JP2019503481A - ギアボックストルク計測システム - Google Patents

Abstract

トルク伝達装置は、差動ギアシステムと、出力トルクを計測するための差動ギアシステムに接続された静止センサとを組み込む。静止センサは、ねじり順応性計測部材によって差動ギアシステムの計測出力要素に接続され得、静止センサは、計測部材のねじり変形を計測する。ねじり変形は、直接計測されてもよく、又はギア列による増幅のあとに計測されてもよい。回転位置センサは、静止センサとして使用され得る。代替的に、静止センサは、剛性計測部材を介して差動ギアシステムの計測出力要素に接続され得、静止センサは、計測部材によって加えられた力を計測する。この代替において、力センサは、静止センサとして使用され得る。
【選択図】図１

Description

[0001]
本発明は、概して、ギアボックスの出力トルクを計測するためのシステムに関する。

[0002]
トルク伝達システムにおいて、トルク過負荷と関連付けられた損傷を防止するため、かつ／又は制御システムのためのフィードバックを提供するために、ギアボックスなどのシステムによって伝達される出力トルクを監視することが所望される。出力トルクの連続トルク監視は、航空機飛行管制システム及び他の用途のために使用される起動装置を含む様々な種類の起動装置において有用である。

[0003]
出力トルクを監視するための１つの既知の手法は、軸と共に回転するトルクセンサを使用して回転軸に対するひずみを計測することである。回転トルクセンサによって生成された計測情報は、スリップリング又は電磁界を介して静止受信機に伝達されなければならない。結果的に、この手法は、複雑で、高価で、信頼できない。

[0004]
別の既知の手法は、油圧駆動モータの圧力差又は電気駆動モータの付勢電流を分析することによって出力トルクを決定し、次いでシステムのギア効率及びドラッグを考慮することによって実際の出力トルクを計算することである。システムのギア効率及びドラッグが、正確に知られていない場合、又は動作条件の変動によって変化する場合、算出された出力トルクの精度は損なわれることになる。

[0005]
第３の既知の手法は、ひずみゲージを使用して構成要素の取り付け点において力を計測することである。この方法は、通常、実施するのが困難である。別の欠点は、従来のひずみゲージ荷重検出装置によって生成された計測信号が、寒暖の温度限界における大量の温度誤差を有するということである。そのような温度限界は、例えば、航空機用途において一般的である。

[0006]
必要なものは、実施するのが簡単で経済的であり、かつ寒暖の温度限界を経験しても高精度なギアボックスのためのトルク計測システムである。

[0007]
本発明は、静止（すなわち、非回転）センサがシステムの出力トルクを計測するように、ギアボックスシステムを構成することによって、上述の必要性を満たす。本発明のトルク伝達装置は、入力要素、伝達出力要素、及び計測出力要素を含む差動ギアシステムを組み込み、伝達出力要素は、入力要素の回転に応答して回転する一方で、計測出力要素は、トルクを静止反応させる。モータ駆動入力軸は、入力要素の回転を駆動するように配置されており、出力軸は、伝達出力要素の回転によって回転するように駆動されて、出力トルクを伝達する。計測部材は、差動ギアシステムの計測出力要素に接続され、静止センサは、計測出力要素の回転による、計測部材の変形又は計測部材によって加えられた力を検出するように配置されており、力又は変形は、出力トルクに比例する。静止センサは、出力トルクを表す信号を生成する。

[0008]
本発明の第１の実施形態では、計測部材は、差動ギアシステムの計測出力要素に固定された一方の端部、及び構造的基礎に固定された別の端部を有するねじり順応性部材である。順応性計測部材は、計測出力要素の回転に起因するねじり変形を受け、静止センサは、計測部材の計測部材のねじりたわみ（すなわち、ねじり変形）を直接検出するように配置されている。

[0009]
第１の実施形態に類似の本発明の第２の実施形態では、計測部材によって経験されたねじりたわみは、当該ねじりたわみがギア列によって増幅されたあと、静止センサによって間接的に計測される。回転位置センサは、増幅されたねじりたわみを計測する静止センサとして使用され得る。

[0010]
本発明の第３の実施形態は、第２の実施形態に類似するが、ギア列は、ギア列からバックラッシュを除去するために、平衡ばね配置において予圧される。

[0011]
全ての実施形態に適用可能な変形は、遊星差動ギア列の使用、単一の出力トルクを依然として計測する間の２つ以上の別個の入力駆動の使用、及び静止センサとしての力センサの使用（力センサは、計測出力ギアにリンクされる（例えば、ベルクランクとして計測部材を構成することによって））を含む。

[0012]
本発明の性質及び動作形態はこれから、添付図面を参照して、以下の発明を実施するための形態により詳細に説明される。
[0013] 本発明の第１実施形態に従う、トルク計測システムを組み込むトルク伝達装置の概略図である。 [0014] 図１に示されるトルク伝達装置のねじり順応性計測部材の概略断面図である。 [0015] 本発明の第２の実施形態に従う、トルク計測システムを組み込むトルク伝達装置の概略図である。 [0016] 本発明の第３の実施形態に従う、トルク計測システムを組み込むトルク伝達装置の概略図である。 [0017] 図１〜図３に示される実施形態のいずれにも適用可能な変形を例証する概略図である。 [0018] 図１〜図３に示される実施形態のいずれにも適用可能な別の変形を例証する概略図である。 [0019] 図１〜図３に示される実施形態のいずれにも適用可能な更なる変形を例証する概略図である。

[0020]
図１は、本発明の第１実施形態に従う、トルク計測システムを組み込むトルク伝達装置１０の概略表現である。トルク伝達装置１０は、入力要素１４、伝達出力要素１６、及び計測出力要素１８を含む差動ギアシステム１２を備え、伝達出力要素１６は、入力要素１４の回転に応答して回転し、計測出力要素１８は、トルクを反応させるように配置されている。装置１０はまた、入力要素１４の回転を駆動するように配置された回転可能入力軸２０、及び伝達出力要素１６の回転によって回転するように駆動される回転可能出力軸２２を備える。理解され得るように、入力軸２０は、入力モータ２４、例えば、電気又は油圧モータによって駆動され得、出力軸２２は、例えば、出力軸２２と共に回転するように配置された出力ギア２８を介して、下流構成要素（図示せず）に出力トルクを伝達する。参照番号１３は、回転軸受を意味する。

[0021]
本発明によれば、トルク伝達装置１０は、出力トルクを計測するためのトルク計測システムを組み込む。より具体的には、装置１０は、差動ギアシステム１２の計測出力要素１８に接続された計測部材２６、及び出力トルクを計測するための少なくとも１つの静止センサ３０、３０’を備える。図１における静止センサ３０は、計測出力要素１８のトルク反力による、計測部材２６の変形又は計測部材２６によって加えられた力を検出する。理解されるように、そのような変形又は加えられた力は、出力トルクに比例する。図１における静止センサ３０’は、出力トルクにも比例するトルク反力による、計測出力要素１８の角変位、又は計測出力要素１８によって加えられた力を検出し得、このオプションは、位置３１Ａに概略的に示される。代替的に、図１における静止センサ３０’は、計測部材２６の変形、又は計測部材２６によって加えられた力を検出し得、このオプションは、位置３１Ｂにおいて概略的に表される。各静止センサ３０、３０’は、出力トルクを表す信号を生成する。生成された信号は、入力モータ２４を制御するために使用され得る。例えば、センサ３０及び／又は３０’によって生成された信号は、出力トルクが、安全ではない又は予期しないレベルに接近していることを示す場合、入力モータ２４は遮断され得る。１つの静止センサ３０若しくは３０’のみが設けられてもよく、又は静止センサ３０及び３０’の両方が設けられてもよい。

[0022]
図１に描写される実施形態では、計測部材２６は、計測出力要素１８に固定された一方の端２６Ａ、及び構造的基礎Ｇに固定された別の端部２６Ｂを有する軸の形態のねじり順応性部材である。これにより、計測部材２６は、計測出力要素１８のトルク反力に起因するねじり変形を受けるように配置されている。本出願の文脈において、「ねじり順応性」は、計測部材が、非剛性材料（例えば、ねじり荷重下で容易に変形することになる、エラストマー材料又は軟質材料）から構築されていることを意味することを意図される。図１Ａに例証されるように、径方向突出端部止め具２９は、計測部材２６のねじり変形の適用可能な範囲を制限して、過負荷条件による損傷から静止センサ３０及び計測部材２６を保護するために、装置１０の筐体又は他の構造的基礎に固定された部材において相反する制限表面１１に係合するためのねじり順応性計測部材２６の上に設けられ得る。代替的に、端部止め具は、損傷防止の同じ目的のために計測出力要素１８の角変位の範囲を制限するために、計測出力要素１８の上に設けられ得る。

[0023]
図１における静止センサ３０は、基礎に固定された端部２６Ｂに対して端部２６Ａと２６Ｂとの間の位置において計測部材の角振れ（すなわち、ねじれ角）を直接観測することによって、計測部材２６のねじりたわみを計測するように配置されている。図１における静止センサ３０’は、その回転軸を中心にした、構造的基礎に対する計測出力要素１８の角変位を計測するように、位置３１Ａに配置され得るか、又は静止センサ３０’は、構造的基礎に対する計測部材２６の角振れを計測するように、位置３１Ｂに配置され得る。静止センサ３０、３０’による角変位又はたわみ計測は、静止センサ３０、３０’として光学式エンコーダ、機械式エンコーダ、磁気式エンコーダ、静電容量式エンコーダ、ひずみゲージ、圧電素子、回転式可変差動変圧器（rotary variable differential transformer、ＲＶＤＴ）、又は類似のセンサを使用して行われ得る。

[0024]
図２は、本発明の第２の実施形態に従って形成されたトルク伝達装置１１０を例証する。計測部材２６によって経験されたねじりたわみが、静止トルクセンサ３０によって間接的に計測されることを除いて、トルク伝達装置１１０は、第１の実施形態の装置１０に類似している。より具体的には、計測部材２６によって経験されたねじりたわみは、静止トルクセンサ３０によって観測された計測ギア列３４に回転可能軸３２によって伝達される。計測部材２６などの軸３２が、差動ギアシステム１２の計測出力要素１８に一方の端において連結され、かつギア列３４の入力ギア３４Ａが、軸３２と共に回転するように配置されるように、回転可能軸３２及び計測ギア列３４は、計測部材２６と関連付けられる。結果的に、入力ギア３４Ａは、計測部材端部２６Ａが基礎に固定された端部２６Ｂに対して経験する角変位と同じ角変位を経験する。図２に示されるように、計測ギア列３４は、第１のギア３４Ａによって駆動される出力ギア３４Ｂを含む。理解されるように、ギア列３４は、入力ギア３４Ａと出力ギア３４Ｂとの間に更なるギア（図示せず）を含み得る。

[0025]
入力ギア３４Ａが経験する角変位は、入力ギア３４Ａの所与の角変位に応答して出力ギア３４Ｂがより大きな角変位を受けるようにギア列３４を構成することによって、増幅され得る。例えば、出力ギア３４Ｂが入力ギア３４Ａによって直接駆動される描写されたギア列３４において、出力ギア３４Ｂは、入力ギア３４Ａの直径より小さい直径を有し得る。

[0026]
静止トルクセンサ３０は、回転位置エンコーダ、例えば、機械式エンコーダ、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、又は静電容量式エンコーダであり得る。静止トルクセンサ３０は、出力ギア３４Ｂ自体の上、又はそれとの回転のための出力ギア３４Ｂに連結された軸（図示せず）の上のインデックスマーキング又はポールを検出し得る。代替的に、静止トルクセンサ３０は、出力ギア３４Ｂとの回転のために結合された軸がリゾルバ又はＲＶＤＴのローター要素として働く、リゾルバ又はＲＶＤＴであり得る。

[0027]
図３は、本発明の第３の実施形態に従って形成されたトルク伝達装置２１０を示す。トルク伝達装置２１０は、第２の実施形態の装置１１０に類似するが、装置２１０の計測ギア列３４は、入力ギア３４Ａと噛合する一対の径方向に対向する出力ギア３４Ｂ、対応する一対の静止トルクセンサ３０、及び計測ギア列３４においてバックラッシュを除去するために出力ギア３４Ｂを予圧するように配置された一対のばね３６を含む。バックラッシュを除去することによって、ばね３６は、トルク計測におけるヒステリシス誤差を減ずる。図２に示される計測ギア列３４にバックラッシュ除去ばね３６を追加することが可能な一方で、いくらかの不均衡が導入されることになる。不均衡は、第１の出力ギア３４Ｂ及びばね３６に径方向に対向する第２の出力ギア３４Ｂ及びばね３６を追加することによって防止される。２つの静止トルクセンサ３０の使用は、互いに対してそれぞれの計測信号を再確認する冗長性及び機会を提供する。しかしながら、１つの静止トルクセンサ３０のみが、２つの代わりに設けられ得る。

[0028]
図４は、図１〜図３に描写された第１〜３の実施形態の各々に適用可能な変形を例証する。見られるように、差動ギアシステム１２は、サンギア１２Ａと、サンギアを囲むリングギア１２Ｂと、サンギア及びリングギアと噛合する少なくとも１つの遊星ギア１２Ｃとを有する遊星差動システムとして構成され得る。例証の構成において、入力要素１４はサンギア１２Ａに対応し、伝達出力要素１６は遊星ギア（複数可）１２Ｃに対応し、計測出力要素１８はリングギア１２Ｂに対応する。

[0029]
図５は、第１〜３の実施形態の各々に適用可能な別の変形を例証する。図５において、差動ギアシステム１２は、第２の入力要素１４を更に含み、装置は、第２の入力要素２４によって電力を供給され、かつ第２の入力要素１４の回転を駆動するように配置された第２の回転可能入力軸２０を更に備える。差動ギアシステム１２は、一対の同軸サンギア１２Ａと、当該一対の同軸サンギアをそれぞれ囲む一対の同軸リングギア１２Ｂと、当該一対のサンギア及び当該一対のリングギアと噛合する少なくとも一対の同軸遊星ギア１２Ｃとを有する遊星ギアシステムとして構成され得る。遊星ギア１２Ｃの各対は、キャリッジ１５の共通車軸を中心に回転するように取り付けられ得る。図５から理解され得るように、一対のサンギア１２Ａは第１及び第２の入力要素１４に対応し、一対のリングギア１２Ｂは、それぞれ伝達出力要素１６及び計測出力要素１８に対応する。計測部材２６は、ねじり順応性軸として描写される。２つの入力モータ２４を設けられた装置は、各入力モータがタスクを達成するのに十分な電力を有する場合、動作するためのより大きな利用可能性を有する。図５における構成は、入力モータ２４のうちの１つのみを使用して十分な性能で動作可能であり、かつ第１の入力モータが誤動作するか、又は故障を経験した場合に、他方の入力モータに切り換えることができる二重入力システムを提供する。図５のシステムはまた、速度加算配置（各入力モータ２４は、それ自身のそれぞれのサンギア１２Ａに接続される）か、又はトルク加算配置（図示せず）（２つの入力モータ２４は、単一の共有サンギアに接続されるものとする）のどちらかにおいて同時に作動している両方の入力モータ２４と共に動作可能である。

[0030]
図６は、全ての実施形態に適用可能な更なる包括的な変形を概略的に示す。図６に示されるように、トルク計測システムは、静止センサ３０として回転位置センサよりもむしろ力センサを使用するように修正され得る。非限定例として、計測部材２６は、計測出力要素１８によって係合された第１のアーム２６Ｃ、及び静止センサ３０に力を加えるように配置された第２のアーム２６Ｄを有する枢着ベルクランクを含み得る。ベルクランク計測部材２６は、計測出力要素１８の回転に応答して、軸２７を中心に枢動する。静止センサ３０は、第２のアーム２６Ｄによって加えられた力を検出する直線力センサであり得る。ベルクランクリンクが示される一方で、他の種類のリンクが、計測出力要素１８から静止センサ３０まで力を伝達するために代用され得る。図６において、静止センサ３０が双方向直線力センサとして例証されるが、用途に合う場合には、一方向力センサが使用され得る。

[0031]
図６の変形において、リングギア１２Ｂ（ここでは、計測出力要素１８として働く）は、装置１０の筐体又は他の構造的基礎に固定された部材において相反する制限表面１１に係合して、リングギア１２Ｂの角変位の利用可能な範囲を制限するための径方向突出端部止め具１９を含む。この特徴は、過負荷条件における損傷から静止センサ３０及び計測部材２６を保護する。

[0032]
本発明は、出力トルクを計測するための従来技術システムに対する利点を提示する。静止センサ３０は、温度感受性電気抵抗ひずみゲージに依存しない比較的安価な回転位置センサ又は力センサであり得る。静止センサ３０によって生成された計測信号は、回転インターフェースにわたって伝達される必要がない。

[0033]
本発明が例示的な実施形態に関連して説明されているが、発明を実施するための形態は、本発明の範囲を記載される特定の形態に限定することを意図しない。本発明は、本発明の範囲内に含まれ得るような、記載の実施形態の代替案形態、修正形態、及び等価物を包含することを意図している。

Claims (19)

1. トルク伝達装置であって、
   入力要素（１４）、伝達出力要素（１６）、及び計測出力要素（１８）を含む差動ギアシステム（１２）であって、前記伝達出力要素（１６）が、前記入力要素（１４）の回転に応答して回転し、前記計測出力要素（１８）が、前記伝達出力要素（１６）によって伝達された出力トルクを反応させる、差動ギアシステム（１２）と、
   前記入力要素（１４）の回転を駆動するように配置された回転可能入力軸（２０）と、
   前記伝達出力要素（１６）の回転によって回転するように駆動される回転可能出力軸（２２）であって、前記出力トルクを伝達する、回転可能出力軸（２２）と、
   前記計測出力要素（１８）及び構造的基礎（Ｇ）に接続された計測部材（２６）と、
   （ｉ）前記計測部材（２６）の変形、（ｉｉ）前記計測出力要素（１８）の角変位、（ｉｉｉ）前記計測部材（２６）によって加えられた力、及び（ｉｖ）前記計測出力要素（１８）によって加えられた力のうちの少なくとも１つを計測するための静止センサ（３０、３０’）であって、前記静止センサ（３０、３０’）による前記計測が、前記出力トルクに比例し、前記静止センサ（３０、３０’）が、前記出力トルクを表す信号を生成する、静止センサ（３０、３０’）と、を備える、トルク伝達装置。
2. 前記計測部材（２６）が、前記計測出力要素（１８）の角変位によりねじり変形を受けるように配置されたねじり順応性部材である、請求項１に記載の装置。
3. 前記計測部材（２６）が、前記計測出力要素（１８）からトルクを伝達するように配置された剛性部材である、請求項１に記載の装置。
4. 前記静止センサ（３０、３０’）が、前記計測部材（２６）の前記ねじり変形を計測する、請求項２に記載の装置。
5. 前記静止センサ（３０、３０’）が、前記計測出力要素（１８）の前記角変位を計測する、請求項２に記載の装置。
6. 前記計測出力要素（１８）と関連付けられた計測ギア列（３４）を更に備え、前記計測ギア列が、前記計測出力要素（１８）の前記角変位に比例する角変位を通して回転するように駆動される出力ギア（３４Ｂ）を含み、前記静止センサ（３０）が、前記出力ギア（３４Ｂ）の前記角変位を検出するように配置されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記静止センサ（３０）が、回転位置エンコーダを含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記静止センサ（３０）が、リゾルバを含む、請求項６に記載の装置。
9. 前記計測ギア列（３４）が、前記計測出力要素（１８）の前記角変位を増幅させる、請求項６に記載の装置。
10. 前記計測ギア列（３４）が、前記計測ギア列（３４）におけるバックラッシュを除去するように配置された少なくとも１つのばね（３６）を含む、請求項６に記載の装置。
11. 前記計測ギア列（３４）が、前記計測ギア列（３４）におけるバックラッシュを除去するように互いに対向して配置されている一対の出力ギア（３４Ｂ）を含む、請求項６に記載の装置。
12. 前記静止センサ（３０、３０’）が、前記計測部材（２６）によって前記静止センサ（３０、３０’）に加えられた力を検出するように配置された力センサを含む、請求項３に記載の装置。
13. 前記計測部材（２６）が、前記計測出力要素（１８）によって係合された第１のアーム（２６Ｃ）と、前記静止センサ（３０、３０’）に力を加えるように配置された第２のアーム（２６Ｄ）とを有する枢着ベルクランク（２６）を含む、請求項１２に記載の装置。
14. 前記差動ギアシステム（１２）が、サンギア（１２Ａ）と、前記サンギア（１２Ａ）を囲むリングギア（１２Ｂ）と、前記サンギア（１２Ａ）及び前記リングギア（１２Ｂ）と噛合する少なくとも１つの遊星ギア（１２Ｃ）とを有する遊星ギアシステムを含む、請求項１に記載の装置。
15. 前記入力要素（１４）が、前記サンギア（１２Ａ）を含み、前記伝達出力要素（１６）が、前記少なくとも１つの遊星ギア（１２Ｃ）を含み、前記計測出力要素（１８）が、前記リングギア（１２Ｂ）を含む、請求項１４に記載の装置。
16. 差動ギアシステム（１２）が、第２の入力要素（１４）を更に含み、前記装置が、前記第２の入力要素の回転を駆動するように配置された第２の回転可能入力軸（２０）を更に備える、請求項１に記載の装置。
17. 前記差動ギアシステム（１２）が、一対の同軸サンギア（１２Ａ）と、前記一対の同軸サンギア（１２Ａ）をそれぞれ囲む一対の同軸リングギア（１２Ｂ）と、前記一対のサンギア（１２Ａ）及び前記一対のリングギア（１２Ｂ）と噛合する少なくとも１つの遊星ギア（１２Ｃ）とを有する遊星ギアシステムを含み、前記入力要素（１４）及び前記第２の入力要素（１４）が、前記一対のサンギア（１２Ａ）を含み、前記伝達出力要素（１６）及び前記計測出力要素（１８）が、前記一対のリングギア（１２Ｂ）を含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記計測出力要素（１８）が、前記計測出力要素（１８）の角変位の範囲を制限するための構造的基礎（Ｇ）と関連付けられた一対の制限表面（１１）と係合するための少なくとも１つの径方向突出端部止め具を含む、請求項１に記載の装置。
19. 前記計測部材（２６）が、前記計測部材（２６）のねじり変形の範囲を制限するための構造的基礎（Ｇ）と関連付けられた一対の制限表面（１１）と係合するための少なくとも１つの径方向突出端部止め具を含む、請求項２に記載の装置。

Images