CN101878382A - 用于齿轮的纹理表面 - Google Patents

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Abstract

齿轮箱包括设置在齿轮箱壳体内的多个齿轮组。各个齿轮组包括相互啮合的至少两个齿轮。各个齿轮包括一个或多个洼坑状表面，该洼坑状表面构造成保持润滑剂以在相互啮合的齿轮之间提供润滑。提供多个轴承以支承多个齿轮组。

Description

用于齿轮的纹理表面
技术领域
本发明一般地涉及用于齿轮的纹理表面，且更特别地，涉及用于旋转机械(例如，风力涡轮机中的齿轮箱)中的齿轮的洼坑状表面。
背景技术
齿轮是机械零件，其设计用来与另一个类似的机械零件相啮合以传递旋转运动。最常使用的齿轮包括行星齿轮、正齿轮、斜齿轮、锥齿轮、蜗轮、齿条以及小齿轮。齿轮以许多不同的方式相互啮合，以将运动从一个齿轮传递至另一个齿轮。另外，可使用齿轮来增加或降低旋转的速度。例如，由较大的齿轮驱动的较小的齿轮将具有高于该较大的齿轮的旋转速度。相反，由较小的齿轮驱动的较大的齿轮将具有低于该较小的齿轮的旋转速度。可将齿轮容纳在齿轮箱中。在许多不同类型的系统中使用齿轮箱来传递旋转运动。齿轮箱典型地由至少一个齿轮组和使得齿轮能够旋转的轴承组成。
齿轮箱中的齿轮和轴承可能具有缺陷，或者它们可随着时间的过去而失效，或者它们可能只是磨损。例如，施加在轴承和齿轮上的负荷和压力可能超过可接受的极限，导致齿轮或轴承的失效或者损坏。一旦知道损坏或失效的构件的存在，可将其替换。备选地，经过长时期的使用，齿即可开始磨损。
常规地已知在用于旋转机械的齿轮箱中可使用润滑剂以在啮合的齿轮之间提供润滑并且减少摩擦。在例如风力涡轮机的应用中，啮合齿轮在例如较低的速度和较高的负荷的状况下工作。还已知在此类应用中润滑现象实质上是瞬时的。在例如机械的紧急停止的瞬时状况期间，齿轮遭受更多的负荷。因此，在齿轮间维持润滑剂膜是困难的。这导致不充分的润滑和配合齿轮的磨损。
存在对于在齿轮箱中的啮合的齿轮之间有效地维持润滑剂膜的需要，用来即使在旋转机械的瞬时的工作状态期间增强在齿轮中的润滑。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，公开了一种齿轮箱。该齿轮箱包括设置在齿轮箱壳体内的多个齿轮组。各个齿轮组均包括相互啮合的至少两个齿轮。各个齿轮均包括一个或多个洼坑状表面，该洼坑状表面构造成保持润滑剂以在相互啮合的齿轮之间提供润滑。提供多个轴承以支承该多个齿轮组。
根据本发明的另一个示例性实施例，公开了一种齿轮。该齿轮包括一个或多个洼坑状表面，洼坑状表面构造成保持润滑剂以对齿轮提供润滑。
根据本发明的又一个示例性实施例，公开了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括设置在转子和发电机之间的齿轮箱。齿轮箱包括设置在齿轮箱壳体内的多个齿轮组。各个齿轮组均包括相互啮合的至少两个齿轮。各个齿轮均包括一个或多个洼坑状表面，洼坑状表面构造成保持润滑剂以在相互啮合的齿轮之间提供润滑。设置多个轴承以支承多个齿轮组。
附图说明
当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，贯穿这些附图，在其中相似标号代表相似部件，其中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的旋转电力机械的概略图，该旋转电力机械具有包括多个齿轮组的齿轮箱，齿轮组具有一个或多个纹理表面；
图2是根据图1的多个方面的具有一个或多个纹理表面的齿轮的概略图；
图3是根据本发明的一个示例性实施例的纹理表面的概略图；
图4是根据本发明的一个示例性实施例的构造成用于齿轮中的润滑的纹理表面的概略图；以及
图5是根据本发明的一个示例性实施例，为涉及洼坑润滑的各种应用而表现压力相对速度的变化的图。
具体实施方式
如下详细地描述，本发明的实施例提供齿轮箱，其具有设置在齿轮箱壳体内的多个齿轮组。各个齿轮组包括相互啮合的至少两个齿轮。各个齿轮均包括一个或多个洼坑状表面，洼坑状表面构造成保持润滑剂以在相互啮合的齿轮之间提供润滑。在一个示例性实施例中，公开了具有该示例性齿轮箱的风力涡轮机。通过使齿轮表面上具有洼坑，表面纹理技术解决了与在极端运行状况下的润滑相关的问题。即使在存在引起配合表面的弹性变形的更高的压力的工况中，该示例性纹理表面也增强了润滑。呈洼坑形式的纹理表面用于增强的润滑，解决了与润滑相关的问题，并且增强了在其间带有滚动接触和/或滑动接触的机械构件的性能。
一般地参考图1，图示了一种旋转电力机械，并且一般地用参考标号10表示。在该实施例中，旋转电力机械是风力涡轮机。然而以下描述的技术可应用在其它发电机械以及各种其它的应用中。在该实施例中，风力涡轮机10具有设置在转子14和发电机16之间的齿轮箱12。转子14具有多个转子叶片(未显示)。当风吹动时，转子14因为风的力量而旋转。转子14的旋转的速度可以作为风速的函数而变化。转子14的旋转经由齿轮箱12传递至发电机16的转子。转子14设计成有效地将风能转换成旋转。然而，发电机16的转子设计成以高得多的速度工作。齿轮箱12设计成将由转子14产生的旋转的速度增大至更期望的速度，用来驱动发电机16的转子。
在该图示的实施例中，齿轮箱12包括设置在齿轮箱壳体24内的行星齿轮组18、中间齿轮组20以及高速齿轮组22。转子14经由转子轴26联接到行星齿轮组18上。该行星齿轮组18包括行星齿轮28、太阳齿轮30以及环形齿轮32。环形齿轮32围绕太阳齿轮30延伸并且具有围绕环形齿轮32的内圆周的齿。太阳齿轮30具有围绕其外圆周的齿。行星齿轮28的齿与太阳齿轮30以及环形齿轮32的齿啮合。另外，行星齿轮28联接到转子轴26上。当转子14转动转子轴26时，行星齿轮28围绕太阳齿轮30被驱动，导致太阳齿轮30旋转。该行星齿轮组18由多个轴承34、36、38和40支承。
太阳齿轮30经由第一齿轮轴42联接到中间齿轮组20上。在该实施例中，太阳齿轮30小于行星齿轮28并且以比转子轴26更高的速度旋转。因此，齿轮轴42也以比转子轴26更高的速度旋转。中间齿轮组20包括第一中间齿轮44和第二中间齿轮46，它们协作以进一步增加旋转的速度。第二中间齿轮46联接到第二齿轮轴48上，第二齿轮轴48联接到高速齿轮组22上。第一中间齿轮44大于第二中间齿轮46，以便第二中间齿轮46以比第一中间齿轮44更高的速度旋转。因此，第二齿轮轴48以比第一齿轮轴42更高的速度旋转。中间齿轮组20也由多个轴承50、52、54和56支承。
高速齿轮组22包括第一高速齿轮58和第二高速齿轮60，它们协作以再进一步增加旋转的速度。第二高速齿轮60经由输出轴62联接到发电机16上。高速齿轮组22经由对应的轴承64、66、68和70支承。第一高速齿轮58大于第二高速齿轮60。因而，第二高速齿轮60以比第一高速齿轮58更高的速度旋转。因此，输出轴62以比第二齿轮轴48更高的速度旋转。发电机16将输出轴62的旋转能转换成电力。
常规地已知摩擦、磨损和润滑是控制许多机械构件的增强的寿命和可靠的工作的关键要素。对于带有滚动和/或滑动接触的低速以及高负荷的摩擦学应用，例如在风力涡轮机齿轮箱中的配合的齿轮之间，为润滑剂产生合适的膜厚度是困难的，并且因而在为更长寿命设计这些构件时是限制性因素。在该图示的示例性实施例中，行星齿轮组18、中间齿轮组20和高速齿轮组22的每一个齿轮均包括一个或多个洼坑状表面72，洼坑状表面72构造成保持润滑剂以在相互啮合的齿轮之间提供润滑。如在本文中所述，“洼坑状表面”可被认为是具有形成为预定图案的多个洼坑或凹槽的表面。图案可取决于应用而变化。洼坑可以是微米或纳米尺寸的洼坑，其构造成保持润滑剂以用于增强的润滑。在接触面的弹性变形的状况下，在齿轮表面上呈洼坑形式的表面纹理是用于润滑的有效方式。因此在配合的齿轮中充分减少了摩擦和磨损。关于在齿轮中的洼坑状表面的另外细节参考随后的附图而被更详细地解释。
参考附图2，图示了行星组的行星齿轮28。如上所述，行星齿轮28包括一个或多个洼坑状表面72，洼坑状表面具有构造成保持润滑剂以在互相啮合的齿轮之间提供润滑的多个洼坑74。按照惯例，使用熟知的制造工艺对齿轮表面进行硬化和磨光，而没有在表面上的任何另外的特征。在该图示的示例性实施例中，通过提供改善的润滑剂的有效性，呈洼坑形式的表面纹理增强了润滑。
在润滑剂的供给经常受限的工作状况期间，由于表面张力，洼坑74将润滑剂保持在表面72上的洼坑状区域处。在润滑剂的供给通常充裕但齿轮的负荷、速度和几何形状的组合并不足以在齿轮之间维持润滑剂膜的工作状况期间，洼坑74作为润滑剂的“储器”。洼坑在压力下将润滑剂供给至齿轮的配合表面。因此，即使在机械的不利工作状况下，在齿轮之间也维持了润滑剂膜。尽管参考行星齿轮28详细地解释了该示例性纹理表面，但纹理表面技术同样地可应用在行星齿轮组18、中间齿轮组20和高速齿轮组22的其它齿轮上，以及对于该特殊示例未显示或描述的其它类型的齿轮上。
参考图3，图示了根据图2的多个方面的洼坑状表面72。如上所述，行星齿轮28包括一个或多个洼坑状表面72，洼坑状表面72具有构造成保持润滑剂以在相互啮合的齿轮之间提供润滑的多个洼坑74。洼坑74可形成预定的图案。在一个示例中，预定的图案可包括栅格状的图案，该图案在洼坑74之间带有规则的间距“w”。在某些示例性实施例中，在洼坑74之间的间距可在从大约50微米到大约300微米的范围内。在特定的实施例中，洼坑74之间的间距可以在从大约150微米到大约300微米的范围内。在一些示例性实施例中，洼坑的直径可以在从大约50微米到大约200微米的范围内。在特定的实施例中，洼坑的直径可以在从大约80微米到大约150微米的范围内。在某些示例性实施例中，洼坑的深度可以在从大约1微米到大约50微米的范围内。在特定的实施例中，洼坑的深度可以在从30微米到大约50微米的范围内。在某些其它的示例性实施例中，洼坑的直径可以在从大约50微米到大约150微米的范围内，洼坑的深度可以在从大约5微米到大约10微米的范围内，而洼坑74之间的间距可以在从大约100微米到大约150微米的范围内。在另一个示例中，预定的图案可包括栅格状的图案，该图案在洼坑74之间具有不规则的间距“w”。在又一个示例中，图案可包括圆形图案。又在另一个示例中，图案可以是不规则的图案。类似地，可设想任何数量的图案。图案、直径、深度和洼坑之间的间距可取决于应用而变化。图案、直径、深度和间距可取决于包括齿轮的几何形状、作用在齿轮上的负荷和齿轮的速度的因素而改变化。洼坑可通过包括但不限于激光加工、水射流加工、磨料喷射加工、电解加工、电火花加工或它们的组合的制造技术而形成。
参考图4，行星齿轮28具有根据图3的多个方面图示的带有洼坑74的洼坑状表面72。行星齿轮28构造成与太阳齿轮30啮合。在例如风力涡轮机的应用中，齿轮箱在低速和高负荷状况下工作。如先前所述，即使在存在足够高的压力而导致配合表面的弹性变形的工况中，该示例性洼坑状表面也增强了润滑。在该图示的实施例中，在不利的工作状况期间，洼坑74的容积由于压力或弹性变形而减小。洼坑74充当润滑剂的“储器”。当存在流体弹性动力学效果(容积改变)时，洼坑在压力下将润滑剂供给至齿轮28、30的配合表面之间。因此即使在机械的不利工作状况下，也在齿轮之间维持了润滑剂膜。
根据该示例性实施例，齿轮中的洼坑状表面导致在宽范围上的摩擦的充分减少，该宽范围覆盖了在齿轮的接触表面之间的边界至混合润滑状况。在此处应该指出的是边界润滑在流体无法发展成完整的流体膜(即流体动力润滑)时发生，其允许在滑动磨损表面的高点(称为为粗糙点)之间的偶然接触。混合润滑工况包括弹性流体动力和边界润滑区域。洼坑利用没有添加剂的正常的润滑剂在边界和混合状况期间减少摩擦。无添加剂的正常润滑剂优选地避免导致齿轮的接触表面劣化的摩擦润滑化学反应。还有，也可以使用级别等于或小于在配合的齿轮之间的接触线宽度的微小洼坑。洼坑几何形状可包括圆形以及有角的轮廓。在一些实施例中，也可以设想其它洼坑几何形状。
现在参考图5，根据本发明的一个示例性实施例图示了针对涉及洼坑润滑的各种应用的表现压力(用吉帕斯卡(GPa)表示)相对于速度(用米每秒(m/sec)表示)变化的图。在此处应该指出的是该图示的示例是示例性实施例，压力和速度工况的值可取决于应用而变化。在该图示的实施例中，图示了三个应用。即，双臂曲柄应用、球轴承应用和齿轮箱应用，分别由参考标号76、78和80表示。对于双臂曲柄应用，工况包括0.015m/sec的速度和0.2GPa的压力。对于球轴承应用，工作速度是0.384m/sec而压力为0.75到1.5GPa的范围。对于齿轮箱应用，最大工作速度是0.5m/sec而压力为1.6到2GPa的范围。在此处应该指出的是在前述实施例中的工作速度和压力的值是示例性值，且不应该解释成限制性值。这些值可取决于应用而变化。所有这三个应用均涉及在配合构件之间的滑动和滚动运动。
在例如风力涡轮机的应用中，如在图示的图5中所公开的，齿轮箱在较低速度和啮合齿轮齿上的较高负荷的极端状况下工作。由于齿轮固有的动态变化，润滑现象本质上也是瞬时的。另外，像运行期间的紧急停止的瞬时事件另外增加齿轮负荷，在该情况下在配合的齿轮之间维持膜形成变得非常困难。因此，风力涡轮机齿轮箱在啮合周期期间以变化的“膜参数”比工作。在此处应该指出的是“膜参数”是膜厚度对两个配合齿轮的复合表面粗糙度的比。对于在1.6GPa的负荷下并且以0.5m/s的滑动速度工作的齿轮，膜参数小于或等于0.8。通常，以小于或等于0.8的膜参数工作的齿轮箱可导致齿轮的更高的摩擦和磨损。在齿轮中呈洼坑形式的纹理表面提供增强的润滑并且增强了齿轮系统的性能。
虽然在本文中仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多改型和改造。因此，需理解的是所附权利要求书意图覆盖处在本发明的真实精神内的所有此类改型和改造。

Claims (25)

1.一种齿轮箱，包括：
齿轮箱壳体；
多个齿轮组，其设置在所述齿轮箱壳体内；其中，各个齿轮组包括相互啮合的至少两个齿轮；其中各个齿轮包括一个或多个洼坑状表面，所述洼坑状表面构造成保持润滑剂以在相互啮合的所述齿轮之间提供润滑；以及
多个轴承，其可操作以支承所述多个齿轮组。
2.根据权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述洼坑状表面包括以预定图案形成的多个洼坑。
3.根据权利要求2所述的齿轮箱，其特征在于，所述洼坑的深度在从大约1微米到大约50微米的范围内。
4.根据权利要求2所述的齿轮箱，其特征在于，所述洼坑的深度在从大约30微米到大约50微米的范围内。
5.根据权利要求2所述的齿轮箱，其特征在于，所述洼坑的直径在从大约50微米到大约200微米的范围内。
6.根据权利要求2所述的齿轮箱，其特征在于，所述洼坑的直径在从大约80微米到大约150微米的范围内。
7.根据权利要求2所述的齿轮箱，其特征在于，相邻的洼坑之间的间距在从大约50微米到大约300微米的范围内。
8.根据权利要求2所述的齿轮箱，其特征在于，相邻的洼坑之间的间距在从大约150微米到大约300微米的范围内。
9.根据权利要求2所述的齿轮箱，其特征在于，相邻的洼坑之间的间距在从大约100微米到大约150微米的范围内，所述洼坑的直径在从大约50微米到大约150微米的范围内，所述洼坑的深度在从大约5微米到大约10微米的范围内。
10.一种齿轮，包括：
一个或多个洼坑状表面，其构造成保持润滑剂以向所述齿轮提供润滑。
11.根据权利要求10所述的齿轮，其特征在于，所述洼坑状表面包括以预定图案形成的多个洼坑。
12.根据权利要求11所述的齿轮，其特征在于，所述洼坑的深度在从大约1微米到50微米的范围内。
13.根据权利要求11所述的齿轮，其特征在于，所述洼坑的深度在从大约30微米到大约50微米的范围内。
14.根据权利要求11所述的齿轮，其特征在于，所述洼坑的直径在从大约50微米到大约200微米的范围内。
15.根据权利要求11所述的齿轮，其特征在于，所述洼坑的直径在从大约80微米到大约150微米的范围内。
16.根据权利要求11所述的齿轮，其特征在于，相邻洼坑之间的间距在从大约50微米到大约300微米的范围内。
17.根据权利要求11所述的齿轮，其特征在于，相邻洼坑之间的间距在从大约150微米到大约300微米的范围内。
18.一种风力涡轮机，包括：
转子；
发电机，其可操作以发电；
齿轮箱，其设置在所述转子和所述发电机之间，所述齿轮箱包括：
齿轮箱壳体；
多个齿轮组，其设置在所述齿轮箱壳体内；其中，各个齿轮组包括相互啮合的至少两个齿轮；其中，各个齿轮包括一个或多个洼坑状表面，所述洼坑状表面构造成保持润滑剂以在相互啮合的所述齿轮之间提供润滑；以及
多个轴承，其可操作以支承所述多个齿轮组。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，所述齿轮组以小于或等于0.5米每秒的滑动速度工作。
20.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，施加在所述齿轮组上的负荷在1.6吉帕斯卡到2吉帕斯卡的范围内。
21.根据权利要求18所述的风力涡轮机，其特征在于，所述洼坑状表面包括以预定图案形成的多个洼坑。
22.根据权利要求21所述的风力涡轮机，其特征在于，所述洼坑的深度在从大约1微米到大约50微米的范围内。
23.根据权利要求21所述的风力涡轮机，其特征在于，所述洼坑的直径在从大约50微米到大约200微米的范围内。
24.根据权利要求21所述的风力涡轮机，其特征在于，相邻的洼坑之间的间距在从大约50微米到大约300微米的范围内。
25.根据权利要求21所述的风力涡轮机，其特征在于，相邻的洼坑之间的间距在从大约100微米到大约150微米的范围内，洼坑的直径在从大约50微米到大约150微米的范围内，而洼坑的深度在从大约5微米到大约10微米的范围内。
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