行星齿轮装置的行星架和设置有该行星架的行星齿轮装置 |
|||||||
| 申请号 | CN201510595761.0 | 申请日 | 2015-09-17 | 公开(公告)号 | CN105422824B | 公开(公告)日 | 2019-07-05 |
| 申请人 | GE亚飞欧有限责任公司; | 发明人 | 米凯莱·格雷维纳; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及用于行星 齿轮 装置(1)的 行星架 (5)和设置有行星架的行星齿轮装置。该行星架具有环状结构(9)，环状结构设置有耦接部(10)，耦接部用于以成 角 度固定的方式连接至旋转构件或静态结构，并且行星架具有环形件(15)，环形件沿 传动轴 线(3)与环状结构同轴且由围绕传动轴线彼此交替的多个板状区段(16)和多个附接区段(17)组成；板状区段位于与传动轴线 正交 的平面(P)上且相对于成对销(19)固定，销在相对的方向上从板状区段处突出且适于承载各自的行星齿轮(2)；每个附接区段通过相应的成对臂(31)紧固至环状结构，臂朝向环形件彼此收拢且能弹性 变形 以允许在 载荷 下环形件与环状结构之间的相对移动。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于行星齿轮装置(1)的行星架(5)，所述行星架(5)包括： |
||||||
| 说明书全文 | 行星齿轮装置的行星架和设置有该行星架的行星齿轮装置技术领域[0001] 本发明涉及一种用于行星齿轮装置的行星架，尤其涉及一种用于航空应用的行星架，下文的描述将涉及航空应用，但是本发明将不失任何通用性。 背景技术[0002] 众所周知，行星齿轮装置广泛用于航空发动机领域，用于在涡轮发动机(具有高速度和低扭矩)与至少一个推进元件(具有高扭矩和低速度)之间传动和转换功率，因为行星齿轮装置对于执行这些功能非常有效同时保持重量和体积减小。 [0004] 除了重量上的自然节省之外，在正在研究的用于减少消耗和污染的新航空发动机结构(诸如非直接驱动型涡轮风扇和开式转子的结构)中尤其感觉需要尽可能地减小齿轮的体积。在这些结构中，行星齿轮装置实际上与涡轮发动机整体形成，其中，齿轮装置的直径包络(diametral envelope)用于调节空气或燃烧气体的流动的通道的几何形状，从而决定性地影响涡轮发动机的效率。 [0005] 用于实现这些齿轮装置的一个有利的解决方案考虑使用具有环形板的行星架，该环形板支撑布置在板的相对的侧上的两组行星齿轮。具体地，行星齿轮的各自的销上安装有轴承，销在平行于齿轮装置的轴线的相对的方向上从板突出。例如，该类型的解决方案从申请人名下的EP2339208和WO2013065024中是已知的。 [0006] 在该类型的解决方案的领域中，强烈地需要寻求使载荷在齿轮装置中沿着多种扭矩传递路径平均分布。该平均分布是实现齿轮装置最轻的重量和最小整体体积的必要条件。事实上，可能的载荷分布不均和估算分布不均的不确定性独立于齿轮装置的组件的有效应力状态在齿轮装置的组件(钝齿轮、轴承等)的设计和确定尺寸时使用过载因素，导致所有的部件过大，甚至导致实际上受应力较小部件的过大。 [0007] 载荷分布不均基本上由于以下因素： [0008] -行星齿轮装置(也依据采用的具体解决方案)可变成超静定的，扭矩传递路径从而不可避免地承受更大的应力，其中，提供了更大的刚性； [0009] -相对于标称装配和几何条件，齿轮装置不可避免地具有导致各个组件相对于通过设计规划的组件产生相对位移的构造误差和装配误差以及公差，从而产生过载； [0010] -在齿轮装置的连接接合部处可以从外部施加载荷/位移的不对称。 [0011] 通常，可将能够使上文指出的前两个因素最小化的主要解决方案如下分类： [0012] -旨在使沿着各个扭矩传递路径的几何差异(不对称)最小化并引入可定向元件或柔性元件以支撑行星齿轮的解决方案，可定向元件或柔性元件例如为所谓的柔性销型的(其中，支撑行星齿轮的销能局部弯曲)；以及 [0013] -旨在通过使各个扭矩传递路径上的刚性适当地平衡来补偿不对称的解决方案。 [0014] 在WO2013065024中描述的解决方案通过引入径向连接部有效地减小载荷分布不均从而支撑该板。然而，该解决方案需要相对大量的组件并且连接部在摩擦耦接的部件上经受磨损，因此该解决方案具有较低的可靠性。 [0015] 因此，优选的是直接设计行星架不具有连接部的解决方案。 [0017] 然而，这最后两个解决方案的行星架相对于两组行星齿轮的对称平面具有相当大的不对称，并且没有考虑引进柔性销型的柔性元件来支撑这些行星齿轮。 [0018] 具体地，单件式行星架由通过连接至旋转轴或静态结构的附接部来支撑两组行星齿轮的板和通过将板连接至附接部的臂或梁组成。这些臂基本上平行于齿轮装置的轴线，并且在周向方向上定位在行星齿轮之间的空间中。因此，扭矩从板传递至上述的臂，并从臂传递至附接部。 [0019] 该结构不是令人满意的，因为臂以及在载荷下的变形趋向于将使用期间附接部固有的变形转移至板。因此，板承受由臂在各个连接点施加的弯曲力矩。由这些局部的弯曲力矩产生的板的弯曲导致支撑行星齿轮的销的轴线倾斜，从而产生载荷在两组行星齿轮的一个与另一个之间的不希望有的失衡，即分布不均，并产生出现在销与板之间的连接区域中的不希望有的反应应力。 [0020] 为了限制由附接部的变形导致的失衡，从而在板中保持由弯曲力矩产生的应力，板必须制成具有显著的轴向宽度。然而，这种尺寸设计使行星架对齿轮装置构造和装配误差和公差尤其敏感(例如，行星齿轮的位置相对于通过设计规划的位置的位移)。对误差和公差的敏感引起行星齿轮上进一步的载荷分布不均和显著的过载。 [0021] 因此，EP2072863和EP2072858中描述的解决方案不能够有效地补偿行星架的不对称从而限制载荷分布不均。 [0022] 此外，EP2072863和EP2072858中提出的具体解决方案不允许使行星齿轮的支撑销与板制成一体，因为如果这样做，将不能装配行星齿轮和相关联的轴承。因此，这些解决方案需要具有在所承载的销与板之间具有高干涉的耦接件，以避免部件在接触时的磨损的重大风险。 发明内容[0023] 本发明的目的是提供一种用于行星齿轮装置的行星架，该行星架能够以简单和廉价的方式解决上述问题。 [0024] 根据本发明，提供了一种用于行星齿轮装置的行星架，该行星架包括： [0025] -环状结构，该环状结构包括将所述行星架以成角度固定的方式连接至旋转构件或者至静态结构； [0027] -多个销，所述多个销相对于所述板状区段固定，所述多个销在相对的方向上沿着各自的轴线从所述板状区段突出，所述多个销平行并且相对于所述传动轴线偏心，并且所述多个销适于承载各自的行星齿轮； [0028] -连接装置，将所述结构固定至所述附接区段； [0030] 现在，将参照附图描述本发明，附图示出了非限制性实施方式，附图中： [0031] 图1是装配有根据本发明的行星架的优选实施方式的行星齿轮装置的立体图； [0032] 图2是图1中的齿轮装置沿子午线截平面的横截面； [0033] 图3是图1和图2中的行星架的立体图； [0034] 图4是图3中的行星架的细节的放大图；以及 [0035] 图5是图3中的行星架的不同的立体图。 具体实施方式[0036] 参考图1，参考标号1表示包括多个行星齿轮2的行星齿轮装置，多个行星齿轮围绕轴线3布置，多个行星齿轮围绕平行于轴线3并相对于该轴线偏心的各自的轴线4旋转，并且多个行星齿轮由行星架5支撑。 [0037] 行星齿轮2被布置为形成两个组2a和2b，这两个组相对于与轴线3正交的平面P对称，并且向外与环形齿轮6的两个内齿啮合并且向内与两个恒星齿轮7啮合，这两个恒星齿轮同轴并相对于轴8固定。有利地，恒星齿轮7与轴8制成一体。根据未示出的变型，环形齿轮6和/或两个恒星齿轮7的齿由与行星齿轮2的两个组2a和2b啮合的轴向长度足够的单个齿替代。 [0038] 优选地，但并不排他地，每个组2a和2b具有三个行星齿轮2，以使得轴线4彼此均匀的以120°围绕轴线3。 [0039] 有利地，行星架5由单块体(即，由单个件制成的本体)限定并包括环状结构9，环状结构限定用于成对齿轮的抽出/插入构件并具有耦接部10，耦接部限定用于以成角度固定方式将行星架5连接至未示出的构件(例如输出驱动轴)或静态结构的耦接件。在示出的具体实例中，耦接部10由设计成通过螺钉或螺栓紧固至旋转构件或静态结构的凸缘限定。可替代地，耦接部10由孔花键或者轴花键限定。 [0040] 在示出的具体实例中，耦接部10位于相对于环形齿轮6和环状结构9更大的半径处并且从结构9朝向平面P位移。根据未示出的变型，耦接部10以相对于环形齿轮6和环状结构9的更大的或更小的半径沿着轴线3定位在齿轮装置1的侧部。 [0041] 参考图3，行星架5还包括环形件15，环形件沿着轴线3与结构9同轴，并且由在周向方向上彼此交替的多个区段16和多个区段17组成。区段16由位于平面P上的并且在沿周向方向上终止于柔性薄壁部18的板状区段限定，该区段与区段17接合。例如，区段16具有小于10mm的厚度(通常厚度为5mm至7mm)：这些厚度值通常用于具有两组行星齿轮的15MW的齿轮装置，每组行星齿轮均具有三个行星齿轮。同时，区段17比区段16更不易弯曲。 [0042] 如在图1和图2中所示，行星齿轮2由经由各自的轴承20(优选由滚动轴承限定)的销或轴19支撑。每个销19优选地与对应的区段16制成一体，以使得销19形成行星架5的一部分。 [0043] 使用销19与区段16形成整体的解决方案更好，因为：该解决方案减少了组件的数量；降低了干涉配合连接部磨损的风险和磨损表面上产生疲劳裂缝的可能；由于环状结构9的具体形状而便于装配行星齿轮，如将在下文更好地描述。然而，根据未示出的变型，销19可以与例如通过干涉配合而紧固在各个区段16上的部件分开。 [0044] 如在图3中可见，区段16优选地包括各自的脊部21，脊部轴向地并在与部分18相对的方向上突出，并且该脊部限定了轴向的肩部，轴承20的内圈22抵靠轴向肩部放置(图2)。每个内圈22均被安装在对应的销19的外柱形表面24上，同时轴承20优选地没有外圈：换言之，如在图2可见，轴承20的滚动体25的外滚道由行星齿轮2的内表面26限定。优选地，滚动体25是球面滚柱轴承，以使得滚道是凹形的从而能够通过销19在载荷下的变形而使行星齿轮2的齿分开。 [0045] 如上所述，销19从区段16的两面轴向地突出并且沿着轴线4彼此相对。优选地，销19限定通过连接装置(未示出)接合的各自的轴向通道27，连接装置使脊部21锁定成轴向地抵靠内圈22。 [0046] 优选地，行星齿轮2的齿是具有直齿的柱形的。 [0047] 行星齿轮的组2a相对于平面P布置在设置有结构9的一侧上。根据计划并且基于行星齿轮2的直径和轴线4的位置确定结构9的形状和尺寸以便留下用于在销19上沿着各自的轴线4装配并去除行星齿轮的组2a的足够的径向间隙。为了该目的并参考图2和图5，对于每个销19，结构9包括对应的区段28，该区段被径向挖空以形成凹槽29，该凹槽沿着轴线4与销19对准并且该凹槽的尺寸和形状设计成允许行星齿轮2的轴向通道通过结构9。而且，对于每个区段28，结构9包括各自的加强肋30，加强肋从所述区段28向外径向突出以限制径向变形。 [0048] 根据未示出的变型，结构9是与环形件15分开的件并在齿轮装置1的装配期间紧固至环形件上。在该情况下和/或在销19是装配在区段16上的分离的部件的情况下，通常，对于安装行星齿轮的组2a不存在干扰问题，结构9从而能具有朝向轴线3收缩的形状(例如钟形形状)以用于与旋转轴直接连接。 [0049] 如在图4中可见，对于每个区段17，行星架5包括相应的一对连接臂或梁31，该对连接臂或梁布置在两个相邻的行星齿轮的组2a之间的空间中，并使区段17与结构9连接，以传递环形件15与结构9之间的剪力(切向力)，从而传递扭矩。 [0050] 臂或梁31包括相应的中间部分32，中间部分朝向彼此收拢并且优选是直的，并且臂或梁包括相应的端部33和34，端部分别限定部分32与结构9和区段17的连接。 [0051] 臂31与两个部分35和36一起形成梯形形状的四边形，四边形是大体上切向的或周向的，并且限定梯形的较长的底和较短的底。在此描述的和示出的优选实施方式中，行星架5制成单个件，其中，部分35形成结构9的一部分并且围绕轴线3与区段28交替，并且部分36分别组成区段17的部分。 [0052] 根据未示出的变型，上文指出的四边形与结构分开和/或与环形件15分开：在这些情况下，部分35通过螺钉或螺栓紧固至结构9和/或部分35通过螺钉或螺栓紧固至区段17。 [0053] 每个四边形的两个臂31均设置有相对于部分35和36更大的弹性弯曲变形，四边形从而在载荷下变形。具体地，臂31的弹性变形在载荷下能够使环形件15与结构9之间相对移动，并且避免弯曲力矩从结构9传递至环形件15。由此可见，由于该弹性变形，环形件15趋向于独立于结构9而偏转，使得结构9在载荷下的变形不会使区段16弯曲。 [0054] 换言之，臂31的这种构造在扭矩产生的剪切作用的影响下允许区段17并且因此允许环形件15围绕轴线3精确地旋转。如果每对臂的臂31彼此平行和/或由单个臂替代，如在已知的技术中，结果将是不能将环形件15与结构9的弯曲“隔离”的构造，因为结构的弯曲会被不变地传递至环形件15，这没有任何益处。 [0055] 如从附图可见，臂31朝向环形件15而不是朝向结构9收拢：如果臂31朝向结构9收拢，进行的模拟表示出变形将从结构9传递至区段17，并且甚至产生这些变形的实际放大。 [0056] 考虑以上示出的环形件15与结构9的弯曲的“隔离”，区段16必须仅支撑切向的剪切动作。由此可见，从设计的观点，可以通过仅考虑这些切向的剪切动作来设计环形件15的尺寸，并且因此相对于装配有整体的行星架的已知的解决方案能够明显地减小区段16的厚度。 [0057] 具体地，如上所述，部分18的轴线方向上的厚度s据说是“薄的”，即转动惯量I为最小情况下的(其中，I＝h*s3/12)横截面具有遵守以下几何比例的厚度s和宽度h：h>5s。 [0058] 在存在制造和装配误差的情况下，弯曲刚度是量化行星齿轮2上的过载的确定元素，由此可见，装配有极薄的区段16的环形件15内在地保证对构造误差的低灵敏度并且因此对构造误差的高公差，而没有必要采用用于销19的柔性销型解决方案。 [0059] 事实上，加工公差和装配误差导致与最佳的操作条件背离，尤其是行星齿轮2的切向位移，即围绕与轴线4正交的弯曲的轴线的旋转。该位移将趋于导致组2a和2b之间的扭矩路径中的失衡。代替地，在本发明的情形下，区段16由于它们的低弯曲刚度自动地变形并且因此吸收这些误差并且恢复可接受的操作条件。 [0060] 另外，由于误差和公差，在使用中，在销19与区段16之间的接合点处产生力矩M，并且因此产生由销19传递的标称载荷的变化。为了限制相对于标称载荷的过载，力矩M必须明显地尽可能地小。环形件15的柔度(即，低弯曲刚度)越大，力矩M将越小。 [0061] 在本发明的情况下，通过设置极低的弯曲刚度K(即，通过减小区段16的厚度)，齿轮装置1的运行和可靠性没有受损害，仍旧确保对构造误差的高公差：具体地，能以将行星齿轮2之间的载荷分配因数保持处于大约5％的值(用于风力涡轮机的无需任何额外的测量的应用已取代20％以上的载荷分配因数)。因此，要求保护的解决方案相对于已知的解决方案实现了具有更高的性能的结果。 [0062] 而且，由于行星齿轮2的齿不需要处理过载并且因此可以将用于最大应力的尺寸设计成小于已知的解决方案的尺寸，并且由于环形件15在区段16处的减小的厚度s，所以齿轮装置是低重量的。 [0063] 返回至图2和图4，如上所述，部分35和36相对于切向轴线针对弯曲和扭矩优选地变硬。具体地，臂31在端部33和34处与部分35和36的耦接点在载荷下趋于通过相对于轴线3大体径向的铰接轴线限定相应的虚拟铰接部或者弹性铰接部。换言之，使环形件15与结构9连接的四边形是虚拟铰接的四边形，其中，真实的四边形的铰接连接部由局部变形的区域替代。 [0064] 每个可变形四边形的形状和尺寸(例如：长度、径向厚度、宽度、臂31的相对距离和倾斜角)例如通过适当的模拟根据计划确定，以确保载荷在各个扭矩传递路径上的均匀分布。 [0065] 具体地，每个四边形通过设计构造为使环形件15的变形独立于结构9的变形，如上所述，并且使刚度在行星架5中的分布最优化，并确保从技术角度行星架5的可行性。 [0066] 在优选示出的实施方式中，每个区段17包括与区段16共面并且具有大体上与区段16相同的厚度s的壁40。同时，部分36由两个肋41和42组成，两个肋沿着环形件15的外环形边缘布置并且在相对的方向上从壁40突出。具体地，肋42关于平面P与结构9相对。 [0067] 每个区段17还包括肋43和两个横向肋44，肋43沿着环形件15的内环形边缘布置并且在与肋42相同的方向上从壁40突出，两个横向肋在与肋42和43相同的方向上从壁40突出并且将肋42的端部连接至肋43的端部。 [0068] 因此，对于每个区段17，肋42、43和44界定一腔，该腔的底部由壁40限定。部分36的弯曲刚度能够在使用齿轮装置1期间保持两个端部34的相对位置大体上不变。同时，肋44和43限定加强构件以避免部分36围绕部分36的切向轴线的扭矩。 [0069] 参考图1、图2和图5，结构9的部分35包括：壁45，该壁与轴线3正交并且轴向地面对区段17；并包括多个肋46，多个肋布置在环形件15的壁45的相对一侧上并构造为无需损失行星架5的重量就能扭转地使部分35变加强。部分35和区段28通过钟形形状部47在凸缘10处结合，凸缘布置成围绕环形齿轮6的轴向端部，环形齿轮的轴向端部包围组2a和臂31。 [0070] 通过前文的描述，由臂31给行星架5并且因此给齿轮装置1的操作带来的优势是明显的。具体地，如上文详细描述的，臂31的柔性防止局部弯曲力矩从结构9传递至环形件15，从而该环形件的设计可以忽略这些弯曲力矩，并且因此相对于采用制成一体的行星架的已知技术的解决方案而言具有对于区段16的减小的厚度s。厚度s的减小进而使环形件15具有高柔性，高柔性自动补偿在属于不同的组2a和2b的两个同轴的行星齿轮之间的切向方向上的由构造或装配误差和通过加工公差所引起的任何相对位移。具有非常低的弯曲刚度还意味着减小了销19与区段16连接的区域中的过载。 [0071] 而且，在附图中描述和示出的解决方案允许使刚度在行星架5中相对于平面P的分布最优化以将载荷分布不均减小至最小。 [0072] 同时，两个臂31避免了在结构9与环形件15之间使用接合的装置，因此降低了磨损和组件的数量并且相对于装配有这种装置的已知的解决方案增加了可靠性。 [0073] 在任何情况下，采用的解决方案并不妨碍使用有关销19的柔性销型解决方案，从而进一步改善对构造或装配误差和加工公差的补偿。 [0074] 而且，使行星架5成单个件不仅减少了待制造和装配的部件的数量，而且允许降低由于在承受循环载荷的接触耦接组件上的磨蚀疲劳导致的损坏的风险。 [0075] 尽管行星架5被制成单个件，但是齿轮装置1的装配相对简单，尤其由于使用凹槽29和具有直齿的齿轮，它们允许轴向装配/去除行星齿轮2的组2a的。 [0076] 而且，两个恒星齿轮7与轴8制成单个件，以减小齿轮装置1的径向体积。恒星齿轮7的这种构造有效地承受两个扭矩传递路径的扭转刚度的失衡，而上文描述的行星架5的特征允许补偿这种失衡。同时，恒星齿轮的紧凑的径向尺寸针对既定的体积实现了更高的传动比，或者针对既定的传动比实现了更小的体积。 [0077] 基于上文所述的，对本领域的技术人员其他次要的优点也是明显的。 [0079] 具体地，臂31的尺寸、相对距离和倾斜角，正如部分35和36的尺寸和几何形状，可以不同于通过实例的方式指出的尺寸、相对距离和倾斜角。 [0080] 而且，每个区段17可以通过多于两个可弹性变形的臂紧固至结构9。 [0081] 而且，齿轮装置1的构造可以是具有静态的行星架和旋转的环形齿轮(所谓的星形构造)的一个构造，具有旋转的行星架和静态的环形齿轮(所谓的行星构造)的一个构造，或具有旋转的所有的元件(所谓的差动构造)的构造。 [0082] 此外，如上所述，未示出的替代方案可以具有在相应位置的部分10和/或部分47，和/或具有不同于示出的实施方式的形状。具体地，可以使这些组件以相对于环形齿轮6和结构9更大的或更小的半径沿着轴线3在齿轮装置1的一个侧向端部处布置。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈