技术领域
背景技术
[0002] 在变速装置(或
变速器)等传动系统中，
齿轮是最基本的传动零件。
齿轮传动系的
传动比(亦称转速比)取决于齿数比。当传动比非常大时，
小齿轮的转速非常高，因此小齿轮的齿很容易疲劳断裂。为了避免这种情况，在
现有技术中，通常将大传动比分配到若干级，使得每一级传动系具有合适的传动比。但是，这种多级传动造成了传动系统的体积大，结构复杂，成本高，传动效率低。特别是在大传动比无级变速的情况下，上述问题尤其严重。特别的，在
风力发电系统中，由于输入到发
电机的转速随坏境影响而变化剧烈，因此特别希望通过一套传动系统使得输入到发电机的转速稳定，并能够在一定程度上实现其无级变速。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单的传动系统，该传动系统特别适合于提供一种具有稳定的输出转速并能够在一定范围内进行无级变速的传动系统。
[0004] 相应地，本发明提供了一种传动系统，其包括第一差动行星齿轮机构、第二差动行星齿轮机构、第三差动行星齿轮机构和变速装置，其中，该第一差动行星齿轮机构、第二差动行星齿轮机构和第三差动行星齿轮机构中的每一个都包括：第一太阳齿轮、与所述第一太阳齿轮一体形成的第一半轴、第二太阳齿轮、与所述第二太阳齿轮一体形成的第二半轴、同时
啮合所述第一太阳齿轮和所述第二太阳齿轮的多个行星齿轮、可转动地支承所述多个行星齿轮的能够转动的行星齿轮架、与行星齿轮架一体形成的壳体。
输入轴通过第一变速装置与第一差动行星齿轮的第一半轴以及第二差动行星齿轮机构的第一半轴联接，第一差动行星齿轮机构的壳体通过第二变速装置与第二差动行星齿轮机构的壳体联接，所述第一差动行星齿轮机构的第二半轴与所述第三差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成，第三差动行星齿轮机构的壳体通过第三变速装置与第二差动行星齿轮机构的第二半轴联接。所述第三差动行星齿轮机构的第二半轴作为所述传动系统的输出端。应该理解的是，在本发明中所涉及的差动机构是能够实现差动功能的机构，其中可以采用任何类型能够实现差动功能的行星齿轮和
太阳轮。这种机构既包括由
直齿轮构成行星齿轮传动装置也包括由锥形齿轮构成的行星齿轮传动装置。
[0005] 在一种优选的实施方式中，所述第二差动行星齿轮机构的行星齿轮架与控制电机的输出端相连，以在所述控制电机的驱动下转动。在一种优选的实施方式中，所述控制电机是变频电机、
伺服电机、步进电机中的一种。
[0006] 在本发明中优选地规定，所述第一变速装置包括与所述输入轴一体形成的输入齿轮、与所述第一差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成的齿轮以及与所述第二差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成的齿轮，其中输入齿轮啮合在与所述第一差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成的齿轮和与所述第二差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成的齿轮之间。该第一变速装置能够通过输入轴同时驱动第一差动行星齿轮机构和第二差动行星齿轮机构的第一半轴旋转。
[0007] 在本发明中还优选地规定，所述第二变速装置为齿轮对，其包括第一齿轮，所述第一齿轮在所述第一差动行星齿轮机构的壳体上一体形成；第二齿轮，所述第二齿轮在所述第二差动行星齿轮机构的壳体上一体形成，其中所述第一齿轮和第二齿轮相互啮合。
[0008] 在本发明中还优选地规定，所述第三变速装置为齿轮对，其包括：第三齿轮，所述第三齿轮在所述第三差动行星齿轮机构的壳体上一体形成；第四齿轮，所述第四齿轮在所述第二差动行星齿轮机构的第二半轴上一体形成，其中所述第三齿轮和第四齿轮相互啮合。更为优选的是，所述第三变速装置还包括第五齿轮，所述第五齿轮啮合在所述第三齿轮和第四齿轮之间。由此第五齿轮起
惰轮的作用，使得第三齿轮与第四齿轮的转动方向相同，从而在这种情况下优选地使第三差动行星齿轮机构中的第一半轴、第二半轴以及壳体朝一个方向旋转，由此优选地在第二半轴上实现力的
叠加作用。
[0009] 根据本发明，所述差动行星齿轮机构优选地是
差速器。
[0010] 优选地，所述第三变速装置被构造为使得所述第三差动行星齿轮机构的壳体的转速与第二差动行星齿轮机构的第二半轴的转速比接近1/2。此时，特别能够能实现稳定的输出转速。
[0011] 本发明还提供了一种类似的传动系统，该传动机构同样地包括第一差动行星齿轮机构、第二差动行星齿轮机构、第三差动行星齿轮机构以及第一变速装置和第二变速装置，其中所述第一差动行星齿轮机构、所述第二差动行星齿轮机构和所述第三差动行星齿轮机构的每一个的结构都与上述差动行星齿轮机构相同，并且可以采用任何类型能够实现差动功能的行星齿轮和太阳轮。这种机构既包括由直齿轮构成行星齿轮传动装置也包括由锥形齿轮构成的行星齿轮传动装置。在这个传动系统的实施方式中，所述第一差动行星齿轮机构的第一半轴与所述第三差动行星齿轮机构的第二半轴一体形成，所述第一差动行星齿轮机构的第二半轴与所述第二差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成，所述第一变速装置连接在所述第三差动行星齿轮机构的第一半轴和所述第二差动行星齿轮机构的第二半轴之间，所述第二变速装置连接在所述第三差动行星齿轮机构的壳体和所述第二差动行星齿轮机构的壳体之间。
[0012] 根据一种优选的实施方式规定，所述第三差动行星齿轮机构的行星齿轮架和所述第二差动行星齿轮机构的行星齿轮架经由所述第二变速装置与控制电机的输出端相连，以在所述控制电机的驱动下转动。特别地，所述控制电机是变频电机、伺服电机、步进电机中的一种。
[0013] 根据这种实施方式优选地规定，所述第一变速装置包括：第一齿轮，所述第一齿轮与所述第三差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成；第二齿轮，所述第二齿轮与所述第二差动行星齿轮机构的第二半轴一体形成；惰轮；第三齿轮，所述第三齿轮经所述惰轮与所述第一齿轮啮合；第四齿轮，所述第四齿轮与所述第二齿轮啮合，其中，所述第三齿轮和所述第四齿轮与同一
转轴一体形成。
[0014] 在这种实施方式中，替代地，所述第一变速装置可以包括：第一齿轮，所述第一齿轮与所述第三差动行星齿轮机构的第一半轴一体形成；第二齿轮，所述第二齿轮与所述第二差动行星齿轮机构的第二半轴一体形成；第三齿轮，所述第三齿轮与所述第一齿轮啮合；惰轮；第四齿轮，所述第四齿轮经所述惰轮与所述第二齿轮啮合，其中，所述第三齿轮和所述第四齿轮与同一转轴一体形成。
[0015] 在这种实施方式中规定，所述第三差动行星齿轮机构的第一半轴、所述第二差动行星齿轮机构的第二半轴和所述第一变速装置的转轴中的一个作为所述传动系统的系统输入端，所述第一差动行星齿轮机构的行星齿轮架作为所述传动系统的输出端。
[0016] 替代地，在这种实施方式中规定，所述第一差动行星齿轮机构的行星齿轮架作为所述传动系统的系统输入端，所述第一差动行星齿轮机构的第一半轴、所述第二差动行星齿轮机构的第二半轴和所述第一变速装置的转轴中的一个作为所述传动系统的输出端。
[0017] 在这种实施方式中优选地规定，所述第二变速装置包括：第一齿轮，所述第一齿轮与所述第三差动行星齿轮机构的行星齿轮架一体形成；第二齿轮，所述第二齿轮与所述第二差动行星齿轮机构的行星齿轮架一体形成；第三齿轮，所述第三齿轮与所述第一齿轮啮合；第四齿轮，所述第四齿轮与所述第二齿轮啮合，其中，所述第三齿轮和所述第四齿轮与同一转轴一体形成。
[0018] 优选的是，所述第一变速装置和所述第二变速装置中的至少一个是变速器。
[0019] 在这个实施方式中优选地规定，所述第一差动行星齿轮机构、所述第二差动行星齿轮机构和所述第三差动行星齿轮机构是差速器。
[0020] 在这个实施方式中优选的是，所述第一变速装置被构造为使得所述第三差动行星齿轮机构的第一半轴和所述第二差动行星齿轮机构的第二半轴的转速比接近1。此时特别能实现稳定的输出转速。
[0021] 根据本发明的传动系统，能够以简单的结构获得期望的传动比。同时，能够通过小转速范围的输入获得期望的例如连续范围内的输出。本发明的传动系统结构简单、成本低，可以具有很小的体积并能够输出较为稳定的转速。因此，本发明特别适用于
风力发电系统，并且可以想到的是本发明也适用于
机动车辆等设备
附图说明
[0022] 下面将借助于附图对本发明的传动系统进行详细阐述。其中：
[0023] 图1以剖视图方式示出了差动行星齿轮传动机构，
[0024] 图2示出了根据本发明的第一种实施方式的传动系统的示意图，
[0025] 图3示出了根据本发明的第二种实施方式的传动系统的示意图。
具体实施方式
[0026] 图1具体示出了本发明中的第一差动行星齿轮传动机构1的示意图。第二、第三差动行星齿轮传动机构2、3具有与第一差动行星齿轮传动机构相同的结构。在本
实施例中，差动行星齿轮传动机构1、2、3是一种齿轮传动机构，其一个典型的例子为差速器。因此，在图1中作为示例仅示出了作为第一差动行星齿轮传动机构的一种差速器的结构示意图，第二、第三差动行星齿轮传动机构2、3也类似地被构造为第二差速器2和第三差速器3(在图1中未示出)。当然，该差动行星齿轮传动机构也可以是由直齿轮构成的行星齿轮传动机构，或者由锥形齿轮构成的行星齿轮传动机构等。
[0027] 在图1中可以看出，第一差速器1包括第一半轴11、第二半轴12和壳体13。第一差速器1还包括与第一半轴11一体形成的第一锥形齿轮(即第一太阳齿轮)15、与第二半轴72一体形成的第二锥形齿轮(即第二太阳齿轮)16、位于第一、第二锥形齿轮15、16之间并同时与这两个锥形齿轮啮合的多个行星齿轮17以及可转动地
支撑这些行星齿轮17的行星齿轮架18。通常行星齿轮17可以为两个或四个。在有两个行星齿轮17的情况下，这两个行星齿轮通过行星轴形式的行星齿轮架支承；在有四个行星齿轮17的情况下，这四个行星齿轮可以通过十字行星轴形式的
行星架支承。壳体13包围着上述构件并与行星齿轮架18一体形成。由于第二和第三差动行星齿轮传动机构具有与第一差动行星齿轮相同的结构，在此不再用附图单独示出这两者的具体结构。
[0028] 在本
申请中，“一体形成”既包括两个以上结构是同一单个零部件上的不同部分的情况，也包括两个以上结构单独形成后安装在一起，并在工作过程中如同单个零部件那样的情况。例如两个以上部件可以是在加工时一体成型的，或者作为单独的部件通过
法兰和/或紧固装置相互固接在一起的。
[0029] 在本发明中，“壳体”并非是必须的，其可以只是行星齿轮架的一部分。而且，“壳体”也并非仅仅是图1中所示的表现形式。例如，壳体也可以被替换为与行星齿轮架的转动中心一体形成的轴的形式，这个轴可以穿过第一锥形齿轮和第一半轴的中心孔，以及/或者穿过第二锥形齿轮和第二半轴的中心孔。在这个意义上，在下文的描述中，所有针对壳体的描述，都可以视为对行星齿轮架的描述。
[0030] 图2示意性地示出了根据本发明一种实施方式的传动系统。参见附图2，该传动系统包括三个差动行星齿轮传动机构1、2和3。
[0031] 第二差动行星齿轮机构2可以具有与第一差动行星齿轮机构1相同的构成(下文称“第二差速器”)，其组成部分以“2”开头的附图标记表示，即第一半轴21、第二半轴22、壳体23、第一锥形齿轮25、第二锥形齿轮26、行星齿轮27以及行星齿轮架28。
[0032] 第三差动行星齿轮机构3也可以具有与第一差动行星齿轮机构1相同的构成(下文称“第三差速器”)，其组成部分以“3”开头的附图标记表示，即第一半轴31、第二半轴32、壳体33、第一锥形齿轮35、第二锥形齿轮36、行星齿轮37以及行星齿轮架38。
[0033] 如前所述，在图2所示的传动系统中，输入轴4作为传动系统的系统输入端。除了该输入端外，第二差速器2的壳体23(或行星齿轮架28)还作为传动系统的控制输入端，该系统的输出端为第三差速器3的第二半轴32。可以通过在壳体23一体地形成齿轮58，接收控制输入。作为一个优选的实施例，控制输入可以来自于步进电机、伺服电机、变频电机等控制电机的输出。
[0034] 在图2中可以看出，输入轴10通过第一变速装置4与第一差速器1的第一半轴11以及第二差速器2的第一半轴21联接。该输入轴10的齿轮41和与第一差速器1的第一半轴11一体形成的齿轮42啮合，在另一侧和与第二差速器2的第一半轴21一体形成的齿轮43啮合。这种布置使得第一差速器1的第一半轴11与第二差速器2的第一半轴21以相同的转速和旋转方向转动。齿轮41与齿轮42以及齿轮43可以具有任意的传动比，齿轮42与齿轮43的齿数一致，在此以q表示齿轮41与齿轮42的传动比，由此齿轮41与齿轮
43的传动比也为q。因此在输入轴的转速为n0时，齿轮41、43的转速与第一差速器1的第一半轴11与第二差速器2的第一半轴21以转速qn0转动。优选地，齿轮41、42和43具有相同的齿数，此时传动比q等于1。
[0035] 在本实施例中，在第一差速器1和第二差速器2之间的第二变速装置被构造为齿轮对。在第一差速器1的壳体13上一体形成齿轮51，在第二差速器2的壳体2上一体形成齿轮52，所述齿轮51与齿轮52构成第一变速装置，即第一齿轮对5。特别的是，齿轮51与齿轮52齿数相同，使得第一差速器1的壳体13与第二差速器2的壳体23以相同的转速朝相反的方向旋转。当第二差速器2的壳体23在例如变频电机的驱动下以转速nE转动时，第一差速器1的壳体13(或行星齿轮架18)经由第一齿轮对5以转速n13转动。即：
[0036] n13＝-n23＝-nE (公式1)
[0037] 在此，特别地设第一差速器1的行星齿轮架18(或壳体13)的转速为n13，第一差速器1的第一半轴的转速为n11，第二半轴的转速为n12；第二差速器2的行星齿轮架28(或壳体23)的转速为n23，第二差速器的第一半轴的转速为n21，第二半轴22的转速为n22，则根据差动行星齿轮传动机构的传动比公式，有：
[0038] n11+n12＝2n13 (公式2)
[0039] n21+n22＝2n23 (公式3)
[0040] 在图2所示传动系统中，第二差速器2的第二半轴12与第三差速器3的第一半轴31一体形成。即有：
[0041] n31＝n12 (公式4)
[0042] 该第三差速器3的壳体33(或者行星齿轮架38)经第三变速装置6与第二差速器2的第二半轴22联接。在本实施例中，第三变速装置6被实施为由齿轮61、齿轮63(惰轮
63)和齿轮62组成，由于惰轮63啮合在齿轮61和62之间，使得齿轮61与62转动方向相同。该惰轮63在此是优选的，而并非强制性的。在替代地实施方式中，第三变速装置也可以仅包括由齿轮61和齿轮62组成的齿轮对。通过第三变速装置的各齿轮的齿数的设计使得第三差速器3的壳体33的转速n33与第二差速器2的第二半轴22的转速n22之间具有下列关系：
[0043] n33＝kn22 (公式5)
[0044] 由此，根据上述公式1至5可以计算出输出端，即第三差速器3的第二半轴n32的转速n输出为：
[0045] n输出＝(4k+2)×nE+(1-2k)×qn0 (公式6)
[0046] 由公式6可以看出，当k接近1/2时，即当第三差速器3的壳体33和第二差速器2的第二半轴22的转速比接近1/2时，可以使得|1-2k|×qn0非常小，从而利用通过第二差速器2的壳体23(或行星齿轮架28)接收的控制输入转速，可以对n32(即第三差速器3的输出转速)进行调整，从而获得平稳的、不受变化剧烈的输入转速影响的输出转速。
[0047] 在本实施例中，“接近1/2”指的是k与1/2的差的绝对值小于预定的值，但是k不等于1/2。该预定的值可以根据具体的第三变速装置的传动比来设计。例如通过对第三变速装置的设计，可以使|1-2k|小于百分之一或千分之一等。
[0048] 另外，与现有技术中的变速装置等传动系统不同，即使本发明的传动系统无需像现有技术那样必须分成多个传动级，结构简单。因此，本发明的传动系统特别适合于应用在需要稳定的转速输入的场合。而且，在k接近1/2时，只需小范围转速内的控制输入，就可以实现输出转速的连续调整，从而以简单的结构实现无级变速。
[0049] 参见图3。图3示意性地示出了根据本发明另一种实施方式的传动系统。图3传动系统与图2传统系统的区别在于，三个差动行星齿轮机构采用
串联的布置方式。图3传动系统中与图2传统系统相同的组成部分用相同的附图标记表示。
[0050] 相对于第二差速器2，第三差速器3位于第一差速器1的第一半轴11一侧，第一差速器1的第一半轴11与第三差速器3的第二半轴32一体形成。
[0051] 在图3所示的一种具体实施方式中，变速装置8(本实施例中称“第一变速装置”)连接在第三差速器3的第一半轴31和第二差速器2的第二半轴22之间。第一变速装置8包括与第一半轴31一体形成的第一齿轮81和与第二半轴22一体形成的第二齿轮82。第一变速装置8还包括与同一转轴86一体形成的第三齿轮83和第四齿轮84，其中，第三齿轮83通过惰轮85与第一齿轮81啮合，第四齿轮84与第二齿轮82啮合，因此第三差速器3的第一半轴31和第二差速器2的第二半轴22具有相反的转动方向。作为替换方式，第三齿轮83可以直接啮合第一齿轮81，而第四齿轮84经过惰轮85与第二齿轮82啮合。可以理解，加入惰轮85的目的是使得第一半轴31和第二半轴22具有相反的转动方向。
[0052] 在图3所示实施方式中，来自例如控制电机的可控转速经第二差速器2的壳体23上的齿轮72输入到传动系统中；同时，来自例如控制电机的可控转速经第二变速装置7的转轴73同时传递给第三差速器的壳体33上的齿轮39(第二变速装置7的第一齿轮)和第二差速器的壳体23上的齿轮29(第二变速装置7的第二齿轮)。第二变速装置7可以与第一变速装置8具有类似的构成方式，例如，还包括与转轴73一体形成的两个齿轮71和72。其中，第三齿轮71与第三差速器的壳体33上的第一齿轮39啮合，第四齿轮72与第二差速器2的壳体23上的第二齿轮29啮合，并且这两对齿轮对的传动比相同。
[0053] 设第三差速器3的壳体33(或行星齿轮架38)的转速为n33，n33＝n23＝nE。应该理解，由于第二变速装置的作用，第二、第三差速器的壳体转速相同。但是不是必须的，二者可以具有任意希望的转速比。例如，第二变速装置5可以具有各种希望的传动比，而且第二变速装置5可以是传动比可调的变速器。本发明的目的不在于设计变速装置结构本身，只要第二、第三差速器的壳体能够从控制电机获得希望的转速即可。
[0054] 进一步，设第三差速器3的第一半轴31的转速为n31，第二半轴32的转速为n32，第二差速器2第一半轴21的转速为n21，第二半轴22的转速为n22，则n22＝-pn31，其中p是变速装置8的传动比。类似地，可以得到：
[0055] n13＝(n11+n12)/2，
[0056] 进而得到：
[0057] n13＝2nE-(1-p)×n31/2，即n输出＝2nE-(1-p)×n0/2 (公式7)
[0058] 由公式7可以看出，当p接近1时，即当变速装置8的传动比接近1时，可以使得|1-p |×n0/2非常小，从而利用通过第二差速器2的壳体23(或行星齿轮架28)和第三差速器3的壳体33(或行星齿轮架38)接收的控制输入转速，可以对n13(即第一差速器1的输出转速)进行调整，从而获得平稳的、不受变化剧烈的输入转速影响的输出转速。
[0059] 在本实施例中，“接近1”指的是p与1的差的绝对值小于预定的值，但是p不等于1。该预定的值可以根据具体的传动系统的传动比来设计。该预定的值可以根据具体的传动系统的传动比来设计。例如，例如通过对变速装置的设计，可以使|1-p|小于百分之一或千分之一等。
[0060] 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，这些变型、修改或者替换落入本发明的保护范围。
