JP5411111B2

JP5411111B2 - 遊星歯車減速装置

Info

Publication number: JP5411111B2
Application number: JP2010262127A
Authority: JP
Inventors: 哲也松岡; 弘泰西川; 桂匡佐藤; 秀幸今井; 龍彦五井
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: US20130310213A1; CA2816488C; WO2012070199A1; EP2644939B1; CA2816488A1; EP2644939A1; EP2644939A4; US8968148B2; JP2012112454A

Description

本発明は、主として航空機の動力伝達機構に用いられる遊星歯車減速装置に関する。

従来、この種の遊星歯車減速装置は、外歯を有するサンギヤと、外歯を有して前記サンギヤに噛合する複数のプラネットギヤと、各プラネットギヤの回転軸を支持して複数のプラネットギヤの相対位置決めをする共通のプラネットキャリアと、内歯を有して複数のプラネットギヤに噛合するリングギヤとを備えている（例えば、特許文献１参照）。ガスタービンエンジンなどの動力源で発生した動力は、例えば、まずサンギヤに入力され、その後プラネットギヤに伝達される。プラネットギヤに伝達された動力は、２種類の異なる出力として、すなわち、プラネットギヤの自転によるリングギヤの回転動力、およびプラネットギヤのサンギヤに対する公転によるプラネットキャリアの回転動力として、それぞれ取り出すことができる。

米国特許第５４３３６７４号明細書

このような航空機エンジン用の遊星歯車減速機では、エンジン構造に支持された片端支持の回転軸の先端にプロペラが取り付けられているので、航空機の運転中に曲げモーメントがエンジンに作用し、エンジン構造に曲げ変形が発生する。エンジン構造の曲げ変形の影響により、減速装置全体にも曲げ変形が発生する場合があり、この曲げ変形により、プラネットギヤとプラネットギヤに噛合するサンギヤおよびリングギヤとの平行度がずれた状態、すなわちミスアライメントが生じる。ミスアライメントが生じると、歯車や軸受の片あたりが発生するので、遊星歯車減速装置の寿命が低下する。

このようなミスアライメントの発生を防ぐためには、例えば、回転軸の両端を支持する構造にすることが考えられるが、両端支持構造にすることによりエンジンの重量が増大する。あるいは、特許文献１に開示されているように、サンギヤとリングギヤの両方の支持部分全体を柔軟な構造として、エンジンの変形を吸収することによってもミスアライメントの発生を防止できるが、サンギヤとリングギヤの両方を回転させる構造に対しては、回転系の支持構造の剛性が不十分となり、過大な振れ回りが生じる。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、装置全体の重量増加を招くことなく、剛性の確保とミスアライメントの防止を両立させることが可能な、寿命性能に優れる遊星歯車減速装置を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る遊星歯車減速装置は、動力の入力軸に同心状に固定された、外歯を有するサンギヤと、外歯を有して前記サンギヤに噛合する複数のプラネットギヤと、内歯を有して前記プラネットギヤに噛合するリングギヤと、前記各プラネットギヤの回転軸である複数のプラネット軸を支持して、複数のプラネットギヤの前記入力軸に対する公転を第１の動力として出力するプラネットキャリアと、前記リングギヤに相対回転不能に連結されて、前記リングギヤの回転を第２の動力として出力する筒状の支持部材とを備え、前記筒状支持部材が、内径側に凹入した縦断面Ｖ字形状の柔構造部４１を軸心方向の１箇所に有している。

この構成によれば、当該遊星歯車減速装置を支持する３つの入出力部材、すなわち、入力軸、プラネットキャリアおよび筒状支持部材のうち、筒状支持部材のみに剛性の低いＶ字断面の柔構造部が設けられているので、減速装置の振れ回りを防止するのに十分な剛性が確保されるとともに、飛行荷重によるエンジンの変形を前記柔構造部で吸収してミスアライメントの発生が防止される。その結果、この遊星歯車減速装置が設置されるエンジンの回転軸を片端支持構造とすることで重量増加が抑制されるとともに、遊星歯車減速装置の寿命性能が大幅に向上する。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、前記柔構造部の縦断面Ｖ字角度が、３０°〜９０°の範囲内にあることが好ましい。この構成によれば、筒状支持部材の座屈に対する強度を十分に確保しつつ、ミスアライメントを防止するのに適切な柔軟性を得ることができる。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、前記筒状支持部材は、前記柔構造部よりも前記リングギヤ側に形成された大径円筒部と、前記柔構造部よりも出力側に形成された小径円筒部とを有し、前記大径円筒部の肉厚が、前記柔構造部の肉厚よりも薄く設定されていることが好ましい。この構成によれば、せん断力の小さい大径部分の肉厚を薄くすることにより、必要な座屈強度を確保しながら、遊星歯車減速装置の軽量化を図ることができる。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、前記リングギヤが、径方向外方に突設された外向きフランジを有しており、前記筒状支持部材が、径方向内方に突設された内向きフランジを有しており、これら外向きフランジと内向きフランジとを介して前記リングギヤと前記筒状支持部材とが連結されていることが好ましい。この構成によれば、遊星歯車減速装置の外径寸法が低減されるので、当該減速装置が設置されるエンジンの小型・軽量化を図ることができる。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、前記外向きフランジと内向きフランジとの連結部がシェブロン形状に形成されていることが好ましい。この構成によれば、リングギヤの外周部分をシェブロン形状、つまり波形の座ぐりを設けることにより、リングギヤの剛性を確保しながら遊星歯車減速装置の重量を低減することができる。

このように、本発明の遊星歯車減速装置によれば、装置全体の重量増加を招くことなく、剛性を確保しながらミスアライメントを防止することが可能となり、寿命性能が大幅に向上する。

本発明の一実施形態に係る遊星歯車減速装置を示す部分破断斜視図である。図１の遊星歯車減速装置の縦断面図である。図１の遊星歯車減速装置に用いられるフレックスサポートを拡大して示す断面図である。図１の遊星歯車減速装置のリングギヤとフレックスサポートの連結構造を示す分解斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る遊星歯車減速装置１を示す斜視図である。この遊星歯車減速機構１は、例えばプロペラ推進型の航空機エンジンに設置されて、図示しないガスタービンエンジンに入力軸３を介して連結されており、このガスタービンエンジンの動力を、図示しない２つのロータに、それぞれ互いに独立の出力として伝達する。なお、以下の説明において、軸方向の、ガスタービンエンジンが配置されている側（図１の左側）を前側と呼び、その反対側を後側と呼ぶ。

図２は、図１の遊星歯車減速装置１の要部を示す縦断面図である。同図に示すように、遊星歯車減速装置１は複列の歯車機構として構成されており、サンギヤ５、複数のプラネットギヤ７、リングギヤ９、プラネットキャリア１１、およびプラネット軸１３を備えている。サンギヤ５は、互いに逆方向に傾斜した複列のはすば歯車からなる外歯を有する歯車であり、回転軸となる入力軸３の外周に嵌合されている。プラネットギヤ７は、サンギヤ５に対応したはすば歯車からなる複列の外歯を有する歯車であり、回転軸となる中空のプラネット軸１３の外周に複列の軸受１５を介して回転自在に取付けられた状態で、サンギヤ５に噛合している。本実施形態では、５つのプラネットギヤ７が、サンギヤ５の円周方向に等間隔に配置されている。リングギヤ９は、複列のはすばからなる内歯を有する歯車であり、プラネットギヤ７に噛合している。

複数のプラネットギヤ７の各プラネット軸１３は、その前端部が、入力軸３と同一の軸心Ｃ１を有する環状のフロントプレート１７に支持されている。フロントプレート１７は、同心状に配置された円筒状の軸であるスタブシャフト１９の内周部に、複数のボルトによって連結されている。フロントプレート１７の背面にはバックプレート２１が連結されている。バックプレート２１には、周方向に等間隔で複数の支柱２２（図１）が一体形成されており、これら支柱２２を介してバックプレート２１がフロントプレート１７にボルト止めされている。このバックプレート２１にプラネット軸１３の後端部が支持されている。このように、スタブシャフト１９と、スタブシャフト１９を介して互いに連結されたフロントプレート１７およびバックプレート２１が、プラネット軸１３およびプラネットギヤ７を支持するプラネットキャリア１１を構成しており、このプラネットキャリア１１によって、各プラネット軸１３間の相対位置、すなわち各プラネットギヤ７間の相対位置が決められる。

スタブシャフト１９の前端部は、入力軸３と同心の前方出力軸２３にボルト２５によって連結されており、複数のプラネットギヤ７の、軸心Ｃ１回りの公転による動力は、スタブシャフト１９および前方出力軸２３を介して駆動力（第１の動力）として、例えば前側のプロペラ２６に出力される。一方、リングギヤ９は、入力軸３と同心に配置される筒状の支持部材であるフレックスサポート２７に連結されており、フレックスサポート２７の後端部は、入力軸３と同心の後方出力軸２９にボルト３１によって連結されている。リングギヤ９とフレックスサポート２７との連結構造については後に詳述する。プラネットギヤ７の自転軸心Ｃ２回りの回転による動力は、リングギヤ９、フレックスサポート２７および後方出力軸２９を介して駆動力（第２の動力）として、例えば後側のプロペラ３２に出力される。

このようにして、遊星歯車装置１の全体は、入力軸３およびスタブシャフト１９によって前方から支持されるとともに、フレックスサポート２７によって後方から支持されている。入力軸３およびスタブシャフト１９（プラネットキャリア１１）は、剛性の高い部材として形成され、フレックスサポート２７は、後述のように剛性の低い部分を含む部材として形成されている。なお、前方出力軸２３は、軸受３３を介して、この遊星歯車減速装置１が設置されるエンジンの固定軸３５，３６に回転可能に支持されている。また、前方出力軸２３と後方出力軸２９とは、後方の軸受３９を介して、互いに相対回転可能に支持されている。

フレックスサポート２７は、軸心方向の１箇所に、内径側に凹入した縦断面Ｖ字形状の柔構造部４１を有している。本実施形態では、フレックスサポート２７は、リングギヤ９側に形成された大径円筒部４３と、後方の出力側に形成された小径円筒部４５とを有しており、これら両円筒部４３，４５の間に柔構造部４１が形成されている。大径円筒部４３は小径円筒部４５よりも大径に形成されており、柔構造部４１は大径円筒部４３の後端および小径円筒部４５の前端から内径側に凹入する縦断面Ｖ字形状に形成されている。換言すれば、柔構造部４１は、大径円筒部４３の後端から内径側後方に向かってテーパ状に傾斜する前方傾斜部４１ａと、小径円筒部４５の前端から内径側前方に向かってテーパ状に傾斜する後方傾斜部４１ｂとからなり、前方傾斜部４１ａから後方傾斜部４１ｂへの折り返し部分４１ｃがフレックスサポート２７の最小径部を形成している。折り返し部分４１ｃの縦断面は円弧状である。

図２のフレックスサポート２７を拡大した図３に示すように、柔構造部４１の縦断面におけるＶ字角度αは、３０°≦α≦９０°の範囲にあることが好ましく、４５°≦α≦７５°の範囲にあることがより好ましい。本実施形態では、Ｖ字角度αを約６０°に設定している。また、柔構造部４１の前方傾斜部４１ａの傾斜角度、つまり前方傾斜部４１ａと、入力軸３の軸心Ｃ１に直交する仮想平面Ｐとのなす角度βは、１５°≦β≦６０°の範囲にあることが好ましく、３０°≦β≦４５°の範囲にあることがより好ましい。特に、βの値を３０°以上とすることにより、フレックスサポート２７の座屈に対する強度が大幅に向上する。

また、フレックスサポート２７の大径円筒部４３の肉厚ｔ１は、柔構造部４１の肉厚ｔ２よりも薄く設定されている。より具体的には、大径円筒部４３の肉厚ｔ１は、柔構造部４１の肉厚ｔ２に対して８５〜９５％の範囲に設定することが好ましい。本実施形態では、大径円筒部４３の肉厚ｔ１を、柔構造部４１の肉厚ｔ２の９０％に設定している。せん断力の小さい大径部分である大径円筒部４３の肉厚ｔ１を薄く設定することにより、必要な座屈強度を確保しながら、遊星歯車減速装置１の軽量化を図ることができる。

次に、リングギヤ９とフレックスサポート２７との連結構造について説明する。図２に示すように、リングギヤ９の外周部には、径方向外方に突出する外向きフランジ５１が設けられている。一方、フレックスサポート２７の前端部の内周部には、径方向内側に突出する内向きフランジ５３が設けられている。リングギヤ９の外向きフランジ５１は、リングギヤ９の外周部の全周に渡って設けられており、フレックスサポート２７の内向きフランジ５３は、フレックスサポート２７の内周部に全周に渡って設けられている。

図４に示すように、外向きフランジ５１の連結部５１ａと、内向きフランジ５３の連結部５３ａとは、それぞれ、波形状を周方向に複数連ねたシェブロン形状に、つまり波形の座ぐりとして形成されている。リングギヤ９の外向きフランジ５１には、連結部５１ａの前方を覆う環状の連結壁５５が設けられており、この連結壁５５の、連結部５１ａの谷部５１ａａに相当する各周方向位置に、軸心方向に貫通するボルト挿通孔５７が設けられている。一方、フレックスサポート２７の内向きフランジ５３の連結部５３ａにおいて、各山部５３ａａに、軸心方向に貫通するボルト挿通孔５９（図２）が設けられているとともに、各山部５３ａａの後端部には、連結ナット６１がシャンクナットとして、リベットにより固定された回り止めプレート６３により、回り止めされた状態で取り付けられている。

リングギヤ９の外向きフランジ５１の連結部５１ａの谷部５１ａａに、フレックスサポート２７の内向きフランジ５３の連結部５３ａの山部５３ａａが重なるように両連結部５１ａ，５３ａを嵌め合わせた状態で、図２に示すようにリングギヤ９側から連結ボルト６３を各ボルト挿通孔５７，５９に挿通し、連結ナット６１に螺合させることにより、リングギヤ９とフレックスサポート２７とが相対回転不能に連結されている。

このように、リングギヤ９の外向きフランジ５１とフレックスサポート２７の内向きフランジ５３とを介してリングギヤ９とフレックスサポート２７とを連結していることにより、遊星歯車減速装置１の外径寸法が低減されるので、当該減速装置１が設置されるエンジンの小型・軽量化を図ることができる。さらに、外向きフランジ５１と内向きフランジ５３との連結部５１ａ，５３ａがシェブロン形状に形成されているので、リングギヤ９の剛性を確保しながら遊星歯車減速装置１の重量が低減される。

上記の実施形態に係る遊星歯車減速装置１によれば、当該遊星歯車減速装置１を支持する３つの入出力部材、すなわち、入力軸３、プラネットキャリア１１およびフレックスサポート２７のうち、フレックスサポート２７のみに剛性の低いＶ字断面の柔構造部４１が設けられているので、減速装置１の振れ回りを防止するのに十分な剛性が確保されるとともに、飛行荷重によるエンジンの変形を前記柔構造部４１で吸収することによりミスアライメントの発生が防止される。その結果、この遊星歯車減速装置１が設置されるエンジンを片端支持構造とすることで重量増加が抑制されるとともに、遊星歯車減速装置１の寿命性能が大幅に向上する。特に、柔構造部４１の縦断面におけるＶ字角度αを３０°≦α≦９０°の範囲に設定することにより、フレックスサポート２７の座屈に対する強度も十分に確保しつつ、ミスアライメントを防止するのに適切な柔軟性を得ることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１遊星歯車減速装置
３入力軸
５サンギヤ
７プラネットギヤ
９リングギヤ
１１プラネットキャリア
１３プラネット軸
１７フロントプレート
１９スタブシャフト
２１バックプレート
２７フレックスサポート（筒状支持部材）
４１柔構造部

Claims

動力の入力軸に同心状に固定された、外歯を有するサンギヤと、
外歯を有して前記サンギヤに噛合する複数のプラネットギヤと、
内歯を有して前記プラネットギヤに噛合するリングギヤと、
前記各プラネットギヤの回転軸である複数のプラネット軸を支持して、複数のプラネットギヤの前記入力軸に対する公転を第１の動力として出力するプラネットキャリアと、
筒状の支持部材であって、その軸心方向の一端部が前記リングギヤに相対回転不能に連結されて、前記リングギヤの回転を軸心方向の他端部側へ第２の動力として出力する筒状支持部材と、
を備え、
前記筒状支持部材が、前記一端部側に形成された大径円筒部と、前記他端部側に形成された、前記大径円筒部よりも小径の小径円筒部と、これら両円筒部の間に形成された、内径側に凹入した縦断面Ｖ字形状の柔構造部を軸心方向の１箇所に有しており、前記大径円筒部の肉厚が、前記柔構造部の肉厚よりも薄く設定されており、前記柔構造部の縦断面Ｖ字角度が、３０°〜９０°の範囲内にあり、
前記柔構造部が、前記大径円筒部の出力側端から内径方向出力側に向かってテーパ状に傾斜する前方傾斜部を有しており、
前記筒状支持部材が、前記大径円筒部の径方向内方に突設された内向きフランジを有しており、前記リングギヤが、径方向外方に突設された外向きフランジを有しており、これら内向きフランジと外向きフランジとを介して前記リングギヤと前記筒状支持部材とが連結されており、前記外向きフランジの連結部と内向きフランジの連結部とが、それぞれ、波形状を周方向に複数連ねたシェブロン形状に形成されている
遊星歯車減速装置。