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Die
Erfindung betrifft ein Umlaufgetriebe mit den Merkmalen im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Der
großindustrielle
Einsatz von Windenergieanlagen (WEA) stellt erhebliche Anforderungen an
die Ausfallsicherheit solcher Anlagen. Die teilweise extrem hohen
Schadenskosten, insbesondere bei Offshore-Anlagen, machen eine optimale
Abstimmung der getriebetechnischen Komponenten erforderlich. Erst
die Kombination aus Rotor, Kupplungen, Getriebe, Generator und Elektronik
bestimmt, welche Belastungen auf welche Bauteile ausgeübt werden. Zur
optimalen Lastverteilung kommen in Windenergieanlagen unter anderem
Multiplaneten-Stufen in Kombination mit der sogenannten Flexpin-Lagerung zum
Einsatz. Die Technologie des Flexpin erlaubt den Einsatz von mehr
als drei Planeten in einer Planetenstufe bei gleichzeitiger linearer
Lastverteilung über
die Zahnflanken geradeverzahnter Planeten. Hierdurch wird die Tragfähigkeit
bei gleichzeitig geringer Baugröße deutlich
erhöht.
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Mit
zunehmendem Leistungsbedarf der WEA damit verbundenen höheren zu übertragenden
Drehmomenten werden zwangsläufig
die Gewichte und damit auch die Kosten der Getriebe höher. Weiterhin sind
insbesondere die ersten Planetenstufen eines Getriebes hohen Belastungen
ausgesetzt, die nicht selten eine Auslegung mit großen Verzahnungsbreiten
nach sich ziehen. Die Breitenlastverteilung kann problematisch sein
ebenso wie die Geräuschbildung bei
Geradverzahnung bzw. die auftretenden Axialkräfte bei Schrägverzahnung.
Die axialen Belastungen an der Sonnenradwelle müssen zudem durch geeignete
Maßnahmen
abgestützt
werden. Allen Standardkonzepten mit gerade- oder schrägverzahnten
Planeten-Stirnradgetrieben ist gemeinsam, dass das gesamte Antriebsmoment
der Rotorwelle über die
erste Planetenstufe geführt
werden muss, bis dann in der zweiten Planetenstufe je nach Übersetzung
der ersten Planetenstufe ein deutlich geringeres Drehmoment anliegt.
Häufig
ist die zweite Planetenstufe bei ausgeglichenen geometrischen Verhältnissen
bereits überdimensioniert.
Daher ist es ein grundsätzliches
Ziel bei der getriebetechnischen Auslegung, die Belastung auf mehrere
aufeinander folgende Planetenstufen möglichst gleichförmig zu verteilen.
Die hohen Belastungen gerade in der ersten Planetenstufe führen zu
immer breiter werdenden Verzahnungen oder aber zum Einsatz von mehr
als drei standardmäßig eingesetzten
Planetenrädern. Damit
verbunden ist die Problematik der gleichmäßigen Lastaufteilung auf die
Verzahnung sowie auf die Anzahl der eingesetzten Planetenräder.
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Aus
der DE-PS 1 500 451 ist ein Planetengetriebe mit Belastungsausgleich
bekannt, bei welchem die Planetenräder auf elastischen, in einem
Träger gehaltenen
Achsen über
Hülsen
gelagert sind, die über
einen Teil ihrer Länge
die Achsen unter Belassung eines eine Durchbiegung ermöglichenden
Ringraums umgeben. Die Achsen weisen über ihre Länge ein gleichmäßiges Biegeverhalten
auf und sind vom Träger
nur einseitig gehalten. Das Planetenrad ist jeweils mittig zwischen
der Halterung der Achse im Träger
und der Befestigung der Hülse
am freien Ende der Achse auf der Hülse gelagert. Die einseitige
Halterung der Achsen in dem Träger
ist bei sehr großen Lasten,
wie z. B. bei Getrieben für
Windenergieanlagen, insbesondere hinsichtlich der Breitenlastverteilung
nicht zufrieden stellend.
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Aus
der DE-PS 682 354 ist ein Umlaufrädergetriebe mit federnd zwischen
zwei gemeinsamen Trägern
gelagerten Umlaufrädern
bekannt, wobei die Achsen der Umlaufräder z. B. durch Verjüngung nach ihren
Enden hin federnd ausgebildet und nur in der Mitte zwischen beiden
Trägern
an je einer Hülse
befestigt sind. Die Hülsen
umschließen
die Achse mit Spiel. Diese Art der Befestigung zwischen Hülsen und
Achse ist relativ aufwendig.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Umlaufgetriebe
aufzuzeigen, bei welchem flexibel gelagerte Planetenräder zum Einsatz
kommen, wobei durch die Art der flexiblen Lagerung ein Ausgleich
der elastischen Verformung des Planetenradträgers erreichbar ist mit dem
Ziel, eine möglichst
gleichmäßige Breitenlastverteilung
an der Verzahnung eines Planetenrads zu erreichen und den Korrekturaufwand
der Verzahnung verringern zu können.
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Diese
Aufgabe ist bei einem Umlaufgetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 dadurch gelöst,
dass die außermittige
Position des Tragabschnitts relativ zur Mittelquerebene des Planetenrads derart
gewählt
ist, dass die elastische Verformung des Planetenradträgers kompensiert
wird und zu einer gleichmäßigen Breitenlastverteilung
führt.
Die exakte Positionierung des Tragabschnitts hängt von der zu erwartenden
Last ab, die an dem Planetenradträger angreift. Das Drehmoment
wird Idealerweise gleichmäßig auf
alle eingesetzten Stegachsen verteilt. Bei konstanter Breitenlastverteilung
im Zahneingriff teilen sich die Kräfte gleichmäßig auf die Einspannungen der
Stegachsen auf. Unterschiedliche Senk- und Drehfedersteifigkeiten
an den Einspannungen führen
zu unterschiedlichen Einfederungen und zu einer Tordierung des Planetenträgers in
Umfangsrichtung. Das heißt,
die Wangen und damit die Einspannungen für die Stegachse fluchten unter
Last nicht mehr.
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Die
Biegelinie der Stegachse wird zusätzlich durch die Verformung
der Hülse überlagert.
Die resultierende Verformung bei mittigem Tragabschnitt führt zu einem
ungleichmäßigen Tragverhalten
und damit zu ungleichmäßigem Verschleiß der Verzahnung. Durch
die außermittige
Positionierung des Tragabschnitts ist es überraschenderweise möglich, bei
einem Umlaufgetriebe, insbesondere für Windenergieanlagen, diese
elastische Verformung in weiten Grenzen auszugleichen und dadurch
die Breitenlastverteilung erheblich zu verbessern. Daraus resultiert wiederum,
dass der Umfang der bislang erforderlichen Verzahnungskorrekturen
reduziert werden kann.
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In
der Ausführungsform
des Patentanspruchs 2 ist der Tragabschnitt im Bereich des der Antriebsseite
abgewandten Längenabschnitts
der Stegachse angeordnet. Versuche haben gezeigt, dass diese Positionierung
des Tragabschnitts besonders geeignet ist, die der Erfindung zu
Grunde liegende Aufgabe zu erfüllen.
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Selbstverständlich kann
der Tragabschnitt grundsätzlich
auch im Bereich des der Antriebsseite zugewandten Längenabschnitts
der Stegachse positioniert sein. In beiden Fällen wird es jedoch als zweckmäßig angesehen,
wenn der Tragabschnitt einen Mindestabstand von den endseitigen
Einspannungen der Stegachse, das heißt von den Wangen besitzt.
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Der
Tragabschnitt ist in der Ausführungsform des
Patentanspruchs 3 benachbart der Mittelquerebene des Planetenrads
angeordnet. Unter benachbarter Anordnung zur Mittelquerebene ist
im Sinne des Patentanspruchs 4 ein Bereich beiderseits der Mittelquerebene
des Planetenrads zu verstehen, dessen Gesamtbreite kleiner ist als
70% der Breite des Planetenrads. Eine außermittige Positionierung innerhalb
dieses Bereiches ist dann gegeben, wenn die Mittelquerebene des
Tragabschnitts nicht mit der Mittelquerebene des Planetenrads zusammenfällt.
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In
der erfindungsgemäßen Weiterbildung des
Patentanspruchs 5 ist vorgesehen, dass die Hülse bei Überschreiten einer definierten
Last an den Wangen des Planetenradträgers und/oder an den den Wangen
benachbarten endseitigen Längenabschnitten
der Stegachse zur Anlage gelangt. Das flexible Stegachse/Hülse-System
ist in dieser Variante so ausgelegt, dass die Hülse durch ihre Eigenverformung
sowie durch die auf die Biegelinie der Stegachse zurückzuführende Parallelverschiebung
im Einspannungsbereich der Stegachse, an der Stegachse und/oder
an den Wangen zur Anlage gelangt. Dadurch wird eine Überbelastung
der Stegachse vermieden. Ein Lastausgleich in Umfangsrichtung als auch
der Ausgleich der durch Biegemomente an der Stegachse hervorgerufenen
Verformungen in radialer Richtung ist durch diese Art der Planetenlagerung gewährleistet.
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Der
Tragabschnitt kann an der Stegachse oder an der Hülse ausgebildet
sein (Patentansprüche 6
und 7). Fertigungstechnisch ist es am einfachsten, den Tragabschnitt
einstückig
an einer als Drehteil gefertigten Stegachse auszubilden. Der Tragabschnitt und
die Hülse
sind vorzugsweise konzentrisch ausgebildet, so dass die Stegachse
und die Hülse
im Bereich des Tragabschnitts über
eine Presspassung miteinander verbunden werden können. Die Hülse kann hierzu auf den Tragabschnitt
geschrumpft werden (Patentanspruch 8).
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Als
besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Verzahnungen eines
solchen Umlaufgetriebes als Doppelschrägverzahnungen ausgeführt sind (Patentanspruch
9). Vorteil dieser Lösung
ist eine gleichmäßige Lastaufteilung
auf beide vorzugsweise identisch ausgeführte Verzahnungen bei freier
axialer Einstellbeweglichkeit der Planetenräder und der Sonnenradwelle.
Die entgegengesetzt wirkenden Axialkräfte heben sich an der Sonnenradwelle
und am Hohlrad auf, so dass eine axiale Sicherung/Lagerung nicht
zwingend erforderlich ist. Vielmehr kann eine axiale Lagerung bei
fehlender Belastung sogar nachteilige Auswirkungen haben. Ein weiterer
wesentlicher Vorteil einer Doppelschrägverzahnung ist, dass der unter
Last auftretende Korrekturbedarf der Verzahnung im Vergleich zur
einfach schräg
oder gerad ausgeführten
Verzahnung auf die Hälfte
reduziert werden kann.
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Die
Breite des Tragabschnitts liegt in der Ausführungsform des Patentanspruchs
10 zwischen 10% und 50% der Breite des Planetenrads. Die gewählte Breite
ist unter anderem abhängig
von den Verformungseigenschaften der Stegachse und des Planetenradträgers.
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Der
Tragabschnitt im Sinne der Erfindung ist als derjenige Bereich zu
verstehen, über
den die Stegachse mit der Hülse
in Kontakt steht. Der Tragabschnitt kann in mehrere Tragbereiche
gegliedert sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Tragabschnitt
teilweise aus einem einstückig
mit der Stegachse verbundenen ersten Tragbereich und aus einem einstückig mit
der Hülse
verbundenen zweiten Tragbereich besteht. Solche Tragbereiche können unmittelbar
benachbart oder auch im Abstand zueinander angeordnet sein. Das
bedeutet, dass der Tragabschnitt im Sinne der Erfindung nicht zwangsläufig über seine
gesamte Erstreckung in Längsrichtung der
Hülse bzw.
der Stegachse mit der Hülse
bzw. der Stegachse in Kontakt steht. Beispielsweise kann der Tragabschnitt
durch mehrere umlaufende Nuten in einzelne Tragbereiche gegliedert
sein. Theoretisch ist es möglich,
dass bei aus mehreren Tragbereichen bestehenden Tragabschnitten
die Mittelquerebene eines Tragbereichs mit der Mittelquerebene des
Planetenrads zusammenfällt,
während
die Mittelquerebene eines weiteren Tragbereichs folglich im Abstand
zu der Mittelquerebene des Planetenrads verlaufen muss. Im Ergebnis
verläuft
jedoch die resultierende Mittelquerebene des gesamten Tragabschnitts im
Abstand zu der Mittelquerebene des Planetenrads, so dass der Tragabschnitt
insgesamt außermittig
positioniert ist. Hinsichtlich der Gewichtung der einzelnen Tragabschnitte
bei der Bestimmung der resultierenden Mittelquerebene ist in Analogie
zur Gleichgewichtsbedingung des Hebelgesetzes der Abstand der Mittelquerebene
eines Tragbereichs von der resultierenden Mittelquerebene mit der
Breite des zugehörigen
Tragbereichs zu multiplizieren (Patentanspruch 11).
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die 1 und 2 zeigen
ein Umlaufgetriebe im Querschnitt. Das dargestellte Umlaufgetriebe
oder Planetengetriebe ist in diesem Ausführungsbeispiel die erste Getriebestufe.
Das Umlaufgetriebe 1 ist in nicht näher dargestellter Weise mit
einem Rotor der Windenergieanlage gekoppelt. Das Antriebsdrehmoment
R wird über
die in der Bildebene links liegende Antriebsseite in einen zentralen
Wellenanschluss 2 eines Planetenradträgers 3 eingeleitet.
Der Planetenradträger 3 ist
zweiwangig ausgeführt,
wobei zwischen der antriebsseitigen Wange 4 und der abtriebsseitigen
Wange 5 die Planetenräder 6 angeordnet
sind. Der Planetenradträger 3 ist
einstückig ausgebildet
und über
Lager 7, 8 in einem Getriebegehäuse 9 gelagert.
Das Getriebegehäuse 9 ist
dreiteilig aufgebaut. Das antriebsseitige Lager 7 ist zwischen
dem Wellenanschluss 2 und einem ersten Getriebegehäuseteil 10 angeordnet,
welches mit einem Hohlrad 11 verschraubt ist, das wiederum
mit einem zweiten Getriebegehäuseteil 12 verbunden
ist. In dem zweiten Getriebegehäuseteil 12 befindet
sich das zweite Lager 8 des Planetenradträgers 3.
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Das
Umlaufgetriebe ist mit einer Doppelschrägverzahnung ausgeführt. Daher
ist das Hohlrad 11 aus zwei Hohlradteilen 13, 14 entgegengerichteter Verzahnungen
zusammengesetzt. Die Getriebegehäuseteile 10, 12 und
Hohlradteile 13, 14 sind insgesamt miteinander
verspannt und bilden in ihrer Gesamtheit das Getriebegehäuse 9 des
Umlaufgetriebes 1. Die Doppelschrägverzahnung ist zwangsläufig an
den Planetenrädern 6 sowie
am zentralen Sonnenrad 15 ausgebildet, das in kämmendem
Eingriff mit der Verzahnung der Planetenräder 6 steht.
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Das
dargestellte Planetenrad 6 ist über zwischengeschaltete, im
Abstand zueinander auf einer Hülse 17 angeordnete
Lagerungen 16 drehbeweglich gelagert. Die Hülse 17 ist
auf einen Tragabschnitt 18 einer Stegachse 19 aufgeschrumpft,
deren Enden 20, 21 fest mit den Wangen 4, 5 des
Planetenradträgers 3 verbunden
sind. Der Tragabschnitt 18 ist einstückig an der Stegachse 19 ausgebildet
und ist in axialer Richtung der Stegachse 19 gesehen beiderseits
von einem im Durchmesser kleiner bemessenen, einen Ringraum 22 zwischen
Stegachse 19 und Hülse 17 bildenden
Ausgleichsabschnitt 23, 24 benachbart. Zur Verdeutlichung
des Ringraums 22 ist dieser in nicht maßstäblicher Weise vergrößert dargestellt.
Der Tragabschnitt 18 ist von der Mittelquerebene MQE des
Planetenrads 6 abweichend in der Bildebene nach rechts,
das heißt
zur Abtriebsseite des Umlaufgetriebes 1 verschoben angeordnet.
Die Mittelquerebene MQE1 des Tragabschnitts 18 fällt daher
nicht mit der Mittelquerebene MQE des Planetenrads 6 zusammen.
Grundsätzlich
ist die Breite BT des Tragabschnitts 18 kleiner als die
Breite BP des Planetenrads 6. Die Breite der Hülse 17 entspricht der
Breite BP des Planetenrads 6. In dem Ausführungsbeispiel
der 1 ist der Tragabschnitt 18 benachbart
der Mittelquerebene MQE des Planetenrads 6 angeordnet.
Grundsätzlich
ist vorgesehen, dass der Tragabschnitt 18 im mittleren
Bereich zwischen den Wangen 4, 5 angeordnet ist
und einen Mindestabstand zu den Wangen 4, 5 nicht
unterschreitet. Um die gewünschte
gleichmäßige Breitenlastverteilung
der Verzahnung der Planetenräder 6 zu
ermöglichen,
ist die Breite BT des Tragabschnitts 18 in diesem Ausführungsbeispiel
kleiner als 20% der Breite BP des Planetenrads 6.
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Die
Ausführungsform
der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 lediglich
dadurch, dass der Tragabschnitt 18a von der Mittelquerebene MQE
des Planetenrads 6 in Richtung zur Antriebsseite verlagert
ist. Zudem ist der Abstand der Mittelquerebene MQE2 des Tragabschnitts 18a von
der Mittellage, das heißt
von der Mittelquerebene MQE des Planetenrads 6 größer als
in dem Ausführungsbeispiel
der 1. Die genaue Lage ist abhängig von der zu erwartenden
Last und der damit einhergehenden elastischen Verformung, insbesondere
der Verwindung des Planetenradträgers 3.
Alle weiteren wesentlichen Komponenten des Umlaufgetriebes der 2 sind
zur Vereinfachung mit den in 1 eingeführten Bezugszeichen
versehen.
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- 1
- Umlaufgetriebe
- 2
- Wellenanschluss
- 3
- Planetenradträger
- 4
- Wange
v. 3
- 5
- Wange
v. 3
- 6
- Planetenrad
- 7
- antriebsseitiges
Lager
- 8
- abtriebsseitiges
Lager
- 9
- Getriebegehäuse
- 10
- erster
Getriebegehäuseteil
- 11
- Hohlrad
- 12
- zweiter
Getriebegehäuseteil
- 13
- Hohlradteil
- 14
- Hohlradteil
- 15
- Sonnenrad
- 16
- Lagerungen
v. 3
- 17
- Hülse
- 18
- Tragabschnitt
- 18a
- Tragabschnitt
- 19
- Stegachse
- 20
- Ende
v. 19
- 21
- Ende
v. 19
- 22
- Ringraum
- 23
- Ausgleichsabschnitt
- 24
- Ausgleichsabschnitt
- BP
- Breite
des Planetenrads 6
- BT
- Breite
des Tragabschnitts 18, 18a
- MQE
- Mittelquerebene
v. 6
- MQE1
- Mittelquerebene
v. 18
- MQE2
- Mittelquerebene
v. 18a
- R
- Antriebsdrehmoment