DE102015221633A1

DE102015221633A1 - Planetenlager mit sphärischer Laufbahn

Info

Publication number: DE102015221633A1
Application number: DE102015221633.0A
Authority: DE
Inventors: Pieter Siebelink
Original assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Getriebe mit mindestens einem Planetenträger (101), mindestens einem Planetenrad (103), mindestens einem Sonnenrad und mindestens einem Hohlrad; wobei das Planetenrad (103) mit dem Sonnenrad und/oder dem Hohlrad kämmt; wobei das Planetenrad (103) mittels eines Lagers (109) drehbar in dem Planetenträger (101) gelagert ist; und wobei eine erste Laufbahn (111) des Lagers (109) drehfest zu dem Planetenträger (101) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laufbahn (111) sphärisch geformt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Windkraftgetriebe unterliegen hohen Belastungen und damit einhergehenden Verformungen. Um in Anbetracht dessen ein zufriedenstellendes Tragbild der Verzahnungen einer Planetenstufe zu gewährleisten, werden selbstausrichtende Planetenräder verwendet. Diese sind orthogonal zu ihrer Drehachse beweglich und können so die auftretenden Verformungen ausgleichen.
Aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen mit selbstausrichtenden Planetenrädern weisen Lagerungen der Planetenräder mit sphärischen äußeren Laufbahnen auf. Die Wälzkörper derartiger Lagerungen sind entsprechend tonnenförmig. Die Wälzkörper rollen hierbei entlang einer relativ zu den Planetenträger feststehenden Umlaufbahnen ab. Das Planetenrad hingegen ist orthogonal zu einer Mittelachse dieser Umlaufbahn verkippbar. Im verkippten Zustand sind folglich die Mittelachse der Umlaufbahn und eine Drehachse des Planetenrads antiparallel. Dies führt dazu, dass die Wälzkörper orthogonal zu ihrer Abrollrichtung auf der äußeren Lauffläche gleiten, was dem Verschleißverhalten des Lagers abträglich ist.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich, wenn die Wälzkörper in einem Lagerkäfig fixiert werden sollen. Die tonnenförmige Form bedingt in axialer Richtung nach außen hin einen verminderten Umfang. Da die Wälzkörper aber an diesen Stellen von dem Lagerring geführt werden, vermindert sich die Stabilität der Führung. Damit geht die Gefahr einher, dass sich die Wälzkörper quer zu ihrer Laufrichtung verdrehen.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Kugelgelenke mit sphärisch geformten inneren Laufbahnen bekannt. Die Druckschrift US 2014/030007 A offenbart ein Kugelgelenk mit Wälzkörpern. Die Wälzkörper ermöglichen es, einen inneren Gelenkteil Relativ zu einem äußeren Gelenkteil um eine Drehachse zu verdrehen. Aufgrund der sphärischen Ausgestaltung der inneren Laufbahn ist weiterhin der innere Gelenkteil orthogonal zu dieser Drehachse verkippbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Planetenräder der Planetenstufe eines Getriebes unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile drehbar zu lagern. Insbesondere sollen die Planetenräder bei verminderter Verschleißneigung selbstausrichtend sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Getriebe umfasst mindestens einen Planetenträger, mindestens einen Planetenrad, mindestens ein Sonnenrad und mindestens ein Hohlrad. Der Planetenträger bildet mit dem Sonnenrad, mit dem Hohlrad und mindestens einem Planetenrad eine Planetenstufe. Das Planetenrad kämmt dabei mit dem Sonnenrad und/oder dem Hohlrad. Insbesondere umfasst die Planetenstufe mindestens ein Planetenrad, das mit dem Hohlrad kämmt und mindestens ein Planetenrad, das mit dem Sonnenrad kämmt.
Die Planetenräder der Planetenstufe sind jeweils mittels eines Lagers drehbar in dem Planetenträger gelagert. Entweder der Planetenträger, das Sonnenrad oder das Hohlrad ist drehfest angeordnet, die beiden anderen Komponenten sind drehbar. Ist also der Planetenträger drehfest angeordnet, sind das Sonnenrad und das Hohlrad drehbar. Ist das Sonnenrad drehfest angeordnet, sind das Planetenrad und das Hohlrad drehbar. Ist hingegen das Hohlrad drehfest angeordnet, sind der Planetenträger und das Sonnenrad drehbar.
Unter einer Laufbahn ist bei einem Wälzlager allgemein eine Fläche zu verstehen, auf der Wälzkörper abrollen. Bei einem Gleitlager wird der Begriff Laufbahn synonym zur Gleitfläche verwendet. Die Laufbahnen eines Lagers sind paarweise angeordnet. Zu jeder ersten Laufbahn gibt es entsprechend mindestens eine zweite Laufbahn. Die erste Laufbahn und die zweite Laufbahn sind relativ zueinander um eine Drehachse des Lagers verdrehbar. Dabei stützen sich die erste Laufbahn und die zweite Laufbahn gegeneinander ab, d.h. es können Kräfte zwischen der ersten Laufbahn und der zweiten Laufbahn übertragen werden. Im Falle eines Wälzlagers geschieht dies über Wälzkörper, die auf der ersten Laufbahn und auf der zweiten Laufbahn abrollen. Im Falle eines Gleitlagers stehen die erste Laufbahn und die zweite Laufbahn in direktem Kontakt zueinander.
Eine erste Laufbahn des Lagers, mit dem das Planetenrad drehbar in dem Planetenträger gelagert ist, ist erfindungsgemäß drehfest zu dem Planetenträger ausgebildet. Die erste Laufbahn des Lagers kann also relativ zu dem Planetenträger nicht verdreht werden. Vorzugsweise ist die erste Laufbahn des Lagers relativ zu den Planetenträgern starr bzw. unbeweglich. Dies lässt sich beispielsweise mittels eines Planetenbolzens realisieren, der in dem Planetenträger fixiert ist, und auf dem ein Innenring des Lagers befestigt ist, der die erste Laufbahn ausbildet.
Erfindungsgemäß ist die erste Laufbahn sphärisch geformt, d.h. hat die Form mindestens eines Teils der äußeren Oberfläche einer Kugel. Dies ermöglicht eine Verkippung des Planetenrads orthogonal zu seiner eigenen Drehachse, d.h. zu der Drehachse um die das Planetenrad vor der Verkippung rotiert hat.
In einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich beim Lager um ein Wälzlager. Durch die sphärische Form der ersten Laufbahn verbessert sich bei einer Verkippung des Planetenrads das Verschleißverhalten, da die Wälzkörper frei sind, der Kippbewegung des Planetenrads zu folgen. Zu einem Gleiten der Wälzkörper kommt es lediglich, während das Planetenrad verkippt wird. Ist das Planetenrad hingegen im verkipptem Zustand statisch, gleiten die Wälzkörper nicht, sondern unterliegen ausschließlich einer Rollbewegung.
Bei einer Weiterbildung des Lagers, mit dem das Planetenrad drehbar in dem Planetenträger gelagert ist, als Wälzlager, ist eine zweite Laufbahn des Lagers in einer bevorzugten Weiterbildung drehfest zu dem Planetenrad ausgebildet. Dies bedeutet, dass zwischen dem Planetenrad und der zweiten Laufbahn keine Verdrehbewegung möglich ist. Vorzugsweise sind die zweite Laufbahn und das Planetenrad starr, d.h. unbeweglich zueinander angeordnet. So kann etwa das Planetenrad starr bzw. unbeweglich mit einem Außenring des Lagers, der die zweite Laufbahn ausbildet, verfügt sein. Alternativ ist es möglich, dass das Planetenrad selbst die zweite Laufbahn ausbildet. In Entsprechung zu der sphärisch ausgeformten ersten Laufbahn nimmt die zweite Laufbahn die Form mindestens eines Teils der äußeren Oberfläche eines Rotationstorus an.
Ein Rotationstorus ist ein Toroid mit kreisförmiger Grundfläche. Ein Rotationstorus entsteht also durch Rotation eines Kreises, um eine außerhalb des Kreises verortete Achse.
In einer alternativ bevorzugten Weiterbildung kann es sich bei dem Lager um ein Gleitlager handeln. Der Kontakt zwischen der ersten Laufbahn und der zweiten Laufbahn bedingt dabei, dass die zweite Laufbahn die Form mindestens eines Teils der inneren Oberfläche einer Kugel hat.
Aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Planetenlagerung;
2 die aus dem Stand der Technik bekannte Planetenlagerung mit verkipptem Planetenrad;
3 tonnenförmige, in einem Lagerkäfig geführte Wälzkörper;
4 eine Planetenlagerung mit sphärischer innerer Laufbahn;
5 die Planetenlagerung mit sphärischer innerer Laufbahn und verkipptem Planetenrad;
6 ineinander verschachtelte Wälzkörper; und
7 ein gleitgelagertes Planetenrad.
1 stellt einen Planetenträger 101 mit einem relativ zu dem Planetenträger 101 drehbaren Planetenrad 103 dar. In dem Planetenträger 101 ist ein Planetenbolzen 105 formschlüssig fixiert. Auf dem Planetenbolzen 105 wiederum ist ein Innenring 107 eines Planetenlagers 109 angebracht. Der Innenring 107 bildet eine konkave innere Lagerlaufbahn 111 aus. Eine ebenso konkave äußere Lagerlaufbahn 113 bildet das Planetenrad 103 aus. Zwischen der inneren Lagerlaufbahn 111 und der äußeren Lagerlaufbahn 113 rollen tonnenförmige Wälzkörper 115 ab. Gemäß der Darstellung von 1 bewegen sich die Wälzkörper 105 und das Planetenrad 103 in einer gemeinsamen Ebene.
Dies ändert sich, wenn das Planetenrad 103, wie in 2 dargestellt, orthogonal zu einer Symmetrieachse 117 des Planetenbolzens verkippt wird. Nun ist auch eine Ebene, in der das Planetenrad 103 rotiert, zu einer Ebene, in der sich die Wälzkörper 115 bewegen, verkippt. Die Wälzkörper 115 bewegen sich weiterhin auf einer Umlaufbahn um die Symmetrieachse 117 des Planetenbolzens 105. Eine Drehachse des Planetenrads 103 verläuft allerdings in einem von Null verschiedenen Winkel dazu. Dies hat eine Gleitbewegung der Wälzkörper 115 auf der äußeren Lagerlaufbahn 113 in Querrichtung, d.h. orthogonal zu der Drehachse des Planetenrads 103 zur Folge.
3 verdeutlicht die Fixierung der tonnenförmigen Wälzkörper 115 in einem Lagerkäfig 301. Aufgrund des sich nach außen verjüngenden Abrollumfangs der Wälzkörper 115 besteht die Gefahr, dass die Wälzkörper, wie in 3 dargestellt, verkippen. Die Drehachse 303 eines verkippten Wälzkörpers 305 verläuft orthogonal zu den Drehachsen 303 der übrigen Wälzkörper 115. Die hat zur Folge, dass der verkippte Wälzkörper 305 auf den Lagerlaufbahnen 111, 113 gleitet und Schäden verursacht.
Lösungen dieser Probleme sind in den 4 bis 7 angedeutet. Gemäß einer in den 4 bis 6 dargestellten Lösungen ist die innere Lagerlaufbahn 111 sphärisch geformt. Die äußere Lagerlaufbahn 113 hat entsprechend die Form eines Teils der äußeren Oberfläche eines Rotationstorus. Dieser Formgebung sind die Wälzkörper 115 angepasst.
Nun folgen die Wälzkörper 115, wie in 5 dargestellt einer Kippbewegung des Planetenrads 103. Die Drehung des Planetenrads 103 und die Bewegung der Wälzkörper 115 um eine Umlaufbahn erfolgt zu jeder Zeit in einer gemeinsamen Ebene. Die Drehung des Planetenrads 103 geht daher nicht mehr mit einer Gleitbewegung der Wälzkörper 115 einher. Die Wälzkörper 115 gleiten lediglich über die innere Lagerlaufbahn 111, während das Planetenrad 103 eine Kippbewegung ausführt.
Die Wälzkörper 115 verjüngen sich bei der in den 4 bis 6 dargestellten Lösung zur Mitte hin. Dies lässt, wie in 6 dargestellt mittig Platz, in dem weitere Wälzkörper 601 angeordnet werden können.
7 zeigt die Lagerung des Planetenrads 103 mittels eines Gleitlagers, dessen innere Lagerlaufbahn 111 und äußere Lagerlaufbahn 113 sphärisch geformt sind. Auch hier ist es möglich, dass Planetenrad 103 orthogonal zu der Symmetrieachse 117 des Planetenbolzens 105 zu verkippen.
Bezugszeichenliste

101: Planetenträger
103: Planetenrad
105: Planetenbolzen
107: Innenring
109: Planetenlager
111: innere Lagerlaufbahn
113: äußere Lagerlaufbahn
115: Wälzkörper
117: Symmetrieachse
301: Lagerkäfig
303: Drehachse
305: verkippter Wälzkörper
601: Wälzkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/030007 A [0005]

Claims

Getriebe mit mindestens einem Planetenträger (101), mindestens einem Planetenrad (103), mindestens einem Sonnenrad und mindestens einem Hohlrad; wobei das Planetenrad (103) mit dem Sonnenrad und/oder dem Hohlrad kämmt; wobei das Planetenrad (103) mittels eines Lagers (109) drehbar in dem Planetenträger (101) gelagert ist; und wobei eine erste Laufbahn (111) des Lagers (109) drehfest zu dem Planetenträger (101) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laufbahn (111) sphärisch geformt ist.
Getriebe nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lager (109) um ein Wälzlager handelt.
Getriebe nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Laufbahn (113) des Lagers (109) drehfest zu dem Planetenrad (103) ausgebildet ist; wobei die zweite Laufbahn (113) die Form mindestens eines Teils der äußeren Oberfläche eins Rotationstorus hat.
Getriebe nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lager (109) um ein Gleitlager handelt.