DE10061397A1 - Planetengetriebe und Planetenlager sowie deren Bauteile - Google Patents
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Abstract
Planetengetriebe, bei dem die Planetenräder (5) auf den Planetenachsen (4) in flüssig- oder fettgeschmierten Gleitlagern gelagert sind, die auf der Planetenradbahn mit relativ zur Gleitgeschwindigkeit der Planetenräder (5) hoher Drehzahl umlaufen können und/oder hohen Lagerkräften ausgesetzt sind, wobei die Gleitlager zumindest oberflächenharte Hartstoff-Lagerflächen aufweisen.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Planetengetriebe, bei dem die Planetenräder auf der
Planetenachse in flüssig- oder fettgeschmierten Gleitlagern
gelagert sind, die auf der Planetenradbahn mit relativ zur
Gleitgeschwindigkeit der Planetenräder hoher Drehzahl
umlaufen können und/oder hohen Lagerkräften ausgesetzt sind.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf diese Gleitlager mit
größerer Lagerlast sowie deren Lagerbauteile.
Ein Anwendungsbereich von Planetengetrieben ist die
Realisierung von Antrieben, die zwei mit unterschiedlicher
Drehzahl zu beaufschlagende An- oder Abtriebszweige haben. In
der Praxis wird hierzu das Antriebsdrehmoment über eines der
Getriebeelemente, beispielsweise das Hohlrad, in den ersten
Antriebszweig eingeleitet, und an einem zweiten
Getriebeelement, beispielsweise am Planetenträger, das
Antriebsmoment für den zweiten Antriebszweig abgegriffen. Die
Drehzahldifferenz kann durch die Relativdrehzahl des dritten
Getriebeelements, beispielsweise des Sonnenrades, vorgegeben
werden. Ein derartiger Überlagerungsantrieb findet
beispielsweise bei Trennzentrifugen Anwendung, bei denen die
Zentrifugentrommel angetrieben wird, während die darin
angeordnete Austragsschnecke über den Planetenträger mit
einer Drehzahl beaufschlagt wird, die geringfügig
unterschiedlich zu der der Zentrifugentrommel ist.
Die hohe Planetenträgerdrehzahl spricht für die Verwendung
von unter flüssigem Schmierstoff laufenden Gleitlagern in den
Planeten. Im Stand der Technik wird in dieser Konfiguration
für die durch einen Ölfilm hydrodynamisch aufeinander
gleitenden Lagerflächen eine Gleitpaarung Lagermetall
(Lagerbronze, Weißmetall) - Stahl verwendet. Durch die hohe
Absolutdrehzahl des Planetenträgers, welche in der
Größenordnung der Antriebsdrehzahl des Hohlrades liegt,
wirken auf die Lager der Planetenräder erhebliche, bezogen
auf die Achse des Planetengetriebes radial nach außen
gerichtete Zentrifugalkräfte. Durch zum Teil geringe
Absolutdrehzahlen der Planetenräder wird der im Lagerspalt
tragende Schmiermittelfilm (Ölfilm/Fettfilm) lokal gestört,
so dass im Übergangsbereich Mischreibung zwischen den
Gleitflächen der Lager auftreten kann. Um einem dadurch
verursachten vorzeitigen Verschleiß entgegenzuwirken, wird
die auftretende spezifische Druckbelastung durch eine
vergrößerte Dimensionierung der Lagerflächen ausgeglichen.
Dies führt zu relativ großen Abmessungen und entsprechend
hohen umlaufenden Massen. Nach längerer Betriebsdauer tritt
jedoch auch dadurch Lagerverschleiß ein, dass Lagermetall-
Stahl-Gleitpaarungen relativ empfindlich gegen im
Schmiermittel enthaltene abrasive Partikel sind, die in einem
Zahnradgetriebe nach einer längeren Betriebszeit nicht völlig
zu vermeiden sind.
Angesichts dieser Problematik liegt der Erfindung die
Aufgabenstellung zugrunde, die Funktionalität eines
Planetengetriebes unter den angegebenen Betriebsbedingungen
zu verbessern. Insbesondere werden verbesserte
Betriebseigenschaften sowie verbesserte konstruktive
Eigenschaften angestrebt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass die
Gleitlager zumindest oberflächenharte Hartstoff-Lagerflächen
aufweisen.
Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, bei einem unter
Schmierstoff laufenden Gleitlager eine Hartstoff- bzw.
Hartstoff-Hartstoff-Gleitpaarung vorzusehen. Diese
Konfiguration ist für normale Anwendungen mit einem ruhenden
Lager absolut unüblich und deswegen im Stand der Technik
nicht in Betracht gezogen worden, da nach dem allgemeinen
technischen Fachwissen keine Gründe erkennbar sind, die
erprobte Gleitpaarung Lagermetall-Stahl zu verlassen. Unter
den besonderen Bedingungen der erfindungsgemäßen Anwendung
ergeben sich allerdings besondere Vorteile.
Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass unter den
angegebenen Bedingungen bei der durch Störungen des Ölfilms
im Lagerspalt aufgrund der hohen Fliehkraftbelastung
auftretenden Mischreibung ein deutlich geringerer Verschleiß
der erfindungsgemäßen Gleitpaarung auftritt, als bei den
bekannten Lagermetall-Stahl-Gleitpaarungen. Diese verbesserte
Funktionalität führt zu einer höheren Lebensdauer und einer
erheblich verbesserten Betriebssicherheit.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass aufgrund der
wesentlich verbesserten Verschleißeigenschaften eine deutlich
höhere relative Druckbeanspruchung der Lagerflächen
zugelassen werden kann. Daraus ergibt sich die konstruktive
Möglichkeit, die Lagerflächen zu verkleinern. Daran ist
besonders vorteilhaft, dass die erfindungsgemäßen
Planetengetriebe besonders kompakt mit kleiner Baugröße
gestaltet werden können. Dies führt zu einer Verringerung der
rotierenden Massen, bzw. zu höherer Belastbarkeit bestehender
Baugrößen.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die erfindungsgemäße
Gleitpaarung relativ unempfindlich gegenüber in dem
Schmiermittel enthaltene abrasive Partikel ist, wie sie
beispielweise durch Abrieb entstehen können. Diese Partikel
werden nämlich zwischen den Hartstoff-Lagerflächen zermahlen,
ohne diese zu beschädigen.
Als Hartstoffe im Sinne der Erfindung sind Stoffe anzusehen,
welche eine größere Härte als gehärteter Stahl haben.
Aufgrund ihrer besonderen Härte und Abriebfestigkeit sind
erfindungsgemäß als Hartstoff besonders Keramik, Hartmetall,
Kaltarbeitsstahl sowie entsprechende Beschichtungen geeignet.
Die Lagerflächen können dann beispielsweise an den
Lagerbuchsen ausgebildet sein, die aus den vorgenannten
Hartstoffen gefertigt sind. Diese Hartstoff-Lagerbuchsen
können beispielsweise in die Lagerbohrung der Planetenräder
eingesetzt sein und/oder auf dem Lagerzapfen der
Planetenachsen angebracht sein.
Alternativ zur Verwendung von durchgehend aus Hartstoff
bestehenden Lagerbuchsen ist es möglich, dass die
Lagerflächen mit einer Beschichtung aus Hartstoff versehen
sind. Derartige Hartschichten können beispielsweise im PVD
(Plasma Vapour Deposition)-Verfahren oder CVD(Chemical
Vapour Deposition)-Verfahren aufgebrachte Nitrid- oder
Karbidschichten sein, beispielsweise Titannitrid,
Aluminiumnitrid, Borkarbid oder dergleichen, oder auch DLC
(Diamond like Carbon)-Schichten, die sich durch extreme Härte
und Verschleißfestigkeit auszeichnen. Diese Hartschichten
können sowohl in der Lagerbohrung der Planetenräder als auch
auf den Planetenachsen aufgebracht sein. Kombinationen von
Hartschichten mit Hartstoff-Buchsen sind gleichfalls machbar.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf derartige
geschmierte Gleitlager sowie Lagerbauteile von derartigen
Gleitlagern, die sich dadurch auszeichnen, dass die
Lagerflächen zumindest teilweise in der vorangehend
beschriebenen Weise eine Hartstoff-Oberfläche aufweisen.
Eine alternative Möglichkeit zur Lösung der Aufgabenstellung,
die der Erfindung zugrunde liegt, sieht vor, dass die
Gleitlager zumindest teilweise mit einer
reibungsvermindernden Oberfläche ausgebildete Lagerflächen
aufweisen.
Als Material für derartige reibungsarme Gleitpaarungen kommen
solche Werkstoffe in Frage, die zum einen relativ hart bzw.
verschleißfest sind und bedingt durch die Kristallstruktur
bzw. molekulare/atomare Oberflächenstruktur besonders glatt
sind und dadurch eine sehr geringe Neigung haben, sich
bereits bei kurzfristiger Störung des Schmiermittelfilms
festzufressen und dadurch Schaden zu nehmen.
Konkret kommen als derartige reibungsvermindernde Werkstoffe
in Betracht, das sind insbesondere solche Werkstoffe mit
einer sehr geringen Oberflächenrauhigkeit und relativ großer
Härte, beispielsweise die vorangehend als Hartschicht
erwähnten DLC-Schichten, oder beispielsweise Siliciumcarbid
(SiC) oder dergleichen.
Das reibungsvermindernde Material kann alternativ als
Beschichtung auf die Lagerflächen aufgebracht sein, wie dies
vorangehend bereits für die Hartschichten vorgeschlagen
worden ist. Eine derartige Beschichtung wird in der
Lagerbohrung der Planetenräder bzw. auf den Lagerzapfen der
Planetenachsen aufgebracht.
Alternativ ist es gleichfalls möglich, dass die Lagerflächen
an Lagerbuchsen aus reibungsverminderndem Material
ausgebildet sind, die in den Lagerbuchsen der Planetenräder
eingesetzt sind und/oder auf den Planetenachsen angebracht
sind.
Ein Gleitlager mit Lagerflächen, die zumindest teilweise eine
Lagerfläche aus reibungsverminderndem Material aufweisen
sowie Lagerbauteile mit derartigen Lagerflächen,
beispielsweise Lagerbuchsen aus reibungsverminderndem
Material, die in die Lagerbohrung der Planetenräder
einsetzbar sind oder auf dem Lagerzapfen der Planetenachsen
angebracht werden, sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen. Hierzu zeigt
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein
erfindungsgemäßes Planetengetriebe.
In Fig. 1 ist im Längsschnitt ein einstufiges
Planetengetriebe dargestellt, beispielsweise die letzte Stufe
eines mehrstufigen Antriebs, und als ganzes mit dem
Bezugszeichen 1 versehen. In der dargestellten Ansicht
befindet sich die Antriebsseite links und entsprechend die
Abtriebsseite rechts.
Das Planetengetriebe hat als erstes Getriebeelement ein
Hohlrad 2, und als zweites Getriebeelement einen
Planetenträger 3, der auf Planetenachsen 4 gelagerte
Planetenräder 5 aufweist. Das dritte Getriebeelement wird
durch das zentrale Sonnenrad 6 gebildet.
Das gesamte Planetengetriebe 1 weist eine Öl- oder
Fettschmierung auf, d. h. das Hohlrad 2 ist zumindest
teilweise mit Schmierstoff gefüllt.
Die Planetenräder 5 laufen auf den Planetenachsen 4 in
Gleitlagern, die jeweils gebildet werden durch eine
Lagerbuchse 7 bzw. Lagerbohrung im Planetenrad 5, die auf
einem Lagerzapfen 8 der Planetenachse 4 läuft.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gleitlagers 7/8 ist
durch die ausgefüllten Bereiche angedeutet, nämlich die im
Bereich der aufeinander gleitenden Lagerflächen ausgebildete,
spezielle Hartstoffoberfläche und/oder Oberfläche aus
reibungsverminderndem Material. Im einzelnen kann hierzu in
das Planetenrad 5 eine Lagerbuchse 7 aus Hartstoff,
beispielsweise Keramik, Verschleiß- bzw.
reibungsverminderndem Material eingesetzt sein, oder die
Lagerbohrung in ihrem Oberflächenbereich mit einer
Beschichtung aus Hartstoff und/oder reibungsverminderndem
Material ausgestaltet sein, beispielsweise einer DLC-Schicht.
Die Planetenachsen 4 können entsprechend ausgebildet sein,
wobei ebenfalls eine aufgesetzte Lagerbuchse 8 aus Hartstoff
bzw. reibungsverminderndem Material oder alternativ eine
Beschichtung aus derartigen Materialien aufgebracht sein
kann. Der Lagerzapfen 8 kann beispielsweise aus gehärtetem
oder oberflächengehärtetem, ggf. mit einer Hartstoffschicht
versehenen Kaltarbeitsstahl bestehen, während die Lagerbuchse
7 in dem Planetenrad 5 aus Keramikmaterial besteht.
Im Betrieb wird das Hauptantriebsmoment über den
eingangsseitigen Flansch 9 in das Hohlrad 2 eingeleitet und
an dessen ausgangsseitigem Flansch 10 zum Antrieb
beispielsweise einer Zentrifugentrommel abgegriffen. Die mit
dem Sonnenrad verbundene Eingangswelle 11 kann je nach Bedarf
festgesetzt oder mit einem Zusatzdrehmoment beaufschlagt
werden. Dadurch rotiert der Planetenträger 3 mit einer von
dem Hohlrad 2 unterschiedlichen Differenzgeschwindigkeit, die
unter anderem abhängig ist von der Drehzahldifferenz zwischen
dem Sonnenrad 8 und dem Hohlrad 2. Über den Ausgangsflansch
12 wird das Drehmoment mit der vom Hohlrad 2 abweichenden
Drehzahl des Planetenträgers 3 zum Antrieb beispielsweise
einer Austragsschnecke einer Trennzentrifuge abgenommen. Der
Leistungsfluss kann wie oben beschrieben oder umgekehrt sein.
Im Betrieb kann das Hohlrad 2 beispielsweise mit einer
Drehzahl von 2000 Umdrehungen pro Minute rotieren, wobei die
Drehzahl des Planetenträgers 3 lediglich geringfügig davon
abweicht. Aufgrund der mit dieser hohen Drehzahl auf einer
Kreisbahn mit Bahnradius R um die Getriebeachse umlaufenden
Planetenräder 5 müssen von den Planetenlagern die überwiegend
durch die wirkenden Fliehkräfte ausgelösten Belastungen
aufgenommen werden, welche in Richtung der Resultierenden aus
den Fliehkräften und den übertragenen Momenten, d. h. im
wesentlichen radial wirken. Dank der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung der Lagerbuchse bzw. Lagerbohrung 7 in dem
Planetenrad 5 sowie des Lagerzapfens 8 der Planetenachse 4
ergeben sich die vorangehend bereits erläuterten Vorteile.
Claims (19)
1. Planetengetriebe, bei dem die Planetenräder auf den
Planetenachsen in flüssig- oder fettgeschmierten
Gleitlagern gelagert sind, die auf der Planetenradbahn
mit relativ zur Gleitgeschwindigkeit der Planetenräder
hoher Drehzahl umlaufen können und/oder hohen
Lagerkräften ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gleitlager zumindest oberflächenharte Hartstoff-
Lagerflächen aufweisen.
2. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Lagerflächen an Lagerbuchsen (7) aus Hartstoff
ausgebildet sind.
3. Planetengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerbuchsen (7, 8) aus Hartstoff
in den Planetenrädern (5) und/oder auf den Planetenachsen
(4) angebracht sind.
4. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerflächen mit einer
Beschichtung aus Hartstoff versehen sind.
5. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (5)
und/oder die Planetenachsen (4) zumindest teilweise mit
Hartstoff beschichtet sind.
6. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoff Keramik
verwendet wird.
7. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoff Hartmetall
verwendet wird.
8. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoff
Kaltarbeitsstahl verwendet wird.
9. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoff gehärteter
Stahl verwendet wird.
10. Lager für ein Planetengetriebe, insbesondere nach einem
der Ansprüche 1 bis 9, zur Lagerung eines Planetenrades
auf einer Planetenachse, wobei das Lager als flüssig-
oder fettgeschmiertes Gleitlager ausgebildet ist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerflächen zumindest teilweise
eine Hartstoff-Oberfläche aufweisen.
11. Lagerbauteil für ein Lager eines Planetengetriebes zur
Lagerung eines Planetenrades auf einer Planetenachse,
wobei das Lager als flüssig- oder fettgeschmiertes
Gleitlager ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest die Lagerflächen zumindest teilweise eine
Hartstoff-Oberfläche aufweisen.
12. Planetengetriebe, bei dem die Planetenräder auf den
Planetenachsen in flüssig- oder fettgeschmierten
Gleitlagern gelagert sind, die auf der Planetenradbahn
mit relativ zur Gleitgeschwindigkeit der Planetenräder
hoher Drehzahl umlaufen können und/oder hoher Lagerlast
ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleitlager zumindest teilweise mit einer
reibungsvermindernden Oberfläche ausgebildete
Lagerflächen aufweisen.
13. Planetengetriebe nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerflächen mit einer
Beschichtung aus reibungsverminderndem Material versehen
sind.
14. Planetengetriebe nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf die
Planetenräder (5) und/oder den Planetenachsen (4)
aufgebracht ist.
15. Planetengetriebe nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerflächen an Lagerbuchsen (7)
aus reibungsverminderndem Material ausgebildet sind.
16. Planetengetriebe nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerbuchsen (7, 8) in den
Planetenrädern (5) und/oder auf den Planetenachsen (4)
angebracht sind.
17. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsvermindernde
Oberfläche aus einem Material mit sehr geringer
Oberflächenrauhigkeit und/oder hoher Oberflächenhärte
ausgebildet ist, beispielsweise SiC.
18. Lager für ein Planetengetriebe, insbesondere nach einem
der Ansprüche 1 bis 17, zur Lagerung eines Planetenrades
auf einer Planetenachse, wobei das Lager als flüssig-
oder fettgeschmiertes Gleitlager ausgebildet ist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerflächen zumindest teilweise
eine Oberfläche aus reibungsverminderndem Material
aufweisen.
19. Lagerbauteil für ein Lager eines Planetengetriebes zur
Lagerung eines Planetenrades auf einer Planetenachse,
wobei das Lager als flüssig- oder fettgeschmiertes
Gleitlager ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest die Lagerflächen zumindest teilweise eine
Oberfläche aus reibungsverminderndem Material (7, 8)
aufweisen.
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