CN219529726U - 一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，包括齿轮箱本体、一级内齿圈、外齿环、连接环和固定法兰；齿轮箱本体包括前箱体；外齿环和一级内齿圈啮合，并位于齿轮箱本体内，外齿环的齿侧与一级内齿圈的齿侧采用间隙配合；连接环能受力产生弹性形变，连接环一端与外齿环相连，另一端通过固定法兰设于前箱体上。

Description

一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱

技术领域

本实用新型涉及风力发电机组集成式传动链的技术领域，具体涉及一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱。

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，导致一级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。

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采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，以解决上述背景技术中提到的主轴的挠曲变形破坏行星机构的齿轮啮合关系的技术问题。

为解决该技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，包括齿轮箱本体、一级内齿圈、外齿环、连接环和固定法兰；

所述齿轮箱本体上包括前箱体；

所述外齿环和所述一级内齿圈啮合，并位于所述齿轮箱本体内，所述外齿环的齿侧与所述一级内齿圈的齿侧采用间隙配合；

所述连接环能受力产生弹性形变，所述连接环一端与所述外齿环相连，另一端通过所述固定法兰设于所述前箱体上。

进一步地，所述连接环的中段为薄壁。

进一步地，所述连接侧壁设有减重孔。

进一步地，所述减重孔设于所述连接环的薄壁段。

进一步地，所述外齿环的齿面中部向外鼓起呈鼓形，且能通过该鼓起处与所述一级内齿圈的齿面接触。

进一步地，还设有挡板，所述挡板设于所述齿轮箱本体内，并能对所述一级内齿圈限位。

进一步地，所述齿轮箱本体还包括一级行星架、一级行星轮、一级太阳轮和二级行星架；所述一级行星架可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述一级行星轮设有多个并可转动地设于所述一级行星架上，所述一级行星轮外分别同时与所述一级内齿圈和所述一级太阳轮啮合；所述一级太阳轮内侧还轴向地设有二级内花键，所述二级行星架可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述二级行星架上还轴向地设有二级外花键，并与所述二级内花键通过花键连接，所述二级内花键和所述二级外花键间采用间隙配合。

进一步地，所述齿轮箱本体还包括二级行星轮、二级太阳轮和三级行星架；所述二级行星轮设有多个并可转动地设于所述二级行星架上，并同时与所述二级太阳轮啮合；所述二级太阳轮外侧还轴向地设有三级外花键，所述三级行星架可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述三级行星架上还轴向地设有三级内花键，并与所述三级外花键通过花键连接，所述三级内花键和所述三级外花键间采用间隙配合。

进一步地，所述齿轮箱本体还包括三级行星轮、三级太阳轮和输出轴；所述三级行星轮设有多个并可转动地设于所述三级行星架上，且分别同时与所述三级太阳轮啮合；所述三级太阳轮外侧还轴向地设有四级外花键，所述输出轴可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述输出轴上还轴向地设有四级内花键，并与所述四级外花键通过花键连接，所述四级内花键和所述四级外花键采用间隙配合。

与现有技术相比，本实用新型的进步之处在于：

当主轴本体的挠曲变形带动一级行星架、一级行星轮和一级太阳轮产生相对应的径向位移和角度偏斜后，一级行星架上的一级行星轮将带动一级内齿圈产生相应的径向位移和角度偏斜，由于外齿环的齿面与一级内齿圈的齿面留有间隙，故能达到浮动的效果，以及连接环受载变形补偿，一级内齿圈在与一级行星轮啮合时，将跟随产生相同的径向位移和角度偏斜，实现了行星机构在受挠曲变形后仍保持内部啮合关系不变。

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采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱的示意图；

图2为图1所示的一种柔性齿套连接环在一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱内的放大示意图；

图3为本实用新型一实施例提供了一种柔性齿套连接环的示意图；

图4为本实用新型另一实施例提供了一种柔性齿套连接环的示意图；

图5为外齿环的轮齿的平面示意图；

图6为外齿环的齿轮的三维示意图。

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)；

3-一级行星架；31-一级内齿圈；32-一级太阳轮；33-一级行星轮；34-一级行星轮轴承；

4-前箱体；41-挡板；42-后箱体

5-柔性齿套连接环；51-外齿环；52-连接环；521-减重孔；53-固定法兰；

6-二级齿圈；61-二级行星架；62-二级太阳轮；

7-三级行星架；71-三级齿圈；72-三级太阳轮；

8-输出轴轴承；81-输出轴；

9-发电机转子；10-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5，本实施例提供了一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，包括齿轮箱本体、一级内齿圈31、外齿环51、连接环52和固定法兰53。

齿轮箱本体包括前箱体4。应理解的是，齿轮箱本体包括除了上述的一级内齿圈31、外齿环51、连接环52和固定法兰53外，所有使风电齿轮箱正常工作的所有其他部件，如轮毂1、主轴本体2、主轴前轴承21、主轴轴承座22、螺栓、主轴后轴承23、一级行星架3、一级太阳轮32、一级行星轮33、一级行星轮33轴承、后箱体42、二级齿圈6、二级行星架61、二级太阳轮62、三级行星架71、三级齿圈71、三级太阳轮73、输出轴81轴承8、输出轴81、发电机转子9、发电机定子10等。

另外，外齿环51、连接环52和固定法兰53共同组成柔性齿套连接环5。

外齿环51和一级内齿圈31啮合，外齿环51的齿侧与一级内齿圈31的齿侧留有间隙。应理解的是，外齿环51设于齿轮箱前箱体4内，前箱体4内设有挡板41，通过挡板41对一级内齿圈31进行轴向定位。应理解的是，外齿环51则为外齿轮结构，其宏观参数(齿数、模数、变位系数、螺旋角等)与连接的一级内齿圈31相同，但齿厚公差不同，以实现间隙配合，同时齿侧为鼓形结构，以适应工作载荷引起的载荷波动。

连接环52能受力产生弹性形变，连接环52一端与外齿环51相连，另一端通过固定法兰53设于前箱体4内壁上。应理解的是，固定法兰53设于前箱体4内不会发生挠曲变形处，如图1-2提供的实施例中固定法兰53通过螺栓设于齿轮箱的前箱体4内壁。固定法兰53和设于连接环52的内侧或外侧，如图3，固定法兰53设于连接环52的内侧，如图4固定法兰53设于连接环52的外侧。

在其他方案中，连接环52的中段为薄壁。通过中段设为薄壁能使得连接环52产生良好的弹性形变。

作为优选，连接环52根据工作荷载不同，其薄壁段有不同直径、长度、壁厚的型号。通过设置不同直径、长度、壁厚等能满足不同的工作荷载需求。

在其他方案中，连接侧壁设有减重孔521。通过减重孔521能进一步在不改变连接环52其他结构的情况下改变其刚度，以适不同的工作荷载。

在其他方案中，减重孔521设于连接环52的薄壁段。

作为优选，根据工作荷载的不同，不同型号的连接环52上的减重孔521的数量、直径各不相同。

在其他方案中，外齿环51的齿面中部向外鼓起呈鼓形，且能通过该鼓起处与一级内齿圈31的齿面接触。应理解的是，外齿环51的轮齿两侧的中部都向外鼓起成鼓形，即外齿环51的轮齿为曲线凸起，形成的齿形为中间厚，两侧变薄的鼓形；由于外齿环51的轮齿的中部高于两侧，通过该鼓形能使得外齿环51与内齿圈的接触点始终位于鼓起处，进而避免了主轴本体2轴线的角度偏斜变形而导致轮齿边缘接触损坏，且不会影响到齿轮副的正常啮合。

在其他方案中，还设有挡板41，挡板41设于齿轮箱本体内，具体而言，挡板41设于前箱体4内，挡板41能对一级内齿圈31限位。通过设置挡板41能进一步将一级内齿圈31的轴向位移限制在所需范围内。

在其他方案中，齿轮箱本体还包括一级行星架3、一级行星轮33、一级太阳轮32和二级行星架61；一级行星架3可转动地设于齿轮箱本体内，一级行星轮33设有多个并可转动地设于一级行星架3上，一级行星轮33外分别同时与一级内齿圈31和一级太阳轮32啮合；一级太阳轮32内侧还轴向地设有二级内花键，二级行星架61可转动地设于齿轮箱本体内，二级行星架61上还轴向地设有二级外花键，并与二级内花键通过花键连接，二级内花键和二级外花键采用间隙配合。应理解的是，二级内齿圈通过螺栓或其他固定件或直接固定在齿轮箱箱体内，并与二级行星架61上的二级行星轮相啮合。

在其他方案中，齿轮箱本体还包括二级行星轮、二级太阳轮62和三级行星架71；二级行星轮设有多个并可转动地所述二级行星架61上，并同时与二级太阳轮62啮合；二级太阳轮62外侧还轴向地设有三级外花键，三级行星架71可转动地设于齿轮箱本体内，三级行星架71上还轴向地设有三级内花键，并与三级内花键通过花键连接，三级内花键和三级外花键间采用间隙配合。应理解的是，三级内齿圈通过螺栓或其他固定件或直接固定在齿轮箱箱体内，并与三级行星架71上的三级行星轮相啮合。

在其他方案中，齿轮箱本体还包括三级行星轮、三级太阳轮73和输出轴81；三级行星轮设有多个并可转动地设于三级行星架71上，且分别同时与三级太阳轮73啮合；三级太阳轮73外侧还轴向地设有四级外花键，输出轴81可转动地设于齿轮箱本体内，输出轴81上还轴向地设有四级内花键，并与四级内花键通过花键连接，四级内花键和四级外花键间采用间隙配合。

应理解的是，上述的内花键和外花键各自共同组成浮动连接，能逐级减少挠曲变形带来的影响。

上述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱的连接关系为：前箱体4前端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的集成连接；一级行星架3的左端面依靠螺栓(或螺栓+销)与主轴本体2实现刚性连接；柔性齿套连接环5的外齿部分与一级内齿圈31的内齿基本参数相同，但一为外齿，一为内齿，齿侧采用间隙配合，从而实现浮动连接，并以挡板41实现轴向定位；柔性齿套连接环5另一侧的固定法兰53则通过螺栓(或螺栓+销)连接到前箱体4内侧或主轴轴承座22；一级太阳轮32依靠内花键浮动连接在二级行星架61的输入侧外花键上；一级行星轮33与一级行星轮33轴承通过行星销安装在一级行星架3上；二级齿圈6分别与前箱体4与后箱体42通过螺栓刚性连接；二级太阳轮62与三级行星级以花键浮动连接；三级齿圈71则以单侧固定在后箱体42内侧；三级太阳轮73与输出轴81以花键浮动连接；输出轴81以两个输出轴81轴承8定位到后箱体42上。

应知晓的是，来自风轮产生的载荷通过轮毂1传递到主轴本体2，并引起主轴本体2的挠曲变形。一级行星架3由于与主轴本体2刚性连接，因此，主轴的工作扭矩直接传递到一级行星架3，驱动一级行星级实现增速，同时主轴本体2的挠曲变形也直接传递给一级行星架3，引起一级行星架3产生径向位移和角度偏斜。一级行星轮33与一级行星轮33轴承由于通过行星销轴安装在一级行星架3上，将发生相应的径向位移和角度偏斜，如不进行补偿，该位移和角度偏斜将会破坏行星轮与一级内齿圈31的正常啮合，并带给一级行星轮轴承34额外有害作用力。其中，柔性齿套连接环5的外齿环51与一级内齿圈31的内齿轮啮合，则一级内齿圈31的扭矩传递到柔性齿套连接环5上；同时由于挡板41对一级内齿圈31进行轴向定位，则一级内齿圈31工作中的轴向力也传递到柔性齿套连接环5上。由于柔性齿套连接环5的固定法兰53以螺栓(螺栓+销)完全固定到齿轮箱前箱体4内部或主轴轴承座22上，柔性齿套连接环5承受的工作扭矩和作用力通过薄壁连接环52、固定法兰53最终传递到齿轮箱前箱体4内部或主轴轴承座22。实际工作时，由于柔性齿套连接环5的齿侧间隙的浮动效果，以及薄壁环的受载变形补偿，一级内齿圈31在与一级行星轮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61，由于花键浮动效果，在与一级行星轮33啮合时，也将跟随产生相同的径向位移和角度偏斜。因此，行星轮与一级内齿圈31、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33轴承受载均匀，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。而柔性齿套连接环5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。

上述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱的优点在于：

(1)齿轮箱本体内的柔性齿套连接环5与一级内齿圈31采用间隙配合的齿轮副实现浮动连接，可以有效补偿工作中主轴本体2带给一级齿圈的偏斜和径向位移，还可降低加工成本。柔性齿套连接环5的外齿部分与一级内齿圈31内齿采用相同的基本参数设计，仅仅一个零件上为外齿，相配合的另一个零件上为对应的内齿，通过不同的轮齿厚度公差取值配合，实现大的浮动间隙设计。该种设计与花键浮动设计类似，但是齿圈只有一组参数(即工作齿轮参数)，不需要另外设计一组花键参数来实现浮动连接功能，则齿圈可以一次加工到位，大幅度简化了加工，降低了加工难度和成本。柔性齿套连接环5的外齿轮部分也可以采用与外花键完全相同的工艺完成加工。因此，柔性齿套连接环5与齿圈采用齿轮副实现浮动连接可以有效补偿工作中主轴带给齿圈的偏斜和径向位移误差，改善齿圈与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，避免由主轴本体2带来的挠曲变形破坏齿轮副的啮合状态及引起附加载荷降低行星轮的轴承寿命，另外还能降低加工难度和成本。

(2)齿轮箱本体内的柔性齿套连接环5的薄壁段设计能够通过受载后发生弹性变形，进一步提高对一级内齿圈31的偏斜和径向位移误差补偿效果。柔性齿套连接环5的中段为薄壁连接环52，当工作中由于载荷波动过大，主轴本体2带来的有害变形过大，柔性齿套连接环5与齿圈的齿轮间隙配合不足以补偿时，柔性齿套连接环5的薄壁部位则可以发生弹性变形提高补偿能力，进一步改善齿面的齿向载荷分布和降低行星传动的不均载系数，改善齿轮副的啮合状态及行星轮的轴承寿命。

(3)齿轮箱本体内的柔性齿套连接环5外齿设计为鼓形齿结构提高了啮合位置角度偏斜的补偿效果。鼓形曲线齿侧的设计能够让齿侧的工作面为曲线，在发生轴心线倾斜时仍然保证齿面在中心范围内波动，从而具有足够的接触面积，避免发生边缘接触引起齿面压溃失效。因此，柔性齿套连接环5外齿部分的鼓形齿结构进一步补偿了轴心线的角度偏斜，提高了柔性齿套连接环5与齿圈的工作可靠性。

(4)齿轮箱本体内的一级内齿圈31采用柔性齿套连接环5实现柔性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33轴承的受力均匀性。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 (9)

1.一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，包括齿轮箱本体、一级内齿圈、外齿环、连接环和固定法兰；

所述齿轮箱本体包括前箱体；

所述外齿环和所述一级内齿圈啮合，并位于所述齿轮箱本体内，所述外齿环的齿侧与所述一级内齿圈的齿侧采用间隙配合；

所述连接环能受力产生弹性形变，所述连接环一端与所述外齿环相连，另一端通过所述固定法兰设于所述前箱体上。

2.根据权利要求1所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，所述连接环的中段为薄壁。

3.根据权利要求2所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，所述连接侧壁设有减重孔。

4.根据权利要求3所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，所述减重孔设于所述连接环的薄壁段。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，所述外齿环的齿面中部向外鼓起呈鼓形，且能通过该鼓起处与所述一级内齿圈的齿面接触。

6.根据权利要求5所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，还设有挡板，所述挡板设于所述齿轮箱本体内，并能对所述一级内齿圈限位。

7.根据权利要求6所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱本体还包括一级行星架、一级行星轮、一级太阳轮和二级行星架；所述一级行星架可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述一级行星轮设有多个并可转动地设于所述一级行星架上，所述一级行星轮外分别同时与所述一级内齿圈和所述一级太阳轮啮合；所述一级太阳轮内侧还轴向地设有二级内花键，所述二级行星架可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述二级行星架上还轴向地设有二级外花键，并与所述二级内花键通过花键连接，所述二级内花键和所述二级外花键间采用间隙配合。

8.根据权利要求7所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱本体还包括二级行星轮、二级太阳轮和三级行星架；所述二级行星轮设有多个并可转动地设于所述二级行星架上，并同时与所述二级太阳轮啮合；所述二级太阳轮外侧还轴向地设有三级外花键，所述三级行星架可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述三级行星架上还轴向地设有三级内花键，并与所述三级外花键通过花键连接，所述三级内花键和所述三级外花键间采用间隙配合。

9.根据权利要求8所述的一种采用浮动齿圈连接的风电齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱本体还包括三级行星轮、三级太阳轮和输出轴；所述三级行星轮设有多个并可转动地设于所述三级行星架上，且分别同时与所述三级太阳轮啮合；所述三级太阳轮外侧还轴向地设有四级外花键，所述输出轴可转动地设于所述齿轮箱本体内，所述输出轴上还轴向地设有四级内花键，并与所述四级外花键通过花键连接，所述四级内花键和所述四级外花键采用间隙配合。