-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein umlaufendes Getriebe mit Schmierstoffschmierung.
-
Im Stand der Technik sind umlaufende Getriebe mit Schmierstoffschmierung bekannt. Derartige Getriebe, die z. B. zum Antrieb einer Zentrifuge eingesetzt werden, sind häufig koaxial aufgebaut. In derartigen Applikationen rotiert grundsätzlich immer das Getriebegehäuse. Die Gehäuserotation erzeugt eine Fliehkraftwirkung auf alle im Getriebe befindlichen Elemente, also auch auf den Schmierstoff. Die festen Elemente werden durch die Fliehkraft zusätzlich belastet und die viskosen Elemente, also der Schmierstoff, von der Zentralachse nach außen geschleudert. Typische Schmierstoffe sind Fett und Öl. Das nach außen geschleuderte Öl erzeugt einen von der Drehzahl und dem Ölring abhängigen dynamischen Öldruck. Die Getriebe sind an- und abtriebsseitig durch dynamisch wirkende Dichtungen z. B. Radialwellendichtringe abgedichtet.
-
Insbesondere bei Verwendung von Öl als Schmierstoff entsteht folgendes Problem: Öl ist generell inkompressibel und dehnt sich bei Erwärmung aus und vergrößert damit sein Volumen.
-
Ein solches umlaufendes Getriebe des Stands der Technik ist in 1 gezeigt. Das Getriebe (101) weist ein Gehäuse (102) auf, in welchem eine Welle (103) so angeordnet ist, dass sie aus dem Gehäuse (102) vorragt. Die Welle (103) hat eine zentrische Bohrung (104) mit einer Öffnung (104a) an der Getriebeinnenseite und einer Öffnung (104b) an der Getriebeaußenseite. Ein Ölraum (106) ist vor der Öffnung (104a) an der Getriebeinnenseite vorgesehen.
-
Falls ein derartiges Getriebe vollständig mit Öl befüllt wäre (siehe 1), würde das größer werdende Ölvolumen wegen der fehlenden Ausgleichsmöglichkeit eine unzulässige statische Druckerhöhung bewirken. Die statische Druckerhöhung wiederum würde eine zusätzliche Belastung der zur Getriebeabdichtung verwendeten Wellendichtringe bewirken. Deren Lebensdauer würde damit drastisch reduziert werden. Eine vollständige Befüllung eines abgeschlossenen Getriebes mit Öl ist deshalb nicht sinnvoll.
-
Zur Abhilfe werden bisher im Stand der Technik zwei Lösungen angewendet:
- 1. Bei einer Ausführung ist das Getriebe ein Getriebe der sogenannten offenen Art. Die Antriebswelle ist hohlgebohrt und außerhalb des Getriebes mit einer sogenannten Drehrohrdurchführung (siehe Anschluss 108) und einem daran angeschlossenen Ausgleichsbehälter versehen. Das Getriebe ist vollständig mit Öl befüllt (siehe 2). Das sich erwärmende Öl kann sich im Ausgleichsbehälter ausdehnen und erzeugt keinen zusätzlichen statischen Druck im Getriebe. Somit liegt ein statischer Druckausgleich vor. Diese Methode ist bewährt, hat aber den Nachteil, dass aufgrund der zusätzlichen Drehrohrdurchführung (siehe Anschluss 108 in 2) die Antriebswelle nicht über eine Kupplung mit einem Antriebsmotor verbunden werden kann. Die zusätzlichen Bauteile erhöhen außerdem die Kosten. Diese Ausführung ist nur in begrenzten Applikationen verwendbar.
- 2. Bei einer weiteren Ausführung wird das Getriebe dagegen nur teilweise mit Öl befüllt, wobei das Getriebe vollständig verschlossen ist (siehe Pfropfen 110 am Öffnungsaußenende 104b in 3). Im Getriebe befinden sich beispielsweise ca. 80% Öl und ca. 20% Luft. Aufgrund der Rotation des Gehäuses wird das viskose Öl nach außen geschleudert, die „leichtere” Luft wandert ins Zentrum. Es bildet sich damit idealisiert ein Ölring um das Zentrum aus (siehe 4). Bei Erwärmung dehnt sich das Öl aus, der Ölring komprimiert damit das im Zentrum befindliche Luftvolumen (siehe 5). Auch hier entsteht ein statischer Überdruck im Getriebe, der aber geringer ist als bei einem vollständig befüllten Getriebe ohne Ausgleichsbehälter. Diese Ausführung wird häufig angewendet, bringt aber nach wie vor eine verschleißerhöhende Wirkung aufgrund des Überdruckes mit sich.
-
Die Druckschrift
DD 254 235 A1 des Stands der Technik offenbart eine Gebtriebeentlüftung mit einem geschlossenen Getriebegehäuse, einer Getriebewelle mit im Zentrum des Getriebes gelegenem Ausgang, an dem ein gasdurchlässiger und gegen Ölaustritt schützender Entlüfter angeordnet ist, wobei der Entlüfter auch ein federbelasteter Kugelverschluss sein kann und somit druckabhängig arbeiten kann. Der Entlüfter soll dabei in jeder Lage des Getriebes vor Eintauchen in den Ölstand gesichert sein.
-
Die
DE 828 184 B offenbart ein öldichtes Getriebegehäuse mit einem Prallblech und einer Öffnung an der Getriebeaussenseite.
-
Die Druckschrift
US 6 783 191 B1 offenbart eine Nabenabdeckung mit einem Ventilauslass und einer Kammer mit radialen Öffnungen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend erläuterten Nachteile bei einem umlaufenden Getriebe mit Schmierstoffschmierung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.
-
Diese Aufgabe ist durch ein Getriebe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
In der vorliegenden Erfindung weist ein umlaufendes Getriebe mit Schmierstoffschmierung ein Gehäuse und eine druckgesteuerte Einrichtung an der Getriebeinnenseite auf, wobei die druckgesteuerte Einrichtung einen Luftdruck zu der Getriebeaußenseite abgeben kann und undurchlässig gegenüber dem Schmierstoff ist. Indem die druckgesteuerte Einrichtung an der Getriebeinnenseite angeordnet ist, kann der sich im Getriebe aufbauende Druck, der sich in einem erhöhten Druck des zusammengedrückten Luftraums äußert, an einem Ort abgebaut werden, der sich im Inneren des Getriebes befindet. Dabei werden zusätzliche äußere Elemente nicht mehr benötigt. Die an der Getriebeinnenseite angeordnete druckgesteuerte Einrichtung ist dazu in der Lage, eine Druckabgabe bei sich in Betriebssituation komprimierender Luft zu ermöglichen. Als Schmierstoff kann Öl, Fett oder ein anderer geeigneter Schmierstoff eingesetzt werden.
-
Das Getriebe weist zumindest eine hohlgebohrte Welle auf, die durch das Gehäuse tritt. Die druckgesteuerte Einrichtung ist an der Getriebeinnenseite der Hohlbohrung der hohlgebohrten Welle angeordnet. Die Getriebeinnenseite der Hohlbohrung der hohlgebohrten Welle ist ein geeigneter Ort zur Positionierung der druckgesteuerten Einrichtung.
-
Die zumindest eine hohlgebohrte Welle ist an der Rotationsachse des umlaufenden Getriebes angeordnet. Dadurch kann die druckgesteuerte Einrichtung sehr nahe zu oder an der Rotationsachse angeordnet werden. Wenn das Getriebe nicht mit 100% Schmierstoff gefüllt ist, wird dieser Bereich bei Rotation zu einem schmierstofffreien Bereich, da der Schmierstoff nach außen geschleudert wird und die Luft ins Zentrum wandert. Geeignete Schmierstoffbefüllungsraten können je nach Ausführung und/oder Einsatz des Getriebes gewählt werden. Beispielsweise kann die Schmierstoffbefüllungsrate ca. 80% betragen. Dadurch kann eine Druckabgabe der sich in Betriebssituation im Rotationszentrum des Getriebes ansammelnden und komprimierenden Luft bewirkt werden.
-
Die druckgesteuerte Einrichtung ist ohne an der Getriebeinnenseite wirkenden Überdruck verschlossen und öffnet ab einem geringen an der Getriebeinnenseite wirkendem Überdruck. Nach dem Druckausgleich verschließt die druckgesteuerte Einrichtung wieder selbsttätig. Derartige druckgesteuerte Einrichtungen sind handelsüblich und kostengünstig. Beispiele einer solchen druckgesteuerten Einrichtung ist ein Atmungsventil oder eine Membran, durch die Luft entweichen kann, aber der Schmierstoff innen gehalten wird.
-
Die zumindest eine hohlgebohrte Welle kann eine Antriebswelle und/oder Abtriebswelle des umlaufenden Getriebes sein. Die ohnehin vorhandene Antriebswelle und/oder Abtriebswelle des umlaufenden Getriebes kann für die Gestaltung der Hohlbohrung verwendet werden.
-
Innerhalb des umlaufenden Getriebes kann ein Schmierstoffraum vorgesehen sein, wobei die druckgesteuerte Einrichtung so angeordnet sein kann, dass sie an den Schmierstoffraum angrenzt. Wenn dieser Raum ebenfalls an der oder nahe der Rotationsachse des umlaufenden Getriebes angeordnet ist, ist sichergestellt, dass ein ausreichend großer Raum für die bei Rotation nach innen zur Rotationsachse strömende Luft zu Verfügung steht und diese Luft auch nahe der druckgesteuerten Einrichtung gesammelt wird. Eine schnelle Druckabgabe ist somit möglich.
-
Die Hohlbohrung kann mittig in der hohlgebohrten Welle vorgesehen sein. In diesem Fall ist, wenn die druckgesteuerte Einrichtung an der Rotationsachse sitzt, sichergestellt, dass der Ort, zu dem die Luft bei beginnender Rotation zuerst strömt, auch der Ort ist, der sich nahe der druckgesteuerten Einrichtung befindet. Dann kann der vorbestimmte Druckgrenzwert, bei dem die druckgesteuerte Einrichtung öffnen soll, gering eingestellt werden, und gleichzeitig dennoch sichergestellt werden, dass Schmierstoff nicht entweicht.
-
Alternativ kann die Hohlbohrung exzentrisch in der hohlgebohrten Welle vorgesehen sein. Selbst mehrere Hohlbohrungen können in einer Welle vorgesehen sein. Wenn jede dieser Hohlbohrungen eine druckgesteuerte Einrichtung an der Getriebeinnenseite hat, kann Überdruck über mehrere Wege gleichzeitig abgegeben werden.
-
Die mittige und die exzentrische(n) Hohlbohrung(en) können auch kombiniert werden.
-
Die an der Getriebeaußenseite befindliche Öffnung der hohlgebohrten Welle kann offen sein. An der Getriebeaußenseite muss kein weiteres Ventil vorgesehen sein. Außenelemente werden eingespart. Im Übrigen muss auch kein Ausgleichsbehälter und auch kein Schmierstoffauffangbehälter vorgesehen werden. Daher ist die Anzahl der Teile gering. Das Getriebe ist somit kostengünstig.
-
Die hohlgebohrte Welle kann an der Getriebeaußenseite vom Gehäuse vorragen. Somit kann die Erfindung bei üblichen Bauarten angewendet werden.
-
Die druckgesteuerte Einrichtung ist ein Luft ablassendes Überdruckventil. Öl oder anderer Schmierstoff wird nicht hindurch gelassen. Das Überdruckventil muss lediglich ausreichend zentrisch im Getriebe vorgesehen sein, um eine Druckabgabe bei sich im Rotationszentrum ansammelnder und komprimierender Luft zu ermöglichen. Der Druckgrenzwert, bei dem das Ventil öffnet, kann einstellbar sein. Das Ventil kann aber auch ein Ventil mit unveränderlicher Druckgrenzwertvoreinstellung sein. Die druckgesteuerte Einrichtung kann auch eine Membran sein, durch die Luft entweichen kann, aber der Schmierstoff innen gehalten wird.
-
Somit wird durch die Erfindung für das Getriebe ein vorteilhafter statischer Druckausgleich geschaffen und damit ein verschleißerhöhender statischer Überdruck verhindert, ohne dass zusätzliche äußere Elemente an der Antriebswelle vorgesehen werden müssen.
-
Die Erfindung erlaubt außerdem auch wieder die Verwendung einer Kupplung, ist kostengünstig und universell einsetzbar.
-
Nachstehend ist die Erfindung genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
-
1 zeigt ein vollständig mit Öl gefülltes Getriebe des Standes der Technik, wobei ein Getriebe der geschlossenen Art mit vollständiger Ölfüllung (100%) gezeigt ist.
-
2 zeigt ein Getriebe des Standes der Technik der offenen Art mit vollständiger Ölfüllung in einer Situation, in der sich ausdehnendes Öl z. B. in einen Ausgleichsbehälter entweicht.
-
3 zeigt ein weiteres Getriebe des Standes der Technik der geschlossenen Art mit 80%-iger Ölfüllung, bei der das Getriebe einen Anteil an Luft enthält.
-
4 zeigt das Getriebe des Standes der Technik von 3 in einer Situation, in der bei Rotation das Öl sich nach außen bewegt und die Luft nach innen gelangt.
-
5 zeigt das Getriebe des Standes der Technik von 3 in einer Situation, in der das Öl sich erwärmt und die Luft komprimiert wird.
-
6 zeigt ein Getriebe des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das einen erfindungsgemäßen Aufbau mit innen positioniertem Ventil aufweist und einen vorbestimmten Anteil an Luft enthält.
-
7 zeigt das Getriebe von 6 in einer Situation, in der bei Rotation das Öl sich nach außen bewegt und die im Getriebe befindliche Luft zum Rotationszentrum nach innen gelangt.
-
8 zeigt das Getriebe von 6 in einer Situation, in der das Öl sich erwärmt und ausdehnt und die Luft komprimiert wird.
-
Nachstehend ist die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
-
6 zeigt ein Getriebe des vorliegenden Ausführungsbeispiels, das einen erfindungsgemäßen Aufbau mit innen positioniertem Ventil aufweist und einen vorbestimmten Anteil an Luft enthält.
-
Das Getriebe (1) des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein umlaufendes Getriebe mit Schmierstoffschmierung. Das Getriebe weist ein Gehäuse (2) auf, in dem über ein oder mehrere Lager eine Welle (3) angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Welle (3) eine Antriebswelle und ist an (entlang) der Rotationsachse des Getriebes (1) positioniert. Ein oder mehrere dynamisch wirkende Dichtungen (z. B. Radialwellendichtringe) dichten das Gehäuse (1) an der Welle (3) ab. Die Welle (3) weist in ihrer Mitte eine zentrische Bohrung (4) auf, die sich entlang der gesamten Länge der Welle mittig erstreckt. Die zentrische Bohrung (4) der Welle (3) ist eine Durchgangsbohrung. Die Welle (3) ist relativ zum Getriebe (1) so eingebaut, dass sie aus dem Getriebe (1) heraus nach außen vorragt. Die Welle (3) weist somit eine innerhalb des Getriebes (1) angeordnete Öffnung (4a) der Bohrung (4) und eine außerhalb des Getriebes (1) angeordnete Öffnung (4b) der Bohrung (4) auf. An der innerhalb des Getriebes (1) angeordneten Öffnung (4a) der Bohrung (4) sitzt ein erfindungsgemäßes Druckventil (5), das als ein sogenanntes Atmungsventil bekannter Bauart ausgestaltet ist, welches geöffnet oder verschlossen sein kann. Ohne am Druckventil (5) anliegenden Überdruck ist das Druckventil (5) geschlossen und bei am Druckventil (5) wirkendem Überdruck öffnet es. Der Druckgrenzwert, bei dem das Druckventil (5) öffnet, ist einstellbar. Es kann aber auch ein nicht einstellbares Druckventil (5) verwendet werden. Im Getriebe (1) ist in dem Bereich, der radial gesehen nahe der Rotationsachse der Welle (3) ist und der axial gesehen im Getriebeinneren an das innere Wellenende der Welle (3), die die innerhalb des Getriebes (1) angeordnete Öffnung (4a) der Bohrung (4) aufweist, angrenzt, ein Ölraum (6) ausgebildet. In dem Ölraum (6) kann sich das als Schmierstoff verwendete Öl ansammeln. Das Druckventil (5) ist öldicht.
-
Das Getriebe (1) des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird mit einer vorbestimmten Menge an Öl befüllt, die z. B. ca. 80% des gesamten Ölfassungsvermögens sein kann. Somit befindet sich gleichzeitig mit dem Öl im Getriebe (1) auch Luft. In Ruhelage, d. h. in einer Nichtbetriebssituation, befindet sich das schwerere Öl an der unteren Seite des Getriebes (1) und befindet sich die leichtere Luft an der oberen Seite des Getriebes (1), wie dies in 6 dargestellt ist. In dieser Nichtbetriebssituation befindet sich Öl auch vor dem Ventil (5) in dem Ölraum (6). In diesem Zustand besteht jedoch kein Überdruck im Getriebe und das Ventil (5) bleibt verschlossen, so dass im Stillstand keine Leckage entstehen kann. Das Öl tritt somit nicht durch die Bohrung (4) der Welle (3) aus.
-
7 zeigt das Getriebe (1) von 6 in einer Situation, in der der Rotationsbetrieb begonnen hat. Durch die Rotation bewegt sich aufgrund der Fliehkraft das Öl nach außen. Die im Getriebe (1) befindliche Luft gelangt zum Rotationszentrum nach innen. Der Ölraum (6) wird dabei von Öl frei, da er sich auch an der Rotationsachse des Getriebes (1) befindet. Die Bohrung (4) der Welle (3) ist ebenfalls an der Rotationsachse des Getriebes (1) angeordnet. Daher wird auch das Ventil (5) an der getriebeinnenseitigen Öffnung (4a) der Bohrung (4) von Öl frei. In dieser Situation könnte daher das Ventil (5) bereits geöffnet werden, ohne dass Öl entweicht. Die Einstellung, bei welchem Druck das Ventil (5) öffnet, könnte also bereits eine solche Situation berücksichtigen.
-
Wenn der Betrieb des Getriebes (1) andauert, erwärmt sich das Öl im Getriebe (1). Aufgrund dieser Erwärmung dehnt sich das Öl aus. Diese Situation ist in 8 gezeigt. Das sich ausdehnende Öl komprimiert die im Getriebe (1) befindliche Luft. Der Druck der im Getriebe (1) befindlichen Luft steigt somit an. Bei zunehmendem Druck der im Getriebe (1) befindlichen Luft wird der vorbestimmte Grenzwert, bei dem das Ventil (5) öffnet, erreicht oder überschritten und das Ventil (5) öffnet. Der Überdruck entweicht über das Ventil (5) und die Bohrung (4) und verlässt das Getriebe (1) an der Öffnung (4b) an der Getriebeaußenseite, wie dies in 8 durch einen Pfeil angedeutet ist.
-
Im Betrieb wird also zunächst aufgrund der Rotation des Gehäuses das viskose Öl nach außen geschleudert und die „leichtere” Luft wandert ins Zentrum. Es bildet sich damit idealisiert ein Ölring um das Zentrum aus. Vor dem Ventil (5) befindet sich in dieser Situation Luft (siehe 7). Durch die im weiteren Betrieb entstehende Erwärmung dehnt sich das Öl aus, und der sich ausdehnende Ölring versucht, das im Zentrum befindliche Luftvolumen zu komprimieren. Da in diesem Zustand das Zentrum ölfrei ist, kann das gering (oder stärker) komprimierte Luftvolumen das Ventil (5) öffnen und Luft kann durch das Ventil (5) nach außen entweichen, bevor ein schädlicher statischer Überdruck entsteht (siehe 8). Danach schließt das Ventil (5) wieder selbsttätig.
-
Falls das Ventil (5) an der Außenöffnung (4b) der Welle (3) angebracht wäre, könnte sich im Innenraum der Bohrung (4) der Welle (3) Öl vor dem Ventil (5) befinden und durch das sich öffnende Ventil (5) nach außen entweichen. Eine unerwünschte partielle Leckage wäre die Folge. Auf ein Ventil an der Außenöffnung (4b) der Welle (3) kann somit gänzlich verzichtet werden.
-
Aufgrund der spezifischen Anordnung des Ventils (5) im Getriebe ist damit auch wieder die Verwendung einer Kupplung möglich. Eine solche Lösung ist kostengünstig und universell einsetzbar.
-
Wenn nach einer Betriebssituation das Getriebe wieder eine Betriebspause einlegt, kühlt das Öl ab. Dadurch verringert sich der Innendruck im Getriebeinnenraum. Ein Wellendichtring oder mehrere Wellendichtringe, die die Welle (3) abdichten, gestatten bei im Getriebeinnenraum anliegendem verringertem Innendruck ein Eindringen von Luft über den/die Wellendichtring/e. Diese Wellendichtringe dichten so ab, dass ein Entweichen des Öls nach außen verhindert wird.
-
Alternativen
-
Nachstehend sind Alternativen zum erläuterten Ausführungsbeispiel beschrieben.
-
Die Welle (3) kann auch eine Abtriebswelle des Getriebes (1) sein.
-
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Welle (3) mit einer mittigen Bohrung (4) versehen. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. In der Welle (3) kann die Bohrung (4) auch exzentrisch, d. h. nicht mittig, vorgesehen sein, um einen Überdruck unter Ausnutzung des Prinzips der Erfindung abzugeben. Es können in der Welle (3) auch mehrere Bohrungen (4) vorgesehen sein, von denen jede ein Ventil (5) an der Getriebeinnenseite aufweist. Die mittige Bohrung (4) kann auch mit einer (oder mehreren) exzentrischen Bohrung(en) (4) kombiniert werden.
-
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Ventil (5) an der Getriebeinnenseite der Welle (3) vorgesehen. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Das Ventil (5) muss nicht unbedingt an der Welle (3) vorgesehen sein. Das Ventil (5) muss lediglich ausreichend zentrisch im Getriebe vorgesehen sein, um eine Druckabgabe bei sich im Rotationszentrum ansammelnder und komprimierender Luft zu ermöglichen.
-
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Überdruckventil (5) an der Getriebeinnenseite der Welle (3) als eine druckgesteuerte Einrichtung vorgesehen. Alternativ kann auch eine Membran an dieser Position angeordnet sein, durch die Luft entweichen kann, aber der Schmierstoff innen gehalten wird. Im Stillstand des Getriebes steht die Membran an der Innenseite mit dem Schmierstoff (Öl) in Kontakt. Es tritt jedoch kein Öl durch die Membran nach außen.
-
Im Betrieb liegt an der Innenseite der Membran Luft an, denn das Öl wird nach außen geschleudert. Der Überdruck kann durch die Membran entweichen. Eine derartige spezielle Membran, die einerseits luftdurchlässig ist aber andererseits ölundurchlässig ist, ist auf dem Markt (z. B. als sogenannte Fliese) erhältlich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Getriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Welle
- 4
- Bohrung
- 4a
- Öffnung an Getriebeinnenseite
- 4b
- Öffnung an Getriebeaußenseite
- 5
- Ventil
- 6
- Ölraum
- 101
- Getriebe des Standes der Technik
- 102
- Gehäuse
- 103
- Welle
- 104
- Bohrung
- 104a
- Öffnung an Getriebeinnenseite
- 104b
- Öffnung an Getriebeaußenseite
- 106
- Ölraum
- 108
- Anschluss für Ausgleichsbehälter
- 110
- Pfropfen an Öffnungsaußenende
