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Gegenstand
der Erfindung ist ein Getriebe mit Leistungsverzweigung für
Pressen, Windkraftanlagen oder ähnliche Anwendungsfälle.
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Die
Anwendung des Prinzips der Leistungsverzweigung ist bekannt und
dient meist dazu, bei einem Getriebe die zu übertragenden
Drehmomente auf mehrere Zahneingriffe zu verteilen.
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Zum
Beispiel offenbart die
EP
1619386 A2 ein Getriebe für eine Windkraftanlage
höherer Leistung, das dazu dient, die langsame Rotordrehzahl
in eine schnelle Generatordrehzahl umzusetzen. Dazu kämmt
ein unmittelbar mit dem Rotor verbundenes großes Eingangszahnrad
mit einem Zahnradpaar einer ersten Zahnradgruppe, die an Vorgelegewellen angeschlossen
sind. Das Eingangszahnrad ist schräg verzahnt. Die beiden
Vorgelegewellen treiben jeweils ein Stirnradgetriebe an, das schräg
verzahnte Zahnräder enthält. Die beiden letzten
Zahnräder jedes dieser Stirnradgetriebe kämmen
mit einem gemeinsamen Ritzel der Generatorwelle.
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Bei
derartigen Getrieben kann meist keine vollständig hälftige
Aufteilung der übertragenen Drehmomente bzw. Leistungen,
ob die Beiden hinsichtlich des Lastflusses parallel arbeitenden
Zweige des Getriebes erreicht werden. Es muss deshalb mit einem
relativ hohen Sicherheitsfaktor gerechnet werden, was die Getriebe
verteuert und zu einem entsprechenden Bauvolumen führt.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für
Getriebe mit Leistungsverzweigung vorzustellen, das zu geringeren
Getriebegrößen führt.
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Diese
Aufgabe wird dem Getriebenachanspruch 1 gelöst:
Das
erfindungsgemäße Getriebe weist ein erstes Zahnrad
mit einer ersten Schrägverzahnung und einer zweiten entgegen
gesetzten Schrägverzahnung auf. Das erste Zahnrad kann
eine Maag-Verzahnung, eine Pfeilverzahnung oder dergleichen aufweisen und
durch ein einziges Stirnrad gebildet sein. Es kann auch durch zwei
im axialen Abstand angeordnete unterschiedlich schräg verzahnte
Stirnräder als Doppelschräg-Stirnrad ausgebildet
sein. Mit dem ersten Zahnrad kämmen mindestens zwei Zahnräder einer
ersten Gruppe, wobei jedes Zahnrad der ersten Gruppe jeweils eine
Vorgelegewelle antreibt. Vorzugsweise sind die Zahnräder
der ersten Gruppe mit ihren Vorgelegewellen, insbesondere in Axialrichtung fest
verbunden.
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Jedes
Zahnrad der ersten Gruppe ist jeweils mit einem Zahnrad einer zweiten
Gruppe drehfest und in Axialrichtung fest verbunden. Die Zahnräder der
zweiten Gruppe sind in entgegen gesetzten Richtungen schräg
verzahnt und kämmen jeweils mit einen Zahnrad einer dritten
Gruppe. Die beiden Zahnräder der dritten Gruppe sitzen
auf einer gemeinsamen Welle, die vorzugsweise axial schwimmend,
d. h. verschiebbar gelagert ist. Diese Welle ist beispielsweise über
eine Längsbewegungen ausgleichende Kupplung oder eine andere
Verbindungseinrich tung mit mindestens einer elektrischen Maschine
verbunden. Die Verbindungseinrichtung kann zum Beispiel auch durch
ein gerade verzahntes Stirnradgetriebe gebildet sein, das eine axiale
Relativverschiebung der beteiligten Zahnräder zulässt.
Die Axialpositionierung der Vorgelegewellen erfolgt durch die Zahneingriffe
und nicht über Axialdrucklager.
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Dieses
erfindungsgemäße Konzept nutzt den Umstand, dass
die Zahnradpaarungen der Zahnräder der zweiten und der
dritten Gruppe einander entgegengesetzt gerichtete Axialschubkomponenten erzeugen.
Entsprechend wirken auf die Zahnräder der ersten Gruppe
einander entgegengesetzt gerichtete Axialschubkomponenten. Dies
führt dazu, dass eine der Vorgelegewellen vorwiegend über
eine der beiden Schrägverzahnungen des ersten Zahnrads angetrieben
wird, während die andere Vorgelegewelle vorzugsweise und
vorwiegend über die andere Schrägverzahnung des
ersten Zahnrads angetrieben wird. Durch die zumindest geringe axiale
Verschiebbarkeit der ersten und der zweiten Vorgelegewelle, sowie
insbesondere der die Zahnräder der dritten Gruppe tragenden
Welle ergibt sich dabei ein Drehmomentausgleich, so dass beide Zweige
des Getriebes das gleiche Drehmoment und die gleiche Leistung übertragen.
Somit sind die Zahnbelastungen an dem ersten Zahnrad und auch in
dem weiteren Getriebe minimiert. Es kann mit einem verminderten
Sicherheitsfaktor gearbeitet werden und die Getriebe werden trotz
verminderter Baugröße zuverlässiger.
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In
einer abgewandelten Ausführungsform sind die beiden Vorgelegewellen
jeweils durch zumindest ein axiales Drucklager axial abgestützt.
Der Drehmomentausgleich findet dann ausschließlich über
die beiden einander entgegen gesetzt gerichteten Schrägverzahnungen
der Zahnradpaarungen der zweiten und dritten Gruppe und die axiale
Verschiebbarkeit der miteinander verbundenen Zahnräder
der dritten Gruppe statt. In diesem Fall genügt es, wenn die
Zahnräder der ersten Gruppe nur jeweils mit einer der Schrägverzahnungen
des ersten Zahnrads kämmen.
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Das
erfindungsgemäße Konzept hat insbesondere Bedeutung
bei Getrieben mit nicht gleichförmiger Drehmomentübertragung,
wie beispielsweise Getriebe von Windkraftanlagen oder Getriebe von Pressen.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand der Zeichnung der Beschreibung oder Ansprüchen.
Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Aspekte
der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung offenbart
weiter Einzelheiten und ist ergänzend heran zu ziehen.
Es zeigen:
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1 eine
Presse in schematisierter Stirnansicht,
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2 eine
ausschnittweise Stirnansicht des Getriebes der Presse nach 1,
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3 das
Getriebe nach 2, in einer schematisierten
Seitenansichtsdarstellung, und
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4 eine
abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Getriebes in schematisierter Seitenansichtsdarstellung.
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1 veranschaulicht
eine Presse 1, in der das erfindungsgemäße
Getriebe 2 zur Anwendung kommen kann. Es kann zum Beispiel
dazu dienen, Antriebsleistung eines, zweier oder mehrerer als Motoren
betriebener elektrischer Maschinen 3, 4 auf eine
Hauptwelle 5 zu übertragen. Die Hauptwelle 5 dient
beispielsweise zum Antrieb eines in einem Pressengestell 6 vertikal
auf und ab bewegbaren Stößels 7. Der
Leistungsfluss findet dabei vorwiegend von den elektrischen Maschinen 3, 4 zu
dem Stößel 7 hin statt. Es können
jedoch auch kurze Phasen der Umkehrung des Leistungsflusses gegeben
sein.
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Das
Getriebe 2 ist nicht auf den Anwendungsfall in Pressen 1 beschränkt.
Es kann beispielsweise auch in Einrichtungen zur Anwendung kommen,
bei denen der Leistungsfluss vorwiegend oder vollständig
von der Hauptwelle 5 zu der zumindest einen elektrischen
Maschine 3 hin stattfindet. Beispielsweise kann das Getriebe 2 in
Windkraftanlagen vorgesehen sein, um den langsam drehenden Rotor an
einen schnell drehenden Generator anzukoppeln.
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Demgemäß kann
das Getriebe 2 sowohl als Übersetzungsgetriebe
als auch als Untersetzungsgetriebe ausgebildet sein. Es kann dabei
insbesondere zur Übertragung höherer Leistungen
bis hin zu mehreren MW ausgelegt werden.
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Das
erfindungsgemäße Getriebe 2 weist zumindest
ein erstes Zahnrad 8 auf, das, wie 2 zeigt,
mit der Hauptwelle 5 drehfest, d. h. Drehmoment übertragend
verbunden ist. Die Hauptwelle 5 ist bei der Presse 5 die
Ausgangswelle des Getriebes 2. Das Getriebe 2 ist
dann ein Untersetzungsgetriebe. Wird die Hauptwelle 5 hingegen
als Eingangswelle genutzt, ist das Getriebe 2 ein Übersetzungsgetriebe.
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Das
erste Zahnrad 8 ist in Axialrichtung unverschiebbar drehbar
gelagert und als außenverzahntes Stirnrad ausgebildet.
Es weist, wie 3 zeigt, eine erste Schrägverzahnung 9 und
eine zweite Schrägverzahnung 10 auf. Die Schrägverzahnungen 9, 10 weisen
vorzugsweise den Schrägungswinkel β1, β2
mit gleichem betrag aber mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Das
Zahnrad 8 ist somit ein Doppelschräg-Stirnrad,
ein Stirnrad mit Pfeilverzahnung oder ein Stirnrad mit Maag-Verzahnung.
Zwischen den beiden Schrägverzahnungen 9, 10 kann optional
ein Abstand 11 vorgesehen sein.
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Das
erste Zahnrad 8 kämmt mit zwei Zahnrädern 12, 13,
die eine erste Gruppe 14 bilden. Die Zahnräder 12, 13 sind
Stirnräder, die vorzugsweise einen im Vergleich zu dem
ersten Zahnrad 8 wesentlich geringeren Durchmesser aufweisen
und deshalb auch als Ritzel bezeichnet werden können. Vorzugsweise
sind die Zahnräder 12, 13 untereinander
vollkommen gleich ausgebildet. Sie weisen jeweils zwei Verzahnungen 15, 16; 17, 18 auf,
die zusammen eine Doppelschrägverzahnung, Pfeilverzahnung, Maag-Verzahnung
oder dergleichen bilden. Die Verzahnungen 15, 17 passen
zu der Schrägverzahnung 9, deren Schrägungswinkel β1
vorzugsweise in dem Bereich von 25 Grad bis 30 Grad liegt. Die Verzahnungen 16, 18 passen
zu der Schrägverzahnung 10, deren Schrägungswinkel β2
vorzugsweise ebenfalls in dem Bereich von 25 bis 30 Grad liegt.
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Das
Zahnrad 12 ist mit einer ersten Vorgelegewelle 19 verbunden,
die drehbar gelagert und vorzugsweise in Axialrichtung etwas verschiebbar
angeordnet ist. Das Zahnrad 13 ist mit einer zweiten Vorgelegewelle 20 dreh
und axial fest verbunden. Die Vorgelegewelle 20 ist wie
die Vorgelegewelle 19 in einem nicht weiter veranschaulichten
Getriebegehäuse drehbar gelagert und zumindest geringfügig
axial verschiebbar.
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Die
Vorgelegewelle 19 ist mit einem Zahnrad 21 drehfest
und axialfest verbunden. Unter axialfester Verbindung wird in der
vorliegenden Beschreibung durchgängig verstanden, dass
die betreffenden Wellen und Zahnräder untereinander ohne
Axialspiel verbunden sind.
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Das
Zahnrad 21 ist ein Stirnrad, dessen Zähne einen
Schrägungswinkel β3 aufweisen, dessen Betrag kleiner
ist als der Betrag der Schrägungswinkel β1 oder β2.
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Die
Vorgelegewelle 20 trägt wiederum dreh- und axialfest
ein Zahnrad 22, dessen Durchmesser und Zähnezahl
mit dem Durchmesser und der Zähnezahl des Zahnrads 21 übereinstimmt.
Es ist wiederum als schräg verzahntes Stirnrad ausgebildet, mit
einem Zahnschrägungswinkel β4. Vorzugsweise stimmt
der Betrag des Schrägungswinkels β4 mit dem Betrag
des Schrägungswinkels β3 überein, wobei
die Vorzeichen entgegen gesetzt sind. Die Zahnräder 21, 22 bilden
eine zweite Gruppe 23. Das Zahnrad 21 kämmt
mit einem Zahnrad 24 mit passender Verzahnung. Das Zahnrad 22 kämmt
mit einem Zahnrad 25, mit ebenfalls passender Verzahnung. Die
Zahnräder 24, 25 gehören zu
einer dritten Gruppe 26. Die Zahnräder 24, 25 stimmen
im Durchmesser und Zähnezahl miteinander überein.
Sie weisen einander entgegen gesetzte Schrägverzahnungen auf
und sind untereinander axialfest und drehfest verbunden. Sie sitzen
auf einer gemeinsamen Welle 27, die parallel zu den Vorgelegewellen 19, 20 und
auch parallel zu der in 3 nicht veranschaulichten Hauptwelle 5 orientiert
ist. Die Welle 27 ist drehbar gelagert und in Axialrichtung
beweglich, wie in 3 durch einen Pfeil 28 angedeutet
ist. Im Weiteren ist sie über eine Verbindungseinrichtung 29 mit
der elektrischen Maschine 3 verbunden. Die Verbindungseinrichtung 29 kann
durch ein Stirnradgetriebe, mit vorzugsweise geradverzahnten Zahnrädern 30, 31 gebildet
sein. Aus Sicht der elektrischen Maschine 3 ist das Getriebe 2 insgesamt
ein Untersetzungsgetriebe. Die Zahnradpaarung der Zahnräder 31, 30 bildet eine
Untersetzung. Eine weitere Untersetzung wird durch die Zahnradpaarung
der Zahnräder 24, 21, sowie 25, 22 gebildet.
Die Zahnräder 12, 8; 13, 8 bilden ebenfalls
eine Untersetzung. Die jeweiligen Untersetzungen können
den konkreten Anforderungen angepasst werden. Es ist auch möglich,
einzelne Stufen ohne Untersetzung oder mit einer Übersetzung
auszubilden.
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Das
insoweit beschriebene Getriebe 1 arbeitet wie folgt:
Die
elektrische Maschine 3 arbeitet als Motor. Sie treibt über
die Zahnräder 31, 30 die Welle 27 an.
Von dieser verzweigt sich die auf die Welle 27 geleitete Leistung
auf die Zahnräder 24, 25 der Gruppe 26.
Die Zahnräder 24, 25 treiben über
die Zahnräder 21, 22 die Vorgelegewellen 19, 20.
Dadurch entstehen an den Zahneingriffen der Zahnräder 24, 25 und 21, 22 der
Gruppen 26, 23 einander entgegen gesetzt gerichtete
Axialkräfte. Diese sind gleich groß, wenn beide
Zahnräder 21, 22 von der Welle 27 her
das gleiche Drehmoment erhalten. Die Welle 27 kommt deshalb in
derjenigen Axialposition zur Ruhe, in der die Lastaufteilung auf
beide Vorgelegewellen 19, 20 gleich, d. h. 0,5
zu 0,5 ist. Die Axialpositionierung der Vorgelegewellen 19, 20 und
der Welle 27 wird nur von den Zahneingriffen, nicht aber
durch irgendwelche Axial lager bestimmt.
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Die
beiden Vorgelegewellen 19, 20 erhalten durch die
unterschiedlichen Vorzeichen der Schrägungswinkel β3, β4
unterschiedliche Axialkräfte, wie in 3 durch
Pfeile 33, 34 angedeutet ist. Damit erhalten die
Zahnräder 12, 13 unterschiedliche axiale Vorspannungen. Über
die, durch die Verzahnungen 9, 10 gebildete Pfeilverzahnung
sind die beiden Zahnräder 12, 13 jeweils
für sich mittig ausgerichtet. Durch die Axialbelastung
in Richtung des Pfeils 33 erhält an dem Zahnrad 12 die
Verzahnung 16 eine Last, die etwas größer
ist, als eine Verzahnung 15. In dem Zahnrad 13 sind
die Verhältnisse umgekehrt. Dort erhält die Verzahnung 17 eine
etwas höhere Last als die Verzahnung 18. Dies
führt zu definierten Belastungsverhältnissen an
dem Zahnrad 8. Die Kräfte gemäß den
Pfeilen 33, 34 sind wesentlich geringer, als die
zentrierenden Kräfte, die durch die größeren
Schrägungswinkel β1, β2 hervorgerufen
werden.
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Das
erfindungsgemäße Getriebe 2 führt
sowohl bei Kraftübertragung von der Welle 27 zu
dem Zahnrad 8, wie auch bei Kraftübertragung von
dem Zahnrad 8 zu der Welle 27 zu einer gleichmäßigen Leistungsverzweigung
und vermeidet auf diese Weise die Überlastung einzelner
Zahnradpaarungen. Damit lassen sich besonders platzsparende Getriebe für
große Leistungen aufbauen.
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Eine
abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Getriebes geht aus 4 hervor. Soweit dieses mit
dem vorstehend beschriebenen Getriebe übereinstimmt, werden
gleiche Bezugszeichen verwendet und es wird auf die vorstehende
Beschreibung verwiesen. Anders als das vorbeschriebene Getriebe 2 nach 3 weist
das Getriebe 2 nach 4 abgewandelte
Zahnräder 12, 13' auf. Das Zahnrad 12' kämmt
nur mit der Verzahnung 10 während das Zahnrad 13' nur
mit der Verzahnung 9 kämmt. Die an den Zahnrädern 12, 13' auftretenden Axialkräfte
sind somit nicht ausgeglichen. Sie werden über axiale Drucklager 35, 36, 37, 38 aufgefangen, die
die Vorgelegewellen 19, 20 in Axialrichtung abstützen.
Die Symmetrierung der Lastverteilung erfolgt jedoch wie bei den
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen auch wiederum über
die entgegen gesetzt geschrägten Verzahnungen der Zahnräder
der zweiten und dritten Gruppe 23, 26. Bei dieser
Ausführungsform kann es zweckmäßig sein,
die Schrägungswinkel β1, β2 geringer
zu wählen. Außerdem können anstatt der
Schrägverzahnungen 9, 10 jeweils Pfeilverzahnungen
zur Anwendung kommen.
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Das
Getriebe 2 kann, wie in 2 durch Punkte
angedeutet ist, mehrere Anordnungen gemäß 3 und/oder
gemäß 4 enthalten, um an das Zahnrad 8 mehrere
elektrische Maschinen 3, 4 anzuschließen.
Damit kann die Presse 1 nach 1 von mehreren
Servo-Motoren angetrieben werden, die gleiche oder unterschiedliche
Leistungsbeiträge für den Antrieb der Hauptwelle
liefern.
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Das
erfindungsgemäße Getriebe 2 mit Leistungsverzweigung
weist zwei Vorgelegewellen 19, 20 auf, deren Zahnräder 12, 13 mit
einem gemeinsamen ersten Zahnrad 8 kämmen. Die
Vorgelegewellen 19, 20 sind durch axiale Drucklager
oder wie es bevorzugt wird, durch die Verzahnung 15, 16; 17, 18 ihrer Zahnräder 12, 13 in
Axialrichtung zentriert. Beide Vorgelegewellen 19, 20 werden
von einer gemeinsamen Welle 27 her angetrieben (oder treiben
diese an). Dazu dienen Zahnradpaarungen 24/21; 25/22 mit
entgegen gesetztem Schrägungswinkel. Dies führt
zu einer automatischen axialen Zentrierung der Welle 27.
Die axiale Zentrierung wird insbesondere dann leicht ermöglicht,
wenn die Welle 27 über geradverzahnte Stirnräder
angetrieben wird. Die eine axiale Verschiebung der Welle 27 zulassen.
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- 1
- Presse
- 2
- Getriebe
- 3,
4
- elektrische
Maschine
- 5
- Hauptwelle
- 6
- Pressengestell
- 7
- Stößel
- 8
- Zahnrad
- 9
- erste
Schrägverzahnung
- 10
- zweite
Schrägverzahnung
- β1
- Schrägungswinkel
der ersten Schrägverzahnung
- β2
- Schrägungswinkel
der zweiten Schrägverzahnung
- 12,
13
- Zahnräder
der ersten Gruppe 14
- 14
- erste
Gruppe
- 15,
16
- Verzahnungen
des Zahnrads 12
- 17,
18
- Verzahnungen
des Zahnrads 13
- 19,
20
- Vorgelegewellen
- 21,
22
- Zahnräder
der zweiten Gruppe 23
- 23
- zweite
Gruppe
- 24,
25
- Zahnräder
der dritten Gruppe
- 26
- dritte
Gruppe
- 27
- Welle
- 28
- Pfeil
- 29
- Verbindungseinrichtung
- 31,
32
- Zahnräder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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