WO2017022215A1 - 遊星歯車装置 - Google Patents

Abstract

遊星歯車装置は、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み合う複数のプラネタリギヤと、内歯を有して前記プラネタリギヤに噛み合うリングギヤと、を備える。前記リングギヤは、前記リングギヤの回転軸線方向に対して傾斜する方向に前記内歯の各々が延びてなる少なくとも１つのヘリカルギヤで構成される。前記リングギヤの前記内歯の各々は、前記プラネタリギヤの前記外歯に当接する第１歯面と、前記第１歯面の反対側の第２歯面とを有し、前記第２歯面の圧力角は、前記第１歯面の圧力角よりも大きい。

Description

遊星歯車装置

　本発明は、ヘリカルギヤを有する遊星歯車装置に関する。

　航空機等の動力伝達機構に用いられる遊星歯車装置では、プラネタリギヤとしてダブルヘリカルギヤを使用したものが知られている（特許文献１参照）。ダブルヘリカルギヤを用いれば、同時に噛み合う歯数が増えることでトルク変動が低減されると共に、一対のヘリカルギヤが回転軸線方向に対称に並設されることでスラスト力が相殺される。

国際公開第２０１１／１２９１１０号公報

　ところで、航空機等のように遊星歯車装置の単位質量又は単位容積当たりの伝達トルクを高くする要求が強い場合には、単純にギヤサイズを変えずに伝達トルクを上げる方法、各ギヤ直径を小型化する方法、プラネタリギヤに噛み合うリングギヤのリムを薄肉化する方法などが考えられる。特に、リムの薄肉化は、剛性を下げることで各プラネタリギヤ間の荷重等配を図る効果もある。どの方法も、リム厚に対する伝達荷重の比率が大きくなる方向となり、リムに発生する応力が大きくなる。

　一方、リングギヤの内歯の各々は、リングギヤの回転軸線方向に対して傾斜する方向に歯すじが延びるため、内歯の歯先側から見た輪郭は平行四辺形となる。そのため、内歯の歯厚方向に直交する歯幅方向の一端部においては、プラネタリギヤの外歯に当接する第１歯面及びその反対側の第２歯面の各面の歯幅方向の端部位置が互いにずれている。よって、内歯の歯幅方向の一端部では、第１歯面の幅が第２歯面の幅よりも長くなり、歯厚が端部に向かうほど薄くなり剛性が下がる構造となる。そうすると、プラネタリギヤの外歯が噛み合ってリングギヤの内歯に押圧力が作用する際に、内歯の一端部では、第１歯面に作用した押圧力により第２歯面側に内歯が倒れる局所的な変形が発生しやすくなる。よって、局所的な応力を考慮すると、単純な高トルク化、ギア直径の小型化、リングギヤのリムの薄肉化にも限界がある。このことは、航空機等のように伝達トルクが大きく且つ軽量化のために極限まで剛性を下げた薄肉構造が採用される用途において、特に考慮する必要がある。

　そこで本発明は、ヘリカルギヤを有し、局所的な応力の抑制を可能とする遊星歯車装置を提供することを目的とする。

　本発明の一態様に係る遊星歯車装置は、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み合う複数のプラネタリギヤと、内歯を有して前記プラネタリギヤに噛み合うリングギヤと、を備え、前記リングギヤは、前記リングギヤの回転軸線方向に対して傾斜する方向に前記内歯の各々が延びてなる少なくとも１つのヘリカルギヤで構成され、前記リングギヤの前記内歯の各々は、前記プラネタリギヤの前記外歯に当接する第１歯面と、前記第１歯面の反対側の第２歯面とを有し、前記第２歯面の圧力角は、前記第１歯面の圧力角よりも大きい。

　前記構成によれば、リングギヤはヘリカルギヤで構成されるため、第１歯面及び第２歯面の各面の歯幅方向の端部位置が互いにずれて、歯厚が端部に向かって薄くなる傾向にあるものの、第２歯面の圧力角は第１歯面の圧力角よりも大きく設定されている。そのため、プラネタリギヤの外歯がリングギヤの内歯の第１歯面を押圧したときに、内歯の第２歯面側の部分が荷重による変形を抑えるリブ効果を十分に得られ、内歯の歯幅方向の一端部において内歯が第２歯面側に倒れる変形を防止できる。よって、リングギヤに発生する局所的な応力を抑制することができる。

　前記リングギヤは、ダブルヘリカルギヤであり、前記少なくとも１つのヘリカルギヤは、前記回転軸線方向に並設された一対のヘリカルギヤであってもよい。

　前記構成によれば、ダブルヘリカルギヤでは、内歯の倒れる変形が起きやすい歯幅方向の一端部の数が倍になるため、前述した内歯の第２歯面側の部分のリブ効果による変形防止がより効果的となる。

　前記ダブルヘリカルギヤにおいて、前記内歯は、前記内歯の歯幅方向の外端部が前記内歯の歯幅方向の内端部よりも前記リングギヤの周方向の前記第１歯面側に位置する向きに傾斜していてもよい。

　前記構成によれば、内歯の倒れる変形が起きやすい歯幅方向の端部がダブルヘリカルギヤの回転軸線方向の両端部にそれぞれ位置することになる。リングギヤのリムの回転軸線方向の両端部は、自由端であるので回転軸線方向の中央部よりも変形を起こしやすい。そのような構成において、前述したように内歯の第２歯面側の部分のリブ効果が得られるため、変形防止に更に大きく寄与できる。

　前記プラネタリギヤの前記外歯の各々は、前記リングギヤの前記内歯に当接する第１歯面と、前記第１歯面の反対側で前記サンギヤの前記外歯に当接する第２歯面とを有し、前記サンギヤの前記外歯の各々は、第１歯面と、前記第１歯面の反対側で前記プラネタリギヤの前記外歯に当接する第２歯面とを有し、前記プラネタリギヤ及び前記サンギヤの前記第２歯面の圧力角は、それぞれ前記プラネタリギヤ及び前記サンギヤの前記第１歯面の圧力角よりも大きい構成としてもよい。

　前記構成によれば、リングギヤの内歯よりも噛み合い機会の多いサンギヤの外歯が、圧力角の大きい第２歯面でプラネタリギヤの外歯と当接するため、第２歯面の面圧低減による歯面疲労抑制の効果と、噛み合い時のすべり速度低減による耐焼き付き性向上の効果とを好適に発揮することができる。

　本発明によれば、ヘリカルギヤを有し、局所的な応力の抑制を可能とする遊星歯車装置を提供することができる。

実施形態に係る遊星歯車装置の回転軸線方向から見た断面図である。 図１の遊星歯車装置のリングギヤの斜視図である。 図１の遊星歯車装置の要部の模式的な断面図である。 図２のリングギヤの内歯を歯先側から見た図面である。 変形例のリングギヤの内歯を歯先側から見た図４相当の図面である。

　以下、図面を参照して実施形態を説明する。

　図１は、実施形態に係る遊星歯車装置１の回転軸線Ｘ方向から見た断面図である。本実施形態の遊星歯車装置１は、例えば、航空機エンジン等の動力伝達機構（減速機構）に用いられる。図１に示すように、遊星歯車装置１は、入力軸２の外周に嵌合固定されるサンギヤ３と、サンギヤ３に噛み合う複数（例えば、５つ）のプラネタリギヤ４と、プラネタリギヤ４に噛み合うリングギヤ５とを備える。サンギヤ３は、外歯６を有する。複数のプラネタリギヤ４は、サンギヤ３の周方向に等間隔に配置されている。各プラネタリギヤ４は、外歯７を有し、プラネタリ軸８の外周に軸受（図示せず）を介して回転自在に支持されている。各プラネタリ軸８の端部は、プラネタリキャリア（図示せず）に取り付けられ、それにより各プラネタリギヤ４間の相対位置が決められている。リングギヤ５は、内歯９を有する。なお、リングギヤ５を回転不能に固定してプラネタリキャリアから動力を出力してもよいし、プラネタリキャリアを回転不能に固定してリングギヤ５から動力を出力してもよいし、リングギヤ５とプラネタリキャリアとの両方から動力を出力してもよい。また、入力軸から動力が入力される対象は、サンギヤ３に限らず、プラネタリキャリア又はリングギヤ５であってもよい。

　図２は、図１の遊星歯車装置１のリングギヤ５の斜視図である。図２に示すように、リングギヤ５は、その回転軸線Ｘ方向に並設された一対のヘリカルギヤ１１，１２からなるダブルヘリカルギヤである。但し、ダブルヘリカルギヤに限定されず、リングギヤ５としてシングルヘリカルギヤを用いてもよい。ヘリカルギヤ１１，１２は、リム１３，１４と、内歯９とを有する。リム１３，１４は、円筒状である。内歯９は、それぞれリム１３，１４の内周面から径方向内方に多数突出している。内歯９は、リングギヤ５の回転軸線Ｘ方向に対して傾斜する方向に延びている。

　ヘリカルギヤ１１，１２は、フランジ１５，１６を更に有する。但し、フランジ１５，１６は省略されてもよく、例えば、リングギヤ５を構成する一対のヘリカルギヤ１１，１２を一体構造としてもよい。フランジ１５，１６は、リム１３，１４の互いに対向する端部の外周から径方向外方に突出している。一対のヘリカルギヤ１１，１２は、一対のフランジ１５，１６が互いに締結部材（例えば、ボルト）によって固定されることでダブルヘリカルギヤを形成する。ヘリカルギヤ１１の内歯９とヘリカルギヤ１２の内歯９とは、互いに逆方向に傾斜している。リム１３，１４の互いに対向する端部の内周面には、回転軸線Ｘ方向に並んだ内歯９の間において回転軸線Ｘ周りに環状溝１７が形成されている。なお、プラネタリギヤ４は、リングギヤ５に対応したダブルヘリカルギヤであり、サンギヤ３も、プラネタリギヤ４に対応したダブルヘリカルギヤである。同様にリングギヤ５がシングルヘリカルギヤの場合、プラネタリギヤ４及びサンギヤ３は、シングルヘリカルとなる。

　図３は、図１の遊星歯車装置１の要部の模式的な断面図である。なお、図３では、説明の便宜のために、多数の歯のうち一部の歯のみを図示して且つ歯を実際よりも拡大して図示している。図３に示すように、リングギヤ５の内歯９の各々は、リングギヤ５の周方向一方側の第１歯面９ａと、リングギヤ５の周方向他方側（第１歯面９ａの反対側）の第２歯面９ｂと、リングギヤ５の径方向内側において第１歯面９ａと第２歯面９ｂとを接続する歯先面９ｃとを有する。第１歯面９ａは、リングギヤ５がプラネタリギヤ４と噛み合う際にプラネタリギヤ４の外歯７に当接する。第１歯面９ａは、回転軸線Ｘ方向から見て凹面である。第１歯面９ａが外歯７により押圧されてトルク伝達している通常使用状態では、第２歯面９ｂは、何れのギヤとも当接しない。第２歯面９ｂは、回転軸線Ｘ方向から見て凸面であるが凹面でもよい。第２歯面９ｂの圧力角は、第１歯面９ａの圧力角よりも大きい。即ち、歯先面９ｃは、内歯９において第１歯面９ａ側に偏って位置している。

　プラネタリギヤ４の外歯７の各々は、リングギヤ５の内歯９に当接する第１歯面７ａと、プラネタリギヤ４の周方向他方側（第１歯面７ａの反対側）の第２歯面７ｂと、プラネタリギヤ４の径方向外側において第１歯面７ａと第２歯面７ｂとを接続する歯先面７ｃとを有する。第１歯面７ａは、プラネタリギヤ４がリングギヤ５と噛み合う際にリングギヤ５の内歯９の第１歯面９ａに当接する。第２歯面７ｂは、プラネタリギヤ４がサンギヤ３と噛み合う際にサンギヤ３の外歯６に当接する。第１歯面７ａ及び第２歯面７ｂは、回転軸線Ｘ方向から見て凸面である。第２歯面７ｂの圧力角は、第１歯面７ａの圧力角よりも大きい。即ち、歯先面７ｃは、外歯７において第１歯面７ａ側に偏って位置している。

　サンギヤ３の外歯６の各々は、サンギヤ３の周方向一方側の第１歯面６ａと、サンギヤ３の周方向他方側（第１歯面６ａの反対側）の第２歯面６ｂと、サンギヤ３の径方向外側において第１歯面６ａと第２歯面６ｂとを接続する歯先面６ｃとを有する。第２歯面６ｂは、サンギヤ３がプラネタリギヤ４と噛み合う際にプラネタリギヤ４の外歯７の第２歯面７ｂに当接する。第２歯面６ｂが外歯７により押圧されてトルク伝達している通常使用状態では、第１歯面６ａは、何れのギヤとも当接しない。第１歯面６ａ及び第２歯面６ｂは、回転軸線Ｘ方向から見て凸面である。第１歯面６ａの圧力角は、第２歯面６ｂの圧力角よりも小さい。即ち、歯先面６ｃは、外歯６において第１歯面６ａ側に偏って位置している。

　図４は、図２のリングギヤ５の内歯９を歯先側から見た図面である。図４に示すように、リングギヤ５の内歯９の各々は、リングギヤ５の回転軸線方向に対して傾斜する方向に延びている。具体的には、リングギヤ５において、内歯９は、内歯９の回転軸線方向外側の外端部９ｄが内歯９の回転軸線方向内側の内端部９ｅよりもリングギヤ５の周方向の第１歯面９ａ側に位置するような向きに傾斜している。内歯９の各々の歯先側から見た輪郭は、平行四辺形となる。即ち、内歯９の歯厚方向に直交する外端部９ｄにおいては、第１歯面９ａ及び第２歯面９ｂの各面の歯幅方向の端部位置が互いにずれていることで、内歯９の外端部９ｄは、その歯先側から見た輪郭が三角形（図４のハッチング部分）となる。このため、内歯９の外端部９ｄだけに注目すると、第２歯面９ｂが第１歯面９ａよりも幅が短くなり、歯厚が端部に向かって薄くなる傾向にある。

　図３及び４に示すように、本実施形態では、第２歯面９ｂの圧力角が第１歯面９ａの圧力角よりも大きく設定されている。そのため、内歯９を歯先側から見て、第２歯面９ｂの歯厚方向の長さＬ２が、第１歯面９ａの歯厚方向の長さＬ１よりも長い。そうすると、外端部９ｄのうち第２歯面９ｂの領域が比較的大きく形成されることになる。よって、プラネタリギヤ４の外歯７からリングギヤ５の内歯９の第１歯面９ａに押圧力が作用したときに、内歯９の第２歯面９ｂ側の部分が荷重による変形を抑えるリブ効果を十分に得られ、内歯９の歯幅方向の外端部９ｄが第２歯面９ｂ側に倒れる変形が防止される。よって、内歯９からリム１３，１４に伝達される動力により発生する局所的な応力を抑制することができる。その結果、リングギヤ５のリム１３，１４を薄肉化することも可能となる。また、内歯９が倒れることによる内歯９とプラネタリギヤ４との接触箇所の変化も防止でき、内歯９がプラネタリギヤ４から伝達される動力により発生する局所的な応力も抑制することも可能となる。

　また、プラネタリギヤ４の外歯７においても、リングギヤ５と噛み合って第１歯面７ａに押圧力が作用しても、外歯７の第２歯面７ｂ側の部分が荷重による変形を抑えるリブ効果を十分に得られ、外歯７の歯幅方向の外端部が第２歯面７ｂ側に倒れる変形が防止される。また、サンギヤ３の外歯６とプラネタリギヤ４の外歯７とは、第２歯面６ｂ，７ｂ同士が当接する。その際、第２歯面６ｂ，７ｂは高圧力角をなすので、第２歯面６ｂ，７ｂの面圧が低減され、歯面疲労を抑制できる。また、第２歯面６ｂ，７ｂが高圧力角をなすことで、噛み合い時のすべり速度が低減され、耐焼き付き性が向上する。

　図５は、変形例のリングギヤ１０５の内歯１０９を歯先側から見た図４相当の図面である。図５に示すように、本例のリングギヤ１０５において、内歯１０９は、内歯１０９の回転軸線方向外側の外端部１０９ｄが内歯１０９の回転軸線方向内側の内端部１０９ｅよりもリングギヤ１０５の周方向の第２歯面１０９ｂ側に位置するような向きに傾斜している。内歯１０９の各々の歯先側から見た輪郭は、平行四辺形となる。そのため、内歯１０９の歯厚方向に直交する歯幅方向の内端部１０９ｅは、その歯先側から見た輪郭が三角形（図５のハッチング部分）となる。即ち、内歯１０９の内端部１０９ｅに注目すると、第２歯面１０９ｂが第１歯面１０９ａよりも幅が短くなり、歯厚が端部に向かって薄くなる傾向にある。

　図５の構成によれば、内歯１０９の倒れる変形が起きやすい内端部１０９ｅでは、内歯１０９の第２歯面１０９ｂ側の部分のリブ効果により、内歯１０９の外端部９ｄが第２歯面９ｂ側に倒れる変形を抑制でき、かつ、リングギヤ１０５の回転軸線方向の中央部にそれぞれ位置することで、一対のリングギヤの相互干渉によりリム１３，１４の変形を抑制できる。また、内歯１０９の外端部１０９ｄでは、プラネタリギヤ４の外歯７に当接する第１歯面１０９ａがその反対側の第２歯面１０９ｂよりも短くなるので、内歯の倒れる変形を起こり難くすることができる。他の構成は前述した実施形態と同様であるため説明を省略する。

　なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能である。

　１　遊星歯車装置
　３　サンギヤ
　４　プラネタリギヤ
　５，１０５　リングギヤ
　６，７　外歯
　７ａ　第１歯面
　７ｂ　第２歯面
　９，１０９　内歯
　９ａ，１０９ａ　第１歯面
　９ｂ，１０９ｂ　第２歯面
　９ｄ，１０９ｄ　外端部
　９ｅ，１０９ｅ　内端部
　１１，１２　ヘリカルギヤ
 

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み合う複数のプラネタリギヤと、
   　内歯を有して前記プラネタリギヤに噛み合うリングギヤと、を備え、
   　前記リングギヤは、前記リングギヤの回転軸線方向に対して傾斜する方向に前記内歯の各々が延びてなる少なくとも１つのヘリカルギヤで構成され、
   　前記リングギヤの前記内歯の各々は、前記プラネタリギヤの前記外歯に当接する第１歯面と、前記第１歯面の反対側の第２歯面とを有し、
   　前記第２歯面の圧力角は、前記第１歯面の圧力角よりも大きい、遊星歯車装置。
2. 　前記リングギヤは、ダブルヘリカルギヤであり、前記少なくとも１つのヘリカルギヤは、前記回転軸線方向に並設された一対のヘリカルギヤである、請求項１に記載の遊星歯車装置。
3. 　前記ダブルヘリカルギヤにおいて、前記内歯は、前記内歯の歯幅方向の外端部が前記内歯の歯幅方向の内端部よりも前記リングギヤの周方向の前記第１歯面側に位置する向きに傾斜している、請求項２に記載の遊星歯車装置。
4. 　前記プラネタリギヤの前記外歯の各々は、前記リングギヤの前記内歯に当接する第１歯面と、前記第１歯面の反対側で前記サンギヤの前記外歯に当接する第２歯面とを有し、
   　前記サンギヤの前記外歯の各々は、第１歯面と、前記第１歯面の反対側で前記プラネタリギヤの前記外歯に当接する第２歯面とを有し、
   　前記プラネタリギヤ及び前記サンギヤの前記第２歯面の圧力角は、それぞれ前記プラネタリギヤ及び前記サンギヤの前記第１歯面の圧力角よりも大きい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の遊星歯車装置。
    
    

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