DE3131612A1

DE3131612A1 - Getriebe zur positionierung von sonnenenergie-kollektoren

Info

Publication number: DE3131612A1
Application number: DE3131612A
Authority: DE
Inventors: Heinrich 8900 Augsburg Arndt
Original assignee: Renk GmbH; Zahnraederfabrik Renk AG
Current assignee: Renk GmbH
Priority date: 1981-08-10
Filing date: 1981-08-10
Publication date: 1983-02-24
Also published as: US4574659A

Description

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Unser Az.: Tp/PA 639 7. August 1981

ZÄHNRADERFABRIK RENK

AKTIENGESELLSCHAFT Gögginger Str„ 71-83 8900 Augsburg

Getriebe zur Positionierung von Sonnenenergie-Kollektoren

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zur Positionierung von Sonnenenergie-Kollektoren, insbesondere von Spiegeleinheiten von Sonnenenergie-Kraftwerken, welche um mindestens eine Positionierachse rc! ■---nkbar sind.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, für Sonnenenergie-Kollektoren ...ein Getriebe zu schaffen, welches eine hohe Steifigkeit bei Normalbetrieb aufweist, ferner kurzzeitig eine sehr hohe Grenzbelastung aushält, weiter bezüglich stark ändernden Umwelteinflüssen stabil ist, beispielsweise bei Temperaturänderungen zwischen -30° C und -t-80° C und Änderungen der Luftfeuchtigkeit zwischen 15 % und 100 % _e ferner sollen in beiden Drehrichtungen Bewegungen von einem Antriebsmotor her übertragen werden können, jedoch

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das Getriebe absolut selbsthemmend ist, also keine Bewegung überträgt, wenn eine Antriebskraft vom anzutreibenden Element zurück zum Motor wirkt, wobei das Getriebe verhältnismäßig leicht und klein sein soll. Dies unter der Grundvoraussetzung, daß das Getriebe eine extrem hohe Untersetzung um beispielsweise den Faktor 53 hat.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Erfindung werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:

hohe Steifigkeit bei Normalbetrieb, hohe Grenzbelastung auf Zeit, unempfindlich gegen Temperaturschwankungen zwischen -30° C und +80° C sowie Schwankungen der Luftfeuchtigkeit zwischen 15 % und 100 %, hohe übersetzung von beispielsweise 53, nur sehr wenige Zahnräder, geringer Raumbedarf, Antrieb in beiden Drehrichtungen möglich, jedoch Selbsthemmung bei einer Antriebskraft vom Abtrieb in Richtung zum Antrieb, hoher Wirkungsgrad von ungefähr 35 %, sehr kleine rotierende Massen, obwohl die genannte hohe Getriebeübersetzung gegeben ist. Dadurch vermindern sich die Beschleunigungs- und Stoßmomente beim Anfahren, Halten und Schalten erheblich, so daß bei intermittierendem Betrieb ein Antriebsmotor geringer Leistung gegenüber einem Parallelwellengetriebe mit gleicher Kenngröße zugrundegelegt werden kann.

Ferner hat das Getriebe bezüglich seiner Leistung nur ein geringes Gewicht.

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Eine Ausführungaform der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische stirnseitige Ansicht

eines Einfach-Planetengetriebes als Teil des Gesamtgetriebes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines sog. Cyclo-Getriebes,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines sog. Harmonic=Drive-Getriebes,

Fig. 4 eine mit dem erfindungsgemäßen Getriebe verstellbare Spiegeleinheit,

Fig. 5 einen Ausschnitt von Fig. 4,

Fig. 6 eine stirnseitige Ansicht des erfindungsgemäßen Getriebes ähnl.--· Fig. 5 stirnseitig auf die Eleva^ior--Positionierachse ,

Fig. 7 eine Seitenansicht von Fig„ 6,

Fig. 8 eine teilweise abgebrochene Schnittdarstellung längs der Ebene VIII-VIII in Fig= 7 und

Fig. 9 eine nach unten abgeschnittene Schnittdarstellung längs der Ebene IX-IX in Fig. 6»

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Flg. 1 zeigt einen wesentlichen Teil des Getriebes nach der Erfindung, nämlich eine Stirnansicht eines Elnfach-Planetengetriebes. Dabei handelt es sich um ein Plus-Getriebe, also ein Getriebe, welches nur von einem Antriebselement zu einem Abtriebselement eine Bewegung übertragen kann, und zwar in beiden Drehrichtungen, jedoch nicht in entgegengesetzter Richtung vom Abtriebselement zum Antriebselement. Dies ergibt sich durch die Hebelverhältnisse im Getriebe. Es hat kein zentrales Sonnenrad, sondern einen zentralen Planetenträger 2, der um seine Planetenträgerachse 4, welche gleichzeitig die Getriebeachse ist, drehbar ist. Der Planetenträger 2 ist mit einem exzentrisch zu der Getriebeachse angeordneten Exzenter 6 versehen, auf dem über ein Lager 8 ein Planetenrad 10 drehbar gelagert ist. Das Planetenrad 10 hat einen über die Getriebeachse 4 hinausreichenden Durchmesser und steht mit seinem Außenzahnkranz 12 mit dem Innenzahnkranz eines ortsfesten Hohlrades 16 in Eingriff. Der Planetenträger 2 ist das Antriebselement. Wenn es sich in Drehrichtung 18 dreht, dann dreht sich das Planetenrad 10 in Richtung 20.

Wie Fig. 8 zeigt, ist das Hohlrad 16 unverdrehbar fest mit einem Getriebegehäuse 22 verbunden. Das Planetenrad 10 hat zusätzlich zum Zahnkranz 12 axial dazu einen weiteren Zahnkranz 24, welcher mit der Innenverzahnung 26 eines weiteren Hohlrades 28 in Eingriff ist. Das weitere Hohlrad 28 ist im Gehäuse 22 durch ein Lager 30 drehbar gelagert und bei 32 drehfest auf eine Ritzelwelle 34 aufgeschrumpft, die koaxial zur Getriebeachse 4 angeordnet und über ein Lager 36 im

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Getriebegehäuse 22 gelagert ist» Auf der Ritzelwelle befindet sich ein mit ihr einstückiges Ritzel 38.

Das Planetenrad 10 kann aus zwei axial hintereinander angeordneten und starr miteinander verbundenen Planetenradhälften gebildet sein, von Mielchen je die Hälfte einen Zahnkranz 12 bzw« 24 trägt« Die Zähnezahl der beiden Zahnkränze 12 und 24 kann unterschiedlich sein. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform 1st jedoch ein einstückiges Planetenrad 10 vorgesehen, auf welchem die beiden Zahnkränze 12 und 24 durch eine einzige Verzahnung mit durchgehenden Zähnen gebildet sind. Eine Untersetzung und damit eine Drehzahldifferenz ergibt sich dadurch, daß die Zahnkränze 12 und 24 der beiden Hohlräder 16 und 28 eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen haben» Das innere übersetzungsverhältnis ist i - „-' * „ ο Die Drehzahlübersetzung bzw. -unter-Setzung zwischen Planetenträgor 2 uiid drehbarem Hohlrad ergibt sich durch iK = . . » Darin bedeuten Z14 die Zähnezahl des feststehenden Hohlr^dc - ·*>, Z12 die Zähnezahl des mit ihm in Eingriff ste! snden Planetenrad-Zahnkranzes 12, Z26 die Zähnezahl des drehbaren Hohlrades 28, Z24 die Zähnezahl des mit Ie tk/c. ei em in Eingriff stehenden anderen Planetenrad-Zahnkranzes 24. Das Planetenrad 10 dreht sich umgekehrt wie der Planetenträger 2. Das feststehende Hohlrad IS hat hier eine kleinere Zähnezahl als das drehbare Hohlrad 28. Dies bedeutet eine Drehrichtungsumlcshr zwischen Planetenrad 10 und angetriebenem drehbarem Hohlrad 28. Dadurch dreht sich das drehbare Hohlrad 28 in gleicher Drehrichtung 18 wie der Planetenträger 4.

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. /ίο.

Der Planetenträger 2 wird über ein hoch untersetzendes Getriebe 42 von einem Motor 44 angetrieben. Beide sind koaxial zur Getriebeachse 4 hintereinander angeordnet und an dem Getriebegehäuse 22 befestigt. Bei dem hoch untersetzenden Getriebe 42 von Fig. 8 handelt es sich vorzugsweise um ein sogenanntes CYCLO-Getriebe 46, wie es schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Es kann jedoch auch ein sogenanntes Harmonic-Drive-Getriebe 48 sein, welches schematisch in Fig. 3 gezeigt ist. Beide haben die Vorteile: hohe übersetzung, geringes Flankenspiel, hoher Wirkungsgrad, geringes Gewicht, reversierbar und geringe axiale Baulänge. Sie haben jedoch nicht die Möglichkeit einer Selbsthemmung bei entgegengesetzt wirkender Antriebskraft, also bei einer Antriebskraft vom Abtrieb in Richtung zum Antrieb, und sie haben nicht die hohe Steifigkeit und Spielfreiheit wie das zuvor beschriebene Planetengetriebe. Aus diesem Grunde ist das Planetengetriebe vom Motor 44 her gesehen die letzte Getriebestufe, abgesehen von der nachstehend noch beschriebenen Verbindung des Planetengetriebes mit der anzutreibenden Anlage.

Das in Fig. 2 gezeigte CYCLO-Getriebe ist im Prinzip ein Planetengetriebe, bei dem das Planetenrad 50 fast den Innendurchmesser des Hohlrades 52 einnimmt. Im CYCLO-Getriebe besitzt das Planetenrad 50 keine Evolventenverzahnung, sondern einen geschlossenen Cycloidenzug und das Hohlrad 52 keine Innenverzahnung, sondern einen Rollenkranz 56, Die Antriebswelle mit dem Planetenträger 58 bewirkt über einen Exzenter 60 im Planetenrad 50 Drehbewegungen. Um diese Drehbewegungen auf eine Abtriebswelle zu übertragen, sind im Planetenrad

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Bohrungen 62 angeordnet, in welchen Rollen 64 .auf Bolzen 66 der Abtriebswelle β8 abwälzen, welch letztere aus Fig. 8 ersichtlich ist» Die einander entsprechenden Drehzahlen sind in gleicher Weise wie in Fig„ 1 angegeben .

Das Harmonic-Drive-Getriebe von Fig„ 3 beruht auf einem ähnlichen Prinzip„ Im vorliegenden Falle dient ein elliptisch ausgebildeter Planetenträger 70 als Antriebselement. Auf ihn ist über ein Kugellager 72 eine außenverzahnte, zylindrische Stahlbüchse 74 aufgezogen, welches als Äbtriebselement dient» Die außenverzahnte Stahlbüchse 74 wird durch den elliptischen Planetenträger 70, der gleichzeitig die Funktion eines Planetenrades hat*, kontinuierlich verformt. Die Außenverzahnung der Stahlbüchse 74 greif* ⁴ η die Innenverzahnung eines zylindrischen, ortsfesten Hohlrades 76 ein. Die Anzahl der Zähne der Stahlbüchse 74 unterscheidet sich von der Anzahl der Zähne des Hohlrades 76 beispielsweise um zwei Zähne» Die entsprechenden LV ^richtungen sind wieder mit gleichen Bezugszahlen wie in den FIg₀ 1 und 2 bezeichnet» Die vom elliptischen Planetenträger 70 auf die verformbare Stahlbüchse 74 übertragene Form, nicht aber die Stahlbüchse 74 selbst, beilegt sich mit der Geschwindigkeit des elliptischen Planetenträgers 70. Das üntersetzungsverhältnis errechnet sich nach der Formel i = *, ^ .. ₀ Darin bedeuten Nf die Zähnezahl

der flexiblen Stahlbüchse 74 und Nc die Zähnezahl des Hohlrades 76„

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Bei der Anwendung des Getriebes nach Fig. 4 befindet sich auf einer Tragsäule 78 eine Spiegeleinheit 80 mit zwei Spiegeltafeln 81 und 82. Die Spiegeleinheit ist sowohl um eine in der Tragsäule 78 gelegene vertikale Azimut-Positionierachse 84 als auch um eine rechtwinkelig horizontal dazu verlaufende Elevations-Positionierachse 86 schwenkbar, wie dies durch Pfeile 85 und 87 angedeutet ist.

Wie insbesondere auch die Figuren 6 bis 8 zeigen, ist in der Tragsäule 78 koaxial zur Azimut-Positionierachse 84 eine nach oben hinausragende Azimut-Welle 88 unverdrehbar befestigt. Auf ihrem oben herausragenden Endabschnitt ist das Getriebegehäuse 22 durch Lager drehbar gelagert. Auf der Azimut-Welle 88 ist ein Abtriebszahnrad 90 mit einer geradverzahnten Außenverzahnung 91 drehfest aufgesetzt. Dieses Abtriebszahnrad 90 ist mit dem geradverzahnten Abtriebsritzel der mit dem drehbaren Hohlrad 26 starr verbundenen Abtriebswelle 34 in Eingriff. Dadurch dreht sich bei laufendem Motor 44 das Gehäuse 22 mit dem darin untergebrachten Getriebe um die vertikal angeordnete, ortsfeste Azimut-Welle 88 und deren Positionierachse 84.

Alle Verzahnungen sind geradverzahnt, so daß bei der Kraftübertragung keine axialen Kraftkomponenten auftreten.

Das Getriebegehäuse 22 ist in einer parallel zur Azimut-Welle 88 vertikal verlaufenden Teilfugenebene 92 in zwei Hälften geteilt. Mit Abstand oberhalb der Azimut-Welle 88, damit dazwischen noch eine elektronische Steuer einrichtung 93 Platz hat, ist eine zur Elevationsachse

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koaxiale Elevationswelle 94 in der Teilfugenebene senkrecht zur Azimut~Achse 84 durch Lager 95 drehbar im Getriebegehäuse 22 gelagert= Die Azimut-Achse 84 und die Elevationsachse 86 kreuzen sich» Die .beiden Wellen 88 und 94 sind auf hohe Verdrehsteifigkeit dimensioniert.

Die aus dem Getriebegehäuse 22 herausragenden Enden der Elevationswelle 94 sind mit Flanschen 96 zur Befestigung von Schwenkarmen 97 versehen, welche die Spiegeleinheit 80 tragen» In Fig. 5 ist die vordere Spiegeltafel 82 der Spiegeleinheit 80 nicht gezeichnet, so daß der zugehörige Flansch 95 und die dahinterliegende Spiegeltafel 81 des anderen Flansches 96 ersichtlich sind«

Dadurch kann die Spiegeleinheit um die durch die Elevationswelle 94 gegebene horizontale Elevationsachse 86 in bestimmte Höhenwinke] positioniert werden. Zur Verschwenkung um die Elevati^ ..^--achse 86 dient ein Getriebe, welches identisch au^geL'ldet ist wie das zur Verschwenkung um die äsimut-Achse 84 dienende Getriebe. Es ist deshalb keine weitere Beachreibung dieses Elevations-Getriebeteiles erforderlich, sondern zum einfacheren Vergleich sind in den Zeichnungen, insbesondere Fig» 9„ für das Elevationsgetriebe die gleichen, jedoch um 200 erhöhten Bezugszahlen angegeben. Entsprechend befindet sich auf der Elevationswelle 94 soweit wie möglich mittig zu ihren Flanschen ein mit ihr drehfest verbundenes Abtriebszahnrad 290,

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welches in gleicher Welse ausgebildet ist wie das Abtriebszahnrad 90 des insbesondere in Fig. 8 gezeigten Azimut-Getriebes. Das Abtriebszahnrad 290 ist mit dem Abtriebsritzel 238 des darüber angeordneten Planetengetriebes in Eingriff. Dem Planetengetriebe mit einem Planetenträger 202, einer Planetenträger- und Getriebeachse 204, einem Exzenter 206, einem Planetenrad 210 sowie zwei Planeten-Hohlrädern 216 und 228, sind in der bereits beschriebenen Weise ein hoch untersetztes Getriebe 242 mit einem Antriebsmotor vorgeschaltet. Die Getriebe- und Motorenachse 204 liegt senkrecht über der Elevationsachse und verläuft parallel zu ihr. Das die Azimut-Drehung verursachende, insbesondere in Fig. 8 dargestellte Getriebe und das die Elevationsbewegung bewirkende, insbesondere in Fig. 9 gezeigte Getriebe sind beide gemeinsam in einem einzigen Getriebegehäuse 22 untergebracht.

Dadurch ist es möglich, die Spiegeleinheit 80 um die beiden Positionierachsen Azimut-Achse 84 und Elevations-Achse 86 in jede beliebige Winkelstellung zu positionieren.

Bei einem Sonnenenergie-Kraftwerk wird eine Vielzahl von Spiegeleinheiten um einen die reflektierten Sonnenstrahlen empfangenden Empfangsturm gruppiert und auf dessen Empfänger ausgerichtet. Die aufgefangene Sonnenwärme wird in an sich bekannter Weise in elektrische Energie umgewandelt.

-AS* Leerseite

Claims

Unser Az.: Tp/PA 539 7„ August 1981

ZAHNRÄDERFABRIK RENK AKTIENGESELLSCHAFT

Augsburg

Patentansprüche

I. Getriebe zur Positionierung von Sonnenenergie-Kollektoren? insbesondere von Spiegeleinheiten von Sonnenenergie-Kraftwerken, welche um mindestens eine Positionierachse schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einfach-Planetengetriebe (2,10,16,281 202,210,216,228) vorgesehen ist, welches kein Sonnenrad aufweist, sondern welchem zJz Äntriebselement einen Planetenträger (2;202), weiter ein an ihm exzentrisch (6?206) zur Planetenträgerachse (41204) drehbar gelagertes Planetenrad (10$210) mit zwei axial hintereinander liegenden Zahnkränzen (12,24?212,224), und ferner zwei zur Planetenträgerachse (4?204) koaxial hintereinander angeordnete Hohlräder (16,28;216,228) mit je einem Innenzahnkranz (14,26?214,226) aufweist, von denen der Zahnkranz des einen Hohlrades mit dem einen Planetenradzahnkranz in Eir/ji^f ist und dieses eine Hohlrad (16? 216) drehfest mit dcrr. Getriebegehäuse (22)

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verbunden ist/ und von denen der Innenzahnkranz des anderen Hohlrades mit dem anderen Zahnkranz des Planetenrades in Eingriff ist und dieses andere Hohlrad (28;228) das Abtriebselement des Planetengetriebes ist, und daß das Planetengetriebe in beiden Drehrichtungen antreibbar ist, jedoch für eine Antriebsdrehmomentübertragung in Richtung vom Abtriebs-Hohlrad (28;228) zum Planetenträger (2;202) hin selbsthemmend ist.
2. Getriebe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die zur Planetenträgerachse (4;204) koaxiale Getriebeachse parallel zur Positionierachse (84; 86) liegt.
3. Getriebe nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebs-Hohlrad (28;228) mit einem koaxial zu ihm angeordneten, außenverzahnten Stirnrad (38; 138) drehfest verbunden und dieses Stirnrad mit einem koaxial zur Positionierachse (84;86) angeordneten Abtriebszahnrad (90;290) in Eingriff ist.
4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zahnkränze (12,24;212,224) des Planetenradea (10;210) zwei axiale Teile einer einzigen Verzahnung sind, und daß die Innenzahnkränze (14,26;214,226) der beiden Hohlräder (16,28; 216,228) verschieden große Zahlen von Zähnen haben.

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5. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Planetengetriebe antriebsseitig ein hoch übersetztes Getriebe (42) in Form eines sogenannten Cyclo-Getriebes (46) oder eines sogenannten Harmonic-Drive-Getriebes (48) vorgeschaltet ist.
6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei rechtwinkelig zueinander verlaufende Positionierachsen (84,86) vorgesehen sind und jeder eine Getriebeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zugeordnet ist, daß ein beide Getriebeeinheiten tragender Gehäuseteil (22) um die eine Positionierachse (84) drehbar gelagert (89) ist und durch Antrieb der ^^-1 nen Getriebeeinheit (2,4, 6 usw) um diese Achse (84) drehbar ist und daß die andere Getriebeeinheit (202,204,206 usw=) auf ihrer Abtriebsseite (238) mit e^em Abtriebsteil (290,94) verbunden ist, der koe·'-τΐ zur anderen Positionierachse angeordnet νια ν. ι diese Positionierachse in dem genannten Gehäuseteil (22) drehbar gelagert ist«,
7. Getriebe nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abtriebsteil der anderen Positionierachse (86) eine Welle (94) zur Einstellung eines bestimmten Elevationswinkels mit Anschlußflanschen (96) an beiden Wellenenden zur Befestigung der einzustellenden Sonnenenergie-Kollektoren (80,81,82) aufweist» daß auf dieser Elevationswelle (94)

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zwischen den Flanschen ein mit der genannten anderen Getriebeeinheit (202,204_/ 206 usw.) in Eingriff stehendes Abtriebszahnrad (290) mit dieser Elevationswelle (94) drehfest verbunden ist.
8. Getriebe nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet/ daß sich die beiden Positionierachsen (84,86) kreuzen und daß der genannte Gehäuseteil (22) auf einer im wesentlichen senkrechten, unverdrehbaren Welle (88) zur Einstellung eines bestimmten Azimut-WinkeIs drehbar gelagert ist, die koaxial zur einen Positionierachse angeordnet ist und ein mit ihr drehfest verbundenes Abtriebszahnrad (90) trägt, wobei die Azimut-Welle (88) unterhalb der Elevationswelle (94) endet.
9. Getriebe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Getriebeeinheiten (2,4,6 usw.; 202,204,206 usw.) ein gemeinsames Gehäuse (22) haben, welches längs der einen, im wesentlichen vertikal ausgerichteten Positionierachse (84) geteilt ist und daß der von der anderen Getriebeeinheit (202,204,206 usw) angetriebe Abtriebsteil (290) koaxial zur anderen Positionierachse (86) in der Teilfugenebene (92) im Gehäuse (22) gelagert ist.
10. Getriebe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß beide Getriebeeinheiten (2,4,6 usw.; 202, 204, 206 usw.) identisch ausgebildet sind.