專利名稱：具有非對稱的柔性桿的齒輪組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及齒輪組件，更具體地，涉及能夠在齒條-小齒輪系統(tǒng)和其他這樣的工業(yè)應(yīng)用中采用的行星齒輪組。
背景技術(shù)：
行星齒輪系統(tǒng)廣泛地用于各種工業(yè)環(huán)境中。在這種裝置中，旋轉(zhuǎn)輸入通常為太陽齒輪的形式。多個行星齒輪圍繞太陽齒輪安裝，用于通過相應(yīng)齒的相互嚙合來接收來自太陽齒輪的旋轉(zhuǎn)力。通常，行星齒輪安裝在旋轉(zhuǎn)行星齒輪區(qū)域，且輸出元件通常為環(huán)形齒輪的形式。除太陽齒輪和多個行星齒輪之外，典型的周轉(zhuǎn)齒輪或行星齒輪系統(tǒng)采用設(shè)有內(nèi)齒的環(huán)形齒輪。太陽齒輪設(shè)置在承載架中，其中與太陽齒輪和環(huán)形齒輪嚙合的行星齒輪圍繞行星齒輪和太陽齒輪二者運行。環(huán)形齒輪通常與所有行星齒輪嚙合。因此，每個行星齒輪與太陽齒輪和環(huán)形齒輪二者嚙合，且不與其他行星齒輪嚙合，而環(huán)形齒輪和太陽齒輪各自與所有行星齒輪嚙合。行星齒輪都以平行關(guān)系安裝到軸，該關(guān)系在旋轉(zhuǎn)期間將理想地被保持。在這三組物體中，太陽齒輪、安裝在承載架上的行星齒輪以及環(huán)形齒輪，一個將通常保持固定而其他的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的動力以給定的角速度和轉(zhuǎn)矩輸送到一個旋轉(zhuǎn)部件，且以改變的轉(zhuǎn)矩和速度取自另一旋轉(zhuǎn)部件的動力通過齒輪比而與第一動力線性地相關(guān)或逆相關(guān)。在行星齒輪和非行星齒輪系統(tǒng)二者的所有齒輪系統(tǒng)中共同的問題是當(dāng)其齒嚙合時兩個齒輪的錯位。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)軸線不是完美地平行時，齒的局部接觸對齒的一端引起膨脹和接觸應(yīng)力。理論上，由于錯位造成的齒輪組件輸出的可能動力損耗可為30%或更高。 非平行條件引起齒輪齒中過度磨損、增加的摩擦、增加的噪音和較高應(yīng)力等明顯問題，這造成金屬疲勞。在具有四個或更多個行星齒輪的行星齒輪組件中產(chǎn)生的另一問題是行星齒輪之間的負(fù)載分布。為了使負(fù)載更接近均勻，一種建議的方法是允許行星齒輪軸的彈性變形并提供“柔性固定件”。還有的問題是由于承載架在負(fù)載下偏轉(zhuǎn)而引起，這將在齒輪經(jīng)受最大負(fù)載時引入最大錯位。此時，承載架扭轉(zhuǎn)變形由于變形而引入最大錯位。由于錯位造成的所有齒輪大百分比降級的明顯部分可直接歸因于該事實。由工業(yè)提供的一種解決方法是使用一對間隔開的剛性地連接的板來用作行星承載架。雙板設(shè)計允許明顯地減小行星軸的偏轉(zhuǎn)和錯位。然而，常規(guī)的雙板承載架設(shè)計并不太適合對行星齒輪使用柔性安裝件，這則使它們很不適合使用多于三個的行星齒輪。而且， 超差問題往往會由這些設(shè)計的剛度而趨于加重。
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問題的另一解決方法在1967年授予R. J. Hicks的美國專利3，303，713中顯示。 根據(jù)‘713專利，在齒輪和軸之間夾入了套筒，齒輪設(shè)置在該套筒上。軸具有剛性地固定在齒輪和承載架之間的相反端部。齒輪和承載架之間的空間被認(rèn)為允許軸柔曲以提供均勻負(fù)載。Hicks還教導(dǎo)了桿的成形使得其在平行于太陽齒輪的徑向軸線且垂直于行星齒輪運動的切線方向的兩側(cè)上被平坦化。該設(shè)計的目的是減小該軸上的截面模量以允許在該方向的較大偏轉(zhuǎn)，這更好地允許負(fù)載共享，而且也允許更好地防止由于向心力造成的徑向方向的偏轉(zhuǎn)。盡管Hicks專利的系統(tǒng)可能在某些環(huán)境下能令人滿意地工作，但是存在對用于大負(fù)載環(huán)境的齒輪組件的需要，像比如自升式鉆塔的齒條和小齒輪系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是最大化行星齒輪負(fù)載的偏轉(zhuǎn)以有助于行星齒輪之間的負(fù)載本發(fā)明的另一目的是提供具有柔性行星軸的行星齒輪組，該柔性行星軸在施加到齒輪組件的扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)負(fù)載下偏轉(zhuǎn)。本發(fā)明的這些及其他目的通過提供具有固定在承載架中的多個行星齒輪組的周轉(zhuǎn)齒輪組件來實現(xiàn)。每個行星齒輪組具有由行星軸支撐的行星齒輪，行星軸的相反兩端支撐在承載架內(nèi)，當(dāng)齒輪組件經(jīng)受扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)負(fù)載時，行星軸能夠沿其長度的至少一部分偏轉(zhuǎn)。每個行星軸的相反兩端由球形軸承支撐[球形滾子或CARB，(如由瑞典的SKF公司制造的)或球形軸頸軸承(這種軸承存在且眾所周知)應(yīng)被理解為被包括為在本發(fā)明中使用的可能類型的球形軸承，其中術(shù)語球形軸承被采用]，且中間部分收縮配合到行星齒輪。行星軸具有雙錐形形狀，從中間部分朝相反兩端逐漸變細(xì)。


現(xiàn)參考附圖，其中相似的部件用相似的附圖標(biāo)記表示，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有非對稱的漸細(xì)柔性桿的承載架的透視圖。圖2是圖1所示的承載架的端視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有非對稱的漸細(xì)柔性桿的承載架的局部剖視圖，其中為清楚僅示出一個柔性桿。圖4是在本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的跨置式周轉(zhuǎn)齒輪中的非對稱柔性桿的剖視圖。圖5是在本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的行星齒輪的端視圖。圖6是本發(fā)明的配有非對稱的柔性桿的行星齒輪的剖視圖。圖7是在沒有負(fù)載條件下本發(fā)明的系統(tǒng)的非對稱的柔性桿的透視圖。圖8是處于局部柔曲條件下的非對稱的柔性桿的透視圖。圖9是處于完全柔曲條件下的非對稱的柔性桿的透視圖。圖10是處于沒有負(fù)載條件下的具有非對稱桿的行星齒輪的透視圖。圖11是處于充分柔曲條件下的具有非對稱桿的行星齒輪的透視圖。
具體實施方式
如上所述，關(guān)于任何類型的行星齒輪箱應(yīng)用，一個重要的問題是行星齒輪中的負(fù)載共享。許多影響可引起行星齒輪之間負(fù)載的分布不當(dāng)。這些將包括但不限于，齒輪箱的部件的制造中的容許誤差、在頂起系統(tǒng)的情形中引入到承載架的側(cè)向負(fù)載、造成頂起小齒輪軸偏轉(zhuǎn)的強(qiáng)大負(fù)載(storm load)、如果腿導(dǎo)向器過度磨損則設(shè)備腿弦桿離開千斤頂殼的中心、由于轉(zhuǎn)子中心線上方的風(fēng)速高于下方而使風(fēng)力渦輪機(jī)經(jīng)歷轉(zhuǎn)子上的偏心負(fù)載。這些類型問題中任一問題可能造成一些行星齒輪嚙合比其他行星齒輪嚙合經(jīng)歷明顯較高的負(fù)載且為了解決該問題，憑借使加載較多的行星齒輪偏轉(zhuǎn)更多且因此經(jīng)由承載架將負(fù)載推動到其他行星齒輪的較軟的(每單位負(fù)載更大的偏轉(zhuǎn))柔性桿幫助是理想的。 本發(fā)明通過下面描述的齒輪箱組件的結(jié)構(gòu)方面來解決這些問題?，F(xiàn)更詳細(xì)地參考附圖，附圖標(biāo)記10指示本發(fā)明的齒輪組件。齒輪組件10包括承載架11，承載架11可在由圍繞中心或太陽齒輪旋轉(zhuǎn)的一個或多個外齒輪或行星齒輪組成的行星齒輪傳動系統(tǒng)或周轉(zhuǎn)齒輪傳動系統(tǒng)中使用。一般地，行星齒輪安裝在自身可相對于太陽齒輪旋轉(zhuǎn)的承載架11中。周轉(zhuǎn)齒輪傳動系統(tǒng)還可包括使用與行星齒輪嚙合的外環(huán)形齒輪或環(huán)輪。當(dāng)在頂起腿弦桿中使用時，齒輪系統(tǒng)設(shè)計成使頂起設(shè)備的腿移動，并利用齒條-小齒輪系統(tǒng)將設(shè)備的機(jī)殼升高到高于預(yù)期的波動作用之上的高度。隨著機(jī)殼升高，腿弦桿的齒與千斤頂殼的齒嚙合。通常，頂起小齒輪將扭矩傳遞到腿弦桿，引起腿對于設(shè)備機(jī)殼垂直地運動。定位在設(shè)備上的馬達(dá)通過齒輪組件將旋轉(zhuǎn)傳遞到每個小齒輪，該齒輪組件固定到千斤頂殼，與小齒輪相反。齒輪組件與連接到馬達(dá)的太陽齒輪或中心小齒輪一起固定在齒輪箱中。外環(huán)形齒輪安裝在齒輪箱中。假定行星齒輪箱布置提供超過傳統(tǒng)齒輪箱布置的許多優(yōu)勢。一個優(yōu)點是其緊湊性和顯著的動力傳遞效率的獨特組合。在行星齒輪箱布置中的一般效率損耗僅為每一階段 3%。這種類型的效率確保了通過太陽齒輪輸入齒輪箱中的大比例能量成倍增加且被傳遞成扭矩，而不是在齒輪箱內(nèi)以機(jī)械損耗浪費掉。行星齒輪箱布置的另一優(yōu)點是負(fù)載分布。因為所傳遞的負(fù)載在多個行星齒輪或者行星齒輪組之間共享，所以極大地提高了轉(zhuǎn)矩能力。 系統(tǒng)中的行星齒輪越多，負(fù)載能力越大且轉(zhuǎn)矩密度越高。行星齒輪箱布置還產(chǎn)生較大的穩(wěn)定性和提高的旋轉(zhuǎn)剛度。然而，如上所述，這樣的工程解決方案也不是沒有問題，比如設(shè)計復(fù)雜性和在太陽齒輪旋轉(zhuǎn)期間嚙合齒之間的間隙。如可在附圖中看到的，行星齒輪組12通過行星齒輪軸14安裝在承載架11中。每個行星齒輪組具有設(shè)計成與太陽齒輪和環(huán)形齒輪的齒嚙合的帶齒的行星齒輪。每個行星齒輪12被壓配合或收縮配合到軸14上。每個承載架11具有高轉(zhuǎn)矩連接裝置16，該高轉(zhuǎn)矩連接裝置16通過軸從外部動力源(未顯示)傳遞轉(zhuǎn)矩，該軸典型地為花鍵軸，其具有沿其內(nèi)或外表面的縱向齒輪狀脊。行星軸或柔性桿14以相互平行的關(guān)系固定，且行星齒輪12的中心軸線平行于承載架11的中心軸線。每個行星齒輪12設(shè)有具有用于嚙合中心定位的太陽齒輪的互補(bǔ)接觸表面的齒 15。通常，齒輪組件可包含四個或更多個圍繞太陽齒輪的行星齒輪。圖1和2示出七個行星齒輪12。馬達(dá)軸的旋轉(zhuǎn)引起行星齒輪12的旋轉(zhuǎn)，且使旋轉(zhuǎn)的行星齒輪12圍繞單獨固定的軸14嚙合引起行星齒輪12圍繞太陽齒輪旋轉(zhuǎn)。如可在圖4中看到的，每個行星齒輪軸14為具有第一圓柱形端20和相反的第二圓柱形端22的非對稱桿。大體漸細(xì)的第一圓錐形部分M從第一圓柱形端20朝中心線26 延伸，該中心線沈表示行星齒輪12的中心線。第二漸細(xì)的圓錐形部分觀從第二圓柱形端 22朝行星齒輪12的中心線沈延伸。如可從圖6清楚看到的，中心線沈不代表柔性桿14 的幾何中心。在優(yōu)選實施方式中，第一圓錐形部分M的凸形的半徑不等于第二圓錐形部分 28的凸形的半徑。在第一圓柱形端20和第一漸細(xì)的圓錐形部分M之間設(shè)置了小半徑的凹形部分 30。在第二圓柱形端22和第二漸細(xì)的圓錐形部分觀之間設(shè)置了類似的小半徑的凹形部分 32。軸14的中間部分34具有大體圓柱形構(gòu)型。行星齒輪12被壓配合到圓柱形中間部分34上，如圖3和6所示。行星齒輪12具有接合中間部分34的直徑減小的接觸表面。 從行星齒輪12的接觸表面延伸的圓錐形壁13和17為柔性桿14留出偏轉(zhuǎn)空間，如下文更詳細(xì)描述的。柔性桿14的圓錐形部分M和觀各自具有向外凸的外表面，所述向外凸的外表面具有較靠近中心線26的較大直徑和較靠近端20、22的較小的直徑。結(jié)果，軸或柔性桿14 具有不對稱的形狀，在中間部分較寬且朝端變窄。第一圓錐形部分M的縱向尺寸至少略大于第二圓錐形部分觀的縱向尺寸。結(jié)果，柔性桿14具有額外的不對稱的形狀，其設(shè)計成當(dāng)對齒輪組件10施加扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)負(fù)載時有利于軸14的柔曲。第一圓柱形端20設(shè)定成與球形軸承40壓配合或收縮配合；而第二端22設(shè)定成與球形軸承42配合。球形軸承42和柔性桿14的端28當(dāng)安裝在承載架11中時位于齒輪組件10的高轉(zhuǎn)矩連接側(cè)上。不對稱的雙錐形桿14允許來自使軸承40和42偏離中心的負(fù)載的傾斜以平衡跨置式承載架11的高轉(zhuǎn)矩側(cè)的旋轉(zhuǎn)“引導(dǎo)”。圖6也示出柔性桿14的非對稱形狀。當(dāng)行星齒輪12嚙合中間部分34時，在軸承 40和行星齒輪12之間產(chǎn)生間隙35。在軸承42和行星齒輪12之間形成了另一間隙37。間隙35具有比間隙37大的區(qū)域?，F(xiàn)轉(zhuǎn)向圖7-11，顯示了根據(jù)由齒輪12承載的負(fù)載量而處于偏轉(zhuǎn)階段的柔性桿14。 圖7和10示出處于沒有負(fù)載狀態(tài)的柔性桿14，其中沒有對軸14施加柔曲力。當(dāng)承載架11 的高轉(zhuǎn)矩端通過連接裝置16而接收旋轉(zhuǎn)力時，桿14開始圍繞其圓錐形部分對和觀偏轉(zhuǎn)。 圖8示出柔性桿14的逐漸彎曲，而圖9和11示出軸14的明顯偏轉(zhuǎn)。在偏轉(zhuǎn)時，柔性桿14 的中間部分34和端20、22分別由行星齒輪12和軸承支撐。由于接合承載架的中間部分的非對稱定位，承載架11的高轉(zhuǎn)矩端具有在承載架的相反端上的導(dǎo)程。在所示實施方式中，該導(dǎo)程約為0.455mm。在該示例中，從中心線軸承至中心線軸承的齒輪齒對準(zhǔn)約為258mm。圖7_11示出在“y”軸中匹配承載架的偏轉(zhuǎn)斜度的偏轉(zhuǎn)之間的差異。桿14的偏轉(zhuǎn)有利于行星齒輪與太陽齒輪和環(huán)形齒輪齒的對準(zhǔn)。本發(fā)明允許仔細(xì)地選擇行星齒輪中心線關(guān)于球形軸承40、42的準(zhǔn)確放置以及桿 14的幾何形狀。柔性桿14的大偏轉(zhuǎn)可能是期望的，以平均化行星齒輪12之間的負(fù)載且同時具有齒輪齒的準(zhǔn)確對準(zhǔn)。本發(fā)明的齒輪組件允許在同一或較低應(yīng)力下對于同等負(fù)載基本上增加偏轉(zhuǎn)且提高行星齒輪之間共享的負(fù)載。作為彈簧的雙錐形柔性桿的柔軟度會允許小的錯位以便校正它們自己，因為由齒輪齒上的錯位引起的力可被看做被添加到施加到柔性桿的力矩和剪切負(fù)載或從施加到柔性桿的轉(zhuǎn)矩和剪切負(fù)載減去的通常小的額外的力矩。本發(fā)明的柔性桿趨向于以由于錯位而使偏心負(fù)載最小的方式偏轉(zhuǎn)，而且柔性桿越軟(每給定負(fù)載更大的偏轉(zhuǎn))，在本發(fā)明的齒輪組件操作中錯位引起問題越少。軸端支撐件的非對稱布置有利于軸的受控偏轉(zhuǎn)使得行星軸的偏轉(zhuǎn)近似匹配行星承載架的偏轉(zhuǎn)，但是在確切相反的方向，使得行星齒輪對準(zhǔn)保持與承載架旋轉(zhuǎn)同軸。本發(fā)明的齒輪組件的結(jié)構(gòu)提供軸14的在施加負(fù)載的相反側(cè)上的非對稱剛性，這通過在負(fù)載施加點的兩個相反側(cè)上的錐形的不同尺寸來促進(jìn)。在本發(fā)明的柔性桿的結(jié)構(gòu)中，最高的彎曲力矩的位置具有最大的直徑而較低的彎曲力矩的位置具有較小的直徑，這往往會增加軸的偏轉(zhuǎn)而不會升高軸中的應(yīng)力。行星軸可由滲碳鋼(或其它硬化鋼)制成以允許對較高的彈簧偏轉(zhuǎn)使用小很多的直徑。本發(fā)明允許在負(fù)載下行星齒輪盡可能多的彈性偏轉(zhuǎn)以分布行星齒輪之間的負(fù)載。另夕卜，行星齒輪相對于太陽齒輪和環(huán)形齒輪的對準(zhǔn)由于行星軸的柔曲能力而維持。在不偏離本發(fā)明的精神的情況下可對本發(fā)明作出許多改變和修改。因此，本發(fā)明的權(quán)利僅由所附權(quán)利要求的范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種齒輪組件，包括固定在承載架中的多個行星齒輪組，其中所述行星齒輪組中的每一個包括由行星軸支撐的行星齒輪，所述行星軸的相反兩端支撐在所述承載架內(nèi)，當(dāng)對所述齒輪組件施加扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)負(fù)載時，所述行星軸能夠沿軸長度的至少一部分偏轉(zhuǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述行星軸包括由球形軸承支撐的第一端、由球形軸承支撐的第二端、與所述行星齒輪的接觸表面維持接觸的大體圓柱形的中間部分、在所述中間部分和所述第一端之間延伸的第一漸細(xì)部分以及在所述中間部分和所述第二端之間延伸的第二漸細(xì)部分。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中在所述第一端和所述第一漸細(xì)部分之間限定有第一凹形部分。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述第一凹形部分一體連接到所述第一漸細(xì)部分。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中在所述第二端和所述第二漸細(xì)部分之間限定有第二凹形部分。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述第二凹形部分一體連接到所述第二漸細(xì)部分。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第一漸細(xì)部分和所述第二凹形部分各自在其相應(yīng)的最寬直徑端整體連接到所述中間部分。
8.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第一端和所述第二端各自具有能夠由球形軸承接合的大體圓柱形的外表面。
9.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第一端適合于連接到所述承載架的高轉(zhuǎn)矩側(cè)。
10.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述第一漸細(xì)部分的縱向尺寸至少略微大于所述第二漸細(xì)部分的縱向尺寸。
11.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述行星軸具有非對稱的形狀，其中所述第一漸細(xì)部分具有帶預(yù)選定的半徑的向外凸形表面，所述第二漸細(xì)部分具有帶與所述第一漸細(xì)部分的所述凸形表面的預(yù)選定的半徑不同的預(yù)選定的半徑的向外凸形表面。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述行星軸t被收縮配合到所述行星齒輪的接觸表面。
13.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述行星軸的所述第一端和所述行星軸的所述第二端各自壓配合到相應(yīng)的球形軸承。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述行星軸具有雙錐形形狀，從中間部分朝向所述相反兩端逐漸變細(xì)。
15.一種周轉(zhuǎn)齒輪組件，包括固定在承載架中的多個行星齒輪組，其中所述行星齒輪組中的每一個包括由行星軸支撐的行星齒輪，所述行星軸的相反兩端支撐在所述承載架內(nèi)， 當(dāng)對所述齒輪組件施加扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)負(fù)載時，所述行星軸能夠沿軸長度的至少一部分偏轉(zhuǎn)， 所述行星軸包括由球形軸承支撐的第一端、由球形軸承支撐的第二端、與所述行星齒輪的接觸表面維持接觸的大體圓柱形的中間部分、在所述中間部分和所述第一端之間延伸的第一漸細(xì)部分以及在所述中間部分和所述第二端之間延伸的第二漸細(xì)部分。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述行星軸具有雙錐形形狀，從中間部分朝所述第一端和所述第二端逐漸變細(xì)。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述行星軸的所述第一端和所述行星軸的所述第二端各自壓配合到相應(yīng)的球形軸承。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述行星軸具有非對稱的形狀，其中所述第一漸細(xì)部分具有帶預(yù)選定的半徑的向外凸形表面，而所述第二漸細(xì)部分具有帶與所述第一漸細(xì)部分的所述凸形表面的預(yù)選定的半徑不同的預(yù)選定的半徑的向外凸形表面。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中第一凹形部分一體連接在所述第一端和所述第一漸細(xì)部分之間，而第二凹形部分一體連接在所述第二端和所述第二漸細(xì)部分之間。
20.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述第一漸細(xì)部分的縱向尺寸至少略微大于所述第二漸細(xì)部分的縱向尺寸。
全文摘要
一種周轉(zhuǎn)齒輪組件，具有固定在承載架中的多個行星齒輪組。每個行星齒輪組具有由行星軸支撐的行星齒輪，行星軸的相反兩端支撐在承載架內(nèi)，當(dāng)齒輪組件經(jīng)受扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)負(fù)載時，行星軸能夠沿其長度的至少一部分偏轉(zhuǎn)。
文檔編號F16H57/08GK102459962SQ201080026001
公開日2012年5月16日 申請日期2010年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者艾爾弗雷德·蒙特斯特魯克 申請人:弗雷德和戈德曼有限公司