CN102422052B - 具有部分一体式柔性销组件的行星齿轮系统 - Google Patents

具有部分一体式柔性销组件的行星齿轮系统 Download PDF

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Abstract

一种行星齿轮系统(A)，包括太阳齿轮(2)、围绕太阳齿轮设置的环形齿轮(4)、以及设置在太阳齿轮(2)与环形齿轮(4)之间的行星齿轮(6)。行星齿轮(6)在包括柔性销(20)和套管(22)的承载架(8)上旋转，其中柔性销(20)从承载架(8)的壁(12)悬臂地突出，套管(22)附接至柔性销(20)的远端部并且在柔性销(20)之上向后延伸以形成双悬臂。轴承(24)将行星齿轮(6)支承在套管(22)上，以使行星齿轮(6)绕柔性销(20)旋转。双悬臂使柔性销(20)能够弯曲，以使行星齿轮(6)的轴线(Y)与太阳齿轮(2)和环形齿轮(4)的共同轴线(X)保持平行。每个套管(22)均具有一体式轴承座圈(44)和承载分离的轴承座圈(60)的轴承座(42)。套管(22)易于从其柔性销(20)拆除并且分离的座圈(60)易于从套管(22)移除以拆卸轴承(24)和移除行星齿轮(6)。

Description

具有部分一体式柔性销组件的行星齿轮系统
相关申请的交叉引用
本申请从2009年4月23日提交的美国临时申请61/171,972取得优先权并且要求其权益，该临时申请通过参引的方式并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及行星齿轮系统，更具体地涉及其中行星齿轮绕柔性销旋转的行星齿轮系统、以及用于这种系统的柔性销组件。
背景技术
通常的行星齿轮系统具有太阳齿轮、围绕太阳齿轮的环形齿轮、以及位于太阳齿轮与环形齿轮之间且与太阳齿轮和环形齿轮啮合的若干(常常为三个)行星齿轮，并且另外，行星齿轮系统具有承载架，该承载架联接至行星齿轮以确立行星齿轮绕其旋转的轴线。如此构造的齿轮系统将通过系统传递的扭矩分解到数量等于行星齿轮的数量的载荷路径中。这减小了在每个啮合处的力并且使系统能够以较紧凑的构型传递较大量的动力。换言之，其提供了较高的动力密度。
环形齿轮通常保持固定，从而使承载架和太阳齿轮旋转。在这种布置中，动力可以被施加在承载架的一端上并且以不同的速度和扭矩通过太阳齿轮传送。这适用于在利用风能并将风能转化为电力的风力涡轮机中的传输。
许多行星齿轮系统利用跨式承载架，其中行星齿轮在两个壁之间在销上旋转，这些销在壁之间延伸，每个销均在其两个端部处固定在壁上。当扭矩在端壁中的一个处被施加至承载架时，承载架将拧曲并且使每个销的一个端部前行到另一端部的前面。这使行星齿轮相对于太阳齿轮和环形齿轮歪斜并且扰乱在行星齿轮和太阳齿轮及环形齿轮之间的啮合。
行星齿轮系统——其中行星齿轮被支承在所谓的“柔性销”上且绕该“柔性销”旋转——有助于减轻行星齿轮周围的不均衡的载荷分布以及齿轮的歪斜。就此而言，用于行星齿轮的柔性销在一个端部处附接至承载架的单个壁且从该单个壁悬臂地伸出，该柔性销是该承载架的一部分。柔性销的另一端部具有牢固地装配在其上的套管，其中套管在柔性销之上向后延伸并且另外与柔性销径向地间隔开。套管形成轴承的一部分或者承载轴承，该轴承支承行星齿轮中的一个。在承载架壁处，柔性销相对于系统的中心主轴线沿一个方向周向地弯曲，并且在其相对的端部处沿另一方向同样周向地弯曲，以使套管轴线与主轴线保持平行。换言之，柔性销技术采用双悬臂以使载荷分布均衡并且抵消否则可能产生的歪斜。
每个柔性销、其套管、间或地围绕套管的行星齿轮、以及位于套管与行星齿轮之间的轴承形成柔性销组件。通常，轴承是双排减摩轴承。用于轴承的外滚道可以与行星齿轮成一体。内滚道可以与套管成一体以提供一体式柔性销组件。在此，与包括套管和分离的内座圈的横截面不同，横截面仅具有套管并且略小。但是，轴承具有初始分离的凸缘环以有利于组装。一旦组装好，就将该环焊接至套管，并且该环的轴向位置决定了轴承的设定位置。参见US 7,056,259和US 6,994,651。一体式柔性销提供了用于滚动元件的更多空间，以使更大直径的滚动元件能够被采用，并且这增大了轴承容量。而且，一体式柔性销通常与具有与行星齿轮成一体的外轴承座圈的行星齿轮一起操作。这增大了在位于行星齿轮上的齿的根部与外滚道之间的径向截面(更大的轮缘厚度)。此外，一体式柔性销具有更少的部件，由此简化了设计并使其更易于制造。
使用具有凹槽——该凹槽与位于套管上的焊接的凸缘环联接以实现辊保持和轴承调整——的销也导致了很短的柔性销组件，这在某些情况下能够导致齿轮箱长度的减小并且由此减小总重量及成本。参见US 6,994,651。
但是，具有其焊接的凸缘环的完全一体式柔性销不易于维护。实际上，为了替换行星齿轮或轴承部件，组件的柔性销必须与承载架的其余部分通常为柔性销以过盈配合的方式固定到其中的承载架壁分离。风力涡轮机进行操作的高度加剧了该问题。
附图说明
在形成说明书的一部分的附图中：
图1是根据本发明构造且实施本发明的行星齿轮系统的局部切除的截面及立体图；
图2是沿图1的线2-2截取的行星齿轮的截面图；
图3是用于行星齿轮系统的柔性销组件中的一个的分解立体图；
图4是图3的柔性销组件的局部截面图；
图5是图3和图4的柔性销组件的变型的局部截面图；
图6是一可选的柔性销组件的局部截面图；以及
图7是另一可选的柔性销组件的局部截面图。
具体实施方式
现在参照附图，绕中心轴线X组成的行星齿轮系统A(图1)包括太阳齿轮2、环形齿轮4、以及位于太阳齿轮2与环形齿轮4之间且与太阳齿轮2和环形齿轮4啮合的行星齿轮6。另外，齿轮系统A包括承载架8，该承载架8确立了行星齿轮6绕其旋转的偏移轴线Y，并且这些轴线Y应当设置为与中心轴线X平行。太阳齿轮2或环形齿轮4或承载架8中的任一个抵抗旋转而保持固定，而另外两个旋转，扭矩被施加至一个且从另一个送出。所示的齿轮系统A能够用作加速器，在该情况下，扭矩被施加至承载架8且从太阳齿轮2送出，而环形齿轮4保持固定。其特别适于使用在风力涡轮机中并且位于风力涡轮机的风力驱动转子与发电机之间。为此目的，承载架8具有扭矩施加到其上的呈壁12的形式的端部构件，而太阳齿轮2具有联接至该端部构件的输出轴14。
除了壁12，承载架8具有柔性销20(图2和图3)，该柔性销20从端壁12伸出并且实际上从端壁12悬臂地突出，每个行星齿轮6具有一个柔性销20。每个柔性销20均在其远离承载架壁12的端部处装配有套管22(图2-图4)，该套管22朝向承载架壁12在柔性销20之上向后延伸，而且除了在套管22的远端部处外与柔性销20径向地间隔开，套管22在该远端部处绕柔性销20牢固且紧固地装配。实际上，套管22从柔性销20的远端部悬臂地突出——可以说生成双悬臂。套管22支承轴承24(图2)，而轴承24又支承行星齿轮6中的一个。柔性销20、柔性销20支承的套管22、以及使齿轮6能够在套管22上旋转的轴承24——或轴承24的至少一部分、包括或不包括行星齿轮6构成了柔性销组件26。
由柔性销20和在柔性销20之上向后延伸的套管22所形成的双悬臂使行星齿轮6绕其旋转的偏移轴线Y能够与中心轴线X保持平行。这又确保了在行星齿轮6与太阳齿轮2及环形齿轮4之间的良好啮合。更具体地，当扭矩被施加至承载架壁12时，每个柔性销20通常在壁12附近沿由若干轴线Y所限定的节圆周向地偏转，以使柔性销20的远端部牵引锚定在壁12中的端部。但是，销20在其远端部具有足够的柔性以沿相反的方向周向地弯曲，从而使套管22能够与中心轴线X保持平行。这与跨式承载架形成对比，其中跨式承载架具有两个壁，每个销在其两端固定在两个壁中。这种类型的承载架在通过其传递的扭矩的作用下变形，并且销相对于齿轮系统的中心轴线歪斜。
用于每个行星齿轮6的柔性销20具有(图2和3)基部30和头部32，其中柔性销20在基部30处装配至到承载架8的壁12上，套管22在头部32处装配到柔性销20上。柔性销20在基部30与头部32之间具有柄部34。柄部34的直径可以大于头部32的直径，并且二者在接界部比如肩部36处并合。套管22在柄部34之上延伸，而且与柄部34径向地间隔开。为了增强柔性销20的柔性，其柄部34可以在肩部36附近包括凹槽38。
柔性销20在其基部30处以若干方式中的任一种附接至承载架壁12。就此而言，基部30可以具有圆筒形外表面(图2)，而与每个行星齿轮6相对的壁12具有圆筒形钻孔，该钻孔的直径至少在初始略小于表面的直径。基部30被压入到钻孔内，以使其圆筒形表面与钻孔表面之间存在过盈配合。可选地，如在US 7,056,259中，基部30可以具有锥形表面和该表面之外的螺纹部，该螺纹部伸出超过承载架壁12，该螺纹部在承载架壁12处与螺母啮合，US 7,056,259通过参引的方式并入本文。此外，如在WO 2007/016336中，基部30可以具有凸缘，该凸缘通过有头螺钉固定至承载架壁12，WO2007/016336同样通过参引的方式并入本文。
套管22在柔性销20之上延伸并且被支承在柔性销20的头部32上。在此，套管22设有安装部分40，该安装部分40以过盈配合的方式装配在头部32上并且抵接肩部36。安装部分40具有(图2和3)远离柔性销20的轴线Y向外设置的圆筒形轴承座42。套管22的其余部分采用一体式内座圈44的形式，该一体式内座圈44在柄部34之上延伸、而且与柄部34向外地间隔开并且未到达承载架壁12便终止。安装部分40和一体式座圈44通常在套管22的端部之间的中间位置并合，并且套管22在该区域中具有肩部46。在安装部分40的相对端部处，套管22具有与轴线Y垂直的端面48。
轴承24包括(图2)锥形外滚道50和52，该锥形外滚道50和52优选的是被支承在柔性销20及柔性销20的套管22上的行星齿轮6的表面、但在任何情况下均由行星齿轮6承载。朝向柔性销20的轴线Y向内设置的滚道50和52朝向彼此向下渐缩，从而在彼此最接近的位置具有它们最小的直径。一体式座圈44在一定程度上形成轴承24的一部分，其中该一体式座圈44具有锥形内滚道54和位于滚道54的较大端部处的止推凸缘56。与套管22成一体的滚道54朝向齿轮6上的滚道50向外设置并且沿相同的方向渐缩。分离的内座圈60与一体式内座圈44互补且同样形成轴承24的一部分，该分离的内座圈60以过盈配合的方式装配在套管22的轴承座42上。内座圈60具有锥形滚道62，该锥形滚道62朝向行星齿轮6中的另一外滚道52向外设置、并且沿与滚道52相同的方向渐缩。座圈60在其滚道62的较大端部处还具有止推凸缘64。凸缘64轴向地延伸超出柔性销20上的头部32的端部并且终止在后端面66处。座圈60在其相对的端部处具有朝向套管22上的肩部46设置的前端面68。配齐轴承24的是绕一体式座圈44组成一排的锥形辊70和绕分离的座圈60组成另一排的另外的锥形辊72。辊70与外滚道50和内滚道54接触。此外，辊70位于顶部，从而意味着辊70的锥形侧面位于其中的锥形包络以及滚道50和54位于其中的锥形包络全都使它们沿着轴线Y的顶点位于一共用点处。辊72与分离的座圈60的外滚道52和内滚道62接触并且同样位于顶部。
轴承24应当最初设置为使其以较轻的预加载条件进行操作，也就是说，在辊70及辊70与之接触的滚道50和54之间、以及在辊72及辊72与之接触的滚道52和62之间，轴向或径向地都没有间隙。为了实现用于轴承24的合适的设定，在套管22上的肩部46与分离的座圈60的前端面68之间的轴承24装配有间隔件74，该间隔件74确定了在内滚道54与62之间的预定距离。
套管22和分离的座圈60通过端板78(图2)保持在柔性销20的固定的轴向位置中，该端板78覆盖销20的端面并且承靠在分离的座圈60的后端面66上。尽管在柔性销20的端面与板78之间存在微小的间隙，但是板78由穿过板78且拧入到柔性销20内的有头螺钉80牢固地保持在座圈60的后端面66上。实际上，由有头螺钉80施加在端板78上的夹持力通过座圈60传递至间隔件74，该间隔件74又将力传递至套管22，以使力同样将套管22的安装部分40保持抵靠在柔性销20的肩部36上。
当齿轮系统A传递扭矩时，在大多数情况下，行星齿轮6将在太阳齿轮2与环形齿轮4之间旋转，其中行星齿轮6在其齿部处与太阳齿轮2和环形齿轮4啮合。用于每个柔性销组件26的轴承24相对于其套管22和柔性销20轴向地和径向地限制每个行星齿轮6，而且使行星齿轮6能够以最小的摩擦绕用于柔性销组件26的轴线Y旋转。扭矩在其大小足够大的情况下将使柔性销20在其从承载架壁12伸出的位置处偏转，其中该偏转相对于中心轴线X沿周向方向。但是，柔性销20在其凹槽38处或另外在安装部分40附近再次相对于轴线X沿相反的方向周向地弯曲。因此，套管22的轴线——其为轴线Y——与中心轴线X保持平行，并且在行星齿轮6的齿与太阳齿轮2及环形齿轮4的齿之间存在良好的啮合。
替代于利用间隔件74来控制用于每个柔性销组件26的轴承24的设定，该设定可以利用位于端板78与用于套管22的安装部分40的端部之间的垫片82(图5)来控制。将套管22的安装部分40维持抵靠柔性销20的肩部36所需的力再次通过有头螺钉80施加，但是垫片82将该力从端板78传递至套管22的安装部分40。垫片82的厚度不会影响力，但是其确实对分离的座圈60的轴向位置并由此控制轴承24的设定进行控制。
可选的柔性销组件86(图6)与组件26非常类似。但是，柔性销组件86的柔性销20具有螺纹延伸部88，该螺纹延伸部88与柔性销组件86的头部32一体地形成并且从柔性销组件86的头部32轴向伸出。延伸部88容置有螺母90，该螺母90拧接在延伸部88上并且抵靠在分离的座圈60的后端面66上，从而将座圈60固定在套管22上并且将套管22固定在柔性销20上。
可选的柔性销组件86具有间隔件74，该间隔件74确立了轴承24的设定，但是该设定可以利用位于螺母90与用于套管22的安装部40的端面48之间的垫片82来控制。
另一可选的柔性销组件94(图7)也与柔性销组件26类似，但是套管22的构型基本不同。套管22具有从其端面48伸出的环形凸缘96，从而使端面48具有从柔性销20上的头部32的端部直接向外设置的较小区域。凸缘96具有与螺母98啮合的外螺纹，该螺母98旋拧抵靠至分离的座圈60的后端面66。修改的套管22通过端板100固定至柔性销20的头部32，该端板100又利用有头螺钉80固定至柔性销20。通过螺钉80施加到板100上的力在套管22的端面48处传递至套管22的安装部分40，并且用来将安装部分40夹持在柔性销20的肩部36与板100之间。
可以利用间隔件74来确立可选的柔性销组件94的轴承24的设定，在该情况下，分离的座圈60被夹持在间隔件74与螺母98之间。或者间隔件74可以被消除、而上述设定通过螺母98的前移来控制，直到轴承座42上的座圈60的位置提供为轴承24所期望的设定。
柔性销组件26、86、94中的任一个均可以被拆卸用于维修而不需要将其销20从承载架壁12拆除。此外，通过位于套管22的轴承座42上的分离的座圈60的位置来控制用于其轴承24的设定，并且改变座圈24的轴向位置是较容易的过程。当然，该过程比用于完全一体式柔性销组件所需的过程简单，在完全一体式柔性销组件中，两个内滚道均形成套管的表面并且套管具有分离的的凸缘环。柔性销组件26、86和94能够被拆卸的简单性以及其轴承24能够被调整的简单性使得组件26、86和94非常适于拆卸和轴承调整而不需要使齿轮系统A长久时间地不使用，其中组件26、86和94是该齿轮系统A的部件。实际上，调整仅仅通过改变用于轴承24的间隔件74或垫片84的尺寸或者另外地改变位于轴承座42上的分离的座圈60的位置来实现。
轴承24不必为锥形滚柱轴承。轴承24可以采取某种其他类型的轴承的形式，该轴承具有位于与套管22成一体的座圈上的一个滚道和位于设置在由套管22所提供的轴承座42上的另一分离的座圈上的一个滚道。轴承24可以是组成为两排的角接触球轴承、球面滚柱轴承、或者甚至为具有一排或多排辊的圆筒形滚柱轴承。外滚道50和52可以位于装配到行星齿轮6中的分离的外座圈上或单个外座圈上，或者它们在轴承24采取某种其他形式时能够位于适于该种类型的轴承的一个分离的座圈或多个座圈上。端板78或100若存在时可以利用从柔性销20的头部32轴向伸出的柱螺栓和旋拧在该柱螺栓上的螺母来固定。承载架8的端构件不必采用壁的形式，而是可以为适于承载架的某种其他构型，比如星轮形状。另外，太阳齿轮2和环形齿轮4以及行星齿轮6可以具有螺旋齿，在该情况下，偏移抑制器可以设置在套管22上或者设置在套管22与销20之间，以防止在传递扭矩时，套管在由螺旋齿生成的联接的作用下相对于中心轴线X径向偏移，全都如WO 2009/152306中阐明的，该文献以参引的方式并入本文。尽管如此，套管22仍与远离于在销20上的头部32的销20基本间隔开。

Claims (14)

1.一种用于行星齿轮系统的柔性销组件，所述柔性销组件具有轴线并且包括：
柔性销，所述柔性销具有基部和远离所述基部的头部；
套管，所述套管围绕所述柔性销设置、并且在所述柔性销的所述头部处牢固地附接至所述柔性销、但是与所述柔性销基本径向地间隔开，所述套管具有一体式座圈和与所述一体式座圈相邻的轴承座，所述一体式座圈设有远离所述轴线向外设置的内滚道；
初始分离的座圈，所述初始分离的座圈位于所述套管的所述轴承座上、并且具有同样远离所述轴线向外设置的内滚道；
滚动元件，所述滚动元件沿着所述内滚道布置。
2.根据权利要求1所述的柔性销组件，其中，所述套管装配在所述柔性销的所述头部上。
3.根据权利要求2所述的柔性销组件，其中，所述柔性销在其头部处具有接界部，并且所述套管具有安装部分，所述安装部分装配在所述头部上并且抵靠所述接界部；所述柔性销组件还包括用于将所述安装部分推靠在所述接界部上的装置。
4.根据权利要求3所述的柔性销组件，其中，所述轴承座位于所述安装部分上。
5.根据权利要求3所述的柔性销组件，其中，所述安装部分具有轴向远离所述接界部设置的端面；并且，用于将所述安装部分推靠在所述接界部上的所述装置包括与所述安装部分的所述端面相对设置的板。
6.根据权利要求5所述的柔性销组件，其中，所述板将轴向指向的力施加在所述套管的所述安装部分上。
7.根据权利要求6所述的柔性销组件，其中，所述分离的座圈具有后端面，并且所述板承靠在后端面上。
8.根据权利要求7所述的柔性销组件，其中，所述板将轴向指向的力施加在所述分离的座圈上，并且所述力通过所述分离的座圈传递至所述套管并将所述套管的所述安装部分推靠在所述柔性销的所述接界部上。
9.根据权利要求6所述的柔性销组件，其中，所述套管具有从其安装部分轴向伸出的螺纹凸缘；并且，螺母旋拧在所述凸缘上并用来将所述分离的座圈轴向定位在所述安装部分的所述轴承座上。
10.根据权利要求3所述的柔性销组件，其中，所述用于将所述安装部分推靠在所述接界部上的装置包括螺纹延伸部和螺母，所述螺纹延伸部从所述柔性销的所述头部轴向伸出，所述螺母旋拧在所述延伸部上并且与所述分离的座圈及所述套管的所述安装部分相对设置。
11.根据权利要求3所述的柔性销组件，还包括围绕所述套管设置且承载有外滚道的行星齿轮，所述外滚道与所述内滚道相对并且与所述滚动元件接触，其中所述外滚道、所述一体式座圈、所述初始分离的座圈以及所述滚动元件形成轴承。
12.一种行星齿轮系统，包括：
太阳齿轮；
围绕所述太阳齿轮的环形齿轮；
承载架，所述承载架包括端部构件和根据权利要求11所述的柔性销组件，所述柔性销组件的所述行星齿轮设置在所述太阳齿轮与所述环形齿轮之间、并且与所述太阳齿轮和所述环形齿轮啮合，所述柔性销组件的柔性销装配至所述端部构件。
13.根据权利要求1所述的柔性销组件，其中，位于所述一体式座圈上和位于所述初始分离的座圈上的所述内滚道相对于所述轴线倾斜，位于所述一体式座圈上的所述滚道沿一个方向倾斜、而位于所述初始分离的座圈上的所述滚道沿相反的方向倾斜。
14.一种用于移除权利要求11所述的柔性销组件的所述行星齿轮的方法，所述方法包括将所述初始分离的座圈从所述套管的所述轴承座移除、并且拆卸所述轴承，而所述柔性销保持固定至承载架的端部构件上。
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