CN102971553A

CN102971553A - 具有挠性销和螺旋形齿轮的两列行星齿轮系统

Info

Publication number: CN102971553A
Application number: CN2011800189840A
Authority: CN
Inventors: G.福克斯
Original assignee: Timken Co
Current assignee: Timken Co
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2013-03-13
Also published as: US8814746B2; US20130029802A1; EP2558744A1; EP2558744B8; EP2558744B1; WO2011130360A1

Abstract

一种行星齿轮系统（P），包括恒星齿轮（2），环形齿轮（4），设置在恒星和环形齿轮（2，4）之间的支架（6），和被设置成两列并由支架（6）的挠性销组件（32，34）支撑的行星小齿轮（8，10）。所有的齿轮是螺旋形的，其中恒星和环形齿轮（2，4）的齿被排列成双螺旋形角度（人字形），且行星齿轮（8，10）为单螺旋形角度。一列小齿轮（8）与恒星和环形齿轮（2，4）的一个角度的齿接合，且另一列小齿轮（10）与恒星和环形齿轮（2，4）的另一角度的齿接合。转矩经由该支架（6）通过两条转矩路径（a，b）传递—一条至一列挠性销组件（32），另一条至另一列挠性销组件（34），路径（a）比路径（b）刚性更大。由于齿的螺旋形切割，两列行星小齿轮（8，10）在恒星齿轮（2）上施加相反方向的轴向力（A）。恒星齿轮（2）可相对于两列行星小齿轮（8，10）自由地轴向位移或者浮动，从而将轴向力（A）施加至恒星齿轮，该轴向力尽管方向相反但大小相等。因此，尽管两条转矩路径（a，b）的挠性不同，然而传递转矩的切向力（T）是相同的。尽管对于两列行星小齿轮（8，10），支架（6）在挠性销组件（32，34）处会经历不同的偏转，然而两列行星小齿轮（8，10）能传递相同大小的转矩。

Description

具有挠性销和螺旋形齿轮的两列行星齿轮系统

交叉引用

本申请要求2010年4月15日提交的美国临时专利申请61/324,583的优先权并要求其权益，在此结合其作为参考。

技术领域

本发明大体涉及行星齿轮系统，且更具体地涉及的这样的行星齿轮系统，其具有螺旋形齿轮和被设置成在挠性销上的两列的行星小齿轮，其具有用于支架偏转的补偿。

背景技术

行星或周转齿轮系统具有被设置在挠性销上的两个相反列的行星小齿轮，其具有在小的组件中传递大的转矩的能力，即，其具有高的功率密度。参见美国专利7,297,086。该专利的系统利用正齿轮。其行星小齿轮在挠性销上旋转，该挠性销从两个支架壁悬出延伸并与恒星齿轮和环形齿轮啮合。所述支架壁中的一个连接至转矩反作用部件，该转矩反作用部件锚固所述支架防止转动，或者旋转并从该壁直接传递转矩至进一步沿着系统的另一个驱动线组件。无论支架是被锚固以防止旋转，或者旋转并从转矩反作用部件传递转矩至两个支架壁上的挠性销，传递至转矩反作用部件所连接至的支架壁上的挠性销的转矩传递路径将本质地比至相反支架壁上的挠性销的转矩传递路径刚性大，因为至相反支架壁的转矩传递路径还包括将两个支架壁连接的腹板，且腹板具有相应的扭转弹簧刚度，其使得在相反壁上的挠性销的组合弹簧刚度刚性较小。换言之，如美国专利7,297,086中所示的具有正齿轮的设计，不考虑怎样实现转矩传递平衡，由于在两个转矩路径中具有不同的扭转弹簧刚性，将本质地通过各行星列传递不同的转矩值。该刚性更大的转矩传递路径将比包括腹板的刚性较小的转矩传递路径传递更多的转矩和功率。这是个问题，由于为了充分利用挠性销技术以尽量实现小型化，两列行星系统必须实际上通过各列和因此通过各转矩路径传递相同的转矩和功率标称值。换言之，所有的行星齿轮应该传递标称相同的转矩。

PCT/US09/33896（WO 2009/102853）提供了改正的方法，如果如图所示挠性销装配有正齿轮，则可采用该方法。在没有校正的情况下，在正齿轮系统中从一侧至另一侧的转矩传递的通常值大约是（用于讨论目的）：35%通过较小刚度转矩传递路径，65%通过较大刚度转矩传递路径。这表示在该示例中，刚性较大转矩传递路径将传递比刚性较小的转矩传递路径多传递85%的转矩。理想地，如果两条转矩传递路径可传递相同的值，即，总转矩的50%通过各转矩传递路径，则所有的齿轮和与其相关的轴承将受益。PCT/US09/33896公开了试图在两条传递路径实现传递相同转矩的方法。对这些方法进行说明，其中所示的行星齿轮系统配置有正齿轮，这些方法包括使用具有不同弹簧特性的挠性销并将刚度较大的挠性销设置在刚性较小的支架侧；在刚性较小的支架侧上的齿轮中使用较少的齿隙以促使较早的齿轮接触，使刚性较小的支架侧在刚性较大侧之前分度以在其上施加更大载荷，并且改变支架壁的刚性以实现在两条转矩传递路径中的更加平均的整体刚性。

螺旋形齿轮运行平滑，通常具有比正齿轮更小的噪音。此外，螺旋形齿轮的齿比同等尺寸的正齿轮的齿更长和更坚固。但是由于行星小齿轮在恒星齿轮和行星小齿轮之间的啮合处以及在环形齿轮和行星小齿轮之间的啮合处经历推力载荷，所以螺旋形齿轮没有在行星齿轮系统中得到应用。实际上，推力载荷为相反的方向，且产生连接，其使得行星小齿轮倾斜并干扰恒星和环形齿轮的啮合，除非其被抵消。PCT/US2009/043007（WO 2009/152306）公开了用于阻止不需要的偏转的方法，否则会产生上述连接。但是无论齿轮是正的或螺旋形的，挠性销可另外地保持在行星小齿轮与恒星和环形齿轮之间的良好啮合，且因此提供超过跨骑式支架中的端至端地锚固行星小齿轮销的优势。

附图说明

图1是透视图，将根据本发明的实施方式构成的行星齿轮系统局部地且部分地剖切；

图2是齿轮系统的局部纵向剖切视图；

图3是分解透视图，将行星齿轮系统的挠性销组件中的一个局部地且部分地剖切；且

图4是沿着图2中所示的线4-4截取的剖视图，并示出了挠性销组件的偏转禁止器。

具体实施方式

现参考附图，关于主轴线X设置的周转或行星齿轮系统P（图1）包括沿着轴线X设置的恒星齿轮2，围绕恒星齿轮2的环形齿轮4，大致设置在恒星齿轮2和环形齿轮4之间的支架6，以及由支架6支撑并与恒星齿轮2和环形齿轮4接合的行星小齿轮8和10。行星小齿轮8和10关于与主轴线X平行的偏移轴线Y旋转。行星小齿轮8形成一列，而行星小齿轮10形成另一列，其中对于每个行星小齿轮8具有另一个与其对齐的行星小齿轮10，从而形成一组行星小齿轮8、10。恒星和环形齿轮2、4是螺旋形的，行星小齿轮8、10也是。但是恒星齿轮2和环形齿轮4的齿形成两个相反的螺旋形角度，即它们是人字形的齿轮。行星小齿轮8和10的齿形成单个角度的螺旋形角度，其中该行星小齿轮8的螺旋角度与行星小齿轮10的螺旋角度相反。实际上，恒星齿轮2可以是两个分开的单个螺旋形齿轮的形式，其中一个的齿以与另一个的角度相反的角度而切割，但是该两个齿轮必须相对于彼此固定，从而其实际上是单个齿轮的两半。对于环形齿轮4也是同样的。尽管在恒星齿轮2和环形齿轮4上的螺旋形角度是相反的，然而其是大小相等的。行星系统A非常适用于风力涡轮机的传动，从而将风力转子产生的转矩转化为适用于驱动中等尺寸的发电机的较高速度。在该安装中，环形齿轮4保持固定而不转动，将转矩输送至支架6且使其转动，当处于较高的角速度时从恒星齿轮2获得较少的转矩。然而，在另一个传动系统中，恒星齿轮2、环形齿轮4和支架6中的任何一个可保持固定，而另外两个旋转。即使如此，所有的三个部件都承受转矩，且不旋转的一个必需固定以防止其在施加至其的转矩作用下转动。

将恒星齿轮2安装在轴14（图2）上，该轴14沿着轴线X并延伸超过支架6的一端或两端。尽管恒星齿轮2不能在轴14上旋转，然而其可以在轴14上轴向地位移，从而其可在行星小齿轮8的列和行星小齿轮10的列之间“浮动”。为此，通过匹配花键16将恒星齿轮2连接至轴14，该匹配花键16允许恒星齿轮沿着轴14轴向地滑动。与此对比，轴14可相对于环形齿轮4和支架6旋转，且反之亦然。

支架6围绕轴14和恒星齿轮2，且位于环形齿轮4中。支架6包括（图1和2）与行星小齿轮8的列相对地设置的端壁20和与行星小齿轮10的列相对地设置的另一个端壁22。从外，支架6具有牢固地连接至两端壁20和22的腹板24，并且腹板24提供由行星小齿轮8和10占据的容腔（pocket）26。实际上，行星小齿轮8和10从容腔26径向地延伸以与恒星齿轮2和环形齿轮4接合。在其两端壁20和22处，支架6具有支撑轴14的轴承28，使得轴14在支架6中围绕轴线X转动。两个轴承28可采用几种减摩轴承或简单的滑动轴承中的任何一种形式。端壁20装配有连接件30，如套环、轭法兰或者其它转矩反作用元件以将其连接至转子或其它装置，该转子或其它装置将转矩施加至其或通过其。

支架6还包括（图2）挠性销组件32和34，行星小齿轮8和10分别在其上旋转，其中用于小齿轮8的挠性销组件32由端壁20支撑，而用于小齿轮10的组件34由另一个端壁22支撑。支架6的各容腔26容纳挠性销组件32和挠性销组件34，但是在任何容腔26中的挠性销组件32和34尽管大致沿着该容腔26的偏移轴线对齐以形成一组，然而该挠性销组件32和34是分离的，即，该挠性销组件32和34没有彼此连接在一起。

各挠性销组件32和34包括（图2和3）挠性销36，其在一端牢固地锚固至或连接至端壁20或22中的一个，并轴向地延伸至两个腹板24之间的容腔26中。各挠性销组件32和34还具有套筒38，其牢固地装配至挠性销36的一端，挠性销36的该端远离销36所锚固至的壁20或22。套筒38在挠性销36上向后延伸，且除了该套筒38安装至挠性销36的端部，该套筒38从挠性销36径向间隔开。挠性销32或34的行星小齿轮8或10围绕套筒38且，在该行星小齿轮8或10与套筒38之间的轴承40上转动。

更具体地，各挠性销36包括（图2和3）底座42，其牢固地锚固至或以其它方式牢固地配合至端壁20或22，挠性销36从该端壁20或22突出。这里，挠性销36从端壁20或22悬臂延伸。在其另一端，即在距端壁20或22的远端，挠性销36具有头部44。在底座42和头部44之间，挠性销36具有柄46，其可设置有凹槽48以在靠近头部44处将更大的挠性给与挠性销36。挠性销36的套筒38牢固地配合在头部44上，并且在柄46上朝向端壁20或22向后延伸，但是其从柄44径向稍稍间隔开，从而套筒38可相对于挠性销36以轴线X为基准至少周向地位移。该设置形成双悬臂-一个悬臂在底座42处且另一个在头部44处。实际上，套筒38和挠性销36可在挠性销36的头部44处整体地形成。挠性销36的轴承40围绕套筒38且位于挠性销36的小齿轮8或10中。其可采用诸如双排锥形滚针轴承的减磨轴承，角面接触滚珠，或球面滚子轴承，或单排或双排圆柱形棍子轴承，或普通轴承的形式。

优选地，轴承40是双排锥形滚轴轴承，其整体地形成至套筒38和行星齿轮8或10中，以提供整体的挠性销组件32或34。当这样整体形成时，轴承40具有一对形成在套筒38上的内座圈（raceway）50，和一对形成在行星齿轮8或10上的外座圈52。座圈50以相反的方向倾斜，座圈52也是同样的。此外，对于各内座圈50，外座圈52中的一个与其相反地设置，且该外座圈52以与内座圈50相同的方向倾斜。在套筒38的一端相似地倾斜的座圈50和52通过一排滚动元件（rolling element）54分隔，且在套筒38的另一端相似地倾斜的座圈50和52通过另一排滚动元件54分隔。完成该整体的轴承40的是在套筒38的一端的一体推压肋56以及在套筒38的另一端的初始分离肋环（rib ring）58。肋环58便于轴承40的组装和调节，且一旦装配至套筒38则组合轴承40，如美国专利第6,994,651号所公开的，在此结合其作为参考。轴承40承受径向载荷，且由于其座圈50和52的倾斜而还在两个轴方向施加载荷。

当通过挠性销组件32或34传递转矩时，由挠性销36和围绕其的套筒38形成的双悬臂使得偏移轴线Y保持与主轴线X平行，小齿轮8或10关于偏移轴线Y转动，且这保证小齿轮8或10的齿与恒星齿轮2和环形齿轮4的齿之间良好啮合。更具体地，由于将转矩施加在支架6上，并在其端壁20或22处传递至挠性销组件32或34，该挠性销36将与壁20或22相邻地以主轴线X为基准大致圆周地弯曲。其还在头部44之后周向地弯曲，从而套筒38—和其偏移轴线Y—保持与主轴线X平行。然而，齿的螺旋形结构所施加的轴向载荷还使得挠性销36在靠近头部44处径向地弯曲，以包含行星系统A的轴线X和挠性销组件32或34的轴线Y。

径向偏移会干扰小齿轮8或10与恒星齿轮2和环形齿轮4之间的啮合。为了防止该不希望的径向偏移，将偏转禁止器60插入在挠性销36的柄46和与端壁20或22相邻的套筒38之间。其可采用设置在挠性销38上的平台（land）64和套筒38中的另一个平台66之间的滚轴62的形式，其中套筒38中的另一个平台66位于横向地和轴向地限制滚轴62的容腔68的底部。在此结合PCT/US2009/043007（WO 2009/152,306）作为参考，其中公开了禁止器60的另一种配置，其可防止在由挠性销36的偏移轴线Y和主轴线X限定的平面中偏转。

在行星系统P的操作中，转矩以两条路径a和b（图1）通过支架6，前者比后者刚性大。在该刚性大的路径a中，转矩在连接件30和挠性销组件32之间传递经过端壁20。在刚性小的路径b中，转矩在连接件30和挠性销组件34之间传递经过端壁20、腹板24和端壁22。比刚性大的路径a更长的刚性小的路径b，经历更大的偏转，且相应地，在端壁22上的挠性销组件34的偏移轴线Y从端壁20上的挠性销组件32的偏移轴线Y轴向地偏移。尽管该偏移是轻微的，如果没有补偿，挠性销组件32和其上的小齿轮8将传递比挠性销组件34和其上的小齿轮10更多的转矩。

浮动的恒星齿轮2提供了补偿，其使得两组挠性销组件32和34以及其各行星小齿轮8和10的列大致平均地分担传递的转矩。因此，由于齿轮齿的螺旋形切割，与恒星齿轮2的一半啮合的各行星小齿轮8将施加力，该力分解为切向分力T_s，径向分力R_s，和轴向分力A_s。相同的行星小齿轮8与环形齿轮4啮合，施加力，该力分解为切向分力T_r，径向分力R_r，和轴向分力A_r。该切向分力T_s和T_r是相等和加性（additive）的。其将转矩传递至恒星齿轮2。径向分力R_s和R_r是相等和相反的，且恒星齿轮2和环形齿轮4承受径向分力。轴向分力A_s和A_r是相等的且类似地由恒星齿轮2和环形齿轮4承受。实际上，轴向力A_s和A_r是加性的并产生偏转禁止器60承受的一对力。各行星小齿轮10承受相同的力，尽管轴向分力A_s和A_r的方向与相应的行星小齿轮8所经受的轴向分力A_s和A_r的方向相反，这是由于在两个小齿轮8和10上的齿的相反螺旋形切割。因此，恒星齿轮2经受行星小齿轮8施加的轴向力A_s，和另一列的行星小齿轮10施加的相反的轴向力。由于恒星齿轮2轴向地浮动，其会找到轴14上在两个小齿轮8和10之间的中性位置，即小齿轮8施加的轴向力A_s等于小齿轮10施加的轴向力A_s。其中两排小齿轮8和10的轴向力A_s是相等的，两排小齿轮8和10的切向力T_s和T_r也必须是相等的。并且切向力T_s和T_r传递力矩。因此，通过行星小齿轮8传递的力矩等于通过行星小齿轮10传递的力矩，虽然支架6在其端壁22（刚性较小路径b）比其端壁20（刚性较大路径a）偏转较多。当传递的转矩改变且由其在支架6中引起不同的偏转时，恒星齿轮2将在行星小齿轮8和行星小齿轮10之间寻找新的中性位置，但是两列小齿轮8和10会再平均地分担该传递。

从另一个方面考虑该操作，浮动恒星齿轮2会寻找静力平衡，这表示其会浮动至允许推力A_s成为相等和相反的位置。如果相反的推力A_s是相等的，则其相应的切向力T_s和T_r将是相等的，意味着相等的转矩将在两条转矩传递路径a和b上传递。实际上，起始时，来自刚性路径a的推力将比来自刚性较小路径b上的推力大，直到刚性较小路径b扭转地偏转至在两侧上的扭转刚性相等的状态。换言之，支架6在刚性较小侧上将扭转更多以实现对于施加的力的增加的阻力，这意味着齿轮接触在刚性较小侧的啮合周期将比在刚性较大侧的齿轮啮合周期稍超前。由于两列行星齿轮8和10（一列在刚性较大侧，第二列在刚性较小侧）不连接并可独立运行，所以这是可以实现的。

尽管优选两列的螺旋形角度虽然相反但大小相等，然而该角度是可以不同的。

如美国专利第7,297,086中图1所示，浮动恒星齿轮2和环形齿轮4可用于支撑在仅具有单个端壁的支架上的行星小齿轮8和10，在此结合其作为参考。此外，恒星齿轮2可保持在相对于支架6的固定轴向位置处，且允许小齿轮8和10以及环形齿轮4浮动。当恒星齿轮2浮动时，其可牢固地连接至轴14，甚至作为轴4的整体部分，在该情况下，轴14浮动且当然恒星齿轮2与其一起。连接件30可被配置成使得刚性较小路径仅延伸通过腹板24和端壁22。

Claims

1.一种行星齿轮系统，包括：

恒星齿轮，其被设置成沿着主轴线，并且具有被设置成相反角度的第一和第二螺旋形齿；

环形齿轮，其中心被设置成沿着所述主轴线，且具有设置成相反角度的第一和第二螺旋形齿；

第一行星小齿轮，其具有与所述恒星和环形齿轮的所述第一螺旋形齿啮合的螺旋形齿；

第二行星小齿轮，其具有与所述恒星和环形齿轮的所述第二齿啮合的螺旋形齿；

支架，其设置在所述恒星和环形齿轮之间且支撑所述第一和第二行星小齿轮，使得其关于基本与所述主轴线平行的偏移轴线转动，所述支架具有连接件，在该连接件处将转矩施加至所述支架，所述支架还具有在所述连接件和所述第一行星小齿轮之间的第一转矩传递路径，以及在所述连接件和所述第二行星小齿轮之间的第二转矩传递路径，其中所述第一路径比所述第二路径刚性更大；

齿轮中的一个被安装成围绕所述主轴线，使得其可相对于所述第一和第二小齿轮轴向地位移，以到达中性位置，其中在该中性位置由所述螺旋形齿与该齿轮的啮合产生的轴向力是基本相等和相反的，且经由所述第一小齿轮传递的转矩与经由所述第二小齿轮传递的转矩基本相等。

2.一种行星齿轮系统，其中所述第一和第二行星小齿轮被设置成组，在各组中具有第一小齿轮和第二小齿轮，其中在该组中两个小齿轮的偏移轴线是大致对齐的。

3.根据权利要求2所述的行星齿轮系统，其中所述支架包括：

相反地设置且支撑所述第一小齿轮的第一端壁；

相反地设置且支撑所述第二小齿轮的第二端壁；和

腹板，其将所述第一和第二端壁连接并在第一和第二小齿轮组之间延伸；

且其中第一转矩路径通过第一端壁，第二转矩路径至少通过所述腹板和所述第二端壁。

4.根据权利要求3所述的行星齿轮系统，其中各第一和第二小齿轮由安装在支架端壁上的挠性销组件支撑，该支架端壁与设置小齿轮的端壁相反。

5.根据权利要求4所述的行星齿轮系统，其中各挠性销组件包括：

挠性销，其从所述挠性销组件所安装的所述支架端壁悬臂延伸；

套筒，其在所述挠性销的远离所述支架端壁的一端牢固地连接至所述挠性销，所述套筒在所述挠性销上朝向所述端壁向后延伸，使得其从所述挠性销的所述一端悬臂延伸；和

轴承，其设置在由所述挠性销组件支撑的所述套筒和所述小齿轮之间。

6.根据权利要求5所述的行星齿轮系统，其中各挠性销组件还包括设置在其挠性销和其套筒之间的偏转禁止器，使得其防止所述套筒在由所述主轴线和被所述挠性销组件支撑的小齿轮的所述偏移轴线限定的平面内朝向所述挠性销偏转。

7.根据权利要求5所述的行星齿轮系统，其中所述恒星和环形齿轮的齿所设置的相反角度的大小相等。

8.根据权利要求5所述的行星齿轮系统，其中所述恒星齿轮能够轴向地位移，且所述环形齿轮、行星小齿轮和支架相对于彼此处于固定的轴向关系。

9.根据权利要求3所述的行星齿轮系统，其中第二转矩路径还通过所述第一端壁。

10.根据权利要求1所述的行星齿轮系统，其中所述恒星齿轮能够轴向地位移，且所述环形齿轮、行星小齿轮和支架相对于彼此处于固定的轴向关系。

11.根据权利要求1所述的行星齿轮系统，其中所述恒星和环形齿轮的齿所设置的相反角度的大小相等。

12.一种关于主轴线设置的行星齿轮系统，包括：

沿着所述主轴线设置的轴，其轴线与所述主轴线一致；

恒星齿轮，其安装在所述轴上且具有被设置成相反角度的第一和第二螺旋形齿；

环形齿轮，其围绕所述恒星齿轮设置且具有第一和第二螺旋形齿，其分别朝向所述恒星齿轮的第一和第二齿向内设置，所述环形齿轮的第一和第二齿也被设置成相反的角度；

第一行星小齿轮具有与所述恒星和环形齿轮的所述第一螺旋形齿啮合的螺旋形齿，从而所述第一小齿轮将向所述恒星齿轮施加轴向力；

第二行星小齿轮具有与所述恒星和环形齿轮的所述第二螺旋形齿啮合的螺旋形齿，从而所述第二小齿轮将以与所述第一小齿轮施加的轴向力相反的方向在所述恒星齿轮上施加轴向力，各第二小齿轮与第一小齿轮沿着与所述主轴线基本平行的偏移轴线大致对齐；

支架，其具有设置成与所述第一小齿轮相对的第一端壁和设置成与所述第二小齿轮相对的第二端壁，以及连接第一和第二壁的腹板；

第一挠性销组件，其将所述第一行星小齿轮连接至所述支架的所述第一端壁；

第二挠性销组件，其将所述第二行星小齿轮连接至所述支架的所述第二端壁；

所述恒星齿轮被安装成使其可相对于所述第一和第二小齿轮轴向位移，以到达中性位置，在该中性位置所述第一小齿轮施加的所述轴向力与所述第二小齿轮所施加的所述轴向力相等。

13.根据权利要求12所述的行星齿轮系统，其中各挠性销组件包括：

挠性销，其从所述挠性销组件所安装的支架端壁悬臂延伸；

14.根据权利要求13所述的行星齿轮系统，其中各挠性销组件还包括设置在其挠性销和其套筒之间的偏转禁止器，使得其防止所述套筒在由所述主轴线和被所述挠性销组件支撑的小齿轮的所述偏移轴线限定的平面内朝向所述挠性销偏转。

15.根据权利要求12所述的行星系统，其中所述恒星和环形齿轮的齿所设置的相反角度的大小相等。

16.根据权利要求12所述的行星系统，其中通过匹配花键将所述恒星齿轮连接至所述轴。

17.根据权利要求12所述的行星系统，其中所述轴由轴承支撑在所述支架中。