CN101893061B - 行星齿轮传动单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种行星齿轮传动单元(10)，包括环形齿轮(17)、太阳齿轮(18)以及行星架(19)，所述行星架(19)驱动多个行星轴(12)，所述行星齿轮(11)通过行星轴承(13)以能转动的方式安装在所述行星轴(12)上。所述行星轴为柔性销(12)，每个柔性销(12)包括一对行星齿轮(11)，所述一对行星齿轮中的每个行星齿轮(11)是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮中的另一个行星齿轮(11)的螺旋角相反的螺旋角。本发明还提供了一种包括根据本发明实施例的行星齿轮传动单元(10)的变速箱(20)以及包括此类变速箱(20)的风力涡轮机。具有单螺旋齿的齿轮确保行星齿轮传动单元能承受大的负载。行星齿轮的负载分布最优，且在齿轮的齿上迅速移动。行星齿轮传动单元易于安装且可使用传统的各向同性柔性销轴。

Description

行星齿轮传动单元
技术领域
本发明涉及一种行星齿轮传动单元，可在用于风力涡轮机的变速箱中使用所述行星齿轮传动单元。
背景技术
由于对行星齿轮传动单元的要求极高，而且行星齿轮传动单元承受非常大的负载，比如以用于风力涡轮机的行星齿轮传动单元为例，通常使用带有螺旋齿的齿轮，其原因是带有螺旋齿的齿轮具有同时实现所需额定容量并降低噪声和振动的更好特性。
一些类型的此类带有螺旋齿的行星齿轮传动单元是已知的。但它们还是存在问题，并且还能进行相当大的优化。
在设计行星齿轮传动单元时，必须对将要用于环形齿轮、太阳齿轮以及行星齿轮的轮齿螺旋角和尺寸作出选择，从而能采取需要的负载并获得正确的齿轮比。
为了能够承受更大的负载，扩大整个齿轮传动单元的尺寸是可能的，但这当然会极大地受到经济和逻辑限制。
只有所有可能因素的适当组合才可能形成至少较之现有行星齿轮传动单元能承受更大负载而又具有相对较小尺寸的齿轮传动单元。
例如，对用于支承行星齿轮传动单元中的行星齿轮的轴承而言，选择此类具有更大径向尺寸的行星轴承时存在诸多限制，其原因是这些行星齿轮的齿圈必须具有特定厚度，以防止行星齿轮的齿与行星轴承的外轴承环之间的负作用，或者仅为了承受负载或者确保轴承的特定最短寿命。
沿着轴向，所需的齿轮容量赋予齿轮宽度的最小值，而且还需要足够的齿轮宽度以能够通过轴承在行星齿轮上获得扭矩，或者为行星齿轮实现适当的轴向和径向轴承支撑。由于带有螺旋齿的齿轮倾斜而彼此轴向远离，从而，轮齿的螺旋角对行星轴承产生影响。齿的螺旋角越大，齿间轴向力就会越大。行星齿轮传动单元具有在环形齿轮与行星齿轮之间以及行星齿轮与太阳齿轮之间齿轮轴向移开的趋势。
行星齿轮相对于环形齿轮受到的轴向力与太阳齿轮施加在行星齿轮上的轴向力相反。这些轴向力因此而相互抵消，从而，在行星轴和行星轴承上不存在净轴向力，这就不对行星轴承产生影响。
使得行星齿轮传动单元承受大负载的已知解决方案是将柔性销轴(flexpin shaft)用作行星轴。此类柔性销轴例如从GB1,101,131获知。
图1示出了柔性销轴的原理。图1示出了通过轴承3安装在柔性销轴2上的行星齿轮1。对行星齿轮1施加作用力F在柔性销轴2一侧上形成力矩A，并在柔性销轴2另一侧上形成力矩B，且力矩A和B反向。这导致了如图1的右侧所示的柔性销轴2的角度变形。柔性销轴2两侧上的角度变形应相等。
但此类柔性销轴不适于与具有螺旋齿的齿轮组合使用。这是由于在螺旋齿的情况下，分别将上述相反轴向力(参见图2中具有附图标记6的箭头)施加给环形齿轮和太阳齿轮。因此，每个行星齿轮受到必须由行星轴承处理的倾斜力矩。从而，当在行星齿轮传动单元中使用螺旋齿时，分别由环形齿轮和太阳齿轮啮合点内的法向齿力的轴向分量来产生力矩。这使得行星齿轮1歪斜。利用柔性销设计，行星轴组件没有传统设计那么硬，因而会产生更大的行星倾斜。可通过使得柔性销轴2各向异性直到硬度消失为止来解决此问题。这在图3中示出，其中，柔性销轴2被设计成具有比部分5硬度更低的部分4。这样，仍然能实现切向方向上的柔性，而且柔性销轴在垂直于切向方向的平面内尽可能地坚硬。由此，柔性销与螺旋齿组合使用成为可能。
但上述解决方案复杂，从而增加了成本以及包括此类柔性销设计的行星齿轮传动单元的制造时间。
因此，需要设计一种行星齿轮传动单元，其中，行星齿轮具有螺旋齿，而且能承受大的负载。
发明内容
本发明实施例的目的是提供能承受大负载的行星齿轮传动单元、包括此类行星齿轮传动单元的变速箱以及包括此类变速箱的风力涡轮机。
通过根据本发明实施例的设备实现以上目的。
本发明的第一方面提供了一种行星齿轮传动单元。所述行星齿轮传动单元包括环形齿轮、太阳齿轮以及行星架，行星架驱动多个行星轴，行星齿轮通过行星轴承以能转动的方式安装在行星轴上，其中，行星轴为柔性销轴，柔性销轴也称为柔性销，每个柔性销轴包括一对行星齿轮，所述一对行星齿轮中的每个行星齿轮是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮中的另一个行星齿轮的螺旋角相反的螺旋角，其也可称为人字型(chevron)齿。
本发明的发明方面基于这样的事实：本发明允许在行星齿轮传动单元中使用具有单螺旋齿的齿轮，这相对于使用直齿是有利的，同时，确保该行星齿轮传动单元能承受大的负载。在根据本发明实施例的行星齿轮传动单元中，行星齿轮的负载分布最优，而且在齿轮的齿上迅速移动。
此外，根据本发明实施例的行星齿轮传动单元易于安装。
另外，对根据本发明实施例的行星齿轮传动单元的设计而言，可使用传统的各向同性柔性销轴。
根据本发明的实施例，行星轴承可以是双列锥形滚子轴承。
每个双列锥形滚子轴承的最外轴承环可被集成(integrate)在相关的行星齿轮中。
根据本发明的具体实施例，每个双列锥形滚子轴承中的锥形滚子轴承列可被布置成O形构造。
根据本发明的又一实施例，行星轴承可以是双列圆柱滚子轴承。
每个双列圆柱滚子轴承的最外轴承环可被集成在相关的行星齿轮中。
根据本发明的实施例，环形齿轮可以是整体式。
根据本发明的实施例，太阳齿轮可以是整体式。
第二方面，本发明提供了一种包括至少一个行星齿轮传动单元的变速箱，所述至少一个行星齿轮传动单元包括环形齿轮、太阳齿轮以及行星架，行星架驱动多个行星轴，行星齿轮通过行星轴承以能转动的方式安装在行星轴上，其中，行星轴为柔性销轴，柔性销轴也称为柔性销，每个柔性销轴包括一对行星齿轮，所述一对行星齿轮中的每个行星齿轮是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮中的另一个行星齿轮的螺旋角相反的螺旋角。
可根据本发明第一方面的任意实施例来实现变速箱中的行星齿轮传动单元。
另一方面，本发明提供了一种包括根据本发明实施例的变速箱的风力涡轮机。在本发明的此方面中，也可根据本发明第一方面的任意实施例来实现变速箱中的行星齿轮传动单元。
通过下面结合例如示出了本发明原理的附图对本发明的详细说明，本发明的前述及其他特点、特征以及优点将变得显而易见。此说明书只出于举例目的给出，而非限制本发明的范围。以下引用的附图标记参见附图。
附图说明
不同图中相同的附图标记表示相同或类似元件。
图1至图3示出了现有技术已知的柔性销轴的使用原理。
图4示出了根据本发明实施例的行星齿轮传动单元的原理。
图5示意性地示出了根据本发明实施例的行星齿轮传动单元。
图6示出了根据本发明实施例的变速箱。
具体实施方式
参照具体实施例并参照特定非限制性附图来描述本发明。必须理解的是本发明并不限于此，而只由权利要求限定。出于说明性目的，可放大附图中一些元件的尺寸，而不按比例描绘。
不应以任何方式将术语比如“包括”和“联接”解释为限制本发明。不应将权利要求中使用的术语“包括”解释为局限于其后列举的装置；其不排除其它元件或者步骤。类似地，应注意不应将同时在权利要求中使用的术语“联接”解释为只局限于直接连接。
尽管此处描述的一些实施例包括一些但非其它实施例中包括的其它特征，但是，如本领域的技术人员会理解的，不同实施例的特征组合意味着属于本发明的范围，并形成不同实施例。例如，在所附权利要求中，任意所述的实施例能以任意组合使用。
下面通过不同的实施例来描述本发明。必须理解的是，这些实施例只是为了便于理解本发明，而并非用来以任何方式限制本发明。
本发明提供了包括具有螺旋齿的行星齿轮并能承受大负载的行星齿轮传动单元、包括此类行星齿轮传动单元的变速箱以及包括此类变速箱的风力涡轮机。
第一方面，本发明提供了一种行星齿轮传动单元。所述行星齿轮传动单元包括环形齿轮、太阳齿轮以及行星架，行星架驱动多个行星轴，行星齿轮通过轴承以能转动的方式安装在行星轴上。行星轴为柔性销轴，柔性销轴也可称作柔性销，每个柔性销轴包括一对行星齿轮，所述一对行星齿轮中的每个行星齿轮是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮中的另一个行星齿轮的螺旋角相反的螺旋角。
图4示出了根据本发明实施例的行星齿轮传动单元10的一部分。一对行星齿轮11通过轴承13安装在柔性销轴12上。从而，将一对行星齿轮11安装到同一柔性销轴12上，并将该对行星齿轮定位为彼此直接靠近。“彼此直接靠近”是指根据本发明的柔性销轴12没有其他部件位于两行星齿轮11之间，比如在现有技术设计的情况(例如WO2005/050058)中的用于驱动行星轴的装置，(如支承板和转向板(bogieplate))。每个行星齿轮11具有螺旋齿(通过线14所示)。如从图中所见，一对齿轮11的齿轮具有螺旋齿，所述螺旋齿具有相反的螺旋角。也可将其称为人字型齿。
如上所述，具有螺旋齿的齿轮使得将轴向力作用于环形齿轮和太阳齿轮上，并使得行星齿轮受到倾斜力矩。根据本发明的实施例，一对行星齿轮11中的行星齿轮11的螺旋齿的相反角使得轴向产生的齿力消失(分别由附图标记15和16表示的轴向力)。唯一的合力为力F，该力产生如上所述并在图1中示出的柔性销轴12的角度变形。由于此角度变形，当行星齿轮传动单元10承受负载时，轴承13在与行星齿轮传动单元10其他部件平行且不成角度的方向上移动。
本发明的发明方面基于这样的事实：本发明允许在行星齿轮传动单元10中使用具有单螺旋齿的齿轮，这相对于使用直齿是有利的，同时，确保该行星齿轮传动单元10能承受大的负载。
在根据本发明实施例的行星齿轮传动单元10中，行星齿轮11上的负载分布最优，而且在齿轮的齿上迅速移动。
此外，对根据本发明实施例的行星齿轮传动单元10的设计而言，可使用传统的各向同性柔性销轴。由此，根据本发明实施例具有所述柔性销/行星齿轮组合的行星齿轮传动单元10不对行星齿轮单元10的设计增添附加复杂性，且因此也不需要额外的实施费用。
本发明实施例的另一优点是使得行星齿轮传动单元更紧凑。由于行星齿轮能彼此靠近，因此，它们能被制造得比传统设计更小。由于本发明设计，能实现此紧凑构造，而不存在由柔性销轴与具有螺旋齿的齿轮的组合使用造成的不利影响。此外，由于螺旋齿，能比使用直齿时获得高得多的工作能力(rating)。从而，根据本发明实施例的设计综合了螺旋齿(工作能力)和更小行星齿轮的优点，而且不会受到因组合使用具有螺旋齿的齿轮和柔性销轴而产生的不利影响。
根据本发明实施例的行星齿轮传动单元10易于安装。例如，首先，将所述一对行星齿轮11中的第一行星齿轮11安装在柔性销12上，然后安装环形齿轮，并在下一步骤中将所述一对行星齿轮11中的第二行星齿轮11安装到柔性销12上。例如能通过位于行星齿轮传动单元10一侧的套环以及位于行星齿轮传动单元10另一侧的轴螺母来锁固上述对行星齿轮11。因此，根据本发明实施例的设计使得行星齿轮传动单元10中的环形齿轮和太阳齿轮具有成本很低的单一形式。
根据本发明的实施例，行星轴承13可以是双列锥形滚子轴承。在某些实施例中，每个双列锥形滚子轴承的最外轴承环可被集成在相关的行星齿轮11中。例如每个双列锥形滚子轴承的锥形滚子轴承列可被布置成O形构造。
根据本发明的又一实施例，行星轴承可以是双列圆柱滚子轴承。根据某些实施例中，每个双列圆柱滚子轴承的最外轴承环可被集成在相关的行星齿轮中。
根据本发明的实施例，根据本发明每个柔性销轴12上的每个行星轴的行星轴承13的内环可直接相互接触或者经由一个或多个隔套(spacer bush)相互接触。
图5示出了根据本发明实施例的行星齿轮传动单元10的可能实施方案。必须理解的是，其只是为了便于说明，而不是用来以任何方式限制本发明。图5中所示的行星齿轮传动单元10包括通过行星轴承13安装在柔性销轴12上的一对行星轴11。所述一对行星齿轮11中的每个行星齿轮11是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮中的另一个行星齿轮11的螺旋角相反的螺旋角，也称为人字型齿。
在给出的示例中，行星轴承13可以是双列锥形滚子轴承。更具体而言，根据本示例，锥形滚子轴承可具有集成外环，即，每个锥形滚子轴承的最外轴承环可被集成到相关行星齿轮11中。根据本示例，每个行星齿轮11的锥形滚子轴承辊可被布置成所称的O形构造。
在图5给出的示例中，可通过位于行星齿轮传动单元10一侧的套环17以及位于行星齿轮传动单元10另一侧的轴螺母18来锁固行星齿轮11及其轴承13。
第二方面，本发明提供了一种包括至少一个行星齿轮传动单元10的变速箱20。这在图6中示出。行星齿轮传动单元10包括环形齿轮17、太阳齿轮18以及行星架19，行星架19驱动多个行星轴12，行星齿轮11通过行星轴承13以能转动的方式安装在行星轴12上。行星轴12为柔性销12，每个柔性销12包括一对行星齿轮11，所述一对行星齿轮中的每个行星齿轮11是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮中的另一个行星齿轮中的螺旋角相反的螺旋角。其也可称为人字型齿。也可如本发明第一方面的以上实施例所述来实现齿轮传动单元10。因此，根据本发明实施例的设计使得行星齿轮传动单元10中的环形齿轮17和太阳齿轮18具有成本很低的单一形式。
根据又一方面，本发明提供了一种包括根据本发明实施例的变速箱20的风力涡轮机。变速箱20可包括根据本发明第一方面的上述任意实施例的行星齿轮传动单元10。

Claims (12)

1.一种行星齿轮传动单元(10)，包括环形齿轮(17)、太阳齿轮(18)以及行星架(19)，所述行星架(19)驱动多个行星轴(12)，行星齿轮(11)通过行星轴承(13)以能转动的方式安装到所述多个行星轴(12)上， 
其特征在于，所述行星轴为柔性销轴(12)，每个柔性销轴(12)包括一对行星齿轮(11)，所述一对行星齿轮(11)中的每个行星齿轮(11)是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮(11)中的另一个行星齿轮(11)的螺旋角相反的螺旋角，并且 
所述一对行星齿轮(11)安装到同一柔性销轴(12)上并将所述一对行星齿轮(11)定位为彼此直接靠近，并且所述行星架(19)直接驱动多个行星轴(12)。 
2.根据权利要求1所述的行星齿轮传动单元(10)，其中所述行星轴承(13)为双列锥形滚子轴承。 
3.根据权利要求2所述的行星齿轮传动单元(10)，其中每个双列锥形滚子轴承(13)的最外轴承环被集成在相关的行星齿轮(11)中。 
4.根据权利要求2所述的行星齿轮传动单元(10)，其中每个双列锥形滚子轴承(13)中的锥形滚子轴承列被布置成O形构造。 
5.根据权利要求3所述的行星齿轮传动单元(10)，其中每个双列锥形滚子轴承(13)中的锥形滚子轴承列被布置成O形构造。 
6.根据权利要求1所述的行星齿轮传动单元(10)，其中所述行星轴承(13)为双列圆柱滚子轴承。 
7.根据权利要求6所述的行星齿轮传动单元(10)，其中每个双列圆柱滚子轴承(13)的最外轴承环被集成在相关的行星齿轮(11)中。 
8.根据前述权利要求中的任一项所述的行星齿轮传动单元(10)，其中所述环形齿轮(17)是整体式。 
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的行星齿轮传动单元(10)，其中所述太阳齿轮(18)是整体式。 
10.根据权利要求8所述的行星齿轮传动单元(10)，其中所述太阳齿轮(18)是整体式。 
11.一种变速箱(20)，包括至少一个行星齿轮传动单元(10)，所述至少一个行星齿轮传动单元(10)包括环形齿轮(17)、太阳齿轮(18)以及行星架(19)，所述行星架(19)驱动多个行星轴(12)，行星齿轮(11)通过行星轴承(13)以能转动的方式安装到所述多个行星轴(12)上， 
其特征在于，所述行星轴为柔性销轴(12)，每个柔性销轴(12)包括一对行星齿轮(11)，所述一对行星齿轮(11)中的每个行星齿轮(11)是单螺旋型，并具有与所述一对行星齿轮(11)中的另一个行星齿轮(11)的螺旋角相反的螺旋角，并且 
所述一对行星齿轮(11)安装到同一柔性销轴(12)上并将所述一对行星齿轮(11)定位为彼此直接靠近，并且所述行星架(19)直接驱动多个行星轴(12)。 
12.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据权利要求11所述的变速箱(20)。 
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