JPWO2012029121A1 - 遊星歯車機構、軸受構造、風力発電装置、及び遊星歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

遊星歯車機構が、遊星歯車と、遊星歯車に挿入される遊星ピンとを備えている。遊星歯車は、外周面に歯が形成され、貫通穴が設けられた歯車部材と、貫通穴に挿入され、遊星ピンが挿入される挿入穴が設けられる中間ハウジングと、中間ハウジングの挿入穴に接合された複数のすべり軸受部材とを備えている。複数のすべり軸受部材が、遊星ピンと遊星歯車とを回転可能に保持するすべり軸受を構成している。

Description

本発明は、遊星歯車機構、軸受構造、及びそれを用いた風力発電装置に関し、特に、遊星歯車機構の遊星歯車に適した軸受構造に関する。

遊星歯車機構は、増速機・減速機として広く用いられる機構の一つである。遊星歯車機構は、少ない段数で大きな減速比が得られ、また、大きなトルクが伝達できるという利点がある。このような利点は、風力発電装置において好ましく、遊星歯車機構は、風力発電装置の増速機として広く採用されている。

遊星歯車機構を風力発電装置に適用する場合における一つの問題は、遊星歯車の軸受の寿命である。遊星歯車機構を風力発電装置の増速機として使用した場合、遊星歯車の軸受に大きな荷重がかかる。遊星歯車機構の遊星歯車の軸受としては、現在、転がり軸受が使用されることが多いが、転がり軸受に大きな荷重がかかると、寿命の低下を招く。特に、近年に開発されているような大出力の風力発電装置では、荷重の増大は重大な問題である。

発明者は、遊星歯車の軸受の長寿命化と小型化を達成するための手法として、遊星歯車の内周に設けられる軸受としてすべり軸受を用いることを検討している。すべり軸受は、流体油膜圧力で荷重を受けるため、大きな荷重に耐えられる。大きな荷重に耐えられるすべり軸受を適用すれば、メンテナンスフリーの遊星歯車機構を実現できる可能性もある。

すべり軸受の使用においては材質・構造の選択が寿命に大きな影響を及ぼす。特に、風力発電装置のように、荷重が非常に大きな装置の遊星歯車機構の遊星歯車に適用されるすべり軸受においては、荷重に耐えられるように材質・構造の選択することが求められる。例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材その他の樹脂材料でできた表面層をバックメタルで裏打ちした構造のすべり軸受は、高負荷に耐えられるすべり軸受の構造の一つである。

その一方で、高負荷に耐えられるすべり軸受は、成形可能な形状に制約がある場合があり、これは、遊星歯車への組みつけに困難性を生じさせ得る。例えば、上述のＰＥＥＫ材その他の樹脂材料でできた表面層をバックメタルで裏打ちした構造のすべり軸受の作成は、特に大型のすべり軸受では技術面、コスト面で円筒形（ブシュ）に成形することが困難な場合があり、このような構成のすべり軸受は、例えば半円筒形に成形される。その一方で、半円筒形に成形されたすべり軸受を遊星歯車の内周面に組み付けることには困難性がある。遊星歯車の内周面への軸受の組み付けは、一般に、焼き嵌めによって行われるが、半円筒形に形成されたすべり軸受を焼き嵌めによって組み付けることはできない。また、溶接によってすべり軸受を遊星歯車の内周面に接合すると、遊星歯車に部分的に熱が加えられて熱変形を招き得る上、すべり軸受の交換ができなくなるため好ましくない。すべり軸受部材の形状の制約については、例えば、特開平１１−２０１１６７号公報にも言及がある。

特開平１１−２０１１６７号公報

したがって、本発明の目的は、成形可能な形状に制約があるすべり軸受を遊星歯車の軸受として組み付けることを可能にするための技術を提供することにある。

本発明の一の観点においては、遊星歯車機構が、遊星歯車と、遊星歯車に挿入される遊星ピンとを備えている。遊星歯車は、外周面に歯が形成され、貫通穴が設けられた歯車部材と、貫通穴に挿入され、遊星ピンが挿入される挿入穴が設けられる中間ハウジングと、中間ハウジングの挿入穴に接合された複数のすべり軸受部材とを備えている。複数のすべり軸受部材が、遊星ピンと遊星歯車とを回転可能に保持するすべり軸受を構成している。

一実施形態では、中間ハウジングとすべり軸受部材とが脱着不能であるように接合され、遊星歯車と中間ハウジングとが脱着可能であるように接合されている。ここで、中間ハウジングとすべり軸受部材とが溶接され、遊星歯車と中間ハウジングとが焼き嵌めによって接合されていることが好適である。

中間ハウジングは、遊星ピンに連結されるキャリアに対向する面にスラスト軸受として機能する少なくとも一のスラストパッドを備えていることが好ましい。スラストパッドは複数である場合には、スラストパッドは、互いに離間されて環状に配置されていることが好ましい。

本発明の他の観点においては、軸受構造が、外周面に歯が形成された歯車部材に設けられた貫通穴に挿入される、ピンが挿入される挿入穴が設けられた中間ハウジングと、前記中間ハウジングの前記挿入穴に接合された複数のすべり軸受部材とを備えている。該複数のすべり軸受部材がすべり軸受を構成している。

本発明の更に他の観点においては、風力発電装置が、ロータヘッドとロータヘッドに結合された風車翼とを含む風車ロータと、ロータヘッドに連結された入力軸を含む増速機と、増速機の出力軸に連結された発電機とを具備する。増速機は、遊星歯車機構を含んでいる。遊星歯車機構が、遊星歯車と、遊星歯車に挿入される遊星ピンとを備えている。遊星歯車は、外周面に歯が形成され、貫通穴が設けられた歯車部材と、貫通穴に挿入され、遊星ピンが挿入される挿入穴が設けられる中間ハウジングと、中間ハウジングの挿入穴に接合され、遊星ピンの周方向に並んで配置された複数のすべり軸受部材とを備えている。複数のすべり軸受部材が、遊星ピンと遊星歯車とを回転可能に保持するすべり軸受を構成している。

本発明の更に他の観点においては、遊星歯車機構の挿入穴に遊星ピンが通される構造の遊星歯車の製造方法が提供される。当該製造方法は、挿入穴が設けられた中間ハウジングを提供する工程と、中間ハウジングの挿入穴に、すべり軸受を構成する複数のすべり軸受部材を接合する工程と、外周面に歯が形成された歯車部材の貫通穴に、中間ハウジングを嵌め込む工程とを備えている。一実施形態では、中間ハウジングとすべり軸受部材とが脱着不能であるように接合され、遊星歯車と中間ハウジングとが脱着可能であるように接合される。ここで、中間ハウジングとすべり軸受部材とが溶接され、遊星歯車と中間ハウジングとが焼き嵌めによって接合されることが好適である。

本発明によれば、成形可能な形状に制約があるすべり軸受を遊星歯車の軸受として組み付けることが可能になる。

本発明の一実施形態の遊星歯車機構が適用されている風力発電装置の構成を示す外観図である。 本発明の一実施形態におけるナセルの内部の構造を示す鳥瞰図である。 本発明の一実施形態における増速機の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態における遊星歯車の構造を示す正面図である。 本発明の一実施形態における遊星歯車の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態における中間ハウジングの構造を示す部分断面図である。

図１は、本発明の一実施形態の遊星歯車機構が適用されている風力発電装置の構成を示す外観図である。風力発電装置１は、基礎６に立接される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、ナセル３に対して回転可能に取り付けられたロータヘッド４と、ロータヘッド４に取り付けられる風車翼５とを備えている。ロータヘッド４と風車翼５とにより、風車ロータが構成されている。

図２に図示されているように、ナセル３の内部には、増速機１１と、発電機１２とが設けられている。増速機１１の入力軸はロータヘッド４の主軸（図示されない）に接合されており、増速機１１の出力軸は、発電機１２のロータに接合されている。風力によってロータヘッド４が回転すると、その回転が増速機１１によって増速されて発電機１２のロータに伝達され、発電機１２が駆動される。これにより、発電機１２から電力が得られる。

図３は、増速機１１の構成を示す断面図である。増速機１１は、遊星歯車機構１３と、平行軸歯車増速機構１４と、それらを収納するハウジング１５とを備えている。遊星歯車機構１３は、太陽歯車２１と、複数の遊星歯車２２（１つのみ図示）と、内歯車２３と、複数の遊星ピン２４（１つのみ図示）と、キャリア２５と、遊星出力軸２６を備えている。遊星歯車２２は、太陽歯車２１と内歯車２３の間に位置しており、遊星歯車２２に挿入された遊星ピン２４によってキャリア２５に支持されている。後述のように、遊星歯車２２に設けられた挿入穴の内周面にはすべり軸受が設けられており、遊星歯車２２は、遊星ピン２４に対して回転可能である。キャリア２５は、ハウジング１５に設けられた軸受２７によって回転可能に支持されており、遊星歯車機構１３の入力軸、即ち、増速機１１の入力軸として用いられる。一方、遊星出力軸２６は、太陽歯車２１に結合され、遊星歯車機構１３の出力軸として使用される。キャリア２５が回転されると、その回転が、遊星歯車２２を介して太陽歯車２１に伝えられ、太陽歯車２１に接続された遊星出力軸２６が増速されて回転する。

平行軸歯車増速機構１４は、遊星出力軸２６に接合される第１回転軸３１と、第１回転軸３１に接合される第１はすば歯車３２と、第２はすば歯車３３と、第２はすば歯車３３に接合される第２回転軸３４と、第２回転軸３４に接合される第３はすば歯車３５と、第４はすば歯車３６と、第４はすば歯車３５に接合される出力軸３７とを備えている。第１回転軸３１、第２回転軸３４、及び出力軸３７は、それぞれ、ハウジング１５に設けられた軸受３８、３９、４０によって回転可能に支持されている。更に、第１はすば歯車３２と第２はすば歯車３３とは噛合しており、第３はすば歯車３５と第４はすば歯車３６とは噛合している。このような構造の平行軸歯車増速機構１４では、遊星出力軸２６が回転されると、その回転が、第１はすば歯車３２、第２はすば歯車３３、第３はすば歯車３５及び第４はすば歯車３６に伝えられ、第４はすば歯車３６に接続された出力軸３７が増速されて回転する。即ち、増速機１１全体では、キャリア２５が回転すると、その回転が遊星歯車機構１３と平行軸歯車増速機構１４によって増速されて出力軸３７から出力されることになる。

本実施形態の遊星歯車機構１３では、遊星歯車２２の内周にすべり軸受が設けられており、このすべり軸受によって遊星歯車２２が遊星ピン２４によって回転可能に支持されている。上述のように、すべり軸受を使用することは、軸受が耐えられる荷重の増大と長寿命化に有用であるが、耐荷重が大きいすべり軸受は、成形可能な形状に制約がある。本実施形態の遊星歯車機構１３の特徴の一つは、成形可能な形状に制約があるすべり軸受を遊星歯車２２に組み付けることを可能にする構造を採用している点にある。以下、遊星歯車２２の構造について詳細に説明する。

図４は、本実施形態における遊星歯車２２の構造を示す正面図であり、図５は、断面図である。遊星歯車２２は、概略的には、外周面に歯が形成された歯車部材４１と、歯車部材４１とは別部材である中間ハウジング４２と、２つの半円筒形の半割すべり軸受部材４３とで構成される。半円筒形の半割すべり軸受部材４３が端面４３ｄで接合されることにより、円筒形のすべり軸受が形成されている。このすべり軸受に遊星ピン２４が挿入される。

本実施形態では、半割すべり軸受部材４３は、樹脂材料（例えばＰＥＥＫ材）で構成された表面層４３ａがバックメタル４３ｂによって裏打ちされた構造を有している。上述のように、樹脂材料で構成された表面層がバックメタルによって裏打ちされた構造は円筒形に成形することが困難であるので、本実施形態では、すべり軸受を２つの半円筒形の半割すべり軸受部材４３に分割した構造が採用されている。

半割すべり軸受部材４３を遊星歯車２２に組み付けるために、下記のような構造が採用されている。歯車部材４１には貫通穴が設けられており、その貫通穴に中間ハウジング４２が嵌め込まれている。本実施形態では、中間ハウジング４２は、歯車部材４１の貫通穴に焼き嵌めによって嵌め込まれており、中間ハウジング４２は歯車部材４１と脱着可能である。半割すべり軸受部材４３は、中間ハウジング４２の内周面に接合されている。本実施形態では、半割すべり軸受部材４３のバックメタル４３ｂが中間ハウジング４２にレーザースポット溶接によって溶接されている。図４には、バックメタル４３ｂが中間ハウジング４２に溶接される溶接位置が符号４３ｃによって示されている。

加えて、本実施形態では、中間ハウジング４２のキャリア２５と対向する面にスラスト軸受が取り付けられている。具体的には、中間ハウジング４２のキャリア２５と対向する面に環状の溝４２ａが形成され、その溝４２ａに円弧形状の複数のスラストセグメント４４が、環状に、詳細には周方向に等間隔に並んで設けられている。一方、図３に図示されているように、キャリア２５の遊星歯車２２に対向する面にはリング状のスラストカラー２８が設けられており、遊星ピン２４は、スラストカラー２８に通されている。複数のスラストセグメント４４とスラストカラー２８とにより遊星歯車２２をスラスト方向に支持するスラスト軸受が構成されている。本実施形態では１６個のスラストセグメント４４が形成されている。スラストセグメント４４は、互いに離間されて配置されている。スラストセグメント４４が離間されて配置されていることは、半割すべり軸受部材４３と遊星ピン２４の間に潤滑油を供給又は排出する経路を提供する観点から有用である。このような構造では、隣接するスラストセグメント４４の間の隙間が潤滑油が通る経路として機能する。

なお、スラストカラー２８は、スラスト軸受を構成する部材として必ずしも必要なものではない。スラストカラー２８を設ける代わりに、キャリア２５のスラストセグメント４４に対向する部分を研磨加工してもよい。

図６は、スラストセグメント４４を中間ハウジング４２に取り付ける構造を示す部分断面図である。スラストセグメント４４は、樹脂材料（例えばＰＥＥＫ材）で形成された表面層４４ａとバックメタル４４ｂとで構成されており、スラスト軸受はすべり軸受として構成されている。各スラストセグメント４４は、ピン４５が中間ハウジング４２とスラストセグメント４４に埋め込まれることによって位置決めされ、中間ハウジング４２をスラストセグメント４４に向けてかしめことで固定されている。図４、６において、中間ハウジング４２が、かしめられて変形されている変形部分が、符号４４ｃによって示されている。中間ハウジング４２がかしめられることにより、スラストセグメント４４が中間ハウジング４２から離脱することが防がれている。また、中間ハウジング４２の溝４２ａの底面とスラストセグメント４４の裏面に穴が設けられ、その穴にピン４５が埋め込まれる。これにより、スラストセグメント４４が周方向に移動することが防がれている。

半割すべり軸受部材４３を直接に歯車部材４１に組み付けるのではなく、半割すべり軸受部材４３が中間ハウジング４２に組み付けられた上、中間ハウジング４２が歯車部材４１に組み付けられる構造が採用されていることが重要である。半円筒形の半割すべり軸受部材４３は、焼き嵌めによって歯車部材４１に直接に組み付けることはできない。一方で、半円筒形の半割すべり軸受部材４３を直接に歯車部材４１に溶接すると、すべり軸受の交換ができなくなる上、歯車部材４１に部分的に熱が加えられ、歯車部材４１の熱変形を招き得る。本実施形態では、歯車部材４１と半割すべり軸受部材４３の間に歯車部材４１と脱着可能な中間ハウジング４２を挿入する構造を採用することにより、歯車部材４１の熱変形を避けると共に、半割すべり軸受部材４３が交換可能になる。

中間ハウジング４２を挿入することは、遊星歯車２２の製造のＴＡＴ（turn around time）を低減するためにも好ましい。歯車部材４１とは別部材である中間ハウジング４２に半割すべり軸受部材４３及びスラストセグメント４４を取り付ける構造では、歯車部材４１に歯を形成する工程と、中間ハウジング４２に半割すべり軸受部材４３及びスラストセグメント４４を取り付ける工程を並行して行うことが可能である。これにより、遊星歯車２２の製造のＴＡＴを低減することができる。

以上に説明されているように、本実施形態の遊星歯車機構１３では、半割すべり軸受部材４３が中間ハウジング４２に組み付けられた上、中間ハウジング４２が歯車部材４１に組み付けられる構造が採用されている。これにより、成形可能な形状に制約があるすべり軸受を遊星歯車の軸受として組み付ける構造が実現されている。

なお、上述には、本発明の実施形態が具体的に説明されているが、本発明は、当業者には自明的な様々な変形が可能である。例えば、本実施形態ではすべり軸受が２つの半割すべり軸受部材４３で構成されているが、すべり軸受が、周方向に分割された３以上のすべり軸受部材で構成されてもよい。また、上記には風力発電装置１の増速機１１に遊星歯車機構が適用された実施形態が提示されているが、本発明の遊星歯車機構は、遊星歯車に大きな荷重がかかる他の動力機械にも好適に適用され得る。

Claims (13)

1. 遊星歯車と、
   前記遊星歯車に挿入される遊星ピン
   とを備え、
   前記遊星歯車は、
   外周面に歯が形成され、貫通穴が設けられた歯車部材と、
   前記貫通穴に挿入され、前記遊星ピンが挿入される挿入穴が設けられる中間ハウジングと、
   前記中間ハウジングの前記挿入穴に接合された複数のすべり軸受部材
   とを備え、
   前記複数のすべり軸受部材が、前記遊星ピンと前記遊星歯車とを回転可能に保持するすべり軸受を構成している
   遊星歯車機構。
2. 請求項１に記載の遊星歯車機構であって、
   前記中間ハウジングと前記すべり軸受部材とが脱着不能であるように接合され、
   前記遊星歯車と前記中間ハウジングとが脱着可能であるように接合されている
   遊星歯車機構。
3. 請求項２に記載の遊星歯車機構であって、
   前記中間ハウジングと前記すべり軸受部材とが溶接され、
   前記遊星歯車と前記中間ハウジングとが焼き嵌めによって接合されている
   遊星歯車機構。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の遊星歯車機構であって、
   更に、前記遊星ピンに連結されるキャリアを備え、
   前記中間ハウジングは、前記キャリアに対向する面にスラスト軸受として機能する少なくとも一のスラストパッドを備えた
   遊星歯車機構。
5. 請求項４に記載の遊星歯車機構であって、
   前記スラストパッドは複数であり、
   前記スラストパッドは、互いに離間されて環状に配置されている
   遊星歯車機構。
6. 外周面に歯が形成された歯車部材に設けられた貫通穴に挿入される、ピンが挿入される挿入穴が設けられた中間ハウジングと、
   前記中間ハウジングの前記挿入穴に接合された複数のすべり軸受部材
   とを備え、
   前記複数のすべり軸受部材がすべり軸受を構成している
   軸受構造。
7. 請求項６に記載の軸受構造であって、
   前記中間ハウジングと前記すべり軸受部材とが脱着不能であるように接合され、
   前記歯車部材と前記中間ハウジングとが脱着可能であるように接合される
   軸受構造。
8. 請求項６に記載の軸受構造であって、
   前記すべり軸受部材は、
   樹脂材料でできた表面層と、
   前記表面層を裏打ちするバックメタル
   とを備える
   軸受構造。
9. 請求項６に記載の軸受構造であって、
   前記中間ハウジングは、スラスト軸受として機能する少なくとも一のスラストパッドを備えた
   軸受構造。
10. ロータヘッドと前記ロータヘッドに結合された風車翼とを含む風車ロータと、
    前記ロータヘッドに連結された入力軸を含む増速機と、
    前記増速機の出力軸に連結された発電機
    とを具備し、
    前記増速機が、遊星歯車機構を含み、
    前記遊星歯車機構が、遊星歯車と、前記遊星歯車に挿入される遊星ピンとを備え、
    前記遊星歯車は、
    外周面に歯車が形成され、貫通穴が設けられた歯車部材と、
    前記貫通穴に挿入され、前記遊星ピンが挿入される挿入穴が設けられる中間ハウジングと、
    前記中間ハウジングの前記挿入穴に接合され、前記遊星ピンの周方向に並んで配置された複数のすべり軸受部材
    とを備え、
    前記複数のすべり軸受部材が、前記遊星ピンと前記遊星歯車とを回転可能に保持するすべり軸受を構成している
    風力発電装置。
11. 遊星歯車機構の挿入穴に遊星ピンが通される構造の遊星歯車の製造方法であって、
    前記挿入穴が設けられた中間ハウジングを提供する工程と、
    前記中間ハウジングの前記挿入穴に、すべり軸受を構成する複数のすべり軸受部材を接合する工程と、
    外周面に歯が形成された歯車部材の貫通穴に、前記中間ハウジングを嵌め込む工程
    とを備える
    遊星歯車の製造方法。
12. 請求項１１に記載の遊星歯車の製造方法であって、
    前記中間ハウジングと前記すべり軸受部材とが脱着不能であるように接合され、
    前記遊星歯車と前記中間ハウジングとが脱着可能であるように接合される
    遊星歯車の製造方法。
13. 請求項１２に記載の遊星歯車の製造方法であって、
    前記中間ハウジングと前記すべり軸受部材とが溶接され、
    前記遊星歯車と前記中間ハウジングとが焼き嵌めによって接合される
    遊星歯車の製造方法。

Images