くしたチャンファー31aが設けられている。
上述した給油溝31は、図示しない潤滑油ポンプ等の給油装置と潤滑油流路60を介して連結されている。すなわち、図1に示す遊星軸受構造には、給油装置から供給される潤滑油を給油溝31から滑り軸受50の摺動面に給油する強制潤滑を行うため、キャリア21から遊星ピン30の軸中心部を通るように形成された潤滑油流路60と、遊星ピン30の内部に形成された半径方向の給油孔(潤滑油供給出口)61とを具備してなる潤滑経路が設けられている。そして、上述した給油溝31には、潤滑油を強制給油する潤滑経路の潤滑油供給出口となる給油孔61が開口している。
さらに、遊星ピン30の外周面には、給油溝より浅い異物トラップ用の排出溝32が設けられている。この排出溝32は、給油溝31から遊星歯車40の回転方向後流側(図中の矢印参照)へ連通する1または複数の溝であり、たとえば矩形断面や半円形断面等の溝断面形状を有するとともに、概ね100μm程度の溝深さとなっている。
また、図示の構成例では、2本の排出溝32が設けられており、いずれの排出溝32も回転方向後流側の端部が回転方向を基準として遊星ピン30の両端部側へ向けて傾斜し、かつ、滑り軸受50の両端部と略同じか長くなる軸方向領域をカバーするような配置となっている。
このように、遊星ピン30の外周面に軸方向へ延在する1または複数の給油溝31を形成し、この給油溝31に潤滑油を強制給油する潤滑経路の潤滑油供給出口である給油孔61を開口させるとともに、給油溝31から遊星歯車40の回転方向後流側へ連通し、給油溝31より浅い異物トラップ用の排出溝32を設けた遊星軸受構造としたので、溝深さを浅くした排出溝32から給油溝31の方向へ逆流する圧力流れが発生する。すなわち、溝深さの浅い排出溝32内の潤滑油圧力が給油溝31より高くなるので、高圧の排出溝32から低圧の給油溝31へ向けた潤滑油の流れが発生する。この結果、滑り軸受50の摺動面に存在する異物Fは、排出溝32から給油溝31へ向かう潤滑油流れに導かれて移動するので、摺動面の異物Fを給油溝31へ速やかにトラップすることができる。
この場合、排出溝32が滑り軸受50の幅と略同じかそれ以上の範囲に形成されているので、遊星歯車40とともに滑り軸受50が回転することにより、摺動面に存在する異物Fを確実に給油溝31の方向へ逆流する潤滑油流れに取り込むことができ、従って、摺動面に存在する異物Fを確実にトラップすることができる。
なお、給油溝31にトラップした異物Fは、強制潤滑される潤滑油の循環流路を通って摺動面の外部へ排出される。
また、上述した排出溝32は、回転方向を基準に少なくとも左右の一方へ傾斜して設けることが望ましい。すなわち、排出溝32は、図1(a)に示すように、給油溝31の中央付近から回転方向後流側へ向けて左右に開いた配置、これとは反対に給油溝31の中央付近後流側位置から給油溝31の両端部付近へ向けて左右に開いた配置、あるいは、給油溝31から左右いずれかの方向へ略平行に傾斜させた配置などが可能である。
このように、回転方向を基準に左右へ傾斜して配置された排出溝32は、滑りは軸受50が回転することによりスパイラルグルーブとして機能するので、排出溝32から給油溝31の方向へ逆流する圧力流れを発生させて、異物Fを給油溝31にトラップすることができる。すなわち、スパイラルグルーブとして機能する排出溝32は、上述した溝深さの差により発生する潤滑油の圧力流れをさらに加速(加圧)するので、より強い圧力流れを発生させて異物Fを確実にトラップすることができる。
なお、上述した排出溝32は、図示した2本に限定されることはなく、1本のみを設けてもよいし、あるいは3本以上としてもよい。
ところで、上述した排出溝32は、たとえば図8から図10に示すように、潤滑油に逆流を発生させて異物Fを給油溝31へ導くための圧力流れを形成する断面形状、たとえば三角形断面等により傾斜面(テーパー)を形成可能な断面形状とすることが望ましい。なお、この場合の溝深さは、上述した排出溝32と同様に、最も深い部分が百μm程度となる。
図8に示す第1変形例の排出溝32Aは、溝深さが滑り軸受50及び遊星歯車40の回転方向へ徐々に浅くなる略直角三角形断面とされ、この排出溝32Aに形成された傾斜面33の作用によって、潤滑油に逆流を発生させて異物Fを給油溝31へ導く圧力流れの形成がより一層促進される。この結果、上述したスパイラルグルーブによる圧力流れの形成との協働により、より強い潤滑油の圧力流れが形成されるので、異物Fの給油溝31へのトラップをよりスムーズかつ確実に実施できるようになる。
また、図9に示す第2変形例の排出溝32Bは、第1変形例と逆向きの略直角三角形断面とされ、この排出溝32Bに形成された傾斜面33によっても、潤滑油に逆流を発生させて異物Fを給油溝31へ導く圧力流れの形成をより一層促進することができる。
また、図10に示す第3変形例の排出溝32Cは、第1変形例及び第2変形例の断面形状を組み合わせて一体化した略二等辺三角形断面とされ、この排出溝32Cに形成された二つの傾斜面33によっても、潤滑油に逆流を発生させて異物Fを給油溝31へ導く圧力流れの形成をより一層促進することができる。
<第2の実施形態>
続いて、本発明に係る遊星軸受構造について、第2の実施形態を図6に基づいて説明する。なお、図6においては、上述した潤滑油流路60及び給油孔61の図示が省略されており、さらに、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、給油溝31から後流側へ連通する排出溝32Dが、給油溝31と周方向に隣接して段差部を形成するように設けられている。すなわち、遊星ピン30の外周側から見た平面視において、給油溝31及び排出溝32Dの一辺(軸方向に延びる長い辺)が重なり、回転方向上流側で深い給油溝31から回転方向後流側で浅い排出溝32Dに溝深さが変化する段差部となっている。なお、図示の構成例では、給油溝31及び排出溝32Aの断面形状が矩形となっているが、これに限定されることはない。
このような構成とすれば、溝深さの浅い高圧側の排出溝32Dから溝深さの深い低圧側の給油溝31へ向けて逆流する圧力流れが発生するので、この潤滑油流れが排出溝32Dと軸方向に並んでいる給油溝31に異物Fを導いて確実にトラップすることができる。なお、給油溝31にトラップした異物Fは、強制潤滑される潤滑油の循環流路を通って摺動面の外部へ排出される。
また、図示の構成例では、排出溝32Dを1本としたが、段階的に溝深さを浅くした複数本の排出溝を並べて設けてもよい。
<第3の実施形態>
続いて、本発明に係る遊星軸受構造について、第3の実施形態を図7に基づいて説明する。なお、図7においては、上述した潤滑油流路60及び給油孔61の図示が省略されており、さらに、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態の排出溝32Eは、たとえば三角形断面により形成される傾斜面33のように、潤滑油に逆流を発生させて異物を給油溝31へ導くための圧力流れを形成するような断面形状、すなわち、圧力流れを加速するような断面形状を有している。この場合の傾斜面33は、溝深さが回転方向後流側へ徐々に浅くなるものであればよく、直線に限定されることはない。
このような構成とすれば、回転方向後流側から徐々に溝深さを深くした排出溝32Eが設けられ、この排出溝32Eに隣接して溝深さの深い給油溝31が存在するので、排出溝32Eから給油溝31へ向けて逆流する潤滑油のより強い圧力流れが発生する。従って、高圧側から低圧側へ向かう潤滑油流れは、高圧側の排出溝32Eと軸方向に並んでいる低圧側の給油溝31に異物Fを導いて確実にトラップすることができる。
なお、給油溝31にトラップした異物Fは、強制潤滑される潤滑油の循環流路を通って摺動面の外部へ排出される。
このように、上述した各実施形態によれば、軸受部に滑り軸受50を用いた遊星軸受において、給油溝31から遊星歯車40の回転方向後流側へ連通し、給油溝31より浅い異物トラップ用の排出溝32,32A〜32Eを設けたことにより、浅い排出溝32,32A〜32Eから給油溝31の方向へ逆流する圧力流れが発生し、この流れにより給油溝31に異物をトラップすることができる。このため、滑り軸受50の摺動面(軸受面)と遊星ピン30との接触により発生する摩耗粉は、潤滑油と共に摺動面(軸受面)からスムーズに排出されるようになり、従って、優れた信頼性や耐久性を有する遊星軸受構造を提供することができる。
そして、この遊星軸受構造を風力発電装置1の増速機10等に適用すれば、滑り軸受50の損傷を防止または抑制し、増速機や風力発電装置の信頼性及び耐久性が向上する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
1 風力発電装置
3 ナセル
4 ロータヘッド
5 風車翼
9 主軸
10 増速機
11 出力軸
12 発電機
20 プラネタリ型遊星歯車装置(プラネタリ型増速機)
21 キャリア
22 出力軸
23 太陽歯車
24 ハウジング
25 内歯車
30 遊星ピン
31 給油溝
32,32A〜32E 排出溝
40 遊星歯車
50 滑り軸受
60 潤滑油流路
61 給油孔

Claims (4)

  1. 遊星歯車の軸穴内周面に取り付けられた滑り軸受を備え、前記遊星歯車が前記滑り軸受を介してキャリアに固定された遊星ピンを軸に回転する遊星軸受構造において、
    前記遊星ピンの外周面に軸方向へ延在する1または複数の給油溝を形成し、該給油溝に潤滑油を強制給油する潤滑経路の潤滑油供給出口を開口させるとともに、
    前記給油溝から前記遊星歯車の回転方向後流側へ連通し、前記給油溝より浅い異物トラップ用の排出溝を設けたことを特徴とする遊星軸受構造。
  2. 前記給油溝から後流側へ連通する前記排出溝は、回転方向を基準に左右の少なくとも一方へ傾斜して設けられていることを特徴とする請求項1に記載の遊星軸受構造。
  3. 前記給油溝から後流側へ連通する前記排出溝は、前記給油溝と周方向に隣接していることを特徴とする請求項1に記載の遊星軸受構造。
  4. 前記排出溝は、潤滑油に逆流を発生させて異物を前記給油溝へ導くための圧力流れを形成する断面形状を有していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の遊星軸受構造。
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