CN1425111A - 传动机构,尤其用于风力发电装置的传动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传动机构，尤其是用于风力发电装置的传动机构，其由一个位于驱动侧的行星级(4)构成，至少一个传动级后接于该行星级，其中该行星级(4)由至少两个并联的、使功率分路的行星齿轮机构(5a，5b)构成，在所述使功率分路的行星齿轮机构(5a，5b)之后接上一个差速传动级(9)，以平衡各行星齿轮机构(5a，5b)之间由于并联所产生的不均衡负载分布。

Description

传动机构，尤其用于风力发电装置的传动机构
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的传动机构、尤其是用于风力发电装置的传动机构。
对于风力发电装置，通常在将风能转换成旋转运动的转子与将旋转运动变换成电能的发电机之间设置一个具有增速比的传动机构。因为风能装置的部件大多设置在风塔顶端的外罩里面，因此追求尽可能小巧轻便的小型传动机构。这种要求与功率越来越大的高效风力发电装置的发展趋势相冲突，这种风力发电装置要求更坚固的传动机构。
由PCT国际专利申请公开说明书WO 96/11338公知了一种结构小巧并因此足够轻便的传动机构。在此通过两个行星级的串联实现轻便小巧的结构。位于驱动侧的第一行星齿轮机构的行星转臂作为传动机构的驱动轴与转子连接。第一行星齿轮机构的空心轮以与壳体相固定的方式设置，而输出侧的中心轮与第二行星齿轮机构输入侧的行星转臂连接，该第二行星齿轮机构的空心轮也同样以与壳体相固定的方式设置，且其中心轮成为整个传动机构的输出。然而，这种两级行星级的串联具有缺陷，对于较大尺寸、尤其是超过2兆瓦的风力发电装置，该传动机构自身的外形尺寸在采用行星齿轮结构的情况下变得太大。随之而来的是重量也达到临界值。
已公知的、引起关注的一种可供选择的传动机构由一个驱动侧与转子相连接的行星级构成，其与上述现有技术的不同之处是后接至少一个正齿轮结构的传动级，以代替第二行星级，从而实现将转子转数进一步传递到更高的发电机转数。因为在这种结构中，为了达到所要求的转矩-转速比，该驱动侧的行星级同样就决定了整个传动机构的几何尺寸，这里也就存在尺寸大以及与此相关的重量沉的问题。
为了解决上面指出的问题，已经着手研究通过使驱动侧传动级的功率分路来减小传动机构的尺寸、尤其是其直径，从而从整体上减轻其重量。为了使功率分路，该驱动侧的行星级由至少两个并联的、较小行星齿轮机构构成。为了在两个行星齿轮机构之间实现由分路引起的转矩平衡，即为了在两个行星传动机构之间实现一定的功率分配，曾试图通过斜齿啮合齿轮来平衡行星级输出侧传动机构组成部件的相对旋转运动。该平衡通过驱动侧行星级的第一和第二行星齿轮机构的并联齿轮反向斜齿啮合而实现。实践指出，由此仍然对行星齿轮相对运动起到干扰作用，其中参与力传递的行星齿轮机构齿轮的大量啮合点导致不断地轴向相对运动。造成上述问题的原因首先是齿轮的加工误差。其结果可能使功率分路行星级中的转矩平衡不能另人满意。
因此本发明要解决的技术问题是进一步改进此类功率分路传动机构，使其在小巧轻便的条件下也能保证良好的转矩平衡。
本发明从权利要求1前序内容所述的传动机构出发，采用权利要求1特征部分的技术特征来解决上述技术问题。随后的从属权利要求进一步给出本发明的优选实施方式。
本发明的技术方案包括：在使驱动侧行星级功率分路的行星齿轮机构之后接上一个差速传动级，以平衡各行星齿轮机构之间由于并联而产生的不均衡负载分布。
该行星级优选由正好两个并联、且前后设置的行星齿轮机构构成。这种布置在有限的传动机构部件条件下保证实现有效的能流过程。
这种在驱动侧行星级后面设置差速传动级布置的优点是能够使由加工误差引起的传动部件的相对运动相互精确地平衡。该差速传动级补偿了优选两个行星级输出轴的转矩不平衡，以实现均匀的功率分路。因此，通过将驱动侧行星级设计成并联的行星齿轮进行功率分路可实现小的结构体积，在这种情况下能实现一定功率分路条件下的运行。
本发明的一个改进措施在于，第一行星齿轮机构的中心轴与第二行星齿轮机构的中心轴构成一个同轴的空心轴结构。因此，驱动侧行星级的两个行星齿轮机构也能够实现同轴布置，并且通过各自的中心轮能同轴且节省空间地进行输出。
传动机构的输出轴可以优选为通过一个正齿轮传动级与驱动轴轴向错位地设置，以便通过驱动轴的空心结构实现控制转子的手段(Mittel zurAnsteuerng des Rotors)。
对于本发明的一个优选实施方式，差速传动级由差速行星齿轮传动机构形式的所谓“被动差速机构”构成。该差速行星齿轮传动机构在由相同尺寸行星齿轮机构组成的对称结构行星级的两个连接中心轴上实现均匀的功率分路。其中，一个中心轴与差速传动级的中心轮有效连接，而另一中心轴与差速传动级的空心轮有效连接。行星转臂构成输出。在此，该被动差速传动级或者与该中心轴同轴地设置，或者通过一个插入的正齿轮级与中心轴错位地设置。这种差速行星齿轮传动机构形式的被动差速仅用于驱动侧行星级的两个行星齿轮机构之间的转矩平衡。因为两个行星齿轮机构结构是完全相同的，所以这个实施方式对于制造以及备件管理都是有利的。
在第二个优选实施方式中，该差速传动级由差速行星齿轮传动机构形式的所谓“主动差速机构”构成。该主动差速机构一方面起到将功率均匀地分路到由两个相同尺寸行星齿轮机构构成的行星级的两个连接中心轴上；另一方面，如同下面还要描述的那样，该差速传动级通过行星级中行星齿轮机构的不对称错位设置参与传动机构的总传动比。因为主动差速机构除了平衡转矩以外也参与传动机构变速，与第一实施方式相比，为在传动机构上实现相同的传动比，能够采用更小尺寸的第一行星级。差速机构与传动级的功能组合的另一个优点是，需要较少的传动机构部件，从而从整体上减轻了传动机构的重量。这个优点主要通过驱动侧行星级的不对称错位设置来实现。
在本发明的第三个实施方式中，该差速传动级由轴向柔和且反向斜齿啮合的差速正齿轮副形式的被动差速机构构成。该差速正齿轮副代替上述两个实施方式中的差速行星齿轮传动机构通过由两个相同尺寸行星齿轮机构组成的对称结构的行星级的两个连接中心轴实现均匀的功率分路。其中，一个中心轴与正齿轮副的一个差速正齿轮有效连接，而另一中心轴与另一个反向斜齿啮合的差速正齿轮有效连接。该差速正齿轮副的柔性轴向连接可以优选通过一个同轴设置在该差速正齿轮副与输出侧的同轴正齿轮之间的轴向柔和离合器实现。离合器的轴向柔和特性最好通过弹性体制成的离合器部件实现。
本发明的其它改进措施在从属权利要求中给出，或者通过下面结合附图对本发明的三种优选实施方式的整体描述作进一步说明。
图1作为第一种实施方式示出具有差速行星齿轮传动机构形式的被动差速机构的传动机构示意图，差速行星齿轮传动机构与驱动侧行星级同轴布置。
图2示出图1的传动机构，然而与驱动侧行星级轴向错位地布置。
图3借助于Wolf式标记示出通过图1或图2传动机构的能流。
图4作为第二种实施方式示出具有差速行星齿轮传动机构形式的主动差速机构的传动机构示意图。
图5借助于Wolf式标记示出通过图4传动机构的能流。
图6作为第三种实施方式示出具有与轴向柔和离合器(axialweicheKupplung)相结合的差速正齿轮副形式的主动差速机构的传动机构示意图，
图7示出图6实施方式的另一变化形式。
按照图1的传动机构具有一个旋转支承在壳体1中的驱动轴2，在该轴上安装有图中未示出的风力发电装置的转子。同样旋转支承在壳体1中的输出轴3与同样在图中未示出的用以产生电能的发电机连接。驱动轴2驱动驱动侧的行星级4。行星级4由两个并联的、起功率分路作用的行星齿轮机构5a、5b组成。为此，两个行星齿轮机构5a和5b具有公用的、与驱动轴2相连接的行星转臂(Planetentrger)6。两个行星齿轮机构5a和5b的结构是完全相同的。其输出通过空心轴结构来实现，使第一行星齿轮机构5a的中心轴7在第二行星齿轮机构5b的空心中心轴8里面延伸。两个中心轴7和8通向差速传动级9的输入端。差速传动级9采用行星齿轮机构形式的结构，用于平衡前置行星级4的转矩。其中，在被动差速机构的意义上平衡由于加工误差在两个连接中心轴7和8功率分路中引起的不一致性。对称的、即由完全相同的传动机构部件构成的行星齿轮机构5a和5b能以负荷平衡方式、即以最佳的能流分布运行。中心轴7与差速传动级9的中心轮连接，而另一中心轴8与差速传动级9的空心轮连接，差速传动级的行星转臂构成输出。仅用来平衡行星级4转矩不平衡的差速传动级不参与传动机构的总传动比。为了进一步增速传动，将另一正齿轮传动级10后接于差速传动级9，正齿轮传动级还保证驱动轴3与驱动轴2的轴向错位结构。
图2中按照另一变化形式该差速传动级9通过插入的的正齿轮级12与中心轴7和8在轴向错位地布置。插入的正齿轮级12由两个相邻的正齿轮13a和13b构成。其中，正齿轮13a与空心中心轴8连接，而正齿轮13b与另一个中心轴7连接。两个正齿轮13a和13b尺寸相同，同轴地相互间隔设置，并与设置在一个公用中间轴15上的相对应的正齿轮14a和14b啮合。在两个正齿轮14a和14b之间同轴地设置差速传动级9。其中，中心轴7通过正齿轮副13a和14a与差速传动级9的中心轮连接；另一中心轴8通过正齿轮副13b和14b与差速传动级9的空心轮连接。
图3用于以Wolf式标记示出传动机构内部的能流。圆形标记按下述方式表示与上述实施方式有关的行星齿轮机构：
1撇(即′)——行星齿轮机构5a
2撇(即″)——行星齿轮机构5b
3撇(即)——差速传动级9。
在圆形标记内部的标记符号属于下列行星齿轮机构连接件：
1-中心轮
2-空心轮
s-行星转臂。
由这些标记表明上述第一种实施方式传动机构的工作原理。驱动侧功率通过并联的具有相同转数的行星齿轮机构5a和5b分成两路。后接的差速传动级使分开的功率又合并，其中在并联的行星齿轮机构5a和5b内部实现1∶5的增速传动。这种功率分路使行星齿轮机构5a和5b能够以较小的直径进行设计，由此也使传动机构重量整体上减轻。
图4的半截面图按照本发明的第二种实施方式示出具有同样由行星齿轮机构形式构成主动差速机构的传动机构。为此配备的差速传动级9后接于两个相同尺寸的、即承担一半功率分路的行星齿轮机构5a和5b。然而，这两个构成与驱动轴2连接的输入侧行星级4的行星齿轮机构5a和5b与前述实施方式不同的是不对称地错位设置。因此差速传动级9不仅平衡两个连接中心轴7和8的转矩不平衡性，而且也参与由行星级4的不对称错位设置所决定的传动机构总传动比。为此，行星转臂6不是两个行星齿轮机构5a和5b共有的。行星级4与差速传动级9的不对称错位设置在细节上是这样实现的，即对于行星齿轮机构5b在行星转臂18与壳体固定且中心轮19作为输出侧的情况下将空心轮17设置在驱动侧。对于另一行星齿轮机构5a，在空心轮21与壳体固定、且中心轮22同样作为输出侧的情况下将行星转臂20设置在驱动侧。其中，中心轮19与差速传动级9的空心轮23连接。空心中心轴8作为传输轴。行星级4的另一中心轮22通过中心轴7与差速传动级9的行星转臂24连接。最后在输出侧通过差速传动级9的中心轮16和输出侧的正齿轮传动级10将传递的功率传给输出轴3。
上述具有主动差速机构的传动机构同样具有如图5所示通过行星级4的并联行星齿轮机构5a和5b进行功率分路的工作原理。在这里由于上述行星齿轮机构5a和5b的不对称错位设置产生相反的输出侧旋转方向。与输出转数相比较，其转数同样是不同的。然而，差速传动级9通过这种错位设置参与传动机构的总传动比。例如在一个较小的传动级数，也就是较少齿轮的情况下，总传动比可达1∶70，由此又使重量减轻。
图6所示第三种实施方式在其结构上基本以第一实施方式为依据。然而，在这里不同的是，差速传动级9由斜齿啮合差速正齿轮副25构成。因为差速正齿轮副25作为传动级参与传动机构的总传动比，所以将这个差速传动级9称为主动差速机构。差速正齿轮副25通过差速正齿轮副25的两个正齿轮的反向斜齿啮合实现差速传动功能，差速正齿轮副与一个固定在中心轴7上的差速正齿轮26和一个固定在另一中心轴8上的差速正齿轮27共同起作用。该转矩平衡在差速正齿轮副25的共同作用下通过一种由同轴地设置在该差速正齿轮副25与一个输出侧的同轴正齿轮28之间的轴向柔和离合器29的轴向柔和支承(axialweiche Lagerung)而实现。从而，该轴向柔和离合器29保证在差速正齿轮26和27的差速正齿轮副25内部形成负荷平衡的齿啮合。
在图7所示的上述第三种的实施方式一种变化形式中，在差速正齿轮26和27与差速正齿轮副25之间设置另一正齿轮级30。正齿轮级30用于进一步增速，使传动机构的总传动比进一步加大。
本发明在其结构上不局限于上述三种优选实施方式及它们的变化形式。更确切地说，可以设想出许多还在其它基本相象的结构中利用了所描述技术方案的变化形式。

Claims (17)

1.一种传动机构，尤其用于风力发电装置的传动机构，其由一个位于驱动侧的行星级(4)构成，至少一个传动级后接于该行星级，其中该行星级(4)由至少两个并联的、使功率分路的行星齿轮机构(5a，5b)构成，其特征在于：在所述使功率分路的行星齿轮机构(5a，5b)之后接上一个差速传动级(9)，以平衡各行星齿轮机构(5a，5b)之间由于并联所产生的不均衡负载分布。
2.按照权利要求1所述的传动机构，其特征在于：所述行星级(4)由正好两个并联、且前后设置的行星齿轮机构(5a，5b)构成。
3.按照权利要求2所述的传动机构，其特征在于：所述第一行星齿轮机构(5a)的中心轴(7)与第二行星齿轮机构(5b)的中心轴(8)构成一个同轴的空心轴结构。
4.按照权利要求1所述的传动机构，其特征在于：所述行星级(4)通过一个公用行星转臂(6；20)与一个驱动轴(2)连接。
5.按照权利要求1所述的传动机构，其特征在于：所述输出轴(3)通过一个正齿轮传动级(10)与驱动轴(2)轴向错位地设置。
6.按照权利要求2至4中任一项所述的传动机构，其特征在于：所述差速传动级(9)为一种差速行星齿轮传动机构形式的被动差速机构，并在由两个尺寸相同的行星齿轮机构(5a，5b)构成的对称结构行星级(4)的两个连接中心轴(7，8)上实现均匀的功率分路，其中一个中心轴(7)与中心轮有效连接，而另一个中心轴(8)与差速传动级(9)的空心轮有效连接，该差速传动级的行星转臂构成输出。
7.按照权利要求6所述的传动机构，其特征在于：在所述驱动轴(2)与所述输出轴(3)之间设置一个支承正齿轮的中间轴(11)。
8.按照权利要求6所述的传动机构，其特征在于：所述被动差速传动级(9)与所述中心轴(7，8)同轴地设置。
9.按照权利要求6所述的传动机构，其特征在于：所述被动差速传动级(9)通过一个插入的正齿轮级(12)与所述中心轴(7，8)轴向错位地设置。
10.按照权利要求9所述的传动机构，其特征在于：所述插入正齿轮级(12)由两个直径相同、与两个中心轴(7，8)同轴设置、且分别与一个中心轴(7或8)连接的相邻正齿轮(13a，13b)构成，该两正齿轮和与其对应的两个直径相同的正齿轮(14a，14b)啮合，这两个对应的正齿轮(14a，14b)和与其同轴设置的差速传动级(9)共同起作用。
11.按照权利要求2或3所述的传动机构，其特征在于：所述差速传动级(9)为一种差速行星齿轮传动机构形式的主动差速机构，其一方面在由两个尺寸相同的行星齿轮机构(5a，5b)构成的行星级(4)的两个连接中心轴(7，8)上实现均匀的功率分路，另一方面通过行星级(4)的不对称错位设置参与传动机构的总传动比，其中中心轮(16)构成输出。
12.按照权利要求11所述的传动机构，其特征在于：所述差速传动级(9)后接至少一个正齿轮传动级(10)。
13.按照权利要求11所述的传动机构，其特征在于：所述行星级(4)与差速传动级(9)的不对称错位设置这样实现，对于第一行星齿轮机构(5b)在行星转臂(18)与壳体固定和中心轮(19)作为输出侧的情况下将空心轮(17)设置在驱动侧，而对于第二行星齿轮机构(5a)在空心轮(21)与壳体固定和中心轮(22)同样作为输出侧的情况下将行星转臂(20)设置在驱动侧，其中中心轮(19)与差速传动级(9)的空心轮(23)处于有效连接，而另一中心轮(22)与其行星转臂(24)处于有效连接。
14.按照权利要求1至4中任一项所述的传动机构，其特征在于：所述差速传动级(9)为一种轴向柔和支承、且反向斜齿啮合的差速正齿轮副(25)形式的主动差速机构，其一方面在由尺寸相同的行星齿轮机构(5a，5b)构成的对称结构行星级(4)的两个连接中心轴(7，8)上实现均匀的功率分路，另一方面作为传动级参与传动机构的总传动比，其中一个中心轴(7)与差速正齿轮副(25)的一个差速正齿轮(26)有效连接，而另一中心轴(8)与其另一个差速正齿轮(27)有效连接。
15.按照权利要求14所述的传动机构，其特征在于：所述差速正齿轮副(25)的轴向柔和支承由一个同轴设置在该差速正齿轮副(25)与一个输出侧的同轴正齿轮(28)之间的轴向柔和离合器(29)来实现。
16.按照权利要求14所述的传动机构，其特征在于：所述差速正齿轮副(25)和对应的与各中心轴(7，8)连接的差速正齿轮(26，27)彼此处于一个增速传动比。
17.按照权利要求16所述的传动机构，其特征在于：在所述差速正齿轮(26，27)与差速正齿轮副(25)之间设置另一个具有增速传动的正齿轮级(30)。
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