JP5545844B2 - 遊星歯車減速装置 - Google Patents

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、外歯を有する歯車であるサンギアと、外歯を有して前記サンギアに噛合する歯車である複数のプラネットギアと、各プラネットギアの回転軸を支持して複数のプラネットギア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アに噛合するリングギアとを備えている。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、まずサンギアに入力され、その後プラネットギアに伝達される。プラネットギアに伝達された動力は、２種類の異なる出力として取り出すことができる。すなわち、プラネットギアの自転によるリングギアの回転動力、およびプラネットギアのサンギア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（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第５４６６１９８号明細書

この遊星歯車減速装置が設置される航空機の運転中に、プラネットキャリアに作用する駆動トルクの影響によって、プラネットギアの回転軸であるプラネット軸に曲げ変形が発生する場合がある。この曲げ変形により、プラネットギアとプラネットギアに噛合するサンギアおよびリングギア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。

本発明は、プラネット軸の曲げ変形に起因するミスアライメントの発生が抑制され、寿命性能に優れる遊星歯車減速機構を提供することを目的とする。

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、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、前記複数のプラネットギヤの回転軸であるプラネット軸の一端部に一体的に形成されて該一端部を支持する環状のベースプレートと、複数の前記プラネット軸の他端部を支持する環状のバックプレートとによって複数の前記プラネット軸を支持し、かつ複数のプラネットギヤ間の相対位置決めをするプラネットキャリアとを備えており、前記ベースプレートにおける、各プラネット軸に対応する部分よりも外径側に、軸心方向に貫通する外径側貫通孔が設けられている。

この構成によれば、プラネット軸の剛性を調整、特にはベースプレート側のプラネット軸基端部近傍の剛性をバックプレート側に対して低下させることにより、プラネット軸の曲げ変形が抑制されるので、プラネット軸の軸心の倒れが効果的に抑制される。したがって、プラネット軸に支持されるプラネットギヤとサンギヤとのミスアライメント、およびプラネットギヤとリングギヤとのミスアライメントが低減され、その結果、遊星歯車減速装置の寿命性能が向上する。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、前記ベースプレートとバックプレートとが、軸心方向に延びる複数のキャリア支柱を介して連結されており、前記ベースプレートにおける、各キャリア支柱に対応する部分よりも内径側に、軸心方向に貫通する内径側貫通孔が設けられていることが好ましい。この構成によれば、ベースプレートの剛性をさらに低下させることができ、従来の遊星歯車装置に簡単な変更を加えるのみで効果的にミスアライメントを低減することができる。さらには、遊星歯車装置の軽量化も可能となる。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、さらに、前記複数の内径側貫通孔のうちの２つに対応する部分を通る直線状の溝が設けられていてもよい。この構成によれば、簡単な構造でベースプレートの剛性を低下させることができるとともに、遊星歯車装置の大幅な軽量化が達成される。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、例えば、前記プラネット軸が中空軸として形成されており、該プラネット軸の前記一端部に、径方向に貫通し、前記サンギヤの軸心に対する放射方向に開口する貫通孔が形成されていてもよい。この構成によれば、簡単な構造でプラネット軸の前記一端部の剛性を低下させることができるとともに、遊星歯車装置の大幅な軽量化が達成される。特に、サンギアの軸心に対する放射方向は、プラネット軸の曲げ変形の中立軸にほぼ合致するので、プラネット軸の剛性を過度に低下させることなく、効果的に遊星歯車減速装置を軽量化することができる。

本発明に係る遊星歯車減速装置において、前記一端部近傍の縦弾性係数Ｙ１と、前記他端部の縦弾性係数Ｙ２との比Ｙ１／Ｙ２が、０．０１〜０．５の範囲内に設定されていることが好ましい。縦弾性係数比をこのように設定した場合に、ミスアライメントの発生が特に効果的に抑制される。

このように、本発明の遊星歯車減速装置によれば、簡単な構造によって効果的にミスアライメントの発生が抑制され、寿命性能が大幅に向上する。

本発明の第１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で使用されるベースプレートを前方から見た正面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態に係る遊星歯車減速装置で使用されるベースプレートを前方から見た正面図である。 本発明の第２実施形態に係る遊星歯車減速装置の要部を示す縦断面図である。 ベースプレート側剛性とバックプレート側剛性の比に対してミスアライメントの値をプロットしたグラフである。 図７に示した前列および後列の各ミスアライメント絶対値の差分の絶対値をプロットしたグラフである。 従来の遊星歯車減速装置で使用されるベースプレートを前方から見た正面図である。

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は本発明の第１実施形態に係る遊星歯車減速装置１を示す部分破断斜視図である。この遊星歯車減速機構１は、ヘリコプターまたは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の左下側）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の縦断面図である。図２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、サンギア５、プラネットギア７、リングギア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。サンギア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。プラネットギア７は、サンギア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、サンギア５に噛合している。本実施形態では、後に詳しく説明するように、４つのプラネットギア７が、サンギア５の円周方向に等間隔に配置されている。４つのプラネットギア７の各プラネット軸１３は、その前端が、入力軸３と同一の軸心Ｃ１を有する環状のベースプレート１７に一体的に形成されている。一方プラネット軸１３の後端は、ベースプレート１７と同心に配置される環状のバックプレート１９の、対応する各嵌合孔１９ａに嵌合されている。

中空のプラネット軸１３の内周面には、軸心方向の一端につば２１ａを持つ円筒形状のカラー２１が嵌合挿入されており、このカラー２１の外周面と、プラネット軸１３の内周面の軸方向中央部に形成された凹所との間の隙間が、オイル通路２３を形成している。このオイル通路２３から、プラネット軸１３の周壁を貫通するオイル供給通路２５を介して軸受１５にオイルが供給される。バックプレート１９は、後に詳述するように、ベースプレート１７との間に複数の支柱を介在させた状態で、複数のボルトによりベースプレート１７に連結固定されている。このように支柱を介して互いにボルト連結されたベースプレート１７およびバックプレート１９が、プラネット軸１３およびプラネットギア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ア７間の相対位置が決められている。リングギア９は、複列のはすばからなる内歯を有する歯車であり、４つのプラネットギア７に噛合している。

４つのプラネットギア７の、軸心Ｃ１回りの公転による動力は、ベースプレート１７の外周面に連結されている、入力軸３と同心の前方出力軸を介して駆動力として前側のロータ（図示せず）に出力される。一方、リングギア９の外周は、その後端部が、入力軸３と同心に配置される後方出力軸に連結されており、プラネットギア７の自転軸心Ｃ２回りの回転による動力が、リングギア９を介して駆動力として後側のロータ（図示せず）に出力される。なお、リングギア９を回転不能に設定するか、またはプラネットキャリア１１を回転不能に設定することにより、前方または後方のいずれか一方に動力を出力するように構成してもよい。

図３は、図１の遊星歯車減速装置１のベースプレート１７を前方から見た正面図である。ベースプレート１７に４つのプラネット軸１３が周方向に等間隔に配置されている。各プラネット軸１３には、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である図４に示すように、ベースプレート１７に一体形成された４つのキャリア支柱３５が、周方向に等間隔に配置されている。

図３に示すように、ベースプレート１７には、配置および形状が異なる、複数の種類の軸方向貫通孔が形成されている。具体的には、ベースプレート１７は、各プラネット軸１３に対応する箇所よりも外径側に位置する外径側貫通孔４５、各キャリア支柱３５の中空部分に臨む箇所に位置する支柱部貫通孔４７、および、各キャリア支柱３５に対応する箇所よりも内径側に位置する内径側貫通孔４９を有している。また、ベースプレート１７の後面には、４つの内径側貫通孔４９にほぼ相当する位置を交点とする格子状の溝として形成された薄肉部５１が設けられている。図４に示す薄肉部５１の肉厚Ｔｔは、適宜設定してよいが、本実施形態においては、ベースプレート１７の他の部分の肉厚Ｔｎの約４分の３としている。

さらに、図２に示すように、プラネット軸１３の、ベースプレート１７に一体形成された一端部である軸基端部３３には、周方向の一部を径方向に貫通させた軸基端部貫通孔５３が形成されている。軸基端部貫通孔５３は、軸方向には軸受１５の軌道面と干渉しない範囲に形成される。また、周方向には、図３に二点鎖線で示すように（代表として１つの軸基端部貫通孔５３のみ図示）、例えば、ベースプレート１７の外径側においてはプラネット軸１３の軸心Ｃ２を中心とする中心角９０°の範囲に、内径側においては同中心角１５０°の範囲に形成される。プラネットギア７に作用する駆動力Ｆ１，Ｆ２によりプラネット軸１３に曲げ変形が発生するが、この曲げ変形の中立軸ＮＡは入力軸３の軸心Ｃ１に対する放射方向にほぼ合致しているから、この中立軸ＮＡ付近に大きな軸基端部貫通孔５３を設けて軽量化を図っても、プラネット軸１３の剛性を過度に低下させない。換言すれば、軸基端部貫通孔５３を、サンギア５の軸心Ｃ１に対する放射方向に開口する向きに形成することにより、プラネット軸１３の剛性を過度に低下させることなく効果的に遊星歯車装置１の軽量化を図ることができる。

なお、キャリア支柱３５は、軸心Ｃ１に向かって先すぼまりとなるほぼ等脚台形の横断面形状を有する、ベースプレート１７と一体的に形成された中空の部材であり、図４に示すように、キャリア支柱３５の先端面にバックプレート１９を重合させた状態で、バックプレート１９、キャリア支柱３５の中空部、およびベースプレート１７を挿通する複数（本実施形態では４つ）のボルト４１およびナット４３によってバックプレート１９をベースプレート１７に対して締め付け固定している。なお、ベースプレート１７、バックプレート１９およびキャリア支柱３５は、一体的に形成されていてもよい。

上記第１実施形態に係る遊星歯車減速装置１によれば、以下の効果が得られる。

図１の遊星歯車減速装置１が設置されるヘリコプターの運転時に、入力軸３が矢印Ｑの方向に回転しており、この入力軸３のサンギア５の駆動力が、プラネットギア７に矢印Ｆ１方向に作用する。プラネットギア７の駆動力はリングギア９に伝達されるので、プラネットギア７にはその反力が矢印Ｆ２方向に作用する。前記Ｆ１方向およびＦ２方向が同一であることから、プラネット軸１３に曲げ変形が発生する。図９に示すベースプレートを有する従来の遊星歯車減速装置の場合には、このプラネットキャリアの曲げ変形により、プラネット軸の回転軸心方向の平行度が低下し、プラネットギアと他のギアとの間にミスアライメントが生じる。しかしながら、第１実施形態においては、図３に示すベースプレート１７に、上記の各貫通孔４５、４７、４９を形成し、ベースプレート１７の後面に薄肉部５１を設け、さらに、プラネット軸１３の軸基端部３３に軸基端部貫通孔５３を形成したので、ベースプレート１７および軸基端部３３の周辺の剛性が低く、柔軟である。

その結果、プラネット軸１３の曲げ変形が抑制されるので、プラネット軸１３の、軸心Ｃ１に対する平行度が大きく低下することがなく、プラネットギア７とサンギア５とのミスアライメント、およびプラネットギア７とリングギア９とのミスアライメントが低減される。すなわち、前方出力軸に連結されているベースプレート１７およびベースプレート１７側の軸基端部３３に貫通孔や薄肉部を形成して、これらの部材を構成する材料の肉量を削減し、剛性を低減したことにより、プラネットギア７と、これに噛合する各歯車５，９との間のミスアライメントが低減され、遊星歯車減速装置１の寿命が向上する。しかも、上記のような効果を、簡易な構造によって得ることができるので、大幅な設計変更やコストの増加を要しない。

また、このように、ベースプレート１７および軸基端部３３に、貫通孔４５，４７、４９、５３や薄肉部５１を形成した場合には、ベースプレート１７や軸基端部３３の剛性を低下させてミスアライメントの抑制が可能となるのみならず、遊星歯車減速装置１の軽量化にも寄与することができる。特に、支柱部貫通孔４７は、ベースプレート１７の剛性を過度に低下させることなく遊星歯車減速装置１を軽量化できる。

図５は、本発明の第２実施形態に係る遊星歯車減速装置１の要部を示す縦断面図である。この第２実施形態は、第１実施形態とほぼ同様の構造を有するが、ベースプレート１７には、第１実施形態の外径側貫通孔４５、支柱部貫通孔４７、内径側貫通孔４９、およびベースプレート薄肉部５１が形成されておらず、また、プラネット軸１３に軸基端部貫通孔５３が形成されていない。代わりに、ベースプレート１７の、各プラネット軸１３の外周側に対応する位置に、スリット５９が形成されている。スリット５９は、ベースプレート１７を軸心方向に貫通する、プラネット軸１３と同心の円弧状の孔として形成されており、内径側、つまり軸心Ｃ１側のほぼ半周に渡って延びている。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、プラネット軸１３の外周側に対応する位置に、軸方向の貫通孔であるスリット５９を形成したことにより、図６の縦断面図に示す、軸基端部３３周辺部の剛性が低下する。したがって、プラネットギア７と、これに噛合する各歯車５，９との間のミスアライメントが低減され、遊星歯車減速装置１の寿命が向上する。しかも、上記のような効果を、ベースプレート１７にスリット５９を形成するという変更のみによって得ることができるので、大幅な設計変更やコストの増加を要しない。

なお、出力側のベースプレート１７の、軸基端部３３の剛性を低減させる構造として、上記で説明した第１および第２実施形態において、ベースプレート１７および軸基端部３３において、貫通孔を形成すること、および肉厚を減ずることを例示したが、貫通孔および薄肉部の形状および配置は、第１および第２実施形態で示したものに限られない。すなわち、ベースプレート１７の、特に軸基端部３３の周辺の剛性を効果的に低下させることが可能であれば、ベースプレート１７に形成する貫通孔および薄肉部の形状および配置は任意に選択できる。さらには、ベースプレート１７や軸基端部３３の近傍の剛性を低減することが可能な構造であれば、貫通孔や薄肉部に限らず採用することができる。

いずれの構造によって剛性を低下させる場合にも、出力側であるベースプレート１７側の軸基端部近傍の剛性Ｙ１と、その反対側のバックプレート１９側の軸先端部近傍の剛性Ｙ２の比Ｒが、Ｒ＝Ｙ１／Ｙ２＝０．０１以上かつ０．５以下の範囲内となるように設定した場合に、ミスアライメントがより効果的に低減されることが実験により確認された。

剛性比Ｒのより好ましい範囲について以下に説明する。図７に示すグラフは、ベースプレート側剛性Ｙ１とバックプレート側剛性Ｙ２の比Ｒを変化させた場合のミスアライメントの値を、複列のプラネットギア７の前列および後列の各歯車について、シミュレーション計算によって求めてプロットしたものである。図７（Ａ）はプラネットギア７とリングギア９との噛み合い位置におけるミスアライメントの値を、（Ｂ）はプラネットギア７とサンギア５との噛み合い位置におけるミスアライメント値を、それぞれ示している。各グラフの横軸は、剛性Ｙ１およびＹ２を縦弾性係数（ヤング率）として求めた場合の比Ｒを表わしている。また、縦軸は、ミスアライメントの大きさを角度（°）で表わした値を、運転停止時を０とした場合の絶対値で表わしている。

すなわち、図７（Ａ）、（Ｂ）は、ミスアライメントの大きさを、方向を加味した相対値で表わした場合に負の値となる部分（ここでは左側の部分）を、横軸（ミスアライメント＝０）を折返し線として、正の値側に折り返して表わしたグラフを示している。さらに、図８は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示した前列および後列の各ミスアライメント絶対値の、差分の絶対値をプロットしたグラフである。

図７（Ａ），（Ｂ）の各グラフにおいて、グラフの右側から左側に行くほど、つまり、ヤング率比Ｒが小さくなるほど、ベースプレート１７側の剛性がバックプレート１９側に対して低下した状態を示す。図７から分かるように、Ｒの値を低下させるにしたがって、すなわち、ベースプレート１７側の剛性をバックプレート１９側に対して低下させるにしたがって、前列及び後列いずれの歯車の噛み合わせ部分においても、ミスアライメントの値が減少する。ただし、ベースプレート１７側の剛性を低下させ過ぎた場合には、ミスアライメントが逆方向に大きくなる。

さらに、図８においては、縦軸の値である差分の絶対値がゼロの場合に、前列と後列とのミスアライメントの大きさが等しく、前列および後列における噛み合い状態が均一となる。図７および図８に示した結果から、ミスアライメントを小さくするための、軸基端部近傍の剛性Ｙ１とその反対側のバックプレート側の軸基端部近傍の剛性Ｙ２との比Ｒのより好ましい範囲は、０．０１以上かつ０．０５以下であり、さらに好ましくは０．０１５以上かつ０．０４以下である。

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
５ サンギア
７ プラネットギア
９ リングギア
１１ プラネットキャリア
１３ プラネット軸
１７ ベースプレート
１９ バックプレート
３５ キャリア支柱
４５ 外径側貫通孔
４７ 支柱部貫通孔
４９ 内径側貫通孔
５１ 薄肉部

Claims (4)

1. 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、
   前記複数のプラネットギヤの回転軸であるプラネット軸の一端部に一体的に形成されて該一端部を支持する環状のベースプレートと、複数の前記プラネット軸の他端部を支持する環状のバックプレートとによって複数の前記プラネット軸を支持し、かつ複数のプラネットギヤ間の相対位置決めをするプラネットキャリアと、
   を備え、
   前記ベースプレートは、前記複数のプラネットギヤの公転による動力を出力する出力軸に連結されており、
   前記バックプレートは、複数の支柱を介して前記ベースプレートに連結されており、
   前記ベースプレートのみにおいて、各プラネット軸に対応する部分よりも外径側に、軸心方向に貫通する外径側貫通孔が設けられていることにより、前記プラネット軸の一端部が前記ベースプレートに支持された状態で、前記ベースプレートの剛性が前記バックプレートの剛性に対して低く設定されている遊星歯車減速装置。
2. 請求項１において、前記ベースプレートとバックプレートとが、軸心方向に延びる複数のキャリア支柱を介して連結されており、前記ベースプレートにおける、各キャリア支柱に対応する部分よりも内径側に、軸心方向に貫通する内径側貫通孔が設けられている遊星歯車減速装置。
3. 請求項２において、前記ベースプレートの後面に、前記複数の内径側貫通孔のうちの２つに対応する部分を通る直線状の溝が設けられている遊星歯車減速装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記プラネット軸が中空軸として形成されており、該プラネット軸の前記一端部に、径方向に貫通し、前記サンギヤの軸心に対する放射方向に開口する貫通孔が形成されている遊星歯車減速装置。

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