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Die Erfindung betrifft eine innenverzahnte Hohlwelle mit einem gegossenen Wellenkörper nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Wellen der eingangs erwähnten Art werden insbesondere in der Stirnradstufe von Getrieben für Windkraftanlagen verwendet. Eine solche, aus dem Stand der Technik bekannte Hohlwelle zeigt 1.
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Die Hohlwelle 1 umfasst einen gegossenen Wellenkörper 6. Der Wellenkörper 6 ist mit einer als Passverzahnung 2 ausgeführten Innenverzahnung versehen. Die Passverzahnung 2 kann mit dem Wellenkörper 6 gegossen oder nachträglich durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden. Insbesondere sind also der Wellenkörper 6 und die Passverzahnung 2 einstückig ausgeführt.
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Im äußeren Bereich weist der Wellenkörper einen in Umfangsrichtung verlaufenen Flansch 7 auf. Mittels Verschraubungen 4 kann ein Stirnrad 3 an dem Flansch 7 angebracht werden.
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Eine Hohlwelle 1 der in 1 dargestellten Art wird insbesondere als Antriebswelle der Stirnradstufe eines Getriebes einer Windkraftanlage verwendet. Der Stirnradstufe ist eine Planetenstufe vorgeschaltet. Deren Ausgangswelle weist eine als Passverzahnung ausgeführte Außenverzahnung auf. Die Ausgangswelle der Planetenstufe ist so ausgeführt, dass sie in die Hohlwelle 1 der Stirnradstufe eingeführt werden kann, so dass die Passverzahnungen der beiden Wellen ineinander greifen. Auf diese Weise treibt die Ausgangwelle der Planetenradstufe die Hohlwelle 1 bzw. die Eingangswelle der Stirnradstufe an.
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Damit die Passverzahnung 2 der Hohlwelle 1 die von der Ausgangswelle der Planetenradstufe eingeleiteten Kräfte aufnehmen kann, muss die Hohlwelle 6 aus einem harten Material bestehen. Gusseisen entsprechender Härte ist aber sehr teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Hohlwelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 die den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch eine innenverzahnte Hohlwelle gelöst, deren Wellenkörper aus einem gegossenen ersten Material besteht. Mit Wellenkörper wird ein Bestandteil der Hohlwelle bezeichnet, der sich in axialer Richtung der Drehachse der Hohlwelle erstreckt und achsensymmetrisch um diese Drehachse verläuft. Der Wellenkörper umgibt einen vorzugsweise zylinderförmigen Hohlraum. In diesem Hohlraum ist die Innenverzahnung vorgesehen, die in Umfangsrichtung zur Drehachse verläuft. Bei dem ersten Material handelt es sich vorzugsweise um Gusseisen.
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Erfindungsgemäß weist nicht der Wellenkörper, sondern ein Inlay die Innenverzahnung auf. Entsprechend ist das Inlay so angeordnet, dass es in Umfangsrichtung um die Drehachse verläuft und sich im Inneren des Wellenkörpers befindet. Dabei ragt die Innenverzahnung in den Hohlraum hinein. Das Inlay ist von dem Wellenkörper mindestens teilweise umgossen.
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Der Wellenkörper und das Inlay sind also miteinander vergossen. Dies bedeutet insbesondere, dass das Inlay formschlüssig mit dem Wellenkörper verbunden ist. Diese Verbindung ist starr; es kann also keine Relativbewegung zwischen dem Inlay und dem Wellenkörper stattfinden. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Inlay und dem Wellenkörper entsteht ausschließlich durch die beteiligten Wirkflächen des Inlays und des Wellenkörpers. Weitere Elemente, wie Schrauben, Keile oder Passfedern, sind an der formschlüssigen Verbindung nicht beteiligt.
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Das Inlay besteht aus einem zweiten, von dem ersten Material verschiedenen Material. Dies ermöglicht einerseits die Wahl eines Materials für den Wellenkörper, dass für den Wellenkörper vorteilhalft, für die Innenverzahnung aber von Nachteil ist, und andererseits die Wahl eines Materials für das Inlay, dass für die Innenverzahnung vorteilhaft, für den Wellenkörper aber von Nachteil ist.
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Insbesondere kann eine Auswahl der Materialien in Bezug auf deren Härte getroffen werden. So übersteigt die Härte des zweiten Materials in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Härte des ersten Materials. Unter Härte wird hier eins der üblichen Maße für den mechanischen Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Einbringung eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt, verstanden. Zu diesen Maßen zählen etwa die Universalhärte nach Martens, die Ruckwellhärte, die Brinellhärte, die Vickers‘ Härte, die Knoop Härte oder die Schorr Härte.
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Durch die Wahl eines harten Materials kann das Inlay so ausgestaltet werden, dass es widerstandsfähig gegenüber mechanischen Belastungen ist. Insbesondere die Belastbarkeit der Innenverzahnung erhöht sich dadurch. Ein Wellenkörper hingegen, der aus einem weichen Material besteht, spart Kosten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Innenverzahnung als Passverzahnung bzw. Steckverzahnung, etwa als Keilverzahnung oder Kurzverzahnung, ausgeführt. Dies ermöglicht eine Verwendung der Hohlwelle als Antriebswelle einer Stirnradstufe eines Getriebes einer Windkraftanlage. Der Rotor der Windkraftanlage treibt die Eingangswelle einer Planetenradstufe an. Deren Ausgangswelle weist eine Außenverzahnung auf, die zusammen mit der Innenverzahnung der Hohlwelle die Passverzahnung bilden kann. Zur Montage wird die Hohlwelle der Stirnradstufe auf die Ausgangswelle der Planetenradstufe aufgeschoben, so dass die Außenverzahnung der Ausgangswelle der Planetenradstufe und die Innenverzahnung der Hohlwelle ineinander greifen.
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Als Eingangswelle der Stirnradstufe muss die Hohlwelle ein Stirnrad aufweisen, das mit einem weiteren Stirnrad der Zwischenwelle oder einer Abtriebswelle kämmt. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist der Wellenkörper der Hohlwelle daher zur Aufnahme mindestens eines Stirnrads ausgebildet. Der Wellenkörper ist also derart ausgebildet, dass ein Stirnrad mit dem Wellenkörper verfügt bzw. auf dem Wellenkörper montiert, angebracht bzw. fixiert werden kann.
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Vorzugsweise weist der Wellenkörper einen Flansch zur Aufnahme des Stirnrads auf. Die Drehachse des Stirnrads ist dabei identisch mit der Drehachse der Hohlwelle.
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Eine Möglichkeit, das Stirnrad an dem Flansch anzubringen, besteht darin, das Stirnrad mit dem Flansch zu verschrauben.
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Alternativ ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung möglich, den Wellenkörper und das Stirnrad zu vergießen. Entsprechend kann mindestens ein Teil des Wellenkörpers in das Stirnrad eingegossen werden. Auch diesbezüglich ist es vorteilhaft, wenn der Wellenkörper mit einem Flansch versehen ist, so dass mindestens ein Teil des Flansches in das Stirnrad eingegossen werden kann.
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Der Wellenkörper bzw. der Flansch und das Stirnrad sind dabei so ausgeführt, dass durch das Eingießen in das Stirnrad eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Wellenkörper bzw. dem Flansch und dem Stirnrad entsteht. Diese Verbindung ist starr, d.h. es ist keine Relativbewegung zwischen dem Wellenkörper bzw. dem Flansch und dem Stirnrad möglich. Insbesondere besteht der Formschluss ausschließlich zwischen dem Wellenkörper bzw. dem Flansch und dem Stirnrad, d.h. an der formschlüssigen Verbindung sind keine weiteren Elemente, wie etwa Schrauben, Keile oder Passfedern, beteiligt.
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Vorzugsweise besteht das Stirnrad aus einem dritten Material, dass sich von dem ersten Material, aus dem der Wellenkörper besteht, unterscheidet. Weiterhin kann sich das dritte Material von dem zweiten Material, aus dem das Inlay besteht, unterscheiden. Als vorteilhaft hat es sich insbesondere erwiesen, dass die Härte des dritten Materials die Härte des ersten Materials übersteigt. Möglich ist aber auch eine Ausführungsform, bei der das dritte Material dem zweiten Material gleicht.
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Ein Verfahren zur Herstellung der Hohlwelle zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Inlay in eine Form zum Gießen des Wellenkörpers eingefügt wird, bevor der Wellenkörper gegossen wird. Der Wellenkörper wird gegossen, in dem das erste Material im flüssigen Zustand in die Form eingebracht wird. Infolgedessen umfließt das erste Material mindestens einen Teil des in die Form eingefügten Inlays. Dieser Teil des Inlays bildet die formschlüssige Verbindung mit dem Wellenkörper aus. Die formschlüssige Verbindung entsteht, wenn das erste Material – üblicherweise durch Erkalten – vom flüssigen Zustand in den festen Zustand übergeht. Anschließend wird die Form entfernt.
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Der Guss erfolgt vorzugsweise in verlorener Form, beispielsweise in einer Sandform. Zur Formgebung, d.h. zur Modellierung der Form, wird ein Modell benötigt, welches geeignet ist, das Inlay aufzunehmen. Beim Entfernen des Modells bleibt das Inlay zurück. Daher hat sich ein verlorenes Modell als vorteilhalt erwiesen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Innenverzahnung gefertigt, nachdem der Wellenkörper gegossen wurde. Dies hat den Vorteil, die Verzahnung an der Drehachse des Wellenkörpers bzw. der Hohlwelle ausrichten zu können. Alternativ ist es möglich, die Innenverzahnung zu fertigen, bevor das Inlay in die Form zum Gießen des Wellenkörpers eingefügt wird. Dies erfordert aber eine sehr exakte Positionierung des Inlays.
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Weiterhin bevorzugt wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der auch das Stirnrad in die Form zum Gießen des Wellenkörpers eingefügt wird, bevor der Wellenkörper gegossen wird. Dieser Verfahrensschritt dient dazu, eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hohlwelle zu fertigen, bei der mindestens ein Teil des Wellenkörpers in das Stirnrad eingegossen ist.
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Auch hier ist es möglich, die Verzahnung vor oder nach dem Gießen zu fertigen. Vorzugsweise wird aber die Verzahnung des Stirnrads gefertigt, nachdem der Wellenkörper gegossen wurde, so dass eine Ausrichtung an der Drehachse des Wellenkörpers bzw. der Hohlwelle möglich ist. Eine Fertigung der Verzahnung des Stirnrads, bevor das Stirnrad in die Form zum Gießen des Wellenkörpers eingefügt wird, erfordert eine sehr exakte Positionierung des Stirnrads.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt
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1 eine aus der Stand der Technik bekannte innenverzahnte Hohlwelle;
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2 eine Hohlwelle mit vergossenem Inlay und aufgeschraubtem Stirnrad; und
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3 eine Hohlwelle mit vergossenem Inlay und vergossenem Stirnrad.
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Bei der in 2 dargestellten Hohlwelle 1 ist, wie auch bei der Hohlwelle 1 aus 1, dass Stirnrad 3 mittels einer Verschraubung 4 an dem Flansch 7 angebracht. Die Innenverzahnung des Wellenkörpers 6 ist als Passverzahnung 2 ausgeführt.
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Im Unterscheid zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in den Wellenkörper 6 ein Inlay 5 eingelassen. Das Inlay 5 weist die Passverzahnung 2 auf und besteht aus einem härteren Material als der Wellenkörper 6.
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Das Inlay 5 hat im einfachsten Fall die Form eines Hohlzylinders, kann aber die Form eines beliebigen, innen hohlen Rotationskörpers annehmen. Vorzugsweise ist das Inlay 5, wie in 2 dargestellt, im Längsschnitt U-förmig, d. h. das Inlay 5 hat eine U-förmige Schnittfläche, wobei die Rotationsachse der Hohlwelle 1 bzw. des Wellenkörpers 6 in der Schnittebene verlaufen. Der U-förmige Querschnitt ermöglicht eine bessere Aufnahme von Kräften in axialer Richtung. Um die Fähigkeit des Inlays 5 zur Aufnahme von Kräften in Umfangsrichtung zu verbessern, kann das Inlay 5 weiterhin mit axial verlaufenden Rippen versehen sein.
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Anlag zur 2 weist das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Hohlwelle 1 ein von den Wellenkörpern 6 teilweise umgossenes Inlay 5 mit einer als Passverzahnung 2 ausgeführten Innenverzahnung auf. Das Stirnrad 3 ist allerdings nicht mit dem Flansch 7 verschraubt, sondern vergossen. Ein Teil des Stirnrads 3 ist also von dem Wellenkörper 6 bzw. dem Flansch 7 umgossen.
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Um Kräfte in axialer Richtung der Drehachse der Hohlwelle 1 bzw. des Wellenkörpers 6 besser aufnehmen zu können weist das Stirnrad 3 einen innen in Umfangsrichtung verlaufenden Kamm 8 auf. Der Kamm 8 kann mit axial verlaufenden Einkerbungen versehen sein, um die Fähigkeit des Stirnrads 3 zur Aufnahme von Kräften in Umfangsrichtung zu verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlwelle
- 2
- Passverzahnung
- 3
- Stirnrad
- 4
- Verschraubung
- 5
- Inlay
- 6
- Wellenkörper
- 7
- Flansch
- 8
- Kamm
