CN101743412A - 用于斜齿轮的挠性销 - Google Patents

Abstract

一种用于斜齿轮系统的挠性销。在不增加部件或不磨损面的情况下，建立一种与由倾覆力矩和其它齿轮力造成的不对准相等或相对的抵消再对准。对于销元件，各截面的主轴线非竖直地定向的一个或多个不同或变化的横截面，利用在两个平面中引起挠曲的切向力和径向力正确地补偿由斜齿轮力引起的不对准，从而保持啮合对准与使用正齿轮和传统挠曲销时相同。

Description

用于斜齿轮的挠性销

技术领域

本发明总的来说涉及齿轮系统，而更具体地说，涉及一种用于斜齿轮系统的挠性销。

背景技术

用于齿轮元件的特殊形式的悬臂支撑包含与安装销同心的套筒元件，该安装销以套筒的外侧与系统轴线保持平行的方式挠曲。这通常称作“挠曲销”。这样一种挠曲销可以包括：内销，其固定到壁或其它部件上，因此从壁或其它部件悬臂内销；以及套筒，其从内销的相对端悬臂，并在内销上方向后延伸，从而形成双悬臂梁。

除平行挠曲之外，这些装置具有工程弹簧刚度，以有助于多齿轮、功率分流系统中负载均等，所述系统包括行星系统。在R.J.Hicks的美国专利3,303,713中公开的发明在重载传动装置中具有重要的用途，特别是在行星构造中使用四个或四个以上行星齿轮提高功率密度时尤其有用。这些系统通常使用正齿轮。由于具有这种齿轮，齿接触基本上是滚动的，而滑动发生在啮合和脱离期间。

相反，斜齿轮是具有螺旋齿的圆柱形齿轮。斜齿轮以比正齿轮小的噪声和振动运转。任何时候，斜齿轮的负载分布在几个齿上，从而使磨损减小。由于它们斜切的结果，齿啮合沿齿轮轴导致推力负载。因此，尽管斜齿轮具有较高的密度和运转较平稳，但它们在对于切向负载的径向平面90°中仍产生倾覆力矩，挠曲销设计成适应该倾覆力矩。对于传统的挠曲销，上述力矩会导致齿轮在径向平面中转动，这能造成齿不对准。

齿轮力的差异在图1中示出。在该图中，示出行星齿轮，该行星齿轮是行星齿轮系统的一部分。“行星”配置包括一圈行星齿轮，这些行星齿轮安装在行星架上，并与内侧上的太阳轮和外侧上的齿圈相啮合。太阳轮和行星齿轮是外齿轮，而齿圈是内齿轮，因为它的齿均在内侧。通常或齿圈或是行星架都保持固定，但是如果齿圈固定则传动比较大。

行星配置使负载能在行星齿轮之间均分，从而减小在任何一个齿轮介面上的负载。如在图1中可以看到的那样，有不同的力以径向(r)、切向(t)及轴向(a)分量作用在这种配置中的行星齿轮上。对于斜齿轮，轴向力导致倾覆力矩。

倾覆的斜齿轮力矩可以通过安装反作用环解决，但在实践中，那些环将遭遇应力，并能磨损。这特别危险，因为在齿轮和轴承的区域中的磨损颗粒在任何情况下都是不希望有的。

因此，本发明的目的是提供一种对倾覆的斜齿轮力矩问题的解决方案，而不增加部件或磨损面。

发明内容

根据本发明，建立一种与由倾覆力矩和其它齿轮力造成的不对准相等和相对的校正再对准，而不增加部件或不磨损面。这样，本发明解决了以上所述的问题。

根据本发明，销呈现一个或多个不同或变化的横截面，使其各截面的主轴线非竖直地定向，利用在两个平面中引起挠曲切向力和径向力而正确地补偿由斜齿轮力引起的不对准，从而保持啮合对准与使用正齿轮和传统挠曲销时相同。这样的销元件在不同的方向上表现不同的刚度，因为它们的形状为非全向性的，并且沿其轴线具有不同的面积惯性矩。

另外，通过改变销在其孔中的转动方位，可以不受径向对准制约来调节切向对准。通过对安装件或架的刚度的修改来调节径向对准，从而实现销安装孔在径向平面中对准。安装到安装件或架上的加强板用来调节截面特性。这些板控制在径向平面中架的销安装孔的不对准。

本发明具有使挠性销能用于斜齿轮的优点。

本发明具有能够补偿销安装在其中的部件不良挠度的优点。

本发明具有使调节对准以补偿与预测和实际系统的挠度的偏差的优点。

本发明具有斜齿轮承载较高负载并能静噪且无振动的优点。

本发明具有另外的优点：它可应用于重型传动装置，其中，挠性销降低重量和成本，外加使用斜齿轮实现静噪运行并进一步使重量和尺寸减小。

附图说明

参照附图将详细地描述本发明，在附图中：

图1是行星系统中正齿轮与斜齿轮力的比较图；

图2是具有零端部斜度的简单悬臂梁示意图；

图3是具有双悬臂梁和零端部斜度的简单梁示意图；

图4是在造成平行挠曲的传统挠曲销上的正齿轮力示意图；

图5是作用在造成非平行挠曲的传统挠曲销上的斜齿轮力示意图；

图6是在造成非平行挠曲的非对称挠曲销上的正齿轮力示意图；

图7是在造成平行挠曲的非对称挠曲销上的斜齿轮力示意图；

图8是非对称挠曲销的横截面图，示出主轴线方位；

图9是在非对称挠曲销上的斜齿轮力示意图，该非对称挠曲销具有造成平行挠曲的变化主轴线方位；

图10是曲线图，示出用于两个不同或变化横截面的挠曲销的销转动对切向和径向对准的典型影响；及

图11是相同比例的斜齿轮与正齿轮的啮合误差比较图。

具体实施方式

如图1中看到的那样，在行星齿轮系统中的正行星齿轮分别具有通常的切向力W_{t_齿圈}和W_{t_太阳轮}。

总切向力则为：

W_t＝W_{t_齿圈}+W_{t_太阳轮}      (公式1)

该系统还分别具有通常的径向力W_{r_齿圈}和W_{r_太阳轮}。总径向力通常是零，则为：

W_r＝W_{r_太阳轮}-W_{r_齿圈}     (公式2)

挠曲销适应销和套筒配置的平行挠曲中的切向力。这通过用在另一端的悬臂梁补偿由在一端的悬臂梁引起的不对准来实现。

在普通挠曲销装置中的挠度，这里指定为Δ_y和Δ_z，按照经典力学(梁理论和梁挠度公式)是：

${\mathrm{\Δ}}_y=\frac{W_t\·l^3}{12\·E\·I_{y-y}}$ (公式3)

和

${\mathrm{\Δ}}_z=\frac{W_r\·l^3}{12\·E\·I_{z-z}}$ (公式4)

式中，I_y-y是在y方向上的截面二次矩或面积惯性矩，而I_z-z是在z方向上的截面二次矩或面积惯性矩，并且在梁的自由端的斜度是零(保持齿对准)。这在图2中示出。

如果假定套筒足够刚性的，则同一系统可表示为如图3中所示的双悬臂梁。

在这种系统中，在梁的端部的斜度等于零时，必须满足如下公式：

$a=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{Mot}}_y}{W_r}$ (公式5)

和

$a=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{Mot}}_z}{W_t}$ (公式6)

在正齿轮的情况下，通常W_r＝0.0，Mot_y＝0.0，Mot_z＝0.0，而对于称销，I_y-y＝I_z-z。因此，当a＝1/2时，Δ_z＝0，并且齿保持对准，因为在销的端部并因而在套筒中的斜度是零。这在下面图4中示出。

相反，对于斜齿轮，Mot_y不是零(Mot_y≠0)，并因此在z方向上具有最后的挠度。这在图5中可以看到。在行星齿轮系统中的行星斜齿轮具有与正齿轮相同的力，外加倾覆力矩。倾覆力矩，即Mot_y在垂直于W_t的平面中，而在这个径向平面中的挠度将在行星齿轮、太阳齿轮和齿圈之间分别引起齿不对准。这是因为不能满足用于“a”的公式。因为Mot_z＝0，所以a＝1/2必须成立。如果W_r＝0，则Mot_y/W_r是无限的，而如果W_r不是零(W_r≠0)，那么a＝1/2不能成立，因此，传统的挠曲销不能用于这种效果来校正。

根据本发明，改变I_z-z。在本发明中，通过改变正常对称销的构造来改变I_z-z，使得I_z-z≠I_y-y。这种非对称性在截面中产生主轴线。主轴线这样非竖直地定向，使得当在y方向上施加切向负载时，在z方向上引起径向挠度和斜度不对准。

这种效果在下面图6中看到，图中，单力W_t由承载正齿轮的非对称销反作用。由于截面主轴线的非竖直方位，所以与图2中具有正齿轮的对称挠曲销的挠度相反，在y和z方向上都看到挠度。考虑到截面主轴线的倾斜方位，由于在I_z-z和I_y-y方面的差异，销对于角度挠曲，如图6中所示的那样。

如上所述，在挠曲销上安装的斜齿轮由于与正齿轮相反从斜齿轮的相互作用而产生的力而受到围绕y轴(在径向平面中)的力矩Mot_y。根据本发明，利用如下事实：具有适当的y方向力，(并且可能有z方向力)，该力结合截面主轴线的方位而引起超出切向平面的挠度和斜度，这将反作用挠度Δz或者使其最小化，并且消除另外由围绕y轴倾覆力矩所引起的斜度不对准。上面所述可在图7中看到。

公式3、4、5、和6可被转换成截面主轴线坐标系。然后公式如下：

${\mathrm{\Δ}}_{p2}=\frac{(W_t\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+W_r\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right))\·l^3}{12\·E\·I_{p2-p2}}$ (公式7)

和

${\mathrm{\Δ}}_{p1}=\frac{(W_t\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+W_r\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right))\·l^3}{12\·E\·I_{p1-p1}}$ (公式8)

在这种系统中，如果梁的端部的斜度等于零，则必须满足如下公式：

$a=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{Mot}}_y\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{Mot}}_z\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{W_r\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+W_t\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}$ (公式9)

和

$a=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{Mot}}_z\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{Mot}}_y\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{W_t\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+W_r\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}$ (公式10)

这种坐标系在图8中示出。

因为在第一和第二主方位中这时具有力和力矩分量，所以通过调节变量a、θ、I_p1-p1和I_p2-p2可求出在这些平面中保持零的斜度的解。

可以使力W_t更有效地抵消由Mot_y引起的斜度不对准。通过改变在销的另一侧上的相反方向上的主截面轴线的方位，在W_t两侧上的悬臂梁引起套筒在同一方向上的倾斜。这可以是图9中的情况。

根据齿轮传动的具体负载，截面方位跨越销的长度变化的这种解决方案或其变型是希望有的或所要求的。这种解决方案具有在制造之后可调节的附加好处。设计完善的这类挠曲销对于在切向平面中跨越表面的斜度不对准可以调节。这通过转动销在其安装孔中的总角方位而实现。销顺时针方向和逆时针方向的转动将引起在相反方向上切向对准校正。对切向对准的这些变化大于对径向平面对准的最后变化。如果销设计适当，则在切向和径向平面中跨越齿轮表面宽度的斜度对准对销方位的曲线显示，被画出的径向对准曲线具有斜度是水平的区域。在这个相同区域中，切向对准是从大的正不对准变到负不对准。在这个区域中，能对切向对准进行大调整，而不改变径向对准。这是图10中的情况。

如果发现在制造之后需要对齿轮的径向对准调节，则通过修改销安装件的截面特性且不受切向对准制约能处理这些径向对准，使得销安装件对允许销在径向平面中倾斜的阻力被改变，以提供或多或少的倾斜。这通过使用可互换加强肋、或者实际上改变安装件本身而被实现。

因此本发明讲述以某种方式模制挠曲销配置，使得在由斜齿轮相互作用产生的倾覆力矩或力的条件下配置的面积惯性矩导致在引起齿不对准的方向上的挠度和斜度的补偿。因此，挠曲销配置被制成非对称的，具有非竖直定向的主轴线，以便得到在不同方向上具有不同挠曲特性的挠曲销。

在上述示例中，人们只是看到挠曲销组件的控制销的影响。对于y轴线，销和套筒特性被调节、或被改变，使得它们的反作用挠曲方向是相同和相反，从而保持最终齿轮安装轴线平行于系统轴线。由于挠曲包括销、套筒及安装面，所以全部必须包括在部件调整中。尽管这可借助经典力学完成，但当包括安装面时它变得非常复杂，因为这些安装面通常是复杂几何形状的一部分。最经常的计算机模拟，比如有限元分析(FEA)用来预测和重复设计或者促进所需的结果。

这种相同的方式对于具有非对称几何形状的销是可能的。由于挠曲销组件的所有部件都分别影响在z和y方向上的最后惯性矩，并因此影响挠曲特征，所以销和安装件都可被修改，以达到所需结果。最经常地，修改上述销，以简化部件的制造。

参照图11。这是用于正齿轮和有关挠曲销的设计，该设计为给定安装系统提供平行挠度。使用用于传动比优化的可接受程序人们可以确定力矩容量W。最后挠度曲线在图11中示出。

如果将10°的螺旋角加到这种相同齿轮上，这时功率容量是1.23W。因此，容量上的改进是23％。本发明的反作用的倾覆力矩如图8和9中所示。如可看到的那样，非对称销设计导致挠曲销装置的挠曲，而斜齿轮平行于系统轴线平移，并且没有齿不对准。由于本发明的销的非对称形状，在y或z方向上没有销或套筒的斜度不对准和基本在y-方向上有位移，如正齿轮那样。

几何形状和加工挠曲销的中心轴的附加成本中的这种细小变化是齿轮容量中23％增益值的一小部分，或是操作相同功率的齿轮和销尺寸的减小。

除成本较低外，对斜齿轮的改变具有可能比降低成本甚至更有价值的更多优点：振动和噪声的减小。人所共知，螺旋重叠是齿轮噪声中最有影响的几何特征。此前，挠曲销未曾考虑用于总体设计要求解决低噪声的应用场合。对于本发明，则解除这种限制，并且斜齿轮的所有固有优点可与挠曲销技术相组合，且对组件没有增加零件使其增加磨损的危险。

参照图11，该图是相同比例的斜齿轮与正齿轮的啮合误差的比较图。这是一种相似设计惊人的比较，两者都被优化成减少传动误差，这种传动误差在过去转化成啮合振动和噪声。这在许多应用场合至关重要，比如设计人员必须遵守严格噪声标准的风力涡轮机。

Claims (4)

1.一种用于风力涡轮机组件的行星齿轮单元，所述行星齿轮单元包括行星齿轮级，其中，至少一个行星齿轮可转动地被支撑在行星架上，所述行星齿轮与太阳轮和外齿圈啮合，

所述太阳轮和所述外齿圈围绕行星齿轮单元的系统轴线能转动，

所述行星齿轮、所述太阳轮和所述外齿圈是斜齿轮，

所述行星架具有挠曲销型的轴、和套筒，在行星架上安装行星齿轮，

行星架是各向异性的，因此，在垂直于齿轮单元的系统轴线的至少两个方向上具有不同的面积惯性矩。

2.根据权利要求1所述的行星齿轮单元，其中，行星架的轴在一个或多个地方在与系统轴线垂直的平面中成形成非对称。

3.根据以前权利要求中任一项所述的行星齿轮单元，其中，行星架在处于与系统轴线垂直的平面中的方向上具有最小面积惯性矩，最小面积惯性矩的方向相对于从行星齿轮的旋转轴线到太阳轮的旋转轴线的方向而倾斜。

4.根据以前权利要求中任一项所述的行星齿轮单元，其中，行星齿轮的对准在切向和径向方向上是独立可调节的，切向对准通过改变销在其架中的方位被调节，而径向对准通过改变行星架的刚度被调节。

Images