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JP4549718B2 - 減速歯車列における遊星キャリアおよび固定支持の間のフレキシブル接続システム - Google Patents

減速歯車列における遊星キャリアおよび固定支持の間のフレキシブル接続システム Download PDF

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Description

本発明は減速歯車列、特にターボ機械においてガスタービンから圧縮機にトルクを伝達するのに使用される減速歯車列に関する。
減速歯車列は主に四つの要素から構成される、すなわち、タービンシャフトにより駆動される太陽歯車、太陽歯車とほぼ同軸の環状歯車、太陽歯車および環状歯車と噛み合う遊星歯車、および遊星キャリアである。
このようなアセンブリの減速比は、歯車それぞれの歯の数を変更することにより、また減速歯車列の構造により変更される。
次の二つの構成のタイプが存在する。すなわち、
・遊星キャリアが固定され、環状リングは自由に回転するものであって、このタイプの減速列の最適動作範囲は1から3の範囲にある減速比に相当する、プラネット減速歯車列、
・環状リングが固定され、遊星キャリアは自由に回転するものであって、このタイプの減速列の最適動作範囲は3以上の減速比に相当するエピサイクリック減速歯車列、である。
減速歯車列が、ターボ機械においてガスタービンから圧縮機にトルクを伝達するのに使用される場合、減速歯車列の可動要素、すなわち環状歯車または遊星キャリアが圧縮機の駆動シャフトに接続される一方、他の要素はターボ機械の固定構造物に接続される。
米国特許第5391125号明細書 米国特許第5466198号明細書 仏国特許出願公開第1379451号明細書
従って、減速歯車列のためにどの構成を選択するかは所望の減速比によって決定される。エピサイクリック構成の主要な欠点は、プラネット減速歯車列よりも小型であるにもかかわらず、2000gのオーダの遠心加速度場(gは重力による加速度である)を遊星歯車が受けることであり、これは遊星歯車を支持するための軸受において重要な難問を引き起こす。
減速歯車列において、遊星歯車を分離して考察する場合、噛み合いにより生じる接線力の2倍に相当する径方向の力を、遊星歯車を支持する軸受が受けることが分かる。その上、エピサイクリック減速歯車列では、大きな遠心力も存在する。
遊星キャリアは一般的に、プラネット減速歯車列を有する固定構造物か、またはエピサイクリック減速歯車列を有する伝達シャフトに、その表面の一つを介して接続され、遊星歯車と、より一般的には遊星キャリアを支持する軸受は、ねじりトルクを受けて変形し、遊星キャリアが固定される要素に応力および変形を伝達する。このような変形のため歯車が整列すなわち心合わせ(アライメント)から外れ、減速歯車列の早期摩滅が生じる。
エピサイクリック減速歯車列における遊星キャリアの動作中の変形を最小化するため、本発明に最も近い技術水準を記載する米国特許第5391125号明細書は、航空機ターボ機械においてガスタービンと圧縮機との間のトルクを伝達する減速歯車列を提案し、この歯車列において歯車は、減速歯車列の軸と同軸でありタービンに接続される太陽歯車、圧縮機に接続され太陽歯車と同軸であり、そこに取り付けられて太陽歯車と噛み合う複数の遊星を有する遊星キャリア、およびターボ機械の構造物に固定されて遊星歯車と噛み合う環状歯車、を含む。このエピサイクリック減速歯車列において、遊星キャリアは第一に環状ケージ、第二に環状ケージキャリアを含み、環状ケージは、減速歯車列の軸に平行でありそれぞれがその上で回転する遊星歯車の一つを有する軸受を支持する複数の座、およびそれぞれが二つの隣接した遊星歯車の間に配置される複数の軸方向ハウジングを有し、環状ケージキャリアは、圧縮機に接続され、複数の軸方向アームを有し、アームそれぞれはケージのハウジングの一つに配置されてケージの径方向中間平面に位置するピンによりケージの隣接した部分に固定される。
減速歯車列の軸と垂直に配置されるピンのそれぞれは、対応するアームに形成される穴、およびケージの軸方向壁のアームの両側に径方向に形成される二つの穴に挿入され、この二つの穴の間にはシェルが配置される。このようなプラグおよびソケット型接続により、大気の乱気流または熱膨張による振動があった場合、ターボ機械、特に航空機ターボ機械において起こり得る、ケージおよびケージキャリアの間のいかなる傾斜または軸方向変位も許容しない。
本発明による減速歯車列は、次の点により前記技術水準と異なる、すなわち、隣接した遊星歯車にかかる力の線の間の交点においてアームのハウジングが径方向に配置される点、およびアームをケージの隣接部分に固定するためのピンそれぞれが前記アームおよび前記ケージ部分から構成される部分の一つに堅固に固定され、また減速歯車列の軸に関し径方向に剛性であり傾斜および軸方向変位にフレキシブル(柔軟)な球状フィンガー型接続により前記部分の他方に取り付けられ、ピンの周りに位置し他の部分の開口部に配置されるスリーブによりピンおよび他の部分の間の接続が成され、前記スリーブは二つの軸方向端部プレートおよび前記端部プレートに配置される複数の同軸のブッシングを含み、少なくとも一つの前記ブッシングはエラストマから形成される点である。
この配置により、太陽歯車および遊星歯車間の接続、および遊星歯車および環状歯車間の接続へのフレキシビリティを提供することが可能になる。このことにより、歯の組の間での接触における不整合を低減する顕著な利益が提供される。
必要に応じ、エラストマブッシングは、第一要素に接続されるケージキャリアに対してケージの傾斜を許容する。
好ましくは、スリーブの端部環状プレートは、それぞれ向かい合った径方向内側のラベット(切込み)および径方向外側のラベットを提供し、前記ラベット自体は環状リブそれぞれから分離され、ブッシングは剛性の内側リングおよび剛性の外側リングを含み、内側リングはその端部がプレートの径方向内側のラベットに受容され、外側リングはプレートの径方向外側のラベットの間を延伸し、その端部においてプレートの径方向外側のラベットに面する径方向内側の溝を提供し、エラストマブッシングは内側リングおよび外側リングの間に配置され、プレートのリブの間を延伸する。
プレートの径方向外側のラベットおよび外側リングの径方向内側の溝により環状チャンバが画定され、前記チャンバは弾性ガスケットを収容する。
更に前記環状チャンバのそれぞれは、エラストマがはみ出すあるいは押し出される(extrude)のを防ぐための押出し防止リングを収容し、前記押出し防止リングのそれぞれは弾性ガスケットおよび外側リングの径方向に内側の溝の前面の間に配置される。
スリーブをピンの上に固定するために、スリーブのプレートの一つはピンが固定される部分を押圧し、他のプレートはピンの上のねじと協働するナットにより内側リングに対して押圧される。
第一の実施形態において、ピンはアームに堅固に接続され、減速歯車列の軸と垂直に配置される。
第二の実施形態において、ピンはアームの端部に形成され、減速歯車列の軸と平行に配置される。
本発明の別の利点および特徴は、添付の図面を参照しながら例示される次の記載から、明らかになるであろう。
図1および図2は軸Xを持つ減速歯車列1を図示し、減速歯車列は、その周囲に一組の歯2dを提供する軸Xを持つ太陽歯車2、太陽歯車2の直径より大きい直径を有し、その径方向内側の壁に一組の歯3dを提供する軸Xを持つ環状歯車3、および太陽歯車2および環状歯車3の間にあり、その周囲に太陽歯車2および環状歯車3の歯の組2dおよび3dと噛み合う各組の歯4dそれぞれ提供する複数の遊星歯車4を有し、図1において5つの遊星歯車が図示される。遊星歯車4は軸Xと平行な軸受5上を回転するように取り付けられ、軸受の端部は、遊星歯車5を支持するケージ8の二つのサイドプレート7aおよび7bに互いに向き合って備えられた対の座に取り付けられ、二つのサイドプレート7aおよび7bは隣接する対の遊星歯車の間に配置されるブリッジ9により堅固に相互接続される。
好ましくは、ブリッジ9およびサイドプレート7aのうちの一つは単一部品として形成され、軸受5および遊星歯車4のための支持ケーシングを構成し、一方別のサイドプレート7bは遊星歯車4の軸受5の全てのための軸方向当接面の役割をするカバーの形状をしている。図において5つが図示されている軸受5は、減速歯車列1の軸Xの周りで規則的に間隔があけられ、歯の組2dおよび3dの中間に配置される。
ケージ8が軸Xの周りで回転するのを防ぎ、環状歯車3が回転によって運動するプラネット減速歯車列としての構成を有するか、または環状歯車3が固定構造物に固定され、ケージ8が軸Xの周りで回転するエピサイクリック歯車としての構成を有するか否かにかかわらず、軸Xおよび前記軸受の軸を包含する平面に垂直であり、噛み合いにより発生する接線力の2倍に相当する大きさの力を、軸受5それぞれが受ける。
図1において、矢印Faは遊星歯車4aの軸受5aが耐える力を表し、矢印Fbは遊星歯車4aと隣接する遊星歯車4bの軸受5bが耐える力を表す。これら二つの力FaおよびFbは、環状歯車3の直径内およびケージ8の径方向中間平面に位置するポイント10において交差する。
本発明によると、ブリッジ9およびサイドプレート7aと7bのうちの少なくとも一つが軸方向ハウジング11を提供し、ハウジングそれぞれは二つの隣接する遊星歯車4aと4bの力線FaおよびFbの間の交点10を収容する。
符号12は図2に表す軸Xを持つ環状ケージキャリアを示し、環状ケージキャリアはその前面13に複数のアーム14を有し、図の例はアームを5つ示しており、軸Xと平行に延伸して、それぞれが軸方向ハウジング11の一つを占有している。
アーム14それぞれは、減速歯車列1の軸Xに垂直でありそれと交差する軸のピン15によって隣接するブリッジ9に固定される。ピン15はアーム14に堅固に固定されフィンガー型の球状接続(spherical connection of the finger type)により隣接するブリッジ9に接続され、フィンガー型の球状接続はケージキャリア12が径方向に動くのを防ぐが、ケージキャリア12がケージ8に対しある程度傾斜するか、または軸方向にわずかに動くのを許容し、よって太陽歯車8および遊星歯車4の間と、遊星歯車4および環状歯車3の間の接続におけるフレキシビリティを提供する。このことは歯2d、4d、および3dの組の間の接触における不整合を低減する顕著な利益を提供する。
ピン15の軸は遊星歯車4の間の径方向中間平面に位置し、隣接する二つの軸受5aおよび5bにかかる力FaおよびFbの間の交点10を通過する。
図5はケージキャリア12単独の斜視図である。この図において、アーム14は実質的に矩形部分を有し、それぞれはその端部においてピン15の径方向外側の部分を受容するための径方向の穴16を有することがわかる。
径方向の穴16に関し、図6に示すように、対応するブリッジ9は径方向の開口17を有し、開口内にピン15の径方向内側の部分を囲むスリーブ20が配置され、ピン15の径方向内側の端部上に備えられるねじと協働するナット21によって、このスリーブ20はピン15の上に固定される。
図7に詳細に図示するスリーブ20は、符号22および23が付された二つの端部環状プレート、および環状プレート22および23の間に配置される少なくとも三つの同軸のブッシング24、25および26を含み、中間ブッシング25はエラストマ物質から形成される。径方向に最も内側のブッシング24および環状プレート22および23の内径は、ピン15の外径と等しく、内側ブッシング24の端部は環状プレート22および23において互いに向かい合うラベットに配置される。エラストマブッシング25は内側ブッシング24および外側ブッシング26の間、および環状端部プレート22および23の間に位置する。径方向外側のブッシング26はブリッジ9の開口部17の直径と等しい外径を有する。この外側ブッシング26は開口部17にクリンプ(圧着)され、エラストマブッシング25を係留している。弾性ガスケット28および29は、環状プレート22および23と開口部17の径方向内側の壁との間か、または環状プレート22および23と径方向外側のブッシング26の端部との間に配置され、エラストマブッシング25を変形させることにより外側ブッシング26が内側ブッシング24に対して傾斜または横に移動するのを可能にする。
符号30および31が付された押出し防止リングは、弾性ガスケット28および29と外側ブッシング26の端部表面それぞれとの間に配置される。
内側および外側ブッシング24および26は剛性金属リングの形態に形成される。押出し防止リング30および31により、エラストマブッシングを受容するために備えられる環状スペース内部にエラストマブッシング25を構成している物質を保持することができる。
ピン15の径方向外側の部分は、図6に示す挿入されたシェル32で、アーム14の穴16にクリンプされる。この径方向外側の部分は拡大ヘッド33を有する。ナット21が環状プレート23に対して締め付けられると、ナットは環状プレート22に対して内側ブッシング24を押圧し、今度は環状プレート22が軸Xに関して径方向内側の面であるアーム14の面に対して押圧する。スリーブ20は従って減速歯車列1の軸Xに関して径方向に固定された位置に保持される。
図8および図9はスリーブ20の好ましい実施形態を図示し、このスリーブ20は図7に示すスリーブ20とは、対になって互いに向かい合い、各環状リブ42により分離された、径方向内側のラベット40および径方向外側のラベット41を、端部環状プレート22および23がそれぞれ提供するという点で異なる。
径方向内側のラベット40の外径は、内側リングまたはブッシング24の外径と等しい。内側リング24の端部は組み立て後、径方向内側のラベット40に配置される。
内側リングの高さよりも高さの低いエラストマブッシング25は、環状プレート22および23の環状リブ42の間に配置される。
内側リング24よりも高さの高い外側リングまたはブッシング26は、その端部において43および44の符号が付される径方向内側の溝を提供し、これらはエラストマブッシング25の高さとほぼ等しい高さのリングによって分離されている。
外側リングの径方向内側の溝43および44は、組み立て後、端部環状プレート22および23の径方向外側のラベット41に面して位置し、協働して図9に示される符号45および46が付される環状チャンバを画定をし、チャンバそれぞれは密封ガスケット28、29および押出し防止リング30、31を収納する。
径方向内側の溝43および44の直径は、環状プレート22および23の外径よりもわずかに大きく、外側リング26の端部はクリアランスを有して環状プレート22および23を囲み、よってエラストマブッシング25の変形を許容し、内側および外側リング24および26が心合わせから外れるるのを可能にする。
二つの隣接した遊星歯車4aおよび4bの軸受5aおよび5bが耐える力の間の交点10は、好ましくはスリーブ20の中心域に位置される。ピン15およびスリーブ20が耐える力はこのように、ピン15の軸に垂直な径方向の力であり、従って球状フィンガー接続にかかるトルクをもたらさない。内側リング24はピン15上にクリンプされ、外側リング26はブリッジ9上にクリンプされる。
上記に詳細に説明した例示において、ピン15はアーム14上にクリンプされ、球状フィンガー接続はピン15およびブリッジ9の間に配置される。ピン15をブリッジ9にクリンプすることができ、従って球状フィンガー接続がピン15およびアーム14の間に設けられるであろうことは、同業者にとって明白である。
図10および図11は本発明の変形実施形態を図示し、この変形実施形態は次の点により上述の実施形態と異なる、すなわち、ピン15がアーム14の端部において形成され、減速歯車列1の軸Xと平行であるという点である。対応するブリッジ9は、ケージ8の中間平面に位置する開口部17を備え、図9を参照して上で説明した種類のスリーブ20が開口部の中に位置している。スリーブ20はピン15を囲み、環状プレート22はアーム14上に形成される環状ショルダー50を押圧する。スリーブ20はワッシャ51を押圧するナット21によりピン15の上に保持され、ワッシャ自体は環状プレート23を押圧する。
この解決策により、サイズの小型化および製造費の低減という利点が提供される。スリーブ20はピン15の端部上の軸Xと平行に挿入される。
上述の減速歯車列1は、特に航空ターボ機械におけるタービンにより圧縮機を駆動するのに適用可能である。その場合、太陽歯車8はタービンシャフトに接続される。
ケージキャリア12は次いでターボ機械の固定構造物に接続され、歯車列がプラネット減速歯車列として構成される場合、環状歯車3が圧縮機駆動シャフトに接続される。
対照的に、歯車列がエピサイクリック減速歯車列として構成される場合、ケージキャリア12は圧縮機の駆動シャフトに接続され、この場合歯車3はターボ機械の固定構造物に接続される。
遊星歯車の噛み合いにより発生する接線力、および遊星歯車軸受上のその合力を示す減速歯車列の軸方向図である。 本発明の減速歯車列を、その軸を包含する平面上に半分の断面で図示する斜視図である。 環状歯車、および本発明の減速歯車列の遊星歯車のための軸方向当接面としての役割をはたすサイドプレートを備えない斜視図である。 本発明の遊星キャリアの斜視図である。 ケージキャリア単独での斜視図である。 アームおよびケージの間の接続の断面図である。 図6に示すスリーブの断面図である。 スリーブの軸を包含する平面上の断面を示すスリーブの好ましい実施形態の分解図である。 図8のスリーブの断面図である。 ケージおよびケージキャリアの間の接続の変形実施形態を示す斜視図である。 図10に示す接続の断面を示す図である。
符号の説明
1 減速歯車列
2 太陽歯車
2d、3d、4d 歯の組
3 環状歯車
4、4a、4b 遊星歯車
5、5a、5b 軸受
7a、7b サイドプレート
8 ケージ
9 ブリッジ
11 軸方向ハウジング
12 環状ケージキャリア
14 アーム
15 ピン
16 径方向の穴
17 径方向の開口部
20 スリーブ
21 ナット
22、23 環状プレート
24、25、26 ブッシング
28、29 弾性ガスケット
30、31 押出し防止リング
32 シェル
40 径方向内側のラベット
41 径方向外側のラベット
45、46 環状チャンバ
50 環状ショルダー

Claims (9)

  1. 速歯車列であって、前記減速歯車列は、前記減速歯車列の軸と同軸である太陽歯車(2)と、前記太陽歯車(2)と噛み合う複数の遊星歯車(4)が取り付けられた遊星キャリアと、前記遊星歯車と噛み合う環状歯車(3)とを含み、前記遊星キャリアが、環状ケージ(8)と、環状ケージキャリア(12)とを含み、前記環状ケージは、前記減速歯車列の軸に平行であると共にそれぞれがその上で回転する前記遊星歯車(4)の一つを有する軸受(5)を支持する複数の対の座と、それぞれが二つの隣接した遊星歯車(4a、4b)の間に配置され複数の軸方向ハウジング(11)とを有し、前記環状ケージキャリアは、複数の軸方向アーム(14)を有し、該アーム(14)のそれぞれは、前記ハウジング(11)の一つに配置されると共に、ピン(15)によって前記ケージ(8)の隣接部分(9)に固定されており、
    前記アーム(14)を収容する前記ハウジング(11)が、隣接する前記遊星歯車(4a、4b)が受ける力の線の間の交点で径方向に配置されており、アーム(14)を前記ケージ(8)の隣接部分(9)に固定するピン(15)のそれぞれが、前記アーム(14)および前記ケージの隣接部分(9)から構成される部分の一方に堅固に固定されると共に、前記ピン(15)を取り囲んで前記部分の他方における開口部(17)に配置されるスリーブ(20)を備えたフレキシブルな接続によって前記部分の他方に取り付けられており、前記スリーブが二つの軸方向端部プレート(22、23)および前記端部プレートに配置された複数の同軸のブッシング(24、25、26)を含み、前記ブッシング(25)のうち少なくとも一つが、フレキシビリティを提供するようにエラストマから形成されていることを特徴とする、減速歯車列。
  2. スリーブ(20)の端部環状プレート(22、23)はそれぞれ向かい合った径方向内側のラベットおよび径方向外側のラベット(40、41)を提供し、前記ラベット自体は各環状リブ(42)から分離されており、前記ブッシングは剛性の内側リング(24)および剛性の外側リング(26)を含み、前記内側リングはその端部が前記プレート(22、23)の前記径方向内側のラベット(40)に受容され、前記外側リングは前記プレート(22、23)の前記径方向外側のラベット(41)の間を延伸し、その端部において前記プレート(22、23)の前記径方向外側のラベット(41)に面する径方向内側の溝(43、44)を提供し、前記エラストマブッシング(25)は前記内側リング(24)および前記外側リング(26)の間に配置され、前記プレートの前記リブ(42)の間を延伸することを特徴とする、請求項1に記載の減速歯車列。
  3. 前記プレートの前記径方向外側のラベット(41)および前記外側リング(26)の前記径方向内側の溝(43、44)により環状チャンバ(45、46)が画定され、前記チャンバは弾性ガスケット(28、29)を収容することを特徴とする、請求項2に記載の減速歯車列。
  4. 前記環状チャンバ(45、46)のそれぞれは更に、エラストマが押し出されるのを防ぐ押出し防止リング(30、31)を収容し、前記押出し防止リング(30、31)のそれぞれは、弾性ガスケット(28、29)および前記外側リング(26)の前記径方向内側の溝(43、44)の前面との間に配置されることを特徴とする、請求項3に記載の減速歯車列。
  5. 前記スリーブ(20)の前記プレート(22)の一つは、前記ピン(15)が固定される部分を押圧し、他の前記プレート(23)は前記ピン(15)のねじと協働するナット(21)により前記内側リング(24)に対して押圧されることを特徴とする、請求項から4のいずれか一項に記載の減速歯車列。
  6. 前記ピン(15)は前記アーム(14)に堅固に接続され、前記減速歯車列の軸と垂直に設けら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減速歯車列。
  7. 前記ピン(15)が前記アーム(14)の端部に形成され、前記減速歯車列の軸と平行であ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減速歯車列。
  8. 圧縮機と、ガスタービンと、前記ガスタービンおよび前記圧縮機の間の伝達のための減速歯車列とを含むターボ機械であって、前記減速歯車列は、前記減速歯車列の軸と同軸であり前記タービンに接続された太陽歯車(2)と、前記太陽歯車(2)と同軸に前記ターボ機械の第一要素に接続され、前記太陽歯車(2)と噛み合う複数の遊星歯車(4)が取り付けられた遊星キャリアと、前記ターボ機械の第二要素に固定され、前記遊星歯車と噛み合う環状歯車(3)とを含み、前記第一および第二要素のうち一方は前記ターボ機械の固定構造物であり、前記要素のうち他方は前記圧縮機を回転駆動し、前記遊星キャリアが、環状ケージ(8)と、環状ケージキャリア(12)とを含み、前記環状ケージは、前記減速歯車列の軸に平行であると共にそれぞれがその上で回転する前記遊星歯車(4)の一つを有する軸受(5)を支持する複数の対の座と、それぞれが二つの隣接した遊星歯車(4a、4b)の間に配置される複数の軸方向ハウジング(11)とを有し、前記環状ケージキャリアは、前記第一要素に接続されると共に、複数の軸方向アーム(14)を有し、該アーム(14)のそれぞれは、前記ハウジング(11)の一つに配置されると共に、ピン(15)によって前記ケージ(8)の隣接部分(9)に固定されており、
    前記アーム(14)を収容する前記ハウジング(11)が、隣接する前記遊星歯車(4a、4b)が受ける力の線の間の交点で径方向に配置されており、アーム(14)を前記ケージ(8)の隣接部分(9)に固定するピン(15)のそれぞれが、前記アーム(14)および前記ケージの隣接部分(9)から構成される部分の一方に堅固に固定されると共に、前記ピン(15)を取り囲んで前記部分の他方における開口部(17)に配置されるスリーブ(20)を備えたフレキシブルな接続によって前記部分の他方に取り付けられており、前記スリーブが二つの軸方向端部プレート(22、23)および前記端部プレートに配置された複数の同軸のブッシング(24、25、26)を含み、前記ブッシング(25)のうちの少なくとも一つが、フレキシビリティを提供するようにエラストマから形成されていることを特徴とする、減速歯車列。
  9. 前記環状歯車(3)が前記ターボ機械の固定構造物に固定され、前記ケージキャリア(12)圧縮機を回転駆動することを特徴とする、請求項8に記載のターボ機械
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