JP5579702B2 - パワーシャフトにより伝達されるトルクを測定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのシャフト、例えば、飛行機のタービンエンジンのシャフトにより伝達されるトルクを測定する装置に関する。

シャフトの回転トルクの測定は、ヘリコプタエンジンの分野では特に重要であることを思い出すべきである。トルクは、一般に、ヘリコプタを操縦するためにパイロットが考慮しなければならない基本的なデータ項目の１つであるためである。ヘリコプタのロータが一定の速度を示すと、その動力はトルクによってのみ決まる。

このトルクを測定するために、種々の解決策が考えられてきた。その中に、シャフトの捩れ変形の測定に基づく解決策がある。特に、その捩れ変形は、伝達トルクの関数である。

本発明は、シャフトの捩れ変形のそのような測定に基づく装置を提供する。

より詳細には、本発明は、
パワーシャフトの軸を中心とした回転トルクを伝達するためのパワーシャフト、
角度マークを有する第１のホイールであって、パワーシャフトに固定される第１のホイール、
パワーシャフトの一端部に締結される第１の端部と、角度マークを有する第２のホイールが配設され、第１のホイールと同軸上にある第２の自由端部とを有する基準シャフト、および
少なくとも１つの前記ホイールに面して配置され、第１のホイールと第２のホイールとの間の角度変化量を表す信号を出すのに適したセンサを備え、前記信号は、センサによって送信された信号に基づいてパワーシャフトにより伝達されるトルクを決定するのに適した計算部に送信されるように設計されるトルク測定装置を提供する。

このような測定装置は、仏国特許第２５９５８２１号明細書の図１に示されている。フォニックホイールの歯に面して配置される磁気センサは、フォニックホイール間の角度変化量を検出する働きをし、それにより、計算部がパワーシャフトの捩れ変形を決定することができ、後で回転トルクを推測できるようにする。

仏国特許第２５９５８２１号明細書

上述の特許文献で強調されるように、捩れたパワーシャフトの剛性は、シャフトを構成する材料のヤング率の値に関係し、このヤング率の値は、温度の関数である。すなわち、トルクを計算するときにパワーシャフトの温度を考慮する必要がある。そうでなければ、得られる値は大きく間違ったものになるからである。

シャフトの温度を決定するために、仏国特許第２５９５８２１号明細書は、基準シャフトに対してパワーシャフトの長手方向の膨張を測定し、その膨張から温度を推測する追加のセンサの使用を想定している。したがって、仏国特許第２５９５８２１号明細書の測定装置は、実施するのに手間がかかり、複数の磁気センサを有する場合にはかさ高くなる。

本発明の目的は、パワーシャフトによって伝達されるトルクを測定する装置であり、必要な部品がより少なく、その結果、サイズ、重量、コストが低減できる装置を提案することである。

本発明は、
第１のホイールは、第１および第２の組の角度マークを含むこと、
第２のホイールは、第３および第４の組の角度マークを含み、第１の組のマークと第３の組のマークとは互いに平行であり、第２の組のマークと第４の組のマークとは互いに平行であるが、パワーシャフトの軸を含む第１の軸方向面に対して傾斜しており、第１の組のマークは、第２の組のマークに対して傾斜していること、
それにより、前記センサによって送信される信号は、パワーシャフトの温度も表すことによって、上述の目的を達成することができる。

好ましくは、第１および第２のホイールはフォニックホイールであり、第１の組、第２の組、第３の組および第４の組の角度マークは歯で構成される。

フォニックホイールのこの特別な構造により、１つのセンサを使用して、後でパワーシャフトにより実際に伝達されているトルクを推測する位置にあるように、パワーシャフトの角度変形およびシャフトの温度を有利に決定することができる。

本発明の利点は、１つのセンサのみが必要であるが、先行技術の装置は、シャフトの温度を考慮したトルク値を得るために複数のセンサが必要である点である。

本発明の動作を以下で説明する。

パワーシャフトの回転時に、磁気センサは、フォニックホイールの歯の各組に属する歯の通過を検出する。したがって、磁気センサによって生成された表示信号は、大まかには、各々の「ピーク」が歯に対応するパルス信号の列を構成する。

計算部は、どの歯が信号の各ピークに関連しているかを認識できるようにプログラムされる。

したがって、センサにより送信された信号列は、第１の組の歯と第３の組の歯との間の第１の角度差、および第２の組の歯と第４の組の歯との間の第２の角度差を決定する働きをして、これらの角度差を連続するピーク間の持続時間から決定することができる。

歯間の角度差の初期値を知ることで、第１の組の歯と第３の組の歯との間の第１の角度差変化量および第２の組の歯と第４の組の歯との間の第２の角度差変化量を推測することができる。

第１の角度差変化量および第２の角度差変化量の各々は、捩れ変形に関する情報を含み、さらに、決定された変化量の少なくとも１つは温度に関する情報を含む。

平行である第２の組の歯と第４の組の歯とは、それ自体がパワーシャフトの軸を含む第１の軸方向面に対して傾斜すると、基準軸に対するパワーシャフトの軸方向熱膨張がこれらの２つの組の２つの歯間の角度差の変化を生じさせ、その加減が温度を示す。

すなわち、温度による角度差の変化が、トルクの伝達によって生じるシャフトの捩れ変形による角度差の変化量に加えられる。

歯の傾斜角を知ることで、第１の角度差変化量および第２の角度差変化量から、パワーシャフトの捩れのみによる角度変化量および膨張による２つのシャフト間の軸方向オフセットのみによる角度変化量を決定できるようになり、したがって、温度が決定されるのは、軸方向オフセットを表すこの変化量からとなる。

その後、温度と捩れ変形による角度差変化量とは計算部に送信され、計算部は、予め記憶されているチャートに基づいて、実際にパワーシャフトにより伝達されているトルクの値を計算することができる。

さらに、本発明では、１組の歯は、１つの歯、好ましくは複数の歯を備えることができる。

好ましくは、第１および第２のフォニックホイールは、第１のフォニックホイールの歯が第２のフォニックホイールの歯と角度をなして交互になるように配置される。

したがって、信号列で、２つの連続する「ピーク」は異なる２つのフォニックホイールの２つの歯に属するということになる。その後、角度差は、任意の２つの連続する歯間の継続時間を見て決定されることができる。

さらに好ましくは、パワーシャフトの周方向に見て、第１の組の歯、第３の組の歯、第２の組の歯、第４の組の歯が連続して続く。

計算部は、有利には、この特定の順序を認識するようにプログラムされる。

本発明の第１の特に有利な実施形態では、パワーシャフトの周方向に見て、第１の組の歯と第３の組の歯とは、パワーシャフトの軸に平行である。したがって、第１の組の歯と第３の組の歯とは軸方向面に伸びるが、第２の組の歯と第４の組の歯とは第１の軸方向面に対して傾斜した平面に伸びる。

第１の組の歯と第３の組の歯とは、パワーシャフトの軸に平行であるので、第１の角度差変化量は、パワーシャフトの捩れ変形のみを表す。膨張による軸方向オフセットは、軸に平行な２つの歯間の角度差を加減しない。

すなわち、この第１の角度差変化量から、捩れ変形のみの結果である角度変化量を決定することができる。

さらに、上述したように、第２の角度差変化量は、捩れ変形と共に軸方向膨張による角度修正の結果もたらされる角度変化量で構成される。

前記角度変化量がすでに第１の角度差変化量から決定された場合、有利には、第２の組の歯および第４の組の歯の傾斜角を知ることで温度を決定することができる。

最後に、温度と捩れ変形の結果もたらされる角度変化量は、計算部に送信されて、実際にパワーシャフトにより伝達されているトルクの値を決定する。

本発明の第２の特に有利な実施形態では、パワーシャフトの周方向に見て、第１の組の歯と第３の組の歯とは、パワーシャフトの軸を含む第２の軸方向面に対して所定の角度で傾斜しているが、第２の組の歯と第４の組の歯とは、パワーシャフトの軸を含む第１の軸方向面に対して、前記所定の角度と逆の角度で傾斜している。

この実施形態では、第１の角度差変化量および第２の角度差変化量は共に、温度とパワーシャフトの捩れ変形との両方に関する情報を含む。

第１の組および第３の組の傾斜角は第２の組および第４の組の傾斜角と逆であるので、第１の変化量および第２の変化量の和の１／２および差の１／２がそれぞれ、調べる温度および角度変化量を示す。

これらの実施形態の両方において、基準シャフトは、好ましくは、パワーシャフトの軸方向内側に伸びる。

有利には、歯の組は、それぞれのフォニックホイールの周囲の部分にわたって角度をなして配置される。

最後に、本発明はさらに、本発明によるパワーシャフトにより伝達されているトルクを測定する装置を含むターボ機械を提供する。

非限定的な例として示された２つの実施形態についての以下の説明を読めば、本発明はより十分に理解され、本発明の利点がより明らかになる。以下の説明は、添付図面を参照する。

本発明のトルク測定装置を装備したヘリコプタのタービンエンジンを示す図である。 本発明の測定装置の軸方向半断面図である。 第２のフォニックホイールの歯が伸びるパワーシャフト内に設けられた開口部を示す図１の詳細図である。 基準シャフトがパワーシャフトの外側に伸びる図２の装置の変形形態の軸方向半断面図である。 第１および第２のフォニックホイールの歯の相対位置を示す半径方向断面図である。 パワーシャフトが停止しているときのフォニックホイールの周方向に見た本発明の第１の実施形態の第１および第２のフォニックホイールの歯の相対位置を示す図である。 パワーシャフトがトルクを伝達しているときの図４Ａの第１および第２のフォニックホイールの歯の相対位置を示す図である。 パワーシャフトがトルクを伝達していないときのフォニックホイールの周方向に見た本発明の第２の実施形態の第１および第２のフォニックホイールの歯の相対位置を示す図である。 パワーシャフトがトルクを伝達しているときの図５Ａの第１および第２のフォニックホイールの歯の相対位置を示す図である。

本発明のトルク測定装置は、トルク計または捩れインジケータとも呼ばれるが、シャフトにより伝達されるトルクを知ることが望まれている多くの状況で使用できる。以下の詳細な説明では、測定装置は、図１に示されるようなガスタービン９などのヘリコプタタービンの特定の非包括的な例で説明される。

図１に示される本発明のトルク測定装置１０は、他のシャフトに結合するまたはタービンエンジンのギアに結合する両端部を有するシャフト部分の一般的な形態である。

すなわち、トルク測定装置１０は、軸Ａを中心とした回転トルクを伝達する中空パワーシャフト１２を備える。これが、測定されるトルクである。

図１の例では、パワーシャフト１２は、第１の端部１２ａにギア１４を有し、その第１の端部と反対側の第２の端部１２ｂに駆動部１６を有する。当然、パワーシャフトの両端部は、他の方法で取り付けられる場合もある。

さらに、パワーシャフト１２は第２の端部１２ｂの近くに、同軸に取り付けられ、複数の角度マーク、具体的には歯１９を備える第１のホイール１８、具体的には、フォニックホイール１８を担持する。
図２に見られるように、測定装置はさらに、パワーシャフト１２の軸方向内側に伸びる基準シャフト２０を含み、基準シャフト２０はパワーシャフト１２の第２の端部１２ａに近接する第１の端部２０ａでパワーシャフト１２に締結されるが、自身の第２の端部２０ｂは自由端部になる。図２Ｂは、測定装置の代替の形態の構造を示し、基準シャフト２０’はパワーシャフト１２’の軸方向外側に伸び、基準シャフト２０’はパワーシャフト１２’の第１の端部１２ａ’に近接する第１の端部２０ａ’でパワーシャフト１２’に締結されるが、自身の第２の端部２０ｂ’は自由端部になる。

図２に戻って、基準シャフト２０の第１の端部２０ａの反対側の第２の端部２０ｂは、具体的にはフォニックタイプの第２のホイール２２を担持し、このホイールは第１のフォニックホイール１８と同軸上にあることがわかる。第２のフォニックホイール２２は、複数の角度マーク、具体的には歯２３を担持し、歯２３は、図２Ａにより詳しく示されるように、パワーシャフト２０内に形成される開口部２４を通って半径方向に伸びる。

第１のフォニックホイール１８および第２のフォニックホイール２２の歯に面して、歯が前を通過する度に電気信号を生成するようになされた１つの磁気センサ２６があり、その信号は、その後、パワーシャフト１２により伝達されるトルクの値を決定するために計算部２８に送信される。

図３は、第１のフォニックホイール１８および第２のフォニックホイール２２の歯の角度分布を示す。この例では、白の歯は第１のフォニックホイール１８に属し、黒の歯は第２のフォニックホイール２２に属する。

本発明によれば、第１のフォニックホイール１８は、互いに同一の第１の組の歯Ｄ１と、互いに同一の第２の組の歯Ｄ２とを担持し、第２のフォニックホイール２２は、互いに同一の第３の組の歯Ｄ３と、互いに同一の第４の組の歯Ｄ４とを有する。

図からわかるように、第１および第２のフォニックホイールは、第１のフォニックホイール１８の歯Ｄ１、Ｄ２が第２のフォニックホイール２２の歯Ｄ３、Ｄ４と角度をなして交互になるように配置される。

本明細書で説明される例では、歯の各組は２つの歯を備えることが分かる。

より正確には、図４Ａから図５Ｂに示されるように、パワーシャフト１２の周方向または「半径方向に垂直（ｏｒｔｈｏｒａｄｉａｌ）」な方向ＯＲに見て、第１の組の歯Ｄ１、第３の組の歯Ｄ３、第２の組の歯Ｄ２、最後に第４の組の歯Ｄ４と連続して続く。

パワーシャフトが停止しているとき、すなわち、パワーシャフトがトルクを伝達していないとき、それぞれ第１の組の歯および第３の組の歯に属する歯Ｄ１およびＤ３は、規定の第１の角度差ｘ_０を示し、それぞれ第２の組の歯および第４の組の歯に属する歯Ｄ２およびＤ４は、規定の第２の角度差ｙ_０を示す。

一方、パワーシャフト１２がトルクを伝達しているとき、伝達されているトルクの大きさおよびパワーシャフトの温度に従って、パワーシャフト１２は多かれ少なかれ捩れ変形する傾向がある。

したがって、パワーシャフト１２によるトルク伝達時に、序文で説明したように、第１および第２のフォニックホイールの歯は互いに対して移動し、第１の角度差および第２の角度差の値が変化する傾向があるということである。

図４Ａ、図４Ｂでは、本発明の第１の実施形態を説明する。これらの図は、フォニックホイールの周方向ＯＲで見た図である。したがって、これらの図は、フォニックホイールの周方向は直線で示されているが、歯の相対位置を示す図である。

本発明によれば、第１の組および第２の組の歯Ｄ１およびＤ３は互いに平行であり、第２の組および第４の組の駆動シャフトＤ２およびＤ４は互いに平行であるが、パワーシャフト１２の軸Ａを含む第１の軸方向面Ｐ１に対して傾斜しており、第１の組の歯Ｄ１は第２の組の歯Ｄ２に対して傾斜している。

この特定の実施形態では、第１の組および第３の組の歯Ｄ１およびＤ３はパワーシャフト１２の軸Ａに平行であり、すなわち、歯Ｄ１およびＤ３は２つの軸方向面に伸び、第２の組および第４の組の歯Ｄ２およびＤ４は第１の軸方向面Ｐ１に対して角θで傾斜される。すなわち、歯Ｄ２およびＤ４は、第１の軸方向面Ｐ１に対して角θをなす平面に伸びる。

図４Ａは、停止時、トルクがパワーシャフト１２によって伝達されていないときの歯Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の相対位置を示す。

停止状態では、第１の角度差はｘ_０に等しく、第２の角度差はｙ_０に等しい。

図４Ｂは、パワーシャフトがトルクを伝達しているときの同じ歯の相対位置を示し、この点では、パワーシャフト１２は温度Ｔに指定される。

図では、歯Ｄ１は歯Ｄ３から第１の角度差変化量と呼ばれる値Δｘだけ角度移動し、歯Ｄ２は歯Ｄ４から第２の角度差変化量と呼ばれる値Δｙだけ角度移動したことがわかる。

さらに、パワーシャフト１２は基準シャフト２０から軸方向に移動している。これは、エンジンの温度の上昇およびシャフトのそれぞれの膨張係数により差温膨張現象が生じるためである。

歯Ｄ４が傾斜しているために、第２の角度差変化量Δｙは、第１の角度差変化量Δｘと熱膨張にのみ対応する膨張角度変化量Δｚとの和に等しい。この膨張角度変化量は、記号ｄで示される軸方向膨張の差に比例する。その結果、軸方向膨張ｄ自体が温度の関数である場合、膨張角度変化量Δｚはパワーシャフトの温度Ｔの関数である。

一方、第１および第３の組の歯が膨張による軸方向変形の方向に平行であれば、第１の角度差変化量Δｘは２つのフォニックホイール１８、２２間の角度変形のみの測定値であるので、膨張は歯Ｄ１とＤ３との間の角度変化量に影響しない。

信号列を生成する磁気センサ２６は、この情報を計算部２８に送信し、計算部２８は種々の信号を区別し、第１および第２の角度差変化量を計算することができる。その後、第２および第１の角度変化量を差し引くことで、膨張角度変化量Δｚを得ることができ、この変化量Δｚから温度Ｔを推測することができる。

最後に、計算部２８は、予め記憶されているチャートを使用して、計算された温度Ｔおよび２つのフォニックホイール間の捩れ変形に対応する第１の角度差変化量Δｘから、パワーシャフト１２により伝達されるトルクの値を決定する。前記チャートは、温度の関数として、また角度差変化量の関数としてトルクの値を含むデータベースの形態にしてもよい。前記チャートは、工場で予め設定されてもよい。

図５Ａおよび図５Ｂは、第１および第３の組の歯Ｄ１およびＤ３がパワーシャフト１２の軸Ｘに平行でないが、パワーシャフト１２の軸Ａを含む第２の軸方向面Ｐ２に対して角度θだけ傾斜しているという点で第１の実施形態とは異なる第２の実施形態を示す。したがって、角度θは、第２および第４の組の歯Ｄ２およびＤ４の傾斜角θ’と逆である。

図５Ａは、パワーシャフト１２によってトルクが伝達されていないときの歯Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の相対位置を示す。

停止状態では、第１の角度差はｘ_０に等しく、第２の角度差はｙ_０に等しい。

図５Ｂは、パワーシャフトがトルクを伝達しているときの同じ歯の相対位置を示し、この時点では、パワーシャフト１２は温度Ｔに指定される。

この場合、第１および第２の角度差変化量ΔｘおよびΔｙは、２つのフォニックホイール間の角度変化量と膨張による角度差成分との和に等しい。Ｄ１とＤ３との組およびＤ２とＤ４との組は逆の角度で傾斜しているので、第１および第２の角度差変化量に含まれる膨張による角度差成分は逆であり、第１および第２の角度差変化量を足すことで、結果は２つのフォニックホイール間の角度変形の２倍になるが、第１および第２の角度差変化量を差し引くことで、結果は膨張による角度差成分の２倍になり、それから温度Ｔが推測できる。

このようにして、計算部がパワーシャフトにより伝達されているトルクを計算できるのに必要な情報の２つのアイテムがさらに得られる。

Claims (9)

1. 軸（Ａ）を中心とした回転トルクを伝達するためのパワーシャフト（１２）と、
   角度マークを有する第１のホイール（１８）であって、パワーシャフトに固定される第１のホイール（１８）と、
   パワーシャフトの一端部に締結される第１の端部（２０ａ）と、角度マークを有する第２のホイールが配設され、第１のホイールと同軸上にある第２の自由端部（２０ｂ）とを有する基準シャフト（２０）と、
   少なくとも１つの前記ホイールに面して配置され、第１のホイールと第２のホイールとの間の角度変化量（Δｘ、Δｙ）を表す信号を送信するのに適したセンサ（２６）とを備え、前記信号が、センサによって送信された信号に基づいてパワーシャフトにより伝達されるトルクを決定するのに適した計算部（２８）に送信されるように設計される、トルク測定装置であって、
   第１のホイール（１８）が、第１および第２の組の角度マーク（Ｄ１、Ｄ２）を含むことと、
   第２のホイール（２２）が、第３および第４の組の角度マーク（Ｄ３、Ｄ４）を含み、第１および第３の組のマーク（Ｄ１、Ｄ３）が互いに平行であり、第２の組および第４の組の角度マーク（Ｄ２、Ｄ４）が互いに平行であるが、パワーシャフトの軸（Ａ）を含む第１の軸方向面（Ｐ１）に対して傾斜しており、第１の組のマーク（Ｄ１）が第２の組のマーク（Ｄ２）に対して傾斜しており、それにより、前記センサ（２６）により送信される信号がパワーシャフト（１２）の温度も表すこととを特徴とする、トルク測定装置。
2. 第１および第２のホイール（１８、２２）がフォニックホイールであり、角度マーク（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）が歯であることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
3. 第１および第２のフォニックホイール（１８、２２）は、第１のフォニックホイール（１８）の歯（１９）が第２のフォニックホイール（２２）の歯（２３）と角度をなして交互になるように配置されることを特徴とする、請求項２に記載のトルク測定装置。
4. パワーシャフト（１２）の周方向（ＯＲ）に見て、第１の組の歯（Ｄ１）、第３の組の歯（Ｄ３）、第２の組の歯（Ｄ２）、第４の組の歯（Ｄ４）が連続して続くことを特徴とする、請求項３に記載のトルク測定装置。
5. パワーシャフト（１２）の周方向（ＯＲ）に見て、第１の組および第３の組の歯（Ｄ１、Ｄ３）が、パワーシャフトの軸（Ａ）に平行であることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
6. パワーシャフト（１２）の周方向（ＯＲ）に見て、第１の組および第３の組の歯（Ｄ１、Ｄ３）が、パワーシャフト（１２）の軸（Ａ）を含む第２の軸方向面（Ｐ２）に対して所定の角度（θ）で傾斜しているが、第２の組および第４の組の歯が、パワーシャフト（１２）の軸（Ａ）を含む第１の軸方向面に対して、前記所定の角度（θ）と逆の角度（θ’）で傾斜していることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
7. 歯の組（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）が、それぞれのフォニックホイールの周囲の部分にわたって角度的に画定されることを特徴とする、請求項２から６のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
8. 基準シャフト（２０）が、パワーシャフト（１２）の軸方向内側に伸びることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のトルク測定装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のトルク測定装置（１０）を含む、ターボ機械（９）。

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