JP2005036880A

JP2005036880A - 遊星歯車装置およびその転がり軸受

Info

Publication number: JP2005036880A
Application number: JP2003274237A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hori; 政治堀; Soichi Yagi; 壮一八木
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】風力発電機用増速機等に用いられ、不規則な運転状況下で使用されても、運転再開時に遊星歯車の円滑な回転動作が行え、かつ長年に渡ってメンテナンスフリーで運転が行える遊星歯車装置を提供する。
【解決手段】この遊星歯車装置３は、旋回自在なキャリア７の周方向複数箇所に、遊星歯車８が転がり軸受９を介して回転自在に支持される。各遊星歯車８を支持する転がり軸受９は、キャリア７の旋回によってケーシング６内の油浴１６に出入りする。上記転がり軸受９に、転動体が中空ころ２７からなる転がり軸受を用いる。
【選択図】図１

Description

この発明は、遊星歯車を支持する軸受の潤滑方式が油浴方式であって、キャリアの旋回よって軸受が油浴に出入りし、かつキャリアの回転が不規則な機械，装置、例えば風力発電機用の増速機等に用いられる遊星歯車装置およびその転がり軸受に関する。

風力発電機用増速機は、増速手段として遊星歯車装置が組み込まれている（例えば非特許文献１）。その遊星歯車の転がり軸受の潤滑には油浴潤滑が多く採用されている。この場合に、遊星軸は、３軸や４軸のものがあるが、公転して底に位置した時に、遊星軸の軸受は油浴に浸かり、潤滑油が供給されることになる。

一般の転がり軸受の潤滑形式には、油浴潤滑の他に、グリース潤滑など、種々の形式のものがあり、例えばころを中空とし、または潤滑油溜りを設けて内部に潤滑剤を充填するようにしたものも提案されている（例えば、特許文献１）。
機械設計第４６巻第１３号（２００２年９月号）の第９０〜９６頁特開２０００−３５０４６

風力発電機用増速機の遊星歯車装置において、遊星軸は、公転して底に位置した時に初めて油浴に浸かり、潤滑油が供給されることになる。このため、当然に、ある時点では潤滑油に浸かっていない軸受がある。風力発電の場合、風の状況によっては、長い間、回転せずに停止している場合もある。そうなると、遊星軸の軸受において、油浴に浸かっていない軸受の潤滑油は流れ落ちてしまい、潤滑油が殆どない状態になってしまっている。このような、長時間停止状態にあって潤滑油が殆どない状態となっている遊星軸が、風の状況の変化によって突然に回転することになる。そのため潤滑不良が発生し、円環な回転を行うことができない場合がある。このことは、風力発電の効率低下を招き、軸受の長寿命化の妨げにもなる。

なお、グリース潤滑や、潤滑油溜りを設けて内部に潤滑油を保持した形式の軸受を使用すれば、長時間停止後の急激な回転再開にも円滑な回転が可能である。風力発電機用増速機は、約２０年という長年に渡ってメンテナンスフリーで運転することが要求され、グリース潤滑や潤滑油充填形式では、このような長期の潤滑寿命を得ることができない。

風力発電機用増速機の他にも、上記のような不規則な回転を行う用途の遊星歯車装置では、風力発電用と同様な軸受潤滑の課題がある。

この発明の目的は、停止時間が長くて突然の回転再開を行うような不規則な運転状況下で使用されても、運転再開時に遊星歯車の円滑な回転動作が行え、かつ長年に渡ってメンテナンスフリーで運転が行える遊星歯車装置を提供することである。

この発明の他の目的は、運転再開時に円滑な回転動作が行え、かつ長年に渡ってメンテナンスフリーで運転が行える風力発電機用増速機を提供することである。

この発明のさらに他の目的は、このような遊星歯車装置を効果的に実現することのできる転がり軸受を提供することができる。

この発明の遊星歯車装置は、旋回自在なキャリアの周方向複数箇所に、遊星歯車が転がり軸受を介して回転自在に支持され、上記各遊星歯車を支持する転がり軸受が、上記キャリアの旋回によってケーシング内の油浴に出入りする遊星歯車装置において、上記転がり軸受に、転動体が中空ころからなる転がり軸受を用いたことを特徴とする。

この構成によると、遊星歯車を支持する転がり軸受は、キャリアの旋回により公転して底に位置した時に油浴に浸かり、潤滑油が供給される。このとき、油浴の潤滑油が転がり軸受の中空ころにおける中空部内に保持される。そのため、長時間の停止により潤滑油が次第に流れ出ても、転がり軸受内の潤滑油が不足することがなく、突然の運転再開時にも円滑に回転することができる。また、油浴循環であるため、長年にわたり、メンテナンスフリーで運転することができる。

この発明の遊星歯車装置は、例えば、上記ケーシングに設けられて上記複数の遊星歯車が噛み合う内歯のリングギヤと、このリングギヤと同心位置に回転自在に設けられて上記複数の遊星歯車が噛み合う太陽歯車とを備え、上記キャリアが入力部となり、上記太陽歯車が出力部となる増速用の遊星歯車装置であってもよい。

増速用の遊星歯車装置では、減速用に比べて入力側の駆動力が強いため、遊星歯車を支持する軸受は、強制的に回転させられる。よって、多少潤滑状態が悪くても強制的に回転させられるので、軸受にダメージが蓄積する。しかし、長時間の寿命を要求されるため、軸受にはより高い信頼が求められる。そのため、中空ころを用いたことによる潤滑性維持の効果が、より効果的に発揮される。

この発明の風力発電機用増速機は、この発明の上記構成の遊星歯車装置を備えたものである。

風力発電機用増速機は、風の状況により長時間停止し、その後に突然に回転を再開することが多く、また非常に長年のメンテナンスフリーが要求されるため、この発明の遊星歯車装置における不規則な運転状況下で常に円滑な回転動作が行え、かつ長年に渡ってメンテナンスフリーで運転が行えるという効果が、非常に効果的に発揮される。

この発明の転がり軸受は、遊星歯車装置の遊星歯車をキャリアに回転自在に支持し、上記キャリアの旋回によって油浴に出入りする転がり軸受であって、転動体が中空ころからなることを特徴とする。

このように、油浴潤滑に使用する軸受において、転動体に中空ころを用いるため、不規則な運転状況下で使用されて常に円滑に回転支持が行え、かつ長期間のメンテナンスフリーが可能になる。

この発明の遊星歯車装置は、油浴潤滑の遊星歯車の転がり軸受に、転動体として中空ころを用いたため、停止時間が長くて突然の回転再開を行うような不規則な運転状況下で使用されても、運転再開時に遊星歯車の円滑な回転動作が行え、かつ長年に渡ってメンテナンスフリーで運転が行えるという効果が得られる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、遊星歯車装置を備えた風力発電機用増速機を示す。この増速機は、入力軸１の回転を増速して低速軸２に伝達する遊星歯車装置３と、低速軸２の回転をさらに増速して出力軸４に伝達する２次増速装置５とを備える。遊星歯車装置３および２次増速装置５は、共通のケーシング６内に設けられている。入力軸１は風車（図示せず）の主軸（図示せず）等に接続され、出力軸４は発電機（図示せず）に接続される。

遊星歯車装置３は、旋回自在なキャリア７の周方向複数箇所に遊星軸１０が設けられ、各遊星軸１０に遊星歯車８が転がり軸受９を介して回転自在に支持されている。各遊星歯車８の転がり軸受９は、図示の例では２個並べて用いているが、１個であっても良い。キャリア７は、遊星歯車装置３における入力部となる部材であり、上記入力軸１と一体の部材として設けられ、または一体に結合されている。キャリア７は、入力軸１の部分で軸受１１，１１Ａを介してケーシング６に旋回自在に支持されている。キャリア７に支持された各遊星歯車８は、ケーシング６に設けられた内歯のリングギヤ１２に噛み合い、かつこのリングギヤ１２と同心位置に回転自在に設けられた太陽歯車１３に噛み合う。リングギヤ１２は、ケーシング６に直接に形成されたものであっても、ケーシング６に固定されたものであっても良い。太陽歯車１３は、遊星歯車装置３における出力部となる部品であり、上記低速軸２に設けられている。低速軸２は、軸受１４，１５を介してケーシング６に回転自在に支持されている。

２次増速装置５は、ギヤ列により構成されている。図示の例では、２次増速装置５は、低速軸２に固定されたギヤ１７が中間軸２１の小径側ギヤ１８に噛み合い、中間軸２１に設けられ大径側ギヤ１９が出力軸４のギヤ２０に噛み合うギヤ列とされている。中間軸２１および出力軸４は、それぞれ軸受２２，２３によってケーシング６に回転自在に支持されている。

ケーシング６の下部は、潤滑油の油浴１６を形成する部分とされ、その油浴１６の油面レベルＬは遊星歯車８を支持する転がり軸受９が、キャリア７の旋回によって出入りする高さとされている。

各遊星歯車８を支持する転がり軸受９は、図１の上部に拡大して示すように、転動体が中空ころ２７からなるものとされている。中空ころ２７は、ころ端面に開口した中空部２７ａを有するころである。中空部２７ａは、中空ころ２７の両端面に貫通したものが用いられているが、必ずしも貫通していなくても良い。

図３は、転がり軸受９の具体例を示す。転がり軸受９は、中空ころ２７を用いたものであれば良く、各種の形式のものが採用できるが、この実施形態では、内輪２５と外輪２６の間に複数の中空ころ２７を介在させた円筒ころ軸受とされている。また、この転がり軸受９は、保持器を用いない総ころ型の軸受とされている。外輪２６は両鍔付きであり、内輪２５は鍔無しとされている。これとは逆に外輪２６を鍔無しとし、内輪２５を両鍔付きとしても良い。

上記構成の動作を説明する。入力軸１が回転すると、入力軸１と一体のキャリア７が旋回し、キャリア７の複数箇所に支持された遊星歯車８が公転移動する。このとき各遊星歯車８は、固定のリングギヤ１２に噛み合いながら公転することで、自転を生じる。この公転しながら自転する遊星歯車８に太陽歯車１３が噛み合っており、そのため太陽歯車１３は、入力軸１に対して増速されて回転する。遊星歯車装置３の出力部となる太陽歯車１３は、２次増速装置５の低速軸２に設けられたものであり、太陽歯車１３の回転が２次増速装置５で増速されて出力軸４に伝えられる。このように、入力軸１に入力される風車主軸（図示せず）の回転が、遊星歯車装置３と２次増速装置５とで大幅に増幅されて出力軸４に伝えられ、出力軸４からは発電が可能な高速回転が得られる。

各遊星歯車８を支持する転がり軸受９の潤滑は、次のように行われる。遊星歯車８およびその転がり軸受９は、キャリア７の旋回により公転して底に位置した時に油浴１６に浸かり、潤滑油が供給される。このとき、油浴１６の潤滑油が転がり軸受９の中空ころ２７における中空部２７ａ内に保持される。そのため、無風状態によって長時間の停止が続き、油浴１６の外部の転がり軸受９内の潤滑油が次第に流れ出ても、転がり軸受９内の潤滑油が不足することがない。したがって、風が急に吹き出すなどして、突然に運転が再開される時にも、円滑に転がり軸受９が回転することができる。このため、潤滑不足によってスミアリングや鍔かじり等の不具合を起こす懸念が解消される。また、油浴循環であるため、長年にわたり、メンテナンスフリーで運転することができる。

なお、上記実施形態では、遊星歯車８を支持する転がり軸受９を単列のものとしたが、図４（Ａ）等に示すように、複列の軸受としても良い。また、中空ころ２７の中空部２７ａ内には、後述の各例に示すように、潤滑油の取り込み手段や保持手段を設けてもよい。取り込み手段としては、例えば中空部２７ａの形状を、中空ころ２７の回転によって潤滑油を内部に取り込む作用が生じる形状としたものとされる。また保持手段は、例えば中空部２７ａの形状を、内部で潤滑油の保持作用が生じる形状としたものとする。

図４（Ｂ）はその取り込み作用、および保持作用の生じる形状の一例であり、中空部２７ａがテーパ状とされている。また、同図の転がり軸受９は、複列の円筒ころ軸受であって、中空ころ２７の中空部２７ａのテーパ形状は、内側が広くなるテーパ角とされている。このように、テーパ角が内側に広くなるように配置することにより、停止中は中空部２７ａ内の潤滑油が軸受内側に向かって流れるため、軸受外部に漏れ難い。そのため、より長い停止に対して良好な潤滑が維持される。また回転中は、中空部２７ａのテーパ形状により、遠心力で積極的に潤滑油が軸受内部に取り込まれる。

図４（Ｃ）は、潤滑油取り込み作用および保持作用の生じる形状の他の例を示す。この実施形態では、中空部２７ａを円筒面状とし、その内径面に螺旋溝２９を形成している。通常、中空ころ２７の回転方向は定まっているため、螺旋溝２９はその通常回転で螺旋が内側へ進むように設ける。これにより、停止中は、中空ころ２７の中空部２７ａの内面の面積が螺旋溝２９によって増えて潤滑油との接触面積が増えることにより、潤滑油が表面張力によって保持され易くなる。また回転中は、螺旋溝２９の螺進効果により、積極的に潤滑油が中空部２７ａの内部へ取り込まれる。螺旋溝２９は、旋削目のような細かなものでも良い。

図５（Ａ），（Ｂ）は、中空ころ２７の中空部２７ａの形状を、表面積を多くすることで潤滑油の保持作用が生じる形状とした他の例をそれぞれ示す。図５（Ａ）の例は、中空部２７ａの内面を表面粗さが他の部分よりも粗い形状としたものである。例えば、中空部２７ａの内面を、ショットブラスト等による粗面化処理面としてある。図５（Ｂ）は、中空部２７ａの内面に、円周溝３０を設けた例である。

図６（Ａ），（Ｂ）は、中空ころ２７の中空部２７ａに潤滑油の保持手段を設けたさらに他の各例を示す。図６（Ａ）の例は、中空ころ２７の中空部２７ａの内面に、潤滑油の保持手段として焼結金属３１を圧入したものである。焼結金属３１は円筒状のものとしてある。このように、中空ころ２７内に気孔率の大きい焼結金属３１を設けることで、この焼結金属３１が潤滑油を吸い込み、保持する。

図６（Ｂ）の例は、中空ころ２７の中空部２７ａの内面に、潤滑油保持被膜３２を設けた例を示す。潤滑油保持被膜３２は、例えば燐酸塩被膜とされる。燐酸塩被膜は親油性が高く、潤滑油の保持機能が高められる。また、燐酸塩被膜は、油を吸うことによって防錆効果も生じる。

また、上記各実施形態は、いずれも総ころ形式の転がり軸受９としたが、遊星歯車８を支持する転がり軸受９は、中空ころ２７を用いたものであれば良く、保持器付きのものであっても良い。保持器付きの転がり軸受９の例としては、図７に示すように、中空ころ２７の中空部２７ａ内に挿通されて中空ころ２７を回転時自在に支持するピン３４を有するピンタイプの保持器３３を用いたもの等が使用できる。このピンタイプ保持器３３を用いた転がり軸受９は、複列であっても単列であっても良い。

さらに、遊星歯車８を支持する転がり軸受９は、例えば図８に示すように、自動調心ころ軸受であっても良い。同図は、許容調心角αを持つ自動調心ころ軸受の例を示す。

なお、上記実施形態の遊星歯車装置３は、増速用のものとしたが、減速用のものであっても良い。その場合、太陽歯車１３が入力部となり、キャリア７が出力部となる。

この発明の第１の実施形態にかかる遊星歯車装置を備えた風力発電機用増速機を示す破断側面図、およびその一部の拡大図を合わせて示す説明図である。同増速装置における遊星歯車装置の破断正面図である。（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ同遊星歯車装置に用いた転がり軸受の部分破断側面図および部分破断正面図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同遊星歯車装置に用いた転がり軸受の各例の部分破断側面図である。同転がり軸受の中空ころの各変形例の断面図である。同転がり軸受の中空ころの他の各変形例の断面図である。転がり軸受の他の変形例の断面図およびその保持器を示す部分正面図である。転がり軸受のさらに他の変形例の断面図である。

符号の説明

１…入力軸
２…低速軸
３…遊星歯車装置
４…出力軸
５…２次増速装置
６…ケーシング
７…キャリア
８…遊星歯車
９…転がり軸受
１６…油浴
２７…中空ころ
２７ａ…中空部

Claims

旋回自在なキャリアの周方向複数箇所に、遊星歯車が転がり軸受を介して回転自在に支持され、上記各遊星歯車を支持する転がり軸受が、上記キャリアの旋回によってケーシング内の油浴に出入りする遊星歯車装置において、上記転がり軸受に、転動体が中空ころからなる転がり軸受を用いたことを特徴とする遊星歯車装置。
請求項１において、上記ケーシングに設けられて上記複数の遊星歯車が噛み合う内歯のリングギヤと、このリングギヤと同心位置に回転自在に設けられて上記複数の遊星歯車が噛み合う太陽歯車とを備え、上記キャリアが入力部となり、上記太陽歯車が出力部となる増速用の遊星歯車装置。
請求項１または請求項２に記載の遊星歯車装置を備えた風力発電機用増速機。
遊星歯車装置の遊星歯車をキャリアに回転自在に支持し、上記キャリアの旋回によって油浴に出入りする転がり軸受であって、転動体が中空ころからなることを特徴とする転がり軸受。