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Die Erfindung betrifft einen Planetenbolzen, insbesondere einen Planetenbolzen einer Planetenstufe eines Getriebes für eine Windkraftanlage.
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Der Planetenbolzen ist vorgesehen als Teil einer Planetenstufe, die darüber hinaus einen Planetenträger, ein Hohlrad, ein Sonnenrad, Planetenlager und mindestens ein Planetenrad umfasst. Der Planetenbolzen dient dazu, die Planetenlager aufzunehmen. Mit denen ist das Planetenrad drehbar in dem Planetenbolzen gelagert. Das Planetenrad kämmt mit dem Hohlrad und mit dem Sonnenrad, das drehfest auf einer Ausgangswelle fixiert ist. Der Planetenträger ist bei einer Windkraftanlage üblicherweise drehfest mit einem Rotor verbunden, während die Ausgangswelle einen Generator antreibt.
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Der Planetenbolzen ist üblicherweise in zwei Bolzensitzen in dem Planetenträger mittels eines Pressverbands fixiert. Um den Pressverband herzustellen, wird der Planetenträger erwärmt. Nachdem der Planetenbolzen in die Bolzensitze eingeführt wurde, führt eine Abkühlung dazu, dass der Planetenträger auf den Planetenbolzen aufschrumpft.
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Die Belastbarkeit der Planetenstufe ist durch die axiale Belastbarkeit des Pressverbands zwischen dem Planetenbolzen und dem Planetenträger begrenzet.
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Der Erfindung löst die Aufgabe, die Belastbarkeit der Planetenstufe, insbesondere die Belastbarkeit der Planetenstufe eines Getriebes einer Windkraftanlage, unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innenwohnenden Nachteile zu verbessern. Insbesondere sollen die Auswirkungen der Beschränkung der Belastbarkeit der Planetenstufe durch die Belastbarkeit des Pressverbands zwischen dem Planetenbolzen und dem Planetenträger abgemildert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Planetenbolzen mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Bereich des Planetenbolzens, in dem eine Verbiegung stattfindet, von einem Bereich, der zur Fixierung des Planetenbolzens in einem Planetenträger dient, zu entkoppeln. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein Bereich des Planetenbolzens mit verminderter Biegesteifigkeit vorgesehen.
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Ein erfindungsgemäßer Planetenbolzen weist entsprechend aus einem ersten Bereich, einem zweiten Bereich und einem dritten Bereich auf; der Planetenbolzen kann aus dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich bestehen. Zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich sowie zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich verläuft jeweils genau eine Grenzfläche, d. h. eine Schnittfläche bzw. Querschnittsfläche des Planetenbolzens. Insbesondere handelt es sich bei der Grenzfläche nicht um eine Oberfläche des Planetenbolzens oder eines Teils davon.
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Eine Grenzfläche zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich existiert nicht. Der zweite Bereich verbindet demnach den ersten Bereich mit dem dritten Bereich.
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Die Grenzfläche zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich sowie die Grenzfläche zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich verlaufen bezüglich des Planetenbolzens radial, das heißt orthogonal zu der Symmetrieachse des Planetenbolzens beziehungsweise zu der Drehachse des Planetenrads. Dies impliziert, dass es sich bei den Grenzflächen um ebene Flächen handelt. Insbesondere verlaufen die Grenzflächen also innerhalb jeweils einer orthogonal zu der Symmetrieachse des Planetenbolzens beziehungsweise zu der Drehachse des Planetenrads ausgerichteten Ebene.
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Bevorzugt ist der Planetenbolzen einstückig ausgeführt. Der erste Bereich, der zweite Bereich und der dritte Bereich sind in axialer Richtung, das heißt in Richtung einer Symmetrieachse des Planetenbolzens beziehungsweise in Richtung einer Drehachse von Planetenrädern, die drehbar auf dem Planetenbolzen gelagert sind, aneinandergereiht. Auf den ersten Bereich folgt in axialer Richtung der zweite Bereich; auf diesen folgt in axialer Richtung der dritte Bereich. Der erste Bereich geht also entlang der Grenzfläche zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich in den zweiten Bereich über. Entsprechend geht der zweite Bereich entlang der Grenzfläche zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich in den dritten Bereich über.
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Der dritte Bereich weist eine Schulter zur axialen Fixierung mindestens eines Planetenlagers auf. Bei der Schulter handelt es sich um eine rotationssymmetrische Fläche, deren Symmetrieachse mit der Symmetrieachse des Planetenbolzens übereinstimmt. Insbesondere kann es sich bei der Schulter um eine kreisringförmige Fläche handeln. Eine andere Bezeichnung für die Schulter lautet Absatz.
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Wenn der Planetenbolzen in einem Planetenträger montiert ist, dient die Schulter zur axialen Fixierung des Planetenlagers in eine erste axiale Richtung. In eine zweite, entgegengesetzt verlaufende axiale Richtung wird das Planetenlager durch den Planetenträger fixiert.
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Erfindungsgemäß weist mindestens ein Teilbereich des zweiten Bereichs eine mindestens teilweise, d.h. in mindestens eine radiale Richtung, verminderte Biegesteifigkeit auf. Insbesondere kann die Biegesteifigkeit des zweiten Bereichs vollständig, d.h. in jede radiale Richtung, vermindert sein.
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Die Biegesteifigkeit kann gegenüber der Biegesteifigkeit mindestens eines Teilbereichs des ersten Bereichs oder gegenüber der Biegesteifigkeit mindestens eines Teilbereichs des dritten Bereichs, mindestens teilweise vermindert sein. Beide Alternativen realisieren unabhängig voneinander die der Erfindung zugrundeliegende Idee einer Entkopplung von Verbiegung und Fixierung des Planetenbolzens. Auch eine Kombination der Alternativen, d.h. eine gegenüber der Biegesteifigkeit mindestens eines Teilbereichs des ersten Bereichs und gegenüber der Biegesteifigkeit mindestens eines Teilbereichs des dritten Bereichs mindestens teilweise verminderte Biegesteifigkeit des ersten Bereichs ist erfindungsgemäß möglich.
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Bei dem ersten Bereich handelt es sich vorzugsweise um einen Bereich des Planetenbolzens, der zur Fixierung des Planetenbolzens in einem Bolzensitz des Planetenträgers ausgebildet ist. Der erste Bereich des Planetenbolzens wird in den Bolzensitz eingeführt und dort in einem Pressverband mit dem Planetenträger fixiert. Vorzugsweise wird der Planetenträger auf den ersten Bereich des Planetenbolzens aufgeschrumpft. Eine Oberfläche des ersten Bereichs, auf die der Planetenträger aufgeschrumpft wird, ist vorzugsweise als Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders ausgestaltet. Insbesondere kann der gesamte erste Bereich zylinderförmig ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise dient der dritte Bereich der Aufnahme mindestens eines Planetenlagers. Mit Aufnahme des Planetenlagers ist die Möglichkeit gemeint, das Planetenlager auf den dritten Bereich aufzubringen, so dass es dort mindestens in radialer Richtung durch den dritten Bereich fixiert wird. Eine Fixierung in axialer Richtung erfolgt, wie oben beschrieben, durch die Schulter und vorzugsweise durch den Planetenträger. Als vorteilhaft hat sich in dieser Hinsicht erwiesen, wenn neben dem ersten Bereich auch der dritte Bereich eine in Form einer Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders ausgestaltete Oberfläche aufweist. Insbesondere kann ein zur Aufnahme des Planetenlagers ausgebildeter Teilbereich des dritten Bereichs zylinderförmig ausgestaltet sein.
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Im Betrieb wird über die Planetenlager eine Last auf den Planetenbolzen aufgebracht. Hierdurch kommt es zu einer Verbiegung des dritten Bereichs. Aufgrund der innerhalb des zweiten Bereichs verminderten Biegesteifigkeit wird aber der erste Bereich von dieser Verbiegung entkoppelt. Die Verbiegung kann sich also nicht auf den ersten Bereich übertragen.
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Die Biegesteifigkeit in einer radialen Richtung bezeichnet die Steifigkeit bezüglich einer in diese Richtung auf den Planetenbolzen wirkenden Kraft, d.h. bezüglich eines auf den Planetenbolzen wirkenden radial, d.h. orthogonal zu der Symmetrieachse des Planetenbolzens ausgerichteten, Drehmoments. Dabei ist mit radialer Richtung eine Richtung orthogonal zu der Symmetrieachse des Planetenbolzens beziehungsweise zu der Drehachse des Planetenrads gemeint.
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Gewöhnlich ist der Planetenbolzen rotationssymmetrisch. Die genannten Biegesteifigkeiten innerhalb des ersten Bereichs, des zweiten Bereichs und des dritten Bereichs sind dann unabhängig von der radialen Richtung. In diesem Fall kann die Biegesteifigkeit in mindestens einer radialen Richtung auch als Biegesteifigkeit in radialer Richtung, radiale Biegesteifigkeit oder nur als Biegesteifigkeit bezeichnet werden.
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Die Biegesteifigkeit ist abhängig von dem Produkt aus Elastizitätsmodul und Flächenträgheitsmoment. Ein erfindungsgemäßer Planetenbolzen entspricht daher einem Planetenbolzen, bei dem mindestens eine Querschnittsfläche des zweiten Bereichs ein, insbesondere in mindestens einer radialen Richtung, gegenüber mindestens einer Querschnittsfläche des ersten Bereichs vermindertes Produkt aus Elastizitätsmodul und axialem Flächenträgheitsmoment aufweist und/oder mindestens eine Querschnittsfläche des zweiten Bereichs ein, insbesondere in mindestens einer axialen Richtung, gegenüber mindestens einer Querschnittsfläche des dritten Bereichs vermindertes Produkt aus Elastizitätsmodul und Flächenträgheitsmoment aufweist. Querschnittsfläche bezeichnet dabei eine axial, das heißt orthogonal zu der Symmetrieachse des Planetenbolzens beziehungsweise der Drehachse des Planetenrads, verlaufende Schnittfläche.
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Eine besonders wirksame Entkopplung des ersten Bereichs von einer Verbiegung des dritten Bereichs wird erreicht, wenn die Biegesteifigkeit des gesamten zweiten Bereichs gegenüber der Biegesteifigkeit des gesamten ersten Bereichs und/oder der Biegesteifigkeit des gesamten dritten Bereichs mindestens teilweise vermindert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist demgemäß der zweite Bereich nicht nur in einem Teilbereich, sondern insgesamt eine nicht nur gegenüber einem Teilbereich des ersten Bereichs, sondern gegenüber dem ersten Bereich insgesamt mindestens teilweise verminderte Biegesteifigkeit auf. Entsprechend weist jede Querschnittsfläche des zweiten Bereichs in mindestens einer radialen Richtung ein gegenüber jeder Querschnittsfläche des ersten Bereichs vermindertes Produkt aus Elastizitätsmodul und Flächenträgheitsmoment auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Bereich eine gegenüber dem dritten Bereich mindestens teilweise verminderte Biegesteifigkeit auf. Jede Querschnittsfläche des zweiten Bereichs weist entsprechend in mindestens einer radialen Richtung ein gegenüber jeder Querschnittsfläche des dritten Bereichs vermindertes Produkt aus Elastizitätsmodul und Flächenträgheitsmoment auf.
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Die in dem zweiten Bereich verminderte Biegesteifigkeit lässt sich auf verschiedene Arten realisieren. Bevorzugt verjüngt sich der zweite Bereich mindestens teilweise in mindestens einem Teilbereich gegenüber mindestens einem Teilbereich des ersten Bereichs und/oder gegenüber mindestens einem Teilbereich des dritten Bereichs. Unter einer Verjüngung ist dabei eine verminderte Ausdehnung in radialer Richtung zu verstehen.
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Die Verjüngung entspricht bevorzugt einem verringerten Flächeninhalt einer Querschnittsfläche. Dies bedeutet, dass eine der obengenannten Querschnittsflächen des zweiten Bereichs einen gegenüber einer der obengenannten Querschnittsflächen des ersten Bereichs und/oder gegenüber einer der obengenannten Querschnittsflächen des dritten Bereichs verminderten Flächeninhalt aufweist.
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Alternativ oder ergänzend lässt sich eine verminderte Biegesteifigkeit auch durch einen geringeren Elastizitätsmodul realisieren. Entsprechend kann das Material in mindestens einem Teilbereich des zweiten Bereichs einen geringeren Elastizitätsmodul aufweisen, als das Material in mindestens einem Teilbereich des ersten Bereichs und/oder als das Material in mindestens einem Teilbereich des dritten Bereichs. Eine der obengenannten Querschnittsflächen des zweiten Bereichs verläuft dann durch Material mit einem geringeren Elastizitätsmodul, als eine der obengenannten Querschnittsflächen des ersten Bereichs und/oder eine der obengenannten Querschnittsflächen des dritten Bereichs. Verläuft also die Querschnittsfläche des ersten Bereichs durch ein erstes Material, die Querschnittsfläche des zweiten Bereichs durch ein zweites Material und die Querschnittsfläche des dritten Bereichs durch ein drittes Material, so weist das zweite Material einen geringeren Elastizitätsmodul als das erste Material und/oder als das dritte Material auf.
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Eine weitere Verbesserung der Belastbarkeit des Planetenbolzens lässt sich durch eine Kante erreichen, die zwischen dem ersten Bereich des Planetenbolzens und dem zweiten Bereich des Planetenbolzens verläuft. Insbesondere verläuft die Kante entlang der Grenzfläche zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich, beziehungsweise entlang der Begrenzungslinie, der Umrandung beziehungsweise des Rands der Grenzfläche. Insbesondere die Verjüngung des zweiten Bereichs eignet sich, diese Kante auszubilden.
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Die Kante ist als Schneide ausgestaltet, so dass sie eine Einkerbung in dem Planetenbolzen hervorrufen kann, wenn der Planetenbolzen belastet wird. Durch die Belastung kommt es im Bereich der Kante zu einer Druckspitze, die zur Einkerbung des Planetenbolzens führt. Schließlich verhakt sich die Kante in der Einkerbung. Zwischen der Kante und der Einkerbung und damit zwischen dem Planetenträger und dem Planetenbolzen entsteht also eine formschlüssige Verbindung, die den Planetenbolzen in dem Planetenträger fixiert.
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Um die Kerbwirkung zu erzielen, besteht vorzugsweise der Planetenbolzen, insbesondere ein Bereich des Planetenbolzens, der die Kante umfasst, aus einem härteren Material als der Planetenträger. Härte bezeichnet hier eins der bekannten Maße zur Quantifizierung des mechanischen Widerstands, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt, etwa Shore-Härte, Wickershärte oder Brinellhärte.
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In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend näher beschrieben. Dabei kennzeichnen übereinstimmende Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt
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1 einen Planetenbolzen mit einer Verjüngung; und
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2 eine Verjüngung mit optimierter Geometrie.
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Der in 1 dargestellte Planetenbolzen 101 besteht aus einem ersten Bereich 103, einem zweiten Bereich 105 und einem dritten Bereich 107. Eine erste axial ausgerichtete Grenzfläche 109 trennt den ersten Bereich von dem zweiten Bereich. Der zweite Bereich 105 wird von dem dritten Bereich 107 durch eine zweite axial ausgerichtete Grenzfläche 111 getrennt.
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Der dritte Bereich 107 besteht aus zwei zylinderförmigen Segmenten. Ein erstes, in 1 auf der linken Seite dargestelltes Segment hat einen ersten Durchmesser 113. Ein zweites, in 1 auf der rechten Seite dargestelltes Segment hat einen zweiten Durchmesser 115. Beide Segmente grenzen aneinander an. Weiterhin ist der zweite Durchmesser 115 größer als der erste Durchmesser 113. Dadurch entsteht eine axial ausgerichtete, kreisringförmige Fläche, die eine Schulter 117 zur axialen Fixierung der Planetenlager ausbildet.
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Das zweite Segment des dritten Bereichs 107 dient weiterhin dazu, den Planetenbolzen 101 in einem ersten Bolzensitz 119 eines Planetenträgers 121 zu fixieren. Mittels des ersten Bereichs 103 wird der Planetenbolzen 101 in einem zweiten Bolzensitz 123 des Planetenträgers 121 fixiert.
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Zur Fixierung des Planetenbolzens bildet der erste Bolzensitz 119 dem zweiten Segment des dritten Bereichs 107 einen Pressverband; der zweite Bolzensitz 123 bildet einen Pressverband mit dem ersten Bereich 103.
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Der erste Bereich 103 weist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel den gleichen Durchmesser 113 wie der dritte Bereich 107 auf. Über den zweiten Bereich 105 ist der erste Bereich 103 mit dem dritten Bereich 107 verbunden. Der zweite Bereich 105 verjüngt sich gegenüber dem ersten Bereich 103 und gegenüber dem dritten Bereich 107. Verjüngung ist dabei gleichbedeutend mit einem verringerten Durchmesser.
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Wie in 1 dargestellt, ist also der Durchmesser des zweiten Bereichs 105 an jeder Stelle des zweiten Bereichs 105 geringer als der Durchmesser 113 des ersten Bereichs 103 und des zweiten Bereich 107.
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Die Verjüngung des zweiten Bereichs 105 erfolgt durch eine Ausnehmung 125. Im Bereich dieser Ausnehmung 125 ist der Durchmesser des Planetenbolzens 101 auf ein Minimum 127 reduziert.
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Die Ausnehmung 125 und damit das Minimum 127 des Durchmessers des Planetenbolzens 101 ist so gestaltet, dass sich eine Durchbiegung des Planetenbolzens 101 innerhalb des dritten Bereichs 107 nicht auf den ersten Bereich 103 übertragen kann. Insbesondere lässt der zweite Bereich 105 aufgrund seiner verminderten Biegesteifigkeit eine Verbiegung des dritten Bereichs 107 gegenüber dem ersten Bereich 103 zu. Auf diese Weise wird eine Entkopplung des ersten Bereichs 103 von der Durchbiegung in dem dritten Bereich 107 erreicht.
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In einem Teilbereich, der sich in axialer Richtung erstreckt, weist der zweite Bereich 105 weiterhin einen Durchmesser 129 auf, der kleiner ist als der Durchmesser 113 des ersten Bereichs 103 und des dritten Bereichs 107, aber größer als das Minimum 127. Hierdurch wird ein Kontakt des Planetenbolzens 101 mit dem Planetenträger 121 beziehungsweise dem zweiten Bolzensitz 123 außerhalb des ersten Bereichs 103 vermieden.
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Zwischen dem ersten Bereich 103 und dem zweiten Bereich 105 verläuft entlang der ersten Grenzfläche 109 eine Kante 131. Durch den Pressverband zwischen dem zweiten Bolzensitz 123 und dem ersten Bereich 103 und infolge der auftretenden Belastungen des Planetenbolzens 101 schneidet die Kante 131 eine Kerbe in den zweiten Bolzensitz 123. Zwischen dieser Kerbe und der Kante 131 entsteht eine formschlüssige Verbindung, die zur Fixierung des ersten Bereichs 103 in dem zweiten Bolzensitz 123 beiträgt.
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Die in 2 dargestellte Ausnehmung 125 wurde hinsichtlich der Spannungen, die infolge der Belastung des dritten Bereichs 107 entlang der Ausnehmung 125 auftreten können, optimiert. So weist die Ausnehmung 125 einen ersten Bereich 201 auf, der einen Hinterschnitt darstellt. Der erste Bereich 201 führt die Ausnehmung 125 unter eine Kontaktfläche 203 zwischen dem ersten Bereich 103 des Planetenbolzens 101 und dem zweiten Bolzensitz 123. Die Ausnehmung 125 beziehungsweise Verjüngung des Planetenbolzens 101 hinterschneidet also den ersten Bereich 103 des Planetenbolzens 101.
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Neben dem ersten Bereich 201 weist die Ausnehmung 125 einen zweiten Bereich 205 auf, der sich an den ersten Bereich anschließt.
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Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Hierbei verjüngt sich der zweite Bereich 105 gegenüber dem ersten Bereich 103, nicht aber gegenüber dem dritten Bereich 107. Kennzeichnend für diese Lösung ist, dass der erste Durchmesser 113 des dritten Bereichs 107 geringer ist als der Durchmesser 301 des ersten Bereichs 103. Der Durchmesser 113 des zweiten Bereichs 105 gleicht dem ersten Durchmesser 113 des dritten Bereichs 107.
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Neben der Schulter 117 zur axialen Fixierung der Planetenlager weist der Planetenbolzen 101 damit eine zweite Schulter 303 auf, die entlang der Grenzfläche 109 zwischen dem ersten Bereich 103 und dem zweiten Bereich 105 verläuft. Um trotzdem die Planetenlager montieren zu können, ist der Planetenbolzen 101 zweiteilig ausgestaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Planetenbolzen
- 103
- erster Bereich des Planetenbolzen
- 105
- zweiter Bereich des Planetenbolzen
- 107
- dritter Bereich des Planetenbolzen
- 109
- erste Grenzfläche
- 111
- zweite Grenzfläche
- 113
- erster Durchmesser
- 115
- zweiter Durchmesser
- 117
- Schulter
- 119
- erster Bolzensitz
- 121
- Planetenträger
- 123
- zweiter Bolzensitz
- 125
- Ausnehmung
- 127
- Minimum
- 129
- Durchmesser
- 131
- Kante
- 201
- erster Bereich der Ausnehmung
- 203
- Kontaktfläche
- 205
- zweiter Bereich der Ausnehmung
- 301
- Durchmesser
