BE1029850B1 - Hauptlageranordnung für eine Windenergieanlage - Google Patents

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BE1029850B1 BE20215812A BE202105812A BE1029850B1 BE 1029850 B1 BE1029850 B1 BE 1029850B1 BE 20215812 A BE20215812 A BE 20215812A BE 202105812 A BE202105812 A BE 202105812A BE 1029850 B1 BE1029850 B1 BE 1029850B1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hauptlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren Rotors (1) einer Windenergieanlage, wobei der Rotor (1) über mindestens ein Wälzlager (2) drehbar gegenüber einer Anschlusskonstruktion gelagert ist, wobei das Wälzlager (2) einen Außenring (3) aufweist, der über seine radiale Außenumfangsfläche (4) mit einer ringförmigen Aufnahme (A) der Anschlusskonstruktion über einen Presssitz verbundenen ist, Um eine Hauptlageranordnung zur drehbaren Lagerung eines Rotors einer Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei der die voranstehend beschriebenen Schäden vermieden werden, die durch Ringwandern des mittels Presssitz in einer ringförmigen Aufnahme der Anschlusskonstruktion angeordneten Wälzlageraußenrings auftreten, wird vorgeschlagen, dass der Außenring (3) an mindestens einer axialen Stirnfläche (6) mindestens ein erstes Formschlusselement (7) aufweist, wobei ein mit der Anschlusskonstruktion drehtest verbundenes Gegenelement (8) vorgesehen ist, welches mindestens ein zweites Formschlusselement (9) aufweist, und wobei zwischen dem ersten (7) und dem zweiten Formschlusselement (9) eine in Umfangsrichtung des Außenrings (3) wirksame Formschlussverbindung (10) ausgebildet ist.

Description

' BE2021/5812
Hauptlageranordnung für eine Windenergieanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Hauptlageranordnung für eine Windenergieanlage. Mit einem
Hauptlager wird der Rotor einer Windenergieanlage (also z.B. die Rotorwelle, welche die
Rotornabe einer Windenergieanlage mit einem Getriebe oder direkt mit einem Generator zur Stromerzeugung verbindet) gelagert.
In der Druckschrift EP 2 947 339 B1 wird beschrieben, dass bei bekannten
Hauptlageranordnungen zur Lagerung eines drehbaren Rotors einer Windenergieanlage der Rotor über mindestens ein Wälzlager drehbar gegenüber einer drehfesten
Anschlusskonstruktion der Windenergieanlage gelagert ist, wobei das Wälzlager einen
Innenring aufweist, der über seine radiale Innenumfangsfläche mit einer Mantelfläche des
Rotors über einen Presssitz verbundenen ist.
Die EP 2 947 339 B1 befasst sich mit dem Problem des so genannten Ringwanderns, das insbesondere bei GroBlagern, die als Hauptlager des Rotors/der Rotorwelle von
Windenergieanlagen eingesetzt werden und die mehrere Meter große Durchmesser aufweisen ein relevantes Problem darstellt. In EP 2 947 339 B1 wird die Problematik des
Ringwanderns bei Hauptlagern von Windenergieanlagen sowie aus dem Stand der
Technik bekannte Maßnahmen zur Verhinderung des Ringwanderns ausführlich wie folgt beschrieben:
Mit immer größeren Wälzlagern hat sich insbesondere ein sicherer Lagersitz als problematisch herausgestellt. Hauptlager von Rotoren von Windenergieanlagen werden üblicherweise mittels so genannter Presssitze positioniert bzw. befestigt, d.h. ein jeweiliger Lagerring des Wälzlagers, also ein Innenring sowie ein Außenring, werden in eine entsprechende ringförmige Aufnahme am Rotor bzw. an der Anschlusskonstruktion eingepresst. Dabei handelt es sich um eine Passungspaarung mit Übermaß, womit ein kraftschlüssiger Verband entsteht (auch als „Pressverband“ bezeichnet).
Bei großen Lagerdurchmessern ergibt sich ein sehr ungünstiges Verhältnis von
Durchmesser/Ringquerschnitt, womit eine ausreichende Kraft (Fugenpressung) für einen zo festen Lagersitz nicht mehr sichergestellt werden kann. Eine weitere Erhöhung des
Passungsübermaßes führt nur zu einer geringfügigen Erhöhung der Fugenpressung, da
? BE2021/5812 der dünnwandige Lagerring sich leichter aufweitet, wohingegen der massivere Rotor bzw. die massivere Anschlusskonstruktion sich nur geringfügig einschnürt. Eine zu starke
Aufweitung des Lagerrings wiederum führt zu hohen Zugspannungen bzw.
Druckspannungen im Lagerring, was zu einer negativen Beeinflussung der
Laufbahngeometrie durch Formabweichungen des Lagerrings führen kann. Weiterhin wird dadurch auch bei vielen Lagerbauformen die Lagerluft, also ein positives Lagerspiel verändert, was sich direkt auf die Lebensdauer und Laufruhe des Lagers negativ auswirken kann.
Der somit nicht ausreichende Presssitz zwischen Lagerring und Rotor/
Anschlusskonstruktion birgt daher das Risiko von Passungsrost und Ringwandern, was zum Versagen der Wälzlagerung und/oder des Rotors (der Rotorwelle) bzw. der
Anschlusskonstruktion (auch als „Gehäuse“ der Windenergieanlagengondel bezeichnet) führt. Der Schadensmechanismus beginnt in der Regel mit kleinen Relativoewegungen im Lagersitz zwischen diesem und dem Lagerring, die aufgrund zu geringer Spannungen bzw. Kräfte (Fugenpressung) möglich werden. Dadurch kommt es zum gleitenden
Verdrehen (in Umfangsrichtung) und Verschieben (in Axialrichtung) der Passungsflächen zueinander. Hierdurch werden Randschichtteilchen meist vom weicheren Bauteil abgeschert, wodurch Löcher und schuppenartige Materialteilchen entstehen. Man spricht bei diesem VerschleiBmechanismus von adhäsivem Verschleiß. Überlagert und beschleunigt wird dieser Prozess durch eine Oxidation in der Passungsfuge. Aufgrund der Relativbewegungen können Wasser, Sauerstoff und andere Medien in den
Kontaktbereich gelangen, was wiederum zu einer chemischen Reaktion führt, die in
Kombination mit der Bauteilbewegung als Tribooxidation bezeichnet wird.
In der Regel ermüdet bei diesem Schadensverlauf der weichere Teil in der
VerschleiBkette, was in der Regel die Welle bzw. das Gehäuse / die
Anschlusskonstruktion ist. Oftmals kommt es erst zum großflächigen Materialabtrag unter dem Lager und letztendlich zum Bruch der Welle direkt am Lagersitz aufgrund der
Kerbwirkung und hohen Kräfte. Verstärkt wird diese Problematik durch den erforderlichen
Leichtbau in der Windkraft. Aufgrund der limitierten Turmkopfmassen, des zo anspruchsvollen Transportes und der teuren Krankapazitäten wird versucht, die mechanischen Strukturen leichter zu gestalten. Maschinenträger, Welle und Gehäuse sind daher nicht (mehr) als hochsteife Strukturbauteile anzusehen. Doch genau eine sehr steife Umgebung wird bei der Basisauslegung von den Wälzlagerherstellern für jedes
> BE2021/5812
Wälzlager gefordert. Die Strukturbauteile moderner Windkraftanlagen verformen sich unter den hohen Windlasten so massiv, dass auch der Wälzlagersitz großflächigen
Verformungen unterworfen ist. Diese globalen Verformungen tragen zusätzlich zur
Verschärfung der Problematik hinsichtlich Passungsrost und adhäsivem Verschleiß bei.
Weiterhin problematisch an der zunehmenden Lagergröße sind die erhöhten Toleranzen für die Lagersitzflächen. Eine Passung für einen Lagerring von 2,5m Durchmesser weist ein sehr hohes Toleranzfeld auf. Kombiniert mit dem ebenfalls hohen Toleranzfeld für den Lagersitz an der Welle oder am Gehäuse ergibt sich eine hohe Schwankung in der
Presspassung. Fallen diese hohen Toleranzen ungünstig zusammen, verbleibt nur noch ein sehr geringer Anteil an Fugenpressung in dem Presssitz. Somit ist dieser Presssitz besonders anfällig auf Relativbewegung, die Passungsrost und adhäsiven Verschleiß auslöst. Dies erklärt auch die unterschiedlichen Ausfallraten bei Schäden durch
Passungsrost und Verschleiß im Pressverband.
Insbesondere für Hauptlager von Windenergieanlagen gibt es aktuell noch keine hinreichenden technischen Lösungen für diese Problematik. Spezielle
Kunststoffbeschichtungen wie PTFE auf dem Lagerring und/oder am Lagersitz an der
Welle bzw. am Gehäuse können die Problematik der chemischen Reaktion zwischen den beiden metallischen Passungsträgern etwas reduzieren. Allerdings wird sich die
Problematik des geringen Fugendrucks mit solchen Beschichtungen nicht beheben lassen. Harte Schichten wie DLC (Diamond Like Carbon) oder Hartchrombeschichtung für Lagerring und/oder Welle bzw. Gehäuse können den adhäsiven Verschleiß reduzieren, jedoch bleibt die Problematik der chemischen Reaktion und somit des
Passungsrostes bestehen. Da beide Alternativen nur einen der zwei
Verschleißmechanismen reduzieren und zudem mit sehr hohen Kosten verbunden sind, werden sie bei Hauptlagerungen nicht eingesetzt.
Alternativ wurden in den letzten Jahren bereits Einlager-Lösungen mit verschraubten
Außenringen und später auch des Innenringes der Hauptlagerung eingesetzt. Fokus war jedoch hier nicht der Pressverband, sondern die Schaffung einer voreinstellbaren
Lageranordnung.
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Die Verschraubung von Lagerringen ist jedoch wie bekannt mit zahlreichen Nachteilen verbunden. Dazu zählen hohe Ringquerschnitte (Gewicht & Kosten), limitierte Steifigkeit der Verschraubung sowie schwierige Montage solcher Wälzlagersysteme.
Die EP 2 947 339 B1 schlägt zur Verringerung oder sogar Unterbindung der beschriebenen Probleme hinsichtlich Passungsrost, adhäsivem Verschleiß und
Ringwandern vor, dass sich die Wälzkörper des Hauptlagers an der Rotorwelle bzw. dem
Gehäuse / der Anschlusskonstruktion unmittelbar ohne separaten Lagerring an einer
Laufbahn abstützen, die integrierter Bestandteil der Rotorwelle bzw. des Gehäuses / der
Anschlusskonstruktion ist. Diese Maßnahme hat jedoch mehrere gravierende Nachteile.
Zum einen müssen die in die Rotorwelle bzw. das Gehäuse integrierten
Wälzkörperlaufbahnen gehärtet werden, um die geforderte Lebensdauer des
Hauptlagers erreichen zu können. Dies ist bei integral mit den Rotorwellen und
Gehäusebauteilen ausgebildeten Laufbahnen jedoch technisch sehr schwierig, aufwändig und teuer, weil z.B. an der gesamten Rotorwelle nur die integrierte Laufbahn zum Härten selektiv erwärmt und abgeschreckt werden muss, dabei jedoch die gesamte
Rotorwelle gehandhabt werden muss. Zum anderen ist es nicht möglich, im Fall eines
Lagerschadens das Lager oder einzelne Lagerringe auszutauschen, sondern es ist erforderlich, das gesamte Bauteil mit der integrierten Wälzkörperlaufbahn auszutauschen, was viel aufwändiger und sehr viel höhere Kosten verursacht.
In der Druckschrift DE 10 2017 109 148 A1 wird eine Verdrehsicherung für ein Wälzlager zur Verhinderung des Ringwanderns und zur gleichzeitigen Erreichung einer gewünschten Lagervorspannung in einer Gehäuse-Welle-Anordnung beschrieben. Die
Welle ist über das Wälzlager relativ zum Gehäuse drehbar gelagert. Der Innenring des
Wälzlagers ist drehfest mit der Welle verbunden. Der Außenring des Wälzlagers ist über ein Sicherungselement relativ zum Gehäuse in axialer Richtung vorgespannt und gegen
Verdrehen gesichert. Das Sicherungselement ist als Wellenfeder ausgestaltet. Die
Wellenfeder greift mit einem in axialer Richtung hervorstehenden ersten
Federbogenbereich in zumindest eine Ausnehmung des Außenrings des Wälzlagers ein.
Gleichzeitig weist die Wellenfeder zumindest einen zweiten Federbogenbereich auf, der zo In eine Aussparung eines gehäusefesten Bauteils eingreift.
Die in DE 10 2017 109 148 A1 beschriebene Verdrehsicherung scheint für die
Verwendung in kleineren Gehäuse-Welle-Anordnungen zum Beispiel in Kraftfahrzeugen
> BE2021/5812 vorgesehen zu sein. Für den Einsatz in Hauptlageranordnungen von
Windenergieanlagen ist diese Verdrehsicherung nicht geeignet, weil dazu eine sehr große Wellenfeder mit mehreren Metern Durchmesser erforderlich wäre. Dieses zusätzliche Sicherungselement würde das Gesamtgewicht der Hauptlageranordnung sehr stark erhöhen. Der Einbau einer solchen Wellenfeder wäre sehr schwierig und aufwändig. Außerdem würde es nicht möglich sein, die großen Kräfte, die erforderlich sind, um die Großwälzlager von Hauptlageranordnungen von Windenergieanlagen axial vorzuspannen, über eine gemäß der Lehre der DE 10 2017 109 148 A1 eingebaute
Wellenfeder aufzubringen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hauptlageranordnung zur drehbaren Lagerung eines Rotors einer Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei der die voranstehend beschriebenen Schäden vermieden werden, die durch
Ringwandern des mittels Presssitz in einer ringförmigen Aufnahme der
Anschlusskonstruktion angeordneten Wälzlageraußenrings auftreten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Hauptlageranordnung mit den in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den
Zeichnungen.
Die Erfindung geht von einer Hauptlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren
Rotors einer Windenergieanlage aus, wobei der Rotor über mindestens ein Wälzlager drehbar gegenüber einer Anschlusskonstruktion gelagert ist, wobei das Wälzlager einen
AuBenring aufweist, der über seine radiale Außenumfangsfläche mit einer ringförmigen
Aufnahme der Anschlusskonstruktion über einen Presssitz verbundenen ist. Dabei kann es sich um ein reines Radiallager handeln, oder auch um ein Lager, welches sowohl
Radial- als auch Axialkräfte aufnimmt bzw. überträgt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Außenring (3) an mindestens einer axialen
Stirnfläche (6) mindestens ein erstes Formschlusselement (7) aufweist, wobei ein mit der Anschlusskonstruktion drehfest verbundenes Gegenelement (8) vorgesehen ist, welches mindestens ein zweites Formschlusselement (9) aufweist, und wobei zwischen zo dem ersten (7) und dem zweiten Formschlusselement (9) eine in Umfangsrichtung des
Außenrings (3) wirksame Formschlussverbindung (10) ausgebildet ist.
° BE2021/5812
Das Gegenelement kann durch einen an Anschlusskonstruktion ausgebildeten radialen
Flansch gebildet werden. Alternativ kann auch ein mit der Anschlusskonstruktion drehfest verbundener Ring das Gegenelement bilden. Ein solcher Ring kann auf unterschiedliche Weise drehfest mit der Anschlusskonstruktion verbunden sein, z.B.
Mittels Schraubverbindungen, durch VerschweiBung, Verklebung oder Verlötung, usw.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Vorteil erreicht, dass keine hochgenaue
Fertigung der axialen Stirnflächen (Nut und Nase) notwendig ist. Durch ein umfangsseitiges, im Betrieb des Lagers auftretendes Setzen der formschlüssigen
Verbindung zwischen Lagerring und Gegenelement und eine damit einhergehende
Zunahme der tragenden umfangsseitigen Bereiche der Verbindung wird eine steigende umfangsseitige Tragkraft und Steifigkeit der Verbindung erzielt. Mit jeder
Setzerscheinung wird die umfangsseitige Relativbewegung von Lagerring und
Anschlusskonstruktion kleiner und kommt letztendlich zum Erliegen. Die
Setzerscheinungen werden durch die in Umfangsrichtung wirkenden Kräfte, die zwischen Außenring und Gegenelement auftreten, bewirkt. Das mindestens eine
Formschlusselement arbeitet sich sozusagen in die an der formschlüssigen Verbindung beteiligten Bauteile ein. So wird letztendlich das Ringwandern und Rutschen vollständig unterbunden.
Durch die Erfindung werden die voranstehend beschriebenen Schädigungen, die durch
Ringwandern hervorgerufen werden, zuverlässig verhindert.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von ersten und zweiten
Formschlusselementen angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Umfangsabschnitte zwischen benachbarten Formschlusselementen gleich lang sind. Dadurch wird insgesamt in Umfangsrichtung eine große Fläche der formschlüssigen Verbindung zur
Verfügung gestellt. Jede einzelne Formschlussverbindung ist daher nur vergleichsweise geringen Flächenpressungen ausgesetzt. Die Lebensdauer von Lageranordnungen mit einer Mehrzahl von formschlüssigen Verbindungen kann gegenüber
Ausführungsformen mit nur einer einzigen formschlüssigen Verbindung deutlich zo gesteigert werden. Sind die einzelnen formschlüssigen Verbindungen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet, d.h. sind die Umfangsabschnitte zwischen benachbarten Formschlussverbindungen gleich lang, so werden die Kräfte in
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Umfangsrichtung sehr gleichmäßig von dem Außenring in das Gegenelement eingeleitet und eine unerwünschte Verformung des Außenrings durch ungleichmäßig in das Gegenelement eingeleitete Umfangskräfte wird vermieden.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das Gegenelement ein mit der Anschlusskonstruktion drehfest verbundenes Bauteil oder ein an der Anschlusskonstruktion integral ausgebildeter
Flansch ist, wobei das mindestens eine zweite Formschlusselement an einer axialen
Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches ausgebildet ist, welche der axialen
Stirnfläche des Außenrings mit dem mindestens einen ersten Formschlusselement
Zugewandt ist. Dadurch, dass die Formschlusselemente an den Stirnflächen der jeweiligen Bauelemente angeordnet sind, können die Formschlusselemente so ausgebildet werden, dass sie in Radialrichtung eine große Länge aufweisen. Auf diese
Weise wird eine große Kraftübertragungsfläche in Umfangrichtung zur Verfügung gestellt, was wiederum zu relativ geringen Flächenpressungen in der einzigen ı5 formschlüssigen Verbindung oder in den einzelnen formschlüssigen Verbindungen beiträgt. Auch sind die an den Stirnflächen der Bauteile angeordneten
Formschlusselemente fertigungstechnisch einfach herzustellen, was zur Realisierung geringer Herstellungskosten beiträgt.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das mindestens eine erste Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Außenrings vorspringender Vorsprung und das mindestens eine zweite Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der
Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches zurückspringende Ausnehmung ausgebildet ist, oder dass das mindestens eine erste Formschlusselement als in
Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Außenrings zurückspringende
Ausnehmung und das mindestens eine zweite Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches vorspringender Vorsprung ausgebildet ist, wobei der Vorsprung in die Ausnehmung unter Ausbildung der in
Umfangsrichtung wirksamen Formschlussverbindung eingreift. Auf diese Weise zo ausgebildete Formschlussverbindungen weisen Formschlusselemente auf, die integral mit dem jeweiligen Bauteil (Außenring bzw. Gegenelement) ausgebildet sind. Separate, getrennt von dem Außenring bzw. dem Gegenelement ausgebildete
Verbindungselemente sind daher zur Bildung des Formschlusses nicht erforderlich. Die
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Anzahl der benötigten Bauteile wird dadurch minimiert. Auch der Montageaufwand ist vergleichsweise gering.
Alternativ ist nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäBen
Hauptlageranordnung vorgesehen, dass das mindestens eine erste
Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des AuBenrings zurückspringende Ausnehmung und das mindestens eine zweite Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches zurückspringende Ausnehmung ausgebildet ist, wobei die in Umfangsrichtung des
AuBenrings wirksame Formschlussverbindung über mindestens ein
Verbindungselement bewirkt wird, welches sowohl in die Ausnehmung im AuBenring als auch in die Ausnehmung in dem Bauteil oder Flansch formschlüssig eingreift. Bei dieser
Ausführungsform sind also beide Formschlusselemente als gegenüber der jeweiligen
Stirnfläche zurückspringende Ausnehmungen ausgebildet. Die formschlüssige
Verbindung wird dabei erst durch ein zusätzliches Verbindungselement bewirkt. Zwei einander zugeordnete erste und zweite Formschlusselemente bilden einen
Aufnahmeraum aus, in den ein Verbindungselement derart eingesetzt werden kann, dass zwischen Außenring und Gegenelement eine in Umfangsrichtung wirksame formschlüssige Verbindung entsteht. Das Verbindungselement kann dabei nach einer
Ausführungsform der Erfindung als Passfeder ausgebildet sein, die formschlüssig sowohl in die Ausnehmungen des Außenrings als auch in die Ausnehmungen des
Gegenelements eingreift.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement gegen Herausfallen in radialer Richtung gesichert ist. Die Sicherung kann dadurch erfolgen, dass das Verbindungselement mit dem Außenring oder dem Gegenelement oder mit beiden Bauteilen gleichzeitig verbunden wird. Die Verbindung kann z.B. durch Verschraubung oder stoffschlüssig durch Verschweißen, Verlöten oder Verkleben realisiert werden. Auch kann das
Verbindungselement z.B. kraft- und formschlüssig in den Ausnehmungen im Außenring zo und im Gegenelement aufgenommen sein. Zum Beispiel kann das Verbindungselement in Radialrichtung keilförmig ausgebildet und in die in Radialrichtung ebenfalls keilförmig oder V-förmig ausgebildeten Ausnehmungen eingepresst sein. Durch diese
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Maßnahmen kann verhindert werden, dass der Formschluss verloren geht und die zugehörige Verbindung in Umfangsrichtung keine Kräfte mehr übertragen kann.
Um auch einem Ringwandern in Axialrichtung der Anschlusskonstruktion entgegenzuwirken und ein solches axiales Ringwandern zu unterbinden ist nach einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung vorgesehen, dass der
Außenring durch mindestens eine lösbare Verbindung wie z.B. eine Schraubverbindung gegen eine Relativbewegung zur Anschlusskonstruktion in Axialrichtung gesichert ist.
Die lösbare Verbindung kann z.B. zwischen dem Außenring und dem Gegenelement ausgebildet sein. Die lôsbare Verbindung kann z.B. in den Umfangsbereichen zwischen den ersten und den zweiten Formschlusselementen angeordnet sein. Es kann eine oder es können mehrere lösbare Verbindungen vorgesehen sein.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass der Außenring ein Lagerring aus einem Vergütungsstahl mit einer oder mehreren induktiv randschichtgehärteten Wälzkörperlaufbahnen ist. Bei dieser
Ausführungsform können die ersten Formschlusselemente einfach und ohne großen fertigungstechnischen Aufwand in den Außenring eingebracht werden, weil die nicht zum randschichtgehärteten Laufbahnbereich gehörenden Bereiche des Außenrings nicht gehärtet sind und daher ohne Weiteres mechanisch bearbeitet, z.B. spanabhebend bearbeitet, werden können, um die ersten Formschlusselemente einzubringen. Grundsätzlich möglich wäre die Verwirklichung der vorliegenden
Erfindung auch an durchgehärteten oder einsatzgehärteten Außenringen, die z.B. aus dem Werkstoff 100Cr6 oder aus Einsatzstahl bestehen, allerdings wäre dann das
Einbringen der Formschlusselemente in den gehärteten Außenring deutlich aufwändiger.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das Wälzlager dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Lagers in
Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen, wobei der Außenring durch die auf ihn in
Axialrichtung wirkenden Kräfte derart in Richtung des Gegenelements gedrückt wird, dass das mindestens eine erste Formschlusselement in Richtung des mindestens einen zo zweiten Formschlusselements gedrückt wird. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Kraftfluss durch das Wälzlager die Formschlussverbindung unterstützt. Der
Außenring wird im Betrieb des Wälzlagers durch die auf ihn einwirkenden Axialkräfte immer zum Gegenelement hin gedrückt, d.h. immer in Richtung auf die
Formschlussverbindung. Dadurch kann der Formschluss nicht verloren gehen, selbst wenn keine mechanischen Sicherungsmaßnahmen zur Vermeidung eines Verlustes des Formschlusses ergriffen worden sind. Die im Betrieb auf das Wälzlager einwirkenden Kräfte stellen bei dieser Ausführungsform also den in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss zwischen Außenring und Gegenelement sicher. Gemäß einer
Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung kann das Wälzlager als angestelltes Kegelrollenlager ausgebildet sein.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass ein Innenenring des Wälzlagers an mindestens einer axialen
Stirnfläche mindestens ein drittes Formschlusselement aufweist, wobei ein mit dem
Rotor drehfest verbundenes zweites Gegenelement vorgesehen ist, welches mindestens ein viertes Formschlusselement aufweist, und wobei zwischen dem dritten und dem vierten Formschlusselement eine in Umfangsrichtung des Innenrings
Wirksame Formschlussverbindung ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform sind somit sowohl an dem Außenring als auch an dem Innenring des Wälzlagers in
Umfangsrichtung wirksame formschlüssige Verbindungen vorgesehen, durch die ein
Ringwandern sowohl des Außenrings als auch des Innenrings wirksam verhindert wird.
Die eingangs beschriebenen Schadensmechanismen, die durch Ringwandern auftreten können, werden auf diese Weise erfindungsgemäß in Bezug auf beide Lagerringe verhindert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch
Fig. 1 einen Außenring gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit ersten
Formschlusselementen,
Fig. 2 ein Ausführungsform der Erfindung mit einem in einer ringförmigen Aufnahme der
Anschlusskonstruktion montiertem Wälzlageraußenring,
Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl der Außenring als auch der
Innenring des Wälzlagers gegen Ringwandern in Umfangsrichtung gesichert sind, zo Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Formschlussverbindung,
Fig. 5 eine zu Fig. 4 alternative Ausführungsform der erfindungsgemäBen
Formschlussverbindung,
Fig. 6 eine zu Fig. 4 und Fig. 5 alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Formschlussverbindung.
Fig. 1 zeigt einen Außenring 3 eines Großwälzlagers in einer perspektivischen Ansicht.
Die übrigen Bauteile des Wälzlagers 2, also insbesondere der Innenring und die zwischen
Außenring 3 und Innenring angeordneten Wälzkörper, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.
Der Außenring 3 weist eine axiale Stirnfläche 6 und eine radiale Außenumfangsfläche 4 auf. Weiter weist der Außenring 3 erste Formschlusselemente 7 auf, die gegenüber der axialen Stirnfläche 6 hervorspringen. Der Außenring 3 ist im montierten Zustand mit seiner radialen Außenumfangsfläche 4 in einer ringförmigen Aufnahme A (vgl. Fig. 2 ) mittels Presssitz aufgenommen. Die in Fig. 1 nicht dargestellte Aufnahme A ist fest mit der Anschlusskonstruktion verbunden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Außenring 3, der in der ringförmigen Aufnahme A über einen Presssitz drehfest aufgenommen ist. Die Aufnahme
A ist drehfest mit einer nicht dargestellten Anschlusskonstruktion verbunden. Die
Aufnahme A weist ein Gegenelement 8 auf, das im dargestellten Ausführungsbespiel als
Flansch 12 ausgebildet ist. Der Flansch 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein integraler, einstückiger Bestandteil der Aufnahme A.
Der Außenring 3 weist eine axiale Stirnfläche 6 auf, welche dem Gegenelement 8 zugewandt ist. Das Gegenelement 8 bzw. der Flansch 12 weist eine der Stirnfläche 6 zugewandte axiale Stirnfläche 14 auf. An der axialen Stirnfläche 6 des Außenrings 3 sind erste Formschlusselemente 7 ausgebildet, die mit an der Stirnfläche 14 des
Gegenelements 8 ausgebildeten zweiten Formschlusselementen 9 eine formschlüssige
Verbindung 10 bilden, welche in Umfangsrichtung wirksam ist.
Die im Betrieb des Lagers auftretenden Axialkräfte unterstützen den Formschluss der
Formschlussverbindungen 10. Das Wälzlager 2 ist dazu eingerichtet, im Betrieb des
Lagers in Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen. Die von den Wälzkörpern 23 auf den AuBenring 3 einwirkende Kraft 25 hat eine in Axialrichtung wirkende zo Kraftkomponente 26, durch welche der AuBenring 3 in Richtung auf das Gegenelement
8 gedrückt wird. Dadurch wird die Stirnfläche 6 des Außenrings 3 im Betrieb der
Hauptlageranordnung durch die auf den Außenring 3 einwirkenden Kräfte gegen die
Stirnfläche 14 des Flansches 12 gedrückt. Dies ist in Fig. 2 durch den die Reaktionskraft andeutenden Pfeil 27 angedeutet. Die Formschlusselemente 7, 9 können auf diese
Weise ihren formschlüssigen Eingriff nicht verlieren. Die im Betrieb auftretenden, auf den
Außenring 3 einwirkenden Kräfte verhindern auf diese Weise, dass sich die
Verbindungspartner der formschlüssigen Verbindungen 10 in Axialrichtung voneinander entfernen und der Formschluss verloren geht, ohne dass dazu eine separate
Vorspannkraft aufgebracht werden muss. Insbesondere sind keine separaten
Vorspannelemente erforderlich, durch welche der Außenring 3 gegen den Flansch 12 vorgespannt wird.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl der Außenring 3 als auch der Innenring 22 des Wälzlagers 2 gegen Ringwandern in Umfangsrichtung gesichert sind. Der Innenring 22 weist an mindestens seiner axialen Stirnfläche 28 mehrere über den Umfang verteilt angeordnete dritte Formschlusselemente 29 auf. Das mit dem Rotor 1 drehfest verbundene zweite Gegenelement 30 weist eine Mehrzahl von über den
Umfang verteilt angeordneten vierten Formschlusselementen 31 auf. Zwischen den dritten 29 und den vierten Formschlusselementen 31 sind in Umfangsrichtung des
Außenrings 22 wirksame Formschlussverbindung 32 ausgebildet.
Die im Betrieb auftretenden, auf den Innenring 22 einwirkenden Kräfte unterstützen den
Formschluss der Formschlussverbindungen 32. Das Wälzlager 2 ist dazu eingerichtet, im Betrieb des Lagers in Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen. Die von den
Wälzkörpern 23 auf den Innenring 22 einwirkende Kraft 33 hat eine in Axialrichtung wirkende Kraftkomponente 34, durch welche der Außenring 22 in Richtung auf das zweite
Gegenelement 30 gedrückt wird. Dadurch wird die Stirnfläche 28 des Innenrings 22 im
Betrieb der Hauptlageranordnung durch die auf den Innenring 22 einwirkenden Kräfte gegen die der Stirnfläche 28 zugewandte Stirnfläche 35 des zweiten Gegenelements 30 gedrückt. Dies ist in Fig. 3 durch den Pfeil 36 angedeutet. Die Formschlusselemente 29, 31 können auf diese Weise ihren formschlüssigen Eingriff nicht verlieren. Die im Betrieb zo auftretenden, auf den Innenring 22 einwirkenden Kräfte verhindern auf diese Weise, dass sich die Verbindungspartner der formschlüssigen Verbindungen 32 in Axialrichtung voneinander entfernen und der Formschluss verloren geht, ohne dass dazu eine separate
Vorspannkraft aufgebracht werden muss. Insbesondere sind keine separaten
Vorspannelemente erforderlich, durch welche der Innenring 22 gegen das zweite
Gegenelement 30 vorgespannt wird.
In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweite Gegenelement 30 als mit dem Rotor 1 integral ausgebildeter Flansch 38 ausgebildet.
Der Außenring 3 und die den Außenring 3 aufnehmende Aufnahme A sind in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel analog zu dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel ausgeführt. Die Aufnahme A ist analog zu der in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsform als ringförmiges Bauteil ausgebildet, welches drehfest mit in Fig. 3 nicht dargestellten Elementen der Anschlusskonstruktion verbunden ist. Die
Anschlusskonstruktion kann z.B. Bestandteil eines Gehäuses der Gondel einer
Windenergieanlage sein.
Es versteht sich, dass im Rahmen der denkbaren Ausführungsformen der Erfindung alle
Formschlusselemente 7, 9, 29, 31 als Vorsprünge und/oder Ausnehmungen ausgebildet sein können. Alternativ können auch alle Formschlusselemente 7, 9, 29, 31 als
Ausnehmungen ausgebildet sein können, in die dann separate Verbindungselemente wie z.B. Passfedern eingesetzt werden, um die im Umfangsrichtung wirksamen
Formschlussverbindungen zu bilden.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl die ersten
Formschlusselemente 7 am AuBenring 3 als auch die zweiten Formschlusselemente 9 an dem Gegenelement 8/dem Flansch 12 als Ausnehmungen ausgebildet sind. Die
Formschlussverbindung wird über das Verbindungselement 21 hergestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 21 als Passfeder ausgebildet.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die ersten Formschlusselemente 7 am AuBenring 3 als Ausnehmungen und die zweiten Formschlusselemente 9 an dem
Gegenelement 8/dem Flansch 12 als Vorsprünge ausgebildet sind. Die
Formschlussverbindung wird durch das Eingreifen der Vorsprünge in die Ausnehmungen hergestellt.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die ersten Formschlusselemente zo 7 am AuBenring 3 als Vorsprünge und die zweiten Formschlusselemente 9 an dem
Gegenelement 8/dem Flansch 12 als Ausnehmungen ausgebildet sind. Die
Formschlussverbindung wird durch das Eingreifen der Vorsprünge in die Ausnehmungen hergestellt.
Bezugszeichenliste 1 Rotor 2 Wälzlager 3 AuBenring 4 AuBenumfangsfläche 5 Mantelfläche 6 Stirnfläche 7 Formschlusselement 8 Gegenelement 0 9 Formschlusselement
Formschlussverbindung 11 Bauteil 12 Flansch 14 Stirnflâche 15 Vorsprung 16 Ausnehmung 17 Ausnehmung 18 Vorsprung 19 Ausnehmung 20 Ausnehmung 21 Verbindungselement 22 AuBenring 23 Wälzkörper 24 Käfig 25 Kraft 26 Kraftkomponente 27 Pfeil 28 Stirnfläche 29 Formschlusselelement zo 30 — Gegenelement 31 Formschlusselement 32 Formschlussverbindung 33 Kraft 34 Kraftkomponente
35 Stirnfläche 36 Pfeil 37 Bauteil 38 Flansch

Claims (12)

Ansprüche
1. Hauptlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren Rotors (1) einer Windenergieanlage, wobei der Rotor (1) über mindestens ein Wälzlager (2) drehbar gegenüber einer Anschlusskonstruktion gelagert ist, wobei das Wälzlager (2) einen AuBenring (3) aufweist, der über seine radiale Außenumfangsfläche (4) mit einer ringförmigen Aufnahme (A) der Anschlusskonstruktion über einen Presssitz verbundenen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (3) an mindestens einer axialen Stirnfläche (6) mindestens ein erstes Formschlusselement (7) aufweist, wobei ein mit der Anschlusskonstruktion drehfest verbundenes Gegenelement (8) vorgesehen ist, welches mindestens ein zweites Formschlusselement (9) aufweist, und wobei zwischen dem ersten (7) und dem zweiten Formschlusselement (9) eine in Umfangsrichtung des Außenrings (3) wirksame Formschlussverbindung (10) ausgebildet ist.
2. Hauptlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von ersten und zweiten Formschlusselementen (7, 9) angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Umfangsabschnitte zwischen benachbarten Formschlusselementen (7, 9) gleich lang sind.
3. Hauptlageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (8) ein mit der Anschlusskonstruktion drehfest verbundenes Bauteil (11) oder ein an der Anschlusskonstruktion integral ausgebildeter Flansch (12) ist, wobei das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) an einer axialen Stirnfläche (14) des Bauteils (11) oder des Flansches (12) ausgebildet ist, welche der axialen Stirnfläche (6) des Außenrings (3) mit dem mindestens einen ersten Formschlusselement (7) zugewandt ist.
4. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (6) des Außenrings (3) vorspringender Vorsprung (15) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (14) des Bauteils (11) oder des Flansches (12) zurückspringende Ausnehmung (16) ausgebildet ist, oder dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (6) des AuBenrings (3) zurückspringende Ausnehmung (17) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (14) des Bauteils (11) oder des Flansches (12) vorspringender Vorsprung (18) ausgebildet ist, wobei der Vorsprung (15; 18) in die Ausnehmung (16; 17) unter Ausbildung der in Umfangsrichtung wirksamen Formschlussverbindung (10) eingreift.
5. Hauptlageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (6) des Außenrings (3) zurückspringende Ausnehmung (19) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (14) des Bauteils (11) oder des Flansches (12) zurückspringende Ausnehmung (20) ausgebildet ist, wobei die in Umfangsrichtung des Außenrings (3) wirksame Formschlussverbindung (10) über mindestens ein Verbindungselement (21) bewirkt wird, welches sowohl in die Ausnehmung (19) im Außenring (3) als auch in die Ausnehmung (20) in dem Bauteil (11) oder Flansch (12) formschlüssig eingreift.
6. Hauptlageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (21) als Passfeder ausgebildet ist.
7. Hauptlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (21) gegen Herausfallen in radialer Richtung gesichert ist. zo 8. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Außenring (3) durch mindestens eine lösbare Verbindung wie z.B. eine Schraubverbindung gegen eine Relativbewegung zur Anschlusskonstruktion in Axialrichtung gesichert ist.
9. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (3) ein Lagerring aus einem Vergütungsstahl mit einer oder mehreren induktiv randschichtgehärteten Wälzkörperlaufbahnen ist.
10. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (2) dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Lagers in Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen, wobei der Außenring (3) durch die auf ihn in Axialrichtung wirkenden Kräfte derart in Richtung des Gegenelements (8) gedrückt wird, dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) in Richtung des mindestens einen zweiten Formschlusselements (9) gedrückt wird.
11. Hauptlageranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (2) als angestelltes Kegelrollenlager ausgebildet ist.
12. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenring (22) des Wälzlagers (2) an mindestens einer axialen Stirnfläche (28) mindestens ein drittes Formschlusselement (29) aufweist, wobei ein mit dem Rotor (1) drehfest verbundenes zweites Gegenelement (30) vorgesehen ist, welches mindestens ein viertes Formschlusselement (31) aufweist, und wobei zwischen dem dritten (29) und dem vierten Formschlusselement (31) eine in Umfangsrichtung des Innenrings (22) wirksame Formschlussverbindung (32) ausgebildet ist.
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