CN219119728U - 一种风电齿轮箱的齿圈连接机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，包括箱体、一级行星组件和二级行星架组件；箱体内侧的内花键和一级行星齿圈外侧的外花键之间采用间隙配合；当主轴发生挠曲变形并传递给一级行星组件，一级行星组件能通过其齿圈与箱体的间隙花键配合实现径向浮动和角度偏转补偿；二级行星架组件可转动地设于箱体内，并通过行星架前端外花键与一级行星太阳轮内花键实现连接，二级行星架的外花键与一级行星太阳轮内花键采用间隙配合；当一级行星组件发生挠曲变形时，一级行星组件与二级行星架组件之间的由于太阳轮花键间隙的径向浮动和角度偏转可实现补偿。上述的风电齿轮箱的齿圈连接机构能够隔离挠曲变形并传递扭矩。

Description

一种风电齿轮箱的齿圈连接机构

技术领域

本实用新型涉及风力发电机组集成式传动链的设计技术领域，具体涉及一种风电齿轮箱的齿圈连接机构。

背景技术

随着风电市场竞争，风电设备价格不断降低，风电机组制造商必须在确保性能满足要求的前提下不断降低制造成本。在机组构成中，传动链的成本及性能直接决定了机组的成本及性能。

提高市场竞争力，风电机组传动链的发展趋势是将主轴、主轴承、主轴承座、齿轮箱、发电机紧密集成为整体结构，取消部分联轴器或轴承，前后部件共享箱体结构，以此来减少零部件数量，和缩短传动链长度来减轻重量，从而实现降低成本的目的。此种结构的机组通常称为全集成传动链风电机组。在常规全集成传动链中，增速齿轮箱输入轴与主轴后端用螺栓(或螺栓+销)刚性连接为一体，实现主轴的扭矩传递给齿轮箱；而齿轮箱箱体同时与主轴轴承座用螺栓刚性连接为整体结构。

现有的全集成传动链中主轴部件与风电齿轮箱的连接结构存在以下缺点：由于风轮重力及工作载荷的影响，主轴工作中将产生挠曲变形。由于齿轮箱第一级行星架以螺栓(或螺栓+销)刚性连接于主轴尾端，主轴挠曲变形将直接传递到一级行星架，导致行星架轴心线发送偏斜和位移变形，进而破坏行星机构的齿轮啮合关系，并影响扭矩传递至下一行星机构上。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提出一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，以解决上述背景技术中提到的主轴的挠曲变形传递到一级行星架后破坏行星机构的齿轮啮合关系、并影响扭矩传递至下一行星机构的技术问题。

为解决该技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，包括箱体，还包括一级行星组件和二级行星架组件；

一级行星组件可转动地设于箱体内，箱体和一级行星组件之间采用间隙配合；当一级行星组件发生挠曲变形时，一级行星组件能在其与箱体的间隙内径向浮动和角度偏转；

二级行星架组件可转动地设于箱体内，并置于一级行星组件内，二级行星架组件与一级行星组件间采用间隙配合，一级行星组件的转动能带动二级行星架组件转动；当一级行星组件发生挠曲变形时，一级行星组件在于二级行星架组件之间的间隙径向浮动和角度偏转，且在浮动后一级行星组件仍能带动二级行星架组件转动。

进一步地，包括设于箱体内的一级内花键，一级行星组件包括一级行星架、一级太阳轮、一级行星轮本体和一级内齿圈；一级行星架可转动地设于箱体内，一级行星轮本体设于一级行星架上，一级太阳轮和一级行星轮本体相互啮合，一级太阳轮套设于二级行星架组件上，并采用间隙配合；一级内齿圈的内侧与一级行星轮啮合，一级内齿圈外侧轴向地设有与一级内花键相对应的一级外花键，一级外花键和一级内花键之间采用间隙配合。

进一步地，还设有一级行星轮轴承，一级行星轮本体通过一级行星轮轴承可转动地设于一级行星架上。

进一步地，一级外花键两侧面为中部向外鼓起的鼓形，且通过该鼓起处与一级内花键接触。

进一步地，一级外花键设有多个，并沿一级内齿圈的中心对称设置。

进一步地，二级行星架组件包括二级行星架本体和二级外花键；二级行星架本体可转动地设于箱体内，二级外花键轴向地设于二级行星架本体的输入端；一级太阳轮内侧还设有与二级外花键相对应的二级内花键，二级内花键与二级外花键之间留有间隙。

进一步地，二级外花键两侧面为中部向外鼓起的鼓形，且通过该鼓起处与二级内花键接触。

与现有技术相比，本申请的进步之处在于：当挠曲变形传递至一级行星组件后，一级行星组件整体在与箱体的间隙范围内发生径向浮动和角度偏移，从而避免了一级行星组件直接被挤压，实现了一级行星组件内部的啮合关系不变；同时，一级行星组件发生径向浮动和角度偏移后，由于一级行星组件与二级行星架组件之间留有间隙，将不会带动二级行星架组件与之一同发生径向浮动和角度偏移，并且发生径向浮动和角度偏移后的一级行星组件仍能带动二级行星架组件转动，能不受挠曲变形影响地将扭矩传递出去。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型一实施例提供的一种风电齿轮箱的齿圈连接机构在风电齿轮箱中的连接示意图；

图2为图1所示的一级行星组件和二级行星架组件的连接结构示意图；

图3为一级内齿圈连接结构的局部示意图；

图4为一级内齿圈向左偏摆的示意图；

图5为一级内齿圈向右偏摆的示意图；

图6为一级外花键的平面和三维示意图：

图7为二级外花键的平面和三维示意图；

附图标记：

1-轮毂；

2-主轴本体；21-主轴前轴承；22-主轴轴承座；23-主轴后轴承；24-螺栓(或螺栓和销)；

3-一级行星组件；31-一级行星架；32-一级太阳轮；321-二级内花键；33-一级行星轮本体；331-一级行星轮轴承；34-一级内齿圈；341-一级外花键；

4-箱体；41-一级内花键；

5-二级行星架组件；51-二级行星架本体；52-二级外花键；

61-限位挡板；62-限位台阶；

7-输出轴；

8-发电机转子；

9-发电机定子。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

请一并参阅图1-图7，本实施例提供了一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，包括箱体4，还包括一级行星组件3和二级行星架组件5。

一级行星组件3可转动地设于箱体4内，箱体4和一级行星组件3之间采用间隙配合；当一级行星组件3发生挠曲变形时，一级行星组件3能在其与箱体4的间隙内径向浮动和角度偏转。应理解的是，一级行星组件3受到主轴本体21传递的挠曲变形而随之一同发生径向浮动和角度偏转时，将在其与箱体4的间隙内移动和变换，而不会挤压箱体4，一级行星组件3整体发生移动，故其内部的啮合状态不变。还应理解的是，一级行星组件3在未受到挠曲变形前不会产生正常工作状态外的位移或偏转，即箱体4将一级行星组件3限制在正常的工作状态内。

在其他方案中，包括设于箱体4内的一级内花键41，一级行星组件3包括一级行星架31、一级太阳轮32、一级行星轮本体33和一级内齿圈34；一级行星架31可转动地设于箱体4内，一级行星轮本体33设于一级行星架31上，一级太阳轮32和一级行星轮本体33相互啮合，一级太阳轮32套设于二级行星架组件5上，并采用间隙配合；一级内齿圈34的内侧与一级行星轮啮合，一级内齿圈34外侧轴向地设有与一级内花键41相对应的一级外花键341，一级外花键341和一级内花键41之间采用间隙配合。

应理解的是，一级行星轮本体33设有多个，并可转动地设于一级行星架31上；一级太阳轮32同轴地设于一级行星架31的输出转轴上，并与一级行星架31一同转动；一级内齿圈34通过其外侧的一级外花键341与箱体4内的一级内花键41实现花键连接，且由于一级外花键341和一级内花键41之间留有间隙，一级内齿圈34能在一定范围内实现径向移动和角度偏转，即当一级行星架31受到主轴本体21带来的挠曲变形而进行角度变换和径向移动时，一级内齿圈34被一级行星轮本体33推动而在间隙内产生相应的角度偏转和径向移动，从而避免了内齿圈被挤压，实现了一级内齿圈34、一级行星轮本体33和一级太阳轮32的整体一同变化，从而使得其原来的啮合关系不发生改变。

一级内齿圈34与箱体4采用花键浮动连接可以改善一级内齿圈34与一级行星轮本体33啮合齿面的齿向载荷分布和降低行星传动的不均载系数。通过对花键配合公差的选择，花键副能够得到不同的配合间隙，以匹配不同的载荷工况。当一级行星轮本体33受主轴本体21和一级行星架31的变形影响而发生径向位移时，由于存在花键间隙，一级内齿圈34可以跟随一级行星轮本体33产生径向位移，以保持齿轮副的啮合处于正常状态。另外由于采用花键连接，一级内齿圈34与箱体4上不再加工大量高精度的螺纹孔和定位销孔，降低了一级内齿圈34和箱体4的加工难度，同时节省了大量高强度螺钉和定位销，也降低了成本。作为优选，一级行星架31可通过螺栓或螺栓加销的形式固定在主轴本体21上。

在其他方案中，还设有一级行星轮轴承331，一级行星轮本体33通过一级行星轮轴承331可转动地设于一级行星架31上。通过设置一级行星轮轴承331能使得一级行星轮本体33的转动更顺畅。另外，在传统结构中，由于一级行星架31轴心线的偏斜和位移变形，一级行星轮轴承331在运行中将受到额外的附加载荷作用，导致滚道应力超过设计允许值等问题，最终将引起轴承提前失效；而在本申请中，通一级行星架31、一级太阳轮32、一级行星轮本体33、一级行星轮轴承331和一级内齿圈34将随之一同移动和偏转，避免行星轮与齿圈的距离变动过大引起行星轮轴承承担额外的有害载荷。

在其他方案中，一级外花键341两侧面为中部向外鼓起的鼓形，且通过该鼓起处与一级内花键41接触。应理解的是，一级外花键341的两侧的中部都向外鼓起成鼓形，即一级外花键341的两侧齿面为曲线凸起，形成的齿形为中间厚，两侧变薄的鼓形；由于一级外花键341的中部高于两侧，通过该鼓形能使得一级外花键341与一级内花键41的接触点始终位于鼓起处，进而避免了主轴本体21轴线的角度偏斜变形而导致花键齿边缘接触损坏，且不会影响到花键副的正常啮合。

在其他方案中，一级外花键341设有多个，并沿一级内齿圈34的中心对称设置。

一级内齿圈34的一级外花键341采用与一级内齿圈34中心对称的设计，可进一步改善齿面的齿向载荷分布。当一级行星轮本体33受主轴本体21和一级行星架31的变形影响而发生角度偏斜时，由于一级外花键341位于一级内齿圈34中心对称位置，一级内齿圈34可以很容易沿中心线向左或向右自由偏摆，并以较小的偏摆量获得一级内齿圈34跟随行星轮本体产生相同的角度偏斜的效果。从而保证齿轮副的啮合处于良好状态，进一步改善齿面的齿向载荷分布，也同时避免一级行星轮本体33与一级内齿圈34的偏摆变动过大引起一级行星轮轴承331不同滚道的滚子受载不均匀发生损坏，最终改善了齿轮副和一级行星轮轴承331的可靠性。

二级行星架组件5可转动地设于箱体4内，并置于一级行星组件3内，二级行星架组件5与一级行星组件3间留有间隙，一级行星组件3的转动能带动二级行星架组件5转动；当一级行星组件3发生挠曲变形时，一级行星组件3在于二级行星架组件5之间的间隙径向浮动和角度偏转，且在浮动后一级行星组件3仍能带动二级行星架组件5转动。应理解的是，一级行星组件3由于与二级行星架组件5之间留有间隙，其挠曲变形在间隙内发生，不会带动二级行星架组件5径向移动或角度偏转，且一级行星组件3在挠曲变形后仍能带动二级行星架组件5转动，通过该结构方式能将挠曲变形隔离而顺利地将扭矩传递出去。

在其他方案中，二级行星架组件5包括二级行星架本体51和二级外花键52；二级行星架本体51可转动地设于箱体4内，二级外花键52轴向地设于二级行星架本体51的输入端；一级太阳轮32内侧还设有与二级外花键52相对应的二级内花键321，二级内花键321与二级外花键52之间留有间隙。应理解的是，一级太阳轮32一端同轴地固设于一级行星架31上，并能随一级行星架31一同转动，一级太阳轮32的另一端内侧设有二级内花键321；当一级太阳轮32随一级行星架31一同发生径向移动或角度偏移时，一级太阳轮32的二级内花键321由于与二级行星架本体51的二级外花键52存在间隙，其变化发生在间隙范围内，不会带动二级行星架本体51发生径向移动或角度偏移，且由于两者之间通过花键连接，在挠曲变形后仍能带动二级行星架本体51转动，将扭矩传递出去。

在其他方案中，二级外花键52两侧面为中部向外鼓起的鼓形，且通过该鼓起处与二级内花键321接触。应理解的是，二级外花键52的两侧的中部都向外鼓起成鼓形，即二级外花键52的两侧齿面为曲线凸起，形成的齿形为中间厚，两侧变薄的鼓形；由于二级外花键52的中部高于两侧，通过该鼓形能使得二级外花键52与二级内花键321的接触点始终位于鼓起处，进而避免了主轴本体21轴线的角度偏斜变形而导致花键齿边缘接触损坏，且不会影响到花键副的正常啮合。

为了防止一级内齿圈34轴向移动和角度偏转超出所设置的范围，还可以设有限位件，限位件设有多个并设于箱体4内，多个限位件分别设于一级内齿圈34的两侧，并能限制一级内齿圈34轴向移动。即，限位件在一级内齿圈34轴向投影上与一级内齿圈34有重合部分。作为优选，本实施例中，限位件分为两种，一种是位于一级内齿圈34左侧通过螺栓连接的限位挡板61，另一种是位于一级内齿圈34右侧的限位台阶62，限位挡板61和限位台阶62都设有多个；应理解的是，在一级内齿圈34的左侧有限位挡板61进行轴向限位，限位挡板61用螺钉固定在箱体4内侧，但限位挡板61与一级内齿圈34端面之间预留有齿圈的浮动间隙，该间隙值用于一级内齿圈34的轴向位移及偏摆浮动。一级内齿圈34右侧有限位台阶62，限位台阶62与箱体4为一体结构，用于对齿圈的右侧轴向限位。

应理解的是，主轴轴承包括主轴前轴承21和主轴后轴承23。

上述的风电齿轮箱的齿圈连接机构在风电齿轮箱内的连接关系为：箱体4前端法兰面与主轴承座通过螺栓24或螺栓和销连接为整体，实现齿轮箱与主轴轴承座22的刚性连接；一级行星架31的左端面依靠螺栓(或螺栓+销)与主轴本体21实现刚性连接；箱体4的一级内花键41与一级内齿圈34外部的一级外花键341采用间隙相配合，实现浮动连接；限位挡板61依靠螺栓固定在箱体4内部，并对一级内齿圈34左侧进行轴向定位，箱体4设计有限位凸台可对一级内齿圈34右侧进行限位；一级太阳轮32依靠二级内花键321浮动连接在二级行星架上；一级行星轮本体33与一级行星轮轴承331通过行星销安装在一级行星架31上。

应理解的是，上述的风电齿轮箱的齿圈连接机构中，来自风轮产生的载荷通过轮毂1传递到主轴本体21，并引起主轴本体21的挠曲变形。一级行星架31本体由于与主轴本体21刚性连接，因此，主轴本体21的挠曲变形也直接传递给一级行星架31本体，引起一级行星架31本体产生径向位移和角度偏斜。一级行星轮本体33与一级行星轮轴承331由于通过行星销轴安装在一级行星架31上，将发生相应的径向位移和角度偏斜。一级内齿圈34由于采用鼓形花键浮动定位于箱体4内部，由于花键间隙的径向浮动，以及鼓形齿沿齿宽对称中心的偏摆转动效果，一级内齿圈34在与一级行星轮本体33啮合时，将跟随产生相同的径向位移和角度偏斜。而一级太阳轮32由于是通过花键浮动连接于二级行星架本体51，在与一级行星轮本体33啮合时，也将跟随产生相同的径向位移和角度偏斜。因此，一级行星轮本体33与一级内齿圈34、一级行星轮与一级太阳轮32的啮合齿面都将处于良好状态，同时还确保一级行星轮轴承331受载均匀，避免产生有害的附加力引起轴承滚道应力超标并提前失效。而花键副外齿齿形采用鼓形齿设计，则可避免该齿部的齿面由于边缘接触而损坏。通过以上设计，从而保证齿轮箱的使用寿命及可靠性。

上述的风电齿轮箱的齿圈连接机构的进步之处在于：

(1)一级内齿圈34与箱体4采用花键浮动连接可以改善一级内齿圈34与一级行星轮啮合齿面的齿向载荷分布和降低行星传动的不均载系数。通过对花键配合公差的选择，花键副能够得到不同的配合间隙，以匹配不同的载荷工况。当一级行星轮本体33受主轴本体21和一级行星架31的变形影响而发生径向位移时，由于存在花键间隙，一级内齿圈34可以跟随一级行星轮本体33产生径向位移，以保持齿轮副的啮合处于正常状态，也同时避免一级行星轮本体33与一级内齿圈34的距离变动过大引起行一级星轮轴承承担额外的有害载荷。另外由于采用花键连接，一级内齿圈34与箱体4上不再加工大量高精度的螺纹孔和定位销孔，降低了一级内齿圈34和箱体4的加工难度，同时节省了大量高强度螺钉和定位销，也降低了成本。

(2)一级内齿圈34的一级外花键341采用与一级内齿圈34中心对称的设计，可进一步改善齿面的齿向载荷分布。当一级行星轮本体33受主轴本体21和一级行星架31的变形影响而发生角度偏斜时，由于一级外花键341位于齿圈中心对称位置，一级内齿圈34可以很容易沿中心线向左或向右自由偏摆，并以较小的偏摆量获得一级内齿圈34跟随一级行星轮本体33产生相同的角度偏斜的效果。从而保证齿轮副的啮合处于良好状态，进一步改善齿面的齿向载荷分布，也同时避免一级行星轮本体33与一级内齿圈34的偏摆变动过大引起一级行星轮轴承331不同滚道的滚子受载不均匀发生损坏，最终改善了齿轮副和行星轮轴承的可靠性。

(3)一级外花键341和二级外花键52的齿形采用鼓形齿结构可避免花键齿边缘接触发生压溃等损坏现象。鼓形齿设计的一级外花键341和二级外花键52齿形为中间厚两端薄的对称曲线鼓形，鼓形量的大小可以根据变形量的大小来决定，且鼓形量应略大于变形量，以确保工作载荷波动范围内，其齿面接触区域在齿面中心位置附近变动，不会偏移到齿面的边缘位置，避免了边缘接触导致压溃等损坏现象，最终提高花键副的工作可靠性。

(4)一级内齿圈34与箱体4采用花键浮动连接能够降低主轴部件的设计成本。采用该种结构后，由于能够对主轴部件在工作中产生的有害变形进行补偿，大幅度改善一级行星部套齿轮箱的啮合状态，并改善了一级行星轮轴承331的受力均匀性。因此对主轴部件的刚度要求得以显著降低，主轴部件仅仅满足自身的疲劳设计即可。最终可以大幅度降低主轴和主轴轴承座22的结构重量，降低了设计成本，提高了机组竞争力。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，包括箱体，其特征在于，包括一级行星组件和二级行星架组件；

所述一级行星组件可转动地设于所述箱体内，所述箱体和所述一级行星组件之间采用间隙配合；当所述一级行星组件发生挠曲变形时，所述一级行星组件能在其与所述箱体的间隙内径向浮动和角度偏转；

所述二级行星架组件可转动地设于所述箱体内，所述二级行星架组件与所述一级行星组件间采用间隙配合，所述一级行星组件的转动能带动所述二级行星架组件转动；当所述一级行星组件发生挠曲变形时，所述一级行星组件在与所述二级行星架组件之间的间隙径向浮动和角度偏转，且在浮动后所述一级行星组件仍能带动所述二级行星架组件转动。

2.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，其特征在于，包括设于箱体内的一级内花键，一级行星组件包括一级行星架、一级太阳轮、一级行星轮本体和一级内齿圈；所述一级行星架可转动地设于所述箱体内，所述一级行星轮本体设于所述一级行星架上，所述一级太阳轮和所述一级行星轮本体相互啮合，所述一级太阳轮套设于所述二级行星架组件上，并采用间隙配合；所述一级内齿圈的内侧与所述一级行星轮啮合，所述一级内齿圈外侧轴向地设有与所述一级内花键相对应的一级外花键，所述一级外花键和所述一级内花键之间采用间隙配合。

3.根据权利要求2所述的一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，其特征在于，还设有一级行星轮轴承，所述一级行星轮本体通过所述一级行星轮轴承可转动地设于所述一级行星架上。

4.根据权利要求2所述的一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，其特征在于，所述一级外花键两侧面为中部向外鼓起的鼓形，且通过该鼓起处与所述一级内花键接触。

5.根据权利要求4所述的一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，其特征在于，所述一级外花键设有多个，并沿所述一级内齿圈的中心对称设置。

6.根据权利要求2所述的一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，其特征在于，所述二级行星架组件包括二级行星架本体和二级外花键；所述二级行星架本体可转动地设于所述箱体内，所述二级外花键轴向地设于所述二级行星架本体的输入端；所述一级太阳轮内侧还设有与二级外花键相对应的二级内花键，所述二级内花键与所述二级外花键之间采用间隙配合。

7.根据权利要求6所述的一种风电齿轮箱的齿圈连接机构，其特征在于，所述二级外花键两侧面为中部向外鼓起的鼓形，且通过该鼓起处与所述二级内花键接触。

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