JP6268163B2 - ギヤボックスおよびギヤボックスのキャリヤの支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には遊星ギヤボックスに関し、より詳細には、遊星ギヤボックスのキャリヤの支持装置および軸受に関する。

遊星ギヤボックスは、動力を伝達するために航空機エンジンに使用されることが多く、例えばプロペラやファンを駆動するために、パワータービンから動力を伝達する。航空機用途のためのギヤボックスは、軽量であり、高いトルク負荷を伝達することができ、かつ信頼性が高くなければならない。ギヤボックスのシステムレベルの信頼性は、技術的な観点から最大のハードルである。

動作時には、ギヤボックス内の遊星ギヤは、キャリヤに大きな負荷を伝達する。これは、ギヤボックスの複数の軸受および複数のギヤの撓みおよび位置ずれの原因となる。商業的に長寿命であるためには、これらの撓みや位置ずれを極力抑える必要がある。

なお、キャリヤの軸線方向の中央において負荷を伝達するために、球面軸受を用いてギヤボックスのキャリヤを中心で支持することが知られている。これによって、ギヤボックスのキャリヤを隣接する構造体に連結するトルクフィンガーを、曲げモーメントから分離する。しかし、可動部品を有する、稼働する球面継手は、摩耗し、緩む。また、球面継手が存在することによって、ギヤボックスがより複雑になる。

さらに、従来の鋼製軸受（例えばＭ５０合金鋼等）を使用することにより、ギヤボックス内の軸受の数に起因して、低いシステムレベルの寿命となる。

セラミックの回転要素は、鋼製のローラーよりも寿命が長いことが知られているが、回転要素は、玉軸受または球面ころ軸受の形態で使用される。これらは、軸線方向に柔軟ではなく、したがって、一部のヘリカルギヤ構成と互換性がない。

したがって、耐久性があり、柔軟なキャリヤ取り付け構成を有し、耐久性があり、軸線方向に柔軟な軸受構成を有するギヤボックスが必要とされている。

欧州特許出願公開第１８９００５４Ａ１号

この必要性は、トルクを歪みエネルギとして吸収できるようにするために十分な可撓性を有する板を介して、隣接する構造体に取り付けられたキャリヤを有する遊星ギヤボックスを提供する本発明によって対処される。また、本発明は、ヘリングボーンや、やまば歯車パターンを有する遊星ギヤを備える遊星ギヤボックスを提供する。この遊星ギヤは、セラミック材料から作られたタンデム円筒ころ軸受によって回転自在に取り付けられている。

本発明の一態様によれば、ギヤボックス支持装置は、中心軸を有し、内部に１以上の回転ギヤを取り付けるように構成されたギヤボックスのキャリヤであって、互いから離れている前方壁および後方壁、および前方壁とおよび後方壁との間に配置されている可撓性の中央プレート構造体を含むキャリヤと、キャリヤに対し、軸線方向に隣接して配置された環状の支持リングと、支持リングと中央プレートと、を相互接続する複数のトルクフィンガーと、を含む。

本発明の別の態様によれば、中心軸を有し、内部に１以上の回転ギヤを取り付けるように構成されたギヤボックスのキャリヤが提供される。このキャリヤは、互いから離れており、それぞれ前方ボアおよび後方ボアを有する前方壁および後方壁と、前方ボアおよび後方ボアに、それぞれ受け入れられる前方端部および後方端部を有するピンであって、キャリヤに対して軸線方向に動かないよう固定されたピンと、前方端部と後方端部との間のピンに取り付けられた内輪であって、環状軌道を画成する***したガイドを含み、キャリヤに対して軸線方向に動かないよう固定された内輪と、環状軌道内に配置されたセラミック材料からなる略円筒状の複数のローラーと、ピンを中心に回転自在に取り付けられた遊星ギヤであって、この遊星ギヤの円筒形の内表面が、ローラーを囲む外輪を画成するように取り付けられている、遊星ギヤと、を含む。

本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照することにより、最も良く理解することができる。

本発明の一態様に従って構成された遊星ギヤボックスの断面図である。 図１のギヤボックスの軸受ローラーの側面図である。 図１のギヤボックスのキャリヤの一部分の部分断面図である。 図３の線４−４に沿って見た図である。 図１の変速機部の一部分の一部断面斜視図である。

様々な図を通して、同一の参照符号が同じ要素を表わしている図面を参照すると、図１は、本発明の一態様に従って構成されたギヤボックス１０を示している。ギヤボックス１０は、遊星型であり、中心軸線「Ａ」を有している。ギヤボックス１０は、中心に配置された太陽ギヤ１２を有している。太陽ギヤ１２は、二重螺旋すなわち「ヘリングボーン」形状のギヤ歯１４を有している。キャリヤ１６が、太陽ギヤ１２を囲み、遊星ギヤ１８の環状アレイを支えている。図示の例では、４つの遊星ギヤ１８が設けられているが、異なる数の遊星ギヤ１８を使用してもよい。各遊星ギヤ１８は、ヘリングボーン形状のギヤ歯２０を有している。リングギヤ２２が、遊星ギヤ１８を囲んでおり、また、ヘリングボーン形状のギヤ歯２４を有している。太陽ギヤ１２、遊星ギヤ１８、およびリングギヤ２２は、全体として歯車列を構成している。遊星ギヤ１８の各々は、太陽ギヤ１２およびリングギヤ２２と噛み合っている。太陽ギヤ１２、遊星ギヤ１８およびリングギヤ２２は、合金鋼で作ることができる。動作時には、リングギヤ２２が機械的な負荷（例えば、図示されないファン）に連結されている際に、入力部（例えば、図示されないロータシャフト）が、太陽ギヤ１２を回転させる。ギヤボックス１０は、太陽ギヤ１２の回転速度を、リングギヤ２２に連結された負荷に適した回転速度に公知の方法で低下させるのに有効である。

それぞれのギヤの噛み合い（太陽ギヤと遊星ギヤとの間、および遊星ギヤとリングギヤとの間）は、二重螺旋、すなわち「ヘリングボーン」ギヤ歯形である。このため、太陽ギヤ１２と遊星ギヤ１８、あるいは遊星ギヤ１８とリングギヤ２２との間に、軸線Ａに平行に相対的に動くことはない。換言すれば、これらの要素同士の間に軸線方向の柔軟性はない。

したがって、遊星ギヤ１８が選ばれ、キャリヤ１６と遊星ギヤ１８との間に軸線方向コンプライアンスをもたらすように取り付けられている。

１つの遊星ギヤ１８の取り付けを、すべての遊星ギヤ１８が同様に取り付けられるという理解の下に説明する。キャリヤ１６は、前方壁２６と後方壁２８を含み、同軸のボア３０およびボア３２が、それぞれに形成されている。ピン３４が、ボア３０およびボア３２で受けられる。ピン３４は、中空の略円筒形状であり、前方端部および後方端部を有している。前方端部は、ねじ切りされて、縮径された表面３６を含むのに対し、後方端部は、環状の半径方向外側に延びるフランジ３８を含んでいる。保持部４０（この例では、ねじ山のあるロックナット）が、縮径された前方の表面３６に係合し、後方への軸線方向移動に抗する位置にピン３４を固定する。ピン３４には、複数の供給穴４２が形成されている。動作時には、オイルが中空のピン３４の内部へ供給され、供給穴を通って内輪４４に流れる。これによって、冷却および潤滑の両方が行われる。ころ軸受５２が、内輪４４と、遊星ギヤ１８の内表面と、の間に配置されている。

図示の例では、内輪４４は、前方環状軌道４８および後方環状軌道５０を画成する***したガイド４６の複数の対を組み込んだ単一の一体部品である。ピン３４のフランジ３８は、内輪４４に当接する。また、内輪４４は、キャリヤ１６の前方壁２６の内面に当接する。これによって、ピン３４が、前方への軸線方向の動きに抗して固定される。単一の内輪を使用することによって、ローラー対同士の間の同軸性が良好になるが、２つの別個の内輪も、使用することができる。内輪４４の大きさは、キャリヤ１６に対して軸線方向に移動できないようなサイズになっている。

溝４８、５０は、２つのタンデムリングでローラー５２を受ける。ローラー５２は、既知の組成のセラミック材料、例えば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎｉ４）から成る。ローラー５２は円筒形のローラーとして構成されている。図２に見られるように、側面視では、ローラー５２は、中央の冠部５３と、端部５５とを有する樽形状を有する。中央の冠部５３は、最大径を有し、端部５５は、凸曲面状にだんだん細くなり、より小さな径を有する（図２においては、説明のために形状が強調されている）。公知の方法に従って、冠部５３および端部５５の形状および寸法を注意深く選択することにより、ローラー５２の寿命が最も長くなる。

再び図１を参照すると、遊星ギヤ１８の、円筒形の内表面は、ローラー５２の外輪５８を画成する。動作時には、ローラー５２が、外輪５８に対して軸線方向に摺動する可能性がある。これにより、キャリヤ１６が、遊星ギヤ１８に対して制限された範囲で軸線方向に動くことができる。これにより、公差およびキャリヤ１６内の熱のスタックが可能になる。

キャリヤ１６はまた、図３〜５に示されているように、動作中にギヤボックス１０のギヤおよび軸受の位置ずれを防止するように支持されている。

キャリヤ１６の前方壁２６および後方壁２８は、軸線方向に延びる側壁５４（図３参照）によって相互に接続されている。側壁５４の複数の対は、それぞれの遊星ギヤ１８の対向する両側に配置されている。前方壁２６、後方壁２８、および側壁５４は、全体として、キャリヤ１６の複数のローブ、すなわちアーム５６を、間隔を開けて画成する。各遊星ギヤ１８は、１つのローブ５６内に収容されている。キャリヤ１６はまた、その構造の一体部分として中央プレート構造体を含んでいる。図３および図４に見られるように、中央プレート構造体は、複数の個々の中央プレート５８に分割されている。各中央プレート５８は、円板の円弧状部の形をしており、かつ略径方向平面にある（すなわち前方壁２６および後方壁２８と平行である）。各中央プレート５８は、一対のローブ５６同士の間の空間で延び、複数の側壁５４のうち隣接するもの同士に接続される。図示の例では、中央プレート５８は、前方壁２６と後方壁２８との間の略中間に位置している。中央プレート５８の軸線方向位置を、特定の用途に適するように調整することができる。特に、中央プレート５８の軸線方向位置を注意深く決定することによって、キャリヤ１６の位置ずれを抑制することができる。

環状の支持リング６０（図１参照）は、後方壁２８に対して軸線方向に隣接して配置されている。支持リング６０は、トルクリング構造（図示せず）に支持リング６０を固定するためのボルト穴（図示せず）等の手段を備える。複数のトルクフィンガー６８は、支持リング６０と中央プレート構造体との間で軸線方向に延びている。１つのトルクフィンガー６８が、各中央プレート５８に設けられている。このトルクフィンガー６８は、中央プレート５８および支持リング６０と機能的に一体である。このトルクフィンガー６８は、中央プレート５８および支持リング６０との一体（モノリシック）部品の一部として構成されていてもよいし、中央プレート５８および支持リング６０に取り付けられた別個の部品であってもよい。中央プレート構造体、および中央プレート構造体を囲む構造は、鉄基合金、ニッケル基合金、チタン基合金等の適当な金属合金で構成することができる。トルクフィンガー６８は、その後方端部７０（図１）において第１の断面領域を有する。トルクフィンガー６８は、後方端部７０からだんだん細くなり、その前方端部７２（図４）の断面積は、より小さい。トルクフィンガー６８の断面の接線方向の幅は、その断面の径方向の厚さよりも一般に大きい。前方端部７２は中央プレート５８に、後方端部７０は支持リング６０に、凹状に湾曲したフィレットを介して滑らかに細くなっている。

動作時には、遊星ギヤ１８が、キャリヤ１６に大きな接線方向の力を伝達し、それによって、キャリヤ１６は、支持リング６０に対して回転しようとする（図５に矢印「Ｒ」で示された相対方向を参照）。その結果、トルクフィンガー６８を接線方向（矢印「Ｂ」で示す）に弾性変形させる。中央プレート５８は、歪み（矢印「Ｄ」）、トルクフィンガー６８の屈曲に適応するようになる。これらの効果は、歪みエネルギとしてのトルクを吸収し、キャリヤ１６からトルクフィンガー６８の動きを分離することである。これにより、キャリヤ１６の歪みや、それによって生じる軸受の位置ずれや、ギヤの動作中のクリアランスの変化を回避する。複数の中央プレート５８の応力が、予想される運転負荷に対する弾性範囲内に維持されるように、これらの寸法および形状が決定される。

本明細書に記載されたギヤボックス支持装置は、従来技術に勝る利点をいくつか有する。このギヤボックス支持装置によれば、従来のギヤボックスに比べて、別個の部品がいくつか少なくなる。継手の潤滑が不要となる。この装置によって、位置ずれが小さくなることによって、ガスタービンエンジンに組み込まれたギヤボックスを使用する技術が可能となる。特に、位置ずれが小さくなる結果、システムレベルの要求を満たすギヤおよび軸受の寿命が得られるであろう。

また、セラミックの円筒状の回転要素を使用することにより、遊星ギヤ１８は、軸線方向に自由度を持つことができ、設計が簡略化される。セラミックの回転要素は、スチールローラーと比較して寿命を少なくとも倍増させることが予想される。これにより、ギヤボックス１０は信頼性目標を満たすことができるようになる。また、付加的な利点として、セラミックの回転要素は、オイルオフ性能に優れ、オイル流の要件が低く、発する熱が低く、および軽量設計が可能である。商業的には、この設計の寿命は長く、製品の寿命にわたって、交換のコストを最小にする。

以上、ギヤボックスのキャリヤ支持装置、ギヤボックス、およびこれらのための軸受構成を説明した。本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされ得ることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の好ましい実施形態および本発明を実施するための最良の形態の前述の説明は、単なる例示目的のために提示されているだけであり、限定するものではない。

１０ ギヤボックス
１２ 太陽ギヤ
１４ ギヤ歯
１６ キャリヤ
１８ 遊星ギヤ
２０ ギヤ歯
２２ リングギヤ
２４ ギヤ歯
２６ 前方壁
２８ 後方壁
３０ ボア
３２ ボア
３４ ピン
３６ 表面
３８ フランジ
４０ 保持部
４２ 供給穴
４４ 内輪
４６ ガイド
４８ 前方環状軌道、溝
５０ 後方環状軌道、溝
５２ 軸受、ローラー
５３ 冠部
５４ 側壁
５５ 端部
５６ アーム、ローブ
５８ 外輪、中央プレート
６０ 支持リング
６８ トルクフィンガー
７０ 後方端部
７２ 前方端部
Ａ 軸線

Claims (8)

1. 中心軸を有し、内部に１以上の回転ギヤ（１２、１８、２２）を取り付けるように構成されたギヤボックスのキャリヤ（１６）であって、互いから離れている前方壁（２６）および後方壁（２８）と、該前方壁（２６）及び前記後方壁（２８）の間に配置されている中央プレート構造体（５８）とを含むキャリヤ（１６）と、
   前記キャリヤ（１６）に対し、軸線方向に隣接して配置された環状の支持リング（６０）と、
   前記支持リング（６０）と前記中央プレート構造体（５８）とを相互接続する、複数の軸線方向に延びるトルクフィンガー（６８）と
   を備え、
   各トルクフィンガー（６８）が、後方端部（７０）において第１の断面積を有し、前方端部（７２）における、第１の断面積よりも小さい第２の断面積までだんだん細くなり、該トルクフィンガー（６８）の断面の、接線方向の幅が、該トルクフィンガー（６８）の断面の、半径方向の厚さよりも大きく、
   前記支持リング（６０）、前記中央プレート構造体（５８）、および前記トルクフィンガー（６８）は、モノリシック部品の一部であり、
   前記トルクフィンガー（６８）の弾性変形および前記中央プレート構造体（５８）の歪みによって、前記キャリヤ（１６）の歪み並びにこれにより生じる前記回転ギヤ（１２、１８、２２）の軸受の位置ずれ及び該回転ギヤ（１２、１８、２２）動作中のクリアランスの変化を回避する
   ギヤボックス支持装置。
2. 前記中央プレート構造体（５８）が、前記前方壁（２６）と前記後方壁（２８）との間の、軸線方向のほぼ中間に配置されている、請求項１に記載のギヤボックス支持装置。
3. 前記キャリヤ（１６）が、前記前方壁（２６）と前記後方壁（２８）とを相互接続する少なくとも１つの側壁（５４）を備える、請求項１又は２に記載のギヤボックス支持装置。
4. 前記キャリヤ（１６）の複数のローブ（５６）を画成するために、複数の前記側壁（５４）が、中心軸を中心に、互いから間隔を開けて配置された対の配列状に配置された、請求項３に記載のギヤボックス支持装置。
5. 前記キャリヤ（１６）の複数の前記ローブ（５６）同士の間に複数の空間が画成され、前記中央プレート構造体（５８）が、複数の中央プレート（５８）を備え、個々の前記中央プレート（５８）が、前記複数の空間のうち一つに配置され、かつ複数の前記側壁（５４）のうち、隣接するもの同士の間に延びる、請求項４に記載のギヤボックス支持装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のギヤボックス支持装置と、
   前記キャリヤ（１６）内に支持されているギヤトレイン（１２、１８、２２）と、を備えるギヤボックス。
7. 前記ギヤトレイン（１２、１８、２２）が、セラミック材料からなる、複数の略円筒状のローラー（５２）を含む軸受によって回転自在に支持された少なくとも１つのギヤ（１８）を含む、請求項６に記載のギヤボックス。
8. 前記ローラー（５２）が、最大直径の中央の冠部（５３）と、該中央の冠部（５３）からだんだん細くなり、より小さな径を有する端部（５５）とを有する、樽形状を有する、請求項７に記載のギヤボックス。