JP6540167B2 - スプライン接続構造及びスプラインシャフト - Google Patents

Description

本発明は、スプライン接続構造及びスプラインシャフトに関するものである。

従来から、航空機用のジェットエンジン等では、シャフトと回転体とを接続する構造としてスプライン接続構造が用いられている。例えば、ファンのロータや低圧タービンのロータがスプライン接続構造によってシャフトと接続されている。このようなスプライン接続構造は、歯が外周面に等間隔で形成された軸部と、軸部の歯が嵌合される溝が内周面に形成された筒部とが接続された構造を有している。

特開２０１０−５４０２７号公報 特開２００７−１９８４０１号公報 特開平９−１４１３５４号公報

ところで、航空機のジェットエンジン等では、シャフトに作用するトルクが大きいことから、シャフトが回転しているときにシャフトが僅かに捻じれることになる。このような場合であっても、軸部の歯の歯面と筒部との接触面とを広く確保するため、軸部の歯の片側（回転方向の上流側）の歯面に、クラウニングが施される場合がある。クラウニングは、軸部の径方向から見て歯面を中央が膨らむように湾曲させることを意味し、軸部が捻じれた場合に、歯面を平らとするためのものである。

しかしながら、このような歯の片側にクラウニングが施された軸部は、歯が片側の歯面のみが湾曲された複雑な形状を有することから、製造時に歯の両側の歯面を各々砥石で整える作業が必要となる。このような砥石を用いた作業は、一般的に１回の工程で完了するものではなく、目の粗さを変化させながら複数回の工程を要する。このため、従来、軸部の加工には非常に長い時間を要していた。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、クラウニングが施された歯を有する軸部の加工時間を短縮することが可能なスプライン接続構造を提案することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、歯面にクラウニングが施された歯が外周面に等間隔で複数形成された軸部と、上記軸部の歯が嵌合される溝が内周面に形成された筒部とが接続されてなるスプライン接続構造であって、隣り合って対向する２つの上記歯面が、上記軸部の径方向から見て、歯幅方向にて常に同一距離を保って湾曲されているという構成を採用する。なお、歯幅方向とは、スプライン接続構造の軸芯（軸部の軸芯）方向と平行な方向を意味する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記歯面が、上記軸部の径方向から見て一定の曲率半径で湾曲されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記歯面の曲率中心の位置は、上記歯幅方向にて上記歯に作用するトルクの小さい側に設定されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１の発明において、上記歯面は、上記軸部の径方向から見て、曲率半径が異なる曲線が連続的に接続されてなる形状に湾曲されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記歯幅方向にて、上記歯に作用するトルクの小さい側に、曲率半径が大きな曲線が配置されているという構成を採用する。

第６の発明は、スプラインシャフトであって、上記第１〜第５のいずれかの発明であるスプライン接続構造を用いたという構成を採用する。

本発明によれば、軸部において隣り合って対向する２つの歯面が、軸部の径方向から見て、歯幅方向に常に同一距離を保って湾曲されている。このような形状の軸部は、歯の両側の歯面が同じように湾曲された形状となることから、ホブカッタで切削することによって形成することができる。通常、ホブカッタを用いた切削では、ホブカッタを一定速度で回転させながら、軸部を回転させつつ軸芯方向に移動させることによって、砥石による研磨と比較して短時間で直線状に歯を形成する。ここで、軸部の回転速度を途中で連続的に変化させることによって、本来直線状に形成される歯を湾曲させることができる。したがって、ホブカッタによる切削途中に、軸部の回転速度を連続的に変化させることによって、本発明の軸部の形状である歯の両側の歯面が同じように湾曲された形状を短時間で形成することができる。また、歯の片側の歯面が、中央部が膨らむように湾曲した面となることから、クラウニングが施された軸部となる。したがって、本発明によれば、スプライン接続構造に用いられるクラウニングが施された軸部の加工時間を短縮することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造が適用されるジェットエンジンの模式図である。 本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造を説明するための分解斜視図である。 （ａ）が本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造の軸部と筒部とが嵌合された状態の部分拡大図斜視図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造の軸部と筒部とが嵌合された状態を軸部の軸芯方向から見た部分拡大図である。 本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造における軸部の形状を説明するための模式図であり、（ａ）が２つの歯に挟まれる歯溝を軸部の径方向から見た図であり、（ｂ）が歯の側面図である。 本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造における軸部が有する歯の歯面の湾曲状態を説明するための模式図である。 図４（ａ）の位置Ａと中心位置Ｂとにおける歯の断面を重ね合わせた模式図である。 本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造における軸部の形成工程を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が平面図である。 本発明の一実施形態におけるスプライン接続構造の変形例における軸部が有する歯の歯面の湾曲状態を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るスプライン接続構造の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のスプライン接続構造１が適用されるジェットエンジン１０の模式図である。この図に示すように、ジェットエンジン１０は、ファン１１と、圧縮機１２と、燃焼器１３と、高圧タービン１４と、高圧シャフト１５と、低圧タービン１６と、低圧シャフト１７とを備えている。ファン１１は、ジェットエンジン１０の最上流部に配置されており、推進力を生み出すと共に圧縮機１２に供給するための外気を取り込む。このファン１１は、低圧シャフト１７と接続され、低圧シャフト１７によって回転駆動されるロータ１１ａを備えている。このロータ１１ａは、低圧シャフト１７に直接固定される筒部（後述する本実施形態のスプライン接続構造１に含まれる筒部３に相当）、筒部と一体化される円板状のディスク、ディスクの外周部に固定されるファン動翼等を備えている。

圧縮機１２は、ファン１１の下流側に配置されており、ファン１１によって取り込まれた空気を圧縮して下流側に送り出す。燃焼器１３は、圧縮機１２の下流側に配置されており、燃料を圧縮機１２によって圧縮された空気と混合して燃焼させると共に、燃焼によって生成された燃焼ガスを下流側に排出する。高圧タービン１４は、燃焼器１３の下流側に配置されており、燃焼器１３から排出された燃焼ガスを受けて回転動力を生成する。高圧シャフト１５は、高圧タービン１４と圧縮機１２とを接続しており、高圧タービン１４で生成された回転動力を圧縮機１２に伝達する。この高圧シャフト１５は、低圧シャフト１７が内部に挿通される中空のシャフトとされている。

低圧タービン１６は、ジェットエンジン１０の最下流部に配置されており、高圧タービン１４を通過した燃焼ガスを受けて回転動力を生成する。この低圧タービン１６は、低圧シャフト１７と接続され、低圧シャフト１７によって回転駆動されるロータ１６ａを備えている。このロータ１６ａは、低圧シャフト１７に直接固定される筒部（後述する本実施形態のスプライン接続構造１に含まれる筒部３に相当）、筒部と一体化される円板状のディスク、ディスクの外周部に固定されるタービン動翼等を備えている。

低圧シャフト１７は、低圧タービン１６とファン１１とを接続しており、低圧タービン１６で生成された回転動力をファン１１に伝達する。この低圧シャフト１７は、低圧タービン１６のロータ１６ａとの接続箇所及びファン１１のロータ１１ａとの接続箇所とに歯が形成されており、本実施形態のスプライン接続構造１に含まれる軸部２に相当する。

このようなジェットエンジン１０では、ファン１１によって取り込まれた空気を圧縮して下流側に送り出すことで推進力を得ると共にファン１１によって取り込まれた外気の一部が圧縮機１２で圧縮される。また、燃料が燃焼器１３において圧縮機１２で圧縮された空気と混合されると共に燃焼されることで燃焼ガスが生成され、この燃焼ガスが高圧タービン１４と低圧タービン１６とを通過して下流に噴射されることによっても推進力を得ている。

図２は、本実施形態のスプライン接続構造１を説明するための分解斜視図である。本実施形態のスプライン接続構造１は、上述のようなジェットエンジン１０において、低圧タービン１６のロータ１６ａと低圧シャフト１７との接続構造及びファン１１のロータ１１ａと低圧シャフト１７との接続構造として用いられており、軸部２と筒部３とを接続する構造である。

軸部２は、外周面に等間隔で複数形成された歯２ａを有している。歯２ａは、軸部２の軸芯方向に延びて形成されており、断面が略台形状とされている。筒部３は、軸部２が内部に挿通される中空部材であり、内周面に軸部２の歯２ａが嵌合される溝３ａが形成されている。この溝３ａは、軸部２の歯２ａと同様に、断面が略台形状とされている。図３（ａ）は、軸部２と筒部３とが嵌合された状態の部分拡大図斜視図である。また、図３（ｂ）は、軸部２と筒部３とが嵌合された状態を軸部２の軸芯方向から見た部分拡大図である。これらの図に示すように、軸部２が筒部３に挿入されると、軸部２の歯２ａが筒部３の溝３ａに嵌合され、これによって軸部２と筒部３とが周方向に固定される。

図４は、軸部２の形状を説明するための模式図である。（ａ）が２つの歯２ａに挟まれる歯溝を軸部２の径方向から見た図であり、（ｂ）のＧＡ−ＧＡ線断面図に相当する。（ｂ）が歯２ａの側面図である。軸部２は、複数の歯２ａが等間隔で周方向に配列されている。このため、図４（ａ）に示すように、隣り合う歯２ａの歯面２ｂ同士が対向して配置される。本実施形態のスプライン接続構造１では、図４（ａ）に示すように、隣り合って対向する歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、歯幅方向（図４（ａ）の上下方向）にて常に同一距離を保って湾曲されている。つまり、本実施形態のスプライン接続構造１では、図４（ａ）に示すＡの位置における歯面２ｂと歯面２ｂとの離間距離と、Ｂの位置における歯面２ｂと歯面２ｂとの離間距離と、Ｃの位置における歯面２ｂと歯面２ｂとの離間距離とが同一とされた状態で、２つの歯面２ｂが歯幅方向に湾曲されている。

また、図４（ａ）において、軸部２は、歯２ａが右側に移動するように回転駆動される。１つの歯２ａには、軸部２が回転駆動されるときの歯２ａの移動方向の下流側（図４（ａ）の右側）と上流側（図４（ａ）の左側）とに歯面２ｂが存在する。本実施形態のスプライン接続構造１では、これらのうち、下流側の歯面２ｂの歯幅方向の中央が歯２ａの移動方向の下流側に膨出するように歯面２ｂが湾曲されている。

図５は、歯面２ｂの湾曲状態を説明するための模式図である。この図に示すように、この歯面２ｂは、曲率中心Ｏ１を中心とし、曲率半径Ｒ１の円弧に沿って湾曲されている。つまり、本実施形態のスプライン接続構造１では、歯面２ｂは、軸部２の径方向から見て一定の曲率半径Ｒ１で湾曲されている。なお、本実施形態のスプライン接続構造１では、隣り合って対向する歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、歯幅方向にて常に同一距離を保って湾曲されている。このため、全ての歯面２ｂの曲率半径が同一とされている。よって、隣り合って対向する歯面２ｂの各々の曲率中心Ｏ１の位置は、歯面２ｂ同士の離間距離と同一距離分、軸部２の周方向に離間することになる。

また、本実施形態のスプライン接続構造１では、図５に示すように、曲率中心Ｏ１が歯幅方向（図５の上下方向）にて、歯幅方向の中心位置よりも、歯２ａに作用するトルクが小さい側に距離Ｄ３だけ寄って配置されている。つまり、歯面２ｂの曲率中心Ｏ１の位置は、歯幅方向にて歯２ａに作用するトルクの小さい側に設定されている。

例えば、低圧タービン１６と低圧シャフト１７との接続箇所では、回転動力を生成する低圧タービン１６の動翼列が低圧シャフト１７の軸芯方向に複数配列されていることから、ジェットエンジン１０の前方に向かうほどトルクが蓄積されて歯２ａに大きなトルクが作用することになる。このため、低圧タービン１６と低圧シャフト１７との接続箇所に適用されるスプライン接続構造１では、曲率中心Ｏ１は、歯幅方向の中心位置よりもトルクが小さい側、すなわちジェットエンジン１０の後方側に設定されている。また、ファン１１と低圧シャフト１７との接続箇所では、回転動力を消費して回転される動翼列が設置されていることから、ジェットエンジン１０の前方に向かうほどトルクが減少して歯２ａに作用するトルクが小さくなる。このため、ファン１１と低圧シャフト１７との接続箇所に適用されるスプライン接続構造１では、曲率中心Ｏ１は、歯幅方向の中心位置よりもトルクが小さい側、すなわちジェットエンジン１０の前方側に設定されている。

このように、歯面２ｂの曲率中心Ｏ１の位置が歯幅方向にて歯２ａに作用するトルクの小さい側に変位して設定されることによって、歯２ａの移動方向の下流側に向く歯面２ｂにおいて、歯面２ｂの最も下流側に膨出する位置Ｔ（図５参照）が中心位置Ｂよりもトルクが小さい側に変位する。この結果、中心位置Ｂに対してトルクの大きい側に離間した位置Ｃにおける歯面２ｂの位置と上記位置Ｔとの差分距離Ｄ１は、中心位置Ｂに対してトルクの小さい側に等距離離間した位置Ａにおける歯面２ｂの位置と上記位置Ｔとの差分距離Ｄ２よりも大きくなる。軸部２は、歯２ａに作用するトルクが大きい箇所で程、捩れ角が大きくなるため、差分距離Ｄ１を差分距離Ｄ２よりも大きくすることによって、回転中の歯面２ｂをより平面に近づけることが可能となる。

また、歯２ａが形成される軸部の周面は湾曲面であることから、歯面２ｂが上述のように湾曲された歯２ａは、位置Ａでの断面形状に対して中心位置Ｂでの断面形状が、図６に示すように、軸部２の軸芯を中心として軸部２の周方向に角度αで回転した形状とされている。同様に、位置Ｃでの断面形状は、中心位置Ｂでの断面形状に対して、軸部２の軸芯を中心として軸部２の周方向に回転した形状とされている。

なお、図４〜図６の模式図では、歯２ａの歯面２ｂが湾曲されていることを分かりやすく示すために、歯面２ｂの湾曲の程度を実際の湾曲の程度に対して大きくして示している。実際には、図５に示す差分距離Ｄ２が１０００分の数ｍｍ程度となるように歯面２ｂは湾曲されている。このため、歯２ａの歯面２ｂは、人間の目によっては視認できない程度でした湾曲されておらず、軸部２を筒部３に挿入するときには歯面２ｂの湾曲を無視して作業を行うことができる。

このような軸部２は、ホブカッタを用いた加工によって短時間で形成することができる。図７は、軸部２の形成工程を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が平面図である。これらの図に示すように、軸部２は、一定速度で回転されるホブカッタ１００が周面に当てられ、ホブカッタ１００が軸部２の軸芯方向に一定速度で移動されることによって歯２ａが形成される。この時、ホブカッタ１００の回転加速度、移動速度を適宜調整することで、本実施形態のスプライン構造１で用いられる軸部２を形成することができる。

以上のような本実施形態のスプライン接続構造１によれば、軸部２において隣り合って対向する２つの歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、歯幅方向に常に同一距離を保って湾曲されている。このような形状の軸部２は、歯２ａの両側の歯面２ｂが同じように湾曲された形状となることから、上述のように、ホブカッタ１００で切削することによって形成することができる。ホブカッタを用いた切削は、砥石による研磨と比較して短時間で歯を形成することができる。したがって、軸部２は、砥石による研磨によって軸部を形成する場合と比較して短時間で形成することができる。また、軸部２の歯２ａの下流側の歯面２ｂが、中央部が膨らむように湾曲した面となることから、軸部２はクラウニングが施されたものとなる。したがって、本実施形態のスプライン接続構造１によれば、クラウニングが施された軸部２の加工時間を短縮することが可能となる。その他、ピニオンカッタ、シェービングカッタなどの工具を使っても、本実施形態のスプライン接続構造１で用いられる軸部２を形成することができる。

なお、軸部２を形成するための作業時間と、軸部２と同一サイズの軸部を砥石による研磨により形成するための作業時間とを比較したところ、軸部２を形成するための作業時間が１時間であったのに対して、砥石による研磨によって軸部を形成するための作業時間は６時間であった。つまり、軸部２を用いることによって、軸部の形成のための作業時間を６分の１に短縮することができた。

また、本実施形態のスプライン接続構造１においては、歯面２ｂは、軸部２の径方向から見て一定の曲率半径Ｒ１で湾曲されている。このため、軸部２を形成するときに、軸部２の角加速度の絶対値を変化させることなく作業を進めることができる。したがって、軸部２の形成作業を容易に行うことが可能となる。

また、本実施形態のスプライン接続構造１においては、歯面２ｂの曲率中心Ｏ１の位置は、歯幅方向にて歯２ａに作用するトルクの小さい側に設定されている。このため、歯面２ｂの最も膨出する位置Ｔがトルクの小さい側に変位し、トルクが大きい側での差分距離（位置Ｔでの歯面２ｂの位置と対象位置での歯面２ｂの位置との軸部２の周方向における距離）Ｄ１をトルクが小さい側での差分距離Ｄ２よりも大きくすることができる。これによって軸部２が回転されているときの歯面２ｂを、より平面に近づけることができ、軸部２と筒部３との接触面積を広く確保することが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、歯面２ｂが一定の曲率半径Ｒ１で湾曲された構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図８に示すように、トルクが大きい側の領域Ｒａとトルクが小さい側の領域Ｒｂとにおいて、曲率半径を異ならせることも可能である。つまり、歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、曲率半径が異なる曲線が連続的に接続されてなる形状に湾曲されている構成を作用することも可能である。このような構成を採用することによって、軸部２が回転するときに歯面２ｂがより平面に近づくように、歯面２ｂの形状をより柔軟に変化させることが可能となる。このような場合であっても、軸部２は、ホブカッタ１００による切削時における軸部２の回転速度を変化させるのみで短時間で形成することができる。

なお、上述のようにトルクが大きい側の領域Ｒａとトルクが小さい側の領域Ｒｂとにおいて、曲率半径を異ならせる場合には、例えばトルクが大きい側の領域Ｒａの曲率半径Ｒ１よりも、トルクが小さい側の領域Ｒｂの曲率半径Ｒ２を大きく設定する。つまり、歯幅方向にて、上記歯に作用するトルクの小さい側に、曲率半径が大きな曲線が配置された形状に歯面２ｂを湾曲する。これによって、トルクが小さい側での上記差分距離をより小さくすることができる。

また、上記実施形態においては、本実施形態のスプライン接続構造１を、低圧タービン１６と低圧シャフト１７との接続箇所と、ファン１１と低圧シャフト１７との接続箇所に適用する例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、高圧タービン１４と高圧シャフト１５との接続箇所や圧縮機１２と高圧シャフト１５との接続箇所に適用することも可能である。また、図１に示すジェットエンジン１０以外の構成のジェットエンジンや、ジェットエンジン以外の装置に適用することも可能である。

１……スプライン接続構造、２……軸部、２ａ……歯、２ｂ……歯面、３……筒部、３ａ……溝、１０……ジェットエンジン、１１……ファン、１１ａ……ロータ、１２……圧縮機、１３……燃焼器、１４……高圧タービン、１５……高圧シャフト、１６……低圧タービン、１６ａ……ロータ、１７……低圧シャフト、１００……ホブカッタ

Claims (4)

1. クラウニングが施された第１歯面と、前記クラウニングが施されていない第２歯面とを備える複数の歯が、外周面に等間隔で複数形成された軸部と、
   前記軸部の前記複数の歯が、嵌合される複数の溝が、内周面に形成された筒部と、
   が接続されてなるスプライン接続構造であって、
   前記第１歯面は、歯幅方向におけるその中央部が膨らむように湾曲しており、
   隣り合って対向する前記第１歯面及び前記第２歯面が、前記軸部の径方向から見て、前記歯幅方向にて常に同一距離を保って湾曲されており、
   前記第１歯面は、曲率半径が異なる２つの曲線を１つずつ備え、前記軸部の径方向から見て、前記２つの曲線が連続的に接続されてなる形状に湾曲されていることを特徴とするスプライン接続構造。
2. 前記２つの曲線は、
   前記歯幅方向にて、前記歯に作用するトルクの小さい側に配置され、第１曲率半径を備える第１曲線と、
   前記歯幅方向にて、前記歯に作用するトルクの大きい側に配置され、前記第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径を備える第２曲線と、
   であることを特徴とする請求項１記載のスプライン接続構造。
3. 前記第１曲線の曲率中心の位置及び前記第２曲線の曲率中心の位置は、前記歯幅方向にて前記歯に作用するトルクの小さい側に設定されており、前記歯幅方向にて同位置に設定されていることを特徴とする請求項２記載のスプライン接続構造。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のスプライン接続構造を用いたスプラインシャフト。

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