CN102954155B - 行星齿轮系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种行星齿轮系统。所述行星齿轮系统包括架、设有中心行星轴的行星齿轮，以及将所述行星齿轮连接到所述架的销。所述行星齿轮系统另外包括设置在所述行星齿轮与所述销之间的轴承。所述轴承包括多个滚动元件。所述滚动元件中的每个滚动元件与内圈和外圈接触。所述行星齿轮系统进一步包括弹性部件。所述弹性部件设置在所述内圈与所述销之间或所述外圈与所述行星齿轮之间。

Description

行星齿轮系统
技术领域
本发明大体涉及行星齿轮系统，确切地说，涉及行星齿轮系统中改进的负载分布特征。
背景技术
风能被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，在这一方面，风力发电机已获得广泛关注。现代风力发电机通常包括塔筒、发电机、齿轮箱、机舱以及一片或多片转子叶片。转子叶片使用已知的翼片原理来捕获风的动能。转子叶片以转动能的形式传输动能，以使轴转动，所述轴将转子叶片连接到齿轮系统，或者如果未使用齿轮系统，则直接连接到发电机。之后，发电机将机械能转化成电能，从而输送到公用设施电网中。
在齿轮系统，尤其是行星齿轮系统中，正确对准相邻齿轮的啮合齿对于合理分布负载而言十分重要。然而，在许多现有齿轮系统中，各种设计和操作因素使得啮合齿无法正确对准。例如，对于通常具有带渐开线齿轮齿的渐开线齿轮轮廓的各种齿轮而言，其制造和设计容差可能导致相邻齿轮的啮合齿之间发生错位。此外，尤其对于风力发电机中的齿轮系统而言，齿轮系统的各个部件，例如架，在运行期间发生扭转和/或弯曲。这种扭转和弯曲通常是由齿轮系统的输入轴的负载及其扭转和弯曲导致。扭转和弯曲可导致齿轮系统中相邻齿轮的啮合齿之间发生额外错位。
对于齿轮系统而言，且在风力发电机设置中对于风力发电机本身而言，齿轮系统中相邻齿轮之间的错位很可能导致灾难性后果。例如，错位可导致齿轮系统中各个齿轮承受的负载比设计的负载极限大两倍或两倍以上。因此，承受此增大的负载的齿轮在齿轮系统运行期间可能损坏或发生故障，从而很可能导致齿轮系统发生故障。
因此，所属领域中需要一种改进的齿轮系统，例如改进的行星齿轮系统。例如，具有改进的负载分布特征的齿轮系统将具有优势。
发明内容
以下说明书将部分阐明本发明的各方面和优点，或者，这些方面和优点在说明书中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
在一项实施例中，揭示了一种行星齿轮系统。所述行星齿轮系统包括架、设有中心行星轴的行星齿轮，以及将所述行星齿轮连接到所述架的销。所述行星齿轮系统另外包括设置在所述行星齿轮与所述销之间的轴承。所述轴承包括多个滚动元件。所述滚动元件中的每个滚动元件与内圈和外圈接触。所述行星齿轮系统进一步包括弹性部件。所述弹性部件设置在所述内圈与所述销之间或所述外圈与所述行星齿轮之间。
所述的行星齿轮系统进一步包括围绕所述中心行星轴设置成环形阵列的多个弹性部件。
其中所述多个弹性部件中的每个弹性部件连接到所述多个弹性部件中环向相邻的一个弹性部件。
其中所述弹性部件具有大体为S形的截面轮廓。
其中所述弹性部件具有大体为O形的截面轮廓。
其中所述弹性部件为弹簧。
其中所述弹性部件设置在所述外圈与所述行星齿轮之间。
其中所述外圈与所述行星齿轮构成整体。
其中所述内圈与所述销构成整体。
其中所述弹性部件由金属或金属合金形成。
其中所述弹性部件由聚合物形成。
在另一实施例中，本发明提供了一种行星齿轮系统。该行星齿轮系统包括设有中心轴的太阳齿轮；齿圈；多个行星齿轮；架；多个销；多个轴承；以及多个弹性部件。其中齿圈至少部分环绕所述太阳齿轮并沿所述中心轴放置；所述多个行星齿轮中的每个行星齿轮设置在所述太阳齿轮与所述齿圈之间并配合这两者；所述架设置成与所述多个行星齿轮相邻；所述销中的每个销将所述多个行星齿轮中的一个行星齿轮连接到所述架；所述多个轴承中的每个轴承设置在所述多个行星齿轮中的一个行星齿轮与所述多个销中的一个销之间，所述轴承包括多个滚动元件，所述滚动元件中的每个滚动元件与内圈和外圈接触；所述多个弹性部件中的每个弹性部件设置在所述内圈与所述多个销中的一个销之间或所述外圈与所述多个行星齿轮中的一个行星齿轮之间。
其中所述多个弹性部件中的每个弹性部件具有大体为S形的截面轮廓。
其中所述多个弹性部件中的每个弹性部件具有大体为O形的截面轮廓。
其中所述多个弹性部件中的每个弹性部件设置在所述内圈与所述销之间。
其中所述多个弹性部件中的每个弹性部件设置在所述外圈与所述行星齿轮之间。
其中所述外圈与所述行星齿轮构成整体。
其中所述内圈与所述销构成整体。
在其他实施例中，本发明提供了一种风力发电机，其包括：塔筒；安装到所述塔筒的机舱；以及容纳在所述机舱中的行星齿轮系统，所述行星齿轮系统包括：架；设有中心行星轴的行星齿轮；将所述行星齿轮连接到所述架的销；设置在所述行星齿轮与所述销之间的轴承，所述轴承包括多个滚动元件，所述滚动元件中的每个滚动元件与内圈和外圈接触；以及弹性部件，其设置在所述内圈与所述销之间或所述外圈与所述行星齿轮之间。
参考以下具体实施方式和所附权利要求书可以更深入地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，说明了本发明的各实施例，并与具体实施方式一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域的技术人员，完整且可实现地详细揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为根据本发明的一项实施例的风力发电机的透视图；
图2为根据本发明的一项实施例的行星齿轮系统的分解透视图；
图3为根据本发明的一项实施例的设置有弹性部件的行星齿轮的透视图；
图4为根据本发明的另一项实施例的设置有弹性部件的行星齿轮的透视图；以及
图5为根据本发明的另一项实施例的设置有弹性部件的行星齿轮的透视图。
部件标号列表：
标号 部件 标号 部件
10 风力发电机 12 塔筒
14 机舱 16 转子叶片
18 转子轮毂 20 行星齿轮系统
22 扭转负载 24 架
26 齿圈 28 行星齿轮
30 太阳齿轮 32 齿(齿圈)
34 齿(行星齿轮) 36 齿(太阳齿轮)
40 中心轴 42 中心行星轴
44 第一架板 50 销
60 轴承 62 滚动元件
70 内圈 72 外圈
74 外表面(内圈) 76 内表面(外圈)
80 弹性部件
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各实施例，附图中将展示本发明实施例的一个或多个实例。各个实例用以解释本发明而非限定本发明。事实上，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，所属领域的技术人员可轻易对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一项实施例的一部分说明或描述的特征可用于另一项实施例中，从而得到又一项实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。
图1所示为采用传统结构的风力发电机10。风力发电机10包括塔筒12，所述塔筒上安装有机舱14。多片转子叶片16安装到转子轮毂18，所述转子轮毂转而连接到转动主转子轴的主法兰，如下文所述。风力发电机的发电和控制部件设置在机舱14内。图1仅作说明目的，以示例性地说明本发明。应了解，本发明不局限于任何特定类型的风力发电机配置。
图2所示为根据本发明的行星齿轮系统20的一项实施例。例如，系统20可容纳在机舱14中。输入轴(未图示)可向系统20提供输入负载。在系统20包括在风力发电机10中的实施例中，系统20可向发电机(未图示)提供输出负载，如所属领域所熟知。因此，在运行期间，以输入旋转速度的输入负载通过行星齿轮系统20传输，并作为以输出旋转速度的输出负载提供给发电机。
在运行期间，输入轴可能承受多种负载。例如，输入轴可在运行期间承受弯曲负载。有利地是，本发明的行星齿轮系统20包括改进的负载分布特征，如下文所述。这些负载分布特征可减少或避免行星齿轮系统的各个部件承受因传输弯曲负载或其他负载导致的错位而增大的负载。此外，这些负载分布特征可减少或避免行星齿轮系统的各个部件承受因制造和设计容差导致的错位而增大的负载。通过减少或避免系统20的各个部件，例如各个齿轮的此类增大的负载，改进的负载分布特征可增加系统20的寿命，且在一些实施例中，可增加包含系统20的风力发电机10的寿命。
在示例性实施例中，行星齿轮系统20是单级行星齿轮系统20。因此，输入旋转速度可通过单级的各个配对齿轮转换为输出旋转速度，如下文所述。然而，行星齿轮系统20或者也可为多级行星齿轮系统20，且输入旋转速度可通过多级的各个配对齿轮转换为输出旋转速度。
行星齿轮系统20包括架24和多个齿轮。例如，示例性实施例中的行星齿轮系统20所示为包括齿圈26、一个或多个行星齿轮28以及太阳齿轮30。系统20可包括一个、二个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或八个以上行星齿轮28。齿轮26、28、30中的每个齿轮均包括多个齿。例如，齿圈26包括齿32，每个行星齿轮28包括齿34，且每个太阳齿轮30包括齿36。齿32、34和36可调整大小和形状以便啮合在一起，从而使各个齿轮26、28和30彼此配合。例如，齿圈26和太阳齿轮30均可配合行星齿轮28。
在一些实施例中，架24可以固定。在这些实施例中，输入轴可连接到齿圈26，且输入轴上的输入负载可通过齿圈26传输到行星齿轮28。因此，齿圈26可驱动系统20。在其他实施例中，齿圈26可以固定。在这些实施例中，输入轴可连接到架24，且输入轴上的输入负载可通过架24传输到行星齿轮28。因此，架24可驱动系统20。在其他实施例中，行星齿轮28或太阳齿轮30等任何其他合适的部件均可驱动系统20。
示例性实施例中的太阳齿轮30设有中心轴40，且因此围绕该中心轴40旋转。齿圈26可至少部分环绕太阳齿轮30，并沿中心轴40放置。例如，齿圈26可沿中心轴40与太阳齿轮30对准，或者可沿轴40偏离太阳齿轮30。因此，齿圈26可(如果可旋转)围绕中心轴40旋转。
行星齿轮28中的每个行星齿轮可设置在太阳齿轮30和齿圈26之间，且可同时配合太阳齿轮30和齿圈26。例如，齿32、34和36可啮合在一起，如上文所述。此外，行星齿轮28中的每个行星齿轮可设有中心行星轴42，如图所示。因此，每个行星齿轮28可围绕其中心行星轴42旋转。另外，行星齿轮28及其中心行星轴42可围绕中心轴40旋转。
架24可设置成邻近行星齿轮28，并可进一步沿中心轴40放置。架24可包括第一架板44，且在一些实施例中，可包括第二架板(未图示)。在架24包括第一架板44和第二架板的实施例中，行星齿轮28可设置在两个架板之间。
本发明的每个行星齿轮28可连接到架24。例如，销50可延伸穿过架24和行星齿轮28的至少一部分，从而将行星齿轮28和架24连接在一起。销50可沿中心行星轴42延伸和放置，这样，行星齿轮28即可围绕销50旋转。
在示例性实施例中，本发明的销50可固定安装到架24。例如，销50可压配合到架24中，可使用粘合剂或机械紧固件进行固定，或者以其他方式固定安装到架上。然而，销50或者也可移动安装到架24，这样，销50即会相对于架24旋转。
在一些实施例中，仅支撑销50的一端。例如，销50的一端可延伸穿过第一架板44且因此由该第一架板支撑，而另一端未延伸穿过第二架板且因此未由该第二架板支撑，反之亦然。但在替代实施例中，这两端均可由第一架板44和第二架板等支撑。
轴承60可设置在每个行星齿轮28和相关销50之间。轴承60可让行星齿轮28相对于销50旋转。每个轴承60可包括多个滚动元件62，所述滚动元件可围绕销50布置成一个或多个环形阵列。此外，滚动元件62中的每个滚动元件可接触内圈70和外圈72。例如，内圈70包括外表面74，且外圈72包括内表面76。这些相应表面接触滚动元件62并让滚动元件62在所述表面上旋转，从而让行星齿轮28相对于销50旋转。
如图3到图5所示，根据本发明，一个或多个弹性部件80可设置在行星齿轮28与销50之间。弹性部件80可有利地向行星齿轮系统20提供改进的负载分布特征。例如，本发明的弹性部件80可让行星齿轮28在系统20运行期间相对于相关销50径向并沿切线方向移动。换句话说，弹性部件80可让行星齿轮28移动成不与行星齿轮28所设有的中心行星轴42对准。这种移动和顺从性可让系统20的各个齿轮在运行期间保持彼此正确对准，而无需顾虑各个齿轮的制造和设计容差，也无需顾虑系统20的负载。
因此，本发明的弹性部件80可减少或避免行星齿轮系统20的各个部件，例如行星齿轮28，承受因传输弯曲负载或其他负载导致的错位而增大的负载。另外，弹性部件80可减少或避免行星齿轮系统20的各个部件，例如行星齿轮28，承受因制造和设计容差导致的错位而增大的负载。例如，尽管存在此类负载，如本专利申请文件所述的顺从性仍可让中心行星轴42在运行期间保持大体平行。此外，弹性部件80可虑及针对错位和/或减少负载增大的安全系数，从而降低行星齿轮系统20的各个部件，例如行星齿轮28的质量以及生产成本。
在一些实施例中，弹性部件80可设置在内圈70与销50之间，如图3和图5所示。在这些实施例中，轴承60可径向设置在弹性部件80的外部。在其他实施例中，弹性部件80可设置在外圈72与行星齿轮28之间，如图4所示。在这些实施例中，轴承60可径向设置在弹性部件80的内部。
在一些实施例中，内圈70和/或外圈72可与其他各部件构成整体。例如，如图3和5所示，外圈72可与行星齿轮28构成整体，而内圈70是设置在弹性部件80与轴承60之间的单独部件。因此，内表面76可为行星齿轮28的内表面。如图4所示，内圈70可与销50构成整体，而外圈72是设置在弹性部件80与轴承60之间的单独部件。因此，外表面74可为销28的外表面。
如图所示，在示例性实施例中，多个弹性部件80可在销50与行星齿轮28之间设置成一个或多个环形阵列。例如，弹性部件80可围绕销50，例如围绕中心行星轴42，设置成一个或多个环形阵列。此外，在一些实施例中，每个弹性部件80可与环形阵列中的其他弹性部件80分开，或者，一个或多个弹性部件80可连接到一个或多个环向相邻的弹性部件80。图3和图4所示为设置成环形阵列的单独弹性部件80，而图5所示为环形阵列中相邻连接弹性部件80。
在示例性实施例中，弹性部件80可为弹簧，例如，压缩弹簧。但在其他实施例中，弹性部件80可为可折叠的弹性薄板、弹性环，或提供弹性特性的任意合适的装置或部件，从而让行星齿轮28相对于销50移动，如上文所述。
在一些实施例中，如图3和图4所示，弹性部件80具有大体为O形的截面轮廓。在其他实施例中，弹性部件80可具有S形截面轮廓，如图5所示，或Z形截面轮廓，或任意其他合适的截面轮廓。
应进一步了解，本发明的弹性部件80可由可提供弹性特性的任意合适的材料形成，如上文所述。例如，在一些实施例中，弹性部件80可由金属或合金钢等金属合金形成。在其他实施例中，弹性部件80可由合适的热塑性塑料或热固塑料等合适的聚合物形成。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (12)

1.一种行星齿轮系统(20)，其包括：
架(24)；
设有中心行星轴(42)的行星齿轮(28)；
将所述行星齿轮(28)连接到所述架(24)的销(50)；
设置在所述行星齿轮(28)与所述销(50)之间的轴承(60)，所述轴承(60)包括多个滚动元件(62)，所述滚动元件(62)中的每个滚动元件与内圈(70)和外圈(72)接触；以及
多个弹性部件(80)，其设置在所述内圈(70)与所述销(50)之间或所述外圈(72)与所述行星齿轮(28)之间，其中所述多个弹性部件(80)中的每个弹性部件连接到所述多个弹性部件(80)中环向相邻的一个弹性部件。
2.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，所述多个弹性部件围绕所述中心行星轴(42)设置成环形阵列。
3.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述弹性部件(80)具有大体为S形的截面轮廓。
4.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述弹性部件(80)为弹簧。
5.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述弹性部件(80)设置在所述内圈(70)与所述销(50)之间。
6.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述弹性部件(80)设置在所述外圈(72)与所述行星齿轮(28)之间。
7.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述外圈(72)与所述行星齿轮(28)构成整体。
8.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述内圈(70)与所述销(50)构成整体。
9.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述弹性部件(80)由金属或金属合金形成。
10.根据权利要求1所述的行星齿轮系统(20)，其中所述弹性部件(80)由聚合物形成。
11.一种行星齿轮系统(20)，其包括：
太阳齿轮(30)，其设有中心轴(40)；
齿圈(26)，其至少部分环绕所述太阳齿轮(30)并沿所述中心轴(40)放置；
多个行星齿轮(28)，所述多个行星齿轮(28)中的每个行星齿轮设置在所述太阳齿轮(30)与所述齿圈(26)之间并且与所述太阳齿轮(30)与所述齿圈(26)相配合；
架(24)，其设置成与所述多个行星齿轮(28)相邻；
多个销(50)，所述销(50)中的每个销将所述多个行星齿轮(28)中的一个行星齿轮连接到所述架(24)；
多个轴承(60)，所述多个轴承(60)中的每个轴承设置在所述多个行星齿轮(28)中的一个行星齿轮与所述多个销(50)中的一个销之间，所述轴承(60)包括多个滚动元件(62)，所述滚动元件(62)中的每个滚动元件与内圈(70)和外圈(72)接触；以及
多个弹性部件(80)，所述多个弹性部件(80)中的每个弹性部件设置在所述内圈(70)与所述多个销(50)中的一个销之间或所述外圈(72)与所述多个行星齿轮(28)中的一个行星齿轮之间，其中所述多个弹性部件(80)中的每个弹性部件连接到所述多个弹性部件(80)中环向相邻的一个弹性部件。
12.一种风力发电机(10)，其包括：
塔筒(12)；
安装到所述塔筒(12)的机舱(14)；以及
容纳在所述机舱(14)中的行星齿轮系统(20)，所述行星齿轮系统(20)包括：
架(24)；
设有中心行星轴(42)的行星齿轮(28)；
将所述行星齿轮(28)连接到所述架(24)的销(50)；
设置在所述行星齿轮(28)与所述销(50)之间的轴承(60)，所述轴承(60)包括多个滚动元件(62)，所述滚动元件(62)中的每个滚动元件与内圈(70)和外圈(72)接触；以及
多个弹性部件(80)，其设置在所述内圈(70)与所述销(50)之间或所述外圈(72)与所述行星齿轮(28)之间，其中所述多个弹性部件(80)中的每个弹性部件连接到所述多个弹性部件(80)中环向相邻的一个弹性部件。
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