DE102009004494A1

DE102009004494A1 - Vorrichtung zur verdrehbaren Kopplung zweier Anlagenteile sowie damit ausgerüstete Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102009004494A1
Application number: DE102009004494A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Frank
Original assignee: IMO Holding GmbH
Current assignee: IMO Holding GmbH
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-07-22
Also published as: WO2010078944A3; WO2010078944A2

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur verdrehbaren Kopplung zweier Anlagenteile, umfassend zwei ringförmige, zueinander konzentrische Elemente aus Metall mit wenigstens je einer ersten Fläche zum Anschluss an je eines der beiden Anlagenteile sowie mit jeweils einer zweiten, ringförmig geschlossenen Fläche, die der betreffenden, zweiten Fläche des jeweils anderen Anschlusselements zugewandt, von dieser jedoch durch einen Spalt beabstandet ist, so dass die ringförmigen Anschlusselemente um eine gedachte, zur Ringebene etwa lotrechte Achse (Drehachse) im Zentrum der ringförmigen Anschlusselemente gegeneinander verdrehbar sind, wobei in dem Spalt zwischen den beiden Anschlusselementen eine als ein- oder mehrreihiges Wälzlager ausgebildete Drehlagerung angeordnet ist zur Aufnahme von Axial- und Radiallasten und/oder Kippmomenten, mit wenigstens einer Reihe von Wälzkörpern, welche zwischen je einer Laufbahn an jedem der beiden ringförmigen Anschlusselemente abrollen, und wobei wenigstens eines der beiden ringförmigen Anschlusselemente eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist zur Aufnahme je eines zu der Drehachse parallelen Antriebsstifts, sowie eine Mehrzahl von dazu parallelen Ausnehmungen zum Ein- und/oder Durchstecken oder -schrauben von Befestigungsmitteln, wobei sämtliche Ausnehmungen sowie wenigstens eine Wälzkörper-Laufbahn dieses Anschlusselements durch Bearbeitung oder Formgebung eines gemeinsamen Grundkörpers hergestellt sind.

Description

Die Erfindung richtet sich einerseits auf eine Vorrichtung zur verdrehbaren Kopplung zweier Anlagenteile, umfassend zwei ringförmige, zueinander konzentrische Elemente aus Metall mit wenigstens je einer ersten Fläche zum Anschluß an je eines der beiden Anlagenteile sowie mit jeweils einer zweiten, ringförmig geschlossenen Fläche, die der betreffenden, zweiten Fläche des jeweils anderen Anschlußelements zugewandt, von dieser jedoch durch einen Spalt beabstandet ist, so dass die ringförmigen Anschlußelemente um eine gedachte, zur Ringebene etwa lotrechte Achse (Drehachse) im Zentrum der ringförmigen Anschlußelemente gegeneinander verdrehbar sind, wobei in dem Spalt zwischen den beiden Anschlußelementen eine als ein- oder mehrreihiges Wälzlager ausgebildete Drehlagerung angeordnet ist zur Aufnahme von Axial- und Radiallasten und/oder Kippmomenten, mit wenigstens einer Reihe von Wälzkörpern, welche zwischen je einer Laufbahn an jedem der beiden ringförmigen Anschlußelemente abrollen, sowie andererseits auf eine damit ausgerüstete Windkraftanlage.
Drehverbindungen mit einer integrierten Verzahnung werden in den verschiedensten Anwendungsfällen eingesetzt. Nicht selten werden derartige Drehverbindungen nur um geringe Drehwinkel verschwenkt, so dass ständig nur ein kleiner Teil der Verzahnung durch darin eingreifende Zahnelemente beansprucht wird und ggf. einem weitaus höheren Verschleiß unterliegt als der restliche Teil der Verzahnung. Dies ist bspw. gegeben bei Drehverbindungen zur Veränderung des Anstellwinkels eines Rotorblattes einer Windkraftanlage (sog. Blattlager); hier gelangt allenfalls etwa ein Viertel einer rundumlaufenden Verzahnung in Eingriff mit einem antreibenden Zahnelement; in dem normalen Bereich zwischen schwachem und starkem Wind sogar noch ein weitaus kleineres Verzahnungssegment. Gerade im Rahmen von Stellantrieben gibt es eine Reihe solcher Anwendungen, wo ein relativ kleiner Umfangsbereich der Verzahnung weitaus größeren Belastungen ausgesetzt ist als der restliche Umfangsbereich; man denke hierbei insbesondere an die Ruderanlage von Schiffen, an Lenkschemel von größeren Fahrzeugen, etc.
Dabei ist es bei vielen Anlagen äußerst unwirtschaftlich, wegen dem erhöhten Verschleiß in einem kleinen Verzahnungssegment die gesamte Drehlagerung ausbauen und den verzahnten Ring austauschen zu müssen. Die Kosten resultieren dabei zum einen aus einzeln anzufertigenden und damit teuren Ersatzteilen, insbesondere verzahnten Ringen; zum anderen aus der Notwendigkeit, eine Anlage zumindest teilweise demontieren zu müssen, was erhebliche Montagekosten mit sich bringt; und schließlich aus dem unvermeidlichen, zeitweisen Stillstand der betroffenen Anlage, so dass deren Produktivität gesenkt wird. Besonders die Haupt-, Blatt- und Maschinenhauslager von Windkraftanlagen sind hiervon betroffen, weil dort die Demontage einzelner Lager höchst aufwendig ist.
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur verdrehbaren Kopplung zweier Anlagenteile derart weiterzubilden, dass bei einem lokal begrenzten Verschleiß einzelner Zähne einer verzahnten Drehlagerung eine Reparatur ohne teuere Ersatzteile, ferner mit geringem Aufwand und vor allem schnell erfolgen kann, so dass die Wirtschaftlichkeit einer Anlage davon kaum beeinträchtigt wird.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass wenigstens eines der beiden ringförmigen Anschlußelemente eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist zur Aufnahme je eines zu der Drehachse parallelen Antriebsstifts, sowie eine Mehrzahl von dazu parallelen Ausnehmungen zum Ein- und/oder Durchstecken oder -schrauben von Befestigungsmitteln, wobei sämtliche Ausnehmungen sowie wenigstens eine Wälzkörper-Laufbahn dieses Anschlußelements durch Bearbeitung oder Formgebung eines gemeinsamen Grundkörpers hergestellt sind.
Nach der Lehre der Erfindung werden demnach anstelle von an ein ringförmiges Bauteil der Drehlagerung angeformten Zähnen eine Mehrzahl von Antriebsstiften verwendet, welche die Aufgabe der ansonsten üblichen Verzahnung übernehmen. Gegenüber angeformten Zähnen haben derartige Antriebsstifte den nicht unerheblichen Vorteil, dass sie im Falle übermäßigen Verschleißes rasch und mit wenig Aufwand durch gleichartige, aber neuwertige Antriebsstifte ersetzt werden können; derartige Antriebsstifte können aus einem Profil mit entsprechendem Querschnitt abgelängt werden und verursachen daher bei ihrer Anfertigung nur einen kleinen Bruchteil der Kosten für ein neues, verzahntes Anschlußelement. Außerdem genügt es häufig, nur einige wenige Antriebsstifte zu ersetzen, eben gerade nur die verschlissenen.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Antriebsstifte des triebstockverzahnten Anschlußelements im gleichen Abstand zur Drehachse angeordnet sind. Solchenfalls findet ein mit einer solchen Reihe von Antriebsstiften kämmendes Zahnungselement, bspw. Zahnrad, unabhängig von dem Drehwinkel des triebstockverzahnten Anschlußelements die in Eingriff befindlichen Antriebsstifte stets an der selben Stelle – bezogen auf den Abstand zur Drehachse der Drehlagerung – vor.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Antriebsstifte des triebstockverzahnten Anschlußelements äquidistant um die Drehachse verteilt angeordnet sind, so dass dessen Drehfortschritt proportional zu der Drehbewegung eines antreibenden Zahnrades od. dgl. ist.
Die Antriebsstifte des triebstockverzahnten Anschlußelements können jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, insbesondere als kreiszylindrische Bolzen gestaltet sein. Eine solche Gestaltung hat sich als konstruktiv besonders einfach erwiesen, weil die Antriebsstifte dann von einer Stange mit kreisförmigem Querschnitt abgelängt werden können.
Wahlweise kann vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt der Antriebsstifte des triebstockverzahnten Anschlußelements in deren Längsrichtung ändert, bspw. leicht kegelförmig oder ballig, so dass auch die Geometrie eines Antriebsritzels, -zahnrades od. dgl. berücksichtigt werden kann.
Andererseits ist es auch möglich, dass die Antriebsstifte des triebstockverzahnten Anschlußelements jeweils einen von der Kreisform zumindest bereichsweise abweichenden Querschnitt aufweisen, bspw. prismatisch, insbesondere trapezförmig gestaltet sind oder der Form einer Evolventenverzahnung folgen. Damit lassen sich die Eigenschaften des Zahneingriffs ggf. günstig beeinflussen.
Die Antriebsstifte des triebstockverzahnten Anschlußelements können oberflächengehärtet sein, damit auch bei kleinen Berührungsbereichen mit einem Zahnelement große (Antriebs-)Kräfte übertragen werden können.
Es hat sich bewährt, dass die Antriebsstifte des triebstockverzahnten Anschlußelements an wenigstens einer Stirnseite mit einer Struktur zum Ansetzen einer Ziehvorrichtung versehen sind, bspw. mit einem Abziehgewinde. Damit ist es möglich, ggf. auch vor Ort, d. h. ohne die Drehlagerung auszubauen, einzelne Antriebstifte austauschen zu können.
Im Rahmen einer ersten Ausführungsform sind die Antriebsstifte nach Art einer Preßpassung in den betreffenden Ausnehmungen des triebstockverzahnten Anschlußelements aufgenommen. Hierbei handelt es sich um eine besonders einfache Maßnahme zur Fixierung der Antriebsstifte.
Andererseits ist es auch möglich, dass die Antriebsstifte in den betreffenden Ausnehmungen des triebstockverzahnten Anschlußelements um ihre Längsachse drehbar gelagert sind, bspw. mittels Wälz- oder Gleitlagern. Dies bedingt zwar einen größeren Aufwand, kann aber insofern Vorteile mit sich bringen, als solchenfalls am Verzahnungseingriff selbst anstelle einer Gleitreibung nur eine Rollreibung auftritt, wodurch der dortige Verschleiß erheblich reduziert wird.
Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass die Ausnehmungen zur Aufnahme der Antriebsstifte in wenigstens einem Bereich einer verjüngten achsparallelen Dicke des triebstockverzahnten Anschlußelements angeordnet sind. Solchenfalls läßt sich – wie die Erfindung weiterhin vorsieht – der Eingriffsbereich der Antriebsstifte etwa auf Höhe einer Wälzlagerung anordnen, wodurch die maximale Bauhöhe der Drehlagerung minimiert werden kann.
Indem das triebstockverzahnte Anschlußelement zwei Wangen aufweist mit einem nutförmigen Zwischenraum, erhöht sich einerseits dessen Verwindungssteifigkeit, während andererseits das Gewicht der Drehlagerung vergleichsweise klein gehalten werden kann.
Wenn eine axiale Stirnseite einer der beiden Wangen bündig mit der Anschlußfläche des triebstockverzahnten Anschlußelements fluchtet, ergibt sich eine große Anschlußfläche und demzufolge ein guter Reibschluß gegenüber einem anzuschließenden Anlagenteil.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass sich die Antriebsstifte zwischen den beiden Wangen des triebstockverzahnten Anschlußelements erstrecken. Die Antriebsstifte können dadurch an beiden Enden abgestützt werden und erfahren dadurch eine besonders hohe mechanische Stabilität.
Zu diesem Zweck sollten in beiden Wangen jeweils mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von Antriebsstiften vorgesehen sein, wobei jeweils eine Ausnehmung einer Wange mit einer entsprechenden Ausnehmung in der anderen Wange fluchtet. Vorzugsweise erstreckt sich diese gemeinsame Flucht parallel zur Drehachse der Drehlagerung, so dass die Längsachse der darin eingesetzten Antriebsstifte die Grundebene der Drehlagerung lotrecht durchsetzt.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass jeweils eine von zwei miteinander fluchtenden Ausnehmungen zur gemeinsamen Aufnahme eines Antriebsstiftes als Sackloch ausgebildet ist. Durch den Grund des Sacklochs wird eine allmähliche, axiale Verlagerung eines oder mehrerer Antriebsstifte zumindest in der betreffenden Richtung wirksam gehemmt.
Andererseits sollte wenigstens eine von zwei miteinander fluchtenden Ausnehmungen zur gemeinsamen Aufnahme eines Antriebsstiftes die betreffende Wange vollständig durchsetzen. Durch diese Durchgangsbohrungen können die Antriebsstifte eingesetzt, aber auch unschwer wieder entfernt werden.
Im Rahmen einer ersten Ausführungsform der Erfindung weisen die Antriebsstifte einen Abstand zum Grund der Nut zwischen den beiden Wangen des triebstockverzahnten Anschlußelements auf. Diese Ausführungsform eignet sich bspw. besonders für eine verdrehbare Lagerung der Antriebsstifte, da solchenfalls zwischen den beiden Wangen keine weitere Reibung auftritt.
Andererseits ist es aber auch möglich, dass die Antriebsstifte keinen Abstand zum Grund der Nut zwischen den beiden Wangen des triebstockverzahnten Anschlußelements aufweisen. Dies wiederum hat den Vorteil, dass sich ein Antriebsstift an dem Nutgrund zusätzlich abstützen kann und daher keine Durchbiegung in radialer Richtung, bezogen auf die Drehachse der Drehlagerung, erfährt.
Schließlich können die Antriebsstifte sogar in je eine Mulde im Bereich der Nut zwischen den beiden Wangen eingreifen, deren Längsachse parallel zur Drehachse der Vorrichtung ist. Bei dieser Ausführungsform erfolgt quasi eine Führung eines Antriebsstiftes über dessen gesamte Länge hinweg, so dass derselbe sich selbst bei starker Belastung nicht durchbiegen kann, weder in radialer Richtung noch in tangentialer Richtung, jeweils bezogen auf die Drehachse der Drehlagerung.
Eine solche Mulde kann zusammen mit den beiden miteinander fluchtenden Ausnehmungen durch eine gemeinsame, vorzugsweise hohlzylindrische Oberfläche begrenzt sein, so dass ein Antriebsstift mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt eingesetzt und allseits gleichmäßig abgestützt werden kann.
Die Antriebsstifte sollten nicht über die Anschlußfläche des verzahnten Anschlußelements überstehen, damit dieselbe vollflächig an einem anzuschließenden Anlagenteil anliegen kann. Die Antriebsstifte sollten vielmehr nur an jeweils einer Seite jeder Ausnehmung herausragen, insbesondere an derjenigen Seite, die der gegenüber liegenden Wange zugewandt ist.
Wenn sich die Durchgangsbohrungen zum Einsetzen und Entfernen der Antriebsstifte im Bereich der Anschlußfläche des triebstockverzahnten Anschlußelements befinden, so lassen sich dieselben bei Bedarf durch die Anlagefläche eines anzuschließenden Anlagenteils zumindest bereichsweise abdecken oder gar vollständig verschließen, um das axiale Verrutschen oder gar Verlieren eines Antriebsstifts vollends zu unterbinden. An der gegenüberliegenden Wange übernimmt diese Aufgabe der Nutgrund der dortigen Sacklochbohrungen.
Andererseits läßt sich die Fixierung der Antriebsstifte in axialer Richtung auch durch einen Ring bewirken, der die außen liegenden Öffnungen durchgehender Ausnehmungen zumindest teilweise bedeckt.
Sofern wenigstens ein Viertel der Gesamtlänge eines Antriebsstiftes in der/den Ausnehmung(en) des triebstockverzahnten Anschlußelements eingesteckt ist, vorzugsweise mindestens ein Drittel der Gesamtlänge eines Antriebsstiftes, insbesondere die Hälfte der Gesamtlänge eines Antriebsstiftes oder mehr, so können die von einem Antriebsstift durch das damit kämmende Ritzel, Zahnrad od. dgl. aufgenommenen Kräfte auch großflächig an den triebstockverzahnten Anschlußring weitergegeben werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung erfährt die Erfindung dadurch, dass die Befestigungsausnehmungen sich radial zwischen der Reihe von Antriebsstiften und wenigstens einer Laufbahn der Drehlagerung des triebstockverzahnten Anschlußelements befinden. Durch eine solche radiale Anordnung dieser verschiedenen Elemente kann die axiale Bauhöhe der Drehlagerung minimiert werden.
Solche Befestigungsausnehmungen können das triebstockverzahnte Anschlußelements teilweise – in Form von Sacklöchern – oder vollständig – in Form von Durchgangsausnehmungen – durchsetzen. Während derartige Sacklöcher zur Fixierung darin eingesetzter Schrauben od. dgl. ein Innengewinde aufweisen sollten, kann solches bei Durchgangsausnehmungen entfallen – hier erfolgt die Fixierung bspw. über auf die hindurchtretenden Schaftenden aufgesetzte Kontermuttern.
Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Bauhöhe einer erfindungsgemäßen Drehlagerung besteht darin, dass sich die in das triebstockverzahnte Anschlußelement eingearbeiteten Laufbahn(en) für die Wälzkörper auf Höhe der Nut zwischen den beiden Wangen befinden, ggf. innerhalb abgerundeter Übergangsbereiche zwischen dem Nutgrund und den beiden Wangen.
Wenn der Spalt zwischen den beiden Anschlußelementen neben der/den Laufbahn(en) (ausschließlich) von zylindermantelförmigen Flächen begrenzt wird, ergibt sich die Struktur eines Radialwälzlagers. Besonders bewährt haben sich in diesem Zusammenhang kugelförmige Wälzkörper, weil dabei eine einzige Reihe derartiger Wälzkörper in der Lage ist, sowohl Radial- als auch Axialkräfte und sogar Kippmomente aufzunehmen. Allerdings ist dies nicht zwingend – auch andere Formen von Wälzkörpern wie bspw. Rollen, Tonnen, Nadeln, etc. sind denkbar. Auch ist eine Beschränkung auf nur eine einzige Reihe von Wälzkörpern nicht zwingend.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Spalt zwischen den beiden Anschlußelementen im Bereich einer oder vorzugsweise beider Lagerstirnseiten abgedichtet ist. Damit kann einerseits ein im Bereich der Laufbahnen vorhandenes Schmiermittel, insbesondere Fett, zuverlässig an einem unerwünschten Entweichen gehindert werden, andererseits wird auch eine Verunreinigung dieses Schmiermittels, bspw. durch eindringende Schmutzpartikel oder andere Fremdkörper weitestgehend ausgeschlossen.
Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage zeichnet sich aus durch wenigstens eine gattungsgemäße Vorrichtung, insbesondere als Blattlager, Haupt- oder sonstiges Rotorlager und/oder Maschinenhauslager, wobei wenigstens eines der beiden ringförmigen Anschlußelemente eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist zur Aufnahme je eines zu der Drehachse parallelen Antriebsstifts und ggf. einer denselben umgebenden Hülse, sowie eine Mehrzahl von dazu parallelen Ausnehmungen zum Ein- und/oder Durchstecken oder -schrauben von Befestigungsmitteln (triebstockverzahntes Anschlußelement), wobei sämtliche Ausnehmungen sowie wenigstens eine Wälzkörper-Laufbahn des triebstockverzahnten Anschlußelements durch Bearbeitung oder Formgebung eines gemeinsamen Grundkörpers hergestellt sind.
Die Erfindung kann besonders vorteilhaft bei derartigen Anwendungen eingesetzt werden, weil gerade bei Windkraftanlagen diese im Bereich der Turmspitze eingebauten Lager nur mit hohem Aufwand demontierbar sind, insbesondere dann, wenn eine Windkraftanlage – wie dies nunmehr in zunehmendem Maße anzutreffen ist – im Off-Shore-Bereich weit draußen vor der Küste installiert und daher nur mittels Schiffen zugänglich ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur verdrehbaren Kopplung zweier Anlagenteile, in einer perspektivischen Ansicht auf eine Schnittfläche quer zum Umfang der gegeneinander verdrehbaren, ringförmigen Anschlußelemente; sowie
2 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in einer der 1 entsprechenden Darstellung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfaßt im wesentlichen zwei separate, ringförmige, insbesondere kreisringförmige Elemente 2, 3 zum Anschluß an zwei unterschiedliche Teile einer Anlage, Maschine, Fahrzeug od. dgl. Bevorzugt ist jedes der beiden ringförmigen Anschlußelemente 2, 3 aus einem Rohkörper mit etwa rechteckigem Querschnitt gearbeitet. Aufgrund dessen sind ihre oberen und unteren Stirnseiten 4, 5, 6, 7 jeweils eben und parallel zur Grundebene des betreffenden Anschlußelements 2, 3. Beide Anschlußelemente 2, 3 können jeweils etwa die selbe axiale Bauhöhe aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Ober- und Unterseite 4, 6 eines Anschlußelements 2 etwa dem Abstand zwischen der Ober- und Unterseite 5, 7 des anderen Anschlußelements 3 entspricht.
Die beiden ringförmigen Anschlußelemente 2, 3 sind konzentrisch zueinander angeordnet, mit zueinander parallelen Grundebenen und miteinander fluchtenden (Rotations-)Symmetrieachsen.
Zwischen den beiden Anschlußelementen 2, 3 befindet sich ein Spalt 8, so dass sie sich nahezu reibungsfrei um ihre Symmetrieachsen gegeneinander verdrehen können.
Ein ringförmiges Anschlußelement 2 ist radial außerhalb des anderen Anschlußelements 3 angeordnet, so dass man auch von einem Außenring 2 und von einem Innenring 3 sprechen kann. In diesem Fall hat der Spalt 8 etwa die Gestalt einer Zylindermantelfläche und wird begrenzt durch die innenliegende Mantelfläche 9 des äußeren Anschlußelements 2 einerseits sowie durch die außenliegende Mantelfläche 10 des inneren Anschlußelements 3 andererseits.
In jeder dieser beiden Mantelflächen 9, 10 befindet sich jeweils wenigstens eine Laufbahn 11, 12 zur Führung einer oder mehrerer Reihe(n) von in dem Spalt 8 abrollenden Wälzkörpern, im vorliegenden Beispiel Kugeln 13. Im Bereich der Laufbahnen 11, 12 erweitert sich der Spalt 8; die Laufbahnen 11, 12 können daher direkt in die Mantelflächen 9, 10 der Anschlußelemente 2, 3 eingearbeitet sein, bspw. durch Drehen. Bei den Wälzkörpern muß es sich allerdings nicht zwangsläufig um Kugeln handeln; vielmehr läßt sich die Erfindung auch mit anderen Wälzkörperformen realisieren, bspw. mit Rollen, Tonnen, Nadeln, etc. Die Kugeln 13 oder sonstigen Wälzkörper können entlang der Laufbahnen 11, 12 an etwa äquidistanten Positionen gehalten werden durch dazwischen eingefügte Distanz- oder Abstandskörper oder durch ein oder mehrere Käfigsegmente.
Aufgrund der radial ineinander liegenden Anschlußelemente 2, 3 ergibt sich somit die Geometrie eines Radiallagers, was allerdings nicht zwingend ist; denn die Erfindung läßt sich grundsätzlich auch bei Axiallagern anwenden, wo die Anschlußelemente 2, 3 nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen, sondern in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, oder bei noch anderen Lagerformen.
Auch im vorliegenden Beispiel sind die beiden Anschlußelemente 2, 3 geringfügig gegeneinander versetzt. Da sie jeweils etwa die gleiche Höhe haben und, liegt bei einem Ring – hier bei dem radial außen liegenden Anschlußelement 2 – die untere Stirnseite 6 unterhalb der benachbarten, unteren Stirnseite 7 des anderen Rings – hier des radial innen liegenden Anschlußelements 3. Die jeweils erhabene Fläche 6 dient daher dem Anschluß des betreffenden Rings an ein Teil der Anlage, Maschine, Fahrzeug, etc. und soll im folgenden als Anschlußfläche 6 bezeichnet werden. Jedes Anschlußelement 2, 3 verfügt über je eine (bevorzugte) Anschlußfläche 6. Aufgrund des axialen Versatzes zwischen den beiden Anschlußelementen 2, 3 liegt die zweite Anschlußfläche an der erhabenen oberen Stirnseite 5 des anderen Rings – im gezeichneten Beispiel also des radial innen liegenden Anschlußelements 3.
Zur Festlegung der Anschlußelemente 2, 3 an je einem Teil einer Anlage, Maschine od. dgl. sind in den betreffenen Anschlußflächen 5, 6 jeweils eine Mehrzahl von Befestigungsbohrungen 14, 15 vorgesehen, vorzugsweise mit zu der Drehachse der Vorrichtung parallelen Längsachsen. Diese Befestigungsbohrungen 14, 15 können mit einem Innengewinde versehen sein oder – wie im dargestellten Beispiel – zur jeweils gegenüberliegenden Stirnseite 4, 7 durchgehend ausgebildet sein. Im ersteren Falle können Befestigungsschrauben, -bolzen od. dgl. direkt eingeschraubt werden, im letzteren Falle werden sie jenseits der gegenüberliegenden Stirnseite 4, 7 mit einer Mutter oder einem sonstigen Innengewinde-Element gekontert.
Der Spalt 8 mit den darin eingearbeiteten Laufbahnen 11, 12 kann im Bereich seiner beiden ringförmigen Mündungen abgedichtet sein, damit die Laufbahnen 11, 12 mit einem Mittel zum Schmieren der Kugeln 13 oder sonstigen Wälzkörper, bspw. Schmierfett, befüllt werden können, ohne dass sich dieses im Laufe der Zeit verflüchtigen könnte, und außerdem zum Schutz des Schmiermittels vor eindringenden Schmutzpartikeln oder sonstigen Fremdkörpern. Diesem Zweck dienen endlose, rundumlaufende Dichtungsringe 16, 17 mit je einer Dichtungslippe 18, 19. Aufgrund des stufigen Versatzes jeweils benachbarter Stirnseiten 4, 5; 6, 7 beider Anschlußelemente 2, 3 bietet es sich hierbei an, einen Dichtungsring 16 an der innenliegenden Mantelfläche 9 des äußeren Anschlußelements 2 und den anderen Dichtungsring 17 an der außenliegenden Mantelfläche 10 des inneren Anschlußelements 3 festzulegen, und zwar in je einer rundumlaufenden Nut nahe der betreffenden Anschlußfläche 5, 6 und vorzugsweise außerhalb der jeweils benachbarten Stirnseite 4, 7, an welche die Dichtlippe 18, 19 des betreffenden Dichtungsrings 17, 18 elastisch angepreßt wird. Obzwar andere Dichtungsformen möglich sind, hat dies den Vorteil, dass bei einem Druck von außen nach innen die Dichtungslippe 18, 19 um so stärker an die betreffende Stirnseite 4, 7 angepreßt wird und das Eindringen von Fremdkörpern zuverlässig verhindert.
Eines der beiden Anschlußelemente 2, 3 trägt eine Verzahnung 20. Vorzugsweise ist diese Verzahnung 20 an der dem Spalt 8 abgewandten Mantelfläche 21, 22 des betreffenden Anschlußelements 2, 3 angeordnet, im vorliegenden Beispiel an der innenliegenden Mantelfläche 22 des inneren Anschlußelements 3.
An dieser Mantelfläche 22 befindet sich eine rundumlaufende Nut 23, deren axiale Erstreckung etwa der halben Höhe dieses Anschlußelements 3 entspricht, und deren obere und untere Flanke jeweils durch einen wangenförmig vorspringenden Bereich 24, 25 des Anschlußelements 3 gebildet wird. Um eine Kerbwirkung zu vermeiden, kann der Übergang von den Nutflanken im Bereich der Wangen 24, 25 einerseits zum Nutgrund 26 andererseits durch je eine querschnittlich abgerundete Kehle 27, 28 gebildet sein. Im dargestellten Beispiel ist die radiale Tiefe t der Nut 23 etwas kleiner als ihre Höhe h, jedoch etwas größer als die halbe Höhe h: h ≥ t ≥ h/2.
Beide Wangen 24, 25 weisen entlang ihres Umfang jeweils mehrere Ausnehmungen 29, 30 auf, vorzugsweise an jeweils äquidistant über den Umfang verteilten Positionen.
Die Ausnehmungen 29, 30 haben jeweils eine Längsachse, entlang der alle Schnittflächen quer zu dieser Längsachse konstant sind. Die Längsachse je einer Ausnehmung 29 in der oberen Wange 24 fluchtet mit der Längsache je einer Ausnehmung 30 in der unteren Wange 25, so dass jeweils zwei Ausnehmungen 29, 30 aus unterschiedlichen Wangen 24, 25 einander zugeordnet sind.
Während eine Ausnehmung 30 jedes derartigen Paares als Sackloch ausgebildet sein kann, sollte zumindest eine – andere – Ausnehmung 29 des betreffenden Paares als zu der betreffenden Außenseite 5 des Anschlußelements 3 durchgehend ausgebildet sein, damit durch diese Ausnehmung 29 hindurch ein Stift 31 quer durch die Nut 23 hindurch bis in die paarweise zugeordnete Ausnehmung 30 in der anderen Wange 25 geschoben werden kann. Obwohl dies nicht zwingend ist, können die durchgehenden Ausnehmungen 29 bis zu der Anschlußfläche 5 des betreffenden Anschlußelements 3 durchgehend ausgebildet sein, so dass ein daran angeschlossenes Anlagenteil ggf. die dortigen Mündungen 32 der Durchgangsausnehmungen 29 mit verschließt und dabei die darin eingesetzten Stifte 31 vor einem axialen Verrutschen sichert. Andererseits könnte zu dem selben Zweck ein diese Mündungen 32 abdeckender Ring aufgesetzt, insbesondere aufgeschraubt, oder zwischen dem Anschlußelement 3 und einem daran anzuschließendem Anlagenteil eingefügt werden.
Die Stifte 31 dienen zum Drehantrieb des Anschlußelements 3 gegenüber dem anderen Anschlußelement 2 und sind aus diesem Grund zum kämmenden Eingriff mit einem entsprechend gestalteten Zahnrad, Ritzel od. dgl. vorgesehen; sie sollen deshalb im folgenden als Antriebsstifte 31 bezeichnet werden.
Die Antriebsstifte 31 haben jeweils einen konstanten Querschnitt nach Art eines Profils; sie können einfach durch Ablängen eines entsprechenden Profils angefertigt werden. Ihr Querschnitt bzw. der Profilquerschnitt entspricht vorzugsweise dem Querschnitt der Ausnehmungen 29, 30, so dass sie dort eingesetzt werden können, insbesondere nach Art einer Übergangs- oder Preßpassung, möglichst ohne Spiel. Ihre Länge sollte größer sein als der Abstand von der betreffenden Anschlußfläche 5 bis zu der gegenüberliegenden Wange 25. Vorzugsweise sollte diese Stiftlänge nahezu dem Abstand des Bodens 33 einer Sacklochbohrung 30 von der Außenseite 5 der jeweils anderen Wange 24 entsprechen; im Fall zweier durchgehender, paarweise zugeordneter Ausnehmungen 29, 30 sollte die Stiftlänge etwa dem Abstand der beiden Stirnseiten 6, 8 des betreffenden Anschlußelements 3 entsprechen oder geringfügig kleiner sein als jener.
An einer von außen zugänglichen Stirnseite 34 eines Antriebsstifts 31 kann ein Element zum Ansetzen eines Zugmittels, bspw. ein Innengewinde, vorgesehen sein.
Vorzugsweise haben die Ausnehmungen 29, 30 wie auch die darin einzusetzenden Antriebsstifte 31 jeweils einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser d. Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist der Durchmesser d deutlich kleiner als die Tiefe t der Nut 23: d < t. Insbesondere kann dieser Durchmesser d zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Nuttiefe t entsprechen: ¼·t < d < ¾·t. Bei einem bevorzugten Durchmesser d von etwa der halben Nuttiefe: d ≅ ½·t, haben die Bohrungen 29, 30 – und damit auch die darin eingesetzten Antriebsstifte 31 jeweils etwa den selben Abstand a₁ zu dem Nutgrund 26 einerseits wie der Abstand a₂ zu der inneren Mantelfläche 22 des Anschlußelements 3 andererseits: a₁ ≅ a₂ ≅ ¼·t. In diesem Fall verbleibt zwischen dem Stiftmantel und dem Nutgrund 26 ein Luftspalt.
Sofern anstelle der Preß- oder Übergangspassung in den Ausnehmungen 29, 30 dort jeweils eine Drehlagerung, bspw. eine Gleit- oder Wälzlagerung für die Antriebsstifte 31 vorgesehen wäre, so könnten dieselben sich nahezu reibungsfrei um ihre Längsachsen drehen.
Jedoch können die Ausnehmungen 29, 30 auch weiter zum Nutgrund 26 hin verschoben sein. Ein solches Beispiel zeigt 2: Die dortige Vorrichtung 1' ist vollkommen identisch mit der Vorrichtung 1, mit Ausnahme der Tatsache, dass die Abstände a1, a2 der Ausnehmungen 29, 30 zu dem Nutgrund 26 einerseits und zu der Mantelfläche 22 andererseits verändert sind:
Von besonderer Bedeutung ist dabei der Abstand a₁ zwischen den Ausnehmungen 29, 30 und dem Nutgrund 26. Dieser kann – ausgehend von dem Fall a) aus 1, wo etwa gilt: a₁ ≅ ¼·t – verringert werden, zunächst bis zum Fall b) mit a₁ = 0, wo die Mantelfläche 35 des in die Ausnehmungen 29, 30 eingesetzten Antriebsstifts 31 gerade den Nutgrund 26 berührt, bis hin zu dem Fall c), nämlich hin zu negativen Werten: a₁ < 0, bspw. a₁ ≅ –¼·t, so dass die Mantelfläche 35 des Antriebsstifts 31 in dem Nutgrund 26 versenkt ist. Hierzu müssen allerdings in dem Nutgrund 26 Mulden 36 vorgesehen sein, in welche je ein Antriebsstift 31 eintauchen kann.
Sofern – wie die Erfindung empfiehlt – die Innenseite dieser Mulden 36 mit den Begrenzungsflächen der betreffenden Ausnehmungen 29, 30 fluchtet, also nahtlos darin übergeht, so werden die Antriebsstifte 31 von den Mulden 36 auch im Bereich zwischen den beiden Ausnehmungen 29, 30 geführt. In diesem Fall liegen die einzelnen Antriebsstifte 31 in den Mulden 36 wie in einem Bett und können selbst bei extremsten Belastungen nicht verbogen werden.
Während im obigen Fall a) die Antriebsstifte 31 nahezu reibungsfrei gelagert werden können, aber am Nutgrund 26 nicht abgestützt sind, liegen sie im Fall b) gerade am Nutgrund 26 an und werden daher gegenüber radialen Druckbelastungen in Richtung zum Nutgrund hin optimal abgestützt, ohne dass dieser hierzu mit Mulden versehen sein muß; auch wäre eine verdrehbare Lagerung ohne allzu große Reibung noch denkbar. Im Fall c) schließlich gibt es in den Mulden 36 sogar eine Führung in tangentialer Richtung, also entlang des Nutgrundes; allerdings macht eine verdrehbare Lagerung der Antriebsstifte 31 in diesem Fall wegen der relativ großen Reibung wenig Sinn.

1: Vorichtung
2: Anschlußelement
3: Anschlußelement
4: obere Stirnseite
5: obere Stirnseite
6: untere Stirnseite
7: untere Stirnseite
8: Spalt
9: innenliegende Mantelfläche
10: außenliegende Mantelfläche
11: Laufbahn
12: Laufbahn
13: Kugel
14: Befestigungsbohrung
15: Befestigungsbohrung
16: Dichtungsring
17: Dichtungsring
18: Dichtungslippe
19: Dichtungslippe
20: Verzahnung
21: außenliegende Mantelfläche
22: innenliegende Mantelfläche
23: Nut
24: Wange
25: Wange
26: Nutgrund
27: Kehle
28: Kehle
29: Ausnehmung
30: Ausnehmung
31: Antriebsstift
32: Mündung
33: Boden
34: Stirnseite
35: Mantelfläche
36: Mulde

Claims

Vorrichtung (1; 1') zur verdrehbaren Kopplung zweier Anlagenteile, umfassend zwei ringförmige, zueinander konzentrische Elemente (2, 3) aus Metall mit wenigstens je einer ersten Fläche (5, 6) zum Anschluß an je eines der beiden Anlagenteile sowie mit jeweils einer zweiten, ringförmig geschlossenen Fläche (9, 10), die der betreffenden, zweiten Fläche (10, 9) des jeweils anderen Anschlußelements (3, 2) zugewandt, von dieser jedoch durch einen Spalt (8) beabstandet ist, so dass die ringförmigen Anschlußelemente (2, 3) um eine gedachte, zur Ringebene etwa lotrechte Achse (Drehachse) im Zentrum der ringförmigen Anschlußelemente (2, 3) gegeneinander verdrehbar sind, wobei in dem Spalt (8) zwischen den beiden Anschlußelementen (2, 3) eine als ein- oder mehrreihiges Wälzlager ausgebildete Drehlagerung angeordnet ist zur Aufnahme von Axial- und Radiallasten und/oder Kippmomenten, mit wenigstens einer Reihe von Wälzkörpern (13), welche zwischen je einer Laufbahn (11, 12) an jedem der beiden ringförmigen Anschlußelemente abrollen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der beiden ringförmigen Anschlußelemente (2, 3) eine Mehrzahl von Ausnehmungen (29, 30) aufweist zur Aufnahme je eines zu der Drehachse parallelen Antriebsstifts (31) und ggf. einer denselben umgebenden Hülse, sowie eine Mehrzahl von dazu parallelen Ausnehmungen (14, 15) zum Ein- und/oder Durchstecken oder -schrauben von Befestigungsmitteln (triebstockverzahntes Anschlußelement), wobei sämtliche Ausnehmungen (14, 15, 29, 30) sowie wenigstens eine Wälzkörper-Laufbahn (11, 12) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) durch Bearbeitung oder Formgebung eines gemeinsamen Grundkörpers hergestellt sind.
Vorrichtung (1; 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) im gleichen Abstand zur Drehachse angeordnet sind.
Vorrichtung (1; 1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) äquidistant um die Drehachse verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, insbesondere als kreiszylindrische Bolzen gestaltet sind.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Antriebsstifte (31) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) in deren Längsrichtung ändert, bspw. leicht kegelförmig oder ballig.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) jeweils einen von der Kreisform zumindest bereichsweise abweichenden Querschnitt aufweisen, bspw. prismatisch, insbesondere trapezförmig gestaltet sind oder der Form einer Evolventenverzahnung folgen.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) an wenigstens einer Stirnseite (34) mit einer Struktur zum Ansetzen einer Ziehvorrichtung versehen sind, bspw. mit einem Abziehgewinde.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) nach Art einer Preßpassung in den betreffenden Ausnehmungen (29, 30) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) aufgenommen sind.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) in den betreffenden Ausnehmungen (29, 30) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) um ihre Längsachse drehbar gelagert sind, bspw. mittels Wälz- oder Gleitlagern.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (29, 30) zur Aufnahme der Antriebsstifte (31) in wenigstens einem Bereich einer verjüngten achsparallelen Dicke des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) angeordnet, insbesondere festgelegt, sind.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das triebstockverzahnte Anschlußelement (2, 3) zwei Wangen (24, 25) aufweist mit einem nutförmigen Zwischenraum (23).
Vorrichtung (1; 1') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Stirnseite einer der beiden Wangen (29, 30) bündig mit der Anschlußfläche (5, 6) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) fluchtet.
Vorrichtung (1; 1') nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Antriebsstifte (31) zwischen den beiden Wangen (24, 25) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) erstrecken.
Vorrichtung (1; 1') nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Wangen (24, 25) jeweils mehrere Ausnehmungen (29, 30) zur Aufnahme von Antriebsstiften (31) vorgesehen sind, wobei jeweils eine Ausnehmung (29) einer Wange (24) mit einer entsprechenden Ausnehmung (30) in der anderen Wange (25) fluchtet.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine von zwei miteinander fluchtenden Ausnehmungen (29, 30) zur gemeinsamen Aufnahme eines Antriebsstiftes (31) als Sackloch ausgebildet ist.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine von zwei miteinander fluchtenden Ausnehmungen (29, 30) zur gemeinsamen Aufnahme eines Antriebsstiftes (31) die betreffende Wange (24, 25) vollständig durchsetzt.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) einen Abstand (a₁) zum Grund der Nut aufweisen (a₁ > 0).
Vorrichtung (1; 1') nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) keinen Abstand zum Grund (26) der Nut (25) aufweisen (a₁ ≤ 0).
Vorrichtung (1; 1') nach einem der Ansprüche 12 bis 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) in je einer Mulde (36) im Bereich der Nut (23) zwischen den beiden Wangen (24, 25) eingreifen, deren Längsachse parallel zur Drehachse der Vorrichtung (1; 1') ist (a₁ < 0).
Vorrichtung (1; 1') nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (36) zusammen mit den beiden miteinander fluchtenden Ausnehmungen (29, 30) durch eine gemeinsame, hohlzylindrische Oberfläche begrenzt wird.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) nicht über die Anschlußfläche (5, 6) des verzahnten Anschlußelements (2, 3) überstehen.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) nur an jeweils einer Seite jeder Ausnehmung (29, 30) herausragen, insbesondere an derjenigen Seite, die der jeweils gegenüber liegenden Wange (24, 25) zugewandt ist.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstifte (31) in axialer Richtung durch einen Ring gesichert sind, der die außen liegenden Mündungen (32) durchgehender Ausnehmungen (29, 30) zumindest teilweise bedeckt.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang wenigstens eines Viertels der Gesamtlänge eines Antriebsstiftes (31) in der/den Ausnehmung(en) (29, 30) des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) eingesteckt ist, vorzugsweise mindestens entlang eines Drittels der Gesamtlänge eines Antriebsstiftes (31), insbesondere entlang etwa der Hälfte der Gesamtlänge eines Antriebsstiftes (31) oder mehr.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsausnehmungen (14, 15) sich radial zwischen den Antriebsstiften (31) und wenigstens einer Laufbahn (11, 12) der Drehlagerung des triebstockverzahnten Anschlußelements (2, 3) befinden.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsausnehmungen (14, 15) das triebstockverzahnte Anschlußelement (2, 3) teilweise oder vollständig durchsetzen.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die in das triebstockverzahnte Anschlußelement (2, 3) eingearbeiteten Laufbahn(en) (11, 12) für die Wälzkörper (13) auf Höhe der Nut (23) zwischen den beiden Wangen (24, 25) befinden, ggf. innerhalb abgerundeter Übergangsbereiche (27, 28) zwischen dem Nutgrund (26) und den beiden Wangen (24, 25).
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (8) zwischen den beiden Anschlußelementen (2, 3) neben der/den Laufbahn(en) (11, 12) (ausschließlich) von zylindermantelförmigen Flächen (9, 10) begrenzt wird.
Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (8) zwischen den beiden Anschlußelementen (2, 3) im Bereich einer oder vorzugsweise beider Lagerstirnseiten (4, 5; 6, 7) abgedichtet ist, insbesondere mittels elastischer Dichtungen (16, 17).
Windkraftanlage, gekennzeichnet durch wenigstens eine Vorrichtung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere als Blattlager, Haupt- oder sonstiges Rotorlager und/oder Maschinenhauslager.