DE102009017301A1

DE102009017301A1 - Zahnradgetriebe mit einem auf einer Hohlwelle angeordneten Zahnrad

Info

Publication number: DE102009017301A1
Application number: DE102009017301A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Berger; Klaus Noller; Gerhard Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-02-21
Filing date: 2009-04-11
Publication date: 2010-08-26
Also published as: US20120039715A1; US8801368B2; CN102405362A; WO2010094461A1; ES2390149B1; KR20110131185A; JP2012518756A; ES2390149A1; CN102405362B

Abstract

Die Erfindung widmet sich einem Zahnradgetriebe mit mindestens einer Zahnradstufe (1), bei welcher mindestens eines der Zahnräder (2a; 2b) koaxial auf einer Hohlwelle (3) befestigt ist, die über mindestens zwei Wellenlager (4a, 4b) drehbar in einem Getriebegehäuse (5) gelagert ist. An der Hohlwelle (3) ist ein außenradialer Stufenabsatz (8) als Sitz für ein hieran innenradial zur Anlage kommendes bandagenartiges Zahnrad (2a) angeformt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnradgetriebe mit mindestens einer Zahnradstufe, bei welcher mindestens eines der Zahnräder koaxial auf einer Hohlwelle befestigt ist, die über mindestens zwei Wellenlager drehbar in einem Getriebegehäuse gelagert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Windkraftanlage, welche ein solches Zahnradgetriebe umfasst.
Das bevorzugte Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Windkraftanlagentechnik. Insbesondere bei Windkraftanlagen höherer Leistung, d. h. ab ca. 1.5 Megawatt, kommen in der Regel recht großbauende Zahnradgetriebe zum Einsatz, um eine niedrige Drehzahl eines durch Wind beaufschlagten Rotors ins Schnelle zu übersetzen, so dass sich mit einer passenden höheren Drehzahl ein elektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreiben lässt. Daneben können Zahnradgetriebe der hier interessierenden Art auch auf anderen technischen Gebieten, wie Schiffstechnik, Kraftfahrzeugtechnik und dergleichen eingesetzt werden, soweit dies vorzugsweise Großgetriebe der vorstehend spezifizierten höheren Leistungsklassen betrifft.
Aus der DE 34 23 993 A1 geht ein mit mehreren Zahnradstufen ausgeführtes Großgetriebe der hier interessierenden Art hervor. Dieses Zahnradgetriebe ist als Mehrweggetriebe mit Leistungsverzweigung ausgeführt und umfasst eine einstellbare Ritzelanordnung zur Leistungsverteilung auf mehrere Leistungszweige, welche nach Planetengetriebeart einer weiteren Lastverteilereinrichtung vorgeschaltet ist, so dass zwei oder mehr koaxial angeordnete Ritzel mit definierter Leistungsaufteilung vorgesehen werden können. Je nach Anzahl der Ritzel vervielfacht sich die Anzahl der Leistungszweige. Hierdurch entsteht ein äußerst kompaktes Getriebe hoher Leistungsdichte. Dieses Konstruktionsprinzip bedingt den Einsatz von Hohlwellen, durch deren Innenkanal hier weitere Wellen geführt werden. Die Hohlwelle ist außenradial mit einem Zahnrad versehen, um den Leistungsfluss mittels Stirnradpaarung weiterzuleiten. Allerdings ist dieses Zahnrad hier stets ein Ritzel.
Aus der DE 27 39 596 A1 geht ein anderes Zahnradgetriebe hervor, bei dem nicht das Ritzel, sondern das hiermit kämmende größere Zahnrad auf Hohlwellen angeordnet ist. Konkret sind zwei mit der Abtriebswelle des Zahnradgetriebes verbundene Großräder auf miteinander fluchtenden, jeweils getrennt im Getriebegehäuse gelagerten Hohlwellen angeordnet. Die einander zugekehrten Enden der beiden koaxialen Hohlwellen sind über Zahnkupplungen mit der Abtriebswelle verbunden. Jede Hohlwelle ist mit zwei je endseitig angeordneten Wellenlagern drehbar im Ventilgehäuse gelagert. Jede Hohlwelle weist einen im Prinzip gleichbleibenden rohrförmigen Durchmesser auf und die je zugeordneten großen Zahnräder besitzen einen mehrfachen Verzahnungsdurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser. Durch diese geometrischen Verhältnisse entstehen recht massive Zahnräder, die aus einem hochwertigen Verzahnungswerkstoff herzustellen sind, um den Belastungen während des Betriebes standhalten zu können. Demgegenüber sind die zugeordneten Hohlwellen in der Regel aus einem Vergütungsstahl hergestellt.
Nachteilhaft verursachen derartig massive Zahnräder ein recht hohes Gesamtgewicht eines hiermit ausgestatteten Zahnradgetriebes. Darüber hinaus bringt eine aus einem höherwertigen Stahl z. B. Vergütungsstahl hergestellte Hohlwelle den Nachteil eines aufwendigen Werkstoffs mit entsprechender Wärmebehandlung und einer anschließenden aufwendigen Bearbeitung mit sich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zahnradgetriebe der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass eine vereinfachte Fertigung und eine Materialeinsparung erzielt werden.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Zahnradgetriebe gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass an der Hohlwelle ein außenradialer Stufenabsatz als Sitz für das hieran innenradial zur Anlage kommende bandagenartige Zahnrad angeformt ist. Durch die Absatzhöhe des Stufenabsatzes lässt sich die Dicke des bandagenartigen Zahnrades variieren. Um eine möglichst hohe Materialeinsparung zu erzielen, sollte die Absatzhöhe des Stufenabsatzes möglichst groß sein, vorzugsweise größer als die durchschnittliche Rohrdicke der Hohlwelle.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass das der speziellen Hohlwelle zugeordnete Zahnrad lediglich bandagenartig, d. h. in Form eines recht dünnwandigen Ringes ausgeführt werden braucht, so dass der hierfür notwendige hochfeste Stahlwerkstoff sparsam zum Einsatz kommt. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht neben der Material- und damit Gewichtseinsparung auch eine neue, im Vergleich zum Stand der Technik weniger aufwendige Kombination unterschiedlicher Werkstoffe für Hohlwelle und Zahnrad. Untersuchungen haben ergeben, dass die erfindungsgemäße Lösung das Gesamtbauteilgewicht um mehr als 10% bei gleichzeitiger Verminderung des Vergütungsstahl- und Wärmebehandlungsgewichts um mehr als 35% verringert. Verwendet man zur Befestigung des bandagenartigen Zahnrads einen Aufschrumpfvorgang, so wirken sich das verringerte Volumen und Gewicht des zu erwärmenden bandagenartigen Zahnrads vorteilhaft aus, insbesondere in Hinblick auf die Prozesssicherheit.
Das bandagenartige Zahnrad wird vorzugsweise über eine Welle-Nabe-Verbindung auf der Hohlwelle fixiert. Dabei ist sowohl eine kraft- als auch formschlüssige Verbindung denkbar. Wird beispielsweise das Zahnrad kraftschlüssig durch Aufschrumpfen auf der Hohlwelle fixiert, so kann man auch eine zusätzliche formschlüssige Sicherung zur Vermeidung einer Relativbewegung bei großen Momenten vorsehen. Eine derartige formschlüssige Sicherung kann über eine Keilwellenprofilierung oder im einfachsten Falle durch mindestens eine Passfeder realisiert werden.
Es wird vorgeschlagen, die Hohlwelle vorzugsweise aus einem Gusswerkstoff herzustellen. Besonders geeignet ist Sphäroguss z. B. GGG40.3. Sphäroguss ist Gusseisen mit Kugelgraphit, bei dem die Graphitphase in Form von Kugeln im Grundgefügte vorliegt. Durch die kugelförmige Ausbildung des Graphits besitzt das Material eine recht hohe Zugfestigkeit, Dehnbarkeit und Schlagzähigkeit.
Alternativ kann die Hohlwelle auch aus einem vergüteten Stahl, wie z. B. C45 oder einem höherwertigen Stahl, geschmiedet werden. Als Schmiedetechnik kann das Schmieden im Gesenk zum Einsatz kommen. Beim Gesenkschmieden lassen sich die geforderten Genauigkeiten hinsichtlich der Abmessungen standartmäßig erzielen. Das Material erlaubt aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und seiner hohen Zähigkeit ggf. eine Verringerung der Materialstärken der Hohlwelle im Vergleich zu Sphäroguss.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Innenwandung einer Hohlwelle im Bereich eines dieses bandagenartig umgebenden Zahnrades eine ringförmige Materialausnehmung aufweist.
Durch diese Maßnahme wird die durch Aufbringung des Zahnrades auf die Hohlwelle per se erzeugte Materialanhäufung genutzt, um vom Innenring der Hohlwelle her Material in Richtung radial außen auszusparen, so dass sich hieraus eine Gewichtsreduzierung ergibt. Diese Gewichtsreduzierung findet dabei an einer solchen Stelle statt, welche andererseits nicht die Festigkeitseigenschaften der Stirnradstufe nachteilig beeinträchtigt. Im Prinzip verleiht die erfindungsgemäße Lösung der Hohlwelle eine festigkeitsoptimierte Kontur, so dass diese sich aus einem weitaus einfacheren Werkstoff als Vergütungsstahl herstellen lässt.
Optimaler Weise sollte die Ausnehmung in der Innenwandung der Hohlwelle ein auf die durch den Zahneingriff des Zahnrades verursachte Belastung der Hohlwelle abgestimmtes Längsschnittsprofil bgzl. der Hohlwelle aufweisen. Festigkeitsuntersuchungen haben ergeben, dass ein solches geeignetes Schnittsprofil vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet ist. Denn der gewöhnlich zwischen dem Zahneingriff des Zahnrades und einem Ende der Hohlwelle verlaufende Leistungsfluss ist im Übergangsbereich von der Hohlwelle nach radial außen in Richtung Zahnrad nicht symmetrisch bezüglich der Zahnradebene ausgebildet. Ein hierauf abgestimmtes asymmetrisches Längsschnittsprofil der Ausnehmung ermöglicht eine maximale Materialaussparung ohne Beeinträchtigung der Festigkeitseigenschaften. Dabei kann das Längsschnittsprofil aus einer Aneinanderreihung unterschiedlich großer Flächen und Radien gebildet werden. Insbesondere die Steilheit des Übergangs zwischen der geraden Innenwandung und der Ausnehmung prägt die vorstehend erläuterte Charakteristik. So können vorzugsweise an der drehmomenteingangsseitigen Wandung der Ausnehmung möglichst stumpfe Winkel, eine stumpfwinkelig angestellte Wandung, stumpfwinkelige Übergänge bzw. auch gerundete Übergänge zur Ausführung kommen. Eine in gedachter Verlängerung auf eine bzgl. des Drehmomenteingangs der Hohlwelle abseitig gelegene Kante des Zahnrads zulaufende Wandung der Ausnehmung könnte aus Festigkeitserwägungen vorteilhaft sein. Bei der Gestaltung der Ausnehmung ist auch darauf zu achten, dass zulässige dynamische Beanspruchungsgrenzwerte für den eingesetzten Gusswerkstoff eingehalten werden.
Je größer die Absatzhöhe ist, desto tiefer lässt sich die ringförmige Ausnehmung in die Innenwandung der Hohlwelle einbringen, ohne erforderliche Mindestwandstärken zu unterschreiten. Eine konstruktive Grenze bildet hier natürlich die einzuhaltende Mindestdicke des bandagenartigen Zahnrads. Wird diese unterschritten, droht das Zahnrad zu brechen. Die Tiefe der Ausnehmung könnte z. B. etwa der durchschnittlichen Rohrdicke der Hohlwelle entsprechen, eine größere oder geringere Tiefe ist ebenfalls denkbar.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine sinnbildliche Darstellung einer als Stirnradstufe ausgeführten Zahnradstufe eines Zahnradgetriebes, und
2 einen Teilschnitt eines auf einer Hohlwelle des Zahnradgetriebes nach 1 befestigten Zahnrads.
Gemäß 1 umfasst ein – hier nicht in allen Einzelheiten dargestelltes – Zahnradgetriebe eine Zahnradstufe 1, die aus zwei Zahnrädern 2a und 2b aufgebaut ist. Beide Zahnräder 2a und 2b sind als schräg verzahnte Stirnräder ausgeführt. Das Zahnrad 2a ist koaxial auf einer Hohlwelle 3 befestigt und die Hohlwelle 3 ist beidseits des Zahnrades 2a über zwei Wellenlager 4a und 4b drehbar gegenüber einem Getriebegehäuse 5 gelagert. Die beiden Wellenlager 4a und 4b sind als Wälzlagerung ausgeführt.
Nach 2 ist an einer Innenwandung 6 der Hohlwelle 3 in dem Bereich, in welchem die Hohlwelle 3 außen von dem Zahnrad 2a umgeben wird, eine ringförmige Ausnehmung 7 vorgesehen, welche eine Materialaussparung mit ersichtlich asymmetrischem Längsschnittsprofil darstellt.
Das Längsschnittsprofil der Ausnehmung 7 ist auf die Belastung der Hohlwelle 3 abgestimmt, welche durch den Zahneingriff des hierauf befestigten Zahnrades 2a und das zu übertragende Drehmoment verursacht wird.
Um das Zahnrad 2a möglichst bandagenartig, d. h. dünnwandig auszuführen, sitzt dieses auf einem außenradialen Stufenabsatz 8 der Hohlwelle 3. Die Absatzhöhe r_R des Stufenabsatzes 8 ist dabei in etwa doppelt so groß wie die durchschnittliche Rohrdicke s_R der Hohlwelle 3, um zwecks Materialeinsparung eine genügend tiefe ringförmige Ausnehmung 7 mit gleichzeitig möglichst dünnwandigem Zahnrad 2a erzeugen zu können.
Während die Hohlwelle 3 bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Sphärogusswerkstoff besteht, besteht das bandagenartige Zahnrad 2a aus einem Einsatzstahl. Um einen signifikanten Materialeinspareffekt zu erzielen, bildet das Verhältnis von Verzahnungsdurchmesser d_Z des Zahnrades 2a zu dem Wellendurchmesser d_W der zugeordneten Hohlwelle 3 mindestens einen Faktor ≥ 1,5.
Alternativ kann die Hohlwelle auch aus vergütetem Stahl, z. B. C45 unter Einsatz der Gesenkschmiedetechnik hergestellt werden. Die höhere Zugfestigkeit des Stahls im Vergleich zu Sphärogusswerkstoff erlaubt ggf. eine Reduzierung der Materialstärken an der Hohlwelle. So kann die Ausnehmung 7 ggf. tiefer ausfallen, oder es kann der Stufenabsatz 8 mit axialen Durchbrüchen oder mit einer im Längsschnitt konkaven Kontur versehen werden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon möglich, die vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch denkbar, an Stelle schräg verzahnter Stirnräder andere Zahnräder im Rahmen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zahnradstufe zu verwenden, welche auf mindestens einer zugeordneten Hohlwelle platziert im Zusammenhang mit der ringförmigen Ausnehmung seitens der Hohlwelle die erfindungsgemäße Funktion ausführen. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass das Längsschnittsprofil der ringförmigen Ausnehmung an die jeweilige Zahnradart sowie Zahneingriffsgeometrie angepasst ist. Die ringförmige Ausnehmung kann im Rahmen der Erfindung auch ringsegmentförmig ausgebildet sein.

1: Zahnradstufe
2: Zahnrad
3: Hohlwelle
4: Wellenlager
5: Getriebegehäuse
6: Innenwandung
7: Ausnehmung
8: Stufenabsatz
r_A: Höhe
s_R: Rohrdicke
d_Z: Verzahnungsdurchmesser
d_W: Wellendurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3423993 A1 [0003]
- DE 2739596 A1 [0004]

Claims

Zahnradgetriebe mit mindestens einer Zahnradstufe (1), bei welcher mindestens eines der Zahnräder (2a; 2b) koaxial auf einer Hohlwelle (3) befestigt ist, die über mindestens zwei Wellenlager (4a, 4b) drehbar in einem Getriebegehäuse (5) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hohlwelle (3) ein außenradialer Stufenabsatz (8) als Sitz für ein hieran innenradial zur Anlage kommendes bandagenartiges Zahnrad (2a) angeformt ist.
Zahnradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (6) der Hohlwelle (3) im Bereich des bandagenartig umgebenden Zahnrades (2a) eine ringförmige bzw. ringsegmentförmige Ausnehmung (7) aufweist.
Zahnradgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (7) eine auf die durch den Zahneingriff des Zahnrades (2a) verursachte Belastung der Hohlwelle (3) abgestimmtes Längsschnittsprofil aufweist.
Zahnradgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsschnittsprofil der Ausnehmung (7) asymmetrisch ausgebildet ist.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absatzhöhe (r_H) des Stufenabsatzes (8) größer als die durchschnittliche Rohrdicke (s_R) der Hohlwelle (3) ist.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (3) urformtechnisch aus einem Gusswerkstoff gefertigt ist.
Zahnradgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (3) aus Sphäroguss, insbesondere GGG40.3 gefertigt ist.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (3) durch ein Umformverfahren, insbesondere durch Schmieden, insbesondere Gesenkschmieden gefertigt ist.
Zahnradgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (3) aus einem vergüteten Stahl, insbesondere Stahl C45, oder insbesondere einem höherwertigen Stahl als C45 gefertigt ist.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (2a) aus einem Einsatzstahl besteht.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bandagenartige Zahnrad (2a) über eine Welle-Nabe-Verbindung auf der Hohlwelle (3) fixiert ist.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Verzahnungsdurchmesser (d_Z) des Zahnrades (2a) zu Wellendurchmesser (d_W) des zugeordneten Hohlwelle (3) größer als 1,5 ist.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradstufe (1) aus Zahnrädern (2a, 2b) besteht, die als schrägverzahnte Stirnräder ausgeführt sind.
Zahnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradstufe (1) hinsichtlich der Dimensionierung der Zahnräder (2a, 2b) und der je zugeordneten Wellen für höhere Leistungen ab 1 Kilowatt ausgelegt ist.
Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, bei welcher ein Zahnradgetriebe nach einem der vorstehenden Ansprüche eine niedrige Drehzahl eines windbetriebenen Rotors in eine für einen elektrischen Generator geeignete höhere Drehzahl übersetzt.