CN106461056A - 单向传递扭矩的齿轮传动装置 - Google Patents

Abstract

一种齿轮传动装置(10)，所述齿轮传动装置(10)包括具有不同的直径的彼此啮合的多个齿轮，至少一个第一驱动齿轮(11)绕着其自身的轴线(12)以旋转(M)致动并且至少一个第二从动齿轮(13)与所述第一驱动齿轮(11)啮合，所述齿是非对称的，所述驱动侧(15)彼此共轭，所述齿轮(11,13)的齿(14)的被动侧(16)彼此不共轭，并且其中，所述被动侧(16)构造成使得穿过齿(14)的尖端的半径(L)大体上与所述被动侧(16)相切或者与其相交。

Description

单向传递扭矩的齿轮传动装置

技术领域

本发明涉及一种具有单向操作的齿轮传动装置，除了相对于现有技术具有很大的优点的其它方面之外，该齿轮传动装置对于相同齿轮尺寸就耐用性和可靠性而言还具有特别地关于适于传递的功率的很高的效率。

背景技术

该类型的齿轮传动装置通常被应用于将产生成机械能的旋转轴机器与用户机器、例如发电机相连接。

在这些机械机组中，机械传动装置的可靠性尤为关键，机械传动装置总是必须包括齿轮传动装置以将作为马达或机械能发生器来运行的机器的速度调配成以机械能用户来运行的机器所需要的速度。

这些传动齿轮通常在高速气体涡轮机作为马达时使用这些传动齿轮的情况下被要求作为减速齿轮来运行，或者相反地在马达相对很慢时、例如在它们由风力涡轮机来致动的情况下作为超速齿轮来运行。

齿轮传动装置的维修操作或更换操作需要将整个机组停止持续相对长的时间，并因此除了传动齿轮的更换或者维修的成本之外还引起相当大的经济损失。

该问题在致动发电机的风力涡轮机中尤为重要。除了上述提到的问题之外，到达布置在塔顶处的传动齿轮也是很困难的。

在风力涡轮机中的超速齿轮传动装置遭受不利地的问题，从而即使对于传动齿轮必须相对很轻并具有小的体积的这样的事实也需要频繁维护，同时需要在运动传递中具有很大的规律性，并且已经发现齿轮的齿的主动侧的表面损坏以不希望的频率发生，损坏是如此常见以致于已经成立了专门的公司用于维修这些昂贵的齿轮的主动侧。

为了使这些齿轮可靠并足够耐用，从这个角度来看，所属领域的技术人员通常认为被优化且被要限制的第一个参数是赫兹压力(Hertz pressure)。

己知的沃勒曲线(Wohler curve)告诉我们传动装置运行的耐用性通过降低在接合的齿之间的接触面上的负载而在该曲线中所存在的所谓的“拐弯”之后产生非限定的耐用性来延长。

然而，该曲线(同时在ISO6336版和AGMA版中)在拐弯之后具有进一步地倾斜，该倾斜表示在一些情况下损坏还在高数量的周期期间发生，这些周期在达到它们时曾经被认为是“安全的”，从而意味着将排除齿的驱动表面的进一步的损坏。

根据现有技术的该教导，即使齿轮已经达到十亿次周期，可能仍然存在表面损伤。假设该类型的损伤与表面粗糙度、润滑油的杂质、负载的施加方式以及通常触发局部损伤的所有因素有关，所述局部损伤甚至发展成通常称为“点蚀”的表面损伤，这种现象通常来自应力。

还已知的是，润滑油在表面现象中起着非常重要的作用。

当然真实的情况是，上一代的添加剂EP和增塑剂具有相当大的优点并且已知的另一理论教导了弹性流体动压(EHD)油膜的更大厚度如何提高了齿轮的预期寿命。

在目前供公众使用的于1985年出版的NASA文件参考出版物1152-AVISCOM技术报告84-C-15“传动装置”中，示出了齿轮的使用寿命取决于一参数，该参数的数值由润滑油膜的厚度和粗糙度的均方根之间的比值构成。

由于粗糙度不能低于工业应用值，因此该参数由于在制造成本方面的显而易见的原因在工业减速齿轮的制造中存在限制。

为了增加EHD油膜厚度，人们能够想到的是增加润滑油的粘度，但该设置受制于经常性的低温和随着粘度增加而增加的能量损失，这些装置(特别在风力涡轮机中)在该经常性的低温下必须能够启动。此外，这些重要的齿轮装置几乎一直通过泵和分配器来润滑，这些重要的齿轮装置在太高的粘性下不能良好的运行。特别是，在这种应用中，大气条件发生极端变化引起非常高的温度变化，所述温度变化当润滑油在大气条件变化以及由于该使用而所谓的多级润滑油甚至是不适合的时不能改变时使得粘度优化的问题更为关键。

发明内容

因此，现有技术水平已经使设计者努力致力于通过以下方式朝着获得紧凑且轻便的减速齿轮和超速齿轮的以下目的：

-减少赫兹压力

-增加EHD油膜的厚度

-(例如珩磨)获得具有低粗糙度并且具有有利的轮廓的表面。

现有技术水平在具有常规配置的传动齿轮中以与工业规模的生产和可接受的成本相兼容的方式获得这些参数中的尝试中已经取得了令人满意的结果。

由于已知的是赫兹压力越低，可靠性随着时间推移越高，因此本发明进一步地目的是找到一种对于由齿轮所传递的相同动力而言在不增加齿轮箱的体积并可能地减少齿轮箱的体积、甚至在不增加传动装置在齿轮的配置上运行的运行时间的情况下降低该应力的问题的解决方案。

为了减少赫兹压力，必须增加接触表面的曲率半径，但是该增加隐含着在其它因素相同的情况下存在着操作压力角的增加。然而这与保持高端面覆盖范围的需要相冲突，所述高的端面覆盖范围是必须的，因为它至少对于在曲率半径是不利的位置处将负载分布在一个以上的触点上的作用区段的一部分而言也降低了赫兹压力，并且因为它有助于以基本的方式将运动有规律地传递。

应该记住的是，运动的不规律引起振动，所述振动在所传递的动力越大时越高，通常在能量生成中动力传递非常高。

为了增加压力角，必须限制齿的高度，所述齿很快变“尖的”并且因此端面覆盖范围也受到限制。

操作压力角能够通过增加冠的校正系数来增大，但是由于齿的高度不能增大，该设置甚至将导致同样的限制覆盖范围的问题，从而减少了作用区段的长度。

该解决方案可在低速减速齿轮中被接受，从而引起校正系数的总和>0，然而牺牲了有利于承载能力的高覆盖范围的需求。

引起校正系数的总和>0的压力角增大、例如从20°增大至23°的变化可增加曲率半径，但是限制了端面覆盖范围，然而，期望的是由于以上所示的原因而增加端面覆盖范围。

根据本发明，传动齿轮的齿轮啮合可假定成例如允许增大压力角，同时增大端面覆盖范围等级并显著降低齿上的负载的配置。

根据本发明，这些目的通过制成如在权利要求1中所限定的齿轮传动装置而获得。根据本发明的齿轮传动装置的进一步的特征将在从属权利要求中强调。

附图说明

根据本发明的齿轮传动装置的特征和优点参考所附的示意性的附图根据以下示例性且非限制性的描述将变得更清楚，在附图中:

-图1示出了具有两个齿轮的齿轮传动装置的示意图；

-图2示出了在己知的齿轮的齿和根据本发明的齿轮的齿之间的比较；

-图3以示意性方式示出了己知的传动齿轮的齿轮的对称齿和本发明的传动齿轮的轮的齿之间在齿距上的差异；

-图4示出了根据本发明的两个齿轮的接合部分的放大的细节；

-图5示出了己知的传动齿轮的齿和根据本发明的齿轮的齿的进一步地比较；

-图6示意性地示出了包括两个外齿轮和一内齿冠的传动齿轮的接合状态；以及

-图7以示意性方式示出了由根据本发明的齿轮啮合的配置所得到的作用区段的长度。

具体实施方式

对于通过齿轮传动或者齿轮传动装置所描述的本发明的目的，我们将展示在马达或者驱动构件和从动或者用户构件之间的机械能传动装置，其中，第一构件的运动通常以一定速度变化传递至第二构件。特别地，马达或者驱动构件和用户或者从动构件由旋转轴制成，其中，第一构件(马达或者驱动轴)可与产生机械能的机器联接并且第二构件可与使用机械能的机器联接。即，用户或者从动构件具有输出部，该输出部可连接至使用动力的机器。

使用机械能的机器例如是产生电能的机器。

正如从以下描述将变得更清楚的，根据本发明的传动装置使用具有非对称齿的齿轮，这非对称齿对运行特性具有重要的技术上的影响。

参考图1，大体上由附图标记10示出的根据本发明的齿轮传动装置通过简单地示出包括在其中的齿轮而示意性地示出，每个齿轮安装在轴上并且是可旋转的，根据本身是已知的总体布置，一个轴设置成用于运动的输入，并且另一轴设置成用于运动的输出。用于运动输入的轴通常地称之为驱动或者马达轴并且它可与能够产生机械能的机器联接。用于运动输出的轴具有可与使用机械能的例如用于生成电能的机器联接的输出部。传动装置10的齿轮包括马达或者驱动齿轮11和从动齿轮13，传动装置的齿轮在方向M上绕着它自身的轴线12被旋转致动，并且从动齿轮绕着它自身的轴线130通过驱动齿轮11来旋转设置。

根据本发明的齿轮11和齿轮13具有非对称齿，对于相同的齿高而言，该非对称齿在数量上大于可在具有同一直径的齿轮中所提供的齿的数量。该传动装置适于以单方向传递运动，并且旋转方向通过箭头M来识别。

两个齿轮在本发明的这种类型的目的的传动装置中具有作为示例的齿的数量，该齿的数量对于驱动齿轮11而言等于20并且对于从动齿轮13而言等于26。

参考附图，能够注意到的是，齿轮11和齿轮13中的每一个齿轮的齿14的主动侧15，或者更确切的说搁置在对应于与第一个齿轮接合的齿轮的齿14的主动侧15上的主动侧15保持其本身已知类型的、例如渐开线的典型的共轭轮廓。

另一方面，同一齿14的相对的被动侧16具有降低的轮廓，即被动侧如其在附图中所示的相对于它们在它们是对称时可能具有的配置是中空的。

特别地，该降低的轮廓包括每一个齿14的被动侧16的轮廓的相对于相应的对称齿的共轭轮廓的减少部分25，所述降低的轮廓使得齿14不仅是非对称的，而且彼此沿着被动侧16或者至少沿着它的大部分是非共轭。

被动侧16的只有朝着每一个齿14的头部的端部和凸形部分能够引起与朝着即靠近反向齿轮的齿的底部的凹形部分是共轭的，并且从附图中很清楚的是，朝着头部的凸形部分的长度是如何比朝着底部的凹形部分的长度小得多。为此，可以看到，被动轮廓16如何具有两个单独的部分，一个凸形部分16'和一个凹形部分16”。凸形部分具有有限的长度，并且即使小的凸形部分在生产期间的尺寸控制步骤中和在同步运行的传动装置中均是有用的，凸形部分也能够具有将齿带至具有尖锐边缘的端部的零长度。凹形部分更长，并且它从凸形部分的端部到达具有大半径的底部。正如可从图中看出的，被动侧16的凸形部分16'完全在节距圆外部，从而能够被减少以趋于零。

可从图4中看出齿的底部曲线如何优选地具有非常宽的曲率半径。在最常见的情况下，其中齿的底部曲线是通过具有带有外周的拱形的圆形头部的螺旋铣削机或者螺旋研磨机(包络滚铣刀)所生成的摆线型的，与通常大约0.2和0.3模数的数值相比，这些工具的这些头部半径优选地为大约0.5–0.7模数、典型地为0.5模数的量级。该特征特别适于如下结构问题:本发明的齿比那些己知的齿轮啮合的齿更细，因此它们必须具有很大的半径，以减少缺口效应并增加抗弯曲性，这是甚至用于高传递扭矩运行的所必须的条件。也通过这种选择有利地实现啮合的纯几何结构的比例。

因此，一般地来讲，本发明提供了采用典型地但不必然地具有直齿的齿轮，其中，该非对称齿具有非共轭的被动侧16(或者以以上所描述的方式共轭的被动侧，凸形部分16'与反向齿轮的齿的凹形部分16”共轭，其中，当然在不传递很大的扭矩的情况下考虑到接触面积的有限区域它能够通过在运动反向的情况下的驱动来运行的意义上讲，凸形部分16'与反向齿轮的齿的凹形部分16”共轭)并且相对于共轭的轮廓凹陷地很厉害。

如在图2中所示，也能够在两个相继的齿14之间在主动运行侧15的基部处和在被动侧16的基部处均提供槽的进一步的下降或凹陷26。正如很清楚的是，槽的该下降的部分或凹陷26增加了齿的高度。使齿14成为非对称的并且更特别地沿着被动侧16提供了齿14的下降的部分或者凹陷25的可能性本身已经是己知的事情。

根据本发明，齿14的被动侧16的不需要共轭的体积25的去除引起齿14之间的齿距显著得减少。

示意图3正好示出了由于齿14的被动侧16的减少部分25使齿距P1在不影响传动装置运行的情况下相对于为同一高度的对称齿的已知的齿轮所提供的齿距P2能够如何显著地减少。

由于减少了齿距，因此增加了齿的数量并且以显著的方式增加覆盖范围。

的确，应当考虑常规的齿轮啮合，所述齿轮啮合提供了形成对称齿的最大数量，所述对称齿具有带有预定直径齿距线的共轭轮廓。

齿的该整形导致在图3中由虚线20所示的它的显著地尖锐的配置，其中，共轭侧用附图标记21标示，其适于搁置在传动装置的对应的齿轮的齿的一侧上。附图标记22示出了齿20的被动侧的轮廓。

沿着根据现有技术水平的该齿的轮廓，根据本发明的一系列齿14在图中用实线重叠地表示。

齿14的共轭侧15的轮廓由具有一定高度的齿14的轮廓构成，该高度对于该齿而言太高而不能具有对称的轮廓。在最大高度的情况下，两侧的轮廓在它具有对称的轮廓时将确定该尖锐的齿。

正如之前所描述的，齿轮啮合的被动侧16从具有通过去除材料而凹陷的凹形轮廓的共轭轮廓15的顶部开始形成。

从几何结构的角度观点来看，被动侧16的凹陷25被实现成，使得相应的齿轮11、13的穿过齿的头部40的半径L大体上与被动侧16的同一轮廓相切或者与其相交。因此，我们的意思是，半径L并不是严格地穿过齿的旨在作为距齿轮的中心最远的点的顶点，而在由旨在作为齿本身的端面的头部的配置所确定的合理的附近区域内。

特别地，该半径L以一定的距离略微地在被动侧16的内部，该距离可与齿14的头部40的尺寸(即宽度)相当，或者该半径可在被动侧16处的一点中相切，或者该半径可在两个点17、18处与被动侧16相交，因此还在齿14的外部确定了较短部分。

该情况在图4中示出并且它进一步地表示与在现有技术中所发生的情况之间的差异，其中，通过齿的顶点的半径甚至在具有非对称齿轮啮合的情况下完全且大体上在相对的齿的内部。

在图4中所示的实施例的细节中，被动侧16包括具有面向的齿轮的对应的齿的第一共轭的尖端部分16′和具有喉部的第二连接部分16"，所述第二连接部分不与面向的齿轮的对应的齿共轭。

优选地，被动侧16的该第二连接部分16"具有相对于驱动侧15面向同一方向的凹度。

甚至更有利地，被动侧16的第二连接部分16"大体上平行于驱动侧15。

根据该最后一个实施例，也能够可以这样说，齿14实际上正好塌缩于在任何情况下限定了一定齿厚的操作侧15上，该齿厚尺寸限定成使得抵抗在甚至用于高压的齿轮传动装置的使用中所生成的机械应力。

根据本发明，不再需要根据共轭轮廓配置齿的被动侧。

这样，根据本发明的齿可具有遵循理论共轭轮廓31甚至超过点33的主动侧15，因此确定了更高的齿高。

根据本发明的齿的被动侧16将具有由附图标记36标示的轮廓，该轮廓限定了齿的一部分37，该部分37可存在于将不可能具有对称齿的材料的位置处，然而该部分37将不存在于部分38中，所述部分38在具有对称轮廓的齿中是允许，但是在根据本发明的齿轮啮合中是被排除存在的，以便避免在啮合的齿之间的干涉。

这样，因此实现了本发明的得到更大的齿轮啮合的互补的目的，即对于齿轮传动装置的体积有利的是，使得齿轮以更小的节圆直径和中心距离工作，因此减少了操作圆周齿距。

根据目前为止所做的描述，应该注意的是，根据本发明的具有非对称两侧的齿具有被动侧，所述被动侧具有基本上凹形的远离共轭轮廓的轮廓，尽管对于该被动侧而言可能是大体上直的。

被动侧的“局部的”压力角基本上是负的，达到最大大约1-2.5°。

齿的圆弧齿厚实质上是虚拟的：的确，由表达式齿距圆周/齿数/2所导出的圆弧齿厚的计算导出一数值，所述数值对齿的材料的厚度(该厚度实质上更小)以及对齿在其完成时可能具有的厚度(该厚度甚至对于具有最小压力的任何角度而言将是相当大的)没有影响。

由本发明提出的齿轮的齿的配置也可在外齿轮和内齿冠之间提供啮合联接的齿轮传动装置中、并且特别在具有内摆线型齿轮的传动装置中采用。

图6部分地示出了一种齿轮传动装置，其中具有数量为16个齿的齿轮11用于与具有数量为22个齿的齿轮13啮合，齿轮13继而与具有数量为58个齿的冠齿轮28采用内部齿轮啮合而啮合。很清楚的是，本发明提出采用的齿配置还允许在内齿冠中采用的齿，所述齿的齿距比在具有对称齿的内齿冠中所采用的齿的齿距小，从而允许特别高的覆盖率。正如在附图中所示的，对于本领域技术人员也完全清楚的是，根据本发明的齿轮传动装置的齿轮的齿的轮廓不具有带尖锐边缘的挖根(即带重入或者凹形边缘的挖根)，这在技术生产方面产生明显并且己知的优点。

这样，正如可通过在图7中所示的示意图很容易地理解的，根据本发明的目的，能够增加压力角，同时增加端面覆盖范围的量并显著地减少在齿上的负载，在图7中Pb表示基圆齿距并且附图标记Z表示作用区段的长度。

根据本发明，存在齿的主动面的曲率半径的增加，并且在齿轮的啮合中的啮合的齿的数量上的增加影响了为了增加润滑油膜的厚度与在传动装置的有效寿命上的优点协作。

本发明的传动正如它已经描述的和所示出的可经过许多改进和变型，所有的改进和变型由同一发明构思所覆盖；此外，所有的细节可通过在技术上等同的部件来替换。实际上，所使用的材料以及它们的尺寸可根据技术要求为任何材料或者尺寸。

根据本发明的齿的配置特别适用于具有直齿的齿轮，但是它也可在特别是具有适度的螺旋角的螺旋形齿的齿轮中采用。

正如所预期的，根据本发明所获得的优点通过将齿轮传动装置用作运动输入轴和输出轴的角速度的超速齿轮和减速齿轮来获得。

Claims (13)

1.一种齿轮传动装置(10)，所述齿轮传动装置(10)包括具有不同的直径的彼此啮合的多个齿轮，其中，所述多个齿轮中的至少一个第一驱动齿轮(11)绕着其自身的轴线(12)以旋转(M)的方式致动并且至少一个第二从动齿轮(13)与所述第一驱动齿轮(11)啮合，所述齿轮(11，13)的每个齿(14)包括主动驱动侧(15)和被动侧(16)，每个齿(14)的所述主动驱动侧(15)和所述被动侧(16)相对于彼此是非对称的，所述齿轮(11，13)的对应的齿(14)的驱动侧(15)彼此共轭，其特征在于，所述被动侧(16)构造成使得相应的齿轮(11，13)的穿过每一个齿(14)的头部(40)的半径(L)大体上与所述被动侧(16)相切或者与所述被动侧(16)相交。

2.根据权利要求1所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述半径(L)在两个点(17，18)处与所述被动侧(16)相交，从而限定在所述齿(14)的外部的部分(L′)。

3.根据权利要求1所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，当与所述被动侧的相切达不到与所述齿(14)的头部(40)的尺寸相当的较短距离时，所述半径(L)不接触所述被动侧(16)。

4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述被动侧(16)包括与所述齿(14)的具有喉部的第二连接部分(16")共轭的第一尖端部分(16′)和与相应的反向齿轮的相对的齿(14)的被动侧的相应的部分不共轭的第二连接部分(16")。

5.根据权利要求4所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述被动侧(16)的所述第二连接部分(16")是凹形的并相对于所述驱动侧(15)具有面向同一方向的凹度。

6.根据权利要求5所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述被动侧(16)的所述第二连接部分(16")大体上平行于所述驱动侧(15)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述被动侧(16)包括朝着所述齿的头部的第一部分(16′)，所述第一部分是凸形的并在反向齿轮中与所述反向齿轮的被动侧的第二凹形部分(16")的通过所述齿的底部连接所述反向齿轮的被动侧的第一部分(16′)的部分共轭。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述被动侧(16)包括朝着所述齿的头部的第一凸形部分(16′)和通过所述齿的底部连接所述被动侧的第一凸形部分的第二凹形部分(16")，所述第二凹形部分延伸直到节距圆的外部，具有使所述齿的凹形部分与反向齿轮的凸形部分共轭的可能性。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，凸形且共轭的驱动侧不具有直到所述齿的头部的共轭轮廓，因此，确定了朝着所述齿的头部的轮廓的不与反向齿轮的轮廓共轭的部分。

10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述齿轮传动装置是内摆线型的。

11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的齿轮传动装置(10)，其特征在于，所述齿轮传动装置包括一对外齿轮，其中，所述一对外齿轮中的一个外齿轮啮合内齿冠。

12.一种根据前述权利要求中的一项或多项所述的齿轮传动装置(10)的应用，所述齿轮传动装置用于在能够与用于产生机械能的机器联接的驱动或者马达轴和具有能够与使用机械能的机器联接的输出端的从动轴之间传动机械能。

13.一种减速齿轮或者超速齿轮，包括根据前述权利要求中的一项或多项所述的齿轮传动装置(10)。