JP-2026515042-A - ギアアセンブリ

Abstract

本開示は、第１のギアおよび第２のギアを備えるギアアセンブリに関する。第１のギアおよび第２のギアは、それぞれのギアの中心を通るそれぞれの回転軸の周りに回転可能に支持された相補的なコンフォーマルギアである。ギアの一方が他方に駆動力を及ぼすよう構成されている。ギアアセンブリが、第１のギアの中心と第２のギアの中心との最適な離間距離に対応する最適な中心距離を有する。第１のギアが、当該第１のギアを第２のギアに対して近接および／または離間させる移動を許容するマウンティングにより支持されており、当該マウンティングにより、ギアアセンブリの使用中に、第１のギアの中心と第２のギアの中心との離間距離と最適な中心距離との間の差異が最小化される。 【選択図】図２

Inventors

• ロバート マンロー
• ダニエル ジョンソン

Assignees

• プレシジョン テクノロジーズ グループ （ピーティージー） リミテッド

Dates

Publication Date

20260513

Application Date

20240502

Priority Date

20230503

Claims (20)

1. 第１のギアおよび第２のギアを備えるギアアセンブリであって、 前記第１のギアおよび前記第２のギアは、それぞれのギアの中心を通るそれぞれの回転軸の周りに回転可能に支持された相補的なコンフォーマルギアであり、 前記ギアの一方が他方に駆動力を及ぼすよう構成され、 前記ギアアセンブリが、前記第１のギアの中心と前記第２のギアの中心との最適な離間距離に対応する最適な中心距離を有し、 前記第１のギアが、当該第１のギアを前記第２のギアに対して近接および／または離間させる移動を許容するマウンティングにより支持されており、当該マウンティングにより、前記ギアアセンブリの使用中に、前記第１のギアの中心と前記第２のギアの中心との前記離間距離と前記最適な中心距離との間の差異が最小化される、 ギアアセンブリ。
2. 前記最適な中心距離は、前記第１のギアおよび前記第２のギアのギア歯プロファイルが適合する中心距離である、請求項１に記載のギアアセンブリ。
3. 前記第１のギアが前記第２のギアに駆動力を及ぼす、またはその逆である、請求項１または２に記載のギアアセンブリ。
4. 前記マウンティングが、前記第１のギアを回転可能に支持するよう構成された支持アームを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のギアアセンブリ。
5. 前記支持アームが、アーム軸の周りにピボット可能であり、これにより前記第１のギアを前記第２のギアに対して近接および／または離間させる、請求項４に記載のギアアセンブリ。
6. 前記支持アームが、当該アームが回転するアーム軸を規定するピボットピンを備え、前記アーム軸が前記第１のギアの回転軸と平行である、請求項４または５に記載のギアアセンブリ。
7. 前記支持アームがソケットを備え、前記第１のギアが支軸を備え、前記支軸が前記ソケット内で回転可能であり、任意選択的に、前記ソケットは前記ギアの前記支軸を囲むループ形状である、請求項４～６のいずれか一項に記載のギアアセンブリ。
8. 前記マウンティングが複数の支持アーム、例えば、２つ以上の支持アームを備える、請求項４～７のいずれか一項に記載のギアアセンブリ。
9. 前記支持アームが柔軟性を有し、当該支持アームの曲げにより前記第１のギアの前記第２のギアに対する移動が許容される、請求項８に記載のギアアセンブリ。
10. 前記柔軟性が、前記支持アームの断面形状、材料組成、表面形状、またはその他の適切な特性に起因して付与される、請求項９に記載のギアアセンブリ。
11. 前記マウンティングが少なくとも１つの支持面を備え、前記第１のギアが支軸を備え、前記支軸が前記支持面上に載置され、前記第１のギアが前記支持面と接触した状態で回転するように構成されており、前記支持面が、前記マウンティングが前記第１のギアを所定の線に沿って移動させることを許容するように配置される、請求項１または２に記載のギアアセンブリ。
12. 前記支軸が前記支持面に沿って移動可能であり、その結果、前記第１のギアの軸が前記支持面と平行な方向に移動可能である、請求項１１に記載のギアアセンブリ。
13. 前記マウンティングが少なくとも１つの支持面を備え、前記第１のギアが支軸を備え、前記支軸が前記支持面上に載置される支持部に受容され、前記第１のギアが前記支持部と接触した状態で回転するよう構成されており、前記支持面が、前記マウンティングが前記第１のギアを所定の線に沿って移動させることを許容するように配置される、請求項１または２に記載のギアアセンブリ。
14. 前記支軸が前記支持面に沿って移動可能であり、その結果、前記第１のギアの軸が前記支持面と平行な方向に移動可能である、請求項１３に記載のギアアセンブリ。
15. 前記マウンティングが複数の支持面、例えば２つ以上の支持面を備える、請求項１１～１４のいずれか一項に記載のギアアセンブリ。
16. 第１のギアおよび第２のギアを備えるギアアセンブリであって、前記第１のギアおよび前記第２のギアは、それぞれの回転軸の周りに回転可能に支持された相補的なコンフォーマルギアであり、 前記ギアの一方が、駆動トルクを受け、前記第１のギアおよび前記第２のギアの歯の噛合いを介して、作用線に沿って他方の前記ギアに駆動歯面接触力を及ぼし、当該駆動トルクを当該他方のギアに伝達し、前記他方のギアが、前記駆動歯面接触力の結果として、前記作用線に沿って前記一方のギアに抵抗歯面接触力を及ぼすよう構成されており、 前記第１のギアが、前記第１のギアの回転軸の移動を許容し、かつ前記一方のギアから前記他方のギアへの前記駆動トルクの伝達時に、反力方向において前記第１のギアに反力を及ぼすよう構成されたマウンティングにより支持されており、 前記第１のギアおよび前記第２のギアが、互いに対して第１の中心距離を有する第１の位置と、第２の中心距離を有する第２の位置をとることができ、 前記ギアアセンブリが、前記ギアが前記第２の位置に配置されて前記駆動トルクを伝達している状態で、前記ギアの前記作用線が前記反力方向と平行ではないように構成されており、これにより、前記反力と、前記第１のギアに及ぼされる前記駆動歯面接触力および前記抵抗歯面接触力のいずれかとにより、前記第１のギアに対する合力を生成し、 前記合力が、前記第１のギアを前記第２のギアに対して移動させて、前記第２の位置から前記第１の位置へ向けて前記ギアを移動させるように促す、 ギアアセンブリ。
17. 前記第１の中心距離は、前記第１のギアおよび前記第２のギアの最適な中心距離と実質的に等しい、請求項１６に記載のギアアセンブリ。
18. 前記第１のギアおよび前記第２のギアが、互いに対して第３の中心距離を有する第３の位置をとることができ、前記第１の中心距離が前記第２の中心距離と前記第３の中心距離との間に位置し、 前記ギアアセンブリが、前記ギアが前記第３の位置に配置されて前記駆動トルクを伝達している状態で、前記ギアの前記作用線が前記反力方向と平行ではないように構成されており、これにより、前記反力と、前記第１のギアに及ぼされる前記駆動歯面接触力および前記抵抗歯面接触力のいずれかとにより、前記第１のギアに対する合力を生成し、 前記合力が、前記第１のギアを前記第２のギアに対して移動させて、前記第３の位置から前記第１の位置へ向けて前記ギアを移動させるように促す、請求項１６または１７に記載のギアアセンブリ。
19. 前記ギアアセンブリが、前記ギアが前記第１の位置に配置されて前記駆動トルクを伝達している状態で、前記ギアの前記作用線が前記反力方向と実質的に平行であるように構成されている、請求項１６～１８のいずれか一項に記載のギアアセンブリ。
20. 前記マウンティングが、前記第１のギアを回転可能に支持するよう構成された支持アームを備え、当該支持アームがアーム軸の周りにピボット可能であり、前記反力方向が、前記アーム軸と前記第１のギアの軸との間の方向である、請求項１６～１９のいずれか一項に記載のギアアセンブリ。

Description

本発明は、ギアアセンブリに関する。本発明は、特に限定されるものではないが、例えば、熱膨張や荷重の変化に起因する形状変化を大きく受けるギアボックスに特に好適に適用することができる。 コンフォーマルギアは当該技術分野において周知である。コンフォーマルギアは、一対のヘリカルギアであって、歯のフランクの凸状の部分が、当該歯と噛み合う歯のフランクの凹状の部分と噛み合うようになっている。歯のプロファイルとは、ギアの回転軸に対して直交する平面で切断した場合の歯のフランクの形状である。コンフォーマルギアでは、噛み合う２つのギアのプロファイルが、フランクの全長にわたって一致するか、またはほぼ一致する。例えば、Wildhaber-Novikov（Ｗ-Ｎ）ギアでは、プロファイルは一般に円弧であり、凹状歯の円弧半径が凸状歯の円弧半径より約２％大きい場合がある。 本明細書における一対のコンフォーマルギアに対する言及は、上記の定義に含まれる任意のギア対を含む趣旨で理解されるべきであり、例えば、Ｗ-Ｎギア、ダブルサーキュラーアークギア、または円弧形状ではないコンフォーマルプロファイルを有するギアのように、慣習的に異なる名称で呼ばれるギア対も含む。 インボリュートギアの噛み合い対では、２つのギアの歯はいずれも凸状プロファイルを有する。任意の時点で、歯はそれぞれの高さ方向の離散点で接触し、ギアの回転に伴って互いに転がりながら接触する。これに対し、コンフォーマルギアでは、噛み合った歯のフランクは相補的であり、当該歯のフランクの少なくとも一部の高さ方向にわたる接触線に沿って互いに接触する。ギアの歯は、「カルミネーション（culmination）」と呼ばれる作用を互いに及ぼすが、これはギアのヘリカル形状に依存するものである。すなわち、噛み合った一対の歯は、接触線に沿って、ギアの軸方向の所定位置で互いに接触する。ギアが回転すると、この接触線は歯のフランクに沿って軸方向に移動する。 コンフォーマルギアは、インボリュートギアのような従来のギアに対して複数の利点を提供し得る。例えば、噛み合う歯のプロファイルがほぼ完全に適合しているため、歯面接触応力を大幅に低減することができる。これに対し、インボリュートギアの凸状歯プロファイルでは、はるかに大きな接触（ヘルツ）応力が生じ、この応力と転がり作用が相まって、「ピッティング」と呼ばれる表面破損モードを引き起こす場合がある。また、他の潜在的利点として、コンフォーマルギアの歯プロファイルは歯間の油膜厚さを大幅に増加させることができ、これにより「スコアリング」と呼ばれる歯面破損のリスクを低減できる点が挙げられる。さらに、第３の利点として、コンフォーマルギアの歯の根元は、同等のインボリュートギアの歯に比べて幅広く、この領域における応力（例えば、曲げ応力）が低減される。 噛み合った一対のコンフォーマルギアの概略斜視図である。第１の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、第１のギアと第２のギアが第１の位置にある状態を示す図である。第１の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、第１の位置にある場合よりも第１のギアと第２のギアが離れている状態を示す図である。第１の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、第１の位置にある場合よりも第１のギアと第２のギアが近づいている状態を示す図である。第２の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、第１のギアと第２のギアが第１の位置にある状態を示す図である。第２の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、第１の位置にある場合よりも第１のギアと第２のギアが離れている状態を示す図である。第２の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、第１の位置にある場合よりも第１のギアと第２のギアが近づいている状態を示す図である。第３の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図である。第４の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、駆動トルクを伝達している状態を示す図である。第４の実施形態のギアアセンブリの一部の概略断面端面図であり、別の駆動トルクを伝達している状態を示す図である。 各図における対応する構成要素には、同一の参照符号を付している。 図１に、一対のコンフォーマルギアの一例を示す。対のうちの第１のギア２（図１の上側）は、凸形状の歯１０を有し、各歯は一対の凸状のフランク１２，１２’を有している。対のうちの第２のギア８は凹形状の歯４を有し、各歯は一対の凹状のフランク６，６’を有している。図１に示すギア２，８は、最適な中心距離の位置、すなわち歯４，１０が最適に噛み合っている位置にある。上述のとおり、最適な中心距離とは、ギア歯プロファイルが適合し、すなわち、一方のギアの歯先から相手方ギアの歯先までの弧にわたって接触するときの中心距離をいう。最適な中心距離は、伝達精度が最大になる中心距離、伝達誤差が最小になる中心距離、および／またはトルク（または、パワー）の伝達効率が最大または最大近傍となる中心距離であってもよい。 本発明の第１の実施形態によるギアアセンブリ１６の一部が図２に示されている。ギアアセンブリ１６は、図１に示したものと同様の第１および第２のコンフォーマルギア２，８を有する。明瞭さのため、一部の歯４，１０のみを図示している。図２には、第１および第２のギア２，８の軸１８，２０、両ギアの中心線８２、および軸１８，２０の間で定義される中心距離２２（破線で示す）も示している。ギア２，８は第１の位置に配置されており、この位置ではギア同士が第１の中心距離を有する。本実施形態では、この第１の中心距離がギア２，８の最適な中心距離である。そのため、ギア８，２の歯４，１０は最適に噛み合っている。 第２のギア８はギアアセンブリ１６内に回転可能に取り付けられており、軸２０の周りに回転できるが、それ以外の方向（例えば、軸方向または軸に対して垂直な方向）にはほぼ動かないよう、一般的な手法により保持されている（詳細は説明しない）。一方、第１のギア２は、軸１８の周りに回転可能であり、かつギア８に向かう方向およびギア８から離れる方向への限定された移動を許容するマウンティング２４により取り付けられている。この場合、ギア２の軸１８は、当該軸１８とは平行でない方向、より具体的には軸１８に垂直な方向へ移動可能である。ギア２が軸１８に沿った方向（すなわち、軸１８と平行な方向）へ移動することは、一般的な手法により防止されており、ここでは説明しない。 本実施形態のマウンティング２４は、支持アーム２６と、これに設けられたソケット２８を備えており、このソケット２８が第１のギア２を支持する。ギア２の支軸３０はソケット２８内で回転可能であり、これによりギアは軸１８の周りで回転できる。この場合、ソケット２８はギアの支軸３０を囲むループ形状である。支軸３０とソケット２８との間には、すべり軸受や転がり軸受などの軸受（図示せず）が設けられていてもよい。 支持アーム２６は、図２の紙面に対して平面内で、ピボットピン３４により定義されるアーム軸３２の周りに回転することができる。アーム軸３２は、第１のギアの軸１８と平行であってもよい。支持アーム２６がアーム軸３２の周りに回転すると、第１のギア２の軸１８はアーム軸３２の周りを円弧状に移動する。軸１８はこの方向に自由に移動できるため、この円弧方向を以下では浮動方向と呼ぶ。一方で、アームは、反力方向（後述）において反力を与えるため、第１のギアの軸１８がアーム軸３２に対して半径方向に近づく（または遠ざかる）方向には移動できない。アーム軸３２から第１のギアの軸１８への半径方向を、反力方向４２と呼ぶ。 支持アーム２６をアーム軸３２の周りで回転させるため、いくつかの実施形態では、支持アーム２６にブッシング、軸受アセンブリなどの回転支持が設けられる。このような実施形態では、支持アーム２６は反力方向４２と浮動方向のいずれに対しても実質的に変形しない剛性部材である場合がある。一方、他の実施形態では、支持アーム２６は少なくとも浮動方向に柔軟となるよう構成されてもよい。この柔軟性は、支持アーム２６の断面形状、材料組成、表面形状などにより付与されてもよい。例えば、支持アーム２６の本体に、反力方向４２に沿って複数のノッチを設け、これらのノッチが板ばねや靭帯のように機能し、浮動方向に柔軟性を与えつつ反力方向４２には高い剛性を保持するようにしてもよい。このような実施形態では、支持アーム２６はアーム軸３２で固定された支持構造に片持ち梁（カンチレバー）として取り付けられていてもよい。このような構成は、第１のギア２に対して支持アーム２６の遠位側でのピボット／軸受構造を不要とするため、摩耗腐食（フレッティングコロージョン）が生じにくい利点がある。 本実施形態では、第２のギア８が被駆動ギアであり、第１のギア２が駆動ギアである。すなわち、第１のギア２は、タービン、モータ、エンジンなどのトルク源に直接または間接的に接続され、第２のギア８は、車輪、フライホイール、プロペラなどの負荷に直接または間接的に接続される。当業者は、第１のギア２が被駆動ギアとなり、第２のギア８が駆動ギアとなる構成も可能であることを理解するであろう。負荷には、第２のギア８を回転させるために克服すべき摩擦力なども含まれ得る。第１のギア２に、図２の視点で時計回り方向の第１の方向に駆動トルク３６が加えられると、そのトルクはギアを同方向に回転させる。第１のギア２の歯１０は第２のギア８の歯４と噛み合っているため、第１のギアが回転すると、その歯１０は第２のギアの歯４に駆動歯面接触力３７を及ぼす。この力３７により第２のギア８は回転し（この場合、図２の視点で反時計回り）、これにより負荷（図示せず）へトルクが伝達される。また、この力は、第２のギアを図２の視点でおおよそ下方および左方へ押すように作用するが、この力は下記で説明する第２のギア８のマウンティングによって反力として支えられる。 第２のギア８が回転すると、その負荷（図示せず）は第２のギア８に抵抗トルク３９を与える。第２のギア８の回転はこのトルク３９によって抵抗されるため、第２のギアの歯４は第１のギア２の歯１０に抵抗歯面接触力３８を与える。第１のギア２の歯１０が第２のギア８の歯４に与える力３７と、第２のギアの歯４が第１のギアの歯１０に与える力３８とは、大きさが等しく方向が反対である。これら２つの力が作用する線が、技術分野において作用線４０と呼ばれる。第２のギアからの力３８により第１のギア２が移動しようとすると、その移動は第１のギアがアーム軸３２に向かって移動することを意味し、これはアーム２６によって妨げられる。アーム２６は上記の反力方向４２（すなわち、半径方向）において反力４４を与えるためである。図２には、作用線４０と、中心線８２に対して垂直な線４７との間の角度である圧力角４５も示されている。 最適に噛み合ったコンフォーマルギアでは、歯のフランクが接触線に沿って互いに接触する。しかし、重ね合わせの原理により、歯のフランクに対して垂直方向に作用する接触点における多数の点荷重の合成は、１つの点荷重として扱うことができる。図２に示されているのは、この点荷重である。さらに簡略化すると、コンフォーマルギアではギア２，８がカルミネーション（culmination）作用により互いに作用するため、歯１０，４間に働く力は、ギアの回転中を通じて常に図２に示すように配置されているものと見なすことができる。実際には各歯の位置は絶えず変化するが、ギアが回転すると歯の接触は軸方向に移動する。 第１および第２のギア２，８が第１の位置、すなわち第１の中心距離にある場合、反力方向４２と作用線４０は実質的に平行である。このため、反力４４と、第２のギア８が与える力３８は互いに反対方向である。これらの力は平行方向であり