JP6188694B2 - 粘弾性パッチを利用するピニオンの振動の減衰 - Google Patents

Description

本発明は、歯車の技術分野に関し、より詳細には、但し排他的ではなく、タービンエンジンの減速歯車装置において見られるものに関する。本発明は、より詳細には歯車において、特にはタービンエンジンの減速歯車または速度減速歯車において生じる可能性のある振動の減衰の問題に関する。

高速で回転駆動される歯車において生じやすい振動は、このような歯車に損傷を与える恐れがあることがよく知られている。そのような理由で、このような振動を減衰させることが望まれている。

これを行うために、歯車の歯を担持するリムの下に配置された分割された環状の金属リングを使用することが特に知られている。一般に、金属リングは、歯車の回転軸を中心に同心状に、リムの内周面内に形成された環状溝の中に収容される。

この解決法によって、振動をかなり抑えることが可能であるが、それでもなお、それは、リングの摩耗、およびオイル回路内に望ましくない金属削り屑が発生するという潜在的な欠点を提示する。

別の解決法は、振動挙動に対して歯車の形状を適合させることであり、これには歯車の重量を増大させるという不利な作用がある。

さらに別の解決法は、粘弾性材料を備える振動減衰装置を使用することである。この解決法は、仏国特許第２６６４６６７号明細書および英国特許第２４６３６４９号明細書に具体的に記載されている。

歯車の回転軸の方向に沿って考慮してみると、粘弾性材料は、鋼製の支持部材とストレッサー要素との間にしっかりと固定される。振動減衰装置は、支持部材を介して歯車に固定され、支持部材は、半径方向の応力の下にリム内に形成された環状溝の中に収容される。この減衰装置は、剪断における減衰作用を行う。この装置の欠点は、支持部材と歯車のリムとの間の金属同士の摩擦が、改めて摩耗および金属削り屑が生じ得ることである。

仏国特許第２６６４６６７号明細書 英国特許第２４６３６４９号明細書

本発明の目的は、改良された振動減衰装置を含む歯車を提供することである。

本発明は、軸方向および半径方向に延在する歯車に関し、歯車は、軸方向の環状リムを担持する半径方向のウェブを備えており、前記リムが歯車の歯を担持し、前記ウェブが振動減衰装置を備えており、振動減衰装置は、粘弾性材料の層と、裏当て層とによって構成されており、粘弾性材料の層は、半径方向のウェブと裏当て層との間に軸方向に配置され、粘弾性材料の層はウェブに直接固定される。

ウェブは、歯車の回転軸に対して直交するように延在してよい、あるいは歯車の回転軸に対して９０°未満の角度を形成する場合もあることを理解することができる。一般に、ウェブは、歯車の回転軸に対して４５°から９０°の範囲内にある角度を形成する。好ましくは、ウェブは、歯車の回転軸に対して６５°から９０°の範囲内にある角度を形成する。当然、この角度を測定する目的で、この角度は常に、ウェブと測定される歯車の回転軸との間に形成される最も小さい角度である。以下で、用語「半径方向の長さ」および「軸方向の厚さ」は、それぞれ、実質的に半径方向である方向で（すなわち、半径方向に対して０°から４５°の範囲内にある角度で）当該要素（例えば、ウェブまたは振動減衰装置）に平行に測定された長さと、実質的に軸方向である方向で（すなわち、軸方向に対して０°から４５°の範囲内にある角度で）考慮中の要素に直交するように測定された厚さとを指すのに使用される。

振動減衰装置は、２つの層のみによって、すなわち粘弾性材料の層と、裏当て層（または剛性材料の層）とによって構成される。さらに、粘弾性の層は、ウェブに直接固定されており、このことは上記に記載した従来技術とは異なることを意味しており、すなわち歯車と粘弾性材料の層との間に支持部材は存在しない。

本発明の別の利点は、歯車内に形成される環状溝が存在する必要がないことである。よって本発明の歯車は、振動減衰装置を収容する環状溝を持たない。具体的には、このような溝の欠点は、それが、特殊な寸法決定要件を満たす必要のある区域において形状の不連続性および応力の集中を生じさせる点であり、このことは、この部分に関する機械的な強度を保証するために厚さを大幅に増大させる必要がある場合がある。本発明によって、減衰装置は、歯車のウェブに直接固定される。これにより、形状の突然の変化が生じるのを回避し、重量の観点において歯車の寸法決定を大幅に改善することが可能になる。

本発明の別の利点は、減衰装置が２つの層のみを有する点にある。具体的には、層の数が多くなる程、減衰作用を制御し、それを再現するのがより困難になる。

さらに粘弾性材料の層と歯車との間に支持部材がないため、本発明の振動減衰装置は、支持部材の特性によって妨害されることがない。

本発明者等は、本発明の減衰装置をウェブ上に位置決めすることにより、満足のいく振動の減衰レベル、すなわち従来技術においてリム上に配置された減衰装置によって獲得されたものと少なくとも同等のレベルを獲得することが可能になることを驚きと共に観察した。ウェブ上に配置されることにより、本発明の減衰装置は、とりわけ、但し排他的ではなく、ウェブの振動モードおよび／またはウェブとリムの合わさった振動モードを減衰させることを可能にする。

さらに、従来技術では減衰作用が剪断において獲得されるのに対して、本発明では圧縮によって振動減衰作用を獲得することが可能である。所与の振幅の振動に関して、ならびにモードおよび考慮中の要素（リムまたはウェブ）とは無関係に、本発明者等は、本発明の振動減衰装置を利用して獲得される圧縮減衰作用が、従来技術の剪断減衰作用と正に同じくらい有効であることを驚きと共に確認した。

ウェブの振動モードまたはウェブとリムの合わさった振動モードは、実質的に軸方向である方向におけるウェブの変形を生じる。よってウェブに直接固定された振動減衰装置は、実質的にこの軸方向にウェブによって駆動される。故に、粘弾性材料の層および裏当て層が、ウェブに直交し、ウェブが変形する方向に対して実質的に平行する方向に連続して配置されるため、裏当て層はその慣性を利用して、ウェブの変形運動に対抗する粘弾性材料の層に対して牽引力／圧縮力をおよぼす。ウェブの、およびより一般的には歯車の軸方向の振動運動は、これにより平衡され、減衰される。当然、歯車の回転軸が実質的に水平方向に（重力の方向に対して）配置される場合、減衰装置の減衰効果は、とりわけ裏当て層の質量のために、剪断における成分を有する場合もある。それでもなお、減衰作用は、歯車の振動モードに対する減衰装置の反作用の軸方向の成分（すなわち圧縮における）によって大部分行われる。

したがって本発明を利用することで、従来技術の歯車と比べて歯車の種々の要素の厚さ、とりわけウェブの軸方向の厚さを減少することが可能であり、これにより歯車の重量を削減することが可能になる。さらにウェブの厚さが、従来技術の歯車より小さくなる（およびウェブがこれにより、より軽量になる）ため、その重量を削減させる目的でウェブを貫通する可能な穴を作製する必要がなくなり、この場合このような穴は一般に、前記ウェブの剛性と機械的な強度との平衡を乱し、それらを低下させる。

有利には、振動減衰装置は、環状の形状である。減衰装置は、連続する、分割された、または当然のことながら複数のセグメントでのリングの形態であってよい。

さらに、裏当て層が、好ましくは、粘弾性材料の層の半径方向の長さより長い半径方向の長さを有することで、裏当て層が粘弾性材料を半径方向に覆うことが可能になり、これより粘弾性材料を保護するように機能する。それでもなお、裏当て層は、粘弾性材料の長さより短い特定の長さを等しく有する場合もある。一例として、振動減衰装置の半径方向の長さは、３５ｍｍの半径方向の長さを有する半径方向のウェブに関して５ミリメートル（ｍｍ）から１５ｍｍの範囲内にあってよい。

好ましくは、粘弾性材料の層は、０．１ｍｍから３ｍｍの範囲内にある軸方向の厚さを有する。当然、粘弾性材料の層の厚さは、減衰作用に関する振動数に適合させるべきである。また好ましくは、裏当て層は、０．５ｍｍから２ｍｍの範囲内にある軸方向の厚さを有する。さらにより好ましくは、裏当て層は、およそ１ｍｍの軸方向の厚さを有する。

裏当て層を構成する材料について、粘弾性層の材料よりも剛性な材料を選択することが好ましい。裏当て層に関して、とりわけ、例えば鋼などの金属材料、または、複合材料などの任意の他の剛性材料、または当然のことながらプラスチック材料を選択することが可能である。粘弾性材料は、好ましくはエラストマーである。

好ましくは歯車は、ハブを含み、振動減衰装置は、ハブより環状リムに近づけて配置される。したがって減衰装置は、ウェブの変形がその最も大きな振幅を有する場所に配置され、これによりとりわけウェブの軸方向の振動に対する減衰装置の反作用を改善する。歯車における、とりわけウェブにおける、またはウェブとリムを備える組立体における振動の減衰作用は、このように改善される。

好ましくは半径方向のウェブは、実質的に切頭円錐形の形状であり、振動減衰装置は、この切頭円錐形状の内側の面に配置される。

ウェブが、歯車の回転軸に対して９０°未満の角度を形成する場合、ウェブは、円錐台の一般的な形状を有する（すなわち、それは切頭円錐形の形状である）ことを理解することができる。したがって「実質的に切頭円錐形」である形状を有するウェブは、歯車の回転軸に対して傾斜する環状形状の少なくとも１つの領域を有するウェブであり、この傾斜する環状形状は場合によって、凹面形（ボウル形状）、凸面形（トランペット形のベルの形状における）、矩形（切頭円錐形状）またはこれらの形状の中間である特定の形状である軸方向のセクション（実質的に切頭円錐形の軸を含む面内のセクション）を有する。減衰装置をウェブによって形成される円錐台の内側に配置することによって、圧縮減衰作用が改善され、これはとりわけ歯車の回転による遠心力によるものである。

当然、一変形形態では、歯車は、少なくとも２つの振動減衰装置を含む。これらの２つの減衰装置は、ウェブの同じ側に配置される場合も、あるいはそれらはウェブの相対する側（すなわちウェブの両側）に配置される場合もある。別の変形形態では、歯車はウェブに固定された１つまたは複数の減衰装置と、リム（詳細にはリムの軸方向の周辺面上）に固定された１つまたは複数の装置を提示する。

本発明の有利な一実施形態では、歯車は、ピニオンであり、例えばタービンエンジンの出口減速歯車または中間減速歯車である。

本発明はまた、本発明の歯車を含むタービンエンジン、例えばヘリコプタータービンエンジンを提供し、その場合前記歯車は、減速ピニオンである。

本発明はまた、本発明の歯車を作製する方法を提供し、前記方法は、粘弾性材料の層を半径方向のウェブ上に蒸着するステップを含む。

好ましくは歯車が設けられ（最初は、振動減衰装置を持たない）、事前に互いにしっかりと固定された粘弾性材料の層と、裏当て層とによって構成される振動減衰装置が設けられ、粘弾性材料が、半径方向のウェブの面に対して蒸着されることで、減衰装置を歯車に接着する。

一変形形態において、作製方法はまた、粘弾性材料を裏当て層、および歯車のウェブの面に対して同時に蒸着するステップを含む場合もある。

別の変形形態では、歯車を作製する方法は、粘弾性材料の層を半径方向のウェブ上に接着剤によって接着するステップを含む。よって粘弾性材料の層とウェブの間に接着剤の膜が存在する。

本発明は、非制限的な例によって、および添付の図面を参照して与えられる本発明の一実施形態の以下の記載を読むことでより適切に理解することができる。

本発明の歯車を含むヘリコプタータービンエンジンを示す図である。 振動減衰装置を含む本発明の歯車の軸方向の断面図である。 振動減衰装置を示す図２の詳細な図である。 図２の歯車の断片的な斜視図である。

図１は、タービンエンジン１０、具体的にはヘリコプタータービンエンジンを示す。従来のやり方において、このタービンエンジン１０は、ガス生成器１２と、燃焼室１６を出る燃焼ガスのストリームによって回転駆動されるフリータービン１４とを備える。フリータービン１４は、シャフト２０の一方の端部にしっかり留められたタービンホイール１８を有する。シャフト２０の他端には、中間ピニオン２４と噛み合う一次ピニオン２２がある。中間歯車２４は、一次歯車２２によってその軸Ａを中心に回転駆動され、本発明により出口ピニオン２６と噛み合う。中間歯車２４と出口歯車２６は、タービンエンジン１０の減速歯車装置２７の一部を形成する歯車である。出口歯車２６は、中間歯車２４によってその軸Ｂを中心に回転駆動され、ヘリコプター（ここには示されない）のメイン歯車装置に結合するために出口シャフト２８に接続される。

当然、本発明は、例えばタービンが連結されるタービンエンジンなどの他のタイプのエンジンおよびタービンエンジンに適用することもできる。

タービンエンジンが作動している間、中間歯車２４および出口歯車２６は振動を受ける。上記に挙げたように、本発明の目的はそのような振動を減衰させることである。

この例において、出口歯車２６はこのように本発明による歯車である。本発明の範囲を超えることなく、中間歯車２４もまた、本発明の歯車であり得る。換言すると、本発明は、中間歯車２４および／または出口歯車２６に適用することができる。

図２を参照して、本発明による出口歯車２６のより詳細な記載が続く。

この軸方向の断面図に見ることができるように、出口歯車２６は従来より、ハブ３２と環状リム３４との間に半径方向に延在する半径方向のウェブ３０を備える。ウェブ３０は、歯車２６の回転軸Ｂに対して９０°未満の角度αを形成する。この例ではα＝７０°である。

環状リム３４は、第１の円周面、すなわち外周面３６と、第２の円周面、すなわち内周面３８とを有する。内周面および外周面は、軸Ｂを中心に環状になるように延在する。図４を参照すると、外周面３６が歯車の歯４０を担持するのを見ることができる。

半径方向のウェブ３０は、切頭円錐形状であり、切頭円錐形の内側にある内部の切頭円錐面３０ａと、切頭円錐形の外側にある外部の切頭円錐面３０ｂとを有する。

本発明によると、内部の切頭円錐形面３０ａは、振動減衰装置４２を備えており、これは粘弾性材料の層４４と、裏当て層４６によって構成されている。換言すると、振動減衰装置４２は２つの層のみを有する。さらに本発明によると、粘弾性材料の層４４は、ウェブ３０、より具体的にはウェブ３０の内部の切頭円錐面３０ａと裏当て層４６との間に軸方向に（すなわち軸Ｂによって規定される方向に沿って）配置される。したがってこの非制限的な例において、粘弾性材料の層は、内部の切頭円錐面３０ａと裏当て層４６の両方に対して固定されることを理解することができる。

図３において見ることができるように、本発明によると、粘弾性材料の層４４は、ウェブ３０の内部の切頭円錐面３０ａに直接固定される、すなわち粘弾性材料の層４４とウェブ３０との間に結合部材は存在しない。さらに歯車２６、より具体的にはウェブ３０には、環状溝がない。

本発明の出口歯車２６を作製するために、振動減衰装置４２を接着剤によって、あるいは粘弾性材料の層４４を半径方向のウェブ３０の内部の切頭円錐面３０ａに対して蒸着することによって、半径方向のウェブ３０にしっかり留めるステップが行われ、出口歯車２６が金属で作製されることになる。

したがって減衰装置４２がウェブ３０に貼り付けられる際、粘弾性材料の層４４とウェブ３０の内部の切頭円錐面３０ａとの間に接着剤の膜が存在する場合があることを理解することができる。

さらに裏当て層４６は、粘弾性材料の層４４に接着剤によって接着される、またはそれに対して蒸着される場合がある。

粘弾性材料の層４４は、ウェブ３０の内部の切頭円錐面３０ａに対して蒸着される。

図４を参照すると、振動減衰装置４２は、環状の形状を有し、事実上半径方向のウェブ３０の内部の切頭円錐面３０ａの環状ストリップ全体を覆うように延在している。有利には、振動減衰装置４２は、分割され、すなわち、好ましくは減衰装置４２の全体の軸方向の厚さおよび全体の半径方向の長さにわたるように延在するスロット４８を有する。１つの利点は、振動の吸収を改善する目的で、裏当て層４６の能力を改善して、歯車の形状および変形に適合することである。

図３に見ることができるように、裏当て層４６は、粘弾性材料の層４４の長さと実質的に等しい半径方向の長さｌを有する。裏当て層４６の半径方向の長さｌは、粘弾性材料の層４４のものよりわずかに大きい場合もある。裏当て層４６が半径方向に粘弾性材料の層４４を覆うということは、周辺環境との相互作用およびそこからの攻撃的な作用（輸送、出荷、流体との接触など）を制限するために粘弾性材料の層４４を保護する働きをする。

この例において、振動減衰装置４２は、ハブ３２よりも環状リム３４に対して半径方向により近づくように配置される。それでもやはり、ウェブ３０の特定の変形モードを減衰するために一部の他の区域に半径方向に配置される場合もある。

非制限的な例によれば、粘弾性材料の層４４の軸方向の厚さｅ１は、０．５ｍｍから３ｍｍの範囲内にあり、その一方で裏当て層４６の軸方向の厚さｅ２は０．５ｍｍから２ｍｍの範囲内にある。これらの厚さは、歯車２６の寸法、減衰すべき振動数、および上記に挙げた２つの層に関して選択された構成要素の材料に応じて選択されてよい。この例では、粘弾性材料は、ニトリルタイプのエラストマーであり、その一方で裏当て層は、鋼でできており、随意選択で何らかの他の材料、例えば金属、複合材料さらにはプラスチック材料を選択する場合もあり得ることが理解される。

振動減衰装置４２の半径方向の長さｌ（この例では、粘弾性材料の層および裏当て層の半径方向の長さに等しい）は、５ｍｍから１５ｍｍの範囲内にあるため、その厚さより大幅に大きい。

粘弾性材料の層４４は、圧縮するように作用する。よっておよそ５キロヘルツ（ｋＨｚ）から３０ｋＨｚにおよぶ振動数範囲にわたり振動の圧縮によって減衰を実現することが可能である。振動を減衰することによって、出口歯車２６の重量を大幅に削減することを可能にし、特には、リム、ウェブおよび／またはハブの厚さを減少することが可能になる。重量の削減は、出口歯車２６に関しておよそ２０％である。中間歯車２４に関しても同様の結果を得ることができる。

Claims (9)

1. 軸方向および半径方向に延在し、軸方向の環状リム（３４）を担持する半径方向のウェブ（３０）を備え、前記リム（３４）が歯車の歯（４０）を担持する歯車（２６）にして、前記ウェブ（３０）が、粘弾性の層（４４）と、裏当て層（４６）によって構成される振動減衰装置（４２）を備え、粘弾性材料の層（４４）が、半径方向のウェブ（３０）と裏当て層（４６）との間に軸方向に配置され、粘弾性材料の層（４４）がウェブ（３０）に直接固定される歯車（２６）であって、
   半径方向のウェブ（３０）が、実質的に切頭円錐形の形状であり、振動減衰装置（４２）が、切頭円錐形の内側に配置されることを特徴とする、歯車（２６）。
2. 振動減衰装置（４２）が、連続する、分割された、または複数のセグメントでのリングの形態であることを特徴とする、請求項１に記載の歯車。
3. 裏当て層（４６）が、少なくとも粘弾性材料の層（４４）の長さに等しい半径方向の長さを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の歯車。
4. 粘弾性材料の層（４４）が、０．１ｍｍから３ｍｍの範囲内にある軸方向の厚さ（ｅ１）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の歯車。
5. 裏当て層（４６）が、０．５ｍｍから２ｍｍの範囲内にある軸方向の厚さ（ｅ２）を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の歯車。
6. 歯車がハブ（３２）を含んでおり、振動減衰装置（４２）が、ハブ（３２）より環状リム（３４）により近づけて配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の歯車。
7. 前記歯車がピニオン（２６）である、請求項１から６のいずれか一項に記載の歯車を含むタービンエンジン（１０）。
8. 粘弾性材料の層（４４）を半径方向のウェブ（３０）上に蒸着するステップを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の歯車を作製する方法。
9. 粘弾性材料の層（４４）を半径方向のウェブ（３０）上に接着剤により接着するステップを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の歯車を作製する方法。

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