齿轮变速装置、传动机构及风力发电机组的制作方法

1.本发明涉及一种齿轮变速装置，可用于风力发电机组的传动机构，用以将叶片轮毂的转速增加至适合风力发电机组运行的转速，也可以广范运用于其他工业设备。


背景技术：

2.传统的风力发电机组使用齿轮变速装置将主轴中低速但高扭矩的动力转换成有利于发电机发电的高转速低扭矩动力。
3.传统的风力发电机组的齿轮变速装置的行星轮系采用简单行星轮系，即由太阳轮、行星轮支架、行星轮、齿圈四部分组成的行星轮系。这种行星轮系传动过程中行星轮所受的扭矩较大，导致整个行星轮系的扭矩载荷能力受限，不能满足高扭矩载荷能力需求。
4.增加行星轮的个数能够提升扭矩载荷能力，这样会导致齿轮变速装置的体积增大，不利于在风力发电机组这种布置空间非常有限的设备上应用。而要想在齿轮变速装置的体积不变的情况下布置更多个行星轮，就需要缩小齿轮的尺寸，这又会导致传动速比的减小，不能满足风力发电机组的大传动速比需求。
5.因此，单纯通过增加行星轮的个数来提升扭矩载荷能力这种方法并不能兼顾小体积、大传动速比需求，因此并不理想。
6.申请内容
7.为解决上述技术问题，一方面，本技术提供一种齿轮变速装置，所述齿轮变速装置包括第一行星轮系，所述第一行星轮系包括第一齿圈、第一行星架、第一行星轮、太阳惰轮和行星惰轮；所述行星惰轮和所述第一行星轮均安装于所述第一行星架；所述第一行星轮包括小齿轮；所述行星惰轮和所述小齿轮均与所述第一齿圈内啮合并均与所述太阳惰轮外啮合；所述小齿轮能相对所述第一行星架沿自身径向浮动。
8.齿轮变速装置的一种实施方式，所述行星惰轮不能相对所述第一行星架沿自身径向浮动，或者，所述行星惰轮能相对所述第一行星架沿自身径向浮动且所述行星惰轮的最大径向浮动量小于所述第一行星轮的最大径向浮动量。
9.齿轮变速装置的一种实施方式，所述第一行星轮系还包括第一太阳轮；所述第一行星轮还包括大齿轮和连接轴，所述大齿轮的直径大于所述小齿轮的直径，所述大齿轮和所述小齿轮沿轴向相互错开并通过所述连接轴实现同轴传动。
10.齿轮变速装置的一种实施方式，所述大齿轮与所述第一太阳轮外啮合；所述第一行星轮的数量为多个，其中，至少两个所述第一行星轮的大大齿轮沿轴向相互错开且在垂直于轴向的平面内投影部分重叠。
11.齿轮变速装置的一种实施方式，所述第一行星轮和所述第一行星架之间设有第一轴承。
12.齿轮变速装置的一种实施方式，所述第一轴承为调心轴承，利用所述调心轴承实现所述小齿轮相对所述第一行星架沿自身径向浮动；和/或，
13.所述连接轴包括与所述小齿轮连接的第一轴段、与所述大齿轮连接的第二轴段，
所述第一轴段和所述第二轴段通过能沿径向移动的联轴器连接，以此实现所述小齿轮相对所述第一行星架沿自身径向浮动；和/或
14.所述连接轴采用能沿径向变形的柔性轴，以此实现所述小齿轮相对所述第一行星架沿自身径向浮动。
15.齿轮变速装置的一种实施方式，所述第一轴承设置在靠近所述大齿轮的一端。
16.齿轮变速装置的一种实施方式，所述第一行星架包括基座和连在所述基座一端的底板，所述基座具有基座板，所述基座板和所述底板之间形成用于容置所述大齿轮的第一容置空间，所述基座板和所述底板均设有用于安装所述第一轴承的轴承座孔，一部分所述第一行星轮通过第一轴承支撑于所述基座板，另一部分所述第一行星轮通过所述第一轴承支撑于所述底板。
17.齿轮变速装置的一种实施方式，所述基座还包括连在所述基座另一端的端盖，所述端盖具有端盖板，所述端盖板和所述基座板之间形成用于容置所述行星惰轮和所述小齿轮的第二容置空间，所述行星惰轮套装于行星惰轮轴且所述行星惰轮和所述行星惰轮轴之间设有第二轴承，所述行星惰轮轴一端连于所述端盖板、另一端连于所述基座板，所述第一行星轮的连接轴的一端伸到所述第二容置空间中，所述小齿轮套装于所述连接轴的该端。
18.齿轮变速装置的一种实施方式，所述端盖还具有输入轴，所述输入轴的一端与所述端盖板连接，另一端沿轴向向远离所述端盖板的方向延伸。
19.齿轮变速装置的一种实施方式，所述比例p＝行星惰轮的扭矩/第一行星轮的扭矩，所述比例p的范围为：1＜p≤k，其中k＝大齿轮的节圆半径/小齿轮的节圆半径。
20.齿轮变速装置的一种实施方式，所述行星惰轮的数量与所述第一行星轮的数量相同，各个所述行星惰轮和各个所述第一行星轮沿第一齿圈的周向等间隔地一一交替布置。
21.齿轮变速装置的一种实施方式，所述齿轮变速装置还包括一级或多级第二行星轮系，所述第二行星轮系包括第二齿圈、第二行星架、第二行星轮和第二太阳轮，所述第二行星轮安装于所述第二行星架，所述第二行星轮与所述第二齿圈内啮合并与所述第二太阳轮外啮合；所述第二行星架与所述第一太阳轮或者前一级的所述第二太阳轮传动连接。
22.齿轮变速装置的一种实施方式，所述第二行星架包括沿轴向间隔设置的两个安装板，两所述安装板之间形成用于容置所述第二行星轮的容置空间，所述第二行星轮套装于第二行星轮轴，所述第二行星轮和所述第二行星轮轴之间设有第三轴承，所述第二行星轮轴的两端分别连于两个所述安装板。
23.齿轮变速装置的一种实施方式，所述第二行星架包括连接套，所述连接套的一端与一所述安装板连接，另一端沿轴向向靠近所述第一太阳轮或前一级的所述第二太阳轮的方向延伸，所述第一太阳轮或前一级的所述第二太阳轮连于所述连接套。
24.齿轮变速装置的一种实施方式，所述齿轮变速装置包括外壳，所述第一齿圈和所述第二齿圈均固定于所述外壳，所述第一行星架和第二行星架均至少部分安装在所述外壳内部，所述第一行星架通过第四轴承支撑于所述外壳，所述第二行星架通过第五轴承支撑于所述外壳。
25.齿轮变速装置的一种实施方式，所述外壳外周设有起平衡作用的扭力臂，所述外壳还设有法兰接板，通过所述法兰接板实现与外接设备的连接固定。
26.齿轮变速装置的上述各种实施方式在不冲突的情况下可以任意组合。
27.另一方面，本技术提供一种传动机构，所述传动机构包括上述任一项所述的齿轮变速装置。
28.再一方面，本技术还提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括叶片轮毂和传动机构，所述传动机构采用上述传动机构。
29.本技术提供的齿轮变速装置的行星惰轮和小齿轮能共同分担扭矩，并且，行星惰轮分担的扭矩多于小齿轮分担的扭矩(也就是说，行星惰轮分担的扭矩与小齿轮分担的扭矩的比值p大于1)，因此能够降低小齿轮的扭矩载荷，提升整个第一行星轮系的扭矩载荷能力。
30.而且，由于小齿轮的扭矩载荷得以降低，所以即便采用较小尺寸的小齿轮也能够满足承载需求，因此，在同等体积条件下能够布置更多个小齿轮，从而能在兼顾小体积的情况下通过增多小齿轮的个数来进一步提升整个第一行星轮系的扭矩载荷能力，因此具有较高的扭矩载荷密度。
31.齿轮变速装置的上述一种实施方式中，通过让至少两个第一行星轮的大齿轮在轴向上错开布置且垂直于轴向的平面上投影部分重叠，能使该齿轮变速装置兼顾小体积和大传动速比。
32.本技术提供的传动机构和风力发电机组，由于包括上述齿轮变速装置，因此也具有上述技术效果。
附图说明
33.图1为本技术提供的齿轮变速装置一种实施例的第一行星轮系的拆解示意图；
34.图2为图1中第一行星架的剖视图；
35.图3为本技术提供的齿轮变速装置一种实施例组装状态下的一个视角的剖视图，剖切线沿图1中a-a；
36.图4为图3所示的齿轮变速装置另一视角的剖视图，剖切线沿图1中b-b；
37.图5为图3所示的齿轮变速装置的整体视图；
38.图6为小齿轮部浮动量足够大时的受力分析图；
39.图7为本技术提供的齿轮变速装置一种实施例的第二行星轮系的拆解示意图；
40.图8和图9为本技术提供的齿轮变速装置一种实施例的传动路径简示图。
41.附图标记说明如下：
42.100第一行星轮系；
43.101第一齿圈；
44.102第一行星架，1021基座，1021a基座板，1021b支撑环，1021c支撑臂，1022底板，1023端盖，1023a端盖板，1023b输入轴，a轴承连接部，b轴承座孔；
45.103第一行星轮，103a小齿轮，103b大齿轮，103c连接轴；
46.104太阳惰轮；105行星惰轮；106第一太阳轮；107第一轴承；108行星惰轮轴；109第二轴承。
47.200第二行星轮系；
48.201第二齿圈；
49.202第二行星架，202a安装板，202b连接臂，202c连接套；
50.203第二行星轮；204第二行星轮轴；205第三轴承；
51.206第二太阳轮；
52.207输出轴。
53.300外壳，300a扭力臂，300b法兰接板。
54.400第四轴承。
55.500第五轴承。
具体实施方式
56.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术的技术方案作进一步的详细说明。
57.如图1，该齿轮变速装置包括第一行星轮系100。
58.第一行星轮系100包括第一齿圈101、第一行星架102、第一行星轮103、太阳惰轮104和行星惰轮105。
59.第一行星轮103包括小齿轮103a，小齿轮103a安装在第一齿圈101和太阳惰轮104之间。小齿轮103a与第一齿圈101内啮合、与太阳惰轮104外啮合。
60.行星惰轮105也安装在第一齿圈101和太阳惰轮104之间。行星惰轮105与第一齿圈101内啮合、与太阳惰轮104外啮合。行星惰轮105仅与第一齿圈101和太阳惰轮104有直接扭矩传递。太阳惰轮104仅与行星惰轮105和小齿轮103a有直接扭矩传递。
61.第一行星轮103和行星惰轮105均支撑安装于第一行星架102。安装好后，第一行星轮103的小齿轮103a能相对第一行星架102沿自身径向(小齿轮103a的径向)浮动。而行星惰轮105不能相对第一行星架102沿自身径向(行星惰轮105的径向)浮动，或者，行星惰轮105能相对第一行星架102沿自身径向浮动且最大径向浮动量小于第一行星轮103的最大径向浮动量。
62.采用上述浮动设计，当第一行星架102在输入扭矩作用下绕轴向旋转时(这时第一齿圈101固定)，至少部分扭矩会先传递给行星惰轮105，然后由行星惰轮105经太阳惰轮104传递给第一行星轮103的小齿轮103a，使得行星惰轮105和小齿轮103a共同分担扭矩，并且，行星惰轮105分担的扭矩多于小齿轮103a分担的扭矩(也就是说，行星惰轮105分担的扭矩与小齿轮103a分担的扭矩的比值p大于1)，因此能够降低小齿轮103a的扭矩载荷，提升整个第一行星轮系100的扭矩载荷能力。
63.而且，由于小齿轮103a的扭矩载荷得以降低，所以即便采用较小尺寸的小齿轮103a也能够满足承载需求，因此，在同等体积条件下能够布置更多个小齿轮103a，从而能在兼顾小体积的情况下通过增多小齿轮103a的个数来进一步提升整个第一行星轮系100的扭矩载荷能力，从而能达到较高的扭矩载荷密度。
64.进一步的，第一行星轮系100还包括第一太阳轮106。第一行星轮103还包括大齿轮103b和连接轴103c。大齿轮103b的直径大于小齿轮103a的直径，大齿轮103b和小齿轮103a沿轴向相互错开并通过连接轴103c实现同轴传动连接。
65.第一行星轮103的大齿轮103b与第一太阳轮106外啮合，从而能将扭矩进一步传递给第一太阳轮106，由第一太阳轮106进行扭矩输出。由于大齿轮103b的直径大于小齿轮103a的直径，所以利用大齿轮103b与第一太阳轮106啮合进行扭矩输出能使第一行星轮系
100获得较大的传动速比。
66.当第一行星轮103的数量为多个(两个或两个以上)时，至少两个第一行星轮103的大齿轮103b沿轴向相互错开且在垂直于轴向的平面内投影部分重叠。这样设置，在同等体积条件下能够将大齿轮103b的尺寸设置得更大一些，从而利于第一行星轮系100获得更大的传动速比。
67.具体的，可以通过将两个第一行星轮103的连接轴103c设置成不同长度来使这两个第一行星轮103的大齿轮103b沿轴向相互错开。
68.通过采用上述浮动设计和让至少两个第一行星轮103的大齿轮103b沿轴向相互错开且在垂直于轴向的平面内投影部分重叠，使得第一行星轮系100具有较高的扭矩载荷能力、较大的传动速比和较小的体积，解决了传统齿轮变速装置无法兼顾三者的问题。
69.具体的，如图4，第一行星轮103和第一行星架102之间设有第一轴承107，以便第一行星架102旋转时第一行星轮103能够相对第一行星架102绕自身轴线自转。
70.具体的，使第一行星轮103的小齿轮103a能够相对第一行星架102沿自身径向浮动的方式多种多样。
71.例如一种方式是，上述第一轴承107采用调心轴承，利用调心轴承的调心角实现小齿轮103a的径向浮动，最大径向浮动量的大小与调心角的大小相关。
72.这种实施方式下，优选将调心轴承设置在靠近大齿轮103b的一端或者说远离小齿轮103a的一端，这样能够保障小齿轮103a浮动的过程中始终保持与太阳惰轮104和第一齿圈101的良好啮合。
73.再例如，一种方式是：将连接轴103c分段设置，连接轴103c包括与小齿轮103a连接的第一轴段、与大齿轮103b连接的第二轴段，第一轴段和第二轴段通过能沿径向移动的联轴器连接。
74.再例如，一种方式是：连接轴103c采用能沿径向变形的柔性轴。
75.再例如，还可以采用上述几种方式中的任意两种或两种以上的组合。
76.具体的，小齿轮103a的最大径向浮动量的大小关系着行星惰轮105分担的扭矩与小齿轮103a分担的扭矩的比值p的大小。
77.当小齿轮103a的最大径向浮动量足够大时，全部的扭矩都会先传递给行星惰轮105，然后由行星惰轮105经太阳惰轮104传递给第一行星轮103的小齿轮103a，这时，如图5所示，行星惰轮105的受力2f＝小齿轮103a的受力f0
×
k，k＝大齿轮103b的节圆半径/小齿轮103a的节圆半径。也就是说，当小齿轮103a的最大径向浮动量足够大时，行星惰轮105分担的扭矩与小齿轮103a分担的扭矩的比值p＝k。
78.当然，小齿轮103a的最大径向浮动量的大小可以根据实际需要灵活设置，只要保障行星惰轮105分担的扭矩与小齿轮103a分担的扭矩的比值p满足：1＜p≤k即可。
79.具体的，如图1，可以将行星惰轮105的数量与第一行星轮103的数量设置得相同，并让各个行星惰轮105的和各个第一行星轮103沿第一齿圈101的周向等间隔地一一交替布置。这样，第一行星轮系100的整体受力更均衡，传动更平稳，使用寿命更长。
80.具体的，如图1和图2，第一行星架102包括基座1021和底板1022。基座1021具有基座板1021a和支撑臂1021c，支撑臂1021c的一端连接基座板1021a，另一端连接底板1022。
81.基座板1021a和底板1022之间形成用于容置大齿轮103b的第一容置空间。基座板
1021a和底板1022均设有用于安装第一轴承107的轴承座孔b。
82.如图3，连接轴103c较长的第一行星轮103通过第一轴承107支撑连接于基座板1021a。连接轴103c较短的第一行星轮103通过第一轴承107支撑连接于底板1022。这样能满足至少两个第一行星轮103的大齿轮103b沿轴向相互错开的安装要求，且能满足第一轴承107靠近大齿轮103b安装的需求。
83.具体的，如图1和图2，第一行星架102还包括端盖1023。端盖1023具有端盖板1023a。基座1021还包括支撑环1021b，支撑环1021b的一端与基座板1021a连接，另一端与端盖板1023a通过紧固件连接。端盖板1023a和基座板1021a之间形成用于容置行星惰轮105和小齿轮103a的第二容置空间。
84.如图3，第一行星轮103的连接轴103c的一端伸到第二容置空间中，小齿轮103a套装于连接轴103c的该端。这样能够满足行星惰轮105和小齿轮103a的安装要求。
85.如图4，行星惰轮105套装于行星惰轮轴108，且行星惰轮105和行星惰轮轴108之间设有第二轴承109。行星惰轮轴108一端连于端盖板1023a、另一端连于基座板1021a。
86.具体的，如图1和图2，第一行星架102还设有轴承连接部a，图示实施例中，第一行星架102的端盖1023所在的一端和底板1022所在的一端各设有一个轴承连接部a。
87.如图3，第一行星架102至少部分安装在外壳300内部，第一行星架102两端的两个轴承连接部a外各套装有一个第四轴承400，通过第四轴承400支撑于外壳300的轴承安装面上。
88.具体的，如图3，第一行星架102的端盖1023还具有输入轴1023b，输入轴1023b的一端与端盖板1023a连接，另一端沿轴向向远离端盖板1023a的方向延伸，并延伸出外壳300的一端端口，以外接驱动设备，进行扭矩引入。
89.上述结构的第一行星架102能够满足与第一行星轮103、行星惰轮105、外壳300的组装需求，而且体积小，集成度高。当然，第一行星架102的结构可以根据实际需要灵活设置，而不局限于上述结构，只要是能够满足与第一行星轮103、行星惰轮105、外壳300的组装需求的结构即可。
90.具体的，如图5，外壳300的外周可以设置起平衡作用的扭力臂300a，外壳300还可以设置法兰接板300b，通过法兰接板300b实现与外接设备的连接固定。
91.进一步的，如图7所示，该齿轮变速装置还可以设置第二行星轮系200，第二行星轮系200包括第二齿圈201、第二行星架202、第二行星轮203和第二太阳轮206。
92.第二行星轮203安装于第二行星架202。第二行星轮203安装在第二齿圈201和第二太阳轮206之间。第二行星轮203与第二齿圈201内啮合并与第二太阳轮206外啮合。
93.具体的，可以仅设置一级第二行星轮系200，也可以设置多级(两级或两级以上)第二行星轮系200，当设置多级第二行星轮系200时，各级第二行星轮系200沿轴向依次布置，后一级第二行星轮系200的第二行星架202与前一级第二行星轮系200的第二太阳轮206传动连接。
94.具体的，如图7，第二行星架202包括沿轴向间隔设置的两个安装板202a和连接两安装板202a的连接臂202b。两安装板202a之间形成用于容置第二行星轮203的容置空间。
95.如图3，第二行星轮203套装于第二行星轮轴204。第二行星轮203和第二行星轮轴204之间设有第三轴承205。第二行星轮轴204的两端分别连于两个安装板202a。这样能够满
足第二行星轮203的安装需求。
96.具体的，如图7，第二行星架202还可以包括连接套202c，连接套202c的一端与一安装板202a连接，另一端沿轴向靠近第一太阳轮106或前一级的第二太阳轮206的方向延伸。连接套202c用于连接第一太阳轮106或者前一级的第二太阳轮206。最后一级的第二太阳轮206连有输出轴207，由输出轴207将扭矩传递给外接设备。
97.具体的，如图7，第二行星架202还设有轴承连接部a，图示实施例中，第二行星架202的连接套202c所在的一端和远离连接套202c的安装板202a所在的一端各设有一个轴承连接部a(图7中仅一个可见)。第二行星架202至少部分安装在外壳300内部，第二行星架202两端的两个轴承连接部a各套装有一个第五轴承500，通过第五轴承500支撑于外壳300的轴承安装面上。
98.上述结构的第二行星架202能够满足与第二行星轮203、外壳300的组装需求，而且体积小，集成度高。当然，第二行星架202的结构可以根据实际需要灵活设置，而不局限于上述结构，只要是能够满足与第二行星轮203、外壳300的组装需求的结构即可。
99.如图8和图9，该实施例中的齿轮变速箱的传动路径是：
100.输入扭矩作用在第一行星架102上，驱动第一行星架102旋转，由第一行星架102将扭矩按比例p分配给行星惰轮105和第一行星轮103的小齿轮103a，使行星惰轮105和小齿轮103a随第一行星架102公转的同时还绕自身轴线自转。分配扭矩的过程中，至少部分扭矩先传递到行星惰轮105上，再由行星惰轮105传递给太阳惰轮104，再由太阳惰轮104传递给第一行星轮103的小齿轮103a。
101.每个小齿轮103a将所受扭矩载荷传递给与之相连接的大齿轮103b。各个大齿轮103b进一步将扭矩传递给第一太阳轮106，各个大齿轮103b共同驱动第一太阳轮106以及与之连接的第二行星架202旋转。
102.第二行星架202将扭矩传递给第二行星轮203，由第二行星轮203传递给第二太阳轮206和与之连接的输出轴207，由输出轴207将扭矩传递给外接设备。
103.综上，本技术的核心思想是通过让第一行星轮103的小齿轮103a的最大径向浮动量大于行星惰轮105的最大径向浮动量(如果不浮动，则最大径向浮动量为零)，利用行星惰轮105分担扭矩，降低第一行星轮103承担的扭矩载荷，这样能兼顾小体积和高扭矩载荷能力，达到较高的扭矩载荷密度。通过让至少两个第一行星轮103的大齿轮103b在轴向上错开布置且垂直于轴向的平面上投影部分重叠，来兼顾小体积和大传动速比。
104.以上应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。