CN216131348U - 一种采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，包括箱体、输入轴、多分流平行传动结构及输出轴。输入轴可转动地安装于箱体内，且输入轴与风轮的轮毂连接。多分流平行传动结构安装于箱体内，多分流平行传动结构与输入轴传动连接，多分流平行传动结构包括多级齿轮副，多级齿轮副均采用非对称齿轮，非对称齿轮的齿廓具有工作齿面和非工作齿面，工作齿面的压力角大于非工作齿面的压力角，输出轴与多分流平行传动结构传动连接。上述采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，通过适当降低非工作齿面的压力角，增加工作齿面压力角，提高了工作齿面的触强度、弯曲强度、胶合可靠性、啮合效率，最终大幅度提高了齿轮箱的性能。

Description

一种采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱。

背景技术

随着风电市场平价，要求风电机组制造商不断降低整机制造成本，并对机组性能提出了更高要求。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。

目前传统的风电机组中传动链包含轮毂、主轴、主轴轴承、轴承座、齿轮箱、发电机、联轴器等部件，而齿轮箱是其中动力传递及转换的关键。常规风电机组中，风轮轮毂直接安装在主轴一端，主轴上有一组或两组轴承进行支撑，并通过轴承座与机架相连，主轴另一端与齿轮箱输入端通过输入联轴器连接，齿轮箱通常为多级行星增速结构，齿轮箱输出轴通过输出联轴器与发电机连接。

工作过程为：由轮毂端传来的风轮推力、重力、横向载荷、扭矩等各种载荷均传递给主轴，并作用于主轴部件；主轴将风轮推力、重力、横向载荷通过主轴轴承、轴承座传递到机架，将扭矩传递到齿轮箱；齿轮箱则将主轴传递的低转速大扭矩增速到高速小扭矩后传递给发电机，以满足发电机的工作要求。

但是，现有的传统风力发电机组齿轮箱，所有齿轮副的轮齿齿廓采用对称设计，即工作齿面和非工作齿面的齿廓形状相同，对称布置。由于风电齿轮箱以单向运行为主，反向工作时间很短，对称齿廓设计导致工作齿面承载能力受限，而非工作齿面承载能力富余，因而限制风电齿轮箱承载能力的提升和性能的进一步改善。并且，现有的风电齿轮箱采用行星传动为主的结构，其中行星轮在风电齿轮箱的单向运行中仍为两侧轮齿工作，即两侧齿面均为工作齿面，因此无法采用性能更加先进的非对称齿轮设计。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有齿轮箱齿轮副的轮齿齿廓采用对称设计，对称齿廓设计导致工作齿面承载能力受限的问题，提供一种采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱。

一种采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，包括：

箱体；

输入轴，可转动地安装于所述箱体内，且所述输入轴伸出所述箱体外用于与风轮的轮毂连接；

多分流平行传动结构，安装于所述箱体内，所述多分流平行传动结构与所述输入轴传动连接，所述多分流平行传动结构包括多级齿轮副，多级所述齿轮副均采用非对称齿轮，所述非对称齿轮的齿廓具有工作齿面和非工作齿面，所述工作齿面的压力角大于所述非工作齿面的压力角；及

输出轴，可转动地安装于所述箱体上，所述输出轴与所述多分流平行传动结构传动连接。

在其中一个实施例中，所述输入轴用于与所述轮毂连接的端部直径增大形成有输入法兰。

在其中一个实施例中，所述多分流平行传动结构包括输入齿轮副及平行级齿轮副，所述输入齿轮副包括第一主动轮、第一从动轮及第一平行轴，所述第一主动轮安装于所述输入轴上，所述第一平行轴可转动地安装于所述箱体上，所述第一从动轮安装于所述第一平行轴的一端，多个所述第一从动轮分布于所述第一主动轮周围并与所述第一主动轮啮合，所述第一主动轮和所述第一从动轮均为斜齿轮。

在其中一个实施例中，所述第一平行轴的一端安装有第一轴承，所述第一从动轮的两侧均设有所述第一轴承，所述第一从动轮远离所述轮毂一侧的所述第一轴承为推力轴承。

在其中一个实施例中，所述平行级齿轮副包括第一平行级齿轮副及第二平行级齿轮副，所述第一平行级齿轮与所述第一平行轴的另一端连接，所述第一平行级齿轮副增速后传递给所述第二平行级齿轮副，所述第二平行级齿轮副通过功率汇流减少分流数量，所述输出轴与所述第二平行级齿轮副连接。

在其中一个实施例中，所述第一平行级齿轮副包括第二主动轮、第二从动轮及第二平行轴，所述第二主动轮安装于所述第一平行轴的另一端，所述第二平行轴可转动地安装于所述箱体上，所述第二从动轮安装于所述第二平行轴的一端，所述第二从动轮与至少一个所述第二主动轮相啮合。

在其中一个实施例中，所述第一从动轮一体成型于所述第一平行轴上，所述第二从动轮一体成型于所述第二平行轴上。

在其中一个实施例中，所述第二主动轮的数量为所述第二从动轮的倍数，所述第二从动轮位于所述第二主动轮围成的区域内，每个所述第二从动轮啮合多个所述第二主动轮。

在其中一个实施例中，所述第二平行级齿轮副包括第三主动轮及第三从动轮，所述第三主动轮安装于所述第二平行轴的另一端，所述第三从动轮安装于所述输出轴上，所述第三从动轮与多个所述第三主动轮相啮合。

在其中一个实施例中，所述输出轴内穿设有连接轴，所述第三从动轮一体成型于所述连接轴上，所述连接轴与所述输出轴柔性连接。

上述采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱至少具有以下优点：

(1)采用非对称齿轮设计，通过适当降低非工作齿面的压力角，增加工作齿面压力角，提高了工作齿面的接触强度、弯曲强度、胶合可靠性、啮合效率，最终大幅度提高了齿轮箱的性能。

(2)齿轮箱设计融合主轴功能。采用该齿轮箱的机组传动链中取消了单独的主轴部件-包括主轴、主轴支撑轴承、轴承座结构。既大大简化了传动链结构，也大幅度降低了成本，同时简化了传动链的安装调试，提高了传动链可靠性。

(3)齿轮箱输入端自带输入法兰。采用该齿轮箱的机组传动链中取消了输入联轴器，轮毂与齿轮箱输入轴的法兰直接刚性联结。由于无大型输入联轴器，简化了传动链结构，降低了联轴器带来的风险，也降低了成本，简化了传动链的安装。

(4)采用该齿轮箱的机组传动链由于取消了主轴部件及输入联轴器，传动链长度大幅度缩短，机架长度相应大幅度缩短，重量大幅度减轻，也简化了机架结构设计难度，利于机架的轻量化设计，降低了机架成本。

(5)采用该齿轮箱的机组传动链由于取消了主轴部件及输入联轴器，同时机架轻量化设计，机组重量得到大幅度降低，降低了整机的吊装要求，减少了吊装成本。

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为一实施方式中采用多分流平行传动结构的齿轮箱连接轮毂及发电机的结构示意图；

图2为一实施方式中齿轮箱多分流平行传动结构的结构示意图；

图3为图2所示齿轮箱多分流平行传动结构另一视角的结构示意图；

图4为一实施方式中非对称齿轮齿廓的结构示意图

图5为图1中采用多分流平行传动结构的齿轮箱的主视图；

图6为图5中A-A线的剖视图；

图7为图5中B-B线的剖视图；

图8为图5中C-C线的剖视图。

附图标记：

10-轮毂，20-齿轮箱，202-工作齿面，204-非工作齿面，21-箱体，22-输入轴，221-支撑轴承，222-输入法兰，223-连接凸台，23-输入齿轮副，231-第一主动轮，232-第一从动轮，233-第一平行轴，234-第一轴承，24-平行级齿轮副，241-第二主动轮，242-第二从动轮，243-第二平行轴，244-第三主动轮，245-第三从动轮，246-连接套，25-输出轴，26-连接轴，27-花键，30-发电机，40-机架。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图1，一实施方式中的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱20，用于连接轮毂10及发电机30，以将轮毂10的低转速大扭矩增速到高速小扭矩后传递给发电机30。

请一并参阅图2及图3，在一实施方式中，采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱20包括箱体21、输入轴22、多分流平行传动结构及输出轴25。

输入轴22可转动地安装于箱体21内，输入轴22伸出箱体21外用于与风轮的轮毂10连接。具体地，输入轴22上间隔安装有支撑轴承221，支撑轴承221安装于箱体21上，实现输入轴22可转动地安装于箱体21内。输入轴22的一端朝远离箱体21的方向直径逐渐增大并形成有输入法兰222，输入法兰222通过螺栓与轮毂10刚性连接，实现输入轴22与轮毂10的连接。

请一并参阅图4，多分流平行传动结构安装于箱体21内，多分流平行传动结构与输入轴22传动连接。多分流平行传动结构用于实现增速传动，从输入轴22传递来的低速大扭矩经功率多分流后，多级增速，最后进行功率汇流，经输出轴25传递给发电机30。多分流平行传动结构包括多级齿轮副，多级齿轮副均采用非对称齿轮。非对称齿轮的齿廓具有工作齿面202和非工作齿面204，工作齿面202的压力角大于非工作齿面204的压力角。

其中，通过加大工作齿面202压力角，齿廓曲率半径增大，降低了齿面接触应力，接触强度提高；轮齿受载的弯矩变小，降低了弯曲应力，弯曲强度提高；齿面之间的滑动减小，摩擦损失降低，提高了效率，并降低胶合风险，提高了胶合安全性。最终提高了工作齿面202的耐久，从而得到更轻的重量或者是得到更高的可靠性。对于非工作齿面204，通过减小压力角，可增加齿顶宽度，弥补了工作齿面202加大压力角带来的齿顶减小，保持齿顶具有一定厚度，避免工作中崩裂损坏；同时，非工作齿面204在反向运行时工作，由于工作时间很短，其接触和弯曲强度的适当降低并不影响运行可靠性。

请再次参阅图2及图3，在一实施方式中，多分流平行传动结构包括输入齿轮副23及平行级齿轮副24，输入级齿轮副23与输入轴22连接，平行级齿轮副24与输入级齿轮副连接，输出轴25与平行级齿轮副24连接，且输出轴25伸出箱体21外与发电机30连接。

在一实施方式中，输入齿轮副23包括第一主动轮231、第一从动轮232及第一平行轴233，第一主动轮231安装于输入轴22的中部，第一主动轮231位于箱体21内。具体地，输入轴22上设有连接凸台223，第一主动轮231通过螺栓安装于连接凸台223上，实现第一主动轮231安装于输入轴22上。第一平行轴233可转动地安装于箱体21上，第一从动轮232安装于第一平行轴233的一端，多个第一从动轮232分布于第一主动轮231周围并与第一主动轮231啮合，第一主动轮231和第一从动轮232均为斜齿轮。

请一并参阅图4及图5，在一具体实施方式中，第一从动轮232的数量至少为两个，优选为偶数个。具体在本实施方式中，第一从动轮232的数量8个。第一从动轮232可以根据需要，在输入轴22的周围均匀分布，也可以非均匀分布。本实施方式中，第一从动轮232在输入轴22的周围均匀分布，保证第一主动轮231受力的均匀。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一平行轴233与输入轴22相平行，第一平行轴233的数量与第一从动轮232的数量相同，多个第一平行轴233分布于输入轴22的周围，每个第一平行轴233上安装有一个第一从动轮232。第一平行轴233上设有第一轴承234，第一轴承234安装于箱体21上，实现将第一平行轴233可转动地安装于箱体21内。第一从动轮232的相对两侧均设有第一轴承234，第一从动轮232远离轮毂10一侧的第一轴承234为推力承载，以承受第一从动轮232的轴向推力，将轴向推力传递给箱体21。

其中，风轮产生的载荷均作用于轮毂10，由于轮毂10直接与齿轮箱20的输入轴22刚性连接，来自轮毂10的风轮推力、重力、扭矩、横向载荷全部传递给输入轴22。输入轴22则将扭矩传递给安装在其中部的第一主动轮231，第一主动轮231同时与多个第一从动轮232啮合，实现功率分流传递及增速传动。

由于输入齿轮副23采用斜齿设计，在啮合中将在第一主动轮231和第一从动轮232上产生大小相同、方向相反的轴向力，通过选择合适的螺旋角，第一主动轮231上的轴向力与输入轴22传递来的风轮推力可以实现大部分或者全部抵消，从而大幅度减轻支撑轴承221承受的载荷。轮毂10的重力、横向载荷以及少部分剩余风轮推力经输入轴22两端的支撑轴承221传递到箱体21上，并进一步传递到机架40。第一从动轮232上承受的轴向力则传递到推力轴承，由于第一从动轮232为多分流传动，推力轴承相应为多个，因此每个推力轴承只承担部分轴向力，该轴向力由推力轴承分散承担后传递到箱体21，并经箱体21传递到机架40。

一实施方式中，平行级齿轮副24包括第一平行级齿轮副及第二平行级齿轮副，第一平行级齿轮副与第一平行轴233的另一端连接，第一平行级齿轮副增速后传递给第二平行级齿轮副，第二平行级齿轮副通过功率汇流减少分流数量，输出轴25与第二平行级齿轮副连接。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一平行级齿轮副包括第二主动轮241、第二从动轮242及第二平行轴243。第二主动轮241安装于第一平行轴233的另一端，第一从动轮232和第二主动轮241分别位于第一平行轴233的两端。第二平行轴243可转动地安装于箱体21内，第二从动轮242安装于第二平行轴243的一端，第二从动轮242与至少一个第二主动轮241相啮合。第二平行级齿轮副包括第三主动轮244及第三从动轮245。第三主动轮244安装于第二平行轴243的另一端，第三从动轮245安装于输出轴25上，第三从动轮245同时与多个第三主动轮244相啮合。

其中，齿轮箱20实现低转速大扭矩增速到高速小扭矩的过程具体为：第一主动轮231驱动第一从动轮232旋转，由于第一主动轮231啮合多个第一从动轮232，可以实现第一从动轮232的增速，因此实现第一次增速传动。

然后，第一平行轴233将扭矩传递第二主动轮241，第二主动轮241驱动第二从动轮242旋转。由于每个第二从动轮242啮合至少一个第二主动轮241，可以实现第二次增速传动。

最后，第二平行轴243将扭矩传递给第三主动轮244，第三主动轮244驱动第三从动轮245，进而驱动输出轴25运动。由于第三从动轮245啮合多个第三主动轮244，可以实现第三次增速传动。齿轮箱20通过三次增速传动，实现低转速大扭矩增速到高速小扭矩。

请一并参阅图3与6，在上述实施例的基础上，进一步地，第二主动轮241的数量与第一从动轮232的数量相同，每个第二主动轮241安装于对应的第一平行轴233上。本实施方式中，第二主动轮241的数量为8个。第二主动轮241的数量为第二从动轮242的倍数，第二从动轮242位于第二主动轮241围成的圆周范围内，便于第二从动轮242与第二主动轮241的啮合，每个第二从动轮242啮合多个第二主动轮241，实现增速传动。

具体在本实施方式中，第二主动轮241的数量为第二从动轮242数量的两倍，即第二从动轮242的数量为4个，每个第二从动轮242啮合相邻的两个第二主动轮241。可以理解的是，在其他实施方式中，第二主动轮241的数量也可以为第二从动轮242数量的1倍，第二从动轮242与第二主动轮241单个啮合，或者第二主动轮241的数量与第二从动轮242数量根据圆周分布位置不同而分别为1倍、2倍或3倍，只要能够实现每个第二从动轮242与第二主动轮241正常啮合即可。

请一并参阅图7，在一具体实施方式中，第二平行轴243通过轴承可转动地安装于箱体21内，第二平行轴243的数量与第二从动轮242的数量相同，每个第二平行轴243上安装一个第二从动轮242。第二平行轴243与第一平行轴233相平行，第二平行轴243位于第一平行轴233和输入轴22之间。第三主动轮244的数量与第二平行轴243的数量相同，实现第二平行轴243的两端分别安装第二从动轮242及第三主动轮244。本实施方式中，第三主动轮244的数量为4个。

一实施方式中，第一从动轮232一体成型于第一平行轴233上，第二从动轮242一体成型于第二平行轴243上，第一平行轴233和第二平行轴243均为齿轮轴，安装过程简单，保证结构的紧凑。第三主动轮244围绕在第三从动轮245的四周，多个第三主动轮244与第三从动轮245啮合。本实施方式中，4个第三主动轮244与第三从动轮245啮合。

在一实施方式中，第二平行轴243上设有连接套246，第三主动轮244通过螺栓安装于连接套246上，实现第三主动轮244安装于第二平行轴243上。输出轴25可转动地安装于箱体21上，输出轴25内穿设有连接轴26，第三从动轮245一体成型于连接轴26上，连接轴26与输出轴25柔性连接。连接轴26和输出轴25柔性连接，以使输出轴25可以相对连接轴26发生角度或径向偏移，便于输出轴25与发电机30的连接和第三从动轮245实现均载。具体地，连接轴26通过花键27与输出轴25柔性连接。

上述采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱20，齿轮箱的结构设计中融合了主轴功能。由齿轮箱输入轴22承担主轴功能，齿轮箱输入轴22支撑轴承221承担主轴轴承功能，齿轮箱箱体21承担轴承座功能。从而在使用该新型齿轮箱的机组传动链中，无需单独的主轴、主轴轴承、主轴轴承座。输入轴22自带输入法兰222，使用该新型齿轮箱的机组传动链中，无需采用输入联轴器，风轮轮毂10直接刚性安装于输入轴22的输入法兰222上。输入齿轮副23采用斜齿结构，通过选择合理参数，使其啮合轴向力与来自轮毂10并直接作用于输入轴22的风轮推力方向相反、大小接近，从而产生抵消效果。由此使承担主轴轴承功能的输入轴22支撑轴承221不承受风轮工作推力或只承受很小的推力。所有齿轮副采用非对称齿轮设计，提高了齿轮的接触强度、弯曲强度、胶合可靠性、啮合效率，最终大幅度提高了齿轮箱的性能。

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 (10)

1.一种采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，包括：

箱体；

输入轴，可转动地安装于所述箱体内，且所述输入轴伸出所述箱体外用于与风轮的轮毂连接；

多分流平行传动结构，安装于所述箱体内，所述多分流平行传动结构与所述输入轴传动连接，所述多分流平行传动结构包括多级齿轮副，多级所述齿轮副均采用非对称齿轮，所述非对称齿轮的齿廓具有工作齿面和非工作齿面，所述工作齿面的压力角大于所述非工作齿面的压力角；及

输出轴，可转动地安装于所述箱体上，所述输出轴与所述多分流平行传动结构传动连接。

2.根据权利要求1所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述输入轴用于与所述轮毂连接的端部直径增大形成有输入法兰。

3.根据权利要求2所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述多分流平行传动结构包括输入齿轮副及平行级齿轮副，所述输入齿轮副包括第一主动轮、第一从动轮及第一平行轴，所述第一主动轮安装于所述输入轴上，所述第一平行轴可转动地安装于所述箱体上，所述第一从动轮安装于所述第一平行轴的一端，多个所述第一从动轮分布于所述第一主动轮周围并与所述第一主动轮啮合，所述第一主动轮和所述第一从动轮均为斜齿轮。

4.根据权利要求3所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述第一平行轴的一端安装有第一轴承，所述第一从动轮的两侧均设有所述第一轴承，所述第一从动轮远离所述轮毂一侧的所述第一轴承为推力轴承。

5.根据权利要求3所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述平行级齿轮副包括第一平行级齿轮副及第二平行级齿轮副，所述第一平行级齿轮与所述第一平行轴的另一端连接，所述第一平行级齿轮副增速后传递给所述第二平行级齿轮副，所述第二平行级齿轮副通过功率汇流减少分流数量，所述输出轴与所述第二平行级齿轮副连接。

6.根据权利要求5所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述第一平行级齿轮副包括第二主动轮、第二从动轮及第二平行轴，所述第二主动轮安装于所述第一平行轴的另一端，所述第二平行轴可转动地安装于所述箱体上，所述第二从动轮安装于所述第二平行轴的一端，所述第二从动轮与至少一个所述第二主动轮相啮合。

7.根据权利要求6所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述第一从动轮一体成型于所述第一平行轴上，所述第二从动轮一体成型于所述第二平行轴上。

8.根据权利要求6所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述第二主动轮的数量为所述第二从动轮的倍数，所述第二从动轮位于所述第二主动轮围成的区域内，每个所述第二从动轮啮合多个所述第二主动轮。

9.根据权利要求6所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述第二平行级齿轮副包括第三主动轮及第三从动轮，所述第三主动轮安装于所述第二平行轴的另一端，所述第三从动轮安装于所述输出轴上，所述第三从动轮与多个所述第三主动轮相啮合。

10.根据权利要求9所述的采用非对称齿轮设计的风电齿轮箱，其特征在于，所述输出轴内穿设有连接轴，所述第三从动轮一体成型于所述连接轴上，所述连接轴与所述输出轴柔性连接。

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