DE10302192A1

DE10302192A1 - Drehstarre Ausgleichskupplung und Planetengetriebe mit einer Ausgleichskupplung

Info

Publication number: DE10302192A1
Application number: DE10302192A
Authority: DE
Inventors: Frans Dipl.-Ing. Hulshof
Original assignee: Winergy AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: DE10302192B4

Abstract

Eine drehstarre, als doppelgelenkige Zahnkupplung ausgebildete Ausgleichskupplung dient zur Verbindung von rotierenden Bauteilen. Die rotierenden Bauteile sind auf den einander zugewandten Enden mit einer Verzahnung versehen. Die einander zugewandten Enden sind von einem Mitnehmerring (18) übergriffen, der mit in die Verzahnungen der Bauteile eingreifenden Verzahnungen (19, 20) versehen ist, wobei jeweils eine der Verzahnungen in Längsrichtung gewölbt ist. Die einander zugewandten Enden der Bauteile sind innerhalb der Zahnkupplung über ein ölsfestes Axiallager (21) aufeinander abgestützt, das in radialer Richtung begrenzt nachgiebig ist. Die Zahnkupplung und das radial begrenzt nachgiebige Axiallager sind vorzugsweise in mehrstufigen Planetengetrieben für Windkraftanlagen zwischen dem Zentralritzel (11) der ersten Planetenstufe und der Antriebswelle der nachfolgenden Getriebestufe eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine drehstarre als doppelgelenkige Zahnkupplung ausgebildete Ausgleichskupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 und ein Planetengetriebe für eine Windkraftanlage unter Verwendung einer Ausgleichskupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 4.
Ausgleichskupplungen, insbesondere doppelgelenkige Zahnkupplungen dienen zum Ausgleich eines winkligen und eines radialen Versatzes von nicht miteinander fluchtenden Wellen. Eine gegenseitige Abstützung der mit einander über die doppelgelenkige Zahnkupplung verbundenen Wellen ist nicht vorgesehen. Doppelgelenkige Zahnkupplungen werden gelegentlich auch in Planetengetrieben eingesetzt.
Es sind mehrstufige Planetengetriebe oder Planeten-Stirnradgetriebe für Windkraftanlagen bekannt, die die Aufgabe erfüllen, das Drehmoment des Rotors auf den Generator der Windkraftanlage zu übertragen.
Bei bekannten Windkraftanlagen ist das Zentralritzel der ersten Planetenstufe mittels einer einfachen Zahnkupplung meistens in der Form einer Zahnwellenverbindung drehmomentmäßig und formschlüssig mit dem Planetenträger oder der Antriebswelle der direkt nachfolgenden Getriebestufe verbunden. Das mit einer Schrägverzahnung versehene Zentralritzel der ersten Planetenstufe hat hierbei keine eigene radiale Lagerung. Das Zentralritzel soll sich mittels der zwischen Zentralritzel und Planetenräder wirkenden Tangential- und Radialkräften radial selbst zentrieren, damit die Leistung über die Anzahl der Planetenräder gleichmäßig verteilt wird. Das mit einer Schrägverzahnung versehene Zentralritzel stützt sich hierbei axial auf dem Planetenträger oder auf der Antriebswelle der nachfolgenden Getriebestufe ab. Nachteilig bei dieser Verbindung ist, dass sich die formschlüssig über die einfache Zahnkupplung miteinander verbundenen Getriebestufen bei der Selbstzentrierung des Zentralritzel der ersten Planentenstufe behindern, weil trotz hoher Fertigungsgenauigkeit immer Verzahnungs- und Zentrierabweichungen sowie Mittenversatz in Lagern in Folge von Lagerspielen und Lagerkräfte vorhanden sind. Dadurch entstehen hohe unerwünschte Zwangskräfte in den Verzahnungen und den Lagern. Um dem entgegen zu wirken, wird unter anderem für die Zahnverbindung ein Spiel vorgesehen. Jedoch führt ein solches Spiel schon bei einem sehr kleinen Versatz zwischen den Getriebestufen zu Relativbewegungen und damit zu Verschleiß innerhalb der Zahnkupplung. Dieser Verschleiß ist auch hinsichtlich der Lebensdauer der Lagerung als negativ zu betrachten wie der erforderliche Aufwand für die Filterung des den Abrieb enthaltenden Schmieröls sind. Ferner entstehen durch die axiale Abstützung des Zentralritzels auf dem Planetenträger oder auf der Antriebswelle der nachfolgenden Getriebestufe bei spielbehafteten Zahnverbindungen Verschleiß zwischen den betroffenen Stützflächen. Auch dieser Verschleiß an den axialen Stützflächen ist als negativ zu betrachten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für Planetengetriebe in Windkraftanlagen geeignete doppelgelenkige Zahnkupplung zu schaffen, die derart gestaltet ist, dass eine Verwendung zwischen der ersten Planetenstufe und der direkt nachfolgenden Getriebestufe ermöglich wird, bei der die auf das Zentralritzel und die Planetenrädereinwirkenden Zwangskräfte und ein eventueller Verschleiß auf ein Minimum begrenzt sind.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Ausgleichkupplung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Ein Planetengetriebe für Windkraftanlagen unter Verwendung der Ausgleichkupplung ist Gegenstand des Anspruches 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch die Verwendung einer doppelgelenkigen Zahnkupplung mit balligen Zahnflanken und balligem Zahnkopfmantel sowie eines elastischen Axiallagers mit hoher axialer Federsteifigkeit und geringer radialer Federsteifigkeit oder eines mit geringen Reibwerten versehenen Axialgleitlagers zwischen Zentralritzel der ersten Planetenstufe und Planetenträger oder Antriebswelle der nachfolgenden Getriebestufe, lässt sich ein Planetengetriebe realisieren, bei dem Zwangskräfte und ein Verschleiß in der Kupplungsverzahnung und damit in den Getriebestufen weitestgehend eliminiert ist.
Bei den Bewegungen des sich frei einstellbaren Zentralritzels zwecks Lastausgleich bei Fertigungsabweichungen bei gleichzeitiger Momenten- und Axialkraftübertragung tritt kein oder kein nennenswerter Verschleiß mehr an den axialen Abstützflächen des Zentralritzels der ersten Planetenstufe und dem Planetenträger oder der Antriebswelle der nachfolgenden Getriebestufe auf. Die radialen Relativbewegungen zwischen dem Zentralritzel der ersten Planetenstufe und der nachfolgenden Getriebestufe spielen sich innerhalb des in radialer Richtung begrenzt nachgiebigen Axiallagers ab. Das Axiallager ist ölbeständig und beständig gegen die vorherrschenden Betriebstemperaturen. Bei einem Axialgleitlager aus Bronze, Faserverbundwerkstoff oder ähnlichem Werkstoff mit geringen Reibwerten im Vergleich zu Stahl/Stahl ist der verschließ sehr gering, und der Abrieb wirkt sich nicht schädigend aus.
Durch die erfindungsgemäße doppelgelenkige Zahnkupplung mit dem elastische Axiallager oder dem Axialgleitlager zwischen ersten Planetenstufe und der mit ihr verbundenen nachfolgenden Getriebestufe entsteht somit ein mehrstufiges Planetengetriebe oder ein Planeten-Stirnradgetriebe, das sich durch eine optimale Einstellung der Übertragungselemente auszeichnet und somit eine lange Betriebsdauer ermöglicht.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
1 ausschnittsweise den Längsschnitt durch ein Planetengetriebe
2 die Einzelheit Z nach 1 im vergrößerten Maßstab und
3 die Einzelheit Z nach 1 gemäß einer anderen Ausführungsform.
Das dargestellte Planetengetriebe ist auf dem Turm einer nicht gezeigten Windkraftanlage angeordnet und dient zum Antrieb eines Generators durch einen Flügel tragenden Rotor. Das Getriebe ist in einem Getriebegehäuse 1 untergebracht und umfasst eine erste Planetenstufe als eine erste Getriebestufe, die von dem Rotor angetrieben wird. An diese erste Planetenstufe schließt sich eine zweite Getriebestufe an, die im dargestellten Fall als Planetenstufe ausgebildet ist, aber auch eine Stirnradstufe sein kann. Die erste Planetenstufe des Planetengetriebes umfasst einen Planetenträger 2, der über eine Hohlwelle 3 mittels einer Flanschverbindung oder eines Pressverbandes 4 mit der Rotorwelle des Rotors verbunden ist. Der Planetenträger 2 ist in dem Getriebegehäuse 1 in Lagern 5 drehbar gelagert ist und besteht aus zwei parallelen Seitenwangen 6, die durch Stege 7 miteinander verbunden sind.
In dem Planetenträger 2 sind mehrere Planetenräder 8 drehbar in Planetenradlagern 9 gelagert. Die Planetenradlager 9, die entweder als einreihige oder als zweireihige Wälzlager ausgebildet und in dem Planetenrad 8 angeordnet sind, stützen sich über eine Planetenachse auf dem Planetenträger 2 ab. Die Planetenräder 8 stehen einerseits mit einem fest im Getriebegehäuse 1 angeordneten Hohlrad 10 und anderseits mit einem Zentralritzel 11 in Eingriff. Das Zentralritzel 11 ist auf einer Zentralritzelwelle 12 befestigt, die auf die später beschriebene Weise mit der nachfolgenden zweiten Getriebestufe verbunden ist und den Generator der Windkraftanlage antreibt.
Das Zentralritzel 11 ist mit einer Schrägverzahnung versehen und ist radial angelagert. Es zentriert sich mittels der zwischen dem schräg verzahnten Zentralrad 11 und den Planetenrädern 8 wirkenden Tangential- und Radialkräften selbst.
Die nachfolgende Getriebestufe ist gemäß 1 als Planetenstufe ausgebildet und insoweit dargestellt, wie es zum Verständnis der Erfindung notwendig ist. In der Zeichnung ist von der nachfolgenden Planetenstufe der teilweise gezeigte Planetenträger 13 zu erkennen, der über Lager 14 in dem Getriebegehäuse 1 gelagert ist. In dem Planetenträger 13 sind mehrere Planetenräder abgestützt, die mit einem Zentralritzel 1b in Eingriff stehen. Die Welle dieses Zentralritzels 16 ist direkt oder über eine weitere Getriebestufe mit der Antriebswelle des Generators verbunden.
Die Kopplung des Zentralritzels 11 der ersten Planetenstufe mit dem Planetenträger 13 der nachfolgenden Planetenstufe erfolgt über eine doppelgelenkige Zahnkupplung 17, die die einander gegenüber stehenden Enden der Zentralritzelwelle 12 der ersten Planetenstufe und des Planetenträgers 13 der nachfolgenden Planetenstufe übergreift. Die Zahnkupplung 17 enthält einen Mitnehmerring 18, der an beiden Enden mit einer Verzahnung 19, 20 versehen ist. Dabei liegt eine der Verzahnungen auf der radial inneren Seite und die andere auf der radial äußeren Seite des des Z-förmig ausgebildeten Mitnehmerringes 18. Die Verzahnungen 19, 20 Mitnehmerringes 18 greifen in Verzahnungen ein, von denen eine auf der Zentralritzelwelle 12 und die andere auf einer axialen Flanke des Planetenträgers 13 angebracht ist.
Die Verzahnung 19 des Mitnehmerringes 18 ist als Innenverzahnung ausgebildet, die in eine Außenverzahnung eingreift, die auf der Zentralritzelwelle 12 angebracht ist. Die Verzahnung 20 des Mitnehmerringes 18 ist als Außenverzahnung ausgebildet, die in eine Innenverzahnung eingreift, die auf dem Planetenträger 13 der nachfolgenden Planetenstufe angebracht ist.
Die Innenverzahnung ist als Geradverzahnung mit parallelen Zahnflanken ausgebildet. Die Außenverzahnung ist ebenfalls eine Geradverzahnung, die jedoch über die Länge des Zahnes gewölbt ist, so dass ein balliger Zahnkopfmantel entsteht. Außerdem sind die Zahnflanken ballig. Die Wölbung des Zahnkopfmantels ist in der 2 durch einen Kreisbogen angedeutet. Jeweils eine der ineinander greifenden Verzahnungen 19, 20 ist einsatzgehärtet. Die Zahnflanken sind geschliffen.
Wird anstelle der Planetenstufe als nachfolgende Getriebestufe eine Stirnradstufe verwendet, so wird die betreffende Verzahnung auf der Antriebswelle dieser Stirnradstufe angebracht. In diesem Fall sind beide Verzahnungen 19, 20 des Mitnehmerringes 18 auf dessen radial innen liegenden Seite vorgesehen.
Die Zahnkupplung 17 ist mit einer Druckschmierung zur Versorgung der Verzahnungen 19, 20 mit Schmieröl versehen.
Innerhalb der doppelgelenkigen Zahnkupplung 17 ist zwischen der radialen Stirnfläche der Zentralritzelwelle 12 und der radialen Stirnfläche eines fest mit dem Planetenträger 13 der nachfolgenden Planetenstufe verbundenen Ringes 22 ein Axiallager 21 angeordnet. Über dieses Axiallager 21 stützen sich die Zentralritzelwelle 12 der ersten Planetenstufe und der Planetenträger 13 der nachfolgenden Planetenstufe aufeinander ab.
Das Axiallager 21 ist in radialer Richtung begrenzt nachgiebig. Es kann als elastisches Lager mit einer hohen axialen Federsteifigkeit und einer geringen radialen Federsteifigkeit ausgebildet sein. Ein solches axial steifes und radial weiches elastisches Lager ist in der 2 gezeigt. Es besteht aus mehreren radial zum Mitnehmerring 18 ausgerichteten Metallscheiben 23, zwischen denen anvulkanisierte Elastomerscheiben 24 angeordnet sind. Die Elastomerscheiben 24 sind aus einem Werkstoff gefertigt, der gegenüber dem Schmieröl und den herrschenden Betriebstemperaturen beständig ist.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist das radial begrenzt nachgiebige Axiallager als Gleitlager ausgebildet. Dieses Axialgleitlager enthält eine sich radial zu dem Mitnehmerring 18 erstreckende Scheibe 25 aus Bronze, Faserverbundwerkstoff oder aus einem anderen ölbeständigen Lagerwerkstoff mit im Vergleich zu einer Paarung Stahl/Stahl geringen Reibwerten.
Ist anstelle einer zweiten Planetenstufe ein Stirnradstufe vorgesehen, so wird das Axiallager 21 zwischen den einander gegenüber liegenden radiale Stirnflächen der Zentralritzelwelle 12 und der Antriebswelle der Stirnradstufe eingesetzt.

Claims

Drehstarre als doppelgelenkige Zahnkupplung ausgebildete Ausgleichskupplung zur Verbindung von rotierenden Bauteilen, die auf den einander zugewandten Enden mit einer Verzahnung versehen sind und deren einander zugewandte Enden von einem Mitnehmerring (18) übergriffen sind, der mit in die Verzahnungen der Bauteile eingreifenden Verzahnungen (19, 20) versehen ist, wobei jeweils eine der Verzahnungen in Längsrichtung gewölbt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Enden der Bauteile über ein ölfestes Axiallager (21) aufeinander abgestützt sind, das in radialer Richtung begrenzt nachgiebig ist.
Ausgleichskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (21) als elastisches Lager ausgebildet ist, das axial steif und radial weich ist.
Ausgleichskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (21) als Gleitlager mit geringen Reibwerten ausgebildet ist.
Mehrstufiges Planetengetriebe für eine Windkraftanlage unter Verwendung der doppelgelenkige Zahnkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rotor der Windkraftanlage mit der ersten Planetenstufe des Planetengetriebes verbunden ist, wobei die erste Planetenstufe einen Planetenträger (2) mit Planetenrädern (8) aufweist, die mit einem mit einer Schrägverzahnung versehenen Zentralritzel (11) in Eingriff stehen, deren Welle (12) mit der Antriebswelle der nachfolgenden Getriebestufe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralritzel (11) radial ungelagert ist, dass das Ende der Welle (12) des Zentralritzels (11) und das Ende der Antriebwelle der nachfolgenden Getriebestufe mit einer Verzahnung versehen sind, in die die Verzahnungen (19, 20) des Mitnehmerringes (18) der doppelgelenkige Zahnkupplung (17) eingreifen und dass das Ende der Welle (12) des Zentralritzels (11) und das Ende der Antriebswelle über das ölfeste, in radialer Richtung begrenzt nachgiebige Axiallager (21) aufeinander abgestützt sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Getriebestufe eine Planetenstufe mit einem Planetenträger (13) ist und dass die entsprechende Verzahnung für die Zahnkupplung (17) direkt in diesem Planetenträger (13) angebracht ist.
Planetengetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen (19, 20) des Mitnehmerringes (18) beiderseits dessen Längsachse auf jeweils einer Seite angeordnet sind.
Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechende Verzahnung direkt auf dem der nachfolgenden Getriebestufe zugewandten Ende der Welle (12) des Zentralritzels (11) angebracht ist.
Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechende Verzahnung auf einer Nabe angebracht ist, die auf dem der nachfolgenden Getriebestufe zugewandten Ende der Welle (12) des Zentralritzels (11) form- oder kraftschlüssig angeordnet ist.
Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der jeweils ineinander greifenden Verzahnungen der doppelgelenkigen Zahnkupplung (17) einsatzgehärtet ist und die Zahnflanken geschliffen sind.
Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelgelenkige Zahnkupplung (17) mit einer Druckschmierung versehen ist.