JP2006207622A

JP2006207622A - はすば歯車支持構造および風力発電機用増速機

Info

Publication number: JP2006207622A
Application number: JP2005017112A
Authority: JP
Inventors: Naoki Matsumori; 直樹松森; Junichi Hattori; 純一服部
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】左右の列で異なる荷重が作用する環境で、各列の負荷状況に応じた適切な支持が行なえる複列転がり軸受を備えたはすば歯車支持構造、および、そのようなはすば歯車支持構造を備えた風力発電機用増速機を提供する。
【解決手段】内輪１２と、外輪１３と、球面ころ１４，１５と、保持器１６とを備える複列自動調心ころ軸受１１を風力発電機用増速機の軸受に適用する場合、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を支持することができる軸受１１ｂを、大きなアキシアル荷重を受ける側に配置する。
【選択図】図３

Description

この発明は、はすば歯車の支持構造、および、はすば歯車を備える風力発電機用増速機に関するものである。

風力発電機用の増速機として、例えば、特開２０００−３３７２４６号公報（特許文献１）に遊星歯車機構を備える風力発電機用増速機が記載されている。同公報によると、風力発電機用増速機１は、図１に示すように、風力を受けるブレードとともに回転する入力軸２と、複列転がり軸受４によって支持され、発電機に接続された出力軸３と、入力軸２の回転を増速して出力軸３に伝達する遊星歯車機構５とからなる。

遊星歯車機構５は、出力軸３に接続された太陽歯車６と、ハウジングに固定された内歯歯車７と、軸受９を介して入力軸２に接続され、太陽歯車５および内歯歯車６に噛み合う遊星歯車８とからなる。太陽歯車６、内歯歯車７および遊星歯車８には、伝動が極めて円滑で、振動音が少なく、大きな力を伝えることができるはすば歯車が用いられている。

遊星歯車８は、入力軸２の回転に伴って太陽歯車６の周りを公転する際に、内歯歯車７と噛み合うことにより自転する。太陽歯車６は、自転する遊星歯車８と噛み合うことにより、入力軸２の回転を出力軸３に伝達する。このとき、太陽歯車６と内歯歯車７の歯数の差が大きい程、入力軸２の回転が増速されて出力軸３に伝達される。
特開２０００−３３７２４６号公報（段落番号００１１等）

図２（ａ）は、はすば歯車７１と、はすば歯車７２とを噛み合わせた状態を示す図である。はすば歯車７１が図の右側から見て時計回りに回転する場合、はすば歯車７１には、はすば歯車７１およびはすば歯車７２の噛み合いによって、図２（ｂ）に示すように、ラジアル方向の分力Ｆｒとアキシアル方向の分力Ｆａとの合力である動力Ｆが作用する。

これを、図１の風力発電機用増速機１に当てはめると、出力軸３が複列転がり軸受４側から見て時計回りに回転する場合、複列転がり軸受４は、太陽歯車６から図の右方向に向かうアキシアル荷重を受けることとなる。その結果、複列転がり軸受４には、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方の支持能力が要求される。

このとき、複列転がり軸受４の一方の列には、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方が負荷されるのに対し、他方の列には専らラジアル荷重のみが負荷される。
そのため、高負荷側の列の転がり疲労寿命が短くなる。一方、軽負荷側の列では、ころと内外輪の軌道面との間で滑りを生じ、表面損傷や摩耗の問題を引き起こす。大きな荷重に対応するために軸受サイズを大きくすることが考えられるが、軽負荷側では余裕が大きくなりすぎ、不経済である。

この発明の目的は、左右の列で異なる荷重が作用する環境で、各列の負荷状況に応じた適切な支持が行なえて、実質寿命を延長することができ、また、材料に無駄のない経済的な複列転がり軸受を備えたはすば歯車支持構造、および、そのようなはすば歯車支持構造を備えた風力発電機用増速機を提供することである。

この発明に係るはすば歯車の支持構造は、中心軸を有するはすば歯車と、固定部材に組み込まれ、中心軸を回転自在に支持する複列転がり軸受とを備えたはすば歯車支持構造である。複列転がり軸受に注目すると、左右の列で負荷容量を互いに異ならせて、大きなアキシアル荷重を受ける側の列の負荷容量を大きくしたことを特徴とする。

上記構成とすることにより、中心軸に作用する荷重の特性に応じた適正な支持が行えるので、信頼性が高く、長寿命のはすば歯車支持構造が得られる。

複列転がり軸受は、例えば、左右の列に軌道面を有する内輪と、球面状凹部の軌道面を有する外輪と、内輪および外輪の間に複列に配置された球面ころとを備える複列自動調心ころ軸受とするのが好ましい。これにより、軸の撓み等による芯ずれに対して調心性を有する複列転がり軸受が得られる。

好ましくは、複列自動調心ころ軸受は、左右の列でころ長さが互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ長さを長くするとよい。これにより、ころ長さの長い球面ころを有する列の負荷容量を高くすることができる。

好ましくは、複列自動調心ころ軸受は、左右の列でころ径が互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ径を大きくするとよい。これにより、ころ径の大きい球面ころを有する列の負荷容量を高くすることができる。

さらに、複列自動調心ころ軸受は、左右の列の接触角を同一とするのが好ましい。これにより、外輪に左右対称の標準品を使用することができるので、製造コストを抑えることが可能となる。さらに、外輪の精度測定時に左右の列を同じ測定条件で測定することができるので、測定作業を効率的に行うことができる。

複列転がり軸受は、例えば、左右の列に軌道面を有する内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に複列に配置された円錐ころとを備える複列円錐ころ軸受とするのが好ましい。

複列円錐ころ軸受は、例えば、左右の列の円錐ころの小径側端部を向かい合わせた背面組み合わせ軸受とするのが好ましい。この構成とすることにより、軸受の回転中心線と、左右の列の円錐ころと内外輪の接触線との交点の距離（以下、「作用点間距離」という）が長くなるので、ラジアル荷重負荷能力やモーメント荷重負荷能力が向上する。

複列円錐ころ軸受は、例えば、左右の列の円錐ころの大径側端部を向かい合わせた正面組み合わせ軸受とするのが好ましい。

好ましくは、複列円錐ころ軸受は、左右の列でころ長さが互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ長さを長くするとよい。

好ましくは、円錐ころ軸受は、左右の列でころ径が互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ径を大きくするとよい。

この発明に係る風力発電機用増速機は、風力を受けるブレードの一端に固定され、ブレードとともに回転する入力軸と、発電機に接続された出力軸と、入力軸および出力軸の間に配置され、入力軸の回転を増速して出力軸に伝達する増速機構とを備えた風力発電機用増速機である。増速機構は、動力伝達手段の一要素としてのはすば歯車と、はすば歯車の軸を回転自在に支持する複列転がり軸受とを備える。複列転がり軸受に注目すると、左右の列で負荷容量を互いに異ならせて、大きなアキシアル荷重を受ける側の列の負荷容量を大きくしたことを特徴とする。

この発明は、軸受の左右の列で異なる荷重が作用するはすば歯車支持構造において、左右の列の負荷容量を互いに異ならせた軸受を使用することにより、各列の負荷状況に応じた適切な支持が行なえるので、信頼性が高く、長寿命のはすば歯車支持構造が得られる。

図３を参照して、この発明に係るはすば歯車支持構造、例えば、図１に示す風力発電機用増速機１に使用する複列転がり軸受を説明する。

図３に示す複列転がり軸受は、内輪１２と、外輪１３と、内輪１２および外輪１３の間に複列に配置された球面ころ１４，１５と、球面ころ１４，１５を保持する保持器１６とを備える複列自動調心ころ軸受１１である。

内輪１２は、球面ころ１４，１５それぞれの外径面に沿う軌道面と、中鍔１７とを有し、外輪１３は、球面ころ１４，１５の外径面に沿う共通の軌道面を有する。球面ころ１４，１５のころ長さＬ_１，Ｌ_２に関しては、球面ころ１５のころ長さＬ_２を球面ころ１４のころ長さＬ_１より長くしている。

さらに、軸受中心軸に垂直な平面と、内輪１２および外輪１３によって左右の列の球面ころ１４，１５へ伝えられる合力の作用線とがなす接触角θ_１，θ_２に関しては、右側列の軸受１１ｂの接触角θ_２を左側列の軸受１１ａの接触角θ_１より大きくしている。

上記構成の複列自動調心ころ軸受１１は、ころ長さを左右の列で互いに異ならせることにより、ころ長さを長くした球面ころ１５の側の軸受１１ｂの負荷容量を球面ころ１４の側の軸受１１ａよりも大きくすることができる。さらに、左右の列の接触角を互いに異ならせることにより、接触角を大きくした右側列の軸受１１ｂのアキシアル荷重負荷能力を左側列の軸受１１ａよりも大きくすることができる。

次に、図４を参照して、この発明に係るはすば歯車支持構造に使用する複列転がり軸受の他の形態を説明する。

図４に示す複列転がり軸受は、中鍔２７を有する内輪２２と、球面状凹部の軌道面を有する外輪２３と、内輪２２および外輪２３の間に複列に配置され、左右の列でころ長さＬ_１，Ｌ_２の異なる球面ころ２４，２５と、球面ころ２４，２５を保持する保持器２６とを備える複列自動調心ころ軸受２１である。

さらに、左右の列の軸受２１ａ，２１ｂの接触角θ_１，θ_２は同一である。これにより、外輪２３に左右対称の標準品を使用することができるので、製造コストを抑えることが可能となる。さらに、外輪２３の精度測定時に左右の列を同じ測定条件で測定することができるので、測定作業を効率的に行うことができる。

また、図３および図４に示す複列自動調心ころ軸受においては、球面ころには対称ころを用いたが、これに限ることなく、ころの最大径位置が、ころの長さ方向の中央に存在しない非対称ころを用いてもよい。非対称ころを用いた場合、複列自動調心ころ軸受が荷重を受けたときに誘起スラスト荷重が発生し、球面ころが中鍔に押し当てられるから、球面ころの姿勢が安定し、スキューを抑制することができる。

さらには、内輪に中鍔を有する例を示したが、これに限ることなく、内輪に中鍔を有しないものとしてもよいし、内輪若しくは外輪によって案内される案内輪を有するものとしてもよい。

次に、図５を参照して、この発明に係るはすば歯車支持構造に使用する複列転がり軸受の他の形態を説明する。

図５に示す複列転がり軸受は、２つの内輪部材の大径側端部を突き合わせた内輪３２と、間座３７を挟んで２つの外輪部材を突き合わせた外輪３３と、内輪３２および外輪３３の間に左右の列でころ長さが互いに異なる円錐ころ３４，３５と、各列の円錐ころ３４，３５をそれぞれ保持する保持器３６とを備えた複列円錐ころ軸受３１である。

また、複列円錐ころ軸受３１においては、左右の列の円錐ころ３４，３５のそれぞれの大径側端部を向かい合わせた正面組み合わせ軸受である。

上記の構成の複列円錐ころ軸受３１では、円錐ころ３５のころ長さＬ_２を円錐ころ３４のころ長さＬ_１より長くしたので、ころ長さの長い円錐ころ３５の列ではアキシアル荷重負荷能力が高くなる。

なお、図５に示す複列円錐ころ軸受３１においては、内輪３２を一体として形成することとしてもよい。

図３〜図５に示す複列転がり軸受を、図１に示す風力発電機用増速機１の軸受４に適用する場合、軸受の負荷容量を高くした側を遊星歯車機構５から遠いほうに配置する。そうすることで、各列の負荷状況に応じた適切な支持が行えるので、信頼性が高く、長寿命のはすば歯車支持構造が得られる。

次に、図６を参照して、この発明に係るはすば歯車支持構造に使用する複列転がり軸受の他の形態を説明する。

図６に示す複列転がり軸受は、２つの内輪部材の小径側端部を突き合わせた内輪４２と、外輪４３と、内輪４２および外輪４３の間に左右の列でころ長さが互いに異なる円錐ころ４４，４５が配置されている。円錐ころ４４，４５は、各列の円錐ころ４４，４５をそれぞれ保持する保持器４６とを備えた複列円錐ころ軸受４１である。

また、複列円錐ころ軸受４１は、左右の列の円錐ころ４４，４５のそれぞれの小径側端部を向かい合わせた背面組み合わせ軸受である。

上記の構成の複列円錐ころ軸受４１では、円錐ころ４４のころ長さＬ_１を円錐ころ４５のころ長さＬ_２より長くしたので、ころ長さの長い円錐ころ４４の列ではアキシアル荷重負荷能力が高くなる。

また、複列円錐ころ軸受４１は、背面組み合わせとすることにより、軸受の作用点間距離が長くなるので、ラジアル荷重負荷能力やモーメント荷重負荷能力が向上する。

この複列円錐ころ軸受４１を、図１に示す風力発電機用増速機１の軸受４に適用する場合、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を支持することができる軸受４１ａを、遊星歯車機構５から近いほうに配置する。そうすることで、各列の負荷状況に応じた適切な支持が行えるので、信頼性が高く、長寿命のはすば歯車支持構造が得られる。

図３〜図６の各実施形態において、左右の列でころ長さを互いに異ならせることにより、軸受の左右の列で負荷容量を異ならせる例を示したが、他の方法として、左右の列でころ径を互いに異ならせてもよいし、一方のころを中実ころとし、他方のころを両端面に貫通する貫通孔を有する中空ころとしてもよい。さらには、これらを組み合わせることによって、軸受の左右の列で負荷容量を異ならせることも有効である。

軸受の左右の列でころ径を互いに異ならせることにより、ころ径の大きい側の軸受の負荷容量を大きくすることができる。また、軸受の左右の列の一方を中実ころ、他方を中空ころとすることにより、中実ころが配置された側の軸受の負荷容量を大きくすることができる。また、軸受の左右の列でころ長さおよびころ径が同一のころを用いることができるので、内輪および外輪に標準品とすることができ、製造コストを抑えることが可能となる。

次に、図７を参照して、この発明に係るはすば歯車支持構造として、風力発電機用増速機の構成について説明する。

風力発電機用増速機５０は、風力を受けるブレードとともに回転する入力軸５１と、中間軸５２と、入力軸５１の回転を増速して中間軸５２に伝達する遊星歯車機構５５とからなる第１増速装置と、中間軸５２，５３と、発電機に接続された出力軸５４と、中間軸５２，５３および出力軸５４をはすば歯車５６〜５９によって連結する平行軸歯車機構の第２増速装置とを備える。

遊星歯車機構５５は、中間軸５２に接続された太陽歯車６０と、ハウジングに固定された内歯歯車６１と、軸受６３を介して入力軸５１に接続され、太陽歯車６０および内歯歯車６１に噛み合う遊星歯車６２とからなる。太陽歯車６０、内歯歯車６１および遊星歯車６２には、はすば歯車が用いられている。

中間軸５２，５３および出力軸５４は、それぞれハウジングに固定された複列転がり軸受６４〜６９により支持されている。

第１増速装置は、遊星歯車６２が入力軸５１の回転に伴って太陽歯車６０の周りを公転する際に、内歯歯車６１と噛み合うことにより自転する。太陽歯車６０は、自転する遊星歯車６２と噛み合うことにより、入力軸５１の回転を中間軸５２に伝達する。このとき、太陽歯車６０と内歯歯車６１の歯数の差が大きい程、入力軸５１の回転が増速されて中間軸５２に伝達される。

第２増速装置は、中間軸５２の回転をはすば歯車５６〜５９により、中間軸５３を介して出力軸５４に伝達する。このとき、はすば歯車５６とはすば歯車５７、および、はすば歯車５８とはすば歯車５９の歯数の差が大きい程、中間軸５２の回転が増速されて出力軸５４に伝達される。

風力発電機用増速機５０で使用される各種歯車について、その一部または全部に平歯車を用いてもよいが、はすば歯車を用いることにより、伝動が極めて円滑で、振動音が少なく、大きな力を伝えることが可能な増速機を得ることができる。

上記の風力発電機用増速機５０において、入力軸５１、中間軸５２，５３、出力軸５４は、それぞれ、はすば歯車の噛み合いによりアキシアル方向荷重を受けることになる。そこで、各軸を支持する複列転がり軸受として、図３〜図６に示す複列転がり軸受を使用することによって、各列の負荷状況に応じた適切な支持が行えるので、信頼性が高く、長寿命の風力発電機用増速機が得られる。

以下、出力軸５４を支持する複列転がり軸受に図３〜図６に示す複列転がり軸受を適用する場合について、説明する。

出力軸５４が複列転がり軸受６９側から見て時計回りに回転する場合、出力軸５４は、はすば歯車５９から図の右方向に向かうアキシアル荷重を受けることになる。

この場合において、複列転がり軸受６８，６９に図３〜図５に示す複列転がり軸受を使用する場合には、複列転がり軸受６８のはすば歯車５９に近いほうの列と、複列転がり軸受６９のはすば歯車５９から遠いほうの列とに軸受の負荷容量の高い側の列を配置するとよい。一方、複列転がり軸受６８，６９に図６に示す複列転がり軸受を使用する場合には、複列転がり軸受６８のはすば歯車５９から遠いほうの列と、複列転がり軸受６９のはすば歯車５９に近いほうの列とに軸受の負荷容量の高い側の列を配置するとよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、はすば歯車の支持構造において有利に利用される。

従来の風力発電機用増速機の概略図である。一対のはすば歯車を噛み合わせた状態を示す図および、回転時に作用する荷重の方向を示す図である。この発明に係るはすば歯車支持構造で使用される軸受であって、左右の列でころ長さを互いに異ならせた複列自動調心ころ軸受を示す図である。この発明に係るはすば歯車支持構造で使用される軸受であって、左右の列でころ長さを互いに異ならせ、軸受の左右の列の接触角を同一とした複列自動調心ころ軸受を示す図である。この発明に係るはすば歯車支持構造で使用される軸受であって、左右の列でころ長さを互いに異ならせた正面組み合わせの複列円錐ころ軸受を示す概略図である。この発明に係るはすば歯車支持構造で使用される軸受であって、左右の列でころ長さを互いに異ならせた背面組み合わせの複列円錐ころ軸受を示す概略図である。この発明の他の実施の形態に係る風力発電機用増速機を示す概略図である。

符号の説明

１，５０風力発電機用増速機、２，５１入力軸、３，５４出力軸、４，９,６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９複列転がり軸受、５，５５遊星歯車機構、６，６０太陽歯車、７，６１内歯歯車、８，６２遊星歯車、１１，２１複列自動調心ころ軸受、１２，２２，３２，４２内輪、１３，２３，３３，４３外輪、１４，１５，２４，２５球面ころ、１６，２６，３６，４６保持器、１７，２７中鍔、３１，４１複列円錐ころ軸受、３４，３５，４４，４５円錐ころ、３７間座、５２，５３中間軸、５６，５７，５８，５９，７１，７２はすば歯車。

Claims

中心軸を有するはすば歯車と、
固定部材に組み込まれ、前記中心軸を回転自在に支持する複列転がり軸受とを備えた、はすば歯車支持構造において、
前記複列転がり軸受は、左右の列で負荷容量を互いに異ならせて、大きなアキシアル荷重を受ける側の列の負荷容量を大きくしたことを特徴とする、はすば歯車支持構造。
前記複列転がり軸受は、左右の列に軌道面を有する内輪と、球面状凹部の軌道面を有する外輪と、前記内輪および前記外輪の間に複列に配置された球面ころとを備える複列自動調心ころ軸受である、請求項１に記載のはすば歯車支持構造。
前記複列自動調心ころ軸受は、左右の列でころ長さが互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ長さを長くした、請求項２に記載のはすば歯車支持構造。
前記複列自動調心ころ軸受は、左右の列でころ径が互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ径を大きくした、請求項２または３に記載のはすば歯車支持構造。
前記複列自動調心ころ軸受は、左右の列の接触角が同一である、請求項２〜４のいずれかに記載のはすば歯車支持構造。
前記複列転がり軸受は、左右の列に軌道面を有する内輪と、外輪と、前記内輪および前記外輪の間に複列に配置された円錐ころとを備える複列円錐ころ軸受である、請求項１に記載のはすば歯車支持構造。
前記複列円錐ころ軸受は、左右の列の円錐ころの小径側端部を向かい合わせた背面組み合わせ軸受である、請求項６に記載のはすば歯車支持構造。
前記複列円錐ころ軸受は、左右の列の円錐ころの大径側端部を向かい合わせた正面組み合わせ軸受である、請求項６に記載のはすば歯車支持構造。
前記複列円錐ころ軸受は、左右の列でころ長さが互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ長さを長くした、請求項６〜８のいずれかに記載のはすば歯車支持構造。
前記複列円錐ころ軸受は、左右の列でころ径が互いに異なり、大きなアキシアル荷重を受ける側の列のころ径を大きくした、請求項６〜９のいずれかに記載のはすば歯車支持構造。
風力を受けるブレードの一端に固定され、ブレードとともに回転する入力軸と、
発電機に接続された出力軸と、
前記入力軸および前記出力軸の間に配置され、前記入力軸の回転を増速して前記出力軸に伝達する増速機構とを備えた風力発電機用増速機において、
前記増速機構は、動力伝達手段の一要素としてのはすば歯車と、前記はすば歯車の軸を回転自在に支持する複列転がり軸受とを備え、
前記複列転がり軸受は、左右の列で負荷容量を互いに異ならせて、大きなアキシアル荷重を受ける側の列の負荷容量を大きくしたことを特徴とする、風力発電機用増速機。