CN113236504B - 风力发电机齿轮箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机齿轮箱，包括：扭矩臂，被配置为将风力发电机齿轮箱固定到风力发电机平台，以抑制风力发电机齿轮箱随主轴和转子的旋转；齿圈，被配置为转换不同齿轮之间的转速比，以将较低的进入速度转换为较高的退出速度；以及中箱体，被配置为容纳不同的齿轮并且与扭矩臂一起夹持齿圈，其中扭矩臂、齿圈和中箱体依次同轴连接，齿圈与扭矩臂的连接面和齿圈与中箱体的连接面中的至少一个连接面不垂直于扭矩臂、齿圈和中箱体的轴向。

Description

风力发电机齿轮箱

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，特别涉及一种风力发电机齿轮箱。

背景技术

齿轮箱是在风力发电机组中应用很广泛的一个重要的机械部件，其例如应用在风力发电机组中。其主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常，风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，因此必须通过齿轮箱的齿轮副来实现增速。

如图1所示，行星架旋转时，带动行星轮转动并与齿圈啮合；啮合力在传递到扭矩臂和齿圈的结合面上时会形成扭矩臂和齿圈的相对滑移趋势，因此需要靠螺栓或销来抵抗相对滑移。例如通过螺栓压紧力产生正压力以形成摩擦力，加上销连接的抗剪切能力一起传递扭矩；同时结合面需要能抵抗弯矩以避免结合面脱离接触；齿圈受啮合作用在径向力作用下会产生一定的径向变形，形成结合面之间的蠕动位移，因此需要通过销进行限位和变形控制。

如图1所示，在极限扭矩作用下，扭矩臂与齿圈的结合面之间会发生扭矩臂与齿圈的相对位移变形。该相对位移主要发生在径向和切向上。螺栓数量和销的布置数量都需要满足一定设计要求：当前设计方案需要螺栓数量足够以保证正压力和摩擦力；销的布置数量需要足以抵抗齿圈变形和恢复蠕动位移。

目前市场上通过螺栓和销的配合来保证齿圈与箱体连接方案的刚度和精度，因此在受到齿轮啮合作用时齿圈会发生位移和变形，影响啮合精度并导致结合面的微动磨损。为了控制变形和位移，主要通过增加螺栓数量和销的比例来确保方案达到设计要求；同时需要增加齿圈壁厚来提高刚度降低变形；还要增加结合面摩擦系数降低变形和位移。

随着传递扭矩需求的增加，在一定分度圆直径上能布置的螺栓和销的数量达到上限后，进一步提高连接方案的抗弯和抗扭能力就会受限。随着齿轮箱扭矩密度增加，结合面的可靠性越来越低且不能通过传统方案较低成本解决。

当前行业内的125KNm/T的齿轮箱已经渐渐逼近应用瓶颈，因为随着齿圈直径保持不变，传扭能力需求持续增加直至上限。业内急需更合理的解决方案来提示传扭能力时，但现有的方案具有以下缺陷：1)在固定的分度圆直径下螺栓和销数量增加空间有限；2)增加齿圈壁厚会增加较多成本；3)增加摩擦系数的方案不成熟且成本较高；4)通过增加摩擦系数的方法，摩擦系数20年会衰减，最终导致失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机齿轮箱，以解决现有的齿轮箱扭矩密度增加导致结合面的可靠性越来越低的问题。

本发明的目的还在于提供一种风力发电机齿轮箱，以解决现有的结合面的可靠性低不能通过传统方案较低成本解决的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机齿轮箱，包括：

扭矩臂，被配置为将风力发电机齿轮箱固定到风力发电机平台，以抑制风力发电机齿轮箱随主轴和转子的旋转；

齿圈，被配置为转换不同齿轮之间的转速比，以将较低的进入速度转换为较高的退出速度；以及

中箱体，被配置为容纳不同的齿轮并且与扭矩臂一起夹持齿圈，其中扭矩臂、齿圈和中箱体依次同轴连接，齿圈与扭矩臂的连接面和齿圈与中箱体的连接面中的至少一个连接面不垂直于扭矩臂、齿圈和中箱体的轴向。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，还包括：

第一连接装置，被配置为贯穿齿圈与扭矩臂和中箱体的至少一个连接面，以防止齿圈与扭矩臂和中箱体产生相对移动，和/或

第二连接装置，被配置为对齿圈与扭矩臂和中箱体的至少一个连接面施加正压力，以在所述连接面上产生摩擦力。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，所述齿圈为中间具有容置空间的圆柱，所述扭矩臂和中箱体均具有与所述圆柱相配合的端部。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，所述齿圈与扭矩臂接触的一侧面为圆锥形，以使扭矩臂对齿圈产生第一额外径向束缚力；

齿圈被施加第一额外径向束缚力以增加刚度，减小变形、以及连接面的相对滑移量，以使齿圈的径向变形对第一连接装置产生更大的正压力，增大接触面摩擦力和抗滑移能力。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，所述齿圈与中箱体接触的一侧面为圆锥形，以使中箱体对齿圈产生第二额外径向束缚力；

齿圈被施加第二额外径向束缚力以增加刚度，减小变形、以及连接面的相对滑移量，以使齿圈的径向变形对第一连接装置产生更大的正压力，增大接触面摩擦力和抗滑移能力。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，扭矩臂和/或中箱体与齿圈之间的连接面在第一连接装置的预紧力作用下，产生正压力，形成摩擦力，抵消齿圈的切向滑移运动和径向滑移运动；

当齿圈相对于扭矩臂和/或中箱体产生径向运动时，扭矩臂和/或中箱体与齿圈的连接面之间的径向位移在锥面配合作用下，形成轴向位移，以对第一连接装置施加轴向的第一额外径向束缚力和/或第二额外径向束缚力，第一额外径向束缚力和/或第二额外径向束缚力的压力作用在连接面上以增大摩擦力。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，扭矩臂和/或中箱体的刚度抑制齿圈径向位移的产生；

使得扭矩臂和/或中箱体与齿圈的锥面配合，装配时圆锥定位圆心调节，保证齿轮啮合精度。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，在载荷条件不变的情况下，通过扭矩臂对齿圈产生第一额外径向束缚力，和/或中箱体对齿圈产生第二额外径向束缚力，弥补齿圈壁厚有限刚度不足。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，根据载荷条件的计算得到最优的锥面配合角度，使辅助提升刚度的效果达到最大化，同时避免锥角过大造成预紧压缩变形和滑移。

可选的，在所述的风力发电机齿轮箱中，所述锥面配合角度为2°～15°。

本发明的发明人发现，目前市场上该部位的连接方案使用第二连接装置和销组合的方式进行连接，且连接面为平面。由于本领域技术人员的技术偏见，目前行业中还未有采用本发明中的锥面方案，技术文献也显示没有类似的结构设计，由于风电行业中还未走到新的应用场景，本领域技术人员很难想到未来的技术改进点。而本发明的发明人提出了预见性的发现，扭矩臂、齿圈及中箱体的连接强度在未来会成为齿轮箱的设计瓶颈，并排除其他干扰突破方案，采用锥面配合来突破技术瓶颈，克服了本领域的技术偏见。

其中，第一连接装置和第二连接装置包括但不限于采用螺栓、螺柱、螺丝、销等连接件。本发明适用于传统螺栓+销(或螺柱)连接无法解决抗扭和抗滑移问题的齿轮箱箱体与齿圈连接方案的应用场景。受限于齿圈的直径，连接螺栓和销(螺柱)的数量不够，不足以同意保证抗扭和抗滑移能力；不能通过简单低成本的工艺提高结合面摩擦系数提高抗扭和抗滑移能力；齿圈壁厚有限刚度不足，需要通过箱体辅助提升刚度的应用场景。

在本发明提供的风力发电机齿轮箱中，通过齿圈与扭矩臂和中箱体的至少一个连接面不垂直于扭矩臂、齿圈和中箱体的轴向，即将连接面设计成斜面，箱体铸件有包裹效应，提高齿圈径向刚度，降低变形，提高接触面摩擦力。

本发明提到的斜面设计，并不限定斜面的倾斜方向、倾斜角度、倾斜面是否为正圆锥形，只要连接面不垂直于轴向，均在本发明的保护范围内。

本发明适用于传统螺栓+销连接方案解决不了的传扭和抗滑移能力的齿轮箱箱体与齿圈连接方案的应用场景。发明人通过设计研究、并实验验证，业内需要更合理的解决方案来提示传扭能力时，采用锥面配合会成为最有竞争力的创新解决方案。

本发明通过把传统的箱体与齿圈平面配合改为锥面配合，巧妙的利用箱体铸件为齿圈提供额外的刚度支撑；降低了齿圈受载后的变形和结合面滑移量；受载时齿圈的径向位移趋势可以在锥面配合作用下产生轴向拉力使第二连接装置产生额外的预紧力抑制变形和位移的产生。

本发明的发明人还进行了实验验证，同等螺柱预紧配置下，该设计方案可以降低50％以上的相对滑移量，显著提升连接方案的设计性能。该设计方案效果好，设计变更小，工艺简单，成本低。圆锥接合面可以有效提高定位精度，保证齿轮传动啮合精度。径向变形会产生自预紧效果，进一步抑制滑移量。该设计方案可以降低齿圈刚度设计要求，减薄壁厚实现设计降本。

附图说明

图1是现有的齿轮箱示意图；

图2是本发明一实施例风力发电机齿轮箱示意图；

图3是本发明一实施例风力发电机齿轮箱有限元方法示意图；

图中所示：1-扭矩臂；2-齿圈；3-中箱体；4-第一连接装置。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的风力发电机齿轮箱作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的目的在于提供一种风力发电机齿轮箱，以解决现有的齿轮箱扭矩密度增加导致结合面的可靠性越来越低的问题。

本发明的目的还在于提供一种风力发电机齿轮箱，以解决现有的结合面的可靠性低不能通过传统方案较低成本解决的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种风力发电机齿轮箱，包括：扭矩臂，被配置为将风力发电机齿轮箱固定到风力发电机平台，以抑制风力发电机齿轮箱随主轴和转子的旋转；齿圈，被配置为转换不同齿轮之间的转速比，以将较低的进入速度转换为较高的退出速度；以及中箱体，被配置为容纳不同的齿轮并且与扭矩臂一起夹持齿圈，其中扭矩臂、齿圈和中箱体依次同轴连接，齿圈与扭矩臂的连接面和齿圈与中箱体的连接面中的至少一个连接面不垂直于扭矩臂、齿圈和中箱体的轴向。

齿轮箱承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。齿轮箱箱体的设计应按照风电机组动力传动的布局安排、加工和装配条件、便于检查和维护等要求来进行。随着齿轮箱行业的不断飞速发展，越来越多的行业和不同的企业都运用到了齿轮箱，也有越来越多的企业在齿轮箱行业内发展壮大。

与其它工业齿轮箱相比，由于风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内，其本身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维修费用等都有重要影响，因此，减小外形尺寸和减轻重量显得尤为重要。同时，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的设计寿命为20年，对可靠性的要求也极其苛刻。由于尺寸和重量与可靠性往往是一对不可调和的矛盾，因此风电齿轮箱的设计制造往往陷入两难的境地。总体设计阶段应在满足可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积、最小重量为目标进行传动方案的比较和优化。

目前行业中没有箱体结合面采用锥面，尤其是大型铸件，由于锥面加工难度，精度控制要求会更大一点，目前市面上还没有这样的应用尝试，大型机加工零件加工锥面有难度，特别容易使本领域技术人员产生技术偏见，优化连接面的设计需求目前还不明显，现有设计惯性让本领域技术容易很难意识到平面连接改进的必要性。本发明通过实验验证了方案的可行性，克服了技术偏见。本发明的方案是通过充分调研加工精度难度以及CAE仿真验证后才提出的，具有可行性。

发明人经研究发现，加工难度主要在于两个锥面的配合需要是高精度的，否则可能由于配合面锥度不一致引起使用风险，发明人经实验验证，通过质量管控可以克服上述风险，对方案的整体性实施不产生根本性影响。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，齿圈2在行星级齿轮传动中由于通过第一连接装置4连接扭矩臂1和中箱体3而固定不动。齿圈2受啮合作用在径向、切向和轴向同时受到作用力，其中径向力和切向力会导致齿圈2与扭矩臂1在它们之间的结合面上产生切向和径向的相对滑移趋势，齿圈2与中箱体3之间的相对移动同理。

齿圈2在NGW型齿轮传动中通过第一连接装置4连接扭矩臂1和中箱体3固定不动。齿圈2啮合时在径向、切向和轴向同时受到作用力，其中径向力和切向力会导致齿圈2和扭矩臂1在它们之间的结合面上产生切向和径向的相对滑移趋势。通过第一连接装置4预紧，在扭矩臂1与齿圈2之间的结合面上产生正压力，该正压力可产生摩擦力，以克服相对滑移。

扭矩臂1与齿圈2之间的结合面在第一连接装置4的预紧力作用下产生正压力，从而形成摩擦力，由此可以抵消齿圈的切向滑移运动和径向滑移运动。当径向运动产生时，扭矩臂1与齿圈2在结合面处的径向位移在锥面配合作用下形成一个轴向位移，从而对第一连接装置4产生额外的拉力，该拉力会产生额外的压力作用在结合面上以增大摩擦力。同时扭矩臂1和中箱体3的刚度会有助于齿圈2的一致径向位移的产生，提高变形刚度。

同时，扭矩臂1和齿圈2的锥面配合同时会产生一个圆锥定心的效果，在装配时可以起到辅助调心的作用，保证齿轮啮合精度。

本发明采用锥形面的配合方式，使扭矩臂1和中箱体3对齿圈2产生一个额外的径向束缚作用，使齿圈2在受到径向力作用时刚度更大，变形更困难，结合面的相对滑移量更小；齿圈的径向变形对拉伸第一连接装置4产生更大的正压力，从而增大接触面摩擦力和抗滑移能力。

本发明通过把传统的箱体与齿圈平面配合改为锥面配合，巧妙的利用箱体铸件为齿圈提供额外的刚度支撑。降低了齿圈受载后的变形和结合面滑移量。受载时齿圈的径向位移趋势可以在锥面配合作用下产生轴向拉力，使第一连接装置产生额外的预紧力，从而抑制变形和位移的产生。本发明的有益效果至少包括：同等螺栓预紧配置下，该设计方案可以降低50％以上的相对滑移量，显著提升连接方案的设计性能；该设计方案效果好，设计变更小，工艺简单，成本低；圆锥接合面可以有效提高定位精度，保证齿轮传动啮合精度；径向变形会产生自预紧效果，进一步抑制滑移量；该设计方案可以降低齿圈刚度设计要求，减薄壁厚实现设计降本。

另外发明人研究发现，锥面配合角度是关键参数，特定的锥角才能发挥锥面的最大效果，反之会造成其他的负面影响，太小锥角，增加刚度效果不明显，太大锥角会挤压齿圈造成变形影响齿轮啮合，因此，锥面配合角度为2°～15°是方案能够实施的前提，而3-8°左右能够实现更佳的效果。通过对具体应用方案的计算分析可以得到最优的锥面配合角度，使辅助提升刚度的效果达到最大化，同时避免锥角过大造成预紧压缩变形和滑移等负面影响。

发明人分析得出，连接方案失效的主要表现形式为漏油和接触微动磨损，在传递扭矩和转矩能力上，设计上需要保证连接方案不会产生轴向的脱离和切向的滑移。

如图3所示，主要设计评估方法包括：通过有限元方法评估在不同第一连接装置(例如螺栓)个数、不同销个数、不同摩擦系数、不同预紧力、不同载荷条件下的应力和变形结果，寻求最优解决方案，仿真分析，经历极限载荷后没有残余滑移量。

仿真分析对照组方案如表1所示。

表1仿真分析对照组

当前连接方案评估结果如表2所示；

表2当前连接方案评估

通过仿真得到结论如下：

1.当前案例中接触面摩擦系数需要达到0.17以上才能满足无残余滑移量；

2.预紧力和螺栓数量需要满足一定要求才能满足无残余滑移量；

3.当前连接方式为了保证连接方案可靠性，主要依靠增加摩擦系数、螺栓数量、螺栓预紧力等手段才能提高传扭性能；

4.实际产品设计中由于齿圈外径受限，螺栓数量上限和预紧力上限不高；

5.摩擦系数由于连接面可能存在润滑油，不能稳定保证维持在较高水平；

6.未来应用场景中，齿圈直径增长较慢，扭矩水平提升较快，需要找到更有效方式提升传扭能力。

优化方案评估如表3所示：主要改进点是通过改变接触面角度，调整连接方案的传扭能力。

表3优化方案评估

螺栓数量	预紧力	摩擦系数	接触面角度
				72	702KN	0.14	0°
72	702KN	0.14	5°
				72	702KN	0.14	7°
72	702KN	0.14	9°

通过同条件下接触角改变的对比，评估方案改善效果，仿真得到表4的数据：

表4评估方案改善效果

1.以上数据可以看出，在当前连接方案结构条件下，通过改变接触面锥角的较低变动可以大幅提升连接方案的抗滑移能力；

2.该设计改进方案巧妙，同时对接触角度较敏感；

3.该设计创新对该型产品提高连接方案可靠性指明了设计优化提升方向和空间。

综上，上述实施例对风力发电机齿轮箱的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种风力发电机齿轮箱，其特征在于，包括：

扭矩臂，被配置为将风力发电机齿轮箱固定到风力发电机平台，以抑制风力发电机齿轮箱随主轴和转子的旋转；

齿圈，被配置为转换不同齿轮之间的转速比，以将较低的进入速度转换为较高的退出速度；以及

中箱体，被配置为容纳不同的齿轮并且与扭矩臂一起夹持齿圈，其中扭矩臂、齿圈和中箱体依次同轴连接，齿圈与扭矩臂的连接面和齿圈与中箱体的连接面中的至少一个连接面不垂直于扭矩臂、齿圈和中箱体的轴向；

扭矩臂和/或中箱体的刚度抑制齿圈径向位移的产生；使得扭矩臂和/或中箱体与齿圈的锥面配合，装配时圆锥定位圆心调节，保证齿轮啮合精度。

2.如权利要求1所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，还包括：

第一连接装置，被配置为贯穿齿圈与扭矩臂和中箱体的至少一个连接面，以防止齿圈与扭矩臂和中箱体产生相对移动，和/或

第二连接装置，被配置为对齿圈与扭矩臂和中箱体的至少一个连接面施加正压力，以在所述连接面上产生摩擦力。

3.如权利要求2所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，所述齿圈为中间具有容置空间的圆柱，所述扭矩臂和中箱体均具有与所述圆柱相配合的端部。

4.如权利要求3所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，

所述齿圈与扭矩臂接触的一侧面为圆锥形，以使扭矩臂对齿圈产生第一额外径向束缚力；

齿圈被施加第一额外径向束缚力以增加刚度，减小变形、以及连接面的相对滑移量，以使齿圈的径向变形对第一连接装置产生更大的正压力，增大接触面摩擦力和抗滑移能力。

5.如权利要求4所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，

所述齿圈与中箱体接触的一侧面为圆锥形，以使中箱体对齿圈产生第二额外径向束缚力；

齿圈被施加第二额外径向束缚力以增加刚度，减小变形、以及连接面的相对滑移量，以使齿圈的径向变形对第一连接装置产生更大的正压力，增大接触面摩擦力和抗滑移能力。

6.如权利要求5所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，

扭矩臂和/或中箱体与齿圈之间的连接面在第一连接装置的预紧力作用下，产生正压力，形成摩擦力，抵消齿圈的切向滑移运动和径向滑移运动；

当齿圈相对于扭矩臂和/或中箱体产生径向运动时，扭矩臂和/或中箱体与齿圈的连接面之间的径向位移在锥面配合作用下，形成轴向位移，以对第一连接装置施加轴向的第一额外径向束缚力和/或第二额外径向束缚力，第一额外径向束缚力和/或第二额外径向束缚力的压力作用在连接面上以增大摩擦力。

7.如权利要求5所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，在载荷条件不变的情况下，通过扭矩臂对齿圈产生第一额外径向束缚力，和/或中箱体对齿圈产生第二额外径向束缚力，弥补齿圈壁厚有限刚度不足。

8.如权利要求5所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，

根据载荷条件的计算得到最优的锥面配合角度，使辅助提升刚度的效果达到最大化，同时避免锥角过大造成预紧压缩变形和滑移。

9.如权利要求8所述的风力发电机齿轮箱，其特征在于，所述锥面配合角度为2°～15°。

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