JP6298632B2 - 動力軸内の、特に臨界超過軸内の衝撃を動的に吸収する方法及び前記方法を実施する衝撃吸収アーキテクチャ - Google Patents

Description

本発明は、動力軸内の、特に臨界超過軸内の衝撃を動的に吸収する方法と、この方法を実施する能力を有する衝撃吸収アーキテクチャと、に関する。

特にターボ軸エンジン内の動力回転軸は、その撓みの第１臨界速度を超過しうる公称動作範囲を有する。その名称が示すとおり、超過臨界軸の動作範囲は、その第１臨界速度を常に上回っている。臨界速度を超過した際に発生する共振状態においては、動力軸は、その軸の不均衡によって生じる変形及び歪を増幅する過負荷現象を経験する。

通常は前軸受及び後軸受を有する所与の動力軸のアーキテクチャのモード解析により、臨界速度の値、モード変形の形状、並びに、駆動軸の構成部品の間における、即ち、前軸受、後軸受、及びこれらの軸受を連結している軸の間における歪エネルギーの分布を算出することができる。

所与の臨界超過軸の例示用のモード解析は、その公称速度の７０％である１５０００ｒｐｍに等しい第１臨界速度の値をもたらし、歪エネルギーの分布は、前軸受において、１０％に、後軸受において、３０％に、且つ、軸においては、６０％に等しい。

特に超過臨界軸の使用と関連する増幅された応力を吸収するために、「スクイーズ膜」とも呼ばれる油膜を有する衝撃吸収軸受により、臨界速度を超過した際に生じる過負荷の振幅を制限することができる。

但し、これらの軸は、動力歯システム（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｔｈ ｓｙｓｔｅｍ）を有する場合があり、これには、一般に、動力軸の回転速度が大きい際に航空分野において使用される減速機を有するターボ軸エンジンが当て嵌まる。減速機によれば、受け取り装置（ヘリコプターの主トランスミッションギアボックスや発電機など）に供給するために、動力を変換することができる。このような場合には、動力軸の歯システムの両側に位置する軸受とスクイーズ膜の使用は許されない。その理由は、これらの軸受は、駆動トルクを伝達すると共に係合解除又は早期の損耗を回避するために、噛合力を経験するピニオンの半径方向の変位を制限するために十分な剛性を有していなければならないためである。この場合には、スクイーズ膜は、圧縮可能なように且つその衝撃吸収効果を生成できるように、転動要素システムの半径方向の変位を必要としている。従って、スクイーズ膜の使用は、歯システムの両側に位置するように使用されるこれらの軸受とは両立しない。

歪エネルギーは、１０％を上回っている後軸受においては、常に重要なものとして存在しており、且つ、衝撃吸収は、動力歯システムの存在に起因し、前軸受においては、その実現が困難であるため、減速機及び臨界軸を有するエンジンのアーキテクチャの衝撃吸収システムは、従来、駆動軸の後軸受において構成されている。

但し、いくつかの最近のアーキテクチャにおいては、後軸受が、もはや、モード変形に関与しておらず、従って、これらの後軸受における外部衝撃吸収は不可能である。従って、通常、前軸受に歪エネルギーの約２５％が集中し、且つ、軸に約７５％が集中しており、この結果、衝撃吸収装置として機能しない後軸受は、実際には、変形を吸収していない（１％未満）。従って、駆動ピニオンの軸受が、駆動軸の全体に外部衝撃吸収を提供できる唯一のエリアとなるが、軸内の歪エネルギーの７５％という割合は、受け入れ難いものである。

本発明は、動力歯システムの噛合部を損なうことのないように、前軸受における剛性を維持しつつ、十分な衝撃吸収を提供できるようにするアーキテクチャを提案する。

この課題のために、噛合部下流の軸受に対する延在部として、動的な圧縮性の衝撃吸収が提供されている。

更に厳密には、本発明の目的は、噛合部との関係における上流及び下流軸支持部の組が両側に位置した駆動ピニオンにおいて減速噛合部を有する動力軸内の衝撃を動的に吸収する方法である。このアーキテクチャにおいては、支持部の組は、上流支持部との関係において動力噛合部とは反対側に軸方向にオフセットされた下流衝撃吸収装置を形成するために、少なくとも１つの追加の支持部が軌道運動する圧縮可能な衝撃吸収装置と結合された状態において、下流に延在している。このオフセットされたアーキテクチャにより、動的な衝撃吸収を提供することができる。

特定の実施形態によれば、
−下流の延在は、軸内の歪エネルギーの分布及びこの結果としてもたらされる吸収エネルギーの調節を可能にする剛性調節レバーを形成する可撓性リンクによって実現されており、この結果、可撓性リンクにより、下流衝撃吸収装置の剛性を制御することが可能であり、且つ、従って、良好に軸内の歪エネルギーを分散させることによって臨界速度の影響を限定することが可能であり、
−追加の衝撃吸収装置の下流におけるオフセットは、半径方向の圧縮によって最大限の衝撃吸収を提供するために、この衝撃吸収装置を軸の変形部内に配置するように、反復的に算出され、従って、噛合部の両側には、最適なトルク伝達を提供する２つの剛性軸受が位置している。

又、本発明は、動力軸内の衝撃を動的に吸収すると共に上述の方法を実施する組立体にも関する。この組立体は、減速歯システムの噛合部の両側に位置する動力ローラーを有する上流及び下流軸受を有する。下流軸受は、転動要素が圧縮可能な衝撃吸収装置と関連付けられた状態において、少なくとも１つの追加の軸受と結合することにより、上流軸受との関係において歯システムの噛合部とは反対側に軸方向にオフセットされた下流衝撃吸収装置を形成する。

特定の実施形態によれば、
−２つの下流軸受は、共通ケーシング上に取り付けられた可撓性フレームによって連結されており、
−圧縮可能な衝撃吸収装置は、スクイーズ膜から、特に、可撓性フレームによって軸上においてセンタリングされたスクイーズ膜から構成されており、
−追加の下流軸受の転動要素システムは、ボール軸受又はローラー軸受であってよい。

本発明のその他の特徴及び利点については、以下の添付図面との関連において以下の詳細な例示用の実施形態を参照することにより、明らかとなろう。

駆動ピニオンと連結された前軸受と後軸受の間に取り付けられた従来の動力軸のモード変形の全体的な図である。 本発明に対応したアーキテクチャによる図１の動力軸と連結された減速駆動ピニオンの（部分的な）長手方向半断面図である。 本発明による動的な衝撃吸収装置を装備した動力軸の（部分）斜視図である。 本発明による動的な衝撃吸収装置が存在しない状態における、回転速度の関数としての動力軸の前軸受における歪の図である。 本発明による動的な衝撃吸収装置が存在している状態における、回転速度の関数としての動力軸の前軸受における歪の図である。

以下の説明においては、前又は上流という用語は、軸Ｘ’Ｘに沿って比べると、駆動ピニオンの側に、又はピニオンに近接して、配置された要素の位置に関係しており、下流又は後という用語は、軸Ｘ’Ｘに沿って比べると、駆動ピニオンから離れた、又はエンジントルクを生成する部分に近い要素の位置を表している。更には、同一の参照符号は、同一又は等価な要素を表している。

図１の全体図を参照すれば、タービン１９を駆動するための動力軸１０は、休止状態におけるその軸Ｘ’Ｘとの関連におけるモード変形として、歪エネルギーの約７５％を収容する撓みを示しており、後軸受１８は、衝撃吸収にほとんど関与していない（１％未満）。この結果、減速駆動ピニオン１６がその上部に取り付けられる歯システム１５の両側に位置した前軸受１２及び１４が、吸収されない歪エネルギーの約２５％を支持している。このような分布は、特に共振状態においては、受け入れ不能である。前軸受における転動要素システムが経験する歪が図４ａに示されており、且つ、これについては後述する。

図２（半断面図）及び図３（斜視図）に示されているものなどの本発明に対応したアーキテクチャによれば、前部ピニオンの噛合部を損傷することなしに、硬質のローラー軸受１２ｒ及び１４ｒから構成された前軸受１２及び１４が経験する歪を吸収することができる。軸受１２及び１４は、それぞれ、ねじ及びナット組立体３８及び環状リング３９を通じて、フランジ３６により、ケーシング３２及び３４上において取り付けられている。

このアーキテクチャにおいては、軸１０の方向付けされた軸Ｘ’Ｘに従って第１上流軸受１２との関係において下流に位置する前軸受１４と、追加の下流軸受２０と、が、ケーシング３４の端部において取り付けられている。軸受は、噴出部２４と結合されたダクト２２を通じて潤滑されている。フランジ３６は、穿孔された鋼から製造されたかご型の可撓性フレーム２４と共に軸方向に延在しており、次に軸受２０の外側フレーム２０ａと共に延在している。従って、可撓性フレーム２４は、転動要素システム１４ｒ及び２０ｒを連結しており、これにより、軸受２０の位置は、可撓性フレーム２４を介して、フランジ３６によって維持されている。１つの選択肢として、ねじ及びナット組立体３８ａによって固定されると共に舌部２５と共に軸方向において延在するフランジ２１により、ケーシング３４の保護が可能になっている（フランジ２１及びケーシング３４は、フレームを隠蔽しないように、図３には示されていない）。この例においてはボールであるこの軸受の転動要素システム２０ｒは、駆動軸全体の軸方向の歪を取得しているという意味において、「スラスト」型の転動要素システムである。

ケーシング３４は、有利には、その中央部分において、２つの軸受１４及び２０の間に、穿孔された鋼から製造されたかご型の可撓性フレーム２４を形成している。従って、可撓性フレーム２４との結合を通じて動的な衝撃吸収を提供する軸受２０は、動力歯１５の中央セクションを基準とした際に、上流軸受１２との関係においてオフセットされている。この結果、可撓性フレームにより、軸受２０の剛性を制御することが可能であり、且つ、従って、臨界速度を調節することができる。

可撓性フレーム２４上に取り付けられた追加の軸受２０の動的な衝撃吸収を実現するために、転動要素システム２０ｒは、スクイーズ膜２６と半径方向において組み合わせられている。これは、２つの封止溝２７及び２８の間において軸Ｘ’Ｘに従って軸方向に延在すると共に漏洩レートを制御するために圧縮リング封止体を優先的に含むリング２５と軸受２０の外側フレーム２０ａの間に配置された油膜である。或いは、フレーム上においてセンタリングされる代わりに、スクイーズ膜は、「浮遊」型の軸受外輪（図示されてはいない）によってケーシング３４上において直接取り付けることもできる。

この結果、フレーム２４の可撓性に起因し、軸のモードの遷移の際にスクイーズ膜が吸収する歪エネルギーの割合を調節することが可能であり、例えば、衝撃吸収は、少なくとも約１５％に等しい。従って、このようなアーキテクチャによれば、エネルギーの１５〜２５％が前軸受内において吸収され／エネルギーの７０〜６０％が軸内において吸収され／エネルギーの１５％が吸収されないという分布が可能となる。このような分布は、機械的な観点において、完全に受け入れ可能である。

更には、スペーサ２３によって実現される軸受１４との関係における軸受２０のオフセット位置を表すオフセット「ｄ」は、衝撃吸収軸受２０が軸の変形部内に位置するように、反復的に調節される。嵩を低減するための最短オフセットとモードの衝撃吸収を増大させるための最長オフセットの間において妥協点が求められる。又、オフセットの値は、特に、稼働速度の範囲、歯システム及び軸の長さ、並びに、軸の直径の関数である。オフセット「ｄ」は、スクイーズ膜を最良に圧縮するという効果を有し、この結果、その効率が増大すると共に、特に軸の撓みの臨界速度を超過した際（共振とも呼ばれる）の最大限の衝撃吸収の提供が可能となる。例示用の実施形態においては、オフセット「ｄ」は、４０ｍｍに設定されている。

実際に、この速度を超過した際には―これは、駆動ピニオン内への低トルクの伝達に対応している―、軸は、その独自の不均衡の影響下において、その軸Ｘ’Ｘとの関連において軌道運動を経験する（図１を参照されたい）。可撓性フレーム２４上に取り付けられた衝撃吸収軸受２０は、この運動に追随し、且つ、油膜２６を圧縮させ、これにより、動的な衝撃吸収を増幅する。

更には、動力歯システム１５の両側に位置した軸受の剛性により、エンジントルクが作用している際に、且つ、軸の変形を超過した際又は全速状態にある際にも、歯システムの良好な相互動作を保証することができる。

図４ａ及び図４ｂの各図は、それぞれ、本発明による動的衝撃吸収装置が存在しない及び存在している状態における毎分回転数（ｒｐｍ）を単位とした回転速度Ｖの関数として表された、動力軸の前軸受の組の転動要素システムに作用するニュートンを単位とした歪Ｅ（Ｎ）を示している。

第１曲線Ｃ１（図４ａ）は、特に、１９０００ｒｐｍの臨界速度における軸のモード遷移の際の非常に重要な約４５００Ｎの共振ピークＰ１を示している。生じる歪は、相互に係合した歯システムの早期の損耗又は噛合解除を生成する可能性がある。

第２曲線Ｃ２（図４ｂ）は、上述のタイプのアーキテクチャによって実現される動的な衝撃吸収に起因し、軸が２４０００ｒｐｍの臨界速度を超過した際の重要な歪のピークをもはや示してはいない。記録されたピークＰ２の大きさは、約１６００Ｎに過ぎず、これは、完全に受け入れ可能な状態に留まっている。

本発明は、説明及び図示した例示用の実施形態に限定されるものではない。例えば、エラストマ封止体、圧縮空気、磁気軸受などの、スクイーズ膜以外の圧縮可能な衝撃吸収のタイプを提供することもできる。更には、様々な材料の変更、可撓性の合金、又はワイヤの編組により、可撓性リンクを実現することもできる。更には、正確に調節された前部衝撃吸収の生成を目的とした調節されたレイアウトに従って、いくつかの更なる軸受を設けることもできる。

Claims (6)

1. 動力軸における衝撃を動的に吸収する組立体であって、
   減速噛合部（１５）の両側に位置し、動力ローラー（１２ｒ、１４ｒ）を有し、かつ動力軸（１０）に取り付けられた上流軸受（１２）及び下流軸受（１４）と、
   圧縮可能な衝撃吸収装置（２６）と関連付けられ、転動要素（２０ｒ）を有し、動力軸（１０）に取り付けられた追加の下流軸受（２０）とを有し、前記追加の下流軸受（２０）が、上流軸受（１２）との関係において減速噛合部（１５）の反対側に軸方向にオフセットされた下流衝撃吸収装置（２０、２６）を形成するように下流軸受（１４）の下流側に配置されかつ下流軸受（１４）に結合され、前記組立体がさらに、
   下流軸受（１４）と追加の下流軸受（２０）との間に配置されかつ共通ケーシング（３４）に取り付けられた可撓性フレーム（２４）を有し、可撓性フレーム（２４）が、下流軸受（１４）および追加の下流軸受（２０）を連結する、組立体。
2. 圧縮可能な衝撃吸収装置が、「スクイーズ膜」（２６）から構成される、請求項１に記載の衝撃を動的に吸収する組立体。
3. 「スクイーズ膜」（２６）が、可撓性フレーム（２４）によって動力軸（１０）にその中心が位置合わせされる、請求項２に記載の衝撃を動的に吸収する組立体。
4. 追加の下流軸受（２０）の転動要素（２０ｒ）が、ボール軸受である、請求項１から３のいずれかに記載の衝撃を動的に吸収する組立体。
5. 追加の下流軸受（２０）の転動要素（２０ｒ）が、ローラー軸受である、請求項１から３のいずれかに記載の衝撃を動的に吸収する組立体。
6. 臨界超過軸に適用されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の衝撃を動的に吸収する組立体。
   

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