(57)【要約】  はすば歯車システム用のフレキシブル・ピン。転倒モーメントおよび他の歯車力によって生じるずれに対して等しくかつ反対の対抗する再調整は、構成部品を追加せずに、または表面を磨耗させずに作り出される。ピン要素上に、非垂直に向いたそれらの断面の主軸を有する１つまたは複数の異なるまたは変動する横断面が、はすば歯車力によって生じるずれを完全に補償するために２つの面内にたわみを生じさせるように接線方向および半径方向の力を利用し、その結果平歯車および従来型のフレックス・ピンを使用するときと同じく位置合わせされる噛み合いを維持する。
2010525282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの遊星歯車が遊星キャリヤ上に回転可能に支持される遊星歯車ステージを備えるエピサイクリック歯車ユニットであって、前記遊星歯車が太陽歯車および外側リング歯車と噛み合い、
前記太陽歯車および前記リング歯車が前記エピサイクリック歯車ユニットのシステム軸の周りを回転可能であり、
前記遊星歯車、前記太陽歯車および前記リング歯車がはすば歯車であり、
前記遊星キャリヤがフレックス・ピン型式のシャフトと、スリーブとを有し、そのスリーブ上に前記遊星歯車が搭載され
前記遊星キャリヤが非等法性であり、したがって前記歯車ユニットの前記システム軸に対して垂直な少なくとも２つの方向に異なる慣性断面モーメントを有する、エピサイクリック歯車ユニットにおいて、
前記遊星歯車の位置合わせが接線および半径方向で独立に調整可能であり、前記接線方向の位置合わせが、前記シャフトの角度向きをその遊星キャリヤ内で変更することによって調整され、前記半径方向の位置合わせが、前記遊星キャリヤの剛性を変更することによって調整されることを特徴とする、エピサイクリック歯車ユニット。
【請求項２】
前記遊星キャリヤの前記シャフトが、前記システム軸に直角な平面内で１つまたは複数の場所で非対称な形状である、請求項１に記載のエピサイクリック歯車ユニット。
【請求項３】
前記遊星キャリヤが、前記システム軸に直角な面内にある、ある方向の最小の慣性断面モーメントを有し、最小の慣性断面モーメントの前記方向が、前記遊星歯車の回転軸から前記太陽歯車の回転軸までの方向に対して曲がっている、前記請求項のいずれかに記載のエピサイクリック歯車ユニット。
【請求項４】
前記シャフトが非対称に形成され、前記シャフトの長さにわたり異なる向きを有する異なるまたは変動する横断面を備える、前記請求項のいずれかに記載のエピサイクリック歯車ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に歯車システムに、より詳しくははすば歯車システム用のフレキシブル・ピンに関する。
【背景技術】
【０００２】
歯車要素用のカンチレバー状（片持ちの）支持部の特別な形態は、装着用ピンとそれを同心に囲むスリーブ要素とを含み、スリーブの外周はシステム軸に対する平行状態を維持したままで装着用ピンが湾曲できるよう構成される。これは一般に「フレックス−ピン（ｆｌｅｘ−ｐｉｎ）」と呼ばれる。そのようなフレックス・ピンは、壁または他の部材に対してそれから片持ちで支えられるよう一端で固定された内部ピンを含み、その内部ピンの反対側端から片持ちで支えられたスリーブにして、内部ピンの外周上を延びて戻るスリーブを含み、結果として二重のカンチレバーが形成されている。
【０００３】
平行なたわみに加えこれらのデバイスは、遊星システムを含む多数歯車、分割動力システム内で荷重均等化を助けるように設計されるばね定数を有する。Ｒ．Ｊ．Ｈｉｃｋｓによる米国特許第３，３０３，７１３号に開示される発明は、重作業用変速機に、特にエピサイクリック構造内に４個以上の遊星歯車を使用することによって動力密度を増加させるとき顕著な適用性を有する。これらのシステムは、通常平歯車を使用する。そのような歯車では歯の接触は主として回転であり、係合および係脱中に起きる摺動を伴う。
【０００４】
対照的に、すば歯車は、螺旋形の歯を有する円筒形状の歯車である。はすば歯車は、平歯車より騒音および振動が少なく動作する。どんなときでも、はすば歯車上の荷重はいくつかの歯の上に分配され、結果として磨耗が少なくなる。それらの角度の付いた切り込みに起因して、歯の噛み合いは結果として歯車シャフトに沿ったスラスト荷重になる。したがって、はすば歯車はより高い密度およびより平滑な動作を有するけれども、それらはフレックス・ピンが対応するように設計される接線方向荷重に対して９０度の半径方向面内に転倒モーメントを発生させる。従来型のフレックス・ピンでは、このモーメントは、歯のずれを生じさせるであろう半径方向面内での歯車の回転に繋がるであろう。
【０００５】
歯車力の相違を図１に示す。この図では、エピサイクリック歯車システムの一部をなす遊星歯車が示されている。この「エピサイクリック」装置は、遊星キャリヤ上に装着つまり搭載され、内側の太陽歯車と噛み合う遊星歯車のリングと外側の環歯車から構成される。太陽歯車および遊星歯車は外部歯車であり、環歯車はその歯が内側にあるような内部歯車である。通常は、環歯車または遊星キャリヤのいずれかは固定して保持されるが、環歯車が固定される場合は歯車比がより大きくなる。
【０００６】
このエピサイクリック装置は、遊星歯車の間で荷重を分配するのを可能にし、任意の１つの歯車界面のところでの荷重を軽減する。図１を見れば分かるように、そのような装置内の遊星歯車に作用する半径方向（ｒ）、接線方向（ｔ）および軸方向（ａ）成分を有する異なる力が存在する。はすば歯車については、この軸方向の力が結果として転倒モーメントになる。
【０００７】
この転倒はすば歯車モーメントは、反作用リングを設置することによって対処することができるが、実際問題としてそれらは応力に遭遇するであろうし磨耗する可能性がある。これは特に、歯車および軸受の領域内での磨耗微粒子はどのような発生割合であれ望ましくないので危険を伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第３，３０３，７１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、構成部品を追加せずに、または表面を磨耗させずに、転倒はすば歯車モーメント問題に対する解決策を提供することが本発明の１つの目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、転倒モーメントおよび他の歯車力によって生じるずれに対する同一のかつ反対の矯正再調整が、構成部品を追加せずに、または表面を磨耗させずに作り出される。そのようにして、本発明は上記で説明した問題点を解決する。
【００１１】
本発明によれば、非垂直に向いたそれらの断面の主軸を有する１つまたは複数の異なるまたは変動する横断面を示すピンが、はすば歯車力によって生じるずれを完全に補償するために２つの平面内にたわみを生じさせるようにこの接線方向および半径方向の力を利用し、その結果、平歯車および従来型のフレックス・ピンを使用するときと同じく位置合わせされる噛み合いを維持する。そのようなピン要素は、それらが非等方性に形状化されかつそれらの軸に沿って異なる慣性断面モーメントを有するので、異なる方向で異なる剛性を示す。
【００１２】
その上接線方向の位置合わせは、ピンのその穴内の回転の向きを変更することによって、半径方向の位置合わせと無関係に調整することができる。半径方向の位置合わせは、搭載構成部品またはキャリヤの剛性を改変し、したがって半径方向平面内のピン搭載穴の位置合わせを生じさせることによって調整される。搭載構成部品またはキャリヤに搭載される補強板は、断面特性を調整するために使用される。これらの板は、半径方向平面内のキャリヤのピン搭載穴のずれを制御する。
【００１３】
本発明は、フレキシブル・ピンをはすば歯車に適用可能にする利点を有する。
【００１４】
本発明は、ピンが搭載される構成部品の望ましくないたわみを補償することができる利点を有する。
【００１５】
本発明は、予想されるかつ実際のシステムのたわみからの逸脱を補償するために位置合わせを調整できる利点を有する。
【００１６】
本発明は、はすば歯車がより高い荷重を担持し、かつ静粛かつ無振動であり得る利点を有する。
【００１７】
本発明は、フレキシブル・ピンが重量およびコストを低減し、かつその上、はすば歯車を使用して静粛な運転およびさらなる重量およびサイズの減少を達成する重作業用変速機に適用できるさらなる利点を有する。
【００１８】
本発明を、図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】遊星システム内の、平歯車およびはすば歯車の力の比較を示す図である。
【図２】ゼロの端部傾斜を有する単純な片持ち梁の線図である。
【図３】２重片持ち梁およびゼロの端部傾斜を有する単純梁の線図である。
【図４】結果として平行なたわみになる従来型のフレックス・ピン上の平歯車の力の線図である。
【図５】結果として非平行なたわみになる従来型のフレックス・ピンに作用するはすば歯車の力の線図である。
【図６】結果として非平行なたわみになる非対称フレックス・ピン上の平歯車の力の線図である。
【図７】結果として平行なたわみになる非対称フレックス・ピン上のはすば歯車の力の線図である。
【図８】主軸の向きを示す非対称フレックス・ピンの横断面の線図である。
【図９】結果として平行なたわみになる、変動する主軸の向きを有する非対称フレックス・ピン上のはすば歯車の力の線図である。
【図１０】２つの異なるまたは変動する横断面のフレックス・ピンについての接線方向および半径方向の位置合わせに対するピン回転の典型的な効果を示す線図である。
【図１１】同一の比率を有するはすば歯車および平歯車の噛み合い誤差の比較の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１を見れば分かるように、エピサイクリック歯車システム内の平遊星歯車は、通常の接線方向の力Ｗｔ＿ａｎｎｕｌｕｓおよびＷｔ＿ｓｕｎをそれぞれ有する。
【００２１】
次いで、合計接線方向力は：
Ｗt＝Ｗt_annulus＋Ｗt_sun          （式１）
として与えられる。
【００２２】
このシステムは、通例の半径方向の力Ｗr_annulusおよびＷr_sunもそれぞれ有する。この合計半径方向力は通常ゼロであり：
Ｗr＝Ｗr_sun−Ｗr_annulus    （式２）
として与えられる。
【００２３】
このフレックス・ピンは、ピンおよびスリーブ構成の平行なたわみ内の接線方向力に対応する。これは、一端部のところで片持ち梁によって生じるずれをもう１つの端部のところの片持ち梁で補償することによって達成される。
【００２４】
ここでΔｙおよびΔｚとして示される、通常のフレックス・ピン機構でのこのたわみは、伝統的な力学（梁理論および梁たわみ公式）によれば：
【００２５】
【数１】
2010525282.tif 000003
および
【００２６】
【数２】
2010525282.tif 000004
となる。
上式でＩy_yはｙ−方向の断面２次モーメントまたは慣性断面モーメントであり、かつＩz_zは、ｚ−方向の断面２次モーメントまたは慣性断面モーメントであり、かつ梁の自由端のところの傾斜は（歯の位置合わせを維持して）ゼロである。これを図２に示す。
【００２７】
このスリーブが十分に剛体であると仮定すると、これと同じシステムは図３に示すような２重片持ち梁として示すことができる。
【００２８】
このシステムでは、梁の端部のところの傾斜がゼロと等しくなるために以下の等式が満足されなければならない。
【００２９】
【数３】
2010525282.tif 000005
および
【００３０】
【数４】
2010525282.tif 000006
【００３１】
平歯車では通常、Ｗr＝０．０、Ｍｏｔy＝０．０、Ｍｏｔz＝０．０  かつ対称ピンに対してＩyーy＝Ｉz-zである。したがって、ａ＝ｌ／２のとき、ピンの端部のところの、したがってスリーブ内の傾斜はゼロなので、Δz＝０であり、歯の位置合わせは維持される。これを以下に図４に示す。
【００３２】
対照的に、はすば歯車については、Ｍｏｔyはゼロでなく（Ｍｏｔy≠０）、したがって、結果としてｚ−方向内にたわみが存在する。これは図５を見れば分かる。エピサイクリック歯車システム内のはすば遊星歯車は平歯車と同じ力を有し、転倒モーメントが加えられる。この転倒モーメント、Ｍｏｔyは、Ｗtに対して垂直な平面内にあり、この半径方向面内のたわみは、遊星歯車と太陽歯車と環歯車それぞれの間で歯のずれを生じさせるであろう。これは、「ａ」に対する等式を満足させることができないからである。Ｍｏｔz＝０であるため、ａ＝１／２でなければならない。Ｗr＝０の場合は、Ｍｏｔy／Ｗrが無限大であり、Ｗrがゼロでない（Ｗr≠０の）場合は、ａ＝１／２とはなり得ず、したがって従来型のフレックス・ピンはこの影響を是正することができない。
【００３３】
本発明によれば、Ｉz-zが変更される。本発明では、Ｉz-z≠Ｉy-yになるように、通常は対称的なピン形態を変更することによって、Ｉz-zが変更される。この非対称性は、断面内に主軸を作り出す。この主軸は、接線方向の荷重がｙ方向に加えられるとき、ｚ方向に半径方向のたわみおよび傾斜のずれを導入するような方式で非垂直に向けられる。
【００３４】
この効果は、単一の力Ｗtが平歯車を担持する非対称ピンによって反作用を受ける以下の図６に見える。断面主軸の非垂直向きに起因して、図２の平歯車を伴う対称的なフレックス・ピンのたわみと対照的に、たわみはｙおよびｚ方向の両方に見られる。断面主軸の角度向きを可能にするＩz-zおよびＩy-y内の差に起因して、このピンは、図６に示すようにある角度上でたわむ。
【００３５】
上記で説明したように、フレックス・ピンに搭載されるはすば歯車は、平歯車とは対照的にはすば歯車の相互作用から結果として生じる力に起因して、（半径方向面内の）ｙ軸周りのモーメントＭｏｔyを受ける。本発明によれば、たわみΔｚに対抗しあるいはたわみΔｚを最小限にし、かつそうでない場合はｙ軸周りの転倒モーメントによって生じるであろう傾斜ずれを相殺するであろう、接線平面から外れたたわみおよび傾斜を、断面主軸の向きと共に生じさせる適切なｙ−方向の力、（および場合によってはｚ方向の力）が存在することが利用される。これは、図７を見れば分かる。
【００３６】
等式３、４、５、および６は、断面主軸座標系に変換することができる。この等式はその結果以下のようになる：
【００３７】
【数５】
2010525282.tif 000007
および：
【００３８】
【数６】
2010525282.tif 000008
【００３９】
このシステムでは、梁の端部のところの傾斜をゼロに等しくするために、以下の等式が満足されなければならない。
【００４０】
【数７】
2010525282.tif 000009
および：
【００４１】
【数８】
2010525282.tif 000010
【００４２】
この座標系を図８に示す。
【００４３】
次に１次および２次の主方位にある力およびモーメント成分が存在するので、これらの面内でゼロの傾斜を維持するための解は、変数ａ、θ、Ｉp1-p1およびＩp2-p2を調整することによって見出すことができる。
【００４４】
力Ｗtは、Ｍｏｔyによって生じる傾斜ずれに対抗するのにより効果的にすることができる。主断面軸の向きをピンもう１つの側で反対方向に変更することによって、Ｗｔの両側の片持ち梁は、スリーブの傾きを同じ方向にさせることができる。これが図９の状況であり得る。
【００４５】
歯車装置の具体的な荷重に応じて、この解、または断面向きがピンの長さにわたって変化するその変形が望ましくまたは必要とされる。この解は、製造後に変更可能である追加の利益を有する。この型式の適切に設計されるフレックス・ピンは、接線方向平面内の面を横切る傾斜のずれに対して回転させることができる。これは、ピンの全体角度向きをその搭載穴内で回転させることによって達成される。ピンを時計回りにおよび反時計周りに回転させることによって、対向する方向内での接線方向位置合わせ是正が生じるであろう。接線方向の位置合わせに対するこれらの変更は、半径方向面位置合わせに対する結果として得られる変化より大きな大きさになる。このピンが適切に設計される場合は、ピン向きに対する接線方向および半径方向面内の歯車面幅にわたる傾斜位置合わせをプロットすることによって、このプロットされた半径方向位置合わせ曲線は、傾斜が水平であるゾーンを有するのが明らかになる。この同じゾーン内で、接線方向の位置合わせは、大きな正のずれから負まで行く。このゾーン内で、接線方向の位置合わせに対する大きな調整を、半径方向位置合わせを変更せずに行うことができる。これが図１０の状況である。
【００４６】
歯車の半径方向位置合わせに対する調整が必要であることが製造後に見出される場合、これらは、ピンを半径方向面内で傾かせるのを可能にすることに対するその抵抗力を、事実上傾斜を与えるように変更するようにピン搭載部材の断面特性を改変することによって、接線方向位置合わせと無関係に対処することができる。これは、交換可能な補強材を使用すること、または搭載部材それ自体を物理的に変更することによって達成される。
【００４７】
したがって本発明は、はすば歯車相互作用から結果として生じる転倒モーメントまたは力の考慮の下で、装置の慣性断面モーメントが、結果として歯のずれに繋がるであろうある方向でのたわみおよび傾斜の補償になるような方式で、フレックス・ピン装置をモデル化することを教示する。したがってこのフレックス・ピン装置は、異なる方向で異なる屈曲特性を有するフレックス・ピンを得るために、非垂直に向いた主軸を有して非対称に形成される。
【００４８】
上記の例では、フレックス・ピン・アセンブリの制御ピンの影響のみ分かる。ｙ軸に対して、このピンおよびスリーブ特性は、最終の歯車搭載軸をシステム軸に対して平行に維持しながら、それらの対抗して作用するたわみ方向が等しくかつ反対になるように調整、または変更される。このたわみはピン、スリーブおよび搭載表面を含むので、全てがこの構成部品調整に含まれなければならない。これは伝統的な力学で行うことができるけれども、通常複雑な幾何学的形状の通常一部分である搭載表面を含むとき非常に複雑になる。ほとんどの場合、有限要素解析（ＦＥＡ）などのコンピュータ・シミュレーションが、設計を予測しかつ繰り返すためにあるいは所望の結果を進めるために使用される。
【００４９】
この同じ手法は、非対称の幾何学的形状を有するピンに対して可能である。フレックス・ピン・アセンブリの全ての部材がｚおよびｙ方向それぞれで結果として得られる慣性モーメントに寄与し、したがってたわみ挙動に寄与するので、ピンおよび搭載構成部品の両方を所望の結果を実現するように改変することができる。ほとんどの場合、上記のピンが構成部品の製造を簡単にするために改変される。
【００５０】
図１１を参照されたい。これは、所与の搭載システムに対して平行なたわみを与える平歯車および関連するフレックス・ピンのための設計である。歯車比最適化のための一般に認められた手順を使用して、トルク容量Ｗを求めることができる。結果として得られるたわみ曲線を図１１に示す。
【００５１】
１０°の螺旋角度がこの同じ歯車に加えられる場合は、この動力能力は次に１．２３Ｗになる。したがって、能力の改善は２３％である。この転倒モーメントは、図８および９に示すように本発明によって対抗される。見れば分かるように、この非対称のピン設計は結果として、システム軸に平行に平行移動し、歯ずれなしのはすば歯車を伴うフレックス・ピン機構のたわみになる。本発明によるピンの非対称の形状に起因して、ｙまたはｚ−方向内でのピンまたはスリーブの傾斜のずれは全く存在せず、平歯車についてのように、主としてｙ−方向の変位が存在する。
【００５２】
幾何学的形状のこの小さな変更およびフレックス・ピンの中央シャフトを機械加工する追加のコストは、歯車能力の２３％の増幅率、また同じ動力を取り扱う歯車およびピンのサイズの減少の価値の一部分になる。
【００５３】
コストを低下させるのに加えて、はすば歯車に対するこの変更は、コスト低下よりさらに価値があり得るより大きな利点：振動および騒音の低下を有する。はすばのオーバーラップが歯車騒音の中で最も影響の大きい幾何学的形状特性であることは良く知られている。これまでフレックス・ピンは、全体設計が低騒音解決策を必要とした場合の用途に対して検討されなかった。本発明ではこの制約は撤廃され、はすば歯車の全ての生来的な利点は、追加の磨耗のリスクを伴う、アセンブリへの部品の追加なしに、フレックス・ピン技術と組み合わせることができる。
【００５４】
同じ比率のはすば歯車および平歯車の噛み合い誤差の比較である、図１１を参照されたい。これは、両方が過去に噛み合い振動および騒音に形を変えた、変速機誤差を低減させるように最適化された、同様な設計の劇的な比較である。これは、設計者が厳しい騒音規格を順守しなければならない風力タービンなどの多くの用途で決定的に重要である。
【図１】
2010525282.tif 000011
【図２】
2010525282.tif 000012
【図３】
2010525282.tif 000013
【図４】
2010525282.tif 000014
【図５】
2010525282.tif 000015
【図６】
2010525282.tif 000016
2010525282.tif 000017
【図７】
2010525282.tif 000018
【図８】
2010525282.tif 000019
【図９】
2010525282.tif 000020
【図１０】
2010525282.tif 000021
【図１１】
2010525282.tif 000022
【国際調査報告】
2010525282.tif 000023
2010525282.tif 000024