CN102459962A - 具有非对称的柔性杆的齿轮组件 - Google Patents

Abstract

一种周转齿轮组件，具有固定在承载架中的多个行星齿轮组。每个行星齿轮组具有由行星轴支撑的行星齿轮，行星轴的相反两端支撑在承载架内，当齿轮组件经受扭转和旋转负载时，行星轴能够沿其长度的至少一部分偏转。

Description

具有非对称的柔性杆的齿轮组件

相关申请的交叉引用

本申请是本人于2009年2月5日提交的名称为“Gear AssemblyWith Tapered Flex Pin”的共同待决的申请第12/322/781号的部分继续申请，该申请的优先权据此被要求保护且该申请的整个公开内容据此以引用方式并入。

技术领域

本发明涉及齿轮组件，更具体地，涉及能够在齿条-小齿轮系统和其他这样的工业应用中采用的行星齿轮组。

背景技术

行星齿轮系统广泛地用于各种工业环境中。在这种装置中，旋转输入通常为太阳齿轮的形式。多个行星齿轮围绕太阳齿轮安装，用于通过相应齿的相互啮合来接收来自太阳齿轮的旋转力。通常，行星齿轮安装在旋转行星齿轮区域，且输出元件通常为环形齿轮的形式。

除太阳齿轮和多个行星齿轮之外，典型的周转齿轮或行星齿轮系统采用设有内齿的环形齿轮。太阳齿轮设置在承载架中，其中与太阳齿轮和环形齿轮啮合的行星齿轮围绕行星齿轮和太阳齿轮二者运行。环形齿轮通常与所有行星齿轮啮合。因此，每个行星齿轮与太阳齿轮和环形齿轮二者啮合，且不与其他行星齿轮啮合，而环形齿轮和太阳齿轮各自与所有行星齿轮啮合。行星齿轮都以平行关系安装到轴，该关系在旋转期间将理想地被保持。在这三组物体中，太阳齿轮、安装在承载架上的行星齿轮以及环形齿轮，一个将通常保持固定而其他的旋转，旋转的动力以给定的角速度和转矩输送到一个旋转部件，且以改变的转矩和速度取自另一旋转部件的动力通过齿轮比而与第一动力线性地相关或逆相关。

在行星齿轮和非行星齿轮系统二者的所有齿轮系统中共同的问题是当其齿啮合时两个齿轮的错位。当齿轮旋转轴线不是完美地平行时，齿的局部接触对齿的一端引起膨胀和接触应力。理论上，由于错位造成的齿轮组件输出的可能动力损耗可为30％或更高。非平行条件引起齿轮齿中过度磨损、增加的摩擦、增加的噪音和较高应力等明显问题，这造成金属疲劳。

在具有四个或更多个行星齿轮的行星齿轮组件中产生的另一问题是行星齿轮之间的负载分布。为了使负载更接近均匀，一种建议的方法是允许行星齿轮轴的弹性变形并提供“柔性固定件”。还有的问题是由于承载架在负载下偏转而引起，这将在齿轮经受最大负载时引入最大错位。此时，承载架扭转变形由于变形而引入最大错位。由于错位造成的所有齿轮大百分比降级的明显部分可直接归因于该事实。

由工业提供的一种解决方法是使用一对间隔开的刚性地连接的板来用作行星承载架。双板设计允许明显地减小行星轴的偏转和错位。然而，常规的双板承载架设计并不太适合对行星齿轮使用柔性安装件，这则使它们很不适合使用多于三个的行星齿轮。而且，超差问题往往会由这些设计的刚度而趋于加重。

问题的另一解决方法在1967年授予R.J.Hicks的美国专利3,303,713中显示。根据‘713专利，在齿轮和轴之间夹入了套筒，齿轮设置在该套筒上。轴具有刚性地固定在齿轮和承载架之间的相反端部。齿轮和承载架之间的空间被认为允许轴柔曲以提供均匀负载。Hicks还教导了杆的成形使得其在平行于太阳齿轮的径向轴线且垂直于行星齿轮运动的切线方向的两侧上被平坦化。该设计的目的是减小该轴上的截面模量以允许在该方向的较大偏转，这更好地允许负载共享，而且也允许更好地防止由于向心力造成的径向方向的偏转。

尽管Hicks专利的系统可能在某些环境下能令人满意地工作，但是存在对用于大负载环境的齿轮组件的需要，像比如自升式钻塔的齿条和小齿轮系统。

发明内容

因此，本发明的目的是最大化行星齿轮负载的偏转以有助于行星齿轮之间的负载共享。

本发明的另一目的是提供具有柔性行星轴的行星齿轮组，该柔性行星轴在施加到齿轮组件的扭转和旋转负载下偏转。

本发明的这些及其他目的通过提供具有固定在承载架中的多个行星齿轮组的周转齿轮组件来实现。每个行星齿轮组具有由行星轴支撑的行星齿轮，行星轴的相反两端支撑在承载架内，当齿轮组件经受扭转和旋转负载时，行星轴能够沿其长度的至少一部分偏转。每个行星轴的相反两端由球形轴承支撑[球形滚子或CARB，(如由瑞典的SKF公司制造的)或球形轴颈轴承(这种轴承存在且众所周知)应被理解为被包括为在本发明中使用的可能类型的球形轴承，其中术语球形轴承被采用]，且中间部分收缩配合到行星齿轮。行星轴具有双锥形形状，从中间部分朝相反两端逐渐变细。

附图说明

现参考附图，其中相似的部件用相似的附图标记表示，在附图中：

图1是根据本发明的具有非对称的渐细柔性杆的承载架的透视图。

图2是图1所示的承载架的端视图。

图3是根据本发明的具有非对称的渐细柔性杆的承载架的局部剖视图，其中为清楚仅示出一个柔性杆。

图4是在本发明的系统中使用的跨置式周转齿轮中的非对称柔性杆的剖视图。

图5是在本发明的系统中使用的行星齿轮的端视图。

图6是本发明的配有非对称的柔性杆的行星齿轮的剖视图。

图7是在没有负载条件下本发明的系统的非对称的柔性杆的透视图。

图8是处于局部柔曲条件下的非对称的柔性杆的透视图。

图9是处于完全柔曲条件下的非对称的柔性杆的透视图。

图10是处于没有负载条件下的具有非对称杆的行星齿轮的透视图。

图11是处于充分柔曲条件下的具有非对称杆的行星齿轮的透视图。

具体实施方式

如上所述，关于任何类型的行星齿轮箱应用，一个重要的问题是行星齿轮中的负载共享。许多影响可引起行星齿轮之间负载的分布不当。这些将包括但不限于，齿轮箱的部件的制造中的容许误差、在顶起系统的情形中引入到承载架的侧向负载、造成顶起小齿轮轴偏转的强大负载(storm load)、如果腿导向器过度磨损则设备腿弦杆离开千斤顶壳的中心、由于转子中心线上方的风速高于下方而使风力涡轮机经历转子上的偏心负载。

这些类型问题中任一问题可能造成一些行星齿轮啮合比其他行星齿轮啮合经历明显较高的负载且为了解决该问题，凭借使加载较多的行星齿轮偏转更多且因此经由承载架将负载推动到其他行星齿轮的较软的(每单位负载更大的偏转)柔性杆帮助是理想的。本发明通过下面描述的齿轮箱组件的结构方面来解决这些问题。

现更详细地参考附图，附图标记10指示本发明的齿轮组件。齿轮组件10包括承载架11，承载架11可在由围绕中心或太阳齿轮旋转的一个或多个外齿轮或行星齿轮组成的行星齿轮传动系统或周转齿轮传动系统中使用。一般地，行星齿轮安装在自身可相对于太阳齿轮旋转的承载架11中。周转齿轮传动系统还可包括使用与行星齿轮啮合的外环形齿轮或环轮。

当在顶起腿弦杆中使用时，齿轮系统设计成使顶起设备的腿移动，并利用齿条-小齿轮系统将设备的机壳升高到高于预期的波动作用之上的高度。随着机壳升高，腿弦杆的齿与千斤顶壳的齿啮合。通常，顶起小齿轮将扭矩传递到腿弦杆，引起腿对于设备机壳垂直地运动。定位在设备上的马达通过齿轮组件将旋转传递到每个小齿轮，该齿轮组件固定到千斤顶壳，与小齿轮相反。齿轮组件与连接到马达的太阳齿轮或中心小齿轮一起固定在齿轮箱中。外环形齿轮安装在齿轮箱中。

假定行星齿轮箱布置提供超过传统齿轮箱布置的许多优势。一个优点是其紧凑性和显著的动力传递效率的独特组合。在行星齿轮箱布置中的一般效率损耗仅为每一阶段3％。这种类型的效率确保了通过太阳齿轮输入齿轮箱中的大比例能量成倍增加且被传递成扭矩，而不是在齿轮箱内以机械损耗浪费掉。行星齿轮箱布置的另一优点是负载分布。因为所传递的负载在多个行星齿轮或者行星齿轮组之间共享，所以极大地提高了转矩能力。系统中的行星齿轮越多，负载能力越大且转矩密度越高。

行星齿轮箱布置还产生较大的稳定性和提高的旋转刚度。然而，如上所述，这样的工程解决方案也不是没有问题，比如设计复杂性和在太阳齿轮旋转期间啮合齿之间的间隙。

如可在附图中看到的，行星齿轮组12通过行星齿轮轴14安装在承载架11中。每个行星齿轮组具有设计成与太阳齿轮和环形齿轮的齿啮合的带齿的行星齿轮。每个行星齿轮12被压配合或收缩配合到轴14上。每个承载架11具有高转矩连接装置16，该高转矩连接装置16通过轴从外部动力源(未显示)传递转矩，该轴典型地为花键轴，其具有沿其内或外表面的纵向齿轮状脊。

行星轴或柔性杆14以相互平行的关系固定，且行星齿轮12的中心轴线平行于承载架11的中心轴线。

每个行星齿轮12设有具有用于啮合中心定位的太阳齿轮的互补接触表面的齿15。通常，齿轮组件可包含四个或更多个围绕太阳齿轮的行星齿轮。图1和2示出七个行星齿轮12。马达轴的旋转引起行星齿轮12的旋转，且使旋转的行星齿轮12围绕单独固定的轴14啮合引起行星齿轮12围绕太阳齿轮旋转。

如可在图4中看到的，每个行星齿轮轴14为具有第一圆柱形端20和相反的第二圆柱形端22的非对称杆。大体渐细的第一圆锥形部分24从第一圆柱形端20朝中心线26延伸，该中心线26表示行星齿轮12的中心线。第二渐细的圆锥形部分28从第二圆柱形端22朝行星齿轮12的中心线26延伸。如可从图6清楚看到的，中心线26不代表柔性杆14的几何中心。在优选实施方式中，第一圆锥形部分24的凸形的半径不等于第二圆锥形部分28的凸形的半径。

在第一圆柱形端20和第一渐细的圆锥形部分24之间设置了小半径的凹形部分30。在第二圆柱形端22和第二渐细的圆锥形部分28之间设置了类似的小半径的凹形部分32。

轴14的中间部分34具有大体圆柱形构型。行星齿轮12被压配合到圆柱形中间部分34上，如图3和6所示。行星齿轮12具有接合中间部分34的直径减小的接触表面。从行星齿轮12的接触表面延伸的圆锥形壁13和17为柔性杆14留出偏转空间，如下文更详细描述的。

柔性杆14的圆锥形部分24和28各自具有向外凸的外表面，所述向外凸的外表面具有较靠近中心线26的较大直径和较靠近端20、22的较小的直径。结果，轴或柔性杆14具有不对称的形状，在中间部分较宽且朝端变窄。第一圆锥形部分24的纵向尺寸至少略大于第二圆锥形部分28的纵向尺寸。结果，柔性杆14具有额外的不对称的形状，其设计成当对齿轮组件10施加扭转和旋转负载时有利于轴14的柔曲。

第一圆柱形端20设定成与球形轴承40压配合或收缩配合；而第二端22设定成与球形轴承42配合。球形轴承42和柔性杆14的端28当安装在承载架11中时位于齿轮组件10的高转矩连接侧上。不对称的双锥形杆14允许来自使轴承40和42偏离中心的负载的倾斜以平衡跨置式承载架11的高转矩侧的旋转“引导”。

图6也示出柔性杆14的非对称形状。当行星齿轮12啮合中间部分34时，在轴承40和行星齿轮12之间产生间隙35。在轴承42和行星齿轮12之间形成了另一间隙37。间隙35具有比间隙37大的区域。

现转向图7-11，显示了根据由齿轮12承载的负载量而处于偏转阶段的柔性杆14。图7和10示出处于没有负载状态的柔性杆14，其中没有对轴14施加柔曲力。当承载架11的高转矩端通过连接装置16而接收旋转力时，杆14开始围绕其圆锥形部分24和28偏转。图8示出柔性杆14的逐渐弯曲，而图9和11示出轴14的明显偏转。在偏转时，柔性杆14的中间部分34和端20、22分别由行星齿轮12和轴承支撑。

由于接合承载架的中间部分的非对称定位，承载架11的高转矩端具有在承载架的相反端上的导程。在所示实施方式中，该导程约为0.455mm。在该示例中，从中心线轴承至中心线轴承的齿轮齿对准约为258mm。图7-11示出在“y”轴中匹配承载架的偏转斜度的偏转之间的差异。杆14的偏转有利于行星齿轮与太阳齿轮和环形齿轮齿的对准。

本发明允许仔细地选择行星齿轮中心线关于球形轴承40、42的准确放置以及杆14的几何形状。柔性杆14的大偏转可能是期望的，以平均化行星齿轮12之间的负载且同时具有齿轮齿的准确对准。

本发明的齿轮组件允许在同一或较低应力下对于同等负载基本上增加偏转且提高行星齿轮之间共享的负载。

作为弹簧的双锥形柔性杆的柔软度会允许小的错位以便校正它们自己，因为由齿轮齿上的错位引起的力可被看做被添加到施加到柔性杆的力矩和剪切负载或从施加到柔性杆的转矩和剪切负载减去的通常小的额外的力矩。本发明的柔性杆趋向于以由于错位而使偏心负载最小的方式偏转，而且柔性杆越软(每给定负载更大的偏转)，在本发明的齿轮组件操作中错位引起问题越少。

轴端支撑件的非对称布置有利于轴的受控偏转使得行星轴的偏转近似匹配行星承载架的偏转，但是在确切相反的方向，使得行星齿轮对准保持与承载架旋转同轴。

本发明的齿轮组件的结构提供轴14的在施加负载的相反侧上的非对称刚性，这通过在负载施加点的两个相反侧上的锥形的不同尺寸来促进。在本发明的柔性杆的结构中，最高的弯曲力矩的位置具有最大的直径而较低的弯曲力矩的位置具有较小的直径，这往往会增加轴的偏转而不会升高轴中的应力。

行星轴可由渗碳钢(或其它硬化钢)制成以允许对较高的弹簧偏转使用小很多的直径。本发明允许在负载下行星齿轮尽可能多的弹性偏转以分布行星齿轮之间的负载。另外，行星齿轮相对于太阳齿轮和环形齿轮的对准由于行星轴的柔曲能力而维持。

在不偏离本发明的精神的情况下可对本发明作出许多改变和修改。因此，本发明的权利仅由所附权利要求的范围限定。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种齿轮组件，包括固定在跨置式承载架中的多个齿轮组，其中所述齿轮组中的每一个包括由齿轮轴支撑的齿轮构件，所述齿轮轴的相反两端中的每一端由安装在所述承载架内的球形轴承支撑，当对所述齿轮组件施加扭转和旋转负载时，所述齿轮轴能够沿齿轮轴长度的至少一部分偏转。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述齿轮轴包括由球形轴承支撑的第一端、由球形轴承支撑的第二端、与所述齿轮构件的接触表面维持接触的大体圆柱形的中间部分、在所述中间部分和所述第一端之间延伸的第一渐细部分以及在所述中间部分和所述第二端之间延伸的第二渐细部分。

3.如权利要求2所述的装置，其中在所述第一端和所述第一渐细部分之间限定有第一凹形部分。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述第一凹形部分一体连接到所述第一渐细部分。

5.如权利要求2所述的装置，其中在所述第二端和所述第二渐细部分之间限定有第二凹形部分。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述第二凹形部分一体连接到所述第二渐细部分。

7.如权利要求2所述的装置，其中所述第一渐细部分和所述第二凹形部分各自在其相应的最宽直径端整体连接到所述中间部分。

8.如权利要求2所述的装置，其中所述第一端和所述第二端各自具有能够由球形轴承接合的大体圆柱形的外表面。

9.如权利要求2所述的装置，其中所述第一端适合于连接到所述承载架的高转矩侧。

10.如权利要求2所述的装置，其中所述第一渐细部分的纵向尺寸至少略微大于所述第二渐细部分的纵向尺寸。

11.如权利要求2所述的装置，其中所述齿轮轴具有非对称的形状，其中所述第一渐细部分具有带预选定的半径的向外凸形表面，所述第二渐细部分具有带与所述第一渐细部分的所述凸形表面的预选定的半径不同的预选定的半径的向外凸形表面。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述行星轴t被收缩配合到所述齿轮构件的接触表面。

13.如权利要求2所述的装置，其中所述齿轮轴的所述第一端和所述齿轮轴的所述第二端各自压配合到相应的球形轴承。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述齿轮轴具有双锥形形状，从中间部分朝向所述相反两端逐渐变细。

15.一种周转齿轮组件，包括固定在跨置式承载架中的多个行星齿轮组，其中所述行星齿轮组中的每一个包括由行星轴支撑的行星齿轮，所述行星轴的相反两端支撑在所述承载架内，当对所述齿轮组件施加扭转和旋转负载时，所述行星轴能够沿轴长度的至少一部分偏转，所述行星轴包括由安装在所述承载架中的球形轴承支撑的第一端、由安装在所述承载架中的球形轴承支撑的第二端、与所述行星齿轮的接触表面维持接触的大体圆柱形的中间部分、在所述中间部分和所述第一端之间延伸的第一渐细部分以及在所述中间部分和所述第二端之间延伸的第二渐细部分。

16.如权利要求15所述的装置，其中所述行星轴具有双锥形形状，从中间部分朝所述第一端和所述第二端逐渐变细。

17.如权利要求15所述的装置，其中所述行星轴的所述第一端和所述行星轴的所述第二端各自压配合到相应的球形轴承。

18.如权利要求15所述的装置，其中所述行星轴具有非对称的形状，其中所述第一渐细部分具有带预选定的半径的向外凸形表面，而所述第二渐细部分具有带与所述第一渐细部分的所述凸形表面的预选定的半径不同的预选定的半径的向外凸形表面。

19.如权利要求15所述的装置，其中第一凹形部分一体连接在所述第一端和所述第一渐细部分之间，而第二凹形部分一体连接在所述第二端和所述第二渐细部分之间。

20.如权利要求15所述的装置，其中所述第一渐细部分的纵向尺寸至少略微大于所述第二渐细部分的纵向尺寸。

Claims (20)

1.一种齿轮组件，包括固定在承载架中的多个行星齿轮组，其中所述行星齿轮组中的每一个包括由行星轴支撑的行星齿轮，所述行星轴的相反两端支撑在所述承载架内，当对所述齿轮组件施加扭转和旋转负载时，所述行星轴能够沿轴长度的至少一部分偏转。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述行星轴包括由球形轴承支撑的第一端、由球形轴承支撑的第二端、与所述行星齿轮的接触表面维持接触的大体圆柱形的中间部分、在所述中间部分和所述第一端之间延伸的第一渐细部分以及在所述中间部分和所述第二端之间延伸的第二渐细部分。

3.如权利要求2所述的装置，其中在所述第一端和所述第一渐细部分之间限定有第一凹形部分。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述第一凹形部分一体连接到所述第一渐细部分。

5.如权利要求2所述的装置，其中在所述第二端和所述第二渐细部分之间限定有第二凹形部分。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述第二凹形部分一体连接到所述第二渐细部分。

7.如权利要求2所述的装置，其中所述第一渐细部分和所述第二凹形部分各自在其相应的最宽直径端整体连接到所述中间部分。

8.如权利要求2所述的装置，其中所述第一端和所述第二端各自具有能够由球形轴承接合的大体圆柱形的外表面。

9.如权利要求2所述的装置，其中所述第一端适合于连接到所述承载架的高转矩侧。

10.如权利要求2所述的装置，其中所述第一渐细部分的纵向尺寸至少略微大于所述第二渐细部分的纵向尺寸。

11.如权利要求2所述的装置，其中所述行星轴具有非对称的形状，其中所述第一渐细部分具有带预选定的半径的向外凸形表面，所述第二渐细部分具有带与所述第一渐细部分的所述凸形表面的预选定的半径不同的预选定的半径的向外凸形表面。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述行星轴t被收缩配合到所述行星齿轮的接触表面。

13.如权利要求2所述的装置，其中所述行星轴的所述第一端和所述行星轴的所述第二端各自压配合到相应的球形轴承。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述行星轴具有双锥形形状，从中间部分朝向所述相反两端逐渐变细。

15.一种周转齿轮组件，包括固定在承载架中的多个行星齿轮组，其中所述行星齿轮组中的每一个包括由行星轴支撑的行星齿轮，所述行星轴的相反两端支撑在所述承载架内，当对所述齿轮组件施加扭转和旋转负载时，所述行星轴能够沿轴长度的至少一部分偏转，所述行星轴包括由球形轴承支撑的第一端、由球形轴承支撑的第二端、与所述行星齿轮的接触表面维持接触的大体圆柱形的中间部分、在所述中间部分和所述第一端之间延伸的第一渐细部分以及在所述中间部分和所述第二端之间延伸的第二渐细部分。

16.如权利要求15所述的装置，其中所述行星轴具有双锥形形状，从中间部分朝所述第一端和所述第二端逐渐变细。

17.如权利要求15所述的装置，其中所述行星轴的所述第一端和所述行星轴的所述第二端各自压配合到相应的球形轴承。

18.如权利要求15所述的装置，其中所述行星轴具有非对称的形状，其中所述第一渐细部分具有带预选定的半径的向外凸形表面，而所述第二渐细部分具有带与所述第一渐细部分的所述凸形表面的预选定的半径不同的预选定的半径的向外凸形表面。

19.如权利要求15所述的装置，其中第一凹形部分一体连接在所述第一端和所述第一渐细部分之间，而第二凹形部分一体连接在所述第二端和所述第二渐细部分之间。

20.如权利要求15所述的装置，其中所述第一渐细部分的纵向尺寸至少略微大于所述第二渐细部分的纵向尺寸。

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