CN113931805A - 具有集成销轴的风力涡轮齿轮箱托架及其制造方法 - Google Patents

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R·E·沃格尔
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Abstract

一种齿轮系统包括具有第一部分和单独的第二部分的托架，和从托架的第一部分延伸的多个销轴。多个销轴中的每个包括第一端部和第二端部。就此而言，第一端部与托架的第一部分集成形成。第一部分和第二部分布置在多个销轴的相对侧上并且间隔开，使得第一部分和第二部分彼此不接触。此外，托架的第二部分限定端板，该端板装固于多个销轴的第二端部。齿轮系统还包括多个齿轮，该多个齿轮安装于多个销轴，其中多个齿轮中的每个布置成以便围绕多个销轴中的一个旋转。

Description

具有集成销轴的风力涡轮齿轮箱托架及其制造方法
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮，并且更具体而言，涉及风力涡轮齿轮箱及其制造方法。
背景技术
大体上，风力涡轮包括塔架、安装在塔架上的机舱，以及联接于机舱的转子。转子大体上包括可旋转毂和多个转子叶片，该多个转子叶片联接于毂上并且从毂向外延伸。每个转子叶片可绕着毂间隔，以便促进转子旋转，以使得动能能够转换成可用的机械能，该可用的机械能可接着传输至设置在机舱内的发电机，用于电能的产生。典型地，齿轮箱用于响应转子的旋转而驱动发电机。例如，齿轮箱可构造成将由转子提供的低速、高扭矩输入转换成可驱动发电机的高速、低扭矩输出。
齿轮箱大体上包括齿轮箱壳体，该齿轮箱壳体容纳多个齿轮(例如，行星齿轮、环形齿轮和/或太阳齿轮，以及非行星齿轮)，该多个齿轮经由一个或多个行星托架和轴承连接，用于将转子轴的低速、高扭矩输入转换成用于发电机的高速、低扭矩输出。此外，齿轮中的每个绕着销轴旋转，该销轴布置在一个或多个行星托架内。此外，轴承典型地在相应的销轴与旋转齿轮之间围绕销轴中的每个定位。此外，润滑大体上提供在轴承中的每个与旋转齿轮之间。
托架的功能在于将扭矩从转子轴传递至行星齿轮。在传统的托架中，法兰提供托架的转子侧和发电机侧之间的几乎所有刚度，这是传输扭矩所需的。因此，由于其大小、材料以及功能，故常规托架对风力涡轮中的制造而言为最昂贵的构件中的一个。
因此，解决上述问题的用于风力涡轮的齿轮箱组件将在本领域中受到欢迎。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。
在一方面中，本公开涉及一种齿轮系统。齿轮系统包括具有第一部分和单独的第二部分的托架，和从托架的第一部分延伸的多个销轴。多个销轴中的每个包括第一端部和第二端部。就此而言，第一端部与托架的第一部分集成形成。第一部分和第二部分布置在多个销轴的相对侧上并且间隔开，使得第一部分和第二部分彼此不接触。此外，托架的第二部分限定端板，该端板装固于多个销轴的第二端部。齿轮系统还包括多个齿轮，该多个齿轮安装于多个销轴，其中多个齿轮中的每个布置成以便围绕多个销轴中的一个旋转。
在实施例中，与托架的第一部分集成形成的多个销轴的第一端部向齿轮系统提供结构稳定性，使得齿轮系统在托架的第一部分和第二部分之间不存在轴向延伸的腹板。
在另一实施例中，端板可包括多个轴孔。在此类实施例中，多个轴孔中的每个构造成接收多个销轴中的一个。
在其它实施例中，端板可经由多个销轴中的每个与多个孔中的每个之间的过盈配合装固于多个销轴。
在附加的实施例中，端板可限定包括环形基部部分的形状，该环形基部部分限定内直径和外直径。在此类实施例中，内直径限定中心孔口，多个轴孔在环形基部部分的边缘处围绕中心孔口沿周向布置。此外，在特定的实施例中，多个轴孔中的每个的外直径延伸超过环形基部部分的外直径。
在附加的实施例中，齿轮系统的设计可基于输入至齿轮系统的计算机实施的负载模型的一个或多个设计变量来优化，以便使齿轮系统的质量最小化。例如，在实施例中，(多个)设计变量可包括托架的第一部分的外直径、多个销轴中的每个的内直径、多个轴孔中的每个的外直径、环形基部部分的外直径、托架的第一部分的厚度、多个轴孔中的每个的厚度，和/或环形基部部分的厚度。
在特定的实施例中，齿轮系统可为风力涡轮功率系统的部分。在此类实施例中，齿轮系统可定向成使得托架的第一部分定位在风力涡轮功率系统的转子侧上，并且托架的第二部分定位在风力涡轮功率系统的发电机侧上。
在又一些实施例中，端板可包括顺风托架轴承肩部，该顺风托架轴承肩部围绕中心孔口沿周向布置。此外，顺风托架轴承肩部可在风力涡轮功率系统的发电机侧上，以便接收发电机轴。
在附加的实施例中，端板和多个销轴均可包括多个对应的紧固件孔。因此，在某些实施例中，端板可经由多个紧固件装固于多个销轴，该多个紧固件接收穿过多个对应的紧固件孔。此外，在实施例中，多个紧固件可包括螺栓、销等。
在实施例中，多个销轴中的一个或多个可为中空的。在另一实施例中，多个销轴中的一个或多个可包括经由铸造、增材制造或机加工中的至少一种形成在其中的一个或多个油通路。
在另一方面中，本公开涉及一种用于制造风力涡轮的齿轮箱的齿轮系统的方法。方法包括将齿轮系统的托架的第一部分和齿轮系统的多个销轴形成为单个部件。多个销轴中的每个具有第一端部和第二端部。第一端部与托架的第一部分集成形成，使得第二端部从其向外延伸。此外，方法包括将多个齿轮定位到多个销轴上。此外，方法包括将托架的第二部分装固于多个销轴的第二端部，使得第一部分和第二部分彼此不接触。
在实施例中，方法可包括在将多个齿轮定位到多个销轴上之前，将轴承提供到多个销轴中的每个上。
在另一实施例中，在将多个齿轮定位到多个销轴上之前将轴承提供到多个销轴中的每个上可包括在将托架的第一部分和多个销轴形成为单个部件之后并且在将多个齿轮定位到多个销轴上之前，经由增材制造过程经由计算机数字控制(CNC)装置将轴承直接地形成到多个销轴中的每个上。
在另外的实施例中，增材制造过程可包括例如粘合剂喷射、材料喷射、激光熔覆、冷喷涂沉积、定向能量沉积、粉末床熔合、材料挤压，或还原光聚合。
在实施例中，方法还可包括经由增材制造将至少一个附加特征形成到轴承中的一个或多个、托架的第一部分和第二部分，或者销轴中的一个或多个中。在此类实施例中，(多个)附加特征可包括例如油通路、一个或多个肋、一个或多个通道，或者一个或多个凹部。
在某些实施例中，将托架的第一部分和多个销轴形成为单个部件可包括铸造托架的第一部分和多个销轴。在备选实施例中，将托架的第一部分和多个销轴形成为单个部件可包括将液体材料倾倒到托架的第一部分的模具中，允许液体材料在模具中固化，以便形成托架的第一部分，并且将多个销轴增材模制或印刷至托架的第一部分。
在附加的实施例中，将端板装固于多个销轴的第二端部可包括利用按压配合或者一个或多个紧固件。
技术方案1. 一种齿轮系统，其包括：
托架，其包括第一部分和单独的第二部分；
多个销轴，其从所述托架的所述第一部分延伸，所述多个销轴中的每个包括第一端部和第二端部，所述第一端部与所述托架的所述第一部分集成形成，所述第一部分和所述第二部分布置在所述多个销轴的相对侧上并且间隔开，使得所述第一部分和所述第二部分彼此不接触，所述托架的所述第二部分限定端板，所述端板装固于所述多个销轴的所述第二端部；
多个齿轮，其安装于所述多个销轴，所述多个齿轮中的每个布置成以便围绕所述多个销轴中的一个旋转。
技术方案2. 根据技术方案1所述的齿轮系统，其特征在于，与所述托架的所述第一部分集成形成的所述多个销轴的所述第一端部向所述齿轮系统提供结构稳定性，使得所述齿轮系统在所述托架的所述第一部分和所述第二部分之间不存在轴向延伸的腹板。
技术方案3. 根据技术方案1所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板包括多个轴孔，所述多个轴孔中的每个构造成接收所述多个销轴中的一个。
技术方案4. 根据技术方案3所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板经由所述多个销轴中的每个与所述多个轴孔中的每个之间的过盈配合装固于所述多个销轴。
技术方案5. 根据技术方案3所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板限定包括环形基部部分的形状，所述环形基部部分限定内直径和外直径，所述内直径限定中心孔口，所述多个轴孔在所述环形基部部分的边缘处围绕所述中心孔口沿周向布置，其中所述多个轴孔中的每个的外直径延伸超过所述环形基部部分的所述外直径。
技术方案6. 根据技术方案5所述的齿轮系统，其特征在于，所述齿轮系统的设计基于输入至所述齿轮系统的计算机实施的负载模型的一个或多个设计变量来优化，以便使其质量最小化，其中所述一个或多个设计变量包括所述托架的所述第一部分的所述外直径、所述多个销轴中的每个的内直径、所述多个轴孔中的每个的所述外直径、所述环形基部部分的外直径、所述托架的所述第一部分的厚度、所述多个轴孔中的每个的厚度，或所述环形基部部分的厚度中的至少一个。
技术方案7. 根据技术方案5所述的齿轮系统，其特征在于，所述齿轮系统为风力涡轮功率系统的部分，所述齿轮系统定向成使得所述托架的所述第一部分定位在所述风力涡轮功率系统的转子侧上，并且所述托架的所述第二部分定位在所述风力涡轮功率系统的发电机侧上。
技术方案8. 根据技术方案7所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板还包括顺风托架轴承肩部，所述顺风托架轴承肩部围绕所述中心孔口沿周向布置，所述顺风托架轴承肩部在所述风力涡轮功率系统的所述发电机侧上，以便接收发电机轴。
技术方案9. 根据技术方案1所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板和所述多个销轴均包括多个对应的紧固件孔。
技术方案10. 根据技术方案9所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板经由多个紧固件装固于所述多个销轴，所述多个紧固件接收穿过所述多个对应的紧固件孔。
技术方案11. 根据技术方案10所述的齿轮系统，其特征在于，所述多个紧固件包括螺栓或销中的至少一种。
技术方案12. 根据技术方案1所述的齿轮系统，其特征在于，所述多个销轴中的一个或多个为中空的。
技术方案13. 根据技术方案1所述的齿轮系统，其特征在于，所述多个销轴中的一个或多个包括经由铸造、增材制造或机加工中的至少一种形成在其中的一个或多个油通路。
技术方案14. 一种用于制造风力涡轮的齿轮箱的齿轮系统的方法，所述方法包括：
将所述齿轮系统的托架的第一部分和所述齿轮系统的多个销轴形成为单个部件，所述多个销轴中的每个具有第一端部和第二端部，所述第一端部与所述托架的所述第一部分集成形成，使得所述第二端部从其向外延伸；
将多个齿轮定位到所述多个销轴上；以及，
将所述托架的第二部分装固于所述多个销轴的所述第二端部，使得所述第一部分和所述第二部分彼此不接触。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在将所述多个齿轮定位到所述多个销轴上之前，将轴承提供到所述多个销轴中的每个上。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，在将所述多个齿轮定位到所述多个销轴上之前将所述轴承提供到所述多个销轴中的每个上还包括在将所述托架的所述第一部分和所述多个销轴形成为所述单个部件之后并且在将所述多个齿轮定位到所述多个销轴上之前，经由增材制造过程经由计算机数字控制(CNC)装置将所述轴承直接地形成到所述多个销轴中的每个上。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述增材制造过程包括粘合剂喷射、材料喷射、激光熔覆、冷喷涂沉积、定向能量沉积、粉末床熔合、材料挤压，或还原光聚合中的至少一种。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括经由增材制造将至少一个附加特征形成到所述轴承中的一个或多个、所述托架的所述第一部分和所述第二部分，或者所述销轴中的一个或多个中，其中所述至少一个附加特征包括油通路、一个或多个肋、一个或多个通道，或者一个或多个凹部中的至少一种。
技术方案19. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，将所述托架的所述第一部分和所述多个销轴形成为所述单个部件还包括以下中的至少一种：将所述托架的所述第一部分和所述多个销轴铸造为所述单个部件，或者将液体材料倾倒到所述托架的所述第一部分的模具中，允许所述液体材料在所述模具中固化，以便形成所述托架的所述第一部分，并且接着将所述多个销轴增材模制或印刷至所述托架的所述第一部分。
技术方案20. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，将所述托架的所述第二部分装固于所述多个销轴的所述第二端部还包括利用按压配合或者一个或多个紧固件中的至少一种。
还应当理解的是，方法还可包括本文中描述的附加特征和/或步骤中的任何。
本发明的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域技术人员的其最佳模式的本发明的完整且能实现的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1示出根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出根据本公开的风力涡轮的机舱的一个实施例的详细内部视图；
图3示出根据本公开的风力涡轮的齿轮箱组件的一个实施例的截面视图；
图4示出根据本公开的齿轮系统的一个实施例的局部透视图，其中移除某些行星齿轮以示出其内部构件；
图5示出根据本公开的齿轮系统的一个实施例的截面视图；
图6和图7示出根据本公开的齿轮系统的一个实施例的分解图；
图8示出根据本公开的齿轮系统的集成形成托架和销轴中的一个的一个实施例的透视图；
图9-11示出根据本公开的齿轮系统的端板的一个实施例的各种视图；
图12示出根据本公开的齿轮系统的轴承中的一个的一个实施例的透视图；
图13示出根据本公开的齿轮系统的另一实施例的分解图；
图14示出根据本公开的齿轮系统的集成形成托架和销轴中的一个的一个实施例的透视图，特别地示出经由增材制造利用计算机数字控制装置来直接印刷到销轴上的轴承；
图15示出根据本公开的、可包括有计算机数字控制装置的控制器的合适构件的一个实施例的框图；
图16示出根据本公开的用于制造齿轮系统装置的方法的一个实施例的流程图；以及
图17示出如由齿轮系统的计算机实施的负载模型(诸如有限元分析(FEA))生成的、优化的齿轮系统计算机代表的一个实施例的透视图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。每个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
大体上，本公开涉及齿轮系统，该齿轮系统具有与托架的第一部分集成形成的多个销轴。托架的单独的第二部分接着装固于销轴的相对侧，而在第一部分与第二部分之间没有设置腹板。因此，通过将销轴集成到托架的第一部分中，销轴变成结构构件，该结构构件增加齿轮系统的刚性，由此允许先前在其间延伸的腹板的移除。因此，实现齿轮系统的材料的总体减少。在特定的实施例中，可铸造销轴，这还可有助于降低的成本。该构思将传统的一件式托架分离成两个单独且不同的部分(即，本文中描述的托架的第一部分和第二部分)，但是将销轴集成到托架的第一部分中，因此构件的总数减少。此外，本公开可利用增材制造来将轴承并入在销轴与齿轮之间。
因此，本公开提供现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开的方法和系统实现用于齿轮系统的较小的包络，使用较少的材料，具有减少的重量，并且需要较少的机加工和/或组装时间。附加的益处为增加的刚性，其可导致更好的齿轮咬合和较长的寿命以及可靠性。
现在参照附图，图1示出根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如示出的，风力涡轮10包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接于机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20和至少一个转子叶片22，至少一个转子叶片22联接于毂20并且从毂20向外延伸。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可绕着毂20间隔，以促进转子18旋转，以使得动能能够从风转化成可用的机械能，并且随后，转化成电能。例如，毂20可以可旋转地联接于定位在机舱16内的发电机24(图2)，以容许电能产生。
如示出的，风力涡轮10还可包括定心在机舱16内的涡轮控制系统或涡轮控制器26。例如，如图2中示出的，涡轮控制器26设置在安装于机舱16的部分的控制柜内。然而，应当认识到的是，涡轮控制器26可设置在风力涡轮10上或中的任何地点处，在支承表面14上的任何地点处，或大体上在任何其它地点处。大体上，涡轮控制器26可构造成传输和执行风力涡轮控制信号和/或命令，以便控制风力涡轮10的各种操作模式(例如，启动或关闭序列)和/或构件。
现在参照图2，示出根据常规构造的风力涡轮10的机舱16的简化内部视图。如示出的，发电机24可设置在机舱16内。大体上，发电机24可联接于风力涡轮10的转子18，用于从由转子18生成的旋转能产生电功率。例如，如在示出的实施例中显示的，转子18可包括转子轴32，转子轴32联接于毂20，用于与其一起旋转。转子轴32可继而通过齿轮箱组件36可旋转地联接于发电机24的发电机轴34。如大体上理解的，转子轴32可响应转子叶片22和毂20的旋转而将低速、高扭矩输入提供至齿轮箱组件36。齿轮箱组件36可接着构造成将低速、高扭矩输入转换成高速、低扭矩输出，以驱动发电机轴34，并且因此驱动发电机24。在备选实施例中，转子轴32可被消除，并且可旋转毂20可构造成使齿轮箱组件36的齿轮转动，而不是需要单独的转子轴32。
现在参照图3，示出根据本公开的齿轮箱组件36的截面视图。如示出的，齿轮箱组件36包括收纳在齿轮箱壳体37内的齿轮系统38，诸如齿轮系统。更具体而言，齿轮系统38包括多个齿轮(例如，行星齿轮、环形齿轮、太阳齿轮、螺旋齿轮，和/或正齿轮)和轴承39，用于将转子轴32的低速、高扭矩输入转换成用于发电机24的高速、低扭矩输出。例如，如示出的，输入轴32可将输入负载提供至齿轮系统38，齿轮系统38可将输出负载提供至发电机24(图2)，如本领域中周知的。因此，在操作期间，在输入旋转速度处的输入负载通过齿轮系统38传输，并且作为在输出旋转速度处的输出负载提供至发电机24。
此外，齿轮系统38包括操作性地联接多个齿轮的第一行星托架40和第二行星托架42。此外，如示出的，齿轮系统38至少包括环形齿轮41、一个或多个行星齿轮44、太阳齿轮46、一个或多个第一销轴43，以及一个或多个第二销轴45。例如，在若干实施例中，齿轮系统38可包括一个、二个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或多个行星齿轮44。此外，齿轮41,44,46中的每个包括多个齿。因此，齿确定大小和形状成咬合在一起，使得各种齿轮41,44,46彼此啮合。例如，环形齿轮41和太阳齿轮46均可啮合行星齿轮44。此外，应当理解的是，本文中描述的齿轮41,44,46可包括任何合适类型的齿轮，包括但不限于正齿轮、平面齿轮、螺旋齿轮、双螺旋齿轮，或类似物。
在一些实施例中，行星托架40,42中的一个或两者可为静止的。在这些实施例中，输入轴32可联接于环形齿轮41，并且输入轴32上的输入负载可通过环形齿轮41传输至行星齿轮44。因此，环形齿轮41可驱动齿轮系统38。在其它实施例中，环形齿轮41可为静止的。在这些实施例中，输入轴32可联接于行星托架40,42，并且输入轴32上的输入负载可通过行星托架40,42传输至行星齿轮44。因此，行星托架40,42可驱动齿轮系统38。在又一些实施例中，任何其它合适的构件(诸如行星齿轮44或太阳齿轮46)可驱动齿轮系统38。
仍然参照图3，太阳齿轮46限定中心轴线49，并且因此绕着该中心轴线49旋转。环形齿轮41可至少部分地包绕太阳齿轮46，并且沿着中心轴线49定位。此外，环形齿轮41可(如果可旋转)因此绕着中心轴线49旋转。行星齿轮44中的每个可设置在太阳齿轮46与环形齿轮41之间，并且可啮合太阳齿轮46和环形齿轮41两者。例如，齿轮的齿可咬合在一起，如以上论述的。此外，行星齿轮44中的每个可限定中心行星轴线48，如示出的。因此，每个行星齿轮44可绕着其中心行星轴线48旋转。此外，行星齿轮44及其中心行星轴线48可绕着中心轴线49旋转。
齿轮箱组件36还可包括润滑系统，或用于使油遍及齿轮箱构件循环的其它器件。例如，如图3中示出的，齿轮箱组件36可包括多个油通路47，多个油通路47构造成穿过其传递油。此类油通路还可包括在本文中描述的销轴中，并且可经由铸造、增材制造或机加工中的至少一种形成在其中。
如大体上理解的，油可用于减少齿轮箱组件36的移动构件之间的摩擦，并且还可用于向此类构件提供冷却，由此减少齿轮箱组件36内的构件磨损和其它损失并且增加其使用寿命。此外，油可包含防止内部齿轮箱构件的腐蚀的特性。
现在参照图4-13，示出根据本公开的齿轮系统38的多个实施例的各种视图。例如，图4示出根据本公开的齿轮系统38的一个实施例的局部透视图，其中移除某些行星齿轮44中的一个的部分以示出其内部构件。图5示出根据本公开的齿轮系统38的一个实施例的截面视图。图6和图7示出根据本公开的齿轮系统38的一个实施例的分解图。图8示出根据本公开的齿轮系统38的集成形成托架和销轴中的一个的一个实施例的透视图。图9-10示出根据本公开的齿轮系统38的端板的一个实施例的各种视图。图12示出根据本公开的齿轮系统38的轴承50中的一个的一个实施例的透视图。图13示出根据本公开的齿轮系统38的另一实施例的分解图。
虽然图4-13关于风力涡轮10的托架40和销轴43示出，但是应当理解的是，本公开可提供至任何齿轮系统的任何托架。如图4-7中特别地示出的，齿轮系统38包括两部分托架40(即，具有第一部分52和第二部分53)、从托架40延伸的销轴43，以及安装于多个销轴43的多个齿轮44。在此类实施例中，齿轮系统38可定向成使得托架40的第一部分52定位在风力涡轮10的转子侧上(即，比发电机24靠近转子18)，并且托架40的第二部分53定位在风力涡轮10的发电机侧上(即，比转子18靠近发电机24)。
此外，如图5中特别地示出的，销轴43中的每个具有第一端部54和第二端部56。在实施例中，多个销轴43中的一个或多个可为实心的。在备选实施例中，多个销轴43中的一个或多个可为中空的。此外，如示出的，第一端部54与托架40的第一部分52集成形成。因此，在此类实施例中，与托架40的第一部分52集成形成的销轴43的第一端部54向齿轮系统38提供结构稳定性，使得齿轮系统38可在托架40的第一部分52和第二部分53之间不存在轴向延伸的腹板。
此外，如图4-7中示出的，多个齿轮44中的每个布置成以便围绕销轴43中的一个旋转。此外，如图4和图5中示出的，托架40的第二部分53可为端板55，端板55装固于销轴43的第二端部56。因此，如示出的，当齿轮系统38被组装时，第二部分53与托架40的第一部分52分离并间隔开一定的距离，使得第一部分52和第二部分53彼此不接触。
在特定的实施例中，如图4-7中特别地示出的，端板55可经由过盈配合装固于销轴43。更具体而言，如图6-7和图9-11中示出的，端板55可包括多个轴孔58。就此而言，端板55可经由销轴43中的每个与多个孔58中的每个之间的过盈配合装固于销轴43。换句话说，销轴43的第二端部56可接收在关于端板55形成的孔内。
在备选实施例中，如图13中示出的，端板55和销轴43均可包括多个对应的紧固件孔68，而不包括轴孔58。因此，在此类实施例中，端板55可经由多个紧固件70装固于销轴43，多个紧固件70接收穿过对应的紧固件孔68。此外，在实施例中，多个紧固件70可包括螺栓、销等。
在附加的实施例中，如图9-11中特别地示出的，端板55可限定包括环形基部部分60的形状，环形基部部分60限定内直径D1和外直径D2。在此类实施例中，内直径D1还可限定中心孔口62。因此，如示出的，轴孔58可在环形基部部分60的边缘64处围绕中心孔口62沿周向布置。此外，如示出的，在某些实施例中，轴孔58中的每个的外直径D3可延伸超过环形基部部分60的外直径D2。
因此，在此类实施例中，齿轮系统38的设计(诸如其构件中的任一个的形状)可基于输入到齿轮系统38的计算机实施的负载模型中的一个或多个设计变量来优化，以便使端板58的质量最小化。例如，图17示出如由齿轮系统38的计算机实施的负载模型(诸如有限元分析(FEA))生成的、优化的齿轮系统计算机代表的一个实施例的透视图。如示出的，与完全实心的圆形法兰相比，特别地，端板55可大体上具有减少的材料质量。此外，在此类实施例中，(多个)设计变量可包括托架40的外直径、多个销轴43中的每个的内直径(例如，使销轴中空减少整体质量)、轴孔58中的每个的外直径D3、环形基部部分60的外直径D2、托架40的厚度、轴孔58中的每个的厚度，和/或环形基部部分60的厚度。
在又一些实施例中，如图5、图7以及图10-11中示出的，第二部分53的端板55还可包括顺风托架轴承肩部66，顺风托架轴承肩部66围绕中心孔口62沿周向布置。此外，顺风托架轴承肩部66可在风力涡轮10的发电机侧上。
现在特别地参照图4-7和图12，齿轮系统38还可包括轴承50，轴承50布置在销轴43中的每个上，即，在轴43与齿轮44之间。例如，在实施例中，本文中描述的轴承50可对应于轴承。因此，在某些实施例中，(多个)轴承50可例如经由增材制造过程直接地形成到销轴43上。在此类实施例中，如示出的，销轴43与轴承50之间的对接部可不存在机械紧固件，由此简化系统38。因此，本公开的轴承50可经由周向联结安装于销轴43中的每个。更具体而言，在某些实施例中，周向联结可包括粘附联结、熔合联结和/或冶金联结，它们花费在用于建造轴承材料的增材制造过程类型上。因此，联结取代现有技术组件的常规紧固件并且消除过盈应力，由此实现较小的空间包络。此外，本公开的齿轮系统38需要较少的材料/重量，并且减少机加工和组装时间。
在某些实施例中，轴承材料可包括各种金属或金属合金，其包括例如铜合金(例如，青铜)。因此，轴承材料可在加载之下(尤其是在启动和关闭时，当油膜可不足以将旋转表面和非旋转表面分离时)提供改进的磨损性能。此外，在特定的实施例中，轴承材料可比常规轴承薄(例如，与10-15mm相对比，从大约1毫米(mm)到大约5mm)。
现在参照图16，示出根据本公开的用于制造风力涡轮的齿轮箱的齿轮系统的方法100的实施例的流程图。大体上，方法100将在本文中参照图2-15中示出的齿轮系统38来描述。然而，在其它实施例中，方法100可连同具有任何其它合适器具构造的任何其它合适器具来使用，并且/或者连同具有任何其它合适系统构造的任何其它合适系统来使用。此外，应当认识到的是，虽然为了图示和论述的目的，图16描绘以特定顺序执行的控制步骤或功能，但是本文中论述的控制算法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中提供的公开内容，本领域技术人员将认识到的是，本文中公开的算法的各种步骤或功能可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或修改，而不偏离本公开的范围。
如在102处示出的，方法100包括将齿轮系统38的托架40的第一部分52和齿轮系统38的多个销轴43形成为单个部件。如提及的，销轴43中的每个可具有第一端部54和第二端部56。因此，集成托架40和销轴43可形成为使得销轴43的第一端部54与托架40的第一部分52集成形成，并且第二端部56从其向外延伸。在某些实施例中，作为实例，托架40的第一部分52和销轴43可经由铸造形成为单个部件(如图8中示出的)。在备选实施例中，将托架40的第一部分52和销轴43形成为单个部件可包括将液体材料倾倒到托架40的第一部分52的模具中，允许液体材料在模具中固化，以便形成托架40的第一部分52，并且接着将销轴43增材模制或印刷至托架40的第一部分52。
仍然参照图16，如在104处示出的，方法100可以可选地包括将轴承50(诸如轴颈轴承)提供到销轴43中的一个或多个上，即，在将齿轮44定位到销轴43上之前。例如，在实施例中，如图14中示出的，方法100可包括在将托架40和销轴43形成为单个部件之后并且在将齿轮44定位到销轴43上之前，经由增材制造过程经由计算机数字控制(CNC)装置72将(多个)轴承50直接地形成到销轴43中的每个上。
仍然参照图16，如在106处示出的，方法100还包括将多个齿轮44定位到多个销轴43(具有或不具有轴承)上。此外，如在108处示出的，方法100包括将托架40的第二部分53装固于销轴43的第二端部56，使得第一部分和第二部分彼此不接触。在特定的实施例中，将托架的第二部分装固于销轴43的第二端部56可包括利用按压配合或者一个或多个紧固件。
如本文中示出的，如本文中描述的增材制造大体上是指用于创建三维物体的过程，其中材料层在计算机控制之下沉积或形成，以创建物体。更具体而言，本文中描述的增材制造过程可包括金属线转移、电子束熔化、惯性焊接、粉末喷嘴激光沉积、定向能量沉积、粘合剂喷射、材料喷射、激光熔覆、冷喷涂沉积、定向能量沉积、粉末床熔合、材料挤压、直接金属激光烧结、直接金属激光熔化、冷金属转移、金属惰性气体(MIG)焊接、钨极惰性气体(TIG)焊接、还原光聚合，或者现在已知或将来开发的任何其它合适的增材制造过程。因此，在一个实施例中，轴承材料可经由CNC装置72逐层沉积到相应的(多个)销轴43上，以经由从动的增材制造过程来建造轴承50。
在附加的实施例中，如图12中特别地示出的，方法100还可包括经由增材制造将至少一个附加特征74形成到轴承50中的一个或多个中。在此类实施例中，(多个)附加特征74可包括例如油通路、一个或多个肋、一个或多个通道、或者一个或多个凹部。
特别地参照图14和图15，本文中描述的CNC装置72可包括控制器75，控制器75通信地耦合于机器人臂76，机器人臂76将轴承材料沉积到(多个)销轴43的外部表面上，例如，在转子轴32旋转时。因此，机器人臂76可按需要围绕固定的(多个)销轴43操纵，以便在(多个)销轴43上建造轴承材料。
此外，如示出的，控制器75可包括一个或多个(多个)处理器78和相关联的(多个)存储装置80，它们构造成执行多种计算机实施的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，并且储存如本文中公开的相关数据)。此外，控制器75还可包括通信接口82，以促进接口82与CNC装置72的各种构件之间的通信。此外，通信模块82可包括传感器接口84(例如，一个或多个模拟-数字转换器)，以容许从一个或多个传感器或装置传输的信号转换成可由(多个)处理器78理解和处理的信号。应当认识到的是，传感器或装置可使用任何合适的手段通信地耦合于通信接口82。例如，如图14中示出的，传感器或装置可经由有线连接耦合于传感器接口84。然而，在其它实施例中，传感器或装置可经由无线连接耦合于传感器接口84，诸如通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议。就此而言，处理器78可构造成从传感器或装置(诸如机器人臂72)接收一个或多个信号。
如本文中使用的，用语“处理器”不仅指本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。处理器78还构造成计算高级控制算法，并且与多种以太网或基于串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)通信。此外，(多个)存储装置80可大体上包括(多个)存储元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)，和/或其它合适的存储元件。此类(多个)存储装置80可大体上构造成储存合适的计算机可读指令，该合适的计算机可读指令在由(多个)处理器78实施时将控制器75构造成执行如本文中描述的各种功能。
如图12和图14中示出的，CNC装置72还可构造成经由任何合适的增材制造过程将(多个)附加特征74形成或印刷到(多个)轴承50的外表面中或在其上。在另一实施例中，还可能的是，将附加特征添加到(多个)销轴43上或中，用于期望的柔韧性/刚度、重量减轻、冷却，和/或应用所需的其它相关的目的。因此，应当理解的是，任何合适的特征可容易地形成到轴承50和/或(多个)销轴43中，以在期望的地方局部地增加刚度，并且/或者以提供期望的材料特性。
本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：
条款1.一种齿轮系统，其包括：
托架，其包括第一部分和单独的第二部分；
多个销轴，其从所述托架的所述第一部分延伸，所述多个销轴中的每个包括第一端部和第二端部，所述第一端部与所述托架的所述第一部分集成形成，所述第一部分和所述第二部分布置在所述多个销轴的相对侧上并且间隔开，使得所述第一部分和所述第二部分彼此不接触，所述托架的所述第二部分限定端板，所述端板装固于所述多个销轴的所述第二端部；
多个齿轮，其安装于所述多个销轴，所述多个齿轮中的每个布置成以便围绕所述多个销轴中的一个旋转。
条款2.根据条款1所述的齿轮系统，其中与所述托架的所述第一部分集成形成的所述多个销轴的所述第一端部向所述齿轮系统提供结构稳定性，使得所述齿轮系统在所述托架的所述第一部分和所述第二部分之间不存在轴向延伸的腹板。
条款3.根据条款1-2所述的齿轮系统，其中所述端板包括多个轴孔，所述多个轴孔中的每个构造成接收所述多个销轴中的一个。
条款4.根据条款3所述的齿轮系统，其中所述端板经由所述多个销轴中的每个与所述多个轴孔中的每个之间的过盈配合装固于所述多个销轴。
条款5.根据条款3所述的齿轮系统，其中所述端板限定包括环形基部部分的形状，所述环形基部部分限定内直径和外直径，所述内直径限定中心孔口，所述多个轴孔在所述环形基部部分的边缘处围绕所述中心孔口沿周向布置，其中所述多个轴孔中的每个的外直径延伸超过所述环形基部部分的所述外直径。
条款6.根据条款5所述的齿轮系统，其中所述齿轮系统的设计基于输入至所述齿轮系统的计算机实施的负载模型的一个或多个设计变量来优化，以便使其质量最小化，其中所述一个或多个设计变量包括所述托架的所述第一部分的所述外直径、所述多个销轴中的每个的内直径、所述多个轴孔中的每个的所述外直径、所述环形基部部分的外直径、所述托架的所述第一部分的厚度、所述多个轴孔中的每个的厚度，或所述环形基部部分的厚度中的至少一个。
条款7.根据条款5所述的齿轮系统，其中所述齿轮系统为风力涡轮功率系统的部分，所述齿轮系统定向成使得所述托架的所述第一部分定位在所述风力涡轮功率系统的转子侧上，并且所述托架的所述第二部分定位在所述风力涡轮功率系统的发电机侧上。
条款8.根据条款7所述的齿轮系统，其中所述端板还包括顺风托架轴承肩部，所述顺风托架轴承肩部围绕所述中心孔口沿周向布置，所述顺风托架轴承肩部在所述风力涡轮功率系统的所述发电机侧上，以便接收发电机轴。
条款9.根据前述条款中的任何所述的齿轮系统，其中所述端板和所述多个销轴均包括多个对应的紧固件孔。
条款10.根据条款9所述的齿轮系统，其中所述端板经由多个紧固件装固于所述多个销轴，所述多个紧固件接收穿过所述多个对应的紧固件孔。
条款11.根据条款10所述的齿轮系统，其中所述多个紧固件包括螺栓或销中的至少一种。
条款12.根据前述条款中的任何所述的齿轮系统，其中所述多个销轴中的一个或多个为中空的。
条款13.根据前述条款中的任何所述的齿轮系统，其中所述多个销轴中的一个或多个包括经由铸造、增材制造或机加工中的至少一种形成在其中的一个或多个油通路。
条款14.一种用于制造风力涡轮的齿轮箱的齿轮系统的方法，所述方法包括：
将所述齿轮系统的托架的第一部分和所述齿轮系统的多个销轴形成为单个部件，所述多个销轴中的每个具有第一端部和第二端部，所述第一端部与所述托架的所述第一部分集成形成，使得所述第二端部从其向外延伸；
将多个齿轮定位到所述多个销轴上；以及，
将所述托架的第二部分装固于所述多个销轴的所述第二端部，使得所述第一部分和所述第二部分彼此不接触。
条款15.根据条款14所述的方法，还包括在将所述多个齿轮定位到所述多个销轴上之前，将轴承提供到所述多个销轴中的每个上。
条款16.根据条款15所述的方法，其中在将所述多个齿轮定位到所述多个销轴上之前将所述轴承提供到所述多个销轴中的每个上还包括在将所述托架的所述第一部分和所述多个销轴形成为所述单个部件之后并且在将所述多个齿轮定位到所述多个销轴上之前，经由增材制造过程经由计算机数字控制(CNC)装置将所述轴承直接地形成到所述多个销轴中的每个上。
条款17.根据条款16所述的方法，其中所述增材制造过程包括粘合剂喷射、材料喷射、激光熔覆、冷喷涂沉积、定向能量沉积、粉末床熔合、材料挤压，或还原光聚合中的至少一种。
条款18.根据条款16所述的方法，还包括经由增材制造将至少一个附加特征形成到所述轴承中的一个或多个中，其中所述至少一个附加特征包括油通路、一个或多个肋、一个或多个通道，或者一个或多个凹部中的至少一种。
条款19.根据条款14-17所述的方法，其中将所述托架的所述第一部分和所述多个销轴形成为所述单个部件还包括以下中的至少一种：将所述托架的所述第一部分和所述多个销轴铸造为所述单个部件，或者将液体材料倾倒到所述托架的所述第一部分的模具中，允许所述液体材料在所述模具中固化，以便形成所述托架的所述第一部分，并且接着将所述多个销轴增材模制或印刷至所述托架的所述第一部分。
条款20.根据条款13-19所述的方法，其中将所述托架的所述第二部分装固于所述多个销轴的所述第二端部还包括利用按压配合或者一个或多个紧固件中的至少一种。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域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并且执行任何并入的方法)。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种齿轮系统，其包括：
托架，其包括第一部分和单独的第二部分；
多个销轴，其从所述托架的所述第一部分延伸，所述多个销轴中的每个包括第一端部和第二端部，所述第一端部与所述托架的所述第一部分集成形成，所述第一部分和所述第二部分布置在所述多个销轴的相对侧上并且间隔开，使得所述第一部分和所述第二部分彼此不接触，所述托架的所述第二部分限定端板，所述端板装固于所述多个销轴的所述第二端部；
多个齿轮，其安装于所述多个销轴，所述多个齿轮中的每个布置成以便围绕所述多个销轴中的一个旋转。
2.根据权利要求1所述的齿轮系统，其特征在于，与所述托架的所述第一部分集成形成的所述多个销轴的所述第一端部向所述齿轮系统提供结构稳定性，使得所述齿轮系统在所述托架的所述第一部分和所述第二部分之间不存在轴向延伸的腹板。
3.根据权利要求1所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板包括多个轴孔，所述多个轴孔中的每个构造成接收所述多个销轴中的一个。
4.根据权利要求3所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板经由所述多个销轴中的每个与所述多个轴孔中的每个之间的过盈配合装固于所述多个销轴。
5.根据权利要求3所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板限定包括环形基部部分的形状，所述环形基部部分限定内直径和外直径，所述内直径限定中心孔口，所述多个轴孔在所述环形基部部分的边缘处围绕所述中心孔口沿周向布置，其中所述多个轴孔中的每个的外直径延伸超过所述环形基部部分的所述外直径。
6.根据权利要求5所述的齿轮系统，其特征在于，所述齿轮系统的设计基于输入至所述齿轮系统的计算机实施的负载模型的一个或多个设计变量来优化，以便使其质量最小化，其中所述一个或多个设计变量包括所述托架的所述第一部分的所述外直径、所述多个销轴中的每个的内直径、所述多个轴孔中的每个的所述外直径、所述环形基部部分的外直径、所述托架的所述第一部分的厚度、所述多个轴孔中的每个的厚度，或所述环形基部部分的厚度中的至少一个。
7.根据权利要求5所述的齿轮系统，其特征在于，所述齿轮系统为风力涡轮功率系统的部分，所述齿轮系统定向成使得所述托架的所述第一部分定位在所述风力涡轮功率系统的转子侧上，并且所述托架的所述第二部分定位在所述风力涡轮功率系统的发电机侧上。
8.根据权利要求7所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板还包括顺风托架轴承肩部，所述顺风托架轴承肩部围绕所述中心孔口沿周向布置，所述顺风托架轴承肩部在所述风力涡轮功率系统的所述发电机侧上，以便接收发电机轴。
9.根据权利要求1所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板和所述多个销轴均包括多个对应的紧固件孔。
10.根据权利要求9所述的齿轮系统，其特征在于，所述端板经由多个紧固件装固于所述多个销轴，所述多个紧固件接收穿过所述多个对应的紧固件孔。
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