專利名稱：用于斜齒輪的撓性銷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及齒輪系統(tǒng)，而更具體地說，涉及一種用于斜齒輪系統(tǒng)的撓性銷。
背景技術(shù)：
用于齒輪元件的特殊形式的懸臂支撐包含與安裝銷同心的套筒元件，該安裝銷以 套筒的外側(cè)與系統(tǒng)軸線保持平行的方式撓曲。這通常稱作"撓曲銷"。這樣一種撓曲銷可以 包括內(nèi)銷，其固定到壁或其它部件上，因此從壁或其它部件懸臂內(nèi)銷；以及套筒，其從內(nèi) 銷的相對端懸臂，并在內(nèi)銷上方向后延伸，從而形成雙懸臂梁。 除平行撓曲之外，這些裝置具有工程彈簧剛度，以有助于多齒輪、功率分流系統(tǒng)中 負(fù)載均等，所述系統(tǒng)包括行星系統(tǒng)。在R. J. Hicks的美國專利3， 303， 713中公開的發(fā)明在 重載傳動裝置中具有重要的用途，特別是在行星構(gòu)造中使用四個或四個以上行星齒輪提高 功率密度時尤其有用。這些系統(tǒng)通常使用正齒輪。由于具有這種齒輪，齒接觸基本上是滾 動的，而滑動發(fā)生在嚙合和脫離期間。 相反，斜齒輪是具有螺旋齒的圓柱形齒輪。斜齒輪以比正齒輪小的噪聲和振動運(yùn) 轉(zhuǎn)。任何時候，斜齒輪的負(fù)載分布在幾個齒上，從而使磨損減小。由于它們斜切的結(jié)果，齒 嚙合沿齒輪軸導(dǎo)致推力負(fù)載。因此，盡管斜齒輪具有較高的密度和運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)，但它們在對 于切向負(fù)載的徑向平面90。中仍產(chǎn)生傾覆力矩，撓曲銷設(shè)計成適應(yīng)該傾覆力矩。對于傳統(tǒng) 的撓曲銷，上述力矩會導(dǎo)致齒輪在徑向平面中轉(zhuǎn)動，這能造成齒不對準(zhǔn)。
齒輪力的差異在圖1中示出。在該圖中，示出行星齒輪，該行星齒輪是行星齒輪系 統(tǒng)的一部分。"行星"配置包括一圈行星齒輪，這些行星齒輪安裝在行星架上，并與內(nèi)側(cè)上的 太陽輪和外側(cè)上的齒圈相嚙合。太陽輪和行星齒輪是外齒輪，而齒圈是內(nèi)齒輪，因?yàn)樗凝X 均在內(nèi)側(cè)。通常或齒圈或是行星架都保持固定，但是如果齒圈固定則傳動比較大。
行星配置使負(fù)載能在行星齒輪之間均分，從而減小在任何一個齒輪介面上的負(fù) 載。如在圖1中可以看到的那樣，有不同的力以徑向(r)、切向(t)及軸向(a)分量作用在 這種配置中的行星齒輪上。對于斜齒輪，軸向力導(dǎo)致傾覆力矩。 傾覆的斜齒輪力矩可以通過安裝反作用環(huán)解決，但在實(shí)踐中，那些環(huán)將遭遇應(yīng)力， 并能磨損。這特別危險，因?yàn)樵邶X輪和軸承的區(qū)域中的磨損顆粒在任何情況下都是不希望 有的。 因此，本發(fā)明的目的是提供一種對傾覆的斜齒輪力矩問題的解決方案，而不增加 部件或磨損面。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，建立一種與由傾覆力矩和其它齒輪力造成的不對準(zhǔn)相等和相對的校
正再對準(zhǔn)，而不增加部件或不磨損面。這樣，本發(fā)明解決了以上所述的問題。 根據(jù)本發(fā)明，銷呈現(xiàn)一個或多個不同或變化的橫截面，使其各截面的主軸線非豎直地定向，利用在兩個平面中引起撓曲切向力和徑向力而正確地補(bǔ)償由斜齒輪力引起的不
對準(zhǔn)，從而保持嚙合對準(zhǔn)與使用正齒輪和傳統(tǒng)撓曲銷時相同。這樣的銷元件在不同的方向
上表現(xiàn)不同的剛度，因?yàn)樗鼈兊男螤顬榉侨蛐缘?，并且沿其軸線具有不同的面積慣性矩。 另外，通過改變銷在其孔中的轉(zhuǎn)動方位，可以不受徑向?qū)?zhǔn)制約來調(diào)節(jié)切向?qū)?zhǔn)。
通過對安裝件或架的剛度的修改來調(diào)節(jié)徑向?qū)?zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)銷安裝孔在徑向平面中對準(zhǔn)。
安裝到安裝件或架上的加強(qiáng)板用來調(diào)節(jié)截面特性。這些板控制在徑向平面中架的銷安裝孔
的不對準(zhǔn)。 本發(fā)明具有使撓性銷能用于斜齒輪的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明具有能夠補(bǔ)償銷安裝在其中的部件不良撓度的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明具有使調(diào)節(jié)對準(zhǔn)以補(bǔ)償與預(yù)測和實(shí)際系統(tǒng)的撓度的偏差的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明具有斜齒輪承載較高負(fù)載并能靜噪且無振動的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明具有另外的優(yōu)點(diǎn)它可應(yīng)用于重型傳動裝置，其中，撓性銷降低重量和成 本，外加使用斜齒輪實(shí)現(xiàn)靜噪運(yùn)行并進(jìn)一步使重量和尺寸減小。


參照附圖將詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中
圖1是行星系統(tǒng)中正齒輪與斜齒輪力的比較圖；
圖2是具有零端部斜度的簡單懸臂梁示意圖；
圖3是具有雙懸臂梁和零端部斜度的簡單梁示意圖；
圖4是在造成平行撓曲的傳統(tǒng)撓曲銷上的正齒輪力示意圖；
圖5是作用在造成非平行撓曲的傳統(tǒng)撓曲銷上的斜齒輪力示意圖；
圖6是在造成非平行撓曲的非對稱撓曲銷上的正齒輪力示意圖；
圖7是在造成平行撓曲的非對稱撓曲銷上的斜齒輪力示意圖；
圖8是非對稱撓曲銷的橫截面圖，示出主軸線方位； 圖9是在非對稱撓曲銷上的斜齒輪力示意圖，該非對稱撓曲銷具有造成平行撓曲 的變化主軸線方位； 圖IO是曲線圖，示出用于兩個不同或變化橫截面的撓曲銷的銷轉(zhuǎn)動對切向和徑 向?qū)?zhǔn)的典型影響；及 圖11是相同比例的斜齒輪與正齒輪的嚙合誤差比較圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1中看到的那樣，在行星齒輪系統(tǒng)中的正行星齒輪分別具有通常的切向力
wt—齒圈禾口 wt—太陽輪。 總切向力則為 Wt = Wt—M+Wt—細(xì)輪 (公式l) 該系統(tǒng)還分別具有通常的徑向力Wr齒圈和Wr太陽輪。總徑向力通常是零，則為
Wr = Wr—太陽輪_Wr—齒圈 (公式2) 撓曲銷適應(yīng)銷和套筒配置的平行撓曲中的切向力。這通過用在另一端的懸臂梁補(bǔ) 償由在一端的懸臂梁引起的不對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。
在普通撓曲銷裝置中的撓度，這里指定為Ay和A,，按照經(jīng)典力學(xué)(梁理論和梁
撓度公式)是
, W " , ~ = ，， 二 ,(公式3) 和 ~ =":,(公式4) 式中，Iy—y是在y方向上的截面二次矩或面積慣性矩，而Iz—z是在z方向上的截面
二次矩或面積慣性矩，并且在梁的自由端的斜度是零(保持齒對準(zhǔn))。這在圖2中示出。 如果假定套筒足夠剛性的，則同一系統(tǒng)可表示為如圖3中所示的雙懸臂梁。 在這種系統(tǒng)中，在梁的端部的斜度等于零時，必須滿足如下公式
/ M《
" = ^ — ~^(公式5) 2 『r 禾口
/MoZ， ，
a = 5 — ~^(公式6) 在正齒輪的情況下，通常Wr = 0. 0， Moty = 0. 0， Motz = 0. 0，而對于稱銷，Iy—y = Iz—Z。因此，當(dāng)3= 1/2時，Az二O，并且齒保持對準(zhǔn)，因?yàn)樵阡N的端部并因而在套筒中的斜 度是零。這在下面圖4中示出。 相反，對于斜齒輪，Moty不是零(Moty^O)，并因此在z方向上具有最后的撓度。 這在圖5中可以看到。在行星齒輪系統(tǒng)中的行星斜齒輪具有與正齒輪相同的力，外加傾覆 力矩。傾覆力矩，即Moty在垂直于Wt的平面中，而在這個徑向平面中的撓度將在行星齒輪、 太陽齒輪和齒圈之間分別引起齒不對準(zhǔn)。這是因?yàn)椴荒軡M足用于"a"的公式。因?yàn)镸ot,二 O，所以a = 1/2必須成立。如果Wr = 0，則Moty/^是無限的，而如果Wr不是零(Wr - 0)， 那么a = 1/2不能成立，因此，傳統(tǒng)的撓曲銷不能用于這種效果來校正。
根據(jù)本發(fā)明，改變Iz—z。在本發(fā)明中，通過改變正常對稱銷的構(gòu)造來改變In，使得 Iz—z#Iy—y。這種非對稱性在截面中產(chǎn)生主軸線。主軸線這樣非豎直地定向，使得當(dāng)在y方 向上施加切向負(fù)載時，在z方向上引起徑向撓度和斜度不對準(zhǔn)。 這種效果在下面圖6中看到，圖中，單力Wt由承載正齒輪的非對稱銷反作用。由 于截面主軸線的非豎直方位，所以與圖2中具有正齒輪的對稱撓曲銷的撓度相反，在y和z
方向上都看到撓度?？紤]到截面主軸線的傾斜方位，由于在ln和Iy-y方面的差異，銷對于
角度撓曲，如圖6中所示的那樣。 如上所述，在撓曲銷上安裝的斜齒輪由于與正齒輪相反從斜齒輪的相互作用而產(chǎn) 生的力而受到圍繞y軸(在徑向平面中)的力矩Moty。根據(jù)本發(fā)明，利用如下事實(shí)具有適 當(dāng)?shù)膟方向力，(并且可能有z方向力)，該力結(jié)合截面主軸線的方位而引起超出切向平面 的撓度和斜度，這將反作用撓度A z或者使其最小化，并且消除另外由圍繞y軸傾覆力矩所 引起的斜度不對準(zhǔn)。上面所述可在圖7中看到。 公式3、4、5、和6可被轉(zhuǎn)換成截面主軸線坐標(biāo)系。然后公式如下
5






A< (公式7) 禾口
(W.sin(。 + ^.C)./3
i =-0 F , (公式8)
在這種系統(tǒng)中，如果梁的端部的斜度等于零，則必須滿足如下公式
/ , sin(<9) + Mj z ' cos(6>)
2 ^ sin(6>) +『' cos(。、厶工、^
禾口
/ Mo^ . sin(6>) + Mo ■ cos(6>)
2 『, sm(6>) +『r cos(6>) 這種坐標(biāo)系在圖8中示出。 因?yàn)樵诘谝缓偷诙鞣轿恢羞@時具有力和力矩分量，所以通過調(diào)節(jié)變量a、 9、 IP1-Pl和IP2-P2可求出在這些平面中保持零的斜度的解。 可以使力Wt更有效地抵消由Moty引起的斜度不對準(zhǔn)。通過改變在銷的另一側(cè)上 的相反方向上的主截面軸線的方位，在Wt兩側(cè)上的懸臂梁引起套筒在同一方向上的傾斜。 這可以是圖9中的情況。 根據(jù)齒輪傳動的具體負(fù)載，截面方位跨越銷的長度變化的這種解決方案或其變型 是希望有的或所要求的。這種解決方案具有在制造之后可調(diào)節(jié)的附加好處。設(shè)計完善的這 類撓曲銷對于在切向平面中跨越表面的斜度不對準(zhǔn)可以調(diào)節(jié)。這通過轉(zhuǎn)動銷在其安裝孔中 的總角方位而實(shí)現(xiàn)。銷順時針方向和逆時針方向的轉(zhuǎn)動將引起在相反方向上切向?qū)?zhǔn)校 正。對切向?qū)?zhǔn)的這些變化大于對徑向平面對準(zhǔn)的最后變化。如果銷設(shè)計適當(dāng)，則在切向和 徑向平面中跨越齒輪表面寬度的斜度對準(zhǔn)對銷方位的曲線顯示，被畫出的徑向?qū)?zhǔn)曲線具 有斜度是水平的區(qū)域。在這個相同區(qū)域中，切向?qū)?zhǔn)是從大的正不對準(zhǔn)變到負(fù)不對準(zhǔn)。在 這個區(qū)域中，能對切向?qū)?zhǔn)進(jìn)行大調(diào)整，而不改變徑向?qū)?zhǔn)。這是圖10中的情況。
如果發(fā)現(xiàn)在制造之后需要對齒輪的徑向?qū)?zhǔn)調(diào)節(jié)，則通過修改銷安裝件的截面特 性且不受切向?qū)?zhǔn)制約能處理這些徑向?qū)?zhǔn)，使得銷安裝件對允許銷在徑向平面中傾斜的 阻力被改變，以提供或多或少的傾斜。這通過使用可互換加強(qiáng)肋、或者實(shí)際上改變安裝件本 身而被實(shí)現(xiàn)。 因此本發(fā)明講述以某種方式模制撓曲銷配置，使得在由斜齒輪相互作用產(chǎn)生的傾 覆力矩或力的條件下配置的面積慣性矩導(dǎo)致在引起齒不對準(zhǔn)的方向上的撓度和斜度的補(bǔ) 償。因此，撓曲銷配置被制成非對稱的，具有非豎直定向的主軸線，以便得到在不同方向上 具有不同撓曲特性的撓曲銷。 在上述示例中，人們只是看到撓曲銷組件的控制銷的影響。對于y軸線，銷和套筒 特性被調(diào)節(jié)、或被改變，使得它們的反作用撓曲方向是相同和相反，從而保持最終齒輪安裝 軸線平行于系統(tǒng)軸線。由于撓曲包括銷、套筒及安裝面，所以全部必須包括在部件調(diào)整中。 盡管這可借助經(jīng)典力學(xué)完成，但當(dāng)包括安裝面時它變得非常復(fù)雜，因?yàn)檫@些安裝面通常是 復(fù)雜幾何形狀的一部分。最經(jīng)常的計算機(jī)模擬，比如有限元分析(FEA)用來預(yù)測和重復(fù)設(shè) 計或者促進(jìn)所需的結(jié)果。
這種相同的方式對于具有非對稱幾何形狀的銷是可能的。由于撓曲銷組件的所有 部件都分別影響在z和y方向上的最后慣性矩，并因此影響撓曲特征，所以銷和安裝件都可 被修改，以達(dá)到所需結(jié)果。最經(jīng)常地，修改上述銷，以簡化部件的制造。 參照圖11。這是用于正齒輪和有關(guān)撓曲銷的設(shè)計，該設(shè)計為給定安裝系統(tǒng)提供平 行撓度。使用用于傳動比優(yōu)化的可接受程序人們可以確定力矩容量W。最后撓度曲線在圖 11中示出。 如果將10°的螺旋角加到這種相同齒輪上，這時功率容量是1.23W。因此，容量上 的改進(jìn)是23%。本發(fā)明的反作用的傾覆力矩如圖8和9中所示。如可看到的那樣，非對稱 銷設(shè)計導(dǎo)致?lián)锨N裝置的撓曲，而斜齒輪平行于系統(tǒng)軸線平移，并且沒有齒不對準(zhǔn)。由于本 發(fā)明的銷的非對稱形狀，在y或z方向上沒有銷或套筒的斜度不對準(zhǔn)和基本在y_方向上有 位移，如正齒輪那樣。 幾何形狀和加工撓曲銷的中心軸的附加成本中的這種細(xì)小變化是齒輪容量中 23%增益值的一小部分，或是操作相同功率的齒輪和銷尺寸的減小。 除成本較低外，對斜齒輪的改變具有可能比降低成本甚至更有價值的更多優(yōu)點(diǎn) 振動和噪聲的減小。人所共知，螺旋重疊是齒輪噪聲中最有影響的幾何特征。此前，撓曲銷 未曾考慮用于總體設(shè)計要求解決低噪聲的應(yīng)用場合。對于本發(fā)明，則解除這種限制，并且 斜齒輪的所有固有優(yōu)點(diǎn)可與撓曲銷技術(shù)相組合，且對組件沒有增加零件使其增加磨損的危 險。 參照圖ll，該圖是相同比例的斜齒輪與正齒輪的嚙合誤差的比較圖。這是一種相 似設(shè)計驚人的比較，兩者都被優(yōu)化成減少傳動誤差，這種傳動誤差在過去轉(zhuǎn)化成嚙合振動 和噪聲。這在許多應(yīng)用場合至關(guān)重要，比如設(shè)計人員必須遵守嚴(yán)格噪聲標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力渦輪機(jī)。
權(quán)利要求
一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)組件的行星齒輪單元，所述行星齒輪單元包括行星齒輪級，其中，至少一個行星齒輪可轉(zhuǎn)動地被支撐在行星架上，所述行星齒輪與太陽輪和外齒圈嚙合，所述太陽輪和所述外齒圈圍繞行星齒輪單元的系統(tǒng)軸線能轉(zhuǎn)動，所述行星齒輪、所述太陽輪和所述外齒圈是斜齒輪，所述行星架具有撓曲銷型的軸、和套筒，在行星架上安裝行星齒輪，行星架是各向異性的，因此，在垂直于齒輪單元的系統(tǒng)軸線的至少兩個方向上具有不同的面積慣性矩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行星齒輪單元，其中，行星架的軸在一個或多個地方在與系 統(tǒng)軸線垂直的平面中成形成非對稱。
3. 根據(jù)以前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的行星齒輪單元，其中，行星架在處于與系統(tǒng)軸線 垂直的平面中的方向上具有最小面積慣性矩，最小面積慣性矩的方向相對于從行星齒輪的 旋轉(zhuǎn)軸線到太陽輪的旋轉(zhuǎn)軸線的方向而傾斜。
4. 根據(jù)以前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的行星齒輪單元，其中，行星齒輪的對準(zhǔn)在切向和 徑向方向上是獨(dú)立可調(diào)節(jié)的，切向?qū)?zhǔn)通過改變銷在其架中的方位被調(diào)節(jié)，而徑向?qū)?zhǔn)通 過改變行星架的剛度被調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種用于斜齒輪系統(tǒng)的撓性銷。在不增加部件或不磨損面的情況下，建立一種與由傾覆力矩和其它齒輪力造成的不對準(zhǔn)相等或相對的抵消再對準(zhǔn)。對于銷元件，各截面的主軸線非豎直地定向的一個或多個不同或變化的橫截面，利用在兩個平面中引起撓曲的切向力和徑向力正確地補(bǔ)償由斜齒輪力引起的不對準(zhǔn)，從而保持嚙合對準(zhǔn)與使用正齒輪和傳統(tǒng)撓曲銷時相同。
文檔編號F16H1/28GK101743412SQ200980000327
公開日2010年6月16日 申請日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者E·C·哈爾貝克, M·T·查特 申請人:剪式風(fēng)能科技公司