CN102405362B - 具有设在空心轴上的齿轮的齿轮传动机构及风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有至少一个齿轮级(1)的齿轮传动机构，其中，至少其中一个齿轮(2a；2b)以同轴方式固定在空心轴(3)上，所述空心轴通过至少两个轴承(4a、4b)可转动地支承在传动机构壳体(5)中。径向外部的级凸肩(8)作为径向内部贴靠所述级凸肩的带状齿轮(2a)的底座成形在所述空心轴(3)上。

Description

具有设在空心轴上的齿轮的齿轮传动机构及风力发电设备
本发明涉及一种具有至少一个齿轮级的齿轮传动机构，其中，至少其中一个齿轮以同轴方式固定在空心轴上，所述空心轴通过至少两个轴承可转动地支承在传动机构壳体中。本发明还涉及一种风力发电设备，其包括这种齿轮传动机构。
本发明的优选应用领域是风力发电设备技术领域。尤其是在功率更高也就是从大约1.5兆瓦起的风力发电设备中，通常会应用相当大型的齿轮传动机构，以便将通过风驱动的转子的低转速转化为高转速，从而利用适当的更高转速来驱动电动发电机来生成电能。另外与此处所述类型相关的齿轮传动机构也可以应用于其他技术领域，比如船舶技术、汽车技术等，只要其涉及到前述特定高功率级的优选大的传动机构。
根据DE 34 23 993 A1已知一种与此处所述类型相关的具有多个齿轮级的大传动机构。该齿轮传动机构被设计为具有功率分流的多路传动机构，并且包括可调节的小齿轮系统用于将功率分配至多个功率支路，该功率支路按照行星齿轮传动机构类型设置在另一负荷分配装置的上游，从而两个或者多个同轴设置的小齿轮可以规定限定的功率分配。视小齿轮的数量而定增加功率支路的数量。由此形成功率密度较高的特别紧凑的传动机构。这种设计原则要求使用空心轴，在此其他轴通过空心轴的内部通道导向移动。空心轴径向外部设有齿轮，以便借助于圆柱齿轮级传递功率流。然而这种齿轮在此始终是小齿轮。
根据DE 27 39 596 A1已知另一齿轮传动机构，其中，在空心轴上不设置小齿轮，而是设置与此啮合的较大齿轮。具体而言，两个与齿轮传动机构的输出轴连接的大齿轮设置在彼此对齐且各自分开地支承在传动机构壳体中的空心轴上。这两个同轴空心轴的彼此面对的端部通过齿轮联轴器与输出轴连接。各个空心轴利用两个各自设置在端侧的轴承可转动地支承在阀壳体中。各个空心轴的管直径原则上保持相等，并且各自所属的大齿轮具有数倍于轴直径的齿直径。通过这种几何比例形成相当巨大的齿轮，这些齿轮由高级齿轮材料制成，从而在工作期间可以经受负荷。与此相对，所属空心轴通常由调质钢制成。
这种巨大的齿轮的缺点在于，所配备的齿轮传动机构总重量相当大。此外由高级钢例如调质钢制成的空心轴的缺点在于，由于相应热处理造成材料成本高而且导致随后的加工成本也提高。
因而本发明的任务在于，尽可能改进这种类型的齿轮传动机构以实现简化制造和节约材料的目的。
该任务从根据权利要求1前序部分的齿轮传动机构出发结合其特征性特征来解决。以下涉及的从属权利要求说明本发明的有利改进方式。
本发明包含的技术教导在于，径向外部的级凸肩作为径向内部贴靠所述级凸肩的带状齿轮的底座成形在所述空心轴上。通过级凸肩的凸肩高度可以改变带状齿轮的厚度。为了实现尽可能大量节约材料，级凸肩的凸肩高度应该尽可能高，优选大于空心轴的平均管厚度。
本发明解决方案的优点在于，与专门的空心轴配套的齿轮仅需要被设计成带状，也就是相当薄壁的环的形状，从而可以节约使用为此所需的高强度的钢材料。本发明解决方案除了实现节约材料进而减轻重量之外还可以提供用于空心轴和齿轮的不同材料的与现有技术相比成本较低的新的组合。研究结果表明，本发明解决方案在将调质钢和热处理重量减轻了超过35％的同时还将总构件重量减轻了超过10％。如果应用热压配合工艺来固定带状齿轮，那么要加热的带状齿轮的所缩小的容积和重量尤其关于工艺可靠性产生有利影响。
所述带状齿轮优选通过轴毂连接固定在所述空心轴上。在此传力连接和形状配合连接都是可以想象的。如果例如齿轮传力连接地通过热压配合固定在空心轴上，那么可以规定附加的形状配合连接的固定以避免力矩较大时出现相对运动。这种形状配合连接的固定可以通过花键轴截形或者在最简单情况下通过至少一个棱键实现。
本发明建议，所述空心轴优选由铸造材料制成。尤其适当的是球墨铸铁，例如GGG40.3。球墨铸铁是带球墨的铸铁，其中，球形石墨相存在于基体组织中。由于石墨的球形结构，材料具有相当高的抗拉强度、伸展性和冲击韧度。
另选的是，所述空心轴也可以由调质钢，例如C45或者高级优质钢锻造制成。作为锻造技术可以使用模锻。在模锻中可以按照标准获得关于尺寸的所要求的精度。与球墨铸铁相比，这种材料基于其较高的抗拉强度和较高的韧度也许允许降低空心轴的材料厚度。
根据本发明一个改进措施建议，空心轴的内壁在带状环绕它的其中一个齿轮的区域中具有环形缺口。
通过该措施应用由于齿轮放置在空心轴上而自身生成的材料积聚，以使材料从空心轴内环开始朝向径向向外方向凹入，由此减轻重量。在此出现重量减轻位置处又不会对圆柱齿轮级的强度特性产生负面影响。原则上，本发明解决方案给空心轴规定强度最佳的轮廓，从而所述空心轴可以由比之调质钢简单的多的材料制成。
按照最佳方式，所述空心轴内壁中的缺口应具有与所述空心轴的负荷相配合的关于所述空心轴的纵剖面轮廓，所述负荷由于所述齿轮的齿啮合造成。强度研究结果表明，这种适当的剖面轮廓优选是不对称的。通常在齿轮的齿啮合以及空心轴端部之间延伸的功率流在从空心轴径向外部朝向齿轮方向的过渡区域中关于齿轮平面是不对称的。所述缺口的与此相配合的不对称的纵剖面轮廓能够在不影响强度特性情况下最大化地节约材料。在此纵剖面轮廓可以由面积和半径大小不同的排列构成。尤其是直线内壁和缺口之间的过渡部的斜率对前述特性产生影响。优选可以在缺口的扭矩输入端的壁上设计尽可能钝的角度、设计成钝角设置的壁、钝角的过渡部或者说圆角的过渡部。出于强度考虑有利的是，缺口的壁在假象延长部中通向齿轮的远离空心轴的扭矩输入端的棱边。在缺口的这种构造方式中也要注意遵守所应用的铸造材料的允许的动态应力极限值。
凸肩高度越高，环形缺口就可以越深地进入空心轴的内壁，而不不低于所需的最小壁厚。当然在此带状齿轮的要遵守的最小厚度形成了构造限制。如果低于最小厚度会导致齿轮断裂。缺口的深度例如可以大约相当于空心轴的平均管厚度，更大或者更小的深度也是可以想到的。
附图说明
在从属权利要求中给出或者以下依据本发明优选实施例的说明并结合附图进一步说明本发明的其他改进措施。图中：
图1以象征性视图示出齿轮传动机构的被设计成圆柱齿轮级的齿轮级；以及
图2以局剖图示出固定在根据图1的齿轮传动机构的空心轴上的齿轮。
根据图1(此处未详尽示出的)齿轮传动机构具有齿轮级1，该齿轮级1由两个齿轮2a和2b组成。这两个齿轮2a和2b被设计成斜齿的圆柱齿轮。齿轮2a以同轴方式固定在空心轴3上，空心轴3在齿轮2a的两侧通过两个轴承4a和4b以可相对于传动机构壳体5转动的方式支承。这两个轴承4a和4b被设计为滚动轴承。
根据图2在空心轴3的内壁6上在一区域中设置环形缺口7，在该区域中空心轴3在外侧由齿轮2a包围，该环形缺口7是具有明显不对称的纵剖面轮廓的材料凹部。
缺口7的纵剖面轮廓与空心轴3的负荷相配合，固定在空心轴3上的齿轮2a的齿啮合和要传递的扭矩造成这种负荷。
为了将齿轮2a尽可能构造成带状，也就是薄壁状，齿轮2a位于空心轴3的径向外部的级凸肩8上。在此级凸肩8的凸肩高度rR大约双倍于空心轴3的平均管厚度sR，从而为了实现节约材料的目的可以在形成足够深的环形缺口7的同时构造尽可能薄壁的齿轮2a。
在该实施例中，空心轴3由球墨铸铁材料制成，与此同时带状齿轮2a由渗碳钢制成。为获得显著的节约材料效果，齿轮2a的齿部直径dZ与所属空心轴3的轴直径dw之间的比例至少构成一个≥1.5的系数。
另选的是也可以在使用模锻技术情况下用调质钢例如C45制造空心轴。与球墨铸铁材料相比这种钢的抗拉强度更高，从而也许能降低空心轴的材料厚度。缺口7也许可以更深，或者级凸肩8可以具有轴向开口或者具有纵剖面呈凹形的轮廓。
本发明不局限于前述优选实施例。相反包括在以下权利要求保护范围内的在变型方式也是可以想到的。例如也可以想到，在斜齿齿轮的位置处在按照本发明构造的齿轮级的范围内应用其他齿轮，这些齿轮定位在至少一个所属空心轴上与在空心轴方面的环形缺口结合实施本发明功能。然而在此要注意，环形缺口的纵剖面轮廓配合于相应齿轮类型以及齿轮啮合几何形状。在本发明范围内环形缺口也可以被设计为环形段。
附图标记列表
1齿轮级
2齿轮
3空心轴
4轴承
5传动机构壳体
6内壁
7缺口
8级凸肩
rH高度
sR管厚度
dZ齿部直径
dw轴直径

Claims (17)

1.具有至少一个齿轮级（1）的齿轮传动机构，其中，至少其中一个齿轮（2a；2b）以同轴方式固定在空心轴（3）上，所述空心轴通过至少两个轴承（4a、4b）可转动地支承在传动机构壳体（5）中，其特征在于，径向外部的级凸肩（8）作为径向内部贴靠所述级凸肩的带状齿轮（2a）的底座成形在所述空心轴（3）上，其中所述空心轴（3）的内壁（6）在带状环绕的齿轮（2a）的区域中具有环形或者说环段形缺口（7），并且所述缺口（7）具有与所述空心轴（3）的负荷相匹配的纵剖面轮廓，所述负荷由于所述齿轮（2a）的齿啮合造成，其中所述缺口（7）的所述纵剖面轮廓是不对称的，其中不对称的所述缺口（7）包括其两侧壁在内均处于单个齿环带的下方，其中所述缺口（7）构造为所述空心轴（3）的位于所述级凸肩（8）的下方的内侧面的材料凹部。
2.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述级凸肩（8）的凸肩高度（rH）大于所述空心轴（3）的平均管厚度（sR）。
3.根据权利要求1或2所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）原型技术上由铸造材料制成。
4.根据权利要求3所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）由球墨铸铁材料制成。
5.根据权利要求4所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）由GGG40.3制成。
6.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）通过变形加工方法制成。
7.根据权利要求6所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）通过锻造制成。
8.根据权利要求7所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）通过模锻制成。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）由调质钢制成。
10.根据权利要求9所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）由C45钢制成。
11.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述齿轮（2a）由渗碳钢制成。
12.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述带状齿轮（2a）通过轴毂连接固定在所述空心轴（3）上。
13.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述齿轮（2a）的齿部直径（dZ）与所属空心轴（3）的轴直径（dw）的比例大于1.5。
14.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述齿轮级（1）由齿轮（2a、2b）组成，所述齿轮被设计为斜齿的圆柱齿轮。
15.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述齿轮级（1）关于所述齿轮（2a、2b）的尺寸以及各个所属的空心轴是针对从1千瓦起的更高功率而设计的。
16.根据权利要求10所述的齿轮传动机构，
其特征在于，所述空心轴（3）由作为C45的高级优质钢制成。
17.用于生成电能的风力发电设备，其中，根据前述权利要求之一所述的齿轮传动机构将风驱动的转子的低转速转化为适合于电动发电机的高转速。
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