CN110678673A - 复合行星齿轮装置和齿轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明总体涉及用于通过将转矩分到几个转矩传递齿轮部件来在两个转轴之间传递转矩的复合行星齿轮装置。齿轮装置可以包含换挡结构和自由轮结构。本发明还涉及具有提高的扭转顺应性能力的齿轮装置,这些齿轮装置有利地可以用于所述复合行星齿轮装置以及诸如其他超定系统或间歇负荷和力发生的其他应用处。根据一个方面,本发明涉及一种齿轮装置(700、800、900),该齿轮装置包括:第一部分(710、810、910),该第一部分设置为旋转地固定到轴;第二部分(720、820、920),该第二部分可旋转地连接到第一部,并且设置有用于与相邻齿轮啮合的齿轮齿。第一部分和第二部分借助于允许第一部分与第二部分之间的有限相对旋转的至少一个第一可弹性变形构件(750、850、950)机械连接。第二部分(720、820、920)的齿轮齿(721、821、921)为螺旋形,并且齿轮装置被设置为允许第一部分与第二部分之间的有限相对轴向位移。

Description

复合行星齿轮装置和齿轮装置
技术领域
本发明总体涉及用于通过将转矩分到几个转矩传递齿轮部件来在两个转轴之间传递转矩的复合行星齿轮装置。齿轮装置可以包含换挡结构和自由轮结构。本发明还涉及具有提高的扭转顺应性能力的齿轮装置,这些齿轮装置有利地可以用于所述复合行星齿轮装置以及诸如其他超定系统或发生间歇负荷和力的其他应用处。
背景技术
存在需要将旋转运动或转矩变换成另一种旋转运动和转矩的许多应用。在大部分情况下,某种行星和复合行星齿轮装置可以用于这种旋转到旋转结构。
这种应用的示例是如必须将低RPM下的高转矩变换成具有更高RPM的更低转矩的风力和流体动力磨机或将高RPM变换成具有更高转矩的更低RPM的燃气轮机的装置。
在诸如汽车和卡车以及其他陆上、海洋以及空中运输工具的燃烧发动机或电动马达的其他驱动示例中,这些驱动结构在许多情况下使用经常具有换挡比的齿轮箱来将高RPM和低转矩转换成具有低RPM的高转矩,以便维持有力且高效的能量变换。
本发明与公知行星齿轮构造具有类似性,但装配有新发明,这些新发明使得可以产生具有高齿轮比和变换齿轮比的可能性的非常紧凑轻量级齿轮箱和具有齿轮箱的体积和重量的边际变化或无变化的自由轮结构。这在如在快速加速和减速期间需要的将电动马达用于在高力期间对卡车和企业家机器以及其他机器和结构提供动力时可能特别受关注。
在诸如行星齿轮的、在几个齿轮部件之间分流所传递转矩的齿轮装置处,存在齿轮装置的超定问题。这种超定可能导致齿轮部件的不平衡负荷和不均匀磨损。本发明不仅涉及解决与超定有关的问题,还提供减小在借助齿轮装置所传递的力大幅变化时发生在齿轮装置中的瞬态力的减震。在这些类型的齿轮装置处,整个结构耐用并具有长且可预测的使用寿命利害攸关。另外的一个重要方面是体积重量相对于齿轮比尽可能低,并且齿轮箱应容易组装和维护。
本发明可以用于上面提及的类型的各种应用以及其他应用。演示本发明可以如何提高齿轮装置的功能的特定关注的应用是风力发电行业。在该行业中,行星齿轮箱起到从涡轮机或转子叶片到用于生成电力的发电机的动力传动系统的关键部件作用。
由于运动中的大质量、螺旋桨以及发电机产生的湍流风变化引起穿过齿轮箱的力方向的突然强烈变化。该方向变化连同齿轮箱传动系内的气隙和刚度导致对于啮合齿和轴承中的冲击波和高超载。齿轮齿之间的金属接触将污染齿轮箱中的油。将油品质优化至RPM粘度和清洁度非常重要。为了进一步延长寿命,必须产生可以用新的更佳优化部件在适当的位置更换脆弱零件(诸如轴承和齿轮)的齿轮箱。
此外,如在NREL会议论文;NREL/CP-5000-55355;Y.Guo、J.Keller以及R.Parker的“Dynamic Analysis of Wind Turbine Planetary Gears Using an Extended HarmonicBalance Approach”在2012年6月的预印本中描述的,瞬态力在风车中非常常见,并且可能对借助齿轮箱实现所分转矩的均匀分布的这种结构具有消极寿命因素。
风车齿轮箱的低寿命的原因尚不完全清楚,但已经测试许多不同种类的行星轮系。许多风车制造商现在寻求直接驱动的永久磁铁,但它们由于使用是有限资源的土金属而变得非常大、重且昂贵。
齿轮箱是一种用于改变转速、转矩和/或从一个转轴到另一个的旋转的动力传递的装置。轮轴之间的该动力传递通常借助两个圆柱齿轮之间的协作啮合来进行。这意味着在滚动和滑动移动时仅两个齿侧传递当前转矩。对于其两个配合的齿面,啮合必须针对在齿轮之间传递的转矩而设定尺寸。这可以通过改变齿轮直径、宽度以及啮合来进行。齿轮材料和齿面的硬度以及润滑齿轮箱的油自然构成用于增大的强度和对机械摩擦的增大抗性的极其重要因素。在圆柱齿轮箱中,当更大直径主动齿轮与具有更小直径从动齿轮啮合时,发生升档。对应地,在更小直径主动齿轮与更大直径从动齿轮啮合时,发生降档。在需要高升档或降档的应用处,可能需要几个齿轮阶。例如1:5的第一阶可以由例如1:5的第二阶补充,这产生1:25的总升档。如果两个啮合齿面必须适于大输入转矩,诸如例如在提取风能以生成电能时,圆柱齿轮装置可能导致与其齿轮比相关的大且重的齿轮箱。为了避免该问题,已经提出用于提供具有高速比的紧凑能量密集齿轮装置的各种不同行星齿轮箱,该速度比可以被理解为齿轮箱的输入和输出轴的输入速度相对于输出速度。
行星齿轮箱被建造在三种元件周围:行星齿轮、行星架以及构成外环形齿轮或环形轮和内部太阳齿轮或太阳轮的主齿轮。凭借这种齿轮箱,可以将进入的转矩分到环形齿轮与太阳齿轮之间的、借助齿轮箱协作变换转矩的若干行星齿轮上。
行星齿轮箱可以以许多方式来制造,但大多数通常作为单级或复合变速箱。在单级行星齿轮箱中,若干单级行星齿轮在环形齿轮与太阳齿轮之间直接变换转矩。
在复合行星齿轮变速器中,转矩经由若干行星齿轮组从环形齿轮传递到太阳齿轮,各行星齿轮组包括至少两个行星齿轮,其中一个与环形齿轮啮合,一个与太阳齿轮啮合。各组中的行星齿轮在复合行星齿轮箱中可以与彼此啮合接触,或者如在分阶复合行星齿轮箱中借助于公共轴固定到彼此。这种复合行星齿轮装置可以生成比单级行星变速箱更高的速度比,但这些结构需要不太快速磨损的非常高的机器耐受性。
行星齿轮箱托架在一些实施方式中可以连接到传动输入/输出轴,由此,凭借固定环形齿轮,借助其旋转的行星齿轮将转矩变换到太阳齿轮,并且借助其连接变换到输出/输入轴。在其他示例中,托架可以固定到齿轮箱,这转而意指环形齿轮连接到齿轮箱输入/输出轴。由此,旋转环形轮凭借其旋转行星齿轮借助固定行星齿轮架传递转矩,这些行星齿轮将转矩变换到连接到输出/输入轴的太阳齿轮。
关于分流传动极其重要的是转矩的变换均匀地分配到所涉及的嵌齿轮侧面上。
凭借用于单级行星齿轮箱构造中的三个行星齿轮,太阳齿轮可以借助三个行星齿轮齿面定心,并且由于物理和几何原因而给出生成环形齿轮与太阳齿轮之间的均匀力传递分布的可能性。然而,这些解决方案由于其他问题而不经常这样使用。
在用于风力涡轮机、汽车等的许多行星齿轮箱中,如在复合第一齿轮阶中的三个甚至四个行星齿轮经常用于以下这种组合中:所涉及的轴和嵌齿轮以极致精度整体铣削并切割,来尝试避免超定,这进一步限制可以如何建造并组装总齿轮箱的方式(如何优化组装和如何使用整个齿轮箱变速器中的空间的低物流可能性)。超定的该问题和另外问题经常导致3个或多个齿轮阶用于在环形齿轮与太阳齿轮之间输送进入的初级转矩,以将齿轮比减小为如例如1:68。
在单级变速箱中具有三个行星齿轮的情况下,可以凭借环形轮的内部啮合来实现大约1:12的齿轮比。在该高齿轮比下,太阳轮及其轴将在尺寸上不成比例,由此通常实际上使用更低的齿轮比。在单级行星齿轮箱中具有四个行星齿轮的情况下,在行星齿轮开始碰撞彼此之前,可以实现大约1:5.2的齿轮比,在六个行星齿轮的情况下,大约为1:2.5,并且在八个行星齿轮的情况下,大约为1:2。
现有技术
美国专利6459165涉及风力发电,并且公开了一种在各阶中具有三个行星齿轮的二级行星齿轮箱。第一级的旋转行星架借助三个行星齿轮将转矩传递到借助行星齿轮齿面定心的太阳齿轮。该太阳齿轮经由驱动部件进一步输送转矩,以使第二阶中的行星架旋转,该第二级借助三个另外的行星齿轮将转矩变换到附接到轴的太阳轮,该轴以近似1:16的总齿轮比为发电机提供动力。在其他专利中,类似的结构进一步转配有另一个行星齿轮级或固定轴线齿轮系统,以提高齿轮比并减少发电机的尺寸、重量以及成本。由具有三个行星齿轮的这种结构,第一太阳齿轮、具有其三个行星的第二行星架以及螺旋切割嵌齿轮将产生仅由嵌齿轮侧面定心并稳定的自由浮动单元。
在理论上,上述结构不应涉及超定问题,但重力可能是特定忧虑。
在第一阶中仅使用三个行星齿轮的另一个缺点是大初级转矩仅可以分到三对嵌齿轮侧面,这需要大嵌齿轮直径和齿轮来处理通过三个行星轮和太阳轮变换的转矩。施加到轴承上的负荷将高,这导致轴承具有甚至可能大于齿轮本身的更大尺寸和直径,如果不使用液压机械平面轴承的话。进一步地,更大直径球轴承或滚子轴承根据指数函数减小它们对RPM的耐受性。
在用于风力涡轮机、汽车等的其他行星齿轮箱中,使用在1至3阶中的四个行星齿轮来在环形齿轮与太阳齿轮之间输送进入的初级转矩。借助齿轮箱将进入的转矩分到4个路径中将减小齿轮和轴承的尺寸,还将把齿轮比降至大约1:4。进一步地,在这些情况下,没有具有自由浮动太阳齿轮的可能性。相反,这里通过提高齿轮、轴、轴承的制造精度、定心、弹性等,力图实现均匀负荷分布。
为了使超定进一步最小化,齿轮轴有时装配有诸如美国专利No.3303713中公开的挠性销结构。
包括四个行星齿轮的单阶行星齿轮装置由于几何原因而允许最大大约1:5.2的齿轮比,并且实际上通常实现1:4的齿轮比。当设置为二阶齿轮装置时,这将给予1:16的齿轮比。为了改善齿轮比并减小从动发电机的尺寸,可以诸如例如美国专利8907517中公开的添加第三行星齿轮级。在其他已知结构中,第三齿轮阶可以设置为也解决齿轮系中涉及风力的其他大问题的定轴齿轮系统,以具有穿过中心轴中的孔的中心打开触点,以便风力涡轮机的动力支撑和控制。
有时称为混合分阶行星解决方案的复合行星齿轮箱具有两个链式行星齿轮,一个初级和一个次级,该两个行星齿轮具有不同直径,固定到一个复合齿轮阶中的一个公共轴上。该结构以高理论齿轮比变换转矩,但在考虑涉及齿轮箱的其他问题的情况下,三对链式行星齿轮的齿轮比实际上将在1:15到1:20的范围内。
虽然这种复合分阶行星齿轮装置在理论上展示大齿轮比、紧凑构造、高能量密度以及高速度比,但是分阶行星齿轮实际上也未很大程度地用于例如风车行业内。结果是这种已知分阶齿轮装置通常展示以下问题:
它们需要非常精确的加工和测量来防止超定,由于具有到一个公共轴的确切固定的两个不同齿轮之间的双啮合触点使得制造和组装更困难且导致更大的故障风险。
在同一级处具有四个行星的分阶行星齿轮将降低齿轮比并使得该解决方案不那么吸引人。
US 2010/0113210 A1公开了一种复合行星齿轮箱,在该复合行星齿轮箱中,次级行星齿轮堆叠在两个轴向级中,由此产生从内部齿轮传动环形轮到中心太阳齿轮的分流转矩。该文献讨论了超定的问题,但未能提出可用于本文描述的所有实施方式的令人满意的解决方案。
在US 8734289 B2中,多个完全相同形状的第一和第二行星轴装配有初级和次级行星齿轮,这些行星齿轮都沿轴向堆叠,并且在径向上与第二行星轴形成从外部环形齿轮到中心太阳齿轮变换分流转矩的部分。更小直径齿轮将提供更佳的加工和测量条件,以实现所涉及齿轮上的均匀侧面压力。缺点是如例如在US 2010/0113210中描述的实现相同齿轮比的额外齿轮阶。
US 2003/0015052 A1提出了一种齿轮箱,该齿轮箱具有多个完全相同形状的第一、第二以及第三行星轴,这些行星轴装配有初级和次级行星齿轮,其中,第一和第二行星轴与它们的行星齿轮堆叠在外部切割的环形齿轮的两侧上,这形成具有两个第一行星轴的两个部分,该两个部分凭借它们的行星齿轮与第二行星轴的行星齿轮啮合在一起,并且这两个部分与第三行星轴及其行星齿轮啮合在一起,以将由环形齿轮生成的转矩的一半作为分流转矩变换到发电机的驱动轴。
将第二行星齿轮堆叠在两级中提高借助齿轮箱实现高速比并使分流转矩齿轮功能加倍的可能性,但将导致必须固定齿轮箱中的另外不同位置中的六个、八个或更多个嵌齿轮,以与均匀的嵌齿轮侧面压力啮合。
在要借助齿轮箱传递的更高转矩下,齿轮中的至少一个必须由例如花键固定到轴,这些花键进一步显著增大错位的风险,并且产生一个或许多嵌齿轮侧面的超定。
更大的嵌齿轮难以测量并调节为具有确切的啮合参数。
US 2010/0240490 A1公开了一种行星齿轮单元。它包括具有相等直径的两个子齿轮的分流行星齿轮,这两个子齿轮由与行星旋转轴线平行设置的弹簧杆相对于彼此互相预加载。该结构据说导致无侧隙行星齿轮单元。
由Swedish Elforsk report 10:50 2011和CIRP Annals-ManufacturingTechnology 61(2012)611-634作出的、与所有瑞典风车有关的损坏报告得出的结论是齿轮箱总体持续不长于所许诺的20年使用寿命的大约一半。该结果示出齿轮箱设计者未能将所有内部动态力考虑在内。
美国专利4674351公开了一种顺应齿轮。该文献描述了产生用于啮合齿轮与无噪齿轮之间的减震、降低的耐受性要求的顺应齿轮的更早尝试由于缺乏维持啮合齿轮之间的中心线距离的径向刚度而失败。文献提出通过在顺应层压板之间引入刚性垫片作为夹层构造来增加顺应齿轮的径向刚度。其后是像US 4831 897A或通过仅向齿轮提供嵌齿轮内部的可弯曲链轮齿(WO2007119074A1)实现或如DE102007053509A1中的连接到嵌齿轮的毂中实现的其他类似构造。
使用行星齿轮变换齿轮比的现有技术可以以许多方式来改变。
美国专利6935986B2中例示了使用行星齿轮的一个齿轮组来产生不同的齿轮比,发明人已经聚焦于为了产生双速齿轮箱和一个空档速度而如何添加以高效方式锁定并释放所涉及环形齿轮行星架的制动器和离合器。
通过以美国专利US 9482318B2(2016年11月1日)及其参考例示的不同方式将制动器和离合器添加到行星齿轮的两个或多个齿轮组来锁定和释放所涉及环形齿轮行星架和太阳齿轮可以充当辛普森(Simpson)变换的现有技术。
美国专利US 9073538B2可以充当产生(如果想要)具有另外齿轮箱的复合行星齿轮箱来使用同一电动马达产生两个不同齿轮比的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强复合分阶和/或堆叠式行星齿轮装置,该行星齿轮装置具有为了两个或多个齿轮比而设置该齿轮装置的可能性以及由于其高自由度而实现的齿轮箱内的自由轮可能性。
另一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置以允许分担总负荷的多个齿轮之间的相等负荷分布的高自由度来高效地减少由于超定引起的问题。
另外目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置具有用于减小作用在输入轴上的瞬态转矩变化的负面影响的减震特性。
又一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置展示高齿轮比、高能量密度以及高速比。
又一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置可以容易地组装和拆卸,并且容易地允许维护。
又一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置允许被设置为驱动齿轮箱的风力涡轮机可以以节省空间的方式容易控制,同时仅需要将涡轮机连接到发电机的齿轮装置的有限部分的小修改。
另一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,在该复合行星齿轮装置处,构成部件(诸如太阳轮)的尺寸可以在仍然允许最佳齿轮比的同时保持较小。
又一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置允许形成传动系的复合齿轮装置可以通过组合模块化部件来容易地组装。
另外目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置适于用于风车中,以便从展示大程度的湍流的强烈变化的风高效提取电能。
又一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置允许径向支撑连接到复合行星齿轮装置的太阳轮或形成其的输入或输出轴。
又一个目的是使用支撑被设置为大挠性销轴结构的中空输入/输出轴来保护齿轮箱远离对初级力传递环形齿轮可能具有负面影响的所有种类的横向弯曲力,其中,中空挠性销在一端处由大中心轴承强力地轴颈连接在齿轮箱中,并且在另一端处在其到风力涡轮机的主动毂的连接中强力轴颈连接,并且其中,毂被沉重地锚固到齿轮箱的主体和机舱。
又一个目的是提供这种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置允许用于连接到复合行星齿轮装置的环形齿轮的输入或输出轴的轴可以具有中空轴,这些中空轴可以设置有用于操作涡轮机叶片的俯仰的电线、管、杆等。
根据第一方面,本发明涉及一种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置包括:外壳,该外壳封闭内部空间;第一旋转输入或输出轴;环形齿轮,该环形齿轮固定或可连接到第一输入或输出轴;太阳轮,该太阳轮可连接到第二输入或输出轴;以及至少两个行星齿轮单元。各行星齿轮单元包括具有与环形齿轮啮合的初级行星齿的初级行星齿轮和具有与太阳轮啮合的次级行星齿的次级行星齿轮。次级行星齿轮借助于行星轴与初级行星齿轮轴向连接。复合行星齿轮装置还包括结构主体,该结构主体被形成为整体,设置在内部空间中,并且固定到外壳。结构主体展示若干轴向孔,这些轴向孔被设置为限定相应轴承的绝对和相对位置,由这些轴承,第一输入或输出轴和行星轴通过轴颈连接到结构主体。
根据第一方面的齿轮装置允许非常精确地定位结构的旋转部件。这转而引起提高的性能和延长的使用寿命。另外,结构主体的结构提供可以减少实现用于转矩传递部件的足够稳定性和支撑所需的材料。据此,减小重量,并且增大外壳中的可用空间,这转而引起自由设计用于实现用于各种应用的最佳性能的转矩传递部件的提高可能性。
根据第二方面,本发明涉及一种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置包括:第一旋转输入或输出轴;环形齿轮,该环形齿轮固定到第一输入或输出轴;第一太阳轮,该第一太阳轮可连接到第二输入或输出轴250;以及至少两个行星齿轮单元。各行星齿轮单元包括具有与环形齿轮啮合的初级行星齿的初级行星齿轮和具有与第一太阳轮啮合的次级行星齿的次级行星齿轮,次级行星齿轮借助于相应的行星轴与初级行星齿轮轴向连接。齿轮装置还包括第二太阳轮,该第二太阳轮围绕第一输入或输出轴同轴设置,并且操作地连接到各行星齿轮单元的初级行星齿轮234、334。离合器装置被设置为将环形齿轮或第二太阳轮选择性地连接到第一输入或输出轴,以便允许改变齿轮装置的齿轮比。
由该装置,以简单且可靠的方式实现允许改变齿轮比的灵活复合行星齿轮装置。
根据第三方面,本发明涉及一种复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置包括:第一旋转输入或输出轴;环形齿轮,该环形齿轮固定第一输入或输出轴;第一太阳轮,该第一太阳轮可连接到第二输入或输出轴;以及至少两个行星齿轮单元。各行星齿轮单元包括具有与环形齿轮啮合的初级行星齿的初级行星齿轮和具有与太阳轮啮合的次级行星齿的次级行星齿轮,次级行星齿轮借助于相应的行星轴与初级行星齿轮轴向连接。各行星齿轮单元包括具有不同直径的至少两个次级行星齿轮。各次级行星齿轮借助于相应行星轴连接到相应初级行星齿轮。齿轮箱结构还包括至少两个太阳轮,这些太阳轮轴向对齐且可连接到第二输入或输出轴,并且这些太阳轮与所有行星齿轮单元的各次级行星齿轮啮合。第一离合器装置设置为将太阳轮中的任一个选择性地连接到第二输入或输出轴,以便允许改变齿轮装置的齿轮比。
该行星齿轮装置提供用于提供以简单方式改变齿轮比的可能性的另选装置。它还允许自由轮能力可以容易地应用于齿轮装置。
根据第四方面,本发明涉及一种齿轮装置。本发明由心肌的设计启示,在心肌的设计中,大自然已经管理确保所有40到100亿个肌肉细胞都能发挥其最佳的个体力量来执行由同时缩短和增厚构成的其机械功的壮举。如果心肌仅由单层肌肉细胞组成,则实现这一点将不是问题。然而,它由成千上万的层构成,这些层形成心脏的外部和内部体积。肌肉细胞以恒定的体积施加机械功。当细胞处于最大伸展状态时,施加最大力。这意味着必须逐层地设置肌肉细胞,以使它们在被缩短和增厚时绝不会在径向上干扰相邻的层。
根据发明人,大自然通过以合理的方式排列心肌细胞使得它们可以以相等大小的螺旋-螺旋形式的力来发展驱动活塞式心脏泵功能的组合轴向力,来解决该问题。
齿轮就像心肌细胞一样具有恒定的体积,并且所有协作的嵌齿齿侧面被相等地加载以获得长使用寿命非常重要。
除此之外,本发明涉及径向扭转,这防止超定,本发明还涉及可以生成轴向力和移动的螺旋齿面。径向扭转与轴向扭转一起提供包括轴向力和移动的螺旋扭转。由此,它们可以被阻尼,以便吸收齿轮箱中的不期望冲击负荷和过大扭矩。
齿轮装置包括:第一部分,该第一部分设置为旋转地固定到轴;和第二部分,该第二部分可旋转地连接到第一部分,并且设置有用于与相邻齿轮啮合的齿轮齿。第一和第二部分借助于允许第一与第二部分之间的有限相对旋转的至少一个第一可弹性变形构件机械地连接。第二部分的齿轮齿为螺旋形,并且齿轮装置被设置为允许第一部与第二部分之间的有限相对轴向位移。
通过允许第一部分与第二部分之间的周向和轴向相对移动,齿轮装置提供了高扭转顺应性,此外,该顺应性可以通过提供并选择合适的可弹性变形的装置以便吸收周向和轴向中的一者或两者的相对移动来精确地控制。齿轮装置非常良好地适合应用于根据本发明的第一、第二以及第三方面的行星齿轮装置中。
在第一方面:
轴向孔可以包括用于限定轴承的位置的行星轴孔,行星齿轮轴由这些轴承通过轴颈连接到结构主体,这些行星轴孔成对设置,各对行星轴孔包括轴向对齐且轴向分离的第一和第二行星轴孔。
轴向孔可以包括用于限定轴承的位置的第一输入或输出轴孔,第一输入或输出轴由这些轴承通过轴颈连接到结构主体,这些第一输入或输出轴孔可以成对设置,各对第一输入或输出轴孔包括轴向对齐且轴向分离的第一和第二第一输入或输出轴孔。
结构主体可以包括第一主体部和第二主体部,该第二主体部借助于至少一个轴向延伸距离部与第一主体部轴向分离。
第一主体部可以包括第一行星轴孔和第一输入或输出轴孔,并且第二主体部可以包括第二行星轴孔。
第二主体部可以包括第二输入或输出轴孔。
第一主体部可以设置在内部空间的轴向中心区域处。
第二主体部可以设置为接近外壳的轴向端壁。
外壳可以包括若干模块化外壳部件,这些外壳部件被设置为从第一主体部并沿两个轴向方向向外一个接另一个地顺序组装。
外壳可以包括展示若干端壁孔的轴向端壁,各端壁孔与相应对的第一和第二行星轴孔对齐,并且被设置为接收用于将相应行星轴通过轴颈连接到所述端壁的附加轴承。
复合行星齿轮装置可以包括至少一个环形嵌件,该嵌件可插入所述孔中对应孔以及可从其去除,用于在插入时将相应轴承固定到结构主体并在去除时增强穿过孔的进入。
外壳可以包括:第一轴开口,该第一轴开口设置在第一轴向端壁中,并且接收第一输入或输出轴;和第二轴开口,该第二轴开口设置在第二端壁中,并且接收第二输入或输出轴。
各行星齿轮单元可以包括传动装置,该传动装置被设置为允许次级行星齿相对于初级行星齿的有限弹性旋转。
在第二方面:
第二太阳轮可以通过与初级行星齿轮啮合来操作地直接连接到这些初级行星齿轮。
第二太阳轮可以经由中间齿轮操作地间接连接到初级齿轮,各个中间齿轮与第二太阳轮和相应初级齿轮啮合。
第二太阳轮可以固定到同轴地接收第一输入或输出轴的一部分的套筒构件。
环形轮可以由轴承通过轴颈连接到套筒构件。
套筒构件可以在轴承中通过轴颈连接到结构主体,并且第一输入或输出轴可以借助于附加轴承通过轴颈连接在套筒构件中。
离合器装置可以包括接合构件,该接合构件旋转地固定到第一输入或输出轴,并且设置为在它啮合环形轮或固定到其的构件的第一接合位置与它啮合第二太阳轮或固定到其的构件的第二接合位置之间轴向位移。
接合构件可以位移到中间位置,在该中间位置中,它通过将其与环形齿轮和第二太阳轮断开连接而不啮合环形齿轮、第二太阳轮或固定到其的任何构件,以便允许第一输入或输出轴的自由旋转。
次级行星齿轮可以具有比初级行星齿轮大的直径。
各行星齿轮单元可以包括传动装置,该传动装置被设置为允许次级行星齿相对于初级行星齿的有限弹性旋转。
在第三方面:
第一离合器装置可以包括第一接合构件,该第一接合构件旋转地固定到第二输入或输出轴,并且在它啮合所述太阳轮中的第一个太阳轮的第一接合位置与它啮合所述太阳轮中的第二个太阳轮的第二接合位置之间轴向位移。
第一接合构件可轴向位移到它不啮合太阳轮中的任一个太阳轮的中间位置。
第一接合构件可以包括中空套筒构件,该中空套筒构件接收第二输出或输入轴,并且借助于花键旋转地固定到该轴。
太阳轮可以通过轴颈连接到第二输入或输出轴。
复合行星齿轮装置可以包括第二离合器装置,该第二离合器装置用于选择性地将环形齿轮连接到第一输入或输出轴和将其从第一输入或输出轴断开。
第二离合器装置可以包括第二接合构件,该第二接合构件旋转地固定到第一输入或输出轴,并且可在它啮合环形轮的接合位置与它从环形轮脱离的脱离位置之间轴向位移。
第二接合构件和环形轮可以包括协作的接合部件,这些接合部件用于允许在接合构件采取其接合位置时形成形状锁合接合。
环形轮可以包括径向内部的且轴向延伸的毂部,该毂部同轴接收第二接合构件。
毂部可以通过轴颈连接到复合行星齿轮装置的结构主体。
次级行星齿轮可以具有比初级行星齿轮大的直径。
各行星齿轮单元可以包括传动装置,该传动装置被设置为允许次级行星齿相对于初级行星齿的有限弹性旋转。
在第四方面:
齿轮装置可以包括至少一个第一可弹性变形构件,该第一可弹性变形构件在第一部分与第二部分之间的相对旋转位移期间变形。
至少一个第一可弹性变形构件可以被设置为在第一部分与第二部分之间的相对轴向位移期间变形。
齿轮装置可以包括至少一个第二可弹性变形构件,该第二可弹性变形构件被设置为在第一部分与第二部分之间的相对轴向位移期间变形。
齿轮装置可以包括至少一个轴承,该轴承设置在第一部分与第二部分之间,用于减小第一部分与第二部分之间在相对旋转期间的摩擦。
第一部分可以包括具有用于接收轴的轴向孔的中心毂和被设置为与毂的中心轴线相距一径向距离的至少一个第一接触构件;其中,第二部分包括具有外围螺旋齿的环形有齿构件和至少一个第二接触构件;并且可弹性变形构件可以设置在所述第一与第二接触构件之间。
第一部分可以包括径向盘,该径向盘从毂径向延伸,并且承载从径向盘轴向延伸的若干第一接触构件,其中,第二部分包括至少一个托架盘,该托架盘固定到有齿构件,并且展示对应数量的凹部;并且在各凹部中且围绕各第一接触构件可以接收环形可弹性变形构件。
第二部分可以包括设置在径向盘的相对轴向侧处的两个托架盘。
齿轮装置可以包括调节部件,这些调节部件用于调节第二部分的齿轮齿与轴之间的标称相对旋转位置。
至少一个第一可弹性变形构件可以包括聚合物材料。
至少一个第一可弹性变形构件可以包括扭簧。
以下篇章总体适用于本发明的不同方面。次级行星齿轮可以具有比初级行星齿轮大的直径,这导致齿轮单元本身构成复合行星齿轮装置内的齿轮阶。从而,复合行星齿轮装置设置三个齿轮阶。第一齿轮阶对应于环形齿轮与初级行星齿轮之间的直径差。第二齿轮阶对应于初级行星齿轮与次级行星齿轮之间的直径差。第三齿轮阶对应于次级行星齿轮与太阳轮之间的直径差。由该装置,复合行星齿轮装置可以容易地设计有较高总齿轮比。另外,这种高总齿轮比可以以节省空间和重量的方式来完成。另外的第二齿轮阶也提高选择用于整个复合齿轮装置的期望总齿轮比时的自由度。
齿轮装置优选地可以设置有传动装置,该传动装置允许初级行星齿轮与次级行星齿轮之间的弹性相对旋转。由该装置,行星齿轮中的一个行星齿轮的强烈旋转加速和减速可以被另一个行星齿轮顺利吸收,从而防止一个嵌齿轮侧面与啮合齿轮的对应嵌齿轮侧面接触时的强烈冲击。
在用于例如风车设备处时,具有强烈变化的力且具有湍流的风使得转子的转速随时变化。这结合齿轮装置和连接到其的发电机的动量将连续使得一个齿轮的嵌齿轮齿被迫高频率地改变与啮合齿轮处的两个嵌齿轮齿的相邻嵌齿轮侧面的接触。抗超定且减震的传动装置有效地减小这种变化接触的冲击,并且防止对输入轴的强烈旋转加速和减速传递到设置在传动单元下游的齿轮。
除了减震效果之外,传动单元还大幅减小由于行星齿轮中的分流转矩传递的超定引起的问题。因为次级行星齿轮可以相对于它们相应的初级齿轮有限并弹性地旋转,所以各次级齿轮可以独立地调节其与太阳轮的啮合,使得齿轮装置的总负荷均匀地分布在随时啮合的所有协作嵌齿轮侧面之间。
由该装置,复合行星齿轮及其构成零件可以在仍然能够承受高且大幅随时变化转矩的同时设计为较小尺寸。这转而允许复合行星齿轮可以设计有高能量密度、高齿轮比以及高速比。弹性传动装置的负荷分布效果也减小在借助复合行星齿轮传递转矩中涉及的所有嵌齿轮侧面的磨损,从而大幅提高整个结构的使用寿命。
传动装置还可以被理解为顺应齿轮,该顺应齿轮被设置为以不危害径向刚度的这种方式用于减震,减小啮合齿轮和花键之间的所需公差,并且降低噪音,即使该传动装置中的可能顺应功能较高于之前已知的顺应齿轮。高顺应功能良好地适于用于复合分阶和堆叠式行星齿轮箱,并且将例如用于由两个台分阶和堆叠式复合齿轮箱构成的传动系中,由于高速比生成传动系中的输入与输出转矩之间的非常高顺应特性。如果这些齿轮装置用于风车中,则它们将很大程度上平滑甚至防止在例如湍流风期间经常发生在涡轮机、转子或螺旋桨以及发电机之间的转矩方向的变化。
应注意,满足传动装置的减震特性需要传动装置设置为允许初级与次级行星齿轮之间的特定最小弹性相对旋转。这对于使传动装置能够减小由于输入轴上的强烈波动转矩引起的减速和加速是必要的。已经证明传动装置优选地应设置为在施加用于复合行星齿轮装置的预期最大转矩时,允许至少一度且优选地两度至四度之间的弹性相对旋转。
优选地,在具有比初级行星齿轮大的直径的次级行星齿轮处设置弹性构件。由该装置,可以减小需要由弹性构件吸收的力。因为次级行星齿轮具有比初级行星齿轮大的直径,所以可以将弹性构件设置为与旋转轴线相距比在弹性构件设置在初级行星齿轮处或轴向连接初级和次级行星齿轮的行星轴处时更远的距离。通过增大该距离,在初级与次级行星齿轮之间传递的任意转矩将导致作用在弹性构件(诸如例如,聚合物衬套或机械弹簧结构)上的对应减小的力。这允许选择弹性构件的材料特性时的更高自由度并降低空间要求,而且延长弹性构件的使用寿命。
各传动装置可以包括:驱动盘,该驱动盘固定到连接初级行星齿轮与次级行星齿轮的行星轴,并且设置有固定到驱动盘的若干轴向延伸销;和嵌齿轮构件,该嵌齿轮构件设置有外围齿,并且包括一个或两个传动盘,该一个或两个传动盘设置有与销的数量对应的若干开口,其中,在各开口中接收环形弹性构件,并且在各弹性构件中接收相应销。
在这种情况下,嵌齿轮构件的外围齿可以形成次级行星齿,并且驱动盘可以借助于行星轴非旋转地固定到初级行星齿轮。
有利地,挠性行星齿轮装置可以连同其轴承一起形成行星齿轮挠性模块。这种模块可以作为单个部件容易地安装和拆卸。
行星齿轮模块还可以包括至少一个轴承毂,该至少一个轴承毂用于将轴承固定到复合行星齿轮装置的主体或外壳。
各弹性构件可以包括环形橡胶衬套。
各弹性构件还可以包括内金属套筒和外金属套筒。
复合行星齿轮装置可以是堆叠式行星齿轮装置,该行星齿轮装置包括偶数数量个行星齿轮单元,其具有设置在第一径向平面中的初级行星齿轮,并且其中,次级行星齿轮的一半设置在第二径向平面中,并且次级行星齿轮的一半设置在第三径向平面中,该第三径向平面设置为距第一径向平面比距第二径向平面更大的距离。
在复合行星齿轮装置不是堆叠式的情况下,它可以包括偶数或奇数数量个行星齿轮单元。
传动装置可以设置为允许两个旋转方向上相等的有限弹性旋转。由该装置,在沿两个旋转方向驱动复合行星齿轮时,复合行星齿轮装置将能够同样良好地吸收施加于输入轴的转矩和施加于输出轴的负荷的强烈波动。另外,复合行星齿轮装置将能够在沿任一旋转方向被驱动时同样良好地吸收强烈减速和加速。
弹性构件可以是非预加载的或沿两个旋转方向相等预加载。这特别适用于单独看时的单个行星齿轮单元的各个弹性构件。当安装若干行星齿轮单元来形成复合行星齿轮装置时,它可以在某些应用处,诸如期望精确定位来产生沿相反旋转方向作用的、在嵌齿轮侧面之间的特定总预负荷。然后可以在安装期间成角度地调节不同的行星齿轮单元,使得一半数量的行星齿轮单元的弹性构件沿一个旋转方向稍微预加载,而剩余一半的行星齿轮单元的弹性构件沿另一个旋转方向相等地预加载。然而,复合行星齿轮装置的这种整体预负荷应保持较低,因为这种预负荷将压缩弹性构件,从而将它们的减震能力降低到对应程度。还应注意,复合行星齿轮装置的任意这种总体预负荷将增大作用于嵌齿轮侧面上的负荷。从而必须减小可以由复合行星齿轮装置传递的最大转矩或增大参与齿轮和轴承的尺寸,或另选地可以提高嵌齿轮侧面的承载能力。
传动系结构可以包括形成第一齿轮阶的上述第一复合行星齿轮装置和形成齿轮装置的第二齿轮阶的如上的第二复合齿轮装置。
第一复合行星齿轮装置的太阳轮然后可以连接到第二复合齿轮装置的环形齿轮。
第二复合行星齿轮装置的太阳轮还可以连接到发电机的转子、马达或另一个辅助设备。
另选地,传动系结构可以包括多于两个复合行星齿轮阶,其中,最后一个齿轮阶包括连接到发电机、马达或另一个辅助设备的太阳轮。
通过将发电机、马达或另一个设施连接到太阳轮或另选地用已经是设施一部分的对应嵌齿轮替换齿轮箱中的太阳轮,导致将由与太阳轮啮合的次级行星齿轮沿多个方向径向支撑连接到或包括太阳轮的设施的轴。例如,在包括三个行星齿轮单元的复合行星齿轮处,将沿三个方向径向支撑太阳轮。对应地,在包括六个或八个行星齿轮单元的堆叠式复合行星齿轮装置处,太阳轮沿对应数量的径向方向被支撑。这提供的更大优点在于它减少对所连接设施的径向负荷,并且在高速应用时特别有利。特别地,这种径向支撑大幅提高设施和在设施中包括的任意附加轴承的使用寿命。
传动系结构可以包括外壳,该外壳被分成接收第一复合齿轮装置的至少第一隔室和接收第二复合齿轮装置的第二隔室,其中,隔室彼此密封,以便允许不同的润滑介质来服务相应隔室。
第一和第二隔室中的至少一个可以分成至少两个子隔室。
在齿轮箱在关于其环形轮的中心具有自由空间和体积的齿轮箱的架构可以用于承受施加于进入和离开齿轮箱的输入或输出轴的强烈径向和轴向力的强烈且刚性轴承支撑。该空间和体积还可以用于应用额外太阳轮和离合器来准备各齿轮阶以具有齿轮比的双变换。具有两个齿轮阶的齿轮系给出取得参照附图进一步描述的4个齿轮比等的可能性。
在涉及风车的传动系中,用合适轴承填充的自由空间或体积可以用于支撑挠性销结构,该结构可以吸收来自螺旋桨的安装盘的轴向、径向以及弯曲力,由此确保齿轮箱仅加载有扭力。在这种情况下,传动系结构可以包括输入轴,该输入轴包括:第一管状轴构件,该第一管状轴构件连接到第一复合齿轮装置的环形齿轮;和更短或更长的第二管状轴构件,该第二管状轴构件围绕第一管状轴构件同轴设置,并且借助于环形安装盘固定到第一管状轴构件,其中,第二管状轴构件在轴承中通过轴颈连接到传动系结构的外壳。
第一管状轴构件可能较弱且主要设置为从安装盘向第一复合齿轮装置的环形齿轮传递转矩,并且第二管状轴构件可以连同外壳一起设置为吸收来自安装盘的轴向、径向以及弯曲力。
这提供的大优点在于连接到驱动盘的输入或输出轴将仅通过连接到传动系结构而在径向和轴向上被稳定地支撑。
由该装置,降低在传动系结构外部设置另外轴承或其他支撑结构的需要,这转而降低在各种应用处使用传动系时的空间要求和成本。
管状或中空轴的结构进一步允许该轴的内部空间可以用于容纳连接到轴的外部设施的部分,诸如联轴器等。这也有助于降低总设备的空间要求。
诸如风力涡轮机的涡轮机可以固定到安装盘。
在传动系结构中,第一复合行星齿轮装置、第二复合行星齿轮装置以及发电机和输入轴(在适用时)可以设置为单独模块,这些单独模块被设置为一个模块一个模块块地模块化组装和拆卸。
为了以发电机的最佳效率比使用其RPM,例如,根据本发明的第二模块化齿轮装置可以装配有用于高低齿轮阶的结构。
传动系结构可以包括用于控制安装到安装盘的涡轮机的控制装置,诸如电线和/或用于传导控制流体的管,该控制装置从第一齿轮阶或能够轴向地延伸穿过输入轴的第一和其他管状轴构件的另一个齿轮阶延伸到安装盘。
在涉及车辆的传动系中,用合适轴承填充的自由空间或体积在齿轮箱内部可以用于支撑车轮的驱动轴的等速万向节的第一部分,以允许驱动轴在轮的重量应尽可能低的直接驱动变速器中尽可能长。在像企业家机器、坦克等的交通工具中,安装板可以由在齿轮箱内部的合适强力轴承支撑,以承受影响轮的轴向力、径向力以及弯曲力。
公知事实是高RPM下的电动马达或发电机可能具有高功重比,并且在其名义信任的大约一半时经常具有其最大效率。
在所发明的抗超定且减震的齿轮箱的环形轮侧处使用自由空间和体积的选项是使齿轮箱装配有额外的太阳齿轮和离合器来实现具有齿轮箱的相同特征的低和高齿轮比有级变速器。这在例如电动车辆中可能非常有用。它们在重作业期间经常需要作用到轮上的高转矩、高齿轮比,但在从A到B的运输时需要更低信任、低齿轮比以及更高的速度。
关于定制设计整体齿轮比和换挡比,可以存在电动马达尺寸的优化连同其平均效率比的优化。
该所发明齿轮箱中的齿轮比的变化将与对控制其速度和其旋转方向的电动马达具有影响的电子传感器和控制单元一起工作。比如,在具有例如四个直驱轮和具有高低齿轮阶和没有到齿轮箱和电动马达的连接的中立结构的齿轮箱的交通工具中,高速且更低信任的一种模式可以是两个后马达可以设置为高转矩,但在更高速度下将释放至空档位置,由此切换至设置在高速模式下的前马达,以便节能驱动。
复合行星齿轮和齿轮装置的另外目的和优点从实施方式的以下详细描述且从附图显现。
通常,用于权利要求中的所有术语根据它们在技术领域中的普通含义来解释,除非在这里另外明确定义。对“一/一个元件、设备、部件、装置、步骤等”的所有参考要被开放地解释为提及元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例,除非另外明确叙述。这里公开的任意方法的步骤不必按所公开的确切顺序执行,除非明确陈述。
附图说明
在下文中,将参照附图给出本发明的示例性实施方式,附图中:
图1a是根据本发明的实施方式的复合齿轮装置的立体图,其中,去除齿轮装置的特定部件。图1b示出了图1a所示的结构的立体图中的截面,并且示出了其分解立体图。
图2是穿过根据本发明的第二实施方式的齿轮装置的截面。
图3a是穿过根据第三实施方式的齿轮装置的截面,图3b是示出了其部分的分解截面图,图3c是对应的立式图,并且图3d是以放大比例例示其细节的截面。
图4a是示出了根据第四实施方式的齿轮装置的分解截面,并且图4b是其立面图。
图5是例示了根据第五实施方式的齿轮装置的部分分解截面。
图6是例示了齿轮装置的第六实施方式的截面。
图7是例示了本发明的应用的示意图。
图8a是示出了根据本发明的方面的齿轮装置的实施方式的立体图。
图9是例示了根据本发明的齿轮装置的另一个实施方式的立体图截面。
图10a是例示了齿轮装置的另外实施方式的立体图,图10b是去除一些部件的对应视图,并且图10c是其截面。
具体实施方式
图1a至图1c以及图2示意性地例示了根据本发明的第一方面的复合行星齿轮装置。
图1a至图1c示出了根据本发明的第一方面的齿轮装置的实施方式的一些结构部件。在图1a至图1c中,为了提高清楚起见,去除旋转行星齿轮部件。由此,即使在图1a至图1c中未示出,根据该实施方式的齿轮装置10也包括固定到环形齿轮的中心第一输入或输出轴以及八个行星齿轮单元。各行星齿轮单元包括行星齿轮轴、与环形齿轮啮合的初级齿轮和与连接到第二输入或输出轴的太阳轮啮合的次级齿轮。
如图1a至图1c所示,齿轮装置10还包括外壳10,该外壳包括若干模块化外壳部件,这些外壳部件从齿轮装置的轴向中心沿两个轴向方向向外一个接一个地顺序组装。这些模块化部件包括第一端盖12,该第一端盖包括圆柱壁和第一端壁,该第一端壁在图1a至图1c中已经去除,并且展示接收具有第一轴开口的可去除安装盘的中心进入开口,第一输入或输出轴在安装时延伸穿过第一轴开口。外壳还包括具有可去除圆形第二端壁15的第二端盖14,该第二端壁展示供第二输入或输出轴(未示出)在安装时延伸穿过的第二轴开口15a。第一端盖11和第二端盖14安装到结构主体16的径向凸缘16a,该结构主体设置在被外壳10封闭的内部空间中。结构主体16通常通过铸造整体形成,并且被加工为精确定位并固定旋转齿轮部件。结构主体16包括第一大体圆盘形状的主体部17和第二大体圆盘形状的主体部18。第一主体部17和第二主体部18借助于若干轴向延伸距离部19轴向地分离。在所示示例中,距离部19被接合以形成大体环形整体距离部。然而,在一些实施方式中,距离部可以彼此分离。
结构主体16展示若干轴向行星轴孔20a、20b。行星轴孔成对设置,各对包括设置在第一主体部17中的第一行星轴孔20a和设置在第二主体部18中的第二行星轴孔20b。各对的行星轴孔20a、20b轴向对齐,并且设置在与第一主体部17与第二主体部18之间的距离对应的轴向距离处。各第一行星轴孔20a被设置为限定第一轴承的位置,相应行星轴由该第一轴承通过轴颈连接到结构主体16的第一主体部。各第二行星轴孔20b以对应的方式设置为限定第二轴承的位置,相应行星轴由该第二轴承通过轴颈连接到第二主体部18。在各第一行星轴孔20a中接收有第一环形嵌件21。第一环形嵌件21允许可以借助第一行星轴孔20a从下方引入包括初级齿轮的行星齿轮单元,该初级齿轮的直径大于下部行星轴轴承的直径。在将初级齿轮插入第一主体部17与第二主体部18之间之后,可以将嵌件21插入到第一行星轴孔20a中,使得对应的行星轴轴承被接收在嵌件中,从而在合适地位置固定到结构主体。
第一主体部17和第二主体部18各展示分别用于精确定位第一和第二轴承的第一输入或输出轴孔22a、22b,第一输入或输出轴借助该轴承通过轴颈连接到结构主体16。在所示示例中,第一输入或输出轴孔22a、22b这两者接收相应环形嵌件23a、23b。当去除这些环形嵌件23a、23b时,大的第一输入或输出轴空22a、22b提高对齿轮装置10的中心部分的进入,使得大幅促进组装、拆卸以及维护。环形嵌件23a、23b的内径被选择为使得第一输入或输出轴承在被接收在环形嵌件中时精确定位并安全地固定到结构主体。在所示示例中,具有环形嵌件23a、23b的第一输入或输出轴孔22a、22b这两者被设置为接收相应的第一输入或输出轴轴承。然而,在一些实施方式处,足够的是仅下部第一输入或输出轴孔22a接收第一输入或输出轴轴承(用或不用环形嵌件23a)。在这种实施方式处,设置在上部第二主体部18中的中心孔可以用于定位并固定齿轮装置的其他部件。然而,应注意,优选地,第一中心设置的主体部的中心孔应总是构成用于接收第一输入或输出轴承的第一输入或输出轴孔。情况就是这样,因为第一主体部17设置为与外壳的轴向端相距较大轴向距离,使得允许将该第一输入或输出轴轴承定位在设置在外壳内部或外部的任意其他第一输入或输出轴轴承的大轴向距离处。两个第一输入或输出轴轴承之间的大轴向距离导致第一输入或输出轴的非常稳定且安全的固定,这转而减小第一输入或输出轴以及另外齿轮部件的径向移动。
在所示示例中,第二轴向端壁15展示了数量与行星轴孔20a、20b的对数对应的若干端壁孔24。各端壁孔24中接收环形嵌件25。具有环形嵌件25的各端壁孔24被设置为定位并固定第三行星轴轴承,在齿轮装置的一些实施方式处,第三行星轴轴承设置在各行星轴的下端处。图5和图6中示出了这种实施方式的示例。在安装行星齿轮轴时,去除端壁15,并且如上所述的借助第一行星轴孔20a引入具有上部行星轴轴承和初级齿轮的行星齿轮轴。当上部行星轴轴承已经被接收并固定在第二行星轴孔20b中且下部行星轴轴承被接收在第一行星轴孔20a中时,将环形嵌件21穿到下轴承上并引入到第一行星轴孔20a中。从而,相对于结构构件16精确定位整个行星齿轮单元并将其固定到结构构件。其后,将次级行星齿轮穿到相应行星齿轮轴上并将其固定到该行星齿轮轴。当已经对于所有行星齿轮单元完成这一点时,可以安装端壁,使得第三行星轴轴承被接收在相应的端壁孔24中。然后,将环形嵌件25穿到第三行星轴轴承上,并引入到端壁孔中,以便最终固定第三行星轴轴承。
用于定位并固定行星单元和第一输入或输出轴及其轴承的上述结构允许由单个一件式部件(即,结构主体16)限定所有这样安装的部件的位置。由此,可以通过加工单个工件形成所有轴承座及其引导表面。由该装置,大幅提高部件之间的相对定位的准确度。这是重要优点,因为即使部件的相对定位存在小偏差也可能大幅降低齿轮装置的负载能力和使用寿命。上述结构的另外重要优点是可以在仍然提供满意稳定性和负载抵抗的同时以最少材料设计结构主体16。据此,结构主体16和整个齿轮装置的重量可以保持在最小,同时可以增大外壳内的可用内部空间。而且,该后者是重要优点,因为它提供自由设定轴、轴承、齿轮以及其他部件的尺寸以便优化性能(诸如齿轮比、负载能力等)的大可能性。
在图2中,例示了本发明的第二实施方式。根据该实施方式的齿轮装置100包括没有封闭内部空间112的外壳。外壳关于纵向中心线旋转对称,并且包括若干模块化零件,这些零件包括具有中心设置的安装盘113的第一端盖112和具有可去除圆形端壁115的第二端盖114。第一端盖112和第二端盖114固定到并封闭结构主体116,使得主体116至少部分地设置在内部空间111中。
第一输入或输出轴120延伸穿过设置在第一端盖112的安装盘113中的第一中心轴孔117。第一输入或输出轴通过轴颈连接在主体116中的中心轴承121a、121b中。中心轴承包括第一轴承121a,该第一轴承设置为接近输入输出轴的第一端120a,该第一端设置在内部空间111中。第一输入或输出轴120还由第二中心轴承121b通过轴颈连接到主体116,该第二中心轴承设置在距接近第一进入开口117的第一中心轴承121a一轴向距离处。
第一输入或输出轴120固定到环形齿轮122,该环形齿轮与第一输入或输出轴120一起旋转。
齿轮装置还包括若干行星齿轮单元130。在所示示意性横截面中,例示两个这种行星齿轮单元。然而,可以自由改变行星齿轮单元的数量。通常,齿轮装置包括2、3、4或多达8个行星齿轮单元的任意数量的行星齿轮单元。在下文中,描述行星齿轮单元130中的一个,并且理解,所有行星齿轮单元以相同方式构造并设置。各行星齿轮单元包括通过轴颈连接在主体116中的轴承133a、133b中的行星轴132。如图1中看到的,行星轴承包括基本设置在与第一中心轴承121a相同轴向水平处的第一下部轴承133a。第二行星轴承133b设置为与第一行星轴承133a相距一轴向距离并接近行星轴132的上端。
行星齿轮单元130还包括旋转固定到行星轴132的初级齿轮134。初级齿轮134展示出与环形齿轮122的对应齿啮合的初级行星齿。次级行星齿轮135旋转地固定到行星轴132,接近行星轴132的下端,使得第一行星轴承133a在轴向上设置在初级齿轮134与次级行星齿轮135之间。次级行星齿轮135设置有与太阳轮140的对应齿啮合的次级行星齿,该太阳轮与第一输入或输出轴120轴向地对齐。在图2所示的示例中,太阳轮140旋转地固定到第二输入或输出轴150,该第二输入或输出轴构成诸如马达或发电机152的旋转电机的轴。
由此,如容易理解的,太阳轮140与所有次级行星齿轮135啮合,并且在第一输入或输出轴120与第二输入或输出轴之间传递的转矩在所有行星齿轮单元130之间分布。
各行星单元130的次级行星齿轮135还借助于传动装置连接到相应初级行星齿轮134,该传动装置被设置为允许次级行星齿相对于初级行星齿的有限弹性旋转。该传动装置允许齿轮装置的总负荷将均匀地分布在在转矩传递期间同时啮合的所有嵌齿轮侧面之间。另外,传动装置允许吸收所传递转矩和对应负荷的间歇波动,使得减小强烈且快速的嵌齿轮侧面冲击。下面更详细地描述传动装置及其可能变型例。
图3a至图3d以及图4a至图4b示意性地例示了根据本发明的第二方面的复合行星齿轮装置。根据该方面,齿轮装置包括用于允许齿轮比在两个可选择齿轮比之间改变的装置。
图3a至图3d例示了该方面的第一实施方式,并且图4a至图4b例示了第二实施方式。在图3a至图3c所示的实施方式中,齿轮装置包括与图1所示实施方式大体相同的部件。由此,齿轮装置200包括具有第一端盖212和第二端盖214的外壳210,该第一端盖和第二端盖固定到并封闭结构主体216。
第一输入或输出轴220延伸穿过第一端盖212中的第一轴开口217。第一输入或输出轴220借助于彼此轴向隔开的第一轴承221a和第二轴承221b通过轴颈连接在主体216中。
齿轮装置220包括四个行星齿轮单元230,各行星齿轮单元包括通过轴颈连接在主体216中的行星轴232、与环形齿轮222啮合的初级齿轮234以及与第一太阳轮240啮合的次级齿轮235。第一太阳轮旋转地固定到旋转电机252的第二输入或输出轴250。
然而,在该实施方式处,第二太阳轮260旋转地固定到中空套筒构件262,该套筒构件同轴地接收第一输入或输出轴220的下部。中空套筒构件262设置为围绕第一输入或输出轴220自由旋转。为此,在中空套筒构件262与第一输入或输出轴220之间设置轴承225。套筒构件262还借助于轴承221a、221b通过轴颈连接到结构主体216。这样,套筒构件以及第一输入或输出轴相对于结构主体216刚性地固定,并且它们可以承担重负荷和弯曲力。第二太阳轮260操作地连接到所有行星单元230的初级齿轮234。在该实施方式处,第二太阳轮260借助于相应中间齿轮264间接地连接到初级齿轮234。
齿轮装置200还包括离合器装置265,该离合器装置被设置为将环形轮222或第二太阳轮260选择性地连接到第一输入或输出轴220。离合器装置265包括接合构件266,该接合构件旋转地固定到第一输入或输出轴220,并且相对于第一输入或输出轴220可轴向位移。在所示示例中,接合构件266包括接收第一输入或输出轴220的轴向部分的中空套筒。套筒和第一输入或输出轴220设置有协作的花键(未示出),这些花键用于防止其间的相对旋转并允许其间的相对轴向位移。环形齿轮222固定到中心环形轮毂222a,该中心环形轮毂围绕第一输入或输出轴220、中空套筒构件262以及接合构件266同心设置。
如在图3d中最佳看见的,接合构件266设置有接合部件266a,诸如齿、凹痕或爪,这些接合部件被设置为分别选择性地接合环形轮毂223和中空套筒构件262上的对应接合部件266a、262a。离合器装置265还包括用于沿任一轴向方向驱动接合构件266的驱动部件(未示出)。这种驱动部件例如可以如领域中已知的为液压的、电气的、气动的等。
外壳210的第一端盖212包括同心地接收环形轮毂223和离合器装置265的轴向突出圆柱头212a。安装盘213设置在圆柱头212a的自由端处,并且展示出第一轴开口217。环形密封217a设置在第一输入或输出轴220与安装盘213之间。第一输入或输出轴还借助于第三中心轴承221c通过轴颈连接在圆柱头212a中,这些第三中心轴承设置为接近圆柱头212a的自由端。另外,两个轴向间隔开的环形轮轴承224a、224b同心地设置在环形轮毂223与中空套筒构件262之间。由该装置,在环形轮222、第二太阳轮260以及第一输入或输出轴220之间允许自由相对旋转。
图3a和图3d例示了将离合器装置265设置为自由转动操作模式时的齿轮装置200。在该模式时,接合构件266a分别轴向定位在环形轮毂223和中空套筒构件262的对应接合部件223a与262a之间。据此,接合构件266从环形轮毂223和中空套筒构件262这两者脱离,使得第一输入构件220的旋转不传递到环形轮222或第二太阳轮260任一者,从而不传递到第二输入或输出轴250。反之,第二输入或输出轴的旋转传递到行星齿轮单元230、环形轮222以及第二太阳轮260,但不传递到第一输入或输出轴220,由此,在该操作模式下允许该第一输入或输出轴自由转动。
通过使接合构件266a从图3d所示的位置向上位移,接合构件266的接合部件266a将与环形轮毂223的对应接合部件223a进行接合,使得旋转移动将经由环形轮222、行星单元230以及第一太阳齿轮250在第一输入或输出轴220与第二输入或输出轴260之间传递。旋转移动和转矩的这种传递将取决于所涉及的旋转部件之间的直径差而以第一齿轮比进行。
相反,通过使接合构件266a从图3d所示的位置向下位移,接合构件266的接合部件266a将与第二太阳轮260的对应接合部件223进行接合,使得旋转移动将经由第二太阳轮260、中间齿轮264、行星单元230以及第一太阳齿轮250在第一输入或输出轴220与第二输入或输出轴260之间传递。旋转移动和转矩的这种传递将取决于在该传递中涉及的旋转部件之间的直径差而以第二齿轮比进行。
应注意,在图3a至图3d所示的实施方式处,沿第一输入或输出轴的一个方向的旋转移动将导致第二输入或输出轴250在相同方向上的旋转,而不管离合器装置265是否被设置为涉及环形齿轮222或第二太阳轮260用于传递旋转和转矩的操作模式。这由于中间齿轮264发生,这些中间齿轮与在第二太阳轮260将被设置为与初级齿轮234直接啮合时相比反转第二太阳轮与初级齿轮234之间的旋转方向。
在图4a和图4b中,例示了第一方面的另选实施方式。在该实施方式处,齿轮装置300基本上等于图3a至图3d所示的齿轮装置200,并且包括具有圆柱头312a和主体316的外壳310。第一输入或输出轴通过轴颈连接在位于主体316和圆柱头312a中的轴承中。齿轮装置300也包括四个行星齿轮单元330和可连接到第二输入或输出轴(未示出)的第一太阳轮(未示出)。还设置与图3d所示的离合器装置265完全相同的离合器装置365。第二太阳轮360旋转地固定到中空套筒构件360,该套筒构件围绕第一输入或输出轴320旋转地设置。套筒构件360借助于轴承321a、321b通过轴颈连接到结构主体316,并且借助于轴承325通过轴颈连接到第一输入或输出轴320。
然而,在该实施方式处,第二太阳轮360操作地直接连接到各行星单元330的初级齿轮234。由此,第二太阳轮360与这些初级齿轮啮合。通过消除中间齿轮,可以给予第二太阳轮260更大的直径,由此提供与当在第一与第二输入或输出轴之间传递旋转移动和转矩中涉及图3a至图3d所示的实施方式的第二太阳轮时实现的齿轮比不同的总齿轮比。
如上面指示的,在该实施方式处,取决于离合器装置365是否被设置为经由环形齿轮322或第二太阳轮360而传递旋转移动,第一输入或输出轴330沿特定方向的旋转将导致第二输入或输出轴沿相反旋转方向的旋转。
图5和图6示意性地例示了根据本发明的第三方面的复合行星齿轮装置。根据该方面,齿轮装置包括用于允许齿轮比在两个可选择齿轮比之间改变的另选装置。
图5例示了该第三方面的第一实施方式,并且图6例示了第二实施方式。在图5所示的实施方式中,齿轮装置包括与图1所示实施方式大体相同的部件。由此,齿轮装置400包括具有第一端盖412和第二端盖414的外壳410,该第一端盖和第二端盖固定到并封闭主体416。
第一输入或输出轴420延伸穿过第一端盖412的安装盘413中的第一轴开口417。第一输入或输出轴420借助于彼此轴向间隔开的第一轴承421a和第二轴承421b通过轴颈连接在主体416中。
齿轮装置400包括三个行星单元430(图5的截面中仅示出了其中的一个),各行星单元包括行星轴432,该行星轴由第一行星轴承433a和第二行星轴承433b通过轴颈连接在主体416中。在该实施方式处,行星轴432另外借助于相应第三行星轴承433c通过轴颈连接在第二端盖414的端壁415。各行星单元430还包括与环形齿轮422啮合的初级齿轮434,该初级齿轮旋转地固定到第一输入或输出轴420。
在该实施方式,各行星单元430包括第一次级齿轮435a和第二次级齿轮435b。次级齿轮435a、435b轴向对齐并固定到行星轴432,一个在另一个上方。两个次级齿轮435a、435b设置有传动装置,该传动装置允许次级行星齿相对于相应初级齿轮434的初级行星齿的有限弹性旋转。第一次级齿轮435a的直径小于第二次级齿轮435b的直径。
齿轮装置还包括第一太阳轮540a和第二太阳轮540b。两个太阳轮540a、540b借助于相应轴承451a、451b旋转连接到第二输入或输出轴450。由此,各太阳轮440a、440b可以相对于彼此且相对于第二输入或输出轴450独立旋转。第一太阳轮440a的直径大于第二太阳轮440b的直径。太阳轮的直径被修改为使得第一太阳轮与第一次级齿轮435a啮合,并且第二太阳轮440b与第二次级齿轮435b啮合。第二输入或输出轴450构成旋转电机452的输入或输出轴。
离合器装置465被设置为将太阳轮440a或440b二者之一选择性地固定到第二输入或输出轴450,使得在所选太阳轮与第二输入或输出轴之间防止相对旋转。在所示实施方式中,离合器装置包括接收第二输入或输出轴450的环形接合构件466。第二输入或输出轴和接合构件466设置有协作花键,使得接合构件466可以沿着第二输入或输出轴450轴向位移,但防止相对于其旋转。接合构件466包括接合部件466a、466b,这些接合部件可以与第一太阳轮440a和第二太阳轮440b的各对应接合部件441a和441b进行接合。
离合器装置还包括驱动部件,诸如液压、电气或气动部件,这些驱动部件用于使接合构件在第一下接合位置与第二上接合位置之间位移。在第一接合位置中,下接合部件466a接合第一太阳轮的对应接合部件451a,而接合构件的上接合部件466b从第二太阳轮440b的对应接合部件441b释放。在该位置中,第一太阳轮440a旋转地固定到第二输入或输出轴450,而第二太阳轮440b可以相对于第二输入或输出轴450自由旋转。由此,在该接合位置处,旋转移动将以第一齿轮比经由环形齿轮422、初级齿轮434、行星轴432、第一次级齿轮435a以及第一太阳轮440a在第一输入或输出轴420与第二输入或输出轴422之间传递。
如果接合构件466向上位移到第二上接合位置,则上接合部件466b啮合第二太阳轮440b的对应接合部件451b,而接合构件的下接合部件466a从第一太阳轮440a的对应接合部件441a释放。在该位置中,第二太阳轮440b旋转地固定到第二输入或输出轴450,而第一太阳轮440a可以相对于第二输入或输出轴450自由旋转。在该上接合位置处,旋转移动将以与第一齿轮比不同的第二齿轮比经由环形齿轮422、初级齿轮434、行星轴432、第二次级齿轮435b以及第二太阳轮440b在第一输入或输出轴420与第二输入或输出轴422之间传递。
当接合构件466位移到第一与第二接合位置之间的中间位置时,它将接合太阳轮440a、440b中的任意一个,借此,这些太阳轮将独立于第二输入或输出轴550旋转。然而,它们将仍然与次级行星齿轮435a、435b啮合并与之一起旋转。
在图6中,例示了另外的齿轮装置500。该齿轮装置与图5所示装置的类似之处在于:它包括三个行星齿轮单元530,各行星齿轮单元包括行星轴532、初级齿轮534、两个次级齿轮535a、535b、通过轴颈连接到第二输入或输出轴550的两个太阳轮540a、540b、以及第一离合器装置565,该第一离合器装置用于选择性地阻止第一太阳轮540a或第二太阳轮540b二者之一相对于第二输入或输出轴550旋转。由此,该第一离合器装置565被设置为,如图5所示的装置,当在第一输入或输出轴520与第二输入或输出轴550之间传递旋转移动和转矩时选择两个齿轮比中的一个的相同可能性。图6还例示了用于使接合构件566在两个接合位置之间向上和向下位移的示例性驱动部件567。在所示示例中,驱动部件包括电致动器,该电致动器固定到形成结构主体516一部分的可去除安装嵌件516a。致动器包括连接到接合构件566的可移动构件。
在该实施方式处,齿轮装置500还设置有自由轮能力,该自由轮能力用于允许第一输入或输出轴520自由且独立于环形齿轮522和其他旋转齿轮部件旋转。
第一输入或输出轴520在内端部处借助于第一中心轴承521a通过轴颈连接在主体516的环形安装嵌件516a中。外壳510包括具有头构件512a的第一端盖512,该头构件借助于安装盘513封闭,该安装盘包括供第一输入或输出轴520延伸穿过的第一轴开口517。第一输入或输出轴520在第二轴承521b中通过轴颈连接到头构件512a。
环形齿轮522借助于环形齿轮轴承524通过轴颈连接在主体516中。第二离合器装置570设置为选择性地连接环形齿轮与第一输入或输出轴520以及将环形齿轮与第一输入或输出轴断开。第二离合器装置570包括接收第一输入或输出轴520的一部分的中空接合构件571。接合构件571和第一输入或输出轴设置有协作花键,这些花键用于允许接合构件沿着第一输入或输出轴轴向位移并防止其间的相对旋转。接合构件571包括第一接合部件571a,诸如齿或狗爪,该第一接合部件被设置为被使得与设置在环形齿轮522处的对应接合部件522a接合和脱离。第二离合器装置570还包括致动部件572,该致动部件固定到安装嵌件516a,并且包括借助于轴承572a连接到接合构件571的轴向可移动构件。通过启动致动部件来向上驱动可移动构件,接合构件571向上位移,使得接合构件571a与对应接合部件522a脱离接合。由该装置,第一输入或输出轴520与齿轮装置的环形齿轮522以及另外齿轮完全断开,使得它可以以非常小的摩擦自由旋转。启动致动部件572以沿相反向下方向驱动可移动构件并从而驱动接合构件使得接合构件571a与环形齿轮522上的对应接合部件522a进行接合,使得环形齿轮相对于第一输入或输出轴旋转固定,借此,可以在第一输入或输出轴522与第二输入或输出轴550之间传递旋转移动和转矩。
图7示意性地例示了电动车辆,在该电动车辆处,在车辆的传动系中使用根据本发明的四个齿轮装置。车辆包括四个电动马达,各电动马达借助于根据本发明的相应复合行星齿轮装置603和轮轴604连接到相应车轮602。齿轮装置优选地可以为图6所例示的类型,该类型提供两个可选择齿轮比和连接到轮轴的输出轴的自由轮能力。在该应用处,中央电子控制单元605电连接到各个齿轮装置,以便准确控制第一和第二离合器装置的致动部件。控制单元605从大量传感器(未示出)收集与各种驾驶条件有关的信息,处理信息,并且向齿轮装置603发送信号,以便相对于随时出现的驾驶条件优化比如各齿轮装置的齿轮比和自由轮功能。
如上面提及的,按照定义的复合行星齿轮装置构成超定系统。根据第四方面,本发明涉及一种能够减小这种超定系统的负面影响的齿轮装置。
图8a至图8c例示了齿轮装置700,该齿轮装置可以包括在传动装置中,该传动装置用于允许在上述复合行星齿轮装置中包括的行星齿轮单元中的次级行星齿与初级行星齿之间的有限弹性相对旋转。齿轮装置700包括第一部分710和第二部分720,该第一部分设置为旋转地固定到轴(未示出),第二部分包括外围齿轮齿721。虽然图8a至图8c所示的齿轮齿721为笔直的,但它们根据本发明应为倾斜或螺旋形的。
第二部分720相对于第一部分710可旋转。在所示示例中,第一部分710包括具有轴向孔711a的圆柱毂711,该轴向孔设置有被设置为与轴上的对应轴向花键协作的轴向花键。由该方式,防止毂711和整个第一部分710在安装时相对于轴旋转。第二部分720还包括从毂711径向延伸的圆形凸缘或盘712。盘712展示出若干轴向通孔713,这些通孔在与毂711相距一径向距离处围绕盘712周向地分布。各通孔接收圆柱销714,该圆柱销固定到盘712,并且从盘712轴向地向上(如在附图中看见的)延伸。
第二部分720包括环形构件722,该环形构件的外围边缘设置有螺旋齿轮齿721。第二部分还包括具有接收毂711的中心轴向孔的圆形托架盘723。数量等于销714的数量的若干圆形轴向贯穿开口周向地分布在托架盘723周围。贯穿开口724被定位为使得各销714可以通过相对于圆形盘712对托架盘723进行角度调节来中心地定位在相应贯穿开口724中。托架盘723在外围处还设置有若干周向伸长的调节孔725,并且环形构件设置有相等数量的螺纹螺孔,这些螺孔设置在与调节孔726距旋转轴线相同的径向距离处。
第一部分710设置有固定到毂711的自由轴向端的环形止动盘715。止动盘715从毂711的轴向孔711a的外围径向向外延伸,使得它与托架盘723的内部重叠。为了减小摩擦并提高第一部分710与第二部分720之间的相对旋转,齿轮装置包括若干轴承741、742、743。在所示示例中,圆柱滑动轴承741设置在毂711与托架盘723之间。第一环形滑动轴承围绕毂711设置、位于圆形盘712和托架盘723内部之间,并且第二环形滑动轴承743设置在毂711周围、止动盘714和托架盘723的内部之间。
第一部分710和第二部分720借助于若干可弹性变形圆柱衬套750连接。各衬套750包括接收在金属套筒751中的弹性材料。各衬套接收在相应贯穿开口724中,并且在安装衬套时展示出接收相应销714的中心轴向孔。衬套750压配合到销714和贯穿开口724。锁定垫圈716固定到各销714的自由端,以便防止衬套750沿着销位移。
圆形盘712与止动盘715之间的轴向距离大于托架盘723的轴向厚度。衬套750还压配合到销714并压配合到贯穿开口724中,使得托架盘723被中心地定位并维持在圆形盘712与止动盘715之间。
第二部分710的外围螺旋齿721与毂711之间并且从而外围螺旋齿720与设置在相对于毂旋转固定的齿轮上的任意齿轮齿之间的标称角度调节可以通过设置伸长孔725、螺孔726以及螺钉727来调节。在拧紧螺钉之前,旋转环形构件722,使得实现螺旋齿轮齿721相对于毂711以及从而相对于相对毂711旋转固定的任意齿轮齿的期望角度位置。伸长通孔725允许与孔725的圆周长度对应的这种角度调节。当到达相对角度位置时,螺钉727被拧紧到螺孔726中,借此,锁定第一部分710与第二部分720之间的相对角度位置。
现在,如果在防止第一部分710旋转的同时向第二部分720施加转矩,则衬套的可弹性变形材料将变形,从而允许第二部分720与第一部分之间的一定有限弹性旋转。由此,齿轮装置展示特定程度的圆周扭转顺应性。
除此之外,本发明的齿轮装置还由以下事实展示另外的圆周扭转顺应性:外围齿轮齿721为螺旋形,并且托架盘723设置为与圆形盘712和止动盘715相距特定轴向距离。再次如果由具有与第一部分的螺旋齿啮合的对应螺旋齿的相邻齿轮在第一部分710与第二部分720之间施加转矩,则将向第二部分施加与螺旋齿的倾角成比例的轴向力。因为托架盘723设置有距圆形盘712和止动盘715的轴向间隙,所以该轴向力将倾向于取决于转矩的旋转方向和螺旋齿721的倾角而使托架盘723轴向地向上或向下位移。由于衬套750的弹性,托架盘723相对于圆形盘的一些轴向位移然后将在衬套的进一步变形下发生。在之前描述的施加于第二部分的圆周力引起衬套750的主要圆周上的压缩和拉伸的同时,施加于第二部分720的轴向力将引起衬套750的弹性剪切变形。
当允许第二部分720轴向位移时,第二部分与相邻齿轮之间的角度关系将变化。由此,允许第二部分720与第一部分710之间沿周向方向和轴向方向这两者的相对移动提高齿轮装置的扭转顺应性。
虽然衬套能够弹性地吸收第二部分720与第一部分710之间的圆周相对移动和轴向相对移动这两者,但在一些应用处可能期望单独控制对相对轴向移动的弹性阻力。在这种情况下,可以在圆形盘715与托架盘723之间以及止动盘715与托架盘723之间设置另外的可弹性变形材料(未示出)。另外,衬套的可变形材料以及这种另外可变形材料的弹性可以单独选择,从而允许分别精确控制周向方向和轴向方向上的相对移动。
当将本发明的齿轮装置应用于上述复合行星齿轮装置时,齿轮装置优选地用作借助于花键毂711旋转固定到行星齿轮轴的次级齿轮。因为行星齿轮单元的初级齿轮旋转固定到行星齿轮轴,所以这样设置的行星齿轮单元将构成允许次级行星齿相对于初级行星齿的有限弹性旋转的传动装置。由该方式,强有力地减小复合行星齿轮装置的超定的负面影响,并且齿轮装置的总负荷均匀地分布在同时接合的所有嵌齿轮侧面之间。另外,齿轮装置的提高顺应性有助于吸收间歇转矩和负荷,从而提供复合行星齿轮装置的平滑运行。
将上述齿轮装置应用于复合行星齿轮装置的另外优点是螺旋齿轮齿的使用与具有直齿轮齿的齿轮装置相比大大降低噪音。
图8例示了根据本发明的齿轮装置的另外实施方式。在该齿轮装置800处,第一部分810包括设置为接收轴(未示出)的花键中心毂811。环形凸缘从毂811径向延伸。若干销814被接收在凸缘812中的通孔813中。销814在凸缘812的两侧上轴向地延伸。包括被接收在套筒851a中的可弹性变形材料的第一衬套850a设置在凸缘812的第一侧处的销上。包括被接收在套筒851b中的可弹性变形材料的第二衬套850b设置在也在凸缘812的相对第二侧处的销上。在凸缘的第一侧上的所有衬套850a被接收在第一托架盘823a的贯穿开口824a中。对应地,在凸缘812的第二侧上的所有衬套850b被接收在第二托架盘823b的贯穿开口824b中。衬套850a、850b压配合到销814的相应端上并压配合到贯穿开口824a、824b中。锁定垫圈816a、816b设置在销814的端处,用于防止衬套850a、850b从销松脱。
第一托架盘823a和第二托架盘823b形成齿轮装置的第二部分820的一部分,并且固定到设置有外围螺旋齿轮齿821的公共环形构件822。
与图8a至图8c所示的实施方式对应地,齿轮装置800包括用于调节第一部分810与第二部分820之间的标称相对角度位置的部件。这些部件包括设置在托架盘823a、823b中的圆周伸长的通孔825a、825b、设置在环形构件822中的螺孔826a、826b、以及螺钉827。这些部件如上所述的用于调节第一部分810与第二部分820之间标称相对角度位置。
正如图8a至图8c所示的实施方式,衬套850a、850b能够弹性地吸收第一部分810与第二部分820之间的相对圆周和轴向移动这两者,并且齿轮装置800可以以类似方式应用于上述复合齿轮装置。然而,在该实施方式处,省略止动环。这里,相反,在托架盘823a、823b二者之一已经轴向位移使得它与凸缘812接触时,达到第二部分820相对于第一部分810的最大轴向位移。
图10a至图10c例示了根据另外实施方式的齿轮装置900。齿轮装置900包括第一部分910,该第一部分包括设置为接收轴(未示出)的花键中心毂911。环形盘或凸缘912从毂911径向延伸。若干轴向通孔913分布在凸缘912的周向方向上。双头螺栓914螺纹地接合在各贯穿开口913中,并且从凸缘912沿各轴向方向轴向地延伸特定距离。齿轮装置还包括若干圆柱衬套950。衬套950在各轴向端处展示中心轴向延伸圆形凹部,使得衬套的纵向截面大体为H形。衬套950设置在各双头螺栓914处,使得双头螺栓914接收在中心凹部中。
齿轮装置还包括第二部分920,该第二部分在该实施方式处包括具有外围螺旋齿921的环形构件922、第一托架盘923a以及第二托架盘923b。第一托架盘923a和第二托架盘923b各包括从相应轴向端拧到毂922上的径向内圆柱套筒部924a、924b。由该方式,第一托架盘923a和第二托架盘923b设置在凸缘912的相对侧处。第一管状轴承941a设置在毂911与第一套筒部924a之间。第二管状轴承941b设置在毂911与第二套筒部924b之间。由此,两个托架盘923a、923b可以围绕毂911旋转,并且以低摩擦沿着毂911轴向位移。代替使用管状轴承,还可以使用许多其他类型,诸如例如滚针轴承或静压轴承。
第一托架盘923a和第二托架盘923b各展示出朝向凸缘912打开的圆周槽925a、925b。设置在双头螺栓914上的衬套950的端部(这些端部背离凸缘912)被接收在槽925a、925b中。托架盘923a、923b设置有可以与双头螺栓914对齐的螺纹通孔926a、926b。在这样对齐时,固定螺钉927a、927b固定在通孔926a、926b中,使得贯穿螺钉部接合衬套的圆形凹部,这些凹部设置在衬套的背离凸缘912的轴向端处。
托架盘923a、923b最终通过使固定螺钉929a、929b固定来固定到第一部分910,这些螺钉延伸穿过设置在托架盘923a、923b的外围处的圆周伸长通孔928a、928b,并且螺纹地接合在环形构件922中的固定孔930a、930b中。在使固定螺钉929a、929b完全固定之前,可以通过以下方式来完成标称角度调节:通过使用通孔928a、928b的圆周延长部使托架盘923a、923b以及环形构件922相对于第一部分旋转。
应注意,衬套950的轴向高度大于凸缘915与槽925a、925b的底部之间的轴向距离。这允许通过拧紧固定螺钉929a、929b来轴向预张紧衬套。
如容易理解的,管状轴承941a、941b允许可以以低摩擦相对于第一部分旋转和轴向地移动第二部分。
正如图8a至图8c以及图9所示的实施方式,衬套950能够弹性地吸收第一部分910与第二部分920之间的相对圆周方向和轴向方向移动这两者,并且齿轮装置900可以以类似方式应用于上述复合齿轮装置。
已经描述了本发明的上述特定示例性实施方式。然而,本发明不限于这些实施方式,而是可以在所附权利要求的范围内自由改变。

Claims (48)

1.一种齿轮装置(700、800、900),该齿轮装置包括:
第一部分(710、810、910),该第一部分设置为旋转地固定到轴;
第二部分(720、820、920),该第二部分以可旋转的方式连接到所述第一部分,并且设置有用于与相邻齿轮啮合的齿轮齿;
其中,所述第一部分和第二部分借助于允许所述第一部分与第二部分之间的有限相对旋转的至少一个第一可弹性变形构件(750、850、950)机械地连接,
其特征在于:
所述第二部分(720、820、920)的所述齿轮齿(721、821、921)为螺旋形,并且所述齿轮装置被设置为允许所述第一部分与所述第二部分之间的有限相对轴向位移。
2.根据权利要求1所述的齿轮装置,该齿轮装置包括至少一个第一可弹性变形构件(750、850、950),该第一可弹性变形构件在所述第一部分(710、810、910)与所述第二部分(720、820、920)之间的相对旋转位移期间变形。
3.根据权利要求1或2所述的齿轮装置,其中,所述至少一个第一可弹性变形构件(750、850、950)被设置为在所述第一部分(710、810、910)与所述第二部分(720、820、920)之间的相对轴向位移期间变形。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的齿轮装置,该齿轮装置包括至少一个第二可弹性变形构件,该第二可弹性变形构件被设置为在所述第一部分与所述第二部分之间的相对轴向位移期间变形。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的齿轮装置,该齿轮装置包括至少一个轴承(741、841a、841b、941a、941b),所述轴承设置在所述第一部分(710、810、910)与所述第二部分(720、820、920)之间,用于减小所述第一部分与第二部分之间在相对旋转期间的摩擦。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的齿轮装置,其中,所述第一部分(710、810、910)包括具有用于接收所述轴的轴向孔(711a、811a)的中心毂(711、811、911)和被设置在距所述毂的中心轴线一径向距离处的至少一个第一接触构件(714、814、914);其中,所述第二部分(720、820、920)包括具有外围螺旋齿(721、821、921)的环形有齿构件(722、822、922)和至少一个第二接触构件(724、824a、824b、927a、927b);并且其中,一可弹性变形构件(750、850a、850b、950)设置在所述第一接触构件与第二接触构件之间。
7.根据权利要求6所述的齿轮装置,其中,所述第一部分(710、810)包括径向盘(712、812),该径向盘从所述毂(711、811)径向地延伸并且承载从所述径向盘轴向地延伸的若干第一接触构件(714、814),其中,所述第二部分包括至少一个托架盘(723、823a、823b),该托架盘固定到所述有齿构件(722、822)并且展示出对应数量的凹部(724、824a、824b);并且其中,在各凹部中且围绕各第一接触构件接收一环形可弹性变形构件(750、850)。
8.根据权利要求7所述的齿轮装置,所述第二部分(820)包括设置在所述径向盘(812)的相对轴向侧处的两个托架盘(823a、823b)。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的齿轮装置,该齿轮装置包括调节部件(725、726、727、825、826、827、928a、928b、929a、929b、939a、930b),这些调节部件用于调节所述第二部分(720、820、920)的所述齿轮齿(721、821、921)与所述轴之间的标称相对旋转位置。
10.根据权利要求2至9中任意一项所述的齿轮装置,其中,所述至少一个第一可弹性变形构件(750、850a、850b、950)包括聚合物材料。
11.根据权利要求2至9中任意一项所述的齿轮装置,其中,所述至少一个第一可弹性变形构件包括扭簧。
12.一种复合行星齿轮装置(1),该复合行星齿轮装置包括:
外壳(10),该外壳封闭内部空间;
第一旋转输入或输出轴;
环形齿轮,该环形齿轮被固定到或能够连接到所述第一输入或输出轴;
太阳轮,该太阳轮能够连接到第二输入或输出轴;以及
至少两个行星齿轮单元,各行星齿轮单元包括具有与所述环形齿轮啮合的初级行星齿的初级行星齿轮和具有与所述太阳轮啮合的次级行星齿的次级行星齿轮,所述次级行星齿轮借助于行星轴与所述初级行星齿轮轴向地连接,
其特征在于:
一结构主体(16)设置在所述内部空间中并且固定到所述外壳(10),该结构主体被形成为整体,该结构主体(16)展示出若干轴向孔(20a、20b、22a、22b),这些轴向孔被设置为限定相应轴承的绝对和相对位置,所述第一输入或输出轴和所述行星轴借助这些轴承通过轴颈连接到所述结构主体。
13.根据权利要求12所述的复合行星齿轮装置,其中,所述轴向孔包括用于限定所述轴承的所述位置的行星轴孔(20a、20b),所述行星齿轮轴借助这些轴承通过轴颈连接到所述结构主体(16),所述行星轴孔(20a、20b)成对设置,每对行星轴孔包括轴向地对齐且轴向地分离的第一行星轴孔(20a)和第二行星轴孔(20b)。
14.根据权利要求13所述的复合行星齿轮装置,其中,所述轴向孔包括用于限定所述轴承的所述位置的第一输入或输出轴孔(22a、22b),所述第一输入或输出轴借助这些轴承通过轴颈连接到所述结构主体(816),所述第一输入或输出轴孔成对设置,每对第一输入或输出轴孔包括轴向地对齐且轴向地分离的第一第一输入或输出轴孔(22a)和第二第一输入或输出轴孔(22b)。
15.根据权利要求12至14中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述结构主体(16)包括第一主体部(17)和第二主体部(18),该第二主体部借助于至少一个轴向延伸距离部(19)与所述第一主体部(17)轴向地分离。
16.根据权利要求15所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第一主体部(17)包括所述第一行星轴孔(20a)和第一输入或输出轴孔(22a),并且其中,所述第二主体部(18)包括所述第二行星轴孔(20b)。
17.根据权利要求16所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第二主体部(18)包括第二输入或输出轴孔(22b)。
18.根据权利要求15至17中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第一主体部(17)设置在所述内部空间的轴向中心区域处。
19.根据权利要求15至19中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第二主体部(18)设置为接近所述外壳(10)的轴向端壁。
20.根据权利要求12至19中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述外壳(10)包括若干模块化外壳部件(11、14、15),这些外壳部件被设置为从所述第一主体部(17)并沿两个轴向方向向外一个接另一个地顺序组装。
21.根据权利要求13至20中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述外壳(10)包括展示出若干端壁孔(24)的轴向端壁(15),各端壁孔与相应对的所述第一行星轴孔(20a)和第二行星轴孔(20b)对齐并且被设置为接收用于将相应行星轴通过轴颈连接到所述端壁(15)的附加轴承。
22.根据权利要求12至21中任意一项所述的复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置包括至少一个环形嵌件(21、23a、23b),该嵌件能够插入所述孔(20a、22a、22b)中的对应一个孔以及能够从所述孔去除,用于在插入时将相应轴承固定到所述结构主体(16)并在去除时增强穿过所述孔的进入。
23.根据权利要求12至22中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述外壳包括:第一轴开口,该第一轴开口设置在第一轴向端壁中,并且接收所述第一输入或输出轴;和第二轴开口,该第二轴开口设置在第二端壁中,并且接收所述第二输入或输出轴。
24.根据权利要求12至23中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,各行星齿轮单元包括传动装置,该传动装置被设置为允许所述次级行星齿相对于所述初级行星齿的有限弹性旋转。
25.一种复合行星齿轮装置(200、300),该复合行星齿轮装置包括:
第一旋转输入或输出轴(220、320);
环形齿轮(222、322),该环形齿轮固定到所述第一输入或输出轴;
第一太阳轮(240),该第一太阳轮能够连接到第二输入或输出轴(250);以及
至少两个行星齿轮单元(230、330),各行星齿轮单元包括具有与所述环形齿轮(222、322)啮合的初级行星齿的初级行星齿轮(234、334)和具有与所述第一太阳轮(240)啮合的次级行星齿的次级行星齿轮(235、335),所述次级行星齿轮(235、335)借助于相应行星轴(232、332)与所述初级行星齿轮(234、334)轴向地连接,
其特征在于:
一第二太阳轮(260、360)围绕所述第一输入或输出轴(220、320)同轴设置并且操作地连接到各行星齿轮单元(230、330)的所述初级行星齿轮(234、334),并且一离合器装置(265、365)用于将所述环形齿轮(222、322)或所述第二太阳轮(260、360)选择性地连接到所述第一输入或输出轴(220、320),以便允许改变所述齿轮装置的齿轮比。
26.根据权利要求25所述的复合行星齿轮装置(300),其中,所述第二太阳轮(360)通过与初级行星齿轮(334)啮合来操作地直接连接到这些初级行星齿轮。
27.根据权利要求26所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第二太阳轮(260)经由中间齿轮(264)操作地间接连接到所述初级齿轮(234),各个中间齿轮与所述第二太阳轮(260)和相应初级齿轮(234)啮合。
28.根据权利要求25至27中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第二太阳轮(260、360)固定到同轴地接收所述第一输入或输出轴(220、320)的一部分的套筒构件(262、362)。
29.根据权利要求28所述的复合行星齿轮装置,其中,所述环形轮(222、322)借助轴承(224a、224b)通过轴颈连接到所述套筒构件(262、362)。
30.根据权利要求28或29所述的复合行星齿轮装置,其中,所述套筒构件(262、362)在轴承(221a、221b、321a、321b)中通过轴颈连接到结构主体(216、316),并且所述第一输入或输出轴(220、320)借助于附加的轴承(225、325)通过轴颈连接在所述套筒构件中。
31.根据权利要求25至30中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述离合器装置(265、365)包括接合构件(266),该接合构件旋转地固定到所述第一输入或输出轴(220、320)并且设置为在该接合构件接合所述环形轮或接合固定到所述环形轮的构件(223)的第一接合位置与该接合构件接合所述第二太阳轮或接合固定到所述第二太阳轮的构件(262)的第二接合位置之间轴向地位移。
32.根据权利要求31所述的复合行星齿轮装置,其中,所述接合构件(266)能够位移到中间位置,在该中间位置中,所述接合构件不接合所述环形轮(222、322)、所述第二太阳轮(260、360)或固定到它们的任何构件,从而通过使所述第一输入或输出轴(220、320)与所述环形轮和所述第二太阳轮断开而允许所述第一输入或输出轴(220、320)自由旋转。
33.根据权利要求25至32中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述次级行星齿轮(235、335)具有比所述初级行星齿轮(234、334)大的直径。
34.根据权利要求25至33中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,各行星齿轮单元包括传动装置(235、335),该传动装置被设置为允许所述次级行星齿相对于所述初级行星齿的有限弹性旋转。
35.根据权利要求25至34中任意一项所述的复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置包括用于检测环境条件和/或所述行星齿轮装置中的工作条件的电子部件、用于分析所述条件的中央电子控制单元(605)以及用于控制所述行星齿轮装置的操作的部件。
36.一种复合行星齿轮装置(400、500),该复合行星齿轮装置包括:
第一旋转输入或输出轴(420、520);
环形齿轮(422、522),该环形齿轮固定到所述第一输入或输出轴;
第一太阳轮(440a、540a),该第一太阳轮能够连接到第二输入或输出轴(450、550);以及
至少两个行星齿轮单元(430、530),各行星齿轮单元包括具有与所述环形齿轮啮合的初级行星齿的初级行星齿轮(434、534)和具有与所述太阳轮啮合的次级行星齿的次级行星齿轮,所述次级行星齿轮借助于相应的行星轴(432、532)与所述初级行星齿轮轴向地连接,
其特征在于:
各行星齿轮单元包括:具有不同直径的至少两个次级行星齿轮(435a、435b、535a、535b),各次级行星齿轮借助于所述相应的行星轴(432、532)连接到相应的初级行星齿轮(434、534),所述齿轮箱结构还包括至少两个太阳轮(440a、440b、540a、540b),这些太阳轮轴向地对齐且能够连接到第二输入或输出轴(40、550),并且这些太阳轮与所有行星齿轮单元(430、530)的相应的次级行星齿轮(435a、435b、535a、535b)啮合;和第一离合器装置(465、565),该第一离合器装置用于将所述太阳轮(440a、440b、540a、540b)中的任一个太阳轮选择性地连接到所述第二输入或输出轴(450、550),以便允许改变所述齿轮装置的齿轮比。
37.根据权利要求36所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第一离合器装置(465、565)包括第一接合构件(466、566),该第一接合构件旋转地固定到所述第二输入或输出轴(450、550),并且该第一接合构件在该第一接合构件接合所述太阳轮中的第一个太阳轮(440a、540a)的第一接合位置与该第一接合构件接合所述太阳轮中的第二个太阳轮(440b、540b)的第二接合位置之间轴向地位移。
38.根据权利要求37所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第一接合构件(466、566)能够轴向地位移到该第一接合构件不接合所述太阳轮(440a、440b、540a、540b)中任一个太阳轮的中间位置。
39.根据权利要求37或38所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第一接合构件(466、566)包括中空套筒构件,该中空套筒构件接收所述第二输出或输入轴(450、550)并且借助于花键旋转地固定到该第二输出或输入轴。
40.根据权利要求36至39中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述太阳轮(440a、440b、540a、540b)通过轴颈连接到所述第二输入或输出轴(450、550)。
41.根据权利要求36至40中任意一项所述的复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置包括第二离合器装置(570),该第二离合器装置用于选择性地将所述环形轮(522)连接到所述第一输入或输出轴(520)以及将所述环形轮从所述第一输入或输出轴断开。
42.根据权利要求41所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第二离合器装置(570)包括第二接合构件(571),该第二接合构件旋转地固定到所述第一输入或输出轴(520),并且该第二接合构件能够在该第二接合构件接合所述环形轮(522)的接合位置与该第二接合构件从所述环形轮脱离的脱离位置之间轴向地位移。
43.根据权利要求42所述的复合行星齿轮装置,其中,所述第二接合构件(571)和所述环形轮(522)包括协作的接合部件(571a、522a),这些接合部件用于允许在所述接合构件(571)采取其接合位置时形成形状锁合接合。
44.根据权利要求41至43中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述环形轮(522)包括径向内部的且轴向地延伸的毂部,该毂部同轴地接收所述第二接合构件(571)。
45.根据权利要求44所述的复合行星齿轮装置,其中,所述毂部通过轴颈连接到所述复合行星齿轮装置的结构主体(516)。
46.根据权利要求36至45中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,所述次级行星齿轮(435a、435b、535a、535b)具有比所述初级行星齿轮(434、534)大的直径。
47.根据权利要求36至46中任意一项所述的复合行星齿轮装置,其中,各行星齿轮单元(430、530)包括传动装置,该传动装置被设置为允许所述次级行星齿相对于所述初级行星齿的有限弹性旋转。
48.根据权利要求36至47中任意一项所述的复合行星齿轮装置,该复合行星齿轮装置包括用于检测环境条件和/或所述行星齿轮装置中的工作条件的电子部件、用于分析所述条件的中央电子控制单元(605)以及用于控制所述行星齿轮装置的操作的部件。
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