CN107763150A - 齿轮箱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有至少一个行星级(100)的齿轮箱,该行星级由至少两个并联的行星齿轮系(110、120)构成。两个并联的行星齿轮系(110、120)弹性地耦合连接,并且对经过并联的行星齿轮系(110、120)的功率流的控制通过协调行星齿轮系(110、120)的单独部件(1、2、5、6、7、30、40)的抗扭刚度实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种齿轮箱。
背景技术
在优选在近海设施中使用的大型风力设备(WKA)中,驱动系中的齿轮箱必须能够可靠地传递极大的扭矩。如果在扭矩高的情况下齿轮对的齿轮接合不充分,则使用功率分流的设计,其中通过齿轮箱将扭矩传递到多个平行的路径上,从而使得各个传递路径必须传递比总扭矩小的扭矩。
汉斯·乔基姆·福斯特(Hans Joachim )在1991年在柏林的海德堡施普林格出版社出版的编号为ISBN 978-3-642-84119-4的《自动化车辆变速器》中,在171-199页上的章节“功率分流装置”中进行了如下限定:“功率分流装置描述如下装置,其中输入轴的功率分布到多个轴系上。在齿轮箱中,其通常也再次被引回到输出轴上”。已知有不同的、将扭矩分布到多个平行的路径上的解决方案。
包括与齿圈和太阳齿轮同时啮合的多个行星齿轮的行星齿轮系是功率分流装置的常见形式。
也在WKA叠加齿轮箱中,在该齿轮箱中进行功率分流,参见P·卡泽利茨(Caselitz,P.)、T·克鲁格(Krueger,T.)在1993年在编号为ISSN0720-8073的风力期刊第13期第3章节第40-41页发表的《具有叠加齿轮箱的转速可变的风力设备》,其中行星齿轮的支座与转子连接,发电机与太阳齿轮连接,并且异步发电机与齿圈连接,经由该异步发电机能够影响发电机转速。
2012年3月21日的文献EP 2 431 632 A1(威能极股份公司(Winergy AG))描述了一种功率分流的WKA齿轮箱,其中将能与转子毂连接的输入轴的扭矩分流到多个平行的正齿轮级上,并且在输出侧再次聚集到两个输出轴上,从而使得转子功率能够以相同的份额分布到两个发电机上。
2002年9月18日的文献EP 1 240 443 B1(罗曼施托尔特福特有限公司(Lohmann&Stolterfoht GmbH)描述了一种具有行星级的WKA齿轮箱,该行星级由至少两个并联的、功率分流的行星齿轮系构成,平衡行星齿轮系形式的、平衡负载的差速齿轮级连接在该行星齿轮系下游。
发明内容
本发明的目的是提供一种在齿轮箱中的改进的功率分流装置。
根据本发明的齿轮箱具有至少一个行星级,该行星级具有至少两个并联的行星齿轮系。这两个并联的行星齿轮系弹性地耦合连接。对经过并联的行星齿轮系的功率流的控制通过协调行星齿轮系的单独部件的抗扭刚度实现。在此,就该意义而言,行星齿轮系的单独部件在初级侧是太阳齿轮的空心轴、柔性的行星轮轴、弹性的接合器、行星架,并且在次级侧是行星齿轮和齿圈。
每个单独部件、即每个构件具有特定的抗扭刚度,在如空心柱体的简单的体部中,能够以分析的方式确定的抗扭刚度。但是最后,总系统中的单独部件、即行星齿轮系的变形叠加。太阳齿轮连同其轴是系统中最软的部件,紧随其后的是行星架;固定在齿轮箱壳体上的齿圈连同齿轮箱壳体一起形成最有刚性的部件。
刚性的协调优选借助于数字仿真实现,该数字仿真能够充分精确地表示总系统的刚性表现连同其交叉影响。通过根据经验的数字模型能够导出简单的分析公式,其在“平日”降低高耗费的数字计算。
关于负载分布,必须在两个影响变量之间进行如下区分,单独部件的初级侧的基本刚性与次级侧的刚性影响参数叠加,该刚性影响参数主要由制造偏差确定。只要单独部件的初级侧的基本刚性在功率分部方面相对于次级侧的刚性影响参数占优,则总系统的在整个运行时间上设置的功率分布是稳定的。原则上,能够设置任意的功率分布,相应的齿部必须与之对应地进行设计。对于由于次级侧的刚性参数引起的负荷分布中的剩余误差,必须考虑相应的安全系数。
对运行中的功率分布的检测优选经由应变片(Dehnungsmessstreifen)在适当的单独部件、即适当的构件上在两个负载路径中进行。负载分布中的偏差能够通过借助机械地移除材料来补偿对一个或多个单独部件的刚性修改。
行星齿轮系的单独部件的抗扭刚度例如能够通过将单独部件的壁厚度、轴向长度、直径和材料来设置到期望的值上。
在根据本发明的解决方案中,用于调节齿轮箱中的功率分流的附加的组件或部件不是必要的;代替于此,已经存在的组件的和部件的抗扭刚度用于对经过并联的行星齿轮系的功率流进行充分控制。因此,本发明实现如下简单的可行性方案,借助常规的器件能传递与至今为止通过齿轮箱传递的扭矩相比显著更高的扭矩。
根据本发明的一个优选的设计方案,行星级具有行星架,该行星架具有至少一个固定在该行星架中的行星轮轴,至少两个行星齿轮能够彼此独立转动地支承在行星轮轴上,行星齿轮分别与齿圈并且分别与太阳齿轮啮合,该太阳齿轮抗扭地设置在对应的太阳齿轮轴上。在此有利的是,能够采用常规的行星齿轮系的结构。
根据本发明的一个优选的设计方案,与太阳齿轮对应的至少两个太阳齿轮轴同轴地设置。在此有利的是,两个负载路径的扭矩能够以节约空间且紧凑的方式引导至齿轮箱的输出轴。
根据本发明的一个优选设计方案,分配给至少两个行星齿轮的齿圈互相刚性地连接,优选设计成一件式的。在此有利的是,能够采用常规的行星齿轮系的结构。
根据本发明的一个优选的设计方案,与太阳齿轮对应的至少两个太阳齿轮轴互相弹性地耦合连接,优选借助于接合器耦合连接。在此有利的是,两个平行的功率路径的抗扭刚度能够由齿轮箱附加地协调。
根据本发明的一个优选的设计方案,至少一个行星轮轴以轴中央部固定在行星架中,其中,至少两个行星齿轮位于行星轮轴上的中央固定部的两侧。优选地,行星轮轴支承在行星架的三个从壁(Wangen)中,即分别支承在行星轮轴的两个端部处的从壁中以及支承在行星轮轴的中央区域中的从壁中。替选于三个从壁,行星轮轴也能够保持在一个所谓的“转向架板(bogie plate)”中,其例如在2009年7月2日的文献US 20090170655A1(汉森(Hansen))的图2中用附图标记15示出。于是,能够借助于行星轮轴和太阳轴进行对抗扭刚度的控制。在此有利的是,能够使用借助已知的所谓的转向架板所获得的经验,其中板转轴在中央由行星架保持,在行星轮轴上的保持件的两侧上分别设置一个行星齿轮。
附图说明
下面,根据多个参考附图的实施例来阐述本发明。分别示意性地以纵截面并且非精确比例地示出:
图1示出齿轮箱的第一设计方案;
图2示出齿轮箱的另一设计方案;
图3示出齿轮箱的另一设计方案,其具有三从壁形式的行星架;
图4示出齿轮箱的另一设计方案,其具有接合器;以及
图5示出齿轮箱的另一设计方案。
具体实施方式
其中,如在机械领域普遍常见的轴承、如滚动轴承或滑动轴承作为具有对角线交叉的方框示出并且具有附图标记20。
图1示出齿轮箱的纵截面图,该齿轮箱具有第一行星级100和连接在第一行星级100下游的第二行星级200。
齿轮箱具有第一行星级100的驱动侧的行星架1,该行星架经由其驱动侧的空心毂与在此未示出的转子轴500耦合连接,该转子轴抗扭地与WKA的风力装置转子连接。第一行星级100的双从壁形式的行星架1在其两个端侧或从壁51、52上分别具有空心毂,在这些空心毂上设置有用于将行星架1支承在壳体8中的轴承20。
第一行星级100由两个并联的且依次相对置地设置的行星齿轮系110、120构成,所述行星齿轮系引起功率分流。为了该目的,这两个行星齿轮系110、120具有第一行星级100的共同的行星架1,该行星架具有第一行星级100的共同的行星轮轴7。行星齿轮系110、120分别具有太阳齿轮3、4和可转动地支承在行星架1中的行星齿轮5、6。为了可转动地支承两个行星齿轮系110、120的行星齿轮5、6,在共同的行星架1中固定第一行星级100的多个共同的行星轮轴7,滚动或滑动轴承20安装在这些行星轮轴上,所述滚动或滑动轴承又支承行星齿轮5、6。
在此,行星齿轮5、6分别与分开的太阳齿轮3、4啮合,但是与第一行星级100的共同的齿圈2啮合。分开的太阳齿轮3、4分别抗扭地安置在可同轴转动地支承的太阳齿轮空心轴30、40上。
太阳齿轮空心轴30、40被引导至壳体穿通口21,在该处所述太阳齿轮空心轴与第二行星级200的行星架9连接,在所述行星架中固定有第二行星级200的行星轮轴13。在此,分配给第一太阳齿轮3的太阳齿轮空心轴30与第二行星级200的行星架9的从壁91连接,而分配给第二太阳齿轮4的太阳齿轮空心轴40与第二行星级200的行星架9的毂94连接。因此,两个太阳齿轮空心轴30、40的旋转运动在第二行星级200的行星架9处聚集。
这两个并联的行星架110、120经由第二行星级200的共同的行星架9和共同的齿圈2弹性地耦合连接。对经过功率分流的并联的行星齿轮系100、120的功率流的控制通过协调行星齿轮系的单独部件的抗扭刚度实现。在此,考虑作为单独部件的有:初级侧的是太阳齿轮的空心轴30、40、柔性的行星轮轴7、弹性的接合器、连接在下游的行星级200的行星架9和其行星轮轴13;次级侧的是行星齿轮5、6和齿圈2。
通过适当地选择这些部件的和必要时其他组件的抗扭刚度,能够控制施加在齿轮箱的输入端处、即施加在驱动侧的空心毂上的扭矩的功率分流。
行星齿轮系的单独部件的抗扭刚度例如能够通过将单独部件的壁厚度、轴向长度、直径和材料调节到期望的值上来设定。
图2示出具有第一行星级100的齿轮箱的纵截面图,该第一行星级基本上与图1中示出的齿轮箱的第一行星级相同地设计。全部在图1中应用的附图标记在此也表示类似的构件。唯一的主要区别在于:太阳齿轮空心轴30、40在到连接在下游的部件、例如第二行星级的接口17处直接地彼此连接,如果连接是刚性的,就例如借助于焊接连接或螺旋连接进行连接,如果连接是形状配合的,就例如借助于轮齿接合器进行连接,或者如果连接是弹性的,就例如借助于弹性体接合器进行连接。
图3示出具有第一行星级100的齿轮箱的纵截面图。全部在图1和2中应用的附图标记在此也表示类似的构件。与图1中示出的第一行星级100的行星架1不同,图3中示出的行星架1具有三个从壁:在两个端侧的从壁51、52,如在图1中示出的行星架那样安置空心毂,所述空心毂用于将行星架支承在壳体8中并且用于固定行星轮轴7。设置在其之间的第三从壁53用于附加地径向地支撑延长的行星轮轴7。通过延长行星轮轴7,行星轮轴7的抗扭刚度变得更强,以该方式能够借助于行星轮轴7更好地控制两个平行经过齿轮箱的功率路径的抗扭刚度。此外,该解决方案提供行星轮轴的改进的夹紧可行性。
代替连续的设计,行星轮轴7也能够设计成两件式的,也就是在中央的从壁53中分开。在该情况下,行星轮轴7与连续的实施方案相比以更低的强度作用于子系统行星架1/行星轮轴7上。
此外,在图3中示出的齿轮箱中,第一行星级100的第一太阳齿轮3轴向地与第一行星级100的第二太阳齿轮4耦合连接。以该方式取消了分配给第一太阳齿轮3的太阳齿轮空心轴30,并且只有分配给第二太阳齿轮4的太阳齿轮空心轴40被引导至到在下游连接的部件的接口17上。
图4示出具有第一行星级100的齿轮箱的纵截面图,该第一行星级基本上与图1中示出的齿轮箱的第一行星级相同地设计。全部在图1中应用的附图标记在此也表示类似的构件。唯一的主要区别在于:太阳齿轮空心轴30、40在其输出侧的端部处借助于接合器15彼此耦合连接并且与连接在第一行星级100下游的连接部件16耦合连接。通过附加的接合器15,能够由齿轮箱附加地协调两个平行的功率路径的抗扭刚度。
协调能够通过数字仿真如下地进行:接合器在此刚好如太阳齿轮和行星架那样具有特定的刚性,能够选择该刚性以设置需要的负载分布。协调在设计阶段中优选借助于数字仿真进行。对负载分布的检查优选在负载的情况下经由在两个负载路径中的适当部位处的扩展测量来进行。负载分布中的偏差能够通过借助机械地移除材料来补偿对一个或多个构件的刚性修改。
图5示出具有第一行星级100和第二行星级200的齿轮箱的纵截面图,所述行星级基本上与图1中示出的齿轮箱的行星级相同地设计。全部在图1中应用的附图标记在此也表示类似的构件。
太阳齿轮空心轴30、40被引导至壳体穿通口,在该处所述太阳齿轮空心轴与第二行星级200的行星架9刚性地连接,在所述行星架中固定有第二行星级200的行星轮轴13,在所述行星轮轴上分别可转动地支承第二行星级的行星齿轮12,所述行星齿轮与第二行星级的齿圈10和与第二行星级的太阳齿轮11啮合。分配给太阳齿轮11的太阳齿轮空心轴形成齿轮箱的输出装置。
与图1中示出的齿轮箱的主要区别在于:分配给第一太阳齿轮3的太阳齿轮空心轴30与第二行星级的驱动侧的内从壁14耦合连接,并且分配给第二太阳齿轮4的太阳齿轮空心轴40与第二行星级的行星架的驱动侧的外从壁18耦合连接。第二行星级的行星架的两个驱动侧的从壁14、18借助于转盘轴承19彼此可转动地支承。
通过第二行星级200的行星架9的驱动侧的从壁划分成内从壁14和外从壁18,能够将具有空心轴30连同内部的行星架从壁14的内部负载路径的抗扭刚度与具有空心轴40连同外从壁18的外部负载路径的抗扭刚度相对地进行协调。能够选择参与的部件14、18、30和40的抗扭/扭转刚度,以使得行星轮轴13在行星架9的从壁中的左侧的和右侧的夹紧部位在切向方向上经受期望的偏移。
Claims (8)
1.一种具有至少一个行星级(100)的齿轮箱,所述行星级具有至少两个并联的行星齿轮系(110、120),其特征在于,两个并联的所述行星齿轮系(110、120)弹性地耦合连接,并且对经过并联的所述行星齿轮系(110、120)的功率流的控制通过协调所述行星齿轮系(110、120)的单独部件的抗扭刚度实现。
2.根据权利要求1所述的齿轮箱,其中,所述行星级(100)具有行星架(1),所述行星架具有至少一个固定在所述行星架中的行星轮轴(7),至少两个行星齿轮(5、6)能够彼此独立转动地支承在所述行星轮轴上,所述行星齿轮分别与齿圈(2)并且分别与太阳齿轮(3、4)啮合,所述太阳齿轮抗扭地布置在对应的太阳齿轮轴(30、40)上。
3.根据权利要求2所述的齿轮箱,其中,与所述太阳齿轮(3、4)对应的至少两个所述太阳齿轮轴(30、40)同轴地布置。
4.根据权利要求2或3所述的齿轮箱,其中,分配给至少两个所述行星齿轮(5、6)的所述齿圈(2)互相刚性地连接。
5.根据权利要求4所述的齿轮箱,其中,分配给至少两个所述行星齿轮(5、6)的所述齿圈(2)设计成一件式的。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的齿轮箱,其中,与所述太阳齿轮(3、4)对应的至少两个所述太阳齿轮轴(30、40)互相弹性地耦合连接。
7.根据权利要求6所述的齿轮箱,其中,与所述太阳齿轮(3、4)对应的至少两个所述太阳齿轮轴(30、40)互相借助于接合器(15)耦合连接。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的齿轮箱,其中,至少一个所述行星轮轴(7)以轴中央部固定在所述行星架中,其中,至少两个所述行星齿轮(5、6)位于所述行星轮轴(7)上的中央固定部的两侧。
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