JP5493079B2 - 遊星ギヤ装置の構成、および遊星ギヤ - Google Patents

Description

本発明は、遊星ギヤ装置の構成において、
それぞれが少なくとも一つのベアリングによって支持された内側レース、およびこのベアリングを支持するシャフトを有する少なくとも三つの遊星輪を有する遊星ギア、および
第１フランジが入力シャフトに接続され、そして第２フランジが反対側にある遊星支持体を有する遊星ギヤ装置の構成であって、
各遊星輪シャフトが、第１フランジに対して第１支持長さで非回転的に設定された第１端部、
上記ベアリングを支持するために、第１端部よりも厚く設定された中心領域、および
第２フランジに対して第２支持長さで非回転的に設定された第２端部を有し、そしてさらに、各シャフト内にたわみ作用構成部を有し、これによってたわみ作用構成部の弾性に対して複数の遊星輪の噛み合い機構を力学的に設定できるように構成した遊星ギヤ装置の構成に関する。

本発明は、さらに、上記構成を駆動する遊星ギヤに関する。

遊星ギヤ装置の最も重要な部分は、中心輪、ギヤリム、およびこれらの間の遊星ギヤである。ギヤリムは、ギヤリム装置とも呼ばれ、互いに接続された部品からなる。少なくとも三つの遊星輪を有する遊星ギヤは、中心輪およびギヤリムに対して同心円状である。遊星輪は、ベアリングとともに、互いに結合された第１フランジおよび第２フランジを有する遊星支持体に取り付けられる。動力入力シャフトは、遊星支持体、より具体的にはその第１フランジに取り付けられる。即ち、このシャフトが、最大トルクを支える。中心輪またはギヤリムをロックでき、この場合、部品のうち２つが、即ち中心輪、ギヤリムまたは支持体が、中心輪の中心軸の周りで回転できる。

各遊星輪は、両端によって支持体に強く結合されたシャフトを有する。遊星輪は、少なくとも一つのベアリングによって、通常は、２つのベアリングによってこのシャフトの周りで回転できる。

上記シャフトは、力学的に噛み合い機構を設定できるように第１端部に対して設定されるたわみ作用構成部に対してたわむ。本明細書で使用する用語“力学的設定”は、荷重を原因とする各種の製造誤差およびシャフト変形に関係なく、遊星輪の荷重バランスを取ることができる設定を意味する。可撓性シャフトまたは弾性シャフトが、力学的に噛み合い機構を設定すると、支持体について許される変形が従来よりも大きくなる。換言すれば、シャフトを使用して、支持体のねじれを原因とする位置合わせ不良を補償することができる。

ＷＯ２００６／０５３９４０には、風力発電プラントの遊星ギヤが開示されている。この遊星ギヤの場合、一般的には、歯形を補正することによって設定を改良している。歯形は、ねじれ角の調整、クラウニングおよび／またはエンドレリーフによって補正できるが、歯形補正には、ある一定の、相対的に狭い範囲で正確に寸法設定しなければならない点に問題がある。風力発電プラントの場合、遊星ギヤは、広い出力範囲で動作しなければならないが、これは、歯形補正によっては実現できない。

次に、ＷＯ２００５／０３８２９６には、遊星輪シャフトについて、たわむことができるように寸法設定した装置が開示されている。たわみ作用シャフトを使用すると、遊星輪の遊星ギヤへの設定精度を高くできる。遊星ギヤの各構成成分は、つねに精度がわずかに不足しているため、設定作業が必要になる。

噛み合い機構の力学的設定についてＷＯ２００７／０１６３３６およびＧＢ２４１３８３６において提案されている解決策も、長いシャフトのたわみ作用に基礎を置いている。これら解決策の場合、いくつかの遊星輪の噛み合い機構を遊星輪ごとに設定し、これらシャフトのたわみ作用によって製造誤差の影響を補正している。

ＤＥ１０２００４０２３１５１には、シャフトと連動するフランジを有する遊星ギヤが提案されている。この構成の場合、例えば、製造欠陥を補償するために役立つが、この提案策では、支持体の重量緩和から得られる大きな作用効果が失われる。即ち、シャフトとフランジの合成サイズが著しく大きくなるからである。フランジを備えた装置の場合、支持体の重量緩和によって得られる作用効果の大部分が失われてしまう。

本発明の解決策に最も近いのは、ＥＰ１４３５４７５およびＵＳ５，１０２，３７９の解決策である。いずれも、複フランジ式支持体を使用して、遊星輪シャフトを両端で支持する。シャフトの中心部分に深い軸方向キャビティが機械加工されているため、厚みのある中心部分内に、シャフトのたわみ長さが形成されている。上記ＥＰ公報には、さらに、完全な力学的設定を与えるために必要な非対称的なシャフト構成が開示されている。このＥＰ公報の減速遊星ギヤの場合、トルクを中心輪に伝達することによって、回転速度を増す遊星ギヤ装置の場合よりも、支持体の第１フランジに作用するトルクを比例的にかなり小さくしている。トルクが小さくなるため、円周方向キャビティのノッチ作用は、それほど大きくはない。

ＷＯ２００６／０５３９４０ ＷＯ２００５／０３８２９６ ＷＯ２００７／０１６３３６ ＧＢ２４１３８３６ ＤＥ１０２００４０２３１５１ ＥＰ１４３５４７５ ＵＳ５，１０２，３７９

Ｇｅｒｍａｎｉｓｃｈｅｒ Ｌｌｏｙｄ、Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ、Ｅｄｉｔｉｏｎ ２００３

上記の従来の解決策は、おもに、回転速度を減速する遊星ギヤ装置に対して好適であるが、いずれも、トルクが現状では１，０００，０００〜１０，０００，０００Ｎｍの範囲にある大型の風力発電タービン用途に使用することが難しい。ジェットエンジンモーターの場合、タービンの回転速度は３，０００〜６，０００ＲＰＭでよいため、最大トルクは、これよりもかなり小さく、また減速遊星ギヤ装置の場合、力を中心輪に伝達するため、当然のことながら、支持装置のトルクは小さく抑えることができる。風力タービンの遊星ギヤの場合、現状では、非常に大きく、これらを使用して、ゆっくり回転するローターから高出力の電力を伝達している。このように、風力タービンに使用されている遊星ギヤには、多くの特有な特徴がある。一つの大きな特有な特徴をあげれば、回転速度を増すために使用する一方で、それ以外の場所では、回転速度を減速するために使用できることである。さらに、マストまで引き上げる質量を制限することが望ましいため、遊星ギヤのサイズが、きわめて本質的に重要である。ところが、従来の機械設計のすべての方法が既に利用されているため、高出力遊星ギヤを小型化することは難しい。

遊星ギヤの小型化については、遊星輪の個数を増やすことが有利であるが、従来技術の場合、遊星輪の個数を３つ以上にすると、荷重が不均等になることが想定されるため、寸法荷重を大きく取る必要がある（Ｇｅｒｍａｎｉｓｃｈｅｒ Ｌｌｏｙｄ、Ｇｕｉｄｅ‐ｌｉｎｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂ-ｉｎｅｓ、Ｅｄｉｔｉｏｎ ２００３）。寸法荷重が大きくなると、遊星輪の個数を三つ以上にする従来方法の作用効果の多くが失われてしまう。

本発明の目的は、遊星ギヤ装置の構成、およびこの構成の駆動遊星ギヤ装置であって、従来の高トルク風力タービンよりも軽量、特に２，０００，０００〜１０，０００，０００Ｎｍ（Ｎｍ＝ニュートンｍ）の範囲で製造できるものを提供することである。本発明構成の特徴は、請求項１に記載されている通りである。

本発明の一実施態様の場合、第１フランジは、内側で、上記たわみ作用構成部を実質的にカバーする面取り面を有する。この点を除けば、第１フランジの厚みは、シャフトの第１端部の寸法と等しく設定されているため、第１フランジの剛性を犠牲にする必要はなく、構成をコンパクト化できる。

一実施態様では、シャフトの第１端部が、中心領域まで延長し、かつシャフトの第１端部の直径の２５〜６０％、好ましくは３５〜４５％の直径をもつ軸方向ボアを有する。

一実施態様では、第１端部のたわみ作用より小さいたわみ作用の第２構成は、シャフトの第２端部付近に設定される。この結果、この端部における十分なたわみ作用は、シャフトを短い長さで薄肉化することによって実現できる。シャフトが第２端部付近でたわむと、許容誤差を補償できる。許容誤差としては、例えば、ピッチ誤差、偏心度、およびシャフトまたは歯の位置合わせ不良がある。上記の従来技術の解決策と比較して、本発明構成には著しいが相違があるが、これは、たわみ作用の主部（例えば、１５〜５０％）が、従来技術の解決策とは異なり、単にたわみからではなく、せん断ひずみから誘導されるからである。

支持装置を重量緩和して遊星ギヤ装置の質量を小さくすると、支持体フランジが互いに回転できる。この場合、シャフトは、せん断応力の作用を受けるが、これの悪影響は、シャフトがより第１端部付近でたわむようにすると、排除できる。

シャフトの中心領域には、目的に応じて、一つか二つのベアリングを設けることができ、たわみ作用間隔で変形が生じる。噛み合い機構において支持体フランジ間にねじれ作用が発生しても、この影響は、特に第１たわみ作用間隔で力学的に補正できる。許容誤差は、両たわみ作用間隔で補正できる。単なる許容誤差を補正した場合は、たわみ値は、時間が経つうちに、両たわみ作用間隔で平均して等しくなると考えられる。

請求項１０に記載の実施態様については、変更することができる。即ち、シャフト端部を回転自在に支える両フランジにベアリングを設け、シャフトに遊星輪を固着する。シャフトは、上記構成の場合と全く同様にたわむことになる。

以下、本発明実施態様のいくつかを示す添付図面を参照して、本発明を詳しく説明する。

本発明の遊星ギヤ装置のシャフトを示す上部横断面図である。 支持体に締結された、本発明の遊星輪のシャフトと、その寸法を示す図である。 荷重をかけた状態にある、本発明の遊星輪のシャフトを示す図である。 支持体フランジ間に配設された本発明ピンを中心にして回転する支持体を示す図である。 全距離にわたって剛性が均等な、荷重のない状態のシャフトを示す基本図である。 全距離にわたって剛性が均等な、荷重をかけた状態のシャフトを示す基本図である。 シャフトの長手方向で剛性が変化する、荷重をかけた状態のシャフトを示す基本図である。

図１に示す本発明遊星ギヤ装置１００は、主構成部品として、中心輪１２、ギヤリム１０、および遊星ギヤ１４からなる。中心輪１２、ギヤリム１０および遊星ギヤ１４はすべて中心軸線１６が同じである。換言すれば、ギヤリム１０は、中心輪の中心軸線１６を中心にして設けられる。遊星ギヤ１４は、中心輪１２およびギヤリム１０に接触した状態で、両者間に設けられ、そして機能的には、内部ギヤの歯および中心輪の歯に接続、即ちこれら歯と噛み合う。遊星ギヤの遊星輪の個数は、少なくとも３である。遊星ギヤ１４は、中心輪１２と同じ中心軸線１６を有する。各遊星輪１８は、次に、それぞれシャフト２０を有し、これを中心にして遊星輪が回転する。遊星輪は、内側レース２６および外側レース２８を有する。これらのうち、外側レース２８が遊星輪１８の歯３０を有する。遊星ギヤ１４の支持体２２は、第１フランジ２４および第２フランジ２５を有し、これらフランジは、できるだけ強く互いに結合しておく。この第１フランジ２４に入力シャフト４６を締結する。

各遊星輪１８はシャフト２０を有し、このシャフトは第１端部１９および第２端部２１を有する。遊星輪１８は、シャフト２０を中心にして回転する。シャフト２０の第１締結端部６２で、支持体２２の第１フランジ２４に支持長さｆで遊星輪１８のシャフト２０の第１端部１９を締結し、同様に第２締結端部６３で、支持体２２の第２フランジ２５に支持長さｇで遊星輪１８のシャフト２０の第２端部(直径Ｄ_２)２１を締結する（図２参照）。さらに、この端部２１をロックピンなどのロック手段でフランジ２５にロックし、回転できないようにする（図示省略）。

遊星ギヤ装置１００は、各遊星輪の内側レース２６と遊星輪１８のシャフト２０との間に少なくとも一つのベアリング３２を有し、このベアリングを遊星輪１８のシャフト２０に固着支持する。各ベアリング３２は内側リング３４、ローラー要素３６、および外側リング３８を有する。さらに、たわみ作用構成部４０を遊星輪１８のシャフト２０の第１締結端部６２と最も近いベアリング３２との間に設け、噛み合い機構（図２）を力学的に設定する。従って、支持体フランジ間に発生するねじれをたわみ作用構成部で補償できるため、支持体を従来技術よりも軽量化できる。一方、支持体を重量緩和するさいには、噛み合い機構を維持した状態で、支持体フランジ間のねじれにより発生する変形に対処できなければならない。遊星輪が変形して、支持体フランジ間に発生するねじれを補償するため、支持体フランジが、従来技術よりも広い範囲まで互いに回転できる。このため、噛み合い機構が力学的に調整される。たわみ作用構成部のたわみは、シャフト厚みの１％以上で同じである。

本発明の遊星ギヤ装置の場合、遊星輪車シャフトを使用して、支持体に発生するねじれを補償する。支持体の重量緩和の一例は、定格出力が１，５００ｋＷのギヤであり、これの支持体は、従来２，０００ｋｇ以上の重量をもっている。この支持体の場合、その重量を低く１，５００〜１，６００ｋｇに抑えるように緩和すると、最善の結果が得られる。即ち、緩和率は約２５％といえる。支持体緩和率を高くすると、たわみが過剰になる。従って、支持体の緩和率を少なくとも１０％に設定すると緩和が確実になるといえる。これでさえ、従来の寸法設定からみるとかなりの変化である。さらに、同時に、ピッチ誤差、偏心度、シャフトや歯の位置合わせ不良などの許容誤差を補償できる。

ＷＯ２００５/０３８２９６で提案されている支持体などの片面支持体に関連していえば、例えば、課題は、はすば歯を使用できるかどうかでる。ところが、均質なギヤ動作の確保に関しては、はすば歯はきわめて本質的なものである。歯のねじれ角が大きくなると、ギヤに発生する振動は抑制できるが、ねじれ角については、あまり大きく設定することができない。というのは、ベアリングに作用する力は、ねじれ角が大きくなる程大きくなるからである。たわみシャフトの場合、ねじれ角は０．５°〜４°、好ましくは１°〜２°に設定する。このように設定すると、ベアリングに作用する荷重を好適なレベルに設定できると同時に、振動のないスムーズな動作を確保できる。ギヤ動作を無音で行うためには、無振動動作が必須である。ギヤの寿命や、環境騒音の抑制の点からみて、これは、風力発電プラントにおいて特に重要である。

従来の片面遊星ギヤと比較した場合、支持体に２つのフランジを設けると、構成の剛性を強化でき、それ以外の構成部分の制御性がよくなる。換言すれば、片面支持体よりも複フランジ式支持体のほうがシャフトの支持性がよくなり、支持体に作用する荷重が小さくなり、単フランジ式構成よりも応力の制御性が良くなる。さらに、応力のベアリング間の分布がより均質化する。応力分布は、全体としては、単フランジ式構成よりも複フランジ式構成においてより有利でなる。

図１に示した本発明の遊星ギヤ装置１００は、風力発電プランンの２段遊星ギヤ装置における第１遊星ギヤとして使用できる。１段遊星ギヤ装置も、発電装置に直接接続できる。入力シャフト４６に、ブレード装置（図示省略）を締結する。ブレード装置に制御コマンドを送る中空チャネル４８を入力シャフト４６の中心および中心輪１２に設け、例えば、ブレード装置のブレード角を調節する。一方、遊星ギヤ複数を他の多くの方法で複合構成すると、ギヤ装置のギヤ比を目的に応じて設定できる。ここで遊星ギヤとは、遊星ギヤ装置を組み立てるさいに、目的に応じて複合構成できる１段遊星ギヤを指す。

図１に示した本発明のギヤ装置１００の場合、しまりばめ６４によってベアリング３２の内側リング３４と遊星輪１８のシャフト２０を互いに締結する。潤滑油をベアリング３２に案内できるロックピン４４を遊星輪１８のシャフト２０とベアリング３２との間に設ける。ベアリングは通常のベアリングでよい。支持体材料は、例えば、鋳鉄である。他の部品、例えば、シャフト、フランジ、内側ギヤ、中心輪および遊星輪などは、構造鋼で構成すればよい。

図１に示した遊星ギヤ装置１００の場合、第１たわみ作用構成部４０を遊星輪１８のシャフト２０の第１端部１９付近に設け、そして第２たわみ作用構成部４１を第２端部２１付近に設けて、噛み合い機構を力学的に設定する。この構成は、特に、遊星輪の個数が４以上の場合に好適である。より具体的には、遊星輪の個数は４〜１２、好ましくは４〜７である。この場合、小さな許容誤差があっても、遊星輪間に荷重差が発生する。本発明のシャフトを遊星輪数が４以上のたわみ作用構成部４０、４１とともに使用すると、その作用効果がいっそう顕著になる。３つの遊星輪の場合、これらに存在する許容誤差の補正効果は小さいからである。

図１に示した本発明の遊星ギヤ装置１００の場合、遊星輪１８の内側レース２６は、ベアリングの外側リング３８として直接形成する。本発明では、遊星輪は、剛性をもち、それ自体にたわみ作用はない。この実施態様は、内側レース２６が直接外側リング３８になる場合、構成の耐性がより強くなるため有利である。さらに、構成成分を２つの代わりに一つ製造すればよいため、許容誤差が小さい。一般的にいって、内側レースが直接外側リングになる場合、これらを個別に構成する場合よりも、耐性がより強く、かつ動力伝達性がより高い構成を同じ空間に設定できる。

本発明は、ベアリングの内側リングがシャフトである（図示省略）特別なケースを製造することも課題としている。この実施態様の場合、製造すべき構成成分の個数を削減できる。なお、組み立てに関して、この実施態様には、いくつかの具体的な課題が残る。

図１に示した本発明の遊星ギヤ装置の場合、遊星ギヤにより伝達される最も高い定格出力が１〜１５メガワット、好ましくは３〜１０メガワットになるように設計する。本発明の作用効果は、伝達すべき出力が２５０ｋＷ以上、好ましくは５００〜１，５００ｋＷ/遊星輪のときに最も顕著になる。この場合、遊星輪のシャフトは、高い荷重でたわみが目につくほど大きい。たわみ（および付随するせん断ひずみ）は、１％程度である。このようにきわめて高い出力がこの遊星ギヤ装置により伝達される場合には、支持体内に顕著なたわみが発生する。即ち、構成それ自体の剛性は顕著であるにも拘わらず、弾性が構成に現れる。公知なものと比較した場合、支持体の重量緩和が大きい。さらに、遊星ギヤ装置の大きさが小さいため、遊星輪の個数を増やすことができ、この作用効果も大きい。遊星輪の個数が増えると、従来よりも小形の遊星ギヤ装置を介して同じ出力を伝達できるからである。上述したように、遊星輪個数を３以上にすると、構成の寸法誤差に対する許容度が失われてしまう。上記のように、遊星ギヤ装置の小型化は、以下の二点に基づく。第１に、支持体にたわみを許すと、支持体を重量緩和できる。第２に、シャフトが許容誤差を補償すると、遊星輪の個数を増やすことができる。

図２は、両端が支持体２２、より具体的にはフランジ２４および２５に締結された遊星輪１８のシャフト２０を示す図である。遊星輪１８のシャフト２０は、中心領域６０（長さｈ）、第１締結端部６２（長さｈ）、第２締結端部６３（長さｇ）、および中心領域６０両側のたわみ作用間隔ａ、ｂを有する。たわみ作用間隔ａ、ｂは、構造的な寸法によって許される程度のきつくない丸み５７をもち、たわみ作用間隔ａに十分な変形長さが残されている。

中心領域６０が、本実施態様の場合個数が２のベアリング３２を支持する。ベアリングの内側リング３４の間にスペーサリング５０を設ける。遊星輪１８のシャフト２０は、第１締結端部６２の第１フランジ２４に、そして第２締結端部６３の第２フランジ２５に支持する。

たわみ作用間隔ａは、第１締結端部６２と中心領域６０の間に存在し、このためシャフト２０が変形できる。換言すれば、シャフトの変形は、主にこのたわみ作用間隔ａ内で生じる。中心領域の外側にたわみが発生すると、ベアリングに向けられる応力を最小限に抑制できる。

図２は、たわみ作用間隔ａの剛性ＥＩ_１が、中心領域６０の剛性ＥＩ_２の６０％未満、好ましくは５０％未満に設定された本発明の遊星ギヤ装置を示す図である。剛性ＥＩが変化すると、例えば、同じ弾性を維持した状態で、慣性モーメントＩが変化する。たわみ作用間隔の剛性は、たわみ作用間隔の平均剛性を意味する。同様に、中心領域の剛性は、中心領域の平均剛性を意味する。たわみ作用間隔および中心領域におけるシャフトの形状により、異なる慣性モーメントが発生し、そしてさらに、たわみ作用間隔および中心領域に異なる剛性が発生する。

第２たわみ作用間隔ｂの位置は、第２締結端部６３と中心領域６０との間にある。第１たわみ作用間隔ａおよび第２たわみ作用間隔ｂは一緒に働き、設計時の寸法誤差および変形を許容するシャフトを形成する。第２たわみ作用間隔の剛性は、中心領域の剛性の７５％未満、好ましくは６０％未満に設定されている。第２たわみ作用間隔の剛性は、第１たわみ作用間隔の剛性よりも大きいほうが好ましい。図２の場合、第１たわみ作用間隔の長さは、第２たわみ作用間隔ｂの１．１〜２倍、好ましくは１．６倍に設定されている。この構成が実際に好ましい構成である。両たわみ作用間隔が、寸法誤差を補償するからである。なお、支持体フランジ間に発生するねじれは、特にたわみ作用間隔ａによって補償される。このため、たわみ作用間隔ａは、たわみ作用間隔ｂより長く設定されている。即ち、両たわみ作用間隔が、許容誤差を補正する。第１たわみ作用間隔が支持体フランジ間のたわみを補償し、第２たわみ作用間隔より長く設定されている。

図２において、支持体２２の第１フランジ２４のたわみ作用間隔ａに面取り面５６を設けているため、シャフトがたわみ、たわみ作用間隔においてシャフトが支持体に接触することはない。

図２に、遊星輪シャフトの寸法関係を示す。シャフト２０の中心領域６０の長さはｈであり、ベアリング装置３２の幅はＨである。さらに、中心領域６０の長さｈは、ベアリング装置３２の幅Ｈの８５〜１００％、好ましくは９０〜９９％に設定されている。両ベアリング３６は、内面がシャフト２０に強く支持されている。中心領域６０の長さｈは、３００〜９００ｍｍ、好ましくは４００〜７００ｍｍに設定されている。

第１締結端部６２は支持長さがｆであり、そして第１フランジ２４は厚みがＦである。第１締結端部６２の支持長さｆは、コンパクトな構成では、第１フランジ２４の厚みＦの５０〜９０％、好ましくは６０〜８０％に設定されている。第１フランジ２４の厚みＦは、シャフト端部１９とベアリング３２との間の距離である。順次、シャフトの第２締結端部６３は、支持長さがｇであり、そして第２フランジ２５は厚みがＧである。さらに、第２締結端部６３の支持長さｇは、第２フランジ２５の厚みＧの７５〜９５％、好ましくは７５〜８５％に設定されている。第２フランジ２５の厚みＧは、他方のシャフト端部２１とベアリング３２との間の距離である。

図２においてシャフト２０および支持体２２によって形成される構成体では、第２締結端部６３の支持長さｇは、第２フランジ２５の厚みＧの最大部分をカバーし、同様に、第１締結端部６２の支持長さｆは、第１フランジ２４の厚みＦの最大部分をカバーする。従って、しまりばめによってシャフトが、フランジ２４および２５に強く取り付けられることになる。

シャフト２０の遊星輪１８の第１端部１９は、たわみ作用孔６６を有し、これによってシャフトの第１端部のたわみ作用を強化する。この場合の孔は、広く解釈すべきで、異なるタイプの開口を含むものとする。軸方向ボア６６は、端部から中心領域にかけて存在する。そして、たわみ作用孔６６の直径ｄは、３０〜７０ｍｍである。

これら寸法関係の点で、たわみ作用孔は、きわめて小さな直径をもつ孔とは異なる孔である。潤滑油を供給する設計の孔は、たわみ作用孔と同じ効果をシャフトの剛性に与えるものではない。長さに関しては、潤滑油孔は、シャフトまで長く延長する。これら潤滑油孔により潤滑油は案内できるが、たわみ作用孔については封着しておくのが有利である。

図２において、たわみ作用孔６６の深さｅは、第１フランジ２４の厚みＦの８０〜１５０％、好ましくは１００〜１３０％に設定する。このため、所望のたわみを第１たわみ作用間隔ａにおいて発生させることができる。他方、たわみ作用孔６６の深さｅは、第１締結端部６２の支持長さｆの１００〜３００％、好ましくは１０５〜３００％に設定する。

シャフト２０の直径Ｄは、１００〜２４０ｍｍ、好ましくは１３０〜２００ｍｍに設定する。第１端部の直径Ｄ_１は、中心部分６０の直径Ｄの６７％（好ましくは５５〜７５％）に設定し、たわみ作用孔６６の直径ｄは、シャフト直径Ｄの２０〜５０％、好ましくは３０〜４０％に設定する。このように設定すると、たわみ作用孔は、シャフトのたわみに顕著な効果を与えることになる。たわみ作用孔は、せん断ひずみを与え、これによってたわみを引き起こすため、重要である。支持体のたわみ性が、当然ながら、各シャフトに必要なたわみを決定するものである。

図３に、遊星輪に使用できる、荷重をかけた状態にある本発明の弾性シャフト２０を示す。この弾性シャフトは、これに作用する力によってたわむ。シャフト２０の中心軸線５４は、既にたわんだ状態にある。この場合、シャフト２０の端部１９、２１において、ベアリング３２の中心軸線５２が、シャフト２０の中心軸線５４から分岐する。図３に示す状態は、シャフトの動作原理を明示するために、誇張して描かれている。シャフトが支持体フランジ間のたわみを補償すると、ベアリングは、支持体のたわみが発生しない非荷重状態と実質的に同じ状態のままである。図３に示した状態は、ただ一つの荷重状態であり、この状態では、シャフトが許容誤差のためにその両端で、しかもその第１端部でたわみ、支持体フランジ相互のねじれを補償する。

図４に、第１フランジ２４および第２フランジ２５が互いに回転した状態にある、本発明の遊星ギヤ装置に使用される支持体２２を示す。許容誤差を補正するだけではなく、本発明は、支持体のねじれを原因とする位置合わせ不良を補償することを可能にする。フランジ２４、２５間のネック４２も回転している。フランジ２４、２５およびネック４２がねじれているため、フランジ２４、２５にゆがみが生じている。図４に示したねじれおよびゆがみは、本発明シャフトの弾性構成部がねじれおよびゆがみの影響をどのように補正するかを明示するために、誇張して描かれている。ベアリングの内側リング３４の中心軸線５２は、支持体２２の中心軸線１６と平行であり、同時に中心輪に対しても平行である。内側リング３４の中心軸線５２は理論的なもので、実際にこれに対応するものは、非荷重状態のシャフト２０である（図２）。従って、ベアリングの内側リング３４は、非荷重状態と同様に、支持体の中心軸線１６、そして中心輪の中心軸線１６に対して実質的に平行な荷重状態のままである。

シャフトは端部付近でたわむが（中心線５４）、シャフトの中心点が、ベアリングの内側リング３４の、そして同時に遊星輪１８の中心軸線５２を形成する（図５）。荷重状態でも、ベアリングの内側リング３４の中心軸線５２が、支持体２２の中心軸線１６に対して平行になる。従って、支持体のねじれを原因とするシャフトのゆがみによって、遊星輪に大きな位置合わせ不良が発生することはない。また、製造精度を原因として、遊星輪のシャフト２０（図１）が、最初から、中心輪の中心軸線１６からわずかにずれていることもあり得る。本発明のシャフトの場合、力の作用により、ベアリングの内側リングを回転でき、従って遊星輪を回転できる。本発明の最後の作用効果として、本発明のたわみ作用間隔により、弾性シャフトが噛み合いを最適化し、これによって荷重の遊星輪間の分布が良くなる。さらに、従来技術に比較して軽量な新規な支持体を使用した場合でも、荷重分布が均一化し、噛み合いもよくなる。

図５ａは、シャフト２０の動作原理を示す図である。この場合、シャフト２０の剛性ＥＩ_１は、全距離にわたって、即ちシャフト２０の寸法全体にわたって同じである。シャフト２０は、非荷重状態にある。シャフトが非荷重状態にあるとき、支持体がねじれているため、また遊星輪が噛み合っているため、力がシャフトに向かうことはない。

図５ｂは、荷重状態にある図５ａに示したシャフト２０の動作原理を示す図である。シャフト２０は、その第１端部１９によって第１フランジ２４に締結し、そしてその第２端部２１によって第２フランジ２５に締結する。シャフト２０の剛性ＥＩ_１は、シャフトの全寸法にわたって同じである。フランジ２４および２５の相対運動によってゆがみｖ_ｂが発生する結果、即ち、支持体のねじれの結果、シャフトが変形する。この場合、力Ｆ_１ｂおよびＦ_２ｂがベアリングからシャフトに伝達される。添え字ｂおよびｃは、それぞれ図５ｂおよび図５ｃに対応する。ベアリング点間または力Ｆ_１ｂおよびＦ_２ｂの間においてシャフト内に誤差Δ_ｂが発生する。

変形を原因として、シャフトに接続された遊星輪の噛み合い動作に問題が生じる。ベアリングからシャフト２０に向かう力Ｆ_１ｂは、ベアリングからシャフト２０に向かう別な力Ｆ_２ｂよりもはるかに強く、力のバランスの悪さは、顕著である。

図５ｂにおいて、シャフト２０は、領域ａ´、６０、ｂ´に分割され、そして図５ｃにおいて、シャフトは領域ａ、６０、ｂに分割されている。図５ｂおよび図５ｃの比較から、領域ａは、シャフトの長手方向におけるａ´に相当し、そして領域ｂは、領域ｂ´に相当することがわかる。なお、領域ａ´の剛性が中心領域６０の剛性と同じであるため、領域ａ´は、実際のたわみ作用領域ではない。

図５ｃに、本発明のシャフト２０の荷重状態の原理を示す。シャフトは３つの領域ａ、６０、ｂに分割され、それぞれの剛性はＥＩ_２、ＥＩ_１、ＥＩ_３である。シャフト２０は、その第１端部１９によって第１フランジ２４に、そしてその第２端部２１によって第２フランジ２５に支持する。第１フランジ２４と中心領域６０との間のたわみ作用間隔ａの剛性ＥＩ_２は、中心領域６０の剛性ＥＩ_１の６０％未満、好ましくは５０％未満に設定する。従って、たわみ作用領域は、支持体フランジのねじれを原因とするゆがみｖ_ｃの結果として、所望に応じてたわむことになる。ベアリング点間のシャフトの誤差はΔ_ｃである。即ち、力Ｆ_１ｃとＦ_２ｃとの間の誤差はΔ_ｃである。換言すれば、誤差Δ_ｃは、力Ｆ_１ｃとＦ_２ｃとの間に設けられ、ベアリングに固着された中心領域６０に発生する。この場合、力Ｆ_１ｃおよびＦ_２ｃは、シャフト周囲に設けられたベアリングからシャフトに伝わる。たわみ作用間隔がある場合にシャフトに発生するゆがみΔ_ｃは、たわみ作用間隔のない場合にシャフトに発生するゆがみΔ_ｂよりも小さい。換言すれば、たわみ作用間隔をもつシャフトは、たわみ作用間隔をもたないシャフトほど強く遊星輪を間違った位置に回転させる傾向はない。たわみ作用間隔のないシャフトの剛性は、シャフトの全寸法にわたって同じである。

図５ｂと図５ｃとの比較から、支持体フランジは、図５ｂの場合には距離ｖ、より正確にはｖ_ｂ、そして図５ｃの場合には距離ｖ_ｃ互いに移動していることがわかる。この場合、シャフトは、支持体の変形ｖに対応する必要がある。シャフト２０のたわみ作用領域ａの剛性ＥＩ_２が中心領域６０の剛性ＥＩ_１の６０％、好ましくは５０％未満に設定されているときには、誤差Δ_ｃは、広い荷重範囲でゼロに近づく。換言すれば、誤差Δ_ｃは、誤差Δ_ｂよりもはるかに小さい。

シャフトの剛性が小さくなると、シャフトが、支持体フランジ間の動きを従来技術よりも狭い範囲に抑える。この場合、支持体は、図５ｂの場合よりも図５ｃの場合においてよりも変形がわずかに大きくなる。換言すれば、Ｖ_ｃがＶ_ｂよりもわずかに大きくなるが、支持体のねじれが大きくなっても、シャフトのたわみ作用領域ａおよびｂが支持体のねじれを補償している限り、問題が生じることはない。この場合には、大きな支持体ねじれに関係なく、ベアリング点間の誤差は小さくなる。

シャフトのたわみ作用領域は、支持体が重量緩和され、ベアリング間の誤差がもとの構成の場合よりも小さい状態にあるように支持体ねじれを補償する。

図５ｃに示したシャフト２０の場合には、第２端部２１と中心領域６０との間に第２たわみ作用間隔ｂがある。第２たわみ作用間隔ｂの剛性ＥＩ_３は、中心領域６０の剛性ＥＩ_１の７５％未満、好ましくは６０％未満に設定する。このため、従来技術よりも広い荷重範囲で誤差Ｖを小さくできる。シャフトを構成することが、異なる弾性率をもつ新規な材料でシャフトを構成する場合よりも簡単になる。従って、剛性の変化に伴って慣性モーメントが変化するが、同じ弾性率が維持されるようにシャフトを構成できることになる。

図５ｃに示したシャフトの場合、第１たわみ作用間隔ａの剛性ＥＩ_２は、第２たわみ作用間隔ｂの剛性ＥＩ_３の０．９倍未満、好ましくは０．７倍未満に設定する。

図５ｃに示すたわみ作用を実現するために、遊星輪シャフト２０の第１締結端部６２は、図４に示したたわみ作用孔６６を有する。このたわみ作用孔により、中心領域に対するたわみ作用領域内のシャフト剛性を計算できる。単純なシャフト外形設計に応じて剛性を小さくする場合には、たわみ作用領域においてシャフトを薄肉化する必要がある。

図５ｃに示すたわみ作用を実現するために、図２に示すように、シャフト２０の第１締結端部６２は支持長さｆを有し、そしてたわみ作用孔６６は、深さｅをもつ。たわみ作用孔６６の深さは、第１締結端部２４の厚みｆの１００〜３００％、好ましくは１０５〜２００％に設定する。

図５ｃに示すたわみ作用を実現するために、図４に示すように、シャフト２０の第１端部１９は直径Ｄ_１を有し、中心部分６０は直径Ｄを有し、そしてたわみ作用孔６６は直径ｄをもつ。たわみ作用孔の直径は、シャフト２０の直径Ｄの２０〜５０％、好ましくは３０〜４０％に設定し、そして第１端部の直径Ｄ_１は、中心部分６０の直径Ｄの６７％（好ましくは５５〜７５％）に設定する。

遊星輪の個数を３以上にすると、寸法誤差を補償できる動作も生じる。これは、支持体のねじれを原因とするゆがみ、即ちフランジ間の動作について図５ｂおよび図５ｃで行った説明に対応する形で説明できる。

１４：遊星ギヤ
１８：遊星輪
１９：第１端部
２０：シャフト
２１：第２端部
２４、２５：フランジ
２６：内側レース
３６：ベアリング
４０：たわみ作用構成部
４６：入力シャフト
６０：中心領域
１００：遊星ギヤ装置

Claims (12)

1. それぞれが内側レース（２６）、この内側レースを支持する少なくとも一つのベアリング（３６）、およびこのベアリング（３６）を支持するシャフト（２０）を有する少なくとも３つの遊星輪（１８）を有する遊星ギヤ（１４）、および
   入力シャフト（４６）に接続された第１フランジ（２４）、および反対側にある第２フランジ（２５）を有する遊星ギア装置（１４）の支持体（２２）を有し、
   上記遊星輪（１８）の各シャフト（２０）が、
   第１の支持長さ（ｆ）の区間に亘る上記第１フランジ（２４）に非回転的に設定され且つ直径がＤ_１の第１端部（１９）と、
   この第１端部（１９）より厚く設定され且つ上記ベアリング（３６）を支持する厚い中心領域（６０）と、
   第２支持長さ（ｇ）の区間に亘る上記第２フランジ（２５）に非回転的に設定された第２端部（２１）とを有する遊星ギヤ装置の構成であって、
   さらに、各シャフト（２０）にたわみ作用構成部（４０）を有し、このたわみ作用構成部（４０）の弾性に応じて上記複数の遊星輪（１８）の噛み合い機構を力学的に設定する遊星ギヤ装置構成において、
   上記シャフト（２０）のたわみ作用構成部（４０）が、上記第１端部（１９）の直径Ｄ_１を有するとともに、上記厚い中心領域（６０）の中心領域長さ（ｈ）の区間に亘る穴が無く、上記第１端部（１９）の直径Ｄ_１からより厚い中心領域（６０）の直径Ｄにむけて延長する穏やかな円形部（５７）をもつたわみ作用間隔（ａ）であり、そしてこのたわみ作用間隔（ａ）が上記第１支持長さ（ｆ）と上記厚い中心領域（６０）との間にあり、且つこれを上記厚い中心領域（６０）の外側に形成したことを特徴とする遊星ギヤ装置の構成。
   
2. 上記シャフト（２０）の上記第１端部（１９）の直径Ｄ_１を、上記中心領域（６０）の直径Ｄの５５〜７５％に設定した請求項１に記載の構成。
   
3. 上記シャフト（２０）の上記第１端部（１９）が上記中心領域（６０）まで延長する軸方向ボア（６６）を有し、このボアの直径（ｄ）を上記シャフト（２０）の第１端部（１９）の直径Ｄ_１の２５〜６０％に設定した請求項１または２に記載の構成。
   
4. 上記第１フランジ（２４）の内側に、上記たわみ作用構成部（４０）を実質的にカバーする面取り面（５６）を形成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の構成。
   
5. 上記遊星輪（１８）のシャフト（２０）の第２端部（２１）付近に、第２たわみ作用構成部（４１）を備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載の構成。
   
6. 第１たわみ作用間隔（ａ）の長さを第２たわみ作用間隔（ｂ）の少なくとも１．１倍に設定した請求項５に記載の構成。
   
7. 上記第１たわみ作用間隔（ａ）の平均剛性（ＥＩ_２）を上記中心領域（６０）の剛性（ＥＩ_２）の６０％未満に設定した請求項１〜６のいずれか１項に記載の構成。
   
8. 第１締結端部を支持する第１フランジ（２４）における第１締結端部（６２）の支持長さ（ｆ）をこのフランジ（２４）の厚み（Ｆ）の５０〜９０％に設定した請求項１〜７のいずれか１項に記載の構成。
   
9. 中心軸線（１６）を有する中心輪（１２）、
   上記中心輪（１２）の周りに設けられ、上記中心輪（１２）と同じ中心軸線（１６）を有するギヤリム（１０）、
   遊星輪装置（１４）が中心輪（１２）とギヤリム（１０）との間に両者と接触した状態で設けられるとともに、中心輪（１２）およびギヤリム（１０）に対して同心円状に設けられ、かつ各遊星輪（１８）が内側レース（２６）を有する状態で、少なくとも３つの遊星輪（１８）を有する遊星ギヤ（１４）、
   動力入力シャフト（４６）、および
   入力シャフト（４６）側に第１フランジ（２４）を有するとともに、反対側に第２フランジ（２５）を有する遊星ギヤ（１４）の支持体（２２）を有する回転速度を加速する遊星ギヤにおいて、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の構成を有する遊星ギヤ。
   
10. 遊星ギヤの定格出力が１〜５ＭＷである請求項９に記載の遊星ギヤ。
    
11. 遊星ギヤに入る寸法モーメントが２，０００，０００〜１０，０００，０００Ｎｍである請求項９または１０に記載の遊星ギヤ。
    
12. 遊星輪の個数が４〜１２である請求項９〜１１のいずれか１項に記載の遊星ギヤ。

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