WO2016158036A1 - スプライン接続構造及びスプラインシャフト - Google Patents

Abstract

　本開示は、歯面（２ｂ）にクラウニングが施された複数の歯（２ａ）が外周面に等間隔で形成された軸部（２）と、軸部（２）の複数の歯（２ａ）が嵌合される複数の溝（３ａ）が内周面に形成された筒部（３）と、が接続されてなるスプライン接続構造（１）であって、隣り合って対向する２つの歯面（２ａ）が、軸部（２）の径方向から見て、歯幅方向にて常に同一距離を保って湾曲されている。

Description

スプライン接続構造及びスプラインシャフト

　本開示は、スプライン接続構造及びスプラインシャフトに関する。本願は、２０１５年４月２日に日本に出願された特願２０１５－０７５９８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来から、航空機用のジェットエンジン等では、シャフトと回転体とを接続する構造としてスプライン接続構造が用いられている。例えば、ファンのロータや低圧タービンのロータが、スプライン接続構造によってシャフトと接続されている。このようなスプライン接続構造は、歯が外周面に等間隔で形成された軸部と、軸部の歯が嵌合される溝が内周面に形成された筒部と、が接続された構造を有している。下記特許文献１～７は、スプライン接続構造及びスプラインシャフトに係る背景技術を開示している。

日本国特開２０１０－５４０２７号公報 日本国特開２００７－１９８４０１号公報 日本国特開平９－１４１３５４号公報 日本国特開平７－８３２４２号公報 日本国特表平９－５１２６１０号公報 日本国特開２００５－９６１５号公報 日本国実開昭６３－４５２２３号公報

　ところで、航空機のジェットエンジン等では、シャフトに作用するトルクが大きいことから、シャフトが回転しているときにシャフトが僅かに捻じれる。このような場合であっても、軸部の歯の歯面と筒部との接触面を広く確保するため、軸部の歯の片側（回転方向の上流側）の歯面に、クラウニングが施される場合がある。クラウニングとは、軸部の径方向から見て歯面をその中央部が膨らむように湾曲させることを意味し、軸部が捻じれた場合に歯面を平らとするための作業である。

　しかしながら、このような歯の片側の歯面にクラウニングが施された軸部では、歯が、片側の歯面のみが湾曲された複雑な形状を有する。そのため、軸部の製造時に歯の両側の歯面を各々砥石で整える作業が必要となる。このような砥石を用いた作業は、一般的に１回の工程で完了するものではなく、目の粗さを変化させながら複数回の工程を要する。このため、従来、軸部の製造は、非常に長い時間を要する。

　本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、クラウニングが施された歯を有する軸部の加工時間を短縮することが可能なスプライン接続構造を提案することを目的とする。

　本開示は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

　本開示の第１の態様は、歯面にクラウニングが施された複数の歯が外周面に等間隔で形成された軸部と、軸部の複数の歯が嵌合される複数の溝が内周面に形成された筒部とが接続されてなるスプライン接続構造であって、隣り合って対向する２つの歯面が、軸部の径方向から見て、歯幅方向にて常に同一距離を保って湾曲されている。なお、歯幅方向とは、スプライン接続構造の軸芯（軸部の軸芯）方向と平行な方向を意味する。

　本開示の第２の態様は、上記第１の態様であるスプライン接続構造を用いたスプラインシャフトである。

　本開示によれば、軸部において隣り合って対向する２つの歯面が、軸部の径方向から見て、歯幅方向に常に同一距離を保って湾曲されている。このような形状の軸部では、歯の両側の歯面が同じように湾曲された形状となることから、ホブカッタで軸部の周面を切削することによって歯を形成することができる。通常、ホブカッタを用いた切削では、ホブカッタを軸部の軸芯方向に沿うように一定速度で回転させながら軸部の周面に接触させ、且つ、軸部を回転させながら軸芯方向に移動させることによって、軸部の周面を切削する。これにより、砥石による研磨と比較して短時間で直線状に歯を形成する。これに加え、軸部の回転速度を途中で連続的に変化させることによって、本来形成される直線状の歯の代わりに湾曲状の歯を形成することができる。したがって、ホブカッタにより軸部の周面を切削している途中に軸部の回転速度を連続的に変化させることによって、歯の両側の歯面が同じように湾曲された形状を備える本開示の軸部を短時間で形成することができる。これに加えて、歯の片側の歯面が、軸芯方向における中央部が膨らむように湾曲した面となることから、クラウニングが施された軸部を形成することができる。したがって、本開示によれば、スプライン接続構造に用いられるクラウニングが施された軸部の加工時間を短縮することが可能となる。

本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造が適用されるジェットエンジンの模式図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造を説明するための分解斜視図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造の軸部と筒部とが嵌合された状態の部分拡大図斜視図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造の軸部と筒部とが嵌合された状態を軸部の軸芯方向から見た部分拡大図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造における軸部の形状を説明するための模式図であり、（ａ）が２つの歯に挟まれる歯溝を軸部の径方向から見た図であり、（ｂ）が歯の側面図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造における軸部が有する歯の歯面の湾曲状態を説明するための模式図である。 図４の（ａ）の位置Ａと中心位置Ｂとにおける歯の断面を重ね合わせた模式図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造における軸部の形成工程を示す模式図であり、斜視図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造における軸部の形成工程を示す模式図であり、平面図である。 本開示の一実施形態におけるスプライン接続構造の変形例における軸部が有する歯の歯面の湾曲状態を説明するための模式図である。

　以下、図面を参照して、本開示に係るスプライン接続構造の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

　図１は、本実施形態のスプライン接続構造１が適用されるジェットエンジン１０の模式図である。なお、以下の説明においては、空気の流れ方向を基準とし、図１の左側を上流側、図１の右側を下流側と称する。この図１に示すように、ジェットエンジン１０は、ファン１１と、圧縮機１２と、燃焼器１３と、高圧タービン１４と、高圧シャフト１５と、低圧タービン１６と、低圧シャフト１７とを備えている。ファン１１は、ジェットエンジン１０の最上流部に配置されており、推進力を生み出すと共に圧縮機１２に供給するための外気を取り込む。このファン１１は、低圧シャフト１７と接続され、低圧シャフト１７によって回転駆動されるロータ１１ａを備えている。このロータ１１ａは、低圧シャフト１７に直接固定される筒部（後述する本実施形態のスプライン接続構造１に含まれる筒部３）、筒部と一体化される円板状のディスク、ディスクの外周部に固定されるファン動翼等を備えている。

　圧縮機１２は、ファン１１の下流側に配置されており、ファン１１によって取り込まれた空気を圧縮して下流側に送り出す。燃焼器１３は、圧縮機１２の下流側に配置されており、燃料を圧縮機１２によって圧縮された空気と混合して燃焼させると共に、燃焼によって生成された燃焼ガスを下流側に排出する。高圧タービン１４は、燃焼器１３の下流側に配置されており、燃焼器１３から排出された燃焼ガスを受けて回転動力を生成する。高圧シャフト１５は、高圧タービン１４と圧縮機１２とを接続しており、高圧タービン１４で生成された回転動力を圧縮機１２に伝達する。この高圧シャフト１５は、低圧シャフト１７が内部に挿通される中空のシャフトとされている。

　低圧タービン１６は、ジェットエンジン１０の最下流部に配置されており、高圧タービン１４を通過した燃焼ガスを受けて回転動力を生成する。この低圧タービン１６は、低圧シャフト１７と接続され且つ低圧シャフト１７によって回転駆動されるロータ１６ａを備えている。このロータ１６ａは、低圧シャフト１７に直接固定される筒部（後述する本実施形態のスプライン接続構造１に含まれる筒部３に相当）、筒部と一体化される円板状のディスク、ディスクの外周部に固定されるタービン動翼等を備えている。

　低圧シャフト１７は、低圧タービン１６とファン１１とを接続しており、低圧タービン１６で生成された回転動力をファン１１に伝達する。この低圧シャフト１７のうち、低圧タービン１６のロータ１６ａとの接続箇所と、ファン１１のロータ１１ａとの接続箇所と、に歯が形成されており、この２つの接続箇所が、本実施形態のスプライン接続構造１に含まれる軸部２に相当する。

　このようなジェットエンジン１０では、ファン１１によって取り込まれた空気を圧縮して下流側に送り出すことで推進力を得ると共に、ファン１１によって取り込まれた外気の一部が圧縮機１２で圧縮される。また、燃焼器１３において圧縮機１２で圧縮された空気が燃料と混合されると共に燃焼されることで、燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスが高圧タービン１４と低圧タービン１６とを通過して下流に噴射されることによっても、推進力を得ている。

　図２は、本実施形態のスプライン接続構造１を説明するための分解斜視図である。本実施形態のスプライン接続構造１は、上述のようなジェットエンジン１０において、低圧タービン１６のロータ１６ａと低圧シャフト１７との接続構造及びファン１１のロータ１１ａと低圧シャフト１７との接続構造として用いられており、軸部２と筒部３とを接続する構造である。

　軸部２は、外周面に等間隔で形成された複数の歯２ａを有している。１つの歯２ａは、軸部２の軸芯方向に延びて形成されており、断面が略台形状とされている。筒部３は、軸部２が内部に挿通される中空部材であり、内周面に軸部２の複数の歯２ａが嵌合される複数の溝３ａが形成されている。この１つの溝３ａは、軸部２の歯２ａと同様に、断面が略台形状とされている。図３Ａは、軸部２と筒部３とが嵌合された状態の部分拡大図斜視図である。また、図３Ｂは、軸部２と筒部３とが嵌合された状態を軸部２の軸芯方向から見た部分拡大図である。これらの図３Ａ及び図３Ｂに示すように、軸部２が筒部３に挿入されると、軸部２の歯２ａが筒部３の溝３ａに嵌合される。これによって、軸部２と筒部３とが、周方向に固定される。

　図４の（ａ）及び図４の（ｂ）は、軸部２の形状を説明するための模式図である。図４の（ａ）が２つの歯２ａに挟まれる歯溝を軸部２の径方向から見た図であり、図４の（ｂ）のＧＡ－ＧＡ線断面図に相当する。図４の（ｂ）が歯２ａの側面図である。軸部２は、複数の歯２ａが等間隔で周方向に配列されている。このため、図４の（ａ）に示すように、隣り合う歯２ａの歯面２ｂ同士が対向して配置される。本実施形態のスプライン接続構造１では、図４（ａ）のに示すように、隣り合って対向する歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、歯幅方向（図４の（ａ）の上下方向）にて常に同一距離を保って湾曲されている。つまり、本実施形態のスプライン接続構造１では、図４の（ａ）に示すように、Ａの位置における歯面２ｂと歯面２ｂとの離間距離と、Ｂの位置における歯面２ｂと歯面２ｂとの離間距離と、Ｃの位置における歯面２ｂと歯面２ｂとの離間距離と、が同一とされた状態で、２つの歯面２ｂが、歯幅方向に渡って軸部２の周方向に向けて湾曲されている。

　また、図４の（ａ）において、軸部２は、歯２ａが右側に移動するように回転駆動される。１つの歯２ａには、軸部２が回転駆動されるときの歯２ａの移動方向の下流側（図４の（ａ）の右側）と上流側（図４の（ａ）の左側）とに歯面２ｂが存在する。本実施形態のスプライン接続構造１では、歯幅方向の中央部が歯２ａの移動方向の下流側に膨出するように下流側の歯面２ｂが湾曲されている。なお、上流側の歯面２ｂは、歯幅方向の中央部が歯２ａの移動方向の下流側に凹むように湾曲されている。

　図５は、歯面２ｂの湾曲状態を説明するための模式図である。この図５に示すように、この歯面２ｂは、曲率中心Ｏ１を中心とし、曲率半径Ｒ１の円弧に沿って湾曲されている。つまり、本実施形態のスプライン接続構造１では、歯面２ｂは、軸部２の径方向から見て一定の曲率半径Ｒ１で湾曲されている。なお、本実施形態のスプライン接続構造１では、隣り合って対向する歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、歯幅方向にて常に同一距離を保って湾曲されている。このため、全ての歯面２ｂの曲率半径が同一とされている。よって、隣り合って対向する歯面２ｂの各々の曲率中心Ｏ１の位置は、歯面２ｂ同士の離間距離と同一距離分、軸部２の周方向に離間している。

　また、本実施形態のスプライン接続構造１では、図５に示すように、曲率中心Ｏ１が、歯幅方向（図５の上下方向）の中心位置よりも、歯２ａに作用するトルクが小さい側に距離Ｄ３だけ寄って配置されている。つまり、歯面２ｂの曲率中心Ｏ１の位置は、歯幅方向にて歯２ａに作用するトルクの小さい側に設定されている。

　例えば、低圧タービン１６と低圧シャフト１７との接続箇所では、回転動力を生成する低圧タービン１６の複数の動翼列が低圧シャフト１７の軸芯方向に配列されていることから、ジェットエンジン１０の前方に向かうほどトルクが増大して歯２ａに大きなトルクが作用する。このため、低圧タービン１６と低圧シャフト１７との接続箇所に適用されるスプライン接続構造１では、曲率中心Ｏ１は、歯幅方向の中心位置よりもトルクが小さい側、すなわち、ジェットエンジン１０の後方側に設定されている。また、ファン１１と低圧シャフト１７との接続箇所では、回転動力を消費して回転されるファン１１の複数の動翼列が低圧シャフト１７の軸芯方向に設置されていることから、ジェットエンジン１０の前方に向かうほどトルクが減少して歯２ａに作用するトルクが小さくなる。このため、ファン１１と低圧シャフト１７との接続箇所に適用されるスプライン接続構造１では、曲率中心Ｏ１は、歯幅方向の中心位置よりもトルクが小さい側、すなわち、ジェットエンジン１０の前方側に設定されている。

　このように、歯面２ｂの曲率中心Ｏ１の位置が、歯幅方向にて歯２ａに作用するトルクの小さい側に変位して設定されることによって、歯２ａの移動方向の下流側に向く歯面２ｂにおいて、歯面２ｂの最も下流側に膨出する位置Ｔ（図５を参照）が中心位置Ｂよりもトルクが小さい側に変位する。この結果、中心位置Ｂよりもトルクの大きい側に離間した位置Ｃにおける歯面２ｂの位置と、位置Ｔと、の差分距離Ｄ１は、中心位置Ｂよりもトルクの小さい側に中心位置Ｂと位置Ｃとの間の距離と等しい距離離間した位置Ａにおける歯面２ｂの位置と、上記位置Ｔと、の差分距離Ｄ２よりも大きくなる。軸部２は、歯２ａに作用するトルクが大きい箇所で捩れ角が大きくなるため、差分距離Ｄ１を差分距離Ｄ２よりも大きくすることによって、回転移動中の歯面２ｂをより平面に近づけることが可能となる。

　また、歯２ａが形成される軸部の周面は湾曲面であることから、上述のように湾曲された歯面２ｂを有する歯２ａでは、中心位置Ｂでの断面形状が、図６に示すように、位置Ａでの断面形状に対して、軸部２の軸芯を中心として軸部２の周方向に角度αで回転した形状とされている。同様に、位置Ｃでの断面形状は、中心位置Ｂでの断面形状に対して、軸部２の軸芯を中心として軸部２の周方向に回転した形状とされている。

　なお、図４～図６の模式図では、歯２ａの歯面２ｂが湾曲されていることを分かりやすく示すために、歯面２ｂの湾曲の程度を実際の湾曲の程度よりも大きくして示している。実際には、図５に示す差分距離Ｄ２が１０００分の数ｍｍ程度となるように歯面２ｂは湾曲されている。このため、歯２ａの歯面２ｂは、人間の目を介して視認できない程度でしか湾曲されておらず、軸部２を筒部３に挿入するときには歯面２ｂの湾曲を無視して作業を行うことができる。

　このような軸部２は、ホブカッタを用いた加工によって短時間で形成することができる。図７Ａ及び図７Ｂは、軸部２の形成工程を示す模式図であり、図７Ａが斜視図であり、図７Ｂが平面図である。これらの図７Ａ及び図７Ｂに示すように、軸部２は、一定速度で回転されるホブカッタ１００が周面に当てられ、ホブカッタ１００が軸部２の軸芯方向に一定速度で移動されることによって歯２ａが形成される。この時、ホブカッタ１００の回転加速度及び移動速度を適宜調整することで、本実施形態のスプライン構造１で用いられる軸部２を形成することができる。

　以上のような本実施形態のスプライン接続構造１によれば、軸部２において隣り合って対向する２つの歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、歯幅方向に常に同一距離を保って湾曲されている。このような形状の軸部２は、軸部２の周方向における歯２ａの両側の歯面２ｂが同じように湾曲された形状となることから、上述のようにホブカッタ１００で切削することによって形成することができる。ホブカッタを用いた切削は、砥石による研磨と比較して短時間で歯を形成することができる。したがって、軸部２は、砥石による研磨によって軸部を形成する場合と比較して短時間で形成することができる。また、軸部２の歯２ａの下流側の歯面２ｂが、その中央部が膨らむように湾曲した面となることから、軸部２はクラウニングが施されたものとなる。したがって、本実施形態のスプライン接続構造１によれば、クラウニングが施された軸部２の加工時間を短縮することが可能となる。その他、ピニオンカッタ、シェービングカッタなどの工具を使っても、本実施形態のスプライン接続構造１で用いられる軸部２を形成することができる。

　なお、軸部２を形成するための作業時間と、軸部２と同一サイズの軸部を砥石による研磨により形成するための作業時間と、を比較したところ、軸部２を形成するための作業時間が１時間であったのに対して、砥石による研磨によって軸部を形成するための作業時間は６時間であった。つまり、軸部２を用いることによって、軸部の形成のための作業時間を６分の１に短縮することができた。

　また、本実施形態のスプライン接続構造１においては、歯面２ｂは、軸部２の径方向から見て一定の曲率半径Ｒ１で湾曲されている。このため、軸部２を形成するときに、軸部２の角加速度の絶対値を変化させることなく作業を進めることができる。したがって、軸部２の形成を容易に行うことが可能となる。

　また、本実施形態のスプライン接続構造１においては、歯面２ｂの曲率中心Ｏ１の位置は、歯幅方向にて歯２ａに作用するトルクの小さい側に設定されている。このため、歯面２ｂの最も膨出する位置Ｔがトルクの小さい側に変位し、トルクが大きい側での差分距離（位置Ｔでの歯面２ｂの位置と対象位置での歯面２ｂの位置との軸部２の周方向における距離）Ｄ１をトルクが小さい側での差分距離Ｄ２よりも大きくすることができる。これによって軸部２が回転されているときの歯面２ｂを、より平面に近づけることができ、軸部２と筒部３との接触面積を広く確保することが可能となる。

　以上、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

　例えば、上記実施形態においては、歯面２ｂが一定の曲率半径Ｒ１で湾曲された構成を採用した。しかしながら、本開示はこれに限定されるものではなく、例えば、図８に示すように、トルクが大きい側の領域Ｒａとトルクが小さい側の領域Ｒｂとにおいて、曲率半径を異ならせることも可能である。つまり、歯面２ｂが、軸部２の径方向から見て、曲率半径が異なる曲線が連続的に接続されてなる形状に湾曲されている構成を作用することも可能である。このような構成を採用することによって、軸部２が回転するときに歯面２ｂがより平面に近づくように、歯面２ｂの形状をより柔軟に変化させることが可能となる。このような場合であっても、軸部２は、ホブカッタ１００による軸部２の切削時において軸部２の回転速度を変化させるのみで短時間で形成することができる。

　なお、上述のようにトルクが大きい側の領域Ｒａとトルクが小さい側の領域Ｒｂとにおいて、曲率半径を異ならせる場合には、例えばトルクが大きい側の領域Ｒａの曲率半径Ｒ１よりも、トルクが小さい側の領域Ｒｂの曲率半径Ｒ２を大きく設定する。つまり、歯幅方向にて、歯に作用するトルクの小さい側に、曲率半径が大きな曲線が配置され、歯幅方向にて、歯に作用するトルクの大きい側に、曲率半径が小さい曲線が配置された形状が形成されるように、歯面２ｂを湾曲する。これによって、歯幅方向にて、歯に作用するトルクの大きい側での上記差分距離を、歯幅方向にて、歯に作用するトルクの小さい側での上記差分距離よりも大きくすることができる。これにより、回転移動中の歯面２ｂをより平面に近づけることが可能となる。

　また、上記実施形態においては、本実施形態のスプライン接続構造１を、低圧タービン１６と低圧シャフト１７との接続箇所と、ファン１１と低圧シャフト１７との接続箇所に適用する例について説明した。しかしながら、本開示はこれに限定されるものではなく、例えば、高圧タービン１４と高圧シャフト１５との接続箇所や圧縮機１２と高圧シャフト１５との接続箇所に、スプライン接続構造１を適用することも可能である。また、図１に示すジェットエンジン１０以外の構成のジェットエンジンに、スプライン接続構造１を適用することも可能である。また、ジェットエンジン以外の装置にスプライン接続構造１を適用することも可能である。

　本開示のスプライン接続構造によれば、スプライン接続構造に用いられるクラウニングが施された軸部の加工時間を短縮することが可能となる。

　１　スプライン接続構造
　２　軸部
　２ａ　歯
　２ｂ　歯面
　３　筒部
　３ａ溝
　１０　ジェットエンジン
　１１　ファン
　１１ａ　ロータ
　１２　圧縮機
　１３　燃焼器
　１４　高圧タービン
　１５　高圧シャフト
　１６　低圧タービン
　１６ａ　ロータ
　１７……低圧シャフト
　１００……ホブカッタ

Claims (6)

1. 　歯面にクラウニングが施された複数の歯が外周面に等間隔で形成された軸部と、前記軸部の前記複数の歯が嵌合される複数の溝が内周面に形成された筒部と、が接続されてなるスプライン接続構造であって、
   　隣り合って対向する２つの前記歯面が、前記軸部の径方向から見て、歯幅方向にて常に同一距離を保って湾曲されているスプライン接続構造。
2. 　前記歯面は、前記軸部の径方向から見て一定の曲率半径で湾曲されている請求項１記載のスプライン接続構造。
3. 　前記歯面の曲率中心の位置は、前記歯幅方向にて前記歯に作用するトルクの小さい側に設定されている請求項２記載のスプライン接続構造。
4. 　前記歯面は、前記軸部の径方向から見て、曲率半径が異なる曲線が連続的に接続されてなる形状に湾曲されている請求項１記載のスプライン接続構造。
5. 　前記歯幅方向にて、前記歯幅方向にて前記歯に作用するトルクの小さい側に曲率半径が大きな曲線が配置されている請求項４記載のスプライン接続構造。
6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載のスプライン接続構造を用いたスプラインシャフト。

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