技术领域
背景技术
[0002] 转轴是用来传送
扭矩的机械构件，其输入端与
电动机等动
力源相连，接受动力源产生的转动力矩，并通过转轴本身的扭转
变形将转动力矩传送到与转轴输出端相连的
齿轮等转动装置，驱动转动装置转动。为了传递大扭矩，转轴的直径需要很大。
[0003] 在一些特殊的场合中，动力源和转动装置之间的距离非常大，如果使用传统的转轴来长距离传送扭矩，那么，为了保持转轴自身的
刚度，特别是需要传送大扭矩时，转轴的直径可能非常大，因此，无法实际制造和应用。例如，
风能作为一种重要的清洁
能源，典型的利用方式是利用风电设备将
风力转
化成电力。在目前使用最多的
水平轴式风力发
电机中，
塔架的高度通常是数十米甚至是一百多米。在这样的高度上，将风轮转动直接传递到地面，是极其困难的。其中，单单是制造数十米长、一米甚至数米直径的转轴，就是难以逾越的技术障碍。因此，现有的风力
发动机都是将接收并传递
风能的风力机和利用风能发电的发电机设计在一起，封装在一个
机舱中，构成机头，然后通过转动支承装置安装在塔架顶部。然而，机头的重量非常大，特别是大中型风力发电设备的机头，可以达到数十吨到几百吨，制造、安装、运行和维护的成本高昂。
[0004] 如果能够将传递风轮扭矩所需的转轴的直径减小，就有可能实现直接向下长距离传递扭矩，那么，就可能进一步简化风力发电机的结构，降低制造、运行以及维护的成本。
[0005] 另外，在使用通常转轴的场合中，如果能够在不降低所要传递的扭矩的同时减小转轴的直径，那么，也同样将会产生明显的经济效益。
发明内容
[0006] 相应地，本发明提供了一种转轴组件，包括：接受扭矩的输入端
绞盘；输出扭矩的输出端绞盘；缆索
支撑件，所述缆索支撑件的一端
定位于所述输入端绞盘的中间部分，另一端定位于所述输出端绞盘的中间部分，所述缆索支撑件相对所述输入端绞盘的定位和所述缆索支撑件相对所述输出端绞盘的定位中的至少一个定位是可相对转动的定位；缆索，所述缆索绕所述缆索支撑件螺旋延伸，所述缆索的一端固定于所述输入端绞盘的边缘部分，另一端固定于所述输出端绞盘的边缘部分。
[0007] 在本发明中，绞盘的中间部分和边缘部分是相对而言的。
[0008] 根据本发明的转轴组件，因为所述缆索支撑件相对所述输入端绞盘的定位和所述缆索支撑件相对所述输出端绞盘的定位中的至少一个定位是可相对转动的定位，所以，当输入端绞盘接收扭矩而开始转动的瞬时，输入端绞盘和输出端绞盘之间产生相对转动，这种相对转动在缆索中产生拉
应力。因为缆索是螺旋式盘绕的，即相对于输出端绞盘边缘部分是倾斜的，所以，缆索中的拉应力在输出端绞盘的边缘部分产生周向分力。在这种周向分力的作用下，输出端绞盘相应地产生转动趋势。结果，输出端绞盘随着输入端绞盘的转动而转动，输出扭矩，实现了扭矩的传递。
[0009] 由于存在至少一个可相对转动的定位，所以，缆索支撑件不是用来在输入、输出绞盘之间传递扭矩，意味着与传统的转轴相比，缆索支撑件的具有大得多的设计灵活性，决定了本发明的转轴组件不仅可以应用于无法使用传统转轴的长距离扭矩传递的场合，例如前面所述的风力发电机中，而且，也可以应用与传统转轴应用场合，但比传统转轴具有更小的径向尺寸。
[0010] 所述缆索支撑件可以为筒状件，所述输入端绞盘和所述输出端绞盘可以对应地分别包括能够插入所述筒状件内部的凸台，所述筒状件与所述输入端绞盘的凸台和所述输出端绞盘的凸台中的至少一个能够相对转动。
[0011] 作为替换方式，所述缆索支撑件可以为杆状件，所述输入端绞盘和所述输出端绞盘可以对应地分别包括能够接纳所述杆状件的接收孔，所述杆状件与所述输入端绞盘的接收孔和所述输出端绞盘的接收孔中的至少一个能够相对转动。
[0012] 所述输入端绞盘和所述输出端绞盘可以分别在边缘部分包括所述缆索能够穿过的通孔，所述通孔直径小于在所述缆索的端部形成的固定部的尺寸。
[0013] 在所述通孔的背离所述缆索的一端可以形成有直径大于所述通孔的直径的沉孔，所述沉孔的直径和深度能够容纳在所述缆索的端部形成的固定部。
[0014] 所述缆索可以经过预拉伸处理。
[0015] 所述转轴组件可以包括多个缆索。所述多个缆索可以以从所述缆索支撑件径向向外分为至少两层的形式绕所述缆索支撑件延伸。
[0016] 所述多个缆索中的一部分缆索按照顺
时针方向绕所述缆索支撑件延伸，另一部分缆索按照逆时针方向绕所述缆索支撑件延伸。
[0017] 所述多个缆索按照不同的
螺旋角绕所述缆索支撑件延伸。
[0018] 所述转轴组件可以包括多个缆索支撑件，所述多个缆索支撑件的至少一端由联结件结合在一起，并通过所述联结件可相对转动地定位于所述输入端绞盘和所述输出端绞盘中的一个上。
附图说明
[0019] 图1是根据本发明一种实施方式的转轴组件的示意图。
[0020] 图2是根据本发明一种实施方式的转轴组件中绞盘的剖视图。
[0021] 图3是图2所示绞盘的俯视图。
[0022] 图4是根据本发明一种实施方式的转轴组件的局部剖视图。
[0023] 图5是根据本发明一种实施方式的转轴组件的局部剖视图。
[0024] 图6是根据本发明一种实施方式的转轴组件的示意图。
[0025] 图7是图6所示转轴组件一种实施方式的联结件的剖视图。
[0026] 图8是图6所示转轴组件一种实施方式的联结件的剖视图。
[0027] 图9是根据本发明一种实施方式的转轴组件的局部剖视图。
具体实施方式
[0028] 下面参照附图描述本发明的具体实施方式。
[0029] 图1是根据本发明一种实施方式的转轴组件的示意图。本发明的转轴组件包括缆索支撑件1、缆索2、用于接受扭矩的输入端绞盘3和用于输出扭矩的输出端绞盘4。输入端绞盘3和输出端绞盘4分别固定到输入端转动装置5和输出端转动装置6。
[0030] 输入端转动装置5和输出端转动装置6是本发明的转轴组件拟连接的转动装置，其中，输入端转动装置5向输入端绞盘3输入扭矩，输出端转动装置6从输出端绞盘4接受扭矩。在本发明中，输入端转动装置5和输出端转动装置6可以是本领域公知的任何形式的用来产生和/或传递扭矩的转动装置，例如图中所示的齿轮。
[0031] 图2和图3分别是根据本发明一种实施方式的转轴组件的绞盘的剖视图和俯视图。图中的绞盘既可以是输入端绞盘3，也可以是输出端绞盘4。在图示实施方式，两个绞盘具有相同的构造。但是，本领域技术人员可以理解，输入端绞盘3和输出端绞盘4可以具有不同的形状和构造，以适应具体的输入端转动装置5和输出端转动装置6。下文以输入端绞盘(简称“绞盘”)3为例进行说明，这些说明同样适用于输出端绞盘4。
[0032] 绞盘3优选地采用盘状结构，其具体的外部形状和尺寸，可以考虑拟与其固定的转动装置来确定。在图示的
实施例中，绞盘3包括沿周向等角度分布的3个通孔8，螺钉或者
螺栓7(见图1)等
紧固件能够穿过通孔8将绞盘3和转动装置5固定在一起。虽然图中示出了3个均匀分布的通孔，但是，根据拟连接的转动装置的具体情况，可以使用任意数量的通孔，通孔也可以不是均匀分布的。
[0033] 作为一种替换方式，也可以在绞盘3上形成
螺纹孔，用来接收穿过转动装置5的螺钉。作为另一种替换方式，可以将绞盘3和转动装置5
焊接在一起，或者利用
夹板等本领域公知的其他固定手段。本领域技术人员可以理解，绞盘3也可以是转动装置5的一部分，即绞盘3和转动装置5是一体的。
[0034] 如图1所示，在本发明中，缆索支撑件1的两端分别定位在输入端绞盘3和输出端绞盘4的中间部分，而且其中的至少一个定位是可相对转动的定位。因此，缆索支撑件1的作用不是传递扭矩，而是将输入端绞盘3和输出端绞盘4分隔开预定距离，即拟传递扭矩的距离，同时还作为缆索2螺旋盘绕的支撑。于是，缆索支撑件1可以根据具体的应用场合选用任何材料、截面尺寸和外部形状等。例如，在风力发电机中沿竖直方向长距离传递风轮扭转时，缆索支撑件的材料和构造主要是考虑竖直
稳定性或者刚度，而不必考虑扭矩的大小，因此，缆索支撑件的截面尺寸相比与传统转轴可以小得多。而且，因为缆索支撑件不参与传递扭矩，所以，缆索支撑件可以由多段具有便于加工制造的长度的部分联结而成。参见图6和图7，根据本发明的转轴组件还可以包括2个以上的缆索支撑件1(图中示出了3个)，这样的布局能够显著地提高缆索支撑件整体的竖直稳定性。而在通常的短距横向扭矩传递场合中，对缆索支撑件1几乎没有什么限制，从而为转轴组件的设计提供了极大的灵活性。
[0035] 图2、4、5、9以举例的方式图示出了缆索支撑件1和绞盘3之间的定位方式。
[0036] 如图4、5所示，缆索支撑件1被构造为筒状件。这种结构优选地适用于缆索支撑件1的截面尺寸需要较大的场合，因为筒状件节省材料而且重量轻，有助于降低材料成本和储运成本。对应地，绞盘3的中间部分形成有凸台11，凸台11能够插进筒状件1的内部。凸台
11的外部和筒状件1的内部形状可以是圆形，二者之间可以有间隙，这样便于加工、安装，而且提供了可相对转动的定位。凸台11的外部和筒状件1的内部形状也可以是相同或者不同的多边形或者其他的形状，只要二者能够插在一起并提供相对转动所需的一定间隙。
应当注意，在本发明中，“可相对转动”是为了在缆索中产生拉应力，因此，根据例如缆索的情况(见下文)，“可相对转动”可大可小。例如，在缆索是经过拉伸预处理的例如
钢丝绳的情况下，“可相对转动”仅仅是相对转动趋势就可以在
钢丝绳中产生期望的拉应力。筒状件
1的外部形状是圆柱形还是任何其他别的形状都不影响本发明的实施，可以根据加工、组装等等各种因素自由选用。
[0037] 在图9所示的根据本发明的另一种实施方式中，缆索支撑件1是一种杆状件，在绞盘3的凸台11上对应地形成能够接收杆状件1的接收孔13。当然，可以省略凸台11，而在绞盘3上直接形成接收孔13。接收孔13和杆状件1之间的定位关系，与上面所述的凸台11和筒状件1之间的定位关系基本相同，这里不再赘述。
[0038] 在根据本发明的又一种实施方式(未示出)中，缆索支撑件与输入端绞盘是一体的，而缆索支撑件的自由端以上面描述的任一方式定位于输出端绞盘。缆索支撑件也可以与输出端绞盘是一体的，而缆索支撑件的自由端以上面描述的任一方式定位于输入端绞盘。
[0039] 在图6～8所示的实施方式中，本发明的转轴组件包括3个(或者其他数量)缆索支撑件1，这些缆索支撑件的两端分别用联结件14结合在一起。两个联结件14接着分别定位到输入端绞盘3的中间部分和输出端绞盘4的中间部分，定位方式与缆索支撑件相对绞盘的定位方式相同。例如，联结件14上可以一体形成与绞盘3上的凸台11或者接收孔13相对应的筒状部15(图7)或者杆状部16(图8)。作为替换方式，筒状部15和杆状部16可以是同联结件14分离的。
[0040] 联结件14可以用本领域已知的各种方式将多个缆索支撑件结合在一起，包括但不限于焊接、将缆索支撑件插进联结件上形成的孔中、将联结件上形成的凸台插入筒状缆索支撑件中。本发明对联结件14的外形没有限制。
[0041] 根据本发明的一种实施方式(未示出)，多个缆索支撑件的一端可以同输入端绞盘3和输出端绞盘4中的一个以上面所述的结合方式直接结合在一起，而多个缆索支撑件的另一端利用上述的联结件14定位于输入端绞盘3和输出端绞盘4中的另一个。
[0042] 在本发明中，缆索2是用来传递扭矩的部件。见图1和6，缆索2绕着一个或者多于一个的缆索支撑件1螺旋地延伸，其相对于缆索支撑件1的纵向轴线形成一定螺旋角，因此，相对于输入端绞盘3和输出端绞盘4的边缘部分成一定的倾斜角。当两个绞盘之间存在相对转动的趋势时，输入端绞盘3的边缘部分的周向运动趋势在缆索2中产生了拉应力，而这个拉应力又沿着输出端绞盘4的边缘部分周向分解出一个周向力，作用在输出端绞盘4的边缘部分的周向力构成了驱动输出端绞盘4转动的扭矩，从而使得输出端绞盘4随着输入端绞盘3转动，实现了扭矩的传递。
[0043] 优选的是，根据本发明的转轴组件包括多个缆索2，这些缆索2可以沿着周向在绞盘边缘部分均匀分布。非均匀分布也是可以的。
[0044] 在图1、4、6、9所示的实施方式中，这些缆索2可以是一层。在图5所示的实施方式中，这些缆索2也可以沿着缆索支撑件1的径向从内向外地形成多层，例如2层、3层等。
[0045] 根据本发明的一种实施方式，这些缆索2可以以相同的螺旋角盘绕在缆索支撑件1上。作为替换方式，这些缆索2也可以以不同的螺旋角进行盘绕。
[0046] 根据本发明的一种实施方式，一部分缆索可以按照顺时针
方向盘绕的缆索支撑件上，另一部分缆索可以按照逆时针方向进行盘绕。这种实施方式的优点是，转轴组件能够传递两个相反方向的转动。
[0047] 缆索2优选的选用拉伸强度高的材料或者结构形成，例如
碳钢、高强度碳
纤维、工业尼龙、钢丝绳等，可以根据具体应用场合，结合重量强度比和/或成本强度比，进行设计和选用。根据本发明的一种实施方式，缆索经过预拉伸处理。这种方案的优点是，两个绞盘产生的相对转动很小甚至只是相对转动趋势，也足以用来传递扭矩，大大减小了扭矩传递的延迟。
[0048] 下面参见图2～5和图9描述根据本发明用来固定缆索的一种实施方式。如图所示，可以在绞盘3的边缘部分上形成通孔9，缆索2能够穿过通孔9。缆索2的端部形成有固定部12。固定部12可以是固定到缆索2端部的任何不能通过通孔9的物体，也可以是通过对缆索2打结形成的膨大部分。当需要将绞盘3与转动装置5贴合地固定在一起时(见图1和图6)，可以在通孔9背离缆索2或者朝向转动装置5的一侧形成直径大于通孔9的沉孔10，沉孔10的深度能够容纳缆索2的固定部12。在绞盘3是转动装置5的一部分的情况(未示出)下，通孔9可以开口于转动装置5的侧面。缆索2的固定部12可以直接露在转动装置5的侧面。或者，在转动装置5的侧面形成沉孔，将固定部12放置在沉孔中，这样的设计不仅美观，而且不会同其他物体发生干涉。
[0049] 下面，描述根据本发明的转轴组件的操作。参见图1，输入端绞盘3从输入端转动装置5接受扭矩并开始转动。因为缆索支撑件1至少在一端可相对转动地定位与两个绞盘之间，所以，两个绞盘之间产生一定的相对转动(包括相对转动趋势)。绞盘间的这种相对转动在两端分别固定于绞盘上并绕着缆索支撑件1螺旋延伸的缆索中产生拉应力，该拉应力在输出端绞盘4的边缘部分上分解为沿周向的力和垂直于输出端绞盘4的力。作用在输出端绞盘4的边缘部分上的周向力产生了作用在输出端绞盘4上的扭矩，驱动输出端绞盘4转动，从而使得输出端绞盘4随着输入端绞盘3转动，并将扭矩输出给输出端转动装置6。
[0050] 根据本发明的转轴组件是利用缆索的拉应力来传递扭矩。因此，在根据本发明的转轴组件中不存在像本领域
现有技术中那样利用扭曲变形来传递扭矩的转轴。因此，转轴组件的径向尺寸可以做得很小。尤其是在长距离传递扭矩的场合，本发明的转轴组件更具优势，因为本发明的转轴组件中的缆索支撑件可以进行灵活设计，例如分段连结以及使用多个缆索支撑件。
[0051] 上面参照附图对本发明进行了具体的描述。但是，本领域技术人员应该理解，上面的具体描述仅仅是举例性质的，用于说明性的目的，并非是用来限制本发明的保护范围。本发明的保护范围仅由
权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员在不超出本发明保护范围的情况下可以根据具体情况对本发明做出各种变型、
修改或者替换。例如上面的描述虽然针对的是在输入端绞盘3和输出端绞盘4具有相同构造的情形，但是，二者可以采用不同的形式。作为一种变型，输入端绞盘3可以具有图2所示的结构，输出端绞盘4可以作为输出端转动装置6的一部分。类似地，对上面描述的不同结构的不同实施方式进行的组合，还将可以得到不同的变型。
