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Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Derartige Anordnungen sind insbesondere für die Verwendung im Antriebsstrang einer Windkraftanlage geeignet. Ein Rotor der Windkraftanlage ist dabei drehfest mit einer Eingangswelle eines Getriebes verbunden. Das Getriebe weist mindestens eine Planetenstufe auf. Über die Planetenstufe wird ein Generator angetrieben.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Formen der Integration eines Getriebes und eines Generators bekannt. So offenbart etwa die Druckschrift
EP 2 031 273 A1 ein Getriebe und einen Generator, deren Gehäuse miteinander verschraubt werden können. Eine Ausgangswelle des Getriebes und eine Eingangswelle des Generators sind mittels einer Passverzahnung drehfest miteinander verbunden.
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Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weist das Getriebe in der Regel zwei hintereinander geschaltete Planetenstufen auf. Hiermit lassen sich Übersetzungsverhältnisse von etwa 30:1 bis 40:1 realisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe mit einem Generator unter Umgehung der dem aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu koppeln. Insbesondere sollen die Größe und die Masse des Generators verringert werden.
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Die Größe des Generators ist eine Funktion des an einer Eingangswelle des Generators maximal anliegenden Drehmoments. Ein geringeres anliegendes Drehmoment ermöglicht es, den Generator zu verkleinern. Bei einem gegebenen Eingangsdrehmoment, dass von dem Rotor der Windkraftanlage aufgebracht wird, lässt sich das an der Eingangswelle des Generators anliegende Drehmoment durch Vergrößern des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes verringern.
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Zur Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses sieht die Erfindung eine Planetenstufe vor. Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst entsprechend diese Planetenstufe, eine erste Welle, eine zweite Welle und den Generator. Die erste Welle und die zweite Welle sind drehbar gelagert. Insbesondere sind die erste Welle und die zweite Welle relativ zu einer ortsfesten Komponente des Getriebes, etwa zu einem Getriebegehäuse drehbar.
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Die Planetenstufe umfasst ein Hohlrad, einen Planetenträger, ein oder mehrere Planetenräder und einen Sonnenrad. Die Planetenräder sind jeweils drehbar in dem Planetenträger gelagert. Jedes Planetenrad kämmt mit dem Hohlrad und/oder mit dem Sonnenrad. Vorzugsweise kämmt jedes Planetenrad mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad.
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Entsprechend ist das Sonnenrad auf der ersten Welle fixiert. Insbesondere kann das Sonnenrad ausschließlich auf der ersten Welle fixiert sein, so dass die erste Welle das Sonnenrad trägt.
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Die Fixierung des Sonnenrads auf der ersten Welle erfolgt vorzugsweise drehfest, so dass um eine gemeinsame Drehachse keinerlei Drehung des Sonnenrads und der ersten Welle relativ zueinander möglich ist. Darüber hinausgehend kann die Fixierung des Sonnenrads auf der ersten Welle starr sein, so dass keinerlei Relativbewegungen zwischen dem Sonnenrad und der zweiten Welle möglich sind.
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Erfindungsgemäß ist ein Rotor des Generators auf der ersten Welle fixiert. Vorzugsweise ist der Rotor ausschließlich auf der ersten Welle fixiert, so dass die erste Welle den Rotor trägt. Dabei besteht mindestens eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor und der ersten Welle. Vorzugsweise ist der Rotor starr auf der ersten Welle fixiert, so dass keinerlei Relativbewegungen zwischen dem Rotor und der ersten Welle möglich sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann einem herkömmlichen Getriebe nachgeschaltet sein. Durch die zusätzliche Planetenstufe, deren Übersetzungsverhältnis etwa zwischen 3:1 und 5:1 betragen kann, erhöht sich das Übersetzungsverhältnis des gesamten Antriebsstrangs auf etwa 90:1 bis 200:1. Der Generator kann entsprechend klein dimensioniert werden. Da der Rotor auf der ersten Welle fixiert ist, entfällt zudem eine separate Lagerung des Rotors, sodass sich die Anzahl der Teile des Generators verringert.
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Der Planetenträger ist in einer bevorzugten Weiterbildung drehfest ausgeführt. Dies bedeutet, dass der Planetenträger drehfest in einer ortsfesten Komponente des Getriebes, etwa in dem Getriebegehäuse fixiert ist. Insbesondere kann auch der Planetenträger ortsfest ausgeführt sein. Die drehfeste Anordnung des Planetenträgers beugt einer Mangelschmierung der Planetenräder vor. Da die Planetenstufe am Ende des Antriebsstrangs direkt mit dem Generator gekoppelt ist, treten hier hohe Drehzahlen auf. Diese würden bei einem drehbaren Planetenträger dazu führen, dass der Schmierstoff infolge der auftretenden Zentrifugalkräfte abfließen würde. Eine Mangelschmierung der Planetenräder wäre die Folge. Dem beugt die drehfeste Anordnung des Planetenträgers vor.
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Aufgrund des drehfesten Planetenträgers müssen das Hohlrad und das Sonnenrad drehbar gelagert sein. Die Drehachsen, d.h. eine Drehachse jeweils eines Planetenrads, eine Drehachse des Hohlrads und eine Drehachse des Sonnenrads, verlaufen vorzugsweise parallel zueinander. Die Drehachsen des Hohlrads und des Sonnenrads sind vorzugsweise identisch. Das Hohlrad und das Sonnenrad sind also um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert.
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Weiterbildungsgemäß ist zudem das Hohlrad ist auf der zweiten Welle fixiert. Insbesondere kann das Hohlrad ausschließlich auf der zweiten Welle fixiert sein. Dies bedeutet, dass die zweite Welle das Hohlrad trägt. Vorzugsweise sind das Hohlrad und die zweite Welle drehfest zueinander fixiert, so dass um eine gemeinsame Drehachse des Hohlrads und der zweiten Welle keinerlei Drehung des Hohlrads und der ersten Welle relativ zueinander möglich ist. Auch eine einstückige Verbindung des Hohlrads und der ersten Welle ist möglich.
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Alternativ kann das Hohlrad drehfest ausgeführt sein. Dabei ist das Hohlrad drehfest in einer ortsfesten Komponente des Getriebes, etwa in dem Getriebegehäuse fixiert ist. Insbesondere kann auch das Hohlrad ortsfest ausgeführt sein.
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Aufgrund des drehfesten Hohlrads müssen der Planetenträger und das Sonnenrad drehbar gelagert sein. Die Drehachsen, d.h. eine Drehachse jeweils eines Planetenrads, eine Drehachse des Planetenträgers und eine Drehachse des Sonnenrads, verlaufen vorzugsweise parallel zueinander. Die Drehachsen des Planetenträgers und des Sonnenrads sind vorzugsweise identisch, d.h. der Planetenträger und das Sonnenrad sind um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert.
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Der drehbar weitergebildete Planetenträger ist auf der zweiten Welle fixiert. Insbesondere kann der Planetenträger ausschließlich auf der zweiten Welle fixiert sein. Dies bedeutet, dass die zweite Welle den Planetenträger trägt. Vorzugsweise sind das Hohlrad und die zweite Welle drehfest zueinander fixiert, so dass um eine gemeinsame Drehachse des Hohlrads und der zweiten Welle keinerlei Drehung des Hohlrads und der zweiten Welle relativ zueinander möglich ist. Bevorzugt wird eine einstückige Verbindung des Planetenträgers und der zweiten Welle.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Anordnung ein erstes Lager. Mittels des ersten Lagers ist die erste Welle drehbar in dem Planetenträger und/oder in dem Getriebegehäuse gelagert.
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„Eine Welle ist mittels eines Lagers in einer Komponente gelagert“ bedeutet allgemein, dass das Lager eine drehbare Verbindung zwischen der ersten Welle und der Komponente herstellt. Die Welle und die Komponente können also relativ zueinander verdreht werden. Translatorische Bewegungen der Welle und der Komponente relativ zueinander in radialer Richtung, d.h. orthogonal zu einer Drehachse der Welle bzw. der Komponente beschränkt das Lager. Ein erster Teil des Lagers ist mit der Welle verfügt, ein zweiter Teil des Lagers mit der Komponente. Insbesondere kann es sich bei dem ersten Teil um einen Innenring und bei dem zweiten Teil um einen Außenring des Lagers handeln, oder bei dem ersten Teil um einen Außenring und bei dem zweiten Teil um einen Innenring. Der erste Teil und der zweite Teil des Lagers sind relativ zueinander um die genannte Drehachse verdrehbar. In axialer Richtung stützen sich der erste Teil und der zweite Teil-direkt oder über Wälzkörper-aneinander ab.
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Das erste Lager ist in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung axial mindestens teilweise zwischen dem Sonnenrad und dem Rotor angeordnet.
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Wenn eine erste Komponente axial mindestens teilweise zwischen einer zweiten Komponente und einer dritten Komponente angeordnet ist, so bedeutet dies allgemein, dass mindestens ein Teil der ersten Komponente axial zwischen mindestens einem Teil der zweiten Komponente und mindestens einem Teil der dritten Komponente angeordnet ist. Dies ist genau dann der Fall, wenn sich eine erste radial verlaufende Ebene und eine zweite radial verlaufende Ebene finden lassen, wobei die erste Ebene zwischen dem mindestens einen Teil der ersten Komponente und dem mindestens einen Teil der zweiten Komponente verläuft, ohne den mindestens einen Teil der ersten Komponente und den mindestens einen Teil der zweiten Komponente zu schneiden, und die zweite Ebene zwischen dem mindestens einen Teil der ersten Komponente und dem mindestens einen Teil der dritten Komponente verläuft, ohne den mindestens einen Teil der ersten Komponente und dem mindestens einen Teil der dritten Komponente zu schneiden. Eine radial verlaufende Ebene ist orthogonal zu einer Drehachse der ersten Komponente, der zweiten Komponente und/oder der dritten Komponente ausgerichtet.
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Neben dem ersten Lager weist die Anordnung in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung ein zweites Lager auf. Mittels des zweiten Lagers ist die erste Welle drehbar in der zweiten Welle, in dem Hohlrad, in dem Planetenträger und/oder in dem Getriebegehäuse.
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Das Sonnenrad ist vorzugsweise axial mindestens teilweise zwischen dem ersten Lager und dem zweiten Lager angeordnet. Dabei kann das zweite Lager axial mindestens teilweise zwischen der zweiten Welle und dem Sonnenrad angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist darüber hinaus das zweite Lager ist axial mindestens teilweise zwischen der zweiten Welle und dem Sonnenrad angeordnet.
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Alternativ kann das erste Lager axial mindestens teilweise zwischen dem zweiten Lager und dem Rotor angeordnet sein, wobei das zweite Lager axial mindestens teilweise zwischen dem Sonnenrad und dem ersten Lager angeordnet ist. Das Sonnenrad ist dabei bevorzugt axial mindestens teilweise zwischen der zweiten Welle und dem zweiten Lager angeordnet ist.
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Zur Lagerung der zweiten Welle dient in einer bevorzugten Weiterbildung ein drittes Lager. Mittels des dritten Lagers ist die zweite Welle drehbar in dem Getriebegehäuse gelagert. Aufgrund der Fixierung des Hohlrads auf der zweiten Welle erübrigen sich infolge dessen weitere Lager zur Lagerung des Hohlrads.
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Vorzugsweise ist die zweite Welle ausschließlich mittels des dritten und eines vierten Lagers drehbar in dem Getriebegehäuse gelagert, wobei das vierte Lager axial mindestens teilweise zwischen dem dritten Lager und dem Sonnenrad angeordnet ist.
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Bei herkömmlichen Planetengetrieben ist das Sonnenrad vielfach schwimmend gelagert. Das Sonnenrad ist dabei mit Freiheitsgraden versehen, die eine Bewegung des Sonnenrads in radialer Richtung erlauben. Durch die zweifache Lagerung der ersten Welle mittels des ersten Lagers und des zweiten Lagers ist vorliegend allerdings keine radiale Bewegung des Sonnenrads möglich. Anstelle dessen ist daher in einer bevorzugten Weiterbildung das Hohlrad radial beweglich auf der ersten Welle oder in dem Getriebegehäuse fixiert. Hierzu dient bevorzugt ein radial flexibles Element, d.h. ein gegenüber radialen Verschiebungen nachgiebiges Element, etwa eine Sicke oder eine Verschraubung mit radialem Spiel.
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Das radial flexible Element ist in der zweiten Welle oder in dem Getriebegehäuse fixiert. Das Hohlrad wiederum ist in dem radial flexiblen Element fixiert. Das axial flexible Element ermöglicht somit eine Relativbewegung des Hohlrads in radialer Richtung bezüglich der zweiten Welle oder des Getriebegehäuses. Hierdurch verbessert sich die Lastverteilung zwischen den einzelnen Planetenrädern.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine erste Variante einer Getriebestufe mit Generator;
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2 eine zweite Variante einer Getriebestufe mit Generator;
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3 einen Antriebsstrang; und
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4 eine dritte Variante einer Getriebestufe mit Generator.
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In 1 dargestellt ist eine Planetenstufe 101 mit einem Generator 103. Die Planetenstufe 101 wird über eine Eingangswelle 105 angetrieben. Hier ist die Eingangswelle 105 drehfest mit einem drehbaren Hohlrad 107 verbunden. An dem Hohlrad 107 ist dazu eine Hohlwelle 109 ausgeformt, die über eine Passverzahnung 111 mit der Eingangswelle verbunden ist.
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Die Hohlwelle 109 und damit das Hohlrad 107 sind über Lager 113 drehbar in einem Getriebegehäuse 115 gelagert. Die Lager 113 sind so beschaffen, dass sie Biegemomente des Hohlrads 107 aufnehmen können. Hierzu eignen sich insbesondere Kegelrollenlager in mehrreihiger Anordnung.
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Zu der Planetenstufe 101 gehören neben dem Hohlrad 107 Planetenräder 117 und ein Sonnenrad 119. Die Planetenräder 117 sind drehbar in einem ortsfest mit dem Getriebegehäuse 115 verbundenen Planetenträger 120 gelagert. Die Planetenräder 117 kämmen jeweils mit dem Hohlrad 107 und dem Sonnenrad 119.
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Das Sonnenrad 119 treibt eine Sonnenwelle 121 an. Neben dem Sonnenrad 119 ist auch ein Rotor 123 des Generators 103 auf der Sonnenwelle 121 angebracht. Der Rotor 123 wird ausschließlich von der Sonnenwelle 121 getragen. Insbesondere ist der Rotor 123 starr in der Sonnenwelle 121 fixiert. Dies bedeutet, dass keinerlei Relativbewegungen zwischen dem Rotor 123 und der Sonnenwelle 121 möglich sind.
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Da die Sonnenwelle 121 den Rotor 123 des Generators 103 trägt, ist es nicht möglich, die Sonnenwelle 121 radial nachgiebig zu gestalten, um Radialbewegungen des Sonnenrads 119 über einen radialen Freiheitsgrad der Sonnenwelle 121 aufzunehmen. Die Sonnenwelle 121 besitzt vielmehr einen einzigen – rotatorischen – Freiheitsgrad.
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Um dennoch einen Lastausgleich innerhalb der Planetenstufe 101 zu ermöglichen, ist das Hohlrad 107 radial nachgiebig aufgehängt. Hierzu dient eine Sicke 125, welche das Hohlrad 107 radial beweglich mit der Hohlwelle 109 verbindet.
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Der Planetenträger 120 ist mit einer Abdeckung 127 versehen. Durch die Abdeckung 127 hindurch verläuft die Sonnenwelle 121. Die Abdeckung 127 dient dazu, die Sonnenwelle 121 ölundurchlässig gegenüber dem Planetenträger 120 abzudichten. Auf diese Weise bilden der Planetenträger 120 und die Abdeckung 127 einen Teil des Getriebegehäuses 115.
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Mit dem Getriebegehäuse 115 bzw. dem Planetenträger 120 verschraubt ist ein Generatorgehäuse 129, das zum Zwecke der besseren Montier- und Demontierbarkeit zweiteilig ausgeführt ist. Insbesondere dichtet die Abdeckung 127 das Getriebegehäuse 115 öldicht gegenüber dem Generatorgehäuse 129 ab.
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Mittels eines ersten Lagers 131 und eines zweiten Lagers 133 ist die Sonnenwelle 121 drehbar gelagert. Das erste Lager 131 lagert die Sonnenwelle 121 in dem Planetenträger 120. Mittels des ersten Lagers 131 ist also die Sonnenwelle 121 drehbar in dem Planetenträger 120 fixiert.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sonnenwelle 121 mittels des zweiten Lagers 133 in dem Hohlrad 107 und der Hohlwelle 109 gelagert. Das zweite Lager 133 fixiert also die Sonnenwelle 121 drehbar in dem Hohlrad 107 und der Hohlwelle 109.
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In axialer Richtung zwischen dem ersten Lager 131 und dem zweiten Lager 133 sind jeweils ein Teil des Sonnenrads 119, der Planetenräder 117 und des Hohlrads 107 angeordnet. Das erste Lager 131 und das zweite Lager 133 können ein- oder mehrreihig ausgeführt sein. Weitere Lager zur Lagerung der Sonnenwelle 121 und damit des Rotors 123 des Generators 103 sind nicht vorgesehen.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich demgegenüber durch die Anordnung des zweiten Lagers 133. Gemäß 2 ist die Sonnenwelle 121 mittels des zweiten Lagers 133 nicht in dem Hohlrad 107 und der Hohlwelle 109 gelagert, sondern zusammen mit dem ersten Lager 131 in dem Planetenträger 120. Auch hier sind neben dem ersten Lager 131 und dem zweiten Lager 133 keine weiteren Lager zur Lagerung der Sonnenwelle 121 und damit des Rotors 123 des Generators 103 vorgesehen.
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Die Planetenstufe 101 und der Generator 103 können wie in 3 dargestellt in den Antriebsstrang 301 einer Windkraftanlage integriert werden. Der Antriebsstrang 301 umfasst neben der Planetenstufe 101 eine erste vorgeschaltete Planetenstufe 303 und eine zweite vorgeschaltete Planetenstufe 305. Beide Planetenstufen 303, 305 weisen einen drehbaren Planetenträger 309, 319, ein drehbares Sonnenrad und ein feststehendes Hohlrad auf.
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Ein von einem Rotor der Windkraftanlage zu dem Generator 103 verlaufender Drehmomentfluss wird der Reihe nach geleitet über eine Rotorwelle 307, einen drehfest mit der Rotorwelle 307 verbundenen Planetenträger 309 der ersten vorgeschalteten Planetenstufe 303, Planetenräder 311 der ersten vorgeschalteten Planetenstufe 303, die mit einem Hohlrad 313 und einem Sonnenrad 315 der ersten vorgeschalteten Planetenstufe 303 kämmen, das Sonnenrad 315 der ersten vorgeschalteten Planetenstufe 303, eine drehfest mit dem Sonnenrad 315 verbundene Sonnenwelle 317 der ersten vorgeschalteten Planetenstufe 303, einen drehfest mit der Sonnenwelle 317 der ersten vorgeschalteten Planetenstufe 303 verbundenen Planetenträger 319 der zweiten vorgeschalteten Planetenstufe 305, Planetenräder 321 der zweiten vorgeschalteten Planetenstufe 305, die mit einem feststehenden Hohlrad 323 und einem drehbaren Sonnenrad 325 der zweiten vorgeschalteten Planetenstufe 305 kämmen, das Sonnenrad 325 der zweiten vorgeschalteten Planetenstufe 305 und eine drehfest mit dem Sonnenrad 325 verbundene Sonnenwelle 327 der zweiten vorgeschalteten Planetenstufe 305 zu der ersten Planetenstufe 101 und damit zu dem Generator 103. Die Sonnenwelle 327 der zweiten vorgeschalteten Planetenstufe 305 dient also als Eingangswelle 105 der Planetenstufe 101.
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Das Übersetzungsverhältnis der beiden vorgeschalteten Planetenstufen 303, 305, das gewöhnlich zwischen 30:1 und 40:1 liegt, lässt sich, wie oben beschrieben, durch Zwischenschaltung einer weiteren Planetenstufe 101 erhöhen. So erreicht die zwischengeschaltete Planetenstufe 101 ein Übersetzungsverhältnis von 3:1 bis 5:1. Hieraus resultiert ein Übersetzungsverhältnis des gesamten Antriebsstrangs 301 von 90:1 bis 200:1. Dies wiederum ermöglicht es, einen kleiner dimensionierten Generator 103 zu verwenden.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Planetenstufe 101 mit einem drehfesten Hohlrad 107. Hier ist anstelle des Hohlrads 107 der Planetenträger 120 drehfest mit der Hohlwelle 109 verbunden. Der Planetenträger 120 und die Hohlwelle 109 sind insbesondere einstückig miteinander verbunden. Das Hohlrad 107 hingegen ist drehfest mit dem Getriebegehäuse 115 verbunden.
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Das Hohlrad 107 kann mit der Sicke 125 radial beweglich gegenüber dem Getriebegehäuse 115 aufgehängt sein. Alternativ eignen sich Verschraubungen 401, mit denen das Hohlrad 107 in dem Getriebegehäuse 115 verschraubt ist. Die Verschraubungen 401 sind so beschaffen, dass sie in radialer Richtung Spiel aufweisen und somit eine radiale Beweglichkeit des Hohlrads 107 ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Planetenstufe
- 103
- Generator
- 105
- Eingangswelle
- 107
- Hohlrad
- 109
- Hohlwelle
- 111
- Passverzahnung
- 113
- Lager
- 115
- Getriebegehäuse
- 117
- Planetenräder
- 119
- Sonnenrad
- 120
- Planetenträger
- 121
- Sonnenwelle
- 123
- Rotor
- 125
- Sicke
- 127
- Abdeckung
- 129
- Generatorgehäuse
- 131
- erstes Lager
- 133
- zweites Lager
- 301
- Antriebsstrang
- 303
- erste vorgeschaltete Planetenstufe
- 305
- zweite vorgeschaltete Planetenstufe
- 307
- Rotorwelle
- 309
- Planetenträger
- 311
- Planetenräder
- 313
- Hohlrad
- 315
- Sonnenrad
- 317
- Sonnenwelle
- 319
- Planetenträger
- 321
- Planetenräder
- 323
- Planetenräder
- 325
- Sonnenrad
- 327
- Sonnenwelle
- 401
- Verschraubung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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