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，也可以广泛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每个轮齿所受的啮合力较大，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.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支撑套，所述第一行星轮系支撑套包括第一齿圈、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径向浮动；所述齿轮变速装置还具有输入轴，所述输入轴的一端与所述第一齿圈连接或与太阳惰轮连接。
8.在一种具体实施方式中，所述行星惰轮不能相对所述第一行星架沿径向浮动，或者，所述行星惰轮能相对所述第一行星架沿径向浮动且所述行星惰轮的最大径向浮动量不大于所述第一行星轮的最大径向浮动量。
9.在一种具体实施方式中，所述第一行星轮系支撑套还包括第一太阳轮；所述第一行星轮还包括大齿轮和连接轴，所述大齿轮的直径或齿数大于所述小齿轮的直径或齿数，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轴向连接；所述大齿轮与所述第一太阳轮外啮合。
10.在一种具体实施方式中，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.在一种具体实施方式中，所述第一行星轮和所述第一行星架之间设有第一轴承，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的沿径向浮动；和/或，
12.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沿径向移动的联轴器连接，以此实现所述小齿轮的沿径向浮动；和/或
13.所述连接轴采用沿径向变形的柔性轴，以此实现所述小齿轮的沿径向浮动。
14.在一种具体实施方式中，所述第一轴承设置在靠近所述大齿轮的一端。
15.在一种具体实施方式中，所述第一行星架包括基座和位于所述基座一端的底板，所述底板和所述基座连接或一体设置；所述基座具有基座板，所述基座板和所述底板相对设置并且二者之间形成用于容置所述大齿轮的第一容置空间，所述大齿轮与所述基座板和/或所述底板之间设有所述第一轴承。
16.在一种具体实施方式中，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；且，所述第一容置空间内设有隔板，将所述第一容置空间分隔为沿轴向分布的两个安装空间，所述连接轴较长的大齿轮与所述连接轴较短的大齿轮分别位于两个所述安装空间内。
17.在一种具体实施方式中，所述基座板的中部设有通孔，所述通孔向远离所述第一容置空间的方向延伸形成第一筒部，所述第一筒部的端部设有径向延伸且呈环形的端盖板，所述端盖板和所述基座板中间形成用于容置所述行星惰轮、所述小齿轮、所述第一齿圈、所述太阳惰轮的第二容置空间。
18.在一种具体实施方式中，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(108)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。
19.在一种具体实施方式中，所述输入轴的中部具有朝向所述第一容置腔室延伸的第二筒部，所述第二筒部插入所述第一筒部中。
20.在一种具体实施方式中，还包括顶板，所述基座板设有朝向所述输入轴方向延伸的套筒结构，所述顶板一端与所述套筒结构连接或者一体设置，所述输入轴插入所述顶板并进入所述第一行星架内，以与所述第一齿圈连接。
21.在一种具体实施方式中，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交替布置。
22.在一种具体实施方式中，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。
23.在一种具体实施方式中，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。
24.在一种具体实施方式中，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一体或者相连接，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接于所述连接套。
25.本技术还提供一种传动机构，所述传动机构包括上述任一项所述的齿轮变速装置。
26.本技术还提供一种风力发电机组，包括叶片轮毂和传动机构，所述传动机构采用
上述所述的传动机构，所述传动机构的所述齿轮变速装置与所述叶片轮毂连接，以将所述叶片轮毂增速到目标转速。
27.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，提升整个第一行星轮系的扭矩载荷能力。
28.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。
29.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。
30.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
31.图1为本技术实施例中提供的齿轮变速装置的示意图；
32.图2为图1中齿轮变速装置的轴向剖视图；
33.图3为图1中齿轮变速装置的轴向剖视立体图；
34.图4为图1齿轮变速装置内第一行星轮系的示意图，未示意出第一行星架；
35.图5为图4中第一行星轮系的端部示意图，主要示出第一齿圈、第一行星轮、行星惰轮以及太阳惰轮；
36.图6为图1中第二行星轮系的拆解示意图；
37.图7和图8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，图7示意图在图5中a-b向的剖视视角下的传动路径，图8示意出在图5中b-b向的剖视视角下的传动路径。
38.图1-7中附图标记说明如下：
39.100-第一行星轮系；
40.101-第一齿圈；
41.102-第一行星架；1021-基座，1021a-基座板；1021b-第一筒部；1021c-支撑套；1021d-端盖板；1021e-套筒结构；1022-底板；1023-顶板；a轴承连接部；
42.103-第一行星轮；103a-小齿轮；103b-大齿轮；103c-连接轴；
43.104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；110-输入轴；111-第二筒部；112-连接盘；
44.200第二行星轮系；
45.201第二齿圈；
46.202第二行星架，202a安装板，202b连接臂，202c连接套；
47.203第二行星轮；204第二行星轮轴；205第五轴承；
48.206第二太阳轮；
49.207输出轴；
50.208-端盖；2081-法兰接板；
51.111-第三轴承；112-第四轴承；。
52.209-第七轴承；210-第六轴承。
具体实施方式
53.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。
54.如图1、2所示，该齿轮变速装置包括第一行星轮系100。
55.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。
56.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。
57.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。
58.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沿公转方向有径向(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沿径向(行星惰轮105的径向)浮动，或者，行星惰轮105虽然能相对第一行星架102沿公转方向有径向浮动但最大径向浮动量不不大于第一行星轮103的最大径向浮动量。
59.如图2所示，本实施例中第一行星轮系100还具有输入轴，输入轴110的一端与第一齿圈101同轴连接，动力从输入轴110输入带动第一齿圈101转动，继而驱动第一行星轮103、行星惰轮105转动。
60.由于采用上述浮动设计，当第一齿圈101在输入扭矩作用下绕轴向旋转时，至少部分扭矩会传递给行星惰轮105，然后由行星惰轮105传递给太阳惰轮104；太阳惰轮104和第一齿圈101共同驱动第一行星轮103的小齿轮103a，使得行星惰轮105和小齿轮103a共同分担齿圈的扭矩载荷。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。
61.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。
62.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的直径或齿数大于小齿轮103a的直径或齿数，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。
63.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。
64.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，如图2所示，在图2的剖视视角下，由于大齿轮103c轴向错开，则沿远离输入轴110的方向，错开的大齿轮103b和小齿轮103a的距离不等，位于图2上侧的大齿轮103b可定义为长轴齿轮，位于图2中下侧的大齿轮103b可定义为短轴齿轮，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。将大齿轮103b沿轴向错开设置，则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。
65.通过采用上述差异性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。
66.具体的，如图2，第一行星轮103和第一行星架102之间设有第一轴承107，以便旋转时第一行星轮103能够相对第一行星架102绕自身轴线自转。
67.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沿径向浮动的方式多种多样。
68.例如图2所示的一种方式是，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。
69.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。
70.如图2所示，大齿轮103b齿轮孔的孔壁在轴向上向两侧延伸，形成延伸段，两侧的延伸段与第一行星架102之间均设置第一轴承107，设置两个第一轴承107承载更加可靠、稳定，此时采用调心轴103c连接大齿轮103b和小齿轮103。
71.再例如，实现浮动的一种方式是：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。
72.再例如，实现浮动的一种方式是：连接轴103c采用能沿径向变形的柔性轴。
73.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。
74.具体的，如图4、6，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和各个第一行星轮103沿第一齿圈101的周向等间隔或不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。图6中，与行星惰轮104相邻的两个小齿轮103a分别连接短轴的大径齿轮103b和长轴的大径齿轮103b，扭矩传递更为均匀。
75.具体的，如图2和图3，第一行星架102包括基座1021和底板1022。基座1021具有基座板1021a和环状的支撑套1021c，支撑套1021c的一端连接基座板1021a，另一端连接底板1022。
76.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的轴承座孔或者轴承座槽。
77.如图2、3，第一行星轮103的大齿轮103b两端分别通过一个第一轴承107支撑连接
于基座板1021a、底板1022。大齿轮103b仅通过一个第一轴承107支撑也可以，一个第一轴承107可以都设于基座板1021a或者都设于底板1022；也可以是，连接轴103c较长的大齿轮103b通过第一轴承107支撑连接于底板1022，连接轴103c较短的大齿轮103b可通过第一轴承107支撑连接于基座板1021a，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。
78.第一容置空间中还可以设置隔板，将第一容置空间沿轴向分隔为两个安装空间，连接轴103c较长的大齿轮103位于靠近底板1022的安装空间内，连接轴103c较短的大齿轮103位于靠近基座板1021a的安装空间内，这样可以更好地支撑沿轴向错开的大齿轮103b，此时，连接轴103c较长的大齿轮103b可通过两个第一轴承107支撑于隔板和底板1022，连接轴103c较短的大齿轮103b通过两个第一轴承107支撑于隔板和基座板1021a。
79.如图2、3所示，基座板1021a的中部设有通孔，通孔向远离第一容置空间的方向延伸形成第一筒部1021b，第一筒部1021b的端部设有径向延伸且呈环形的端盖板1021d，端盖板1021d和基座板1021a中间形成用于容置行星惰轮105、小齿轮103a、第一齿圈101、太阳惰轮104的第二容置空间。第一行星架101还包括顶板1023，基座板1021a沿靠近输入轴110的方向延伸形成套筒结构1021e，套筒结构1021e与顶板1023相连接。
80.如图2、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。
81.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1021d、另一端连于基座板1021a。
82.具体的，如图2所示，输入轴110的一端插入顶板1023，另一端沿轴向向远离顶板1023的方向延伸，以外接驱动设备，输入扭矩。输入轴110的一端插入到第一行星架102的内部，此时，第一行星架102的顶板1023和输入轴110之间设有第三轴承111。输入轴110插入第一行星架102内部的一端设有连接盘1102，连接盘1102和第一齿圈101对接，并且该端的中部还设有延伸的第二套筒1101，第二套筒1101插入到第一行星架102的第一筒部1021b内，这样插装较为可靠，并且为便于转动，还在第一筒部1021b和第二筒部1101之间设置有第四轴承112。
83.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、第一齿圈101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、第一齿圈101的组装需求的结构即可。
84.第一行星架102的外周可以设置起平衡作用的扭力臂(图中未示出)，扭力臂可以是自第一行星架102外周径向延伸的臂结构，两个扭力臂沿轴线对称设置。
85.进一步的，如图2、3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。
86.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。
87.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。
88.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。
89.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之间设有第五轴承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。
90.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，与安装板202a一体设置也可以，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。
91.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至少部分安装在底板1022内，第二行星架202两端的两个轴承连接部a各套装有一个第六轴承210、第七轴承209，通过第六轴承210、第七轴承209分别支撑于底板1022和端盖208。第二齿圈201沿轴向的两侧对接于底板1022和端盖208，第一行星架102和顶板1023、端盖208共同组成齿轮变速装置的壳体。
92.其中，端盖208还可以设置法兰接板2081，通过法兰接板2081实现与外接设备的连接固定。
93.上述结构的第二行星架202能够满足与第二行星轮203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的组装需求的结构即可。
94.如图7和图8，该实施例中的齿轮变速箱的传动路径是：
95.输入扭矩作用在第一齿圈101上，由于第一行星轮103浮动设计，将驱动第一惰轮105旋转，带动太阳惰轮104旋转，太阳惰轮104和第一齿圈101同时带动第一行星轮103旋转，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和第一齿圈101传递给第一行星轮103的小齿轮103a。由第一齿圈101输入扭矩的可靠性较高且啮合均载性较好。
96.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。
97.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。
98.可以理解，本实施例中动力从第一齿圈101输入，可知从太阳惰轮104输入也可以。此时，输入扭矩作用在太阳惰轮104上，由于第一行星轮103浮动设计，将驱动第一惰轮105旋转，再带动第一齿圈101旋转，太阳惰轮104和第一齿圈101同时带动第一行星轮103旋转，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，至少部分扭矩传递到行星惰轮105上，再由行星惰轮105传递给第一齿圈101，再由太阳惰轮104和第一齿圈101传递给第一行星轮103的小齿轮103a。
99.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的最大径向浮动量不小于(即大于或等于)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分担齿圈扭矩，降低第一行星轮103轮齿承担的载荷，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。另外，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。
100.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。