CN108708958A - 具有减小的滚子元件应力的齿轮和制造此类齿轮的方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有旋转轴的齿轮，其包括齿轮缘，所述齿轮缘的至少部分被配置成收纳负载且界定对应于所述齿轮缘的所述部分的负载齿轮缘弧。轴承销轴向延伸通过所述齿轮缘，所述齿轮缘和所述轴承销在其间界定滚子元件间隙。所述齿轮缘被配置成界定与所述负载齿轮缘弧基本上同心的负载滚子元件间隙弧，所述负载元件间隙弧具有负载滚子元件间隙弧长度。所述齿轮缘被进一步配置成将所述轴承的负载轴承部分保持在所述滚子元件间隙的所述部分内，使得负载轴承部分长度介于负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的范围中。

Description

具有减小的滚子元件应力的齿轮和制造此类齿轮的方法
技术领域
本发明大体上涉及齿轮和制造齿轮的方法。
背景技术
飞机发动机和类似的涡轮发动机通常包括多个齿轮箱，所述多个齿轮箱包括多个齿轮。一些已知齿轮箱包括周转齿轮总成，所述周转齿轮总成通常包括外部环形齿轮、中心齿轮或太阳齿轮，和安置在外部环形齿轮与中心齿轮之间且被配置成啮合环形齿轮和中心齿轮两者的多个行星齿轮。操作期间，驱动器将旋转力施加到环形齿轮、多个行星齿轮和中心齿轮中的至少一个，由此引发其它周转齿轮总成齿轮中的一个或多个旋转。一些已知行星齿轮包括轴承销和安置在轴承销与行星齿轮的齿轮缘之间的滚子元件轴承。
操作期间，周转齿轮总成的行星齿轮经受由连接行星齿轮的太阳齿轮和环形齿轮产生的力。由行星齿轮经受的力大体上引发行星齿轮缘的部分变得部分负载且响应于施加的负载而变形。举例来说，来自太阳齿轮和环形齿轮的力大体上导致行星齿轮缘的夹捏，使得经受由力引发的应力的行星齿轮缘的第一部分部分地伸长而第二未负载部分保持基本上不变。在具有滚子元件轴承的行星齿轮中，滚子元件轴承大体上安置在界定于齿轮缘与轴承销之间的滚子元件间隙中。因此，齿轮缘的变形可导致滚子元件的不均匀负载，从而缩短其使用寿命且增加维护对应周转齿轮总成的时间和成本。
发明内容
在一个方面中，提供具有旋转轴的齿轮。齿轮包括齿轮缘，齿轮缘的至少部分被配置成收纳负载且界定对应于齿轮缘的至少部分的负载齿轮缘弧。轴承销轴向延伸通过齿轮缘，齿轮缘和轴承销在其间界定滚子元件间隙。轴承安置在滚子元件间隙内，轴承包括围绕轴承销周向安置的多个滚子元件。齿轮缘被配置成界定与负载齿轮缘弧基本上同心的负载滚子元件间隙弧，负载滚子元件间隙弧延伸通过滚子元件间隙的部分且具有负载滚子元件间隙弧长度。齿轮缘被进一步配置成将轴承的负载轴承部分保持在滚子元件间隙的部分内，使得负载轴承部分长度介于负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的第一范围中。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子具有滚子元件直径；且负载轴承部分长度被定义为负载轴承部分内滚子元件的滚子元件直径的总和。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件直径；轴承进一步包括轴承罩，轴承罩包括多个罩指部，多个罩指部的每个罩指部具有罩指部宽度且在多个滚子元件的邻近滚子元件之间延伸；且负载轴承部分长度被定义为保持在负载轴承部分内的滚子元件的滚子元件直径加保持在负载轴承部分内的罩指部的指部宽度的总和。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件直径和滚子元件长度，滚子元件直径和滚子元件长度界定介于包括约0.75到包括约2.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件布置在轴向对准的滚子元件对中。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件长度；齿轮缘具有齿轮缘长度；且多个轴向对准的滚子元件对的每个轴向对准的滚子元件对具有总滚子对长度，总滚子对长度等于轴向对准的滚子元件对中的滚子元件的总长度，齿轮缘长度和总滚子对长度界定介于包括约0.5到包括约1.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件长度且齿轮缘具有齿轮缘长度，滚子元件长度和齿轮缘长度界定介于包括约0.5到包括约1.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，齿轮缘具有齿轮缘长度和齿轮节径，齿轮缘长度和齿轮节径界定介于包括约0.75到包括约2.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，齿轮进一步包括轴承，轴承包括多个滚子元件，轴承具有轴承节径，其中滚子元件直径和轴承节径界定介于包括约0.08到包括约0.3的第二范围中的比率。
在另一方面中，提供齿轮总成。齿轮总成包括太阳齿轮、环形齿轮和连接到环形齿轮和太阳齿轮的多个行星齿轮，多个行星齿轮的每个行星齿轮具有旋转轴。每个行星齿轮进一步包括齿轮缘，齿轮缘的至少部分被配置成收纳负载且界定对应于齿轮缘的至少部分的负载齿轮缘弧。轴承销轴向延伸通过齿轮缘，齿轮缘和轴承销在其间界定滚子元件间隙。轴承安置在滚子元件间隙内，轴承包括围绕轴承销周向安置的多个滚子元件。齿轮缘被配置成界定与负载齿轮缘弧基本上同心的负载滚子元件间隙弧，负载滚子元件间隙弧延伸通过滚子元件间隙的部分且具有负载滚子元件间隙弧长度。齿轮缘被进一步配置成将轴承的负载轴承部分保持在滚子元件间隙的部分内，使得负载轴承部分长度介于负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的第一范围中。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子具有滚子元件直径；且负载轴承部分长度被定义为负载轴承部分内滚子元件的滚子元件直径的总和。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件直径；轴承进一步包括轴承罩，轴承罩包括多个罩指部，多个罩指部的每个罩指部具有罩指部宽度且在多个滚子元件的邻近滚子元件之间延伸；且负载轴承部分长度被定义为保持在负载轴承部分内的滚子元件的滚子元件直径加保持在负载轴承部分内的罩指部的指部宽度的总和。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件直径和滚子元件长度，滚子元件直径和滚子元件长度界定介于包括约0.75到包括约2.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件布置在轴向对准的滚子元件对中；多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件长度；齿轮缘具有齿轮缘长度；且多个轴向对准的滚子元件对的每个轴向对准的滚子元件对具有总滚子对长度，总滚子对长度等于轴向对准的滚子元件对中的滚子元件的总长度，齿轮缘长度和总滚子对长度界定介于包括约0.5到包括约1.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件长度且齿轮缘具有齿轮缘长度，滚子元件长度和齿轮缘长度界定介于包括约0.5到包括约1.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，齿轮缘具有齿轮缘长度和齿轮节径，齿轮缘长度和齿轮节径界定介于包括约0.75到包括约2.0的第二范围中的比率。
根据本发明的一个实施例，齿轮总成进一步包括轴承，轴承包括多个滚子元件、轴承罩和多个罩间隔件，轴承具有轴承节径，其中滚子元件直径和轴承节径界定介于包括约0.08到包括约0.3的第二范围中的比率，且其中滚子元件直径和罩间隔件宽度界定介于包括约0.01到包括约0.50的范围中的比率。
在又一方面中，提供制造齿轮的方法。齿轮具有旋转轴且包括轴向延伸通过齿轮缘的轴承销，齿轮缘和轴承销在其间界定滚子元件间隙。轴承安置在滚子元件间隙内。方法包括将至少一些负载施加到齿轮缘且在负载被施加到齿轮缘时识别对应于齿轮缘的负载部分的负载齿轮缘弧。方法进一步包括识别延伸通过与负载齿轮缘弧基本上同心的滚子元件间隙的负载滚子元件间隙弧，负载滚子元件间隙弧具有滚子元件间隙弧长度。方法还包括选择轴承，使得在齿轮的负载期间，具有负载轴承部分长度的轴承的负载轴承部分保持在滚子元件间隙的部分内。负载轴承部分长度介于负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的范围中。方法还包括将轴承插入到滚子元件间隙中。
根据本发明的一个实施例，轴承包括多个滚子元件，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件直径；且负载轴承部分长度被定义为负载轴承部分内滚子元件的滚子元件直径的总和。
根据本发明的一个实施例，轴承包括：多个滚子元件，多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件直径；以及轴承罩，其包括多个罩指部，多个罩指部的每个罩指部具有罩指部宽度且在多个滚子元件的邻近滚子元件之间延伸；以及负载轴承部分长度被定义为保持在负载轴承部分内的滚子元件的滚子元件直径加保持在负载轴承部分内的罩指部的指部宽度的总和。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解，在所有附图中相同的标号表示相同的零件，在附图中：
图1是示范性燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图2是图1中所展示的燃气涡轮发动机的示范性周转齿轮总成的示意图；
图3是图2中所展示的周转齿轮总成的示范性行星齿轮的示意图；
图4是图3中所展示的示范性行星齿轮的示意性横截面图；
图5是处于负载状态的图3中所展示的示范性行星齿轮行星齿轮的示意图；
图6是可用于图2中所展示的周转齿轮总成的替代行星齿轮的横截面图；且
图7是说明制造可用于图2中所展示的周转齿轮总成的行星齿轮的方法的流程图。
除非另外指明，否则本文中所提供的附图用来说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的广泛多种系统。由此，附图并非意在包括所属领域的技术人员已知的实践本文中所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将引用若干术语，所述术语应定义为具有以下含义。
除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。
“任选”或“视需要”意指随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言可应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及说明书和权利要求书通篇中，范围限制可组合和/或互换，除非上下文或语言另外指示，否则此类范围得以识别且包括其中包括的所有子范围。
本文中所描述的行星齿轮的实施例减少行星齿轮的轴承滚子元件上的应力，这归因于由负载齿轮所引发的行星齿轮的变形。为了适应由负载齿轮引发的齿轮缘(gear rim)的变形，本文中所描述的行星齿轮的实施例包括具有预先确定的滚子元件直径的滚子元件，所述预先确定的滚子元件直径部分地基于由负载齿轮引发的齿轮缘的预期变形。更具体地说，当经受负载时，齿轮缘界定对应于齿轮缘的变形部分的形状的负载齿轮缘弧。类似地，在负载下界定具有负载滚子元件弧长度的负载滚子元件弧。负载滚子元件弧与负载齿轮缘弧基本上同心且延伸通过滚子元件间隙。为了促进对滚子元件的均匀负载，选择滚子元件直径，使得在齿轮的负载期间沿着负载滚子元件弧安置的直径的总和接近或等于负载滚子元件弧长度。
图1是根据本发明的示范性实施例的燃气涡轮发动机110的示意性横截面图。在示范性实施例中，燃气涡轮发动机110是高旁通涡轮风扇喷气发动机110，其在本文中被称作“涡轮风扇发动机110”。如图1中所展示，涡轮风扇发动机110界定轴向方向A(平行于纵向中心线112延伸，其出于参考目的提供)和径向方向R。一般来说，涡轮风扇发动机110包括风扇区段114和安置在风扇区段114下游的核心涡轮发动机116。
所描绘的示范性核心涡轮发动机116大体包括基本上管状的外部壳体118，所述外部壳体118界定环形入口120。外部壳体118以串流关系包覆：压缩机区段123，其包括增压器或低压(LP)压缩机122和高压(HP)压缩机124；燃烧区段126；涡轮机区段，其包括高压(HP)涡轮机128和低压(LP)涡轮机130；和喷气排气喷嘴区段132。高压(HP)轴或转轴134将HP涡轮机128传动地连接到HP压缩机124。低压(LP)轴或转轴136将LP涡轮机130传动地连接到LP压缩机122。压缩机区段123、燃烧区段126、涡轮机区段和喷嘴区段132一起界定核心空气流动路径137。
对于所描绘的实施例，风扇区段114包括可变桨距风扇138，所述可变桨距风扇具有以间隔开的方式连接到盘142的多个风扇叶片140。如所描绘，风扇叶片140大体上沿径向方向R从盘142向外延伸。每个风扇叶片140能够围绕桨距轴线P相对于盘142旋转，原因是风扇叶片140可操作地连接到合适的桨距变化机构144，所述桨距变化机构144被配置成联合地共同变化风扇叶片140的桨距。风扇叶片140、盘142和桨距变化机构144能够通过横跨动力齿轮箱146的LP轴136围绕纵向轴线112一起旋转。动力齿轮箱146包括多个齿轮，以用于相对于LP轴136将风扇138的旋转速度调整到更高效的旋转风扇速度。在替代实施例中，风扇叶片140是固定浆距风扇叶片而非可变桨距风扇叶片。
在示范性实施例中，盘142由可旋转的前毂148覆盖，所述前毂148成空气动力学轮廓以促进空气流通过多个风扇叶片140。另外，示范性风扇区段114包括环形风扇壳体或外部外罩150，所述环形风扇壳体或外部外罩150周向地环绕风扇138和/或核心涡轮发动机116的至少部分。外罩150被配置成相对于核心涡轮发动机116由多个周向间隔开的出口导流板152支撑。外罩150的下游区段154在核心涡轮发动机116的外部部分上方延伸以便在其间界定旁路空气流通道156。
在涡轮风扇发动机110的操作期间，一定体积的空气158经由外罩150和/或风扇区段114的相关联入口160进入涡轮风扇发动机110。当所述体积的空气158经过风扇叶片140时，由箭头162指示的空气158的第一部分被导向或导引到旁路空气流通道156中，且由箭头164指示的空气158的第二部分被导向或导引到核心空气流动路径137，或更具体地说导向或导引到LP压缩机122中。空气的第一部分162与空气的第二部分164之间的比率通常被称为旁路比。在其被导引通过高压(HP)压缩机124且进入燃烧区段126时，空气的第二部分164的压力接着增加，在燃烧区段126处，空气与燃料混合且燃烧以提供燃烧气体166。
燃烧气体166被导引通过HP涡轮机128，在HP涡轮机128处，热能和/或动能的部分经由连接到外部壳体118的HP涡轮机定子静叶168和连接到HP轴或转轴134的HP涡轮机转子叶片170的顺序级被从燃烧气体166抽取，由此使得HP轴或转轴134旋转，从而支持HP压缩机124的操作。燃烧气体166接着被导引通过LP涡轮机130，在LP涡轮机130处，热能和动能的第二部分经由连接到外部壳体118的LP涡轮机定子静叶172和连接到LP轴或转轴136的LP涡轮机转子叶片174的顺序级被从燃烧气体166抽取，由此使得LP轴或转轴136旋转，从而致使动力齿轮箱146使LP压缩机122旋转和/或风扇138的旋转。
燃烧气体166随后被导引通过核心涡轮发动机116的喷气排气喷嘴区段132以提供推进力。同时，当空气的第一部分162在从涡轮风扇发动机110的风扇喷嘴排气区段176抽出之前被导引通过旁路空气流通道156时，空气的第一部分162的压力显著增加，从而也提供推进力。HP涡轮机128、LP涡轮机130和喷气排气喷嘴区段132至少部分地界定热气体路径178，以用于将燃烧气体166导引通过核心涡轮发动机116。
图1中仅以举例方式描绘了示范性涡轮风扇发动机110，且在其它实施例中，涡轮风扇发动机110可具有任何其它合适的配置。在又其它实施例中，本发明的各方面可并入到任何其它合适的燃气涡轮发动机中。举例来说，在其它实施例中，本发明的各方面可并入到例如涡轮螺旋桨发动机中。
图2是燃气涡轮发动机110(展示在图1中)的周转齿轮(epicyclic gear)总成200的示意图。在示范性实施例中，周转齿轮总成200是行星齿轮系。在一个实施例中，周转齿轮总成200容纳于动力齿轮箱146(展示在图1中)内。在其它实施例中，周转齿轮总成200定位成邻近于动力齿轮箱146且以机械方式连接到动力齿轮箱146。
周转齿轮总成200包括太阳齿轮202、多个行星齿轮204、环形齿轮206和托架208。在替代实施例中，周转齿轮总成200不限于三个行星齿轮204。实际上，可使用实现如本文中所描述的周转齿轮总成200的操作的任何数目个行星齿轮。在一些实施例中，LP轴或转轴136(展示在图1中)固定地连接到太阳齿轮202。太阳齿轮202被配置成通过分别围绕太阳齿轮202的径向外周界和行星齿轮204的径向外周界周向地间隔开的多个互补太阳齿轮齿210和多个互补行星齿轮齿212来啮合行星齿轮204。使用托架208将行星齿轮204维持处于相对于彼此的位置中。行星齿轮204固定地连接到动力齿轮箱146。行星齿轮204被配置成通过分别围绕环形齿轮206的径向内周界和行星齿轮204的径向外周界周向地间隔开的多个互补环形齿轮齿214和互补行星齿轮齿212来啮合环形齿轮206。环形齿轮206以旋转方式连接到风扇叶片140(展示在图1中)、盘142(展示在图1中)和从环形齿轮206轴向延伸的桨距变化机构144(展示在图1中)。LP涡轮机130使LP压缩机122以恒定速度和扭矩比旋转，所述扭矩比是由环形齿轮齿214、行星齿轮齿212和太阳齿轮齿210的功能以及约束动力齿轮箱146的方式来确定。
周转齿轮总成200可以三种可能的配置来配置：行星、星形和恒星。在行星配置中，环形齿轮206保持静止，而太阳齿轮202、行星齿轮204和托架208旋转。LP轴或转轴136驱动太阳齿轮202，所述太阳齿轮202被配置成使行星齿轮204旋转，所述行星齿轮204被配置成使托架208旋转。托架208驱动风扇叶片140、盘142和桨距变化机构144。太阳齿轮202和托架208在相同的方向上旋转。
在星形配置中，托架208保持静止，而太阳齿轮202和环形齿轮206旋转。LP轴或转轴136驱动太阳齿轮202，所述太阳齿轮202被配置成使行星齿轮204旋转。行星齿轮204被配置成使环形齿轮206旋转，且托架208固定地连接到动力齿轮箱146。托架208维持行星齿轮204定位，同时允许行星齿轮204旋转。环形齿轮206以旋转方式连接到风扇叶片140、盘142和桨距变化机构144。太阳齿轮202和环形齿轮206在相反方向上旋转。
在恒星配置中，太阳齿轮202保持静止，而行星齿轮204、环形齿轮206和托架208旋转。LP轴或转轴136可驱动环形齿轮206或托架208。当LP轴或转轴136连接到托架208时，行星齿轮204被配置成使驱动风扇叶片140、盘142和桨距变化机构144的环形齿轮206旋转。环形齿轮206和托架208在相同的方向上旋转。
在LP轴或转轴136连接到环形齿轮206的恒星配置中，环形齿轮206被配置成使行星齿轮204和托架208旋转。托架208驱动风扇叶片140、盘142和桨距变化机构144。环形齿轮206和托架208在相同的方向上旋转。
图3是周转齿轮总成200(展示在图2中)的示范性行星齿轮204的示意图。图4是示范性行星齿轮204的横截面图。行星齿轮204包括轴承销302、轴承303、齿轮缘306和多个齿轮齿308。齿轮缘306包括外部径向表面312和内部径向表面314。托架208(展示在图2中)连接到轴承销302。齿轮齿308围绕外部径向表面312周向安置。齿轮齿308中的每一个包括齿轮齿尖309。邻近齿轮齿308在其间界定齿轮齿空间311。行星齿轮204具有与齿轮齿空间311的底部重合的齿根圆350，和与齿轮齿尖309中的每一个重合的齿顶圆352。行星齿轮204进一步具有节圆354，所述节圆354具有齿轮节径355。轴承303具有轴承节径380包括在滚子元件间隙313中安置于轴承销302与齿轮缘306之间的多个滚子元件304。多个滚子元件304的每个滚子元件304具有滚子元件直径305。多个滚子元件304保持在轴承罩382内。轴承罩382包括前向板386和与前向板388相对的后向板(未展示)。多个罩间隔件384在滚子元件304之间延伸且具有大于滚子元件304的长度的长度，从而将前向板386连接到后向板388，使得在滚子元件304的端部与前向板386和后向板388的外表面之间存在空间。每个罩间隔件384具有罩间隔件宽度390，每个罩间隔件384界定在邻近滚子元件304之间的空间。在替代实施例中，行星齿轮204包括滚子元件304、间隔件384、轴承笼382的任何组合，且具有促进周转齿轮总成200如本文中所述进行操作的任何尺寸。
如图4中所展示，示范性行星齿轮204进一步具有齿轮缘长度356且滚子元件304中的每一个具有滚子元件长度358。在示范性实施例中，滚子元件304各自具有基本上相等的滚子元件长度358。在其它实施例中，滚子元件304具有不同滚子元件长度。在示范性实施例中，滚子元件304布置在围绕轴承销302安置的轴向对准的滚子元件对360中。
图5是处于负载状态的周转齿轮总成200(展示在图2中)的示范性行星齿轮204的示意图。更具体地说，图5展示具有引发齿轮缘306变形的所得径向和横向力的行星齿轮204。在操作期间，LP动力轴136的扭转移动引发太阳齿轮202(展示在图3中)和环形齿轮206(展示在图3中)对齿轮缘306施加齿轮齿力370的所得径向和横向分量。齿轮齿力370的所得径向和横向分量在量值上相等，且表示从一侧上的太阳齿轮202和从另一侧上的环形齿轮206通过行星齿轮齿212(展示在图2中)的负载。齿轮齿力370的所得径向和横向分量包括所得径向分量力373和所得切向分量力375。所得径向分量力373是齿轮齿力370的所得径向和横向分量中的相等且相反的相应径向分量。所得切向分量力375是齿轮齿力370的相等的相应切向分量。
齿轮齿力370的所得径向和横向分量包括齿轮缘306的变形或弯曲。更具体地说，齿轮齿力370和373压缩且放置在张紧齿轮缘306中且对应负载施加到齿轮缘306的第一部分372。响应于负载，第一部分372通过拉长而大体上变形。图3与图5之间描绘的变形不按比例绘制且仅意图说明在齿轮总成200的操作期间发生的变形。相比于第一部分372，齿轮缘306的第二部分374在操作期间保持基本上未负载，且因此，基本上保持其未负载形状。
当经受负载时，第一部分372大体上界定负载齿轮缘弧376。出于本发明的目的，负载齿轮缘弧376大体上是指延伸通过第一部分372，即通过齿轮缘306的负载部分的弧。因此，由于第一部分372的变形，负载齿轮缘弧376在形状上为大体上卵形。当行星齿轮204在周转齿轮总成200内旋转时，负载齿轮缘弧376可围绕齿轮缘306旋转。
当负载时，齿轮缘306进一步界定具有负载滚子元件间隙弧长度的负载滚子元件间隙弧378。负载滚子元件弧378与负载齿轮缘弧376基本上同心且延伸通过滚子元件间隙313。在操作期间，轴承303的负载轴承部分307沿着负载滚子元件间隙弧378保持在滚子元件间隙313内。因此，负载轴承部分307经受由齿轮齿力370产生的负载。为了促进改进的轴承寿命，滚子元件304被大体上大小设定成促进均匀负载分布和保持的滚子元件的每个滚子元件所经受的负载的总体减少。在示范性实施例中，滚子元件304被大体上大小设定成使得在负载期间沿着负载轴承部分307保持于其内的滚子元件304和罩间隔件384的滚子元件直径305和罩间隔件宽度390的总和介于负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的范围中。
除滚子元件直径305、罩间隔件宽度390和负载滚子元件间隙弧长度之间的关系之外，行星齿轮204的替代实施例还具有进一步符合其它预定义比率和关系的尺寸。举例来说，在一个替代实施例中，滚子元件长度358和滚子元件直径305在预定义比率中。更具体地说，在此类替代实施例中，对于每个滚子元件304，滚子元件长度358与滚子元件直径305之间的预定义比率介于包括约0.75到包括约2.0的范围中。在另一替代实施例中，滚子元件长度358和齿轮缘长度356在预定义比率中。举例来说，在此类替代实施例中，滚子元件长度358与齿轮缘长度356之间的比率介于包括约0.5到包括约1.0的范围中。在其中滚子元件304布置在轴向对准的对中的其它替代实施例中，总滚子对长度和齿轮缘长度356符合预定义比率。更具体地说，每个轴向对准的滚子元件对360具有总滚子对长度，所述总滚子对长度被定义为相应的轴向对准的滚子元件对360中滚子元件的总长度。举例来说，在某些实施例中，总滚子对长度与齿轮缘长度的比率介于包括约0.5到包括约1.0的范围中。在再一替代实施例中，齿轮缘长度356和齿轮节径355在预定义比率中。举例来说，在某些实施例中，齿轮缘长度356与齿轮节径355的比率介于包括约0.75到包括约2.0的范围中。在另一替代实施例中，滚子元件304的直径和轴承节径在预定义比率。举例来说，在某些实施例中，滚子元件的直径与轴承节径的比率介于包括约0.08到包括约0.3的范围中。在另一实施例中，罩间隔件宽度390关于滚子元件直径305而界定，如此罩间隔件宽度390与滚子元件直径305的比率介于包括约0.01到包括0.50的范围中。
图6是可用于周转齿轮总成200(展示在图2中)的替代行星齿轮601的横截面图)。行星齿轮601包括轴承销602、轴承603、齿轮缘606和多个齿轮齿608。齿轮缘606包括外部径向表面612和内部径向表面614。行星齿轮601具有节圆654，所述节圆654具有齿轮节径655。轴承603包括安置于轴承销602与齿轮缘606之间的多个滚子元件604相比于布置在轴向对准的滚子元件对360(展示在图4中)中的滚子元件304(展示在图3到图5中)，多个滚子元件604布置在围绕轴承销602的单个环中。行星齿轮601进一步具有齿轮缘长度656。多个滚子元件604的每个滚子元件具有滚子元件直径605和滚子元件长度658。
当经受负载时，齿轮缘606界定负载齿轮缘弧(未展示)和与负载齿轮缘弧基本上同心的负载滚子元件间隙弧(未展示)，负载滚子元件间隙弧具有负载滚子元件间隙弧长度。在操作期间，滚子元件604的至少部分沿着负载滚子元件间隙弧保持在滚子元件间隙613内。在行星齿轮601中，滚子元件604被大体上大小设定成使得在操作期间沿着负载滚子元件间隙弧保持的滚子元件的滚子元件直径605的总和介于负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的范围中。
在替代实施例中，每个滚子元件604的滚子元件长度658和滚子元件直径605在预定义比率中。举例来说，在某些实施例中，对于每个滚子元件604，滚子元件长度658与滚子元件直径605之间的预定义比率介于包括约0.75到包括约2.0的范围中。在另一替代实施例中，滚子元件长度658和齿轮缘长度656在预定义比率中。举例来说，在某些实施例中，滚子元件长度658与齿轮缘长度656的预定义比率介于包括约0.5到包括约1.0的范围中。
图7是说明制造用于周转齿轮总成200(展示在图2中)中的行星齿轮204(展示在图2到图5中)的方法800的流程图。在步骤802和804处，将负载施加到齿轮缘306且基于负载的施加来识别对应于齿轮缘306的第一部分372(各自展示在图5中)的负载齿轮缘弧376。负载齿轮缘弧376的识别可以包括但不限于计算机建模和实验测试的不同方式进行。举例来说，在某些实施例中，齿轮缘306的计算机模型产生且经受对应于实际负载的模拟负载。接着，可通过分析在经受模拟负载时模型的所得变形来确定负载齿轮缘弧376。在其它实施例中，大体类似于齿轮缘306的测试齿轮缘可被制造且经受对应于实际负载的负载。可使用合适的已知测量技术来测量测试齿轮缘的所得变形，以确定负载齿轮缘弧376。
在步骤806处，确定负载滚子元件间隙弧378。负载滚子元件间隙弧378具有负载滚子元件间隙弧长度且大体上是在齿轮缘306经受负载时延伸通过滚子元件间隙313的弧。因此，负载滚子元件间隙弧378与负载齿轮缘弧376基本上同心。类似于负载齿轮缘弧376，负载滚子元件间隙弧378的确定可以包括但不限于计算机建模和实验测试的不同方式进行。
在步骤808处，选择轴承303(展示在图3到图5中)更具体地说，选择轴承303，使得在负载期间沿着负载滚子元件间隙弧378保持具有负载轴承部分长度的负载轴承部分。负载轴承部分长度介于负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的范围中。在具有含有滚子元件的轴承而无轴承罩的齿轮中，负载轴承部分长度被定义为保持在负载轴承部分内的滚子直径305的总和。在具有轴承罩的齿轮中，例如齿轮701的轴承703(展示在图1中)，负载轴承部分长度被定义为保持在负载轴承部分内的滚子直径705加分隔滚子元件的罩指部758的累积宽度的总和。在步骤810处，将选定轴承303插入到齿轮缘306中。
上文所描述的齿轮和制造上文所描述的齿轮的对应方法实现在具有滚子元件轴承的齿轮的滚子元件中的高效负载分布。具体来说，齿轮的负载一般引发齿轮的齿轮缘的变形，使得变形的齿轮缘界定负载齿轮缘弧。在负载期间滚子元件间隙类似地变形，使得通过滚子元件间隙界定负载滚子元件间隙弧，负载滚子元件间隙弧与负载齿轮缘弧基本上同心且具有负载滚子元件间隙弧长度。选择滚子元件直径，使得在齿轮的负载期间沿着负载滚子元件间隙弧保持的滚子元件的直径的总和接近或等于负载滚子元件间隙弧长度。
本文中所描述的方法、系统和设备的示范性技术效果包括以下各项中的至少一项：(a)改进在齿轮的负载期间轴承滚子元件之间的负载的分布；(b)减小在齿轮的负载期间个别滚子元件经受的峰值应力；(c)延长滚子元件的使用寿命，从而减少维护时间和成本；(d)改进齿轮、轴承销和通过轴承销连接齿轮的结构之间的力传输；(e)增加齿轮和在其中使用齿轮的周转齿轮总成的整体可靠性；(f)增大周转齿轮总成的效率；以及(g)增大周转齿轮总成的动力输出。
上文详细描述了齿轮的示范性实施例。齿轮不限于本文中所描述的特定实施例，但实际上系统的部件和/或方法的步骤可独立地且与本文中所描述的其它部件和/或步骤分开利用。举例来说，方法还可结合需要齿轮的其它系统使用，且不限于仅使用如本文中所描述的系统和方法来实践。实际上，示范性实施例可结合需要轴承销的许多其它机械应用来实施和利用。
尽管可能在一些附图中展示本发明的各种实施例的具体特征，而在其它附图中未展示，但这仅是为方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它图式的任何特征参考和/或主张图式的任何特征。
本书面描述用实例来描述包括最佳模式的本发明，且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等同结构元件，那么此类其它实例既定在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种具有旋转轴的齿轮，所述齿轮包括：
齿轮缘，其中所述齿轮缘的至少部分被配置成：
收纳负载；
界定对应于所述齿轮缘的所述至少部分的负载齿轮缘弧；以及
轴承销，其轴向延伸通过所述齿轮缘，所述齿轮缘和所述轴承销在其间界定滚子元件间隙；以及
轴承，其安置在所述滚子元件间隙内，所述轴承包括围绕所述轴承销周向安置的多个滚子元件，其中所述齿轮缘被配置成：
界定与所述负载齿轮缘弧基本上同心的负载滚子元件间隙弧，所述负载滚子元件间隙弧延伸通过所述滚子元件间隙的部分且具有负载滚子元件间隙弧长度；且
将所述轴承的负载轴承部分保持在所述滚子元件间隙的所述部分内，使得负载轴承部分长度介于所述负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的第一范围中。
2.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于：
所述多个滚子元件的每个滚子具有滚子元件直径；且
所述负载轴承部分长度被定义为所述负载轴承部分内滚子元件的所述滚子元件直径的总和。
3.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于：
所述多个滚子元件的每个滚子元件具有滚子元件直径；
所述轴承进一步包括轴承罩，所述轴承罩包括多个罩指部，所述多个罩指部的每个罩指部具有罩指部宽度且在所述多个滚子元件的邻近滚子元件之间延伸；且
所述负载轴承部分长度被定义为保持在所述负载轴承部分内的滚子元件的所述滚子元件直径加保持在所述负载轴承部分内的罩指部的所述指部宽度的总和。
4.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于：所述多个滚子元件的所述每个滚子元件具有滚子元件直径和滚子元件长度，所述滚子元件直径和所述滚子元件长度界定介于包括约0.75到包括约2.0的第二范围中的比率。
5.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于：所述多个滚子元件布置在轴向对准的滚子元件对中。
6.根据权利要求5所述的齿轮，其特征在于：
所述多个滚子元件的所述每个滚子元件具有滚子元件长度；
所述齿轮缘具有齿轮缘长度；且
所述多个轴向对准的滚子元件对的每个轴向对准的滚子元件对具有总滚子对长度，所述总滚子对长度等于所述轴向对准的滚子元件对中的滚子元件的总长度，所述齿轮缘长度和所述总滚子对长度界定介于包括约0.5到包括约1.0的第二范围中的比率。
7.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于：所述多个滚子元件的所述每个滚子元件具有滚子元件长度且所述齿轮缘具有齿轮缘长度，所述滚子元件长度和所述齿轮缘长度界定介于包括约0.5到包括约1.0的第二范围中的比率。
8.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于：所述齿轮缘具有齿轮缘长度和齿轮节径，所述齿轮缘长度和所述齿轮节径界定介于包括约0.75到包括约2.0的第二范围中的比率。
9.一种齿轮总成，包括：
太阳齿轮；
环形齿轮；以及
多个行星齿轮，其连接到所述环形齿轮和所述太阳齿轮，所述多个行星齿轮的每个行星齿轮具有旋转轴，所述齿轮包括：
齿轮缘，其中所述齿轮缘的至少部分被配置成：
收纳负载；且
界定对应于所述齿轮缘的所述至少部分的负载齿轮缘弧；以及
轴承销，其轴向延伸通过所述齿轮缘，所述齿轮缘和所述轴承销在其间界定滚子元件间隙；以及
轴承，其安置在所述滚子元件间隙内，所述轴承包括围绕所述轴承销周向安置的多个滚子元件，其中所述齿轮缘被配置成：
界定与所述负载齿轮缘弧基本上同心的负载滚子元件间隙弧，所述负载滚子元件间隙弧延伸通过所述滚子元件间隙的部分且具有负载滚子元件间隙弧长度；且
将所述轴承的负载轴承部分保持在所述滚子元件间隙的所述部分内，使得负载轴承部分长度介于所述负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的第一范围中。
10.一种制造具有旋转轴的齿轮的方法，所述齿轮包括轴向延伸通过齿轮缘的轴承销、在其间界定滚子元件间隙的所述齿轮缘和所述轴承销以及安置在所述滚子元件间隙内的轴承，所述方法包括：
将至少一些负载施加到所述齿轮缘；
当所述负载被施加到所述齿轮缘时，识别对应于所述齿轮缘的负载部分的负载齿轮缘弧；
确定延伸通过与所述负载齿轮缘弧基本上同心的所述滚子元件间隙的负载滚子元件间隙弧，所述负载滚子元件间隙弧具有滚子元件间隙弧长度；
选择所述轴承，使得具有负载轴承部分长度的所述轴承的负载轴承部分保持在所述滚子元件间隙的所述部分内，所述负载轴承部分长度介于所述负载滚子元件间隙弧长度的包括约75％到包括约125％的范围中；以及
将所述轴承插入到所述滚子元件间隙中。
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