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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Getriebe für Windkraftanlagen weisen eingangsseitig üblicherweise einen Planetensatz mit einem angetriebenen Planetenträger auf. In dem Planetenträger sind Planetenräder drehbar gelagert. Die Planetenräder drehen sich relativ zu dem Planetenträger jeweils um eine eigene Drehachse. Da der Planetenträger angetrieben wird, muss auch dieser drehbar gelagert sein. Folglich drehen sich die Drehachsen der einzelnen Planetenräder um eine Drehachse des Planetenträgers. Dies erschwert aber die Versorgung der Planetenlager mit Schmierstoff.
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Der Drehmomentfluss verläuft von einem Rotor der Windkraftanlage über den Planetenträger zu den Planetenrädern und von dort über ein Sonnenrad zu einer Sonnenradwelle. Die Sonnenradwelle muss sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung fixiert werden. Hierfür sind Lager erforderlich, die in die Schmierstoffversorgung des Getriebes eingebunden werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile ein Getriebe für eine Windkraftanlage bereitzustellen. Insbesondere soll unter Verringerung der anfallenden Kosten eine zuverlässige Schmierstoffversorgung gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Getriebe nach Anspruch 1 gelöst.
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Das Getriebe umfasst einen ersten Planetenradsatz, einen zweiten Planetenradsatz, und ein Getriebegehäuse. Der erste Planetenradsatz weist ein erstes Hohlrad, einen ersten Planetenträger und ein erstes Sonnenrad auf. Weiterhin weist der erste Planetenradsatz mehrere Planetenräder auf, die mit dem Hohlrad und/oder dem Sonnenrad kämmen. Mindestens eins der Planetenräder kämmt dabei mit dem Hohlrad. Ebenso kämmt mindestens eins der Planetenräder mit dem Sonnenrad.
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Der zweite Planetenradsatz weist ein zweites Hohlrad, einen zweiten Planetenträger und ein zweites Sonnenrad auf. Wie bei dem ersten Planetenradsatz sind Planetenräder drehbar in dem Planetenträger gelagert. Mindestens eins der Planetenräder kämmt mit dem zweiten Hohlrad und mindestens eines der Planetenräder mit dem zweiten Sonnenrad.
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Erfindungsgemäß sind sowohl der erste Planetenträger als auch der zweite Planetenträger drehfest mit dem Getriebegehäuse verbunden. Das erste Hohlrad, das erste Sonnenrad, das zweite Hohlrad und das zweite Sonnenrad hingegen sind drehbar ausgeführt. Insbesondere sind das erste Hohlrad, das erste Sonnenrad, das zweite Hohlrad und das zweite Sonnenrad gegenüber dem Getriebegehäuse drehbar gelagert. Vorzugsweise sind das erste Hohlrad, das erste Sonnenrad, das zweite Hohlrad und das zweite Sonnenrad um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert. Mindestens bezüglich dieser Drehachse sind der erste Planetenträger und der zweite Planetenträger gegenüber dem Getriebegehäuse drehfest. Bevorzugt ist gar keine Verdrehung des ersten Planetenträgers und des zweiten Planetenträgers gegenüber dem Getriebegehäuse möglich. Auch eine translatorisch feste Verbindung zwischen dem ersten Planetenträger und dem Getriebegehäuse sowie zwischen dem zweiten Planetenträger und dem Getriebegehäuse wird bevorzugt. Der erste Planetenträger und der zweite Planetenträger sind dann jeweils starr mit dem Getriebegehäuse verbunden, d.h. zwischen dem ersten Planetenträger und dem Getriebegehäuse sowie zwischen dem zweiten Planetenträger und dem Getriebegehäuse sind keinerlei Relativbewegungen möglich.
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Das erste Sonnenrad ist erfindungsgemäß drehfest mit dem zweiten Hohlrad verbunden. Insbesondere um die obengenannte Drehachse herum ist das erste Sonnenrad gegenüber dem zweiten Hohlrad drehfest. Bevorzugt ist das erste Sonnenrad mit dem zweiten Hohlrad derart verbunden, dass gar keine relative Verdrehung zwischen dem ersten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad möglich ist. Bevorzugt wird darüber hinaus eine verschiebefeste Verbindung derart, dass keinerlei translatorische Verschiebungen zwischen dem ersten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad auftreten können.
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Bezüglich der Schmierstoffversorgung ist das erfindungsgemäße Getriebe in mehrfacher Hinsicht von Vorteil. So lassen sich aufgrund des drehfesten ersten Planetenträgers und des drehfesten zweiten Planetenträgers Schmierstoffkanäle, ohne eine Drehung der Planetenträger überbrücken zu müssen, bis an die zu schmierenden Planetenlager heranführen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das erste Hohlrad verschiebefest und um genau eine Drehachse drehbar gelagert. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um die obengenannte Drehachse des ersten Hohlrads, des ersten Sonnenrads, des zweiten Hohlrad und des zweiten Sonnenrads. Fünf der sechs kinematischen Freiheitsgrade des ersten Hohlrads werden also beschränkt. Erhalten bleibt genau ein rotatorischer Freiheitsgrad.
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Analog ist das zweite Hohlrad bevorzugt mindestens in axialer Richtung, d.h. entlang der obengenannten Drehachse, optional auch in radialer Richtung, d.h. orthogonal zu der obengenannten Drehachse, verschiebefest und um genau eine Drehachse drehbar gelagert weitergebildet. Eine Verschiebung in axialer Richtung, optional auch in radialer Richtung, ist also nicht möglich. Demnach werden vier, optional fünf der sechs kinematischen Freiheitsgrade des zweiten Hohlrads beschränkt. Erhalten bleiben genau rotatorischer Freiheitsgrad sowie optional genau ein translatorischer Freiheitsgrad.
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Eine Beschränkung der kinematischen Freiheitsgrade bzw. eine Fixierung schließt darüber hinausgehende Verschiebungen und/oder Verdrehungen im Rahmen eines gegebenenfalls vorhandenen Lagerspiels grundsätzlich nicht aus.
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Die beschriebene Einschränkung der kinematischen Freiheitsgrade der beiden Hohlräder ist hinsichtlich der Auslegung des Getriebes von Vorteil. So entspricht die Beweglichkeit der einzelnen Getriebekomponente relativ zueinander weitgehend den marktüblich verwendeten Getrieben. Zur Auslegung des weiterbildungsgemäßen Getriebes kann daher auf einen großen Erfahrungsschatz zurückgegriffen werden.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Zwischenwelle vorgesehen, mit der das erste Sonnenrad und das zweite Hohlrad drehfest verbunden sind. Insbesondere gegenüber einer Verdrehung um die obengenannte Drehachse sind das erste Sonnenrad und das zweite Hohlrad drehfest mit der Zwischenwelle verbunden. Bevorzugt ist darüber hinaus gar keine Verdrehung des ersten Sonnenrads gegenüber der Zwischenwelle und des zweiten Hohlrads gegenüber der Zwischenwelle möglich. Auch sind die Verbindung des ersten Sonnenrads mit der Zwischenwelle und die Verbindung des zweiten Hohlrads mit der Zwischenwelle vorzugsweise verschiebefest. Das erste Sonnenrad und das zweite Hohlrad sind dann jeweils starr mit der Zwischenwelle verbunden, d. h. keinerlei Relativbewegungen zwischen dem ersten Sonnenrad und der Zwischenwelle sowie zwischen dem zweiten Hohlrad und der Zwischenwelle sind möglich.
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Die Zwischenwelle ist weiterbildungsgemäß derart gelagert, dass sie mindestens teilweise verkippt werden kann, d.h. mindestens ein Teil der Zwischenwelle kann verkippt werden. Unter einer Verkippung der Zwischenwelle ist eine Verdrehung der Zwischenwelle um eine Verkippungsachse, die orthogonal zu der obengenannten Drehachse verläuft, zu verstehen. Vorzugsweise kann die Zwischenwelle um jede Kippachse, die orthogonal zu der genannten Drehachse verläuft, verkippt werden. Die Zwischenwelle ist also mit einem Rotationsfreiheitsgrad von 3 gelagert.
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Trotzt der Verkippbarkeit ist die Zwischenwelle stabil positioniert. So legen die Planetenräder des ersten Planetenradsatzes die radiale Position des ersten Sonnenrads fest. Die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes legen die radiale Position des zweiten Hohlrads fest. Hierdurch ist auch der Grad der Verkippung der zwischen dem ersten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad verlaufenden Zwischenwelle definiert.
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Die beschriebene Anordnung ist von Vorteil, um einen Lastausgleich innerhalb des ersten Planetenradsatzes zu erzielen, wenn es aufgrund von Maßabweichungen zu radialen Bewegungen des ersten Sonnenrads kommt. Diesen Bewegungen kann die Zwischenwelle folgen, ohne dass es in den Lagern der Zwischenwelle zu schädlichen Verspannungen kommt. Ein Lastausgleich über das erste Hohlrad ist somit nicht erforderlich.
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Vor diesem Hintergrund ist in einer bevorzugten Weiterbildung die Zwischenwelle derart gelagert, dass sie nicht nur verkippt, sondern mindestens teilweise auch radial, das heißt orthogonal zu der obengenannten Drehachse, verschoben werden kann. Mindestens ein Teil der Zwischenwelle kann also radial verschoben werden. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Beweglichkeit des ersten Sonnenrads und Verminderung von Verspannungen in den Lagern der Zwischenwelle.
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Neben dem ersten Sonnenrad ist vorzugsweise auch das zweite Sonnenrad radial beweglich ausgeführt, um einen Lastausgleich innerhalb des zweiten Planetenradsatzes zu ermöglichen. Hierzu kann auf herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen zurückgegriffen werden.
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Bei Schrägverzahnungen wirken auf das erste Sonnenrad und das zweite Hohlrad Kräfte in axialer Richtung. Um in Anbetracht dessen eine axiale Fixierung des ersten Sonnenrads und des zweiten Hohlrads zu gewährleisten, ist die Zwischenwelle in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung der Erfindung derart gelagert, dass sie mindestens teilweise axial, das heißt in Richtung der obengenannten Drehachse, fixiert ist und nicht verschoben werden kann. Mindestens ein Teil der Zwischenwelle ist also axial fixiert. Durch die axiale Fixierung der Zwischenwelle sind auch das erste Sonnenrad und das zweite Hohlrad axial fixiert, das heißt das erste Sonnenrad und das zweite Hohlrad können nicht axial verschoben werden.
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Die Zwischenwelle ist bevorzugt mindestens zweistückig, d.h. bestehend aus mindestens einem ersten Stück und einem zweiten Stück, weitergebildet. Das erste Stück ist drehfest mit dem ersten Sonnenrad verbunden, das zweite Stück mit dem zweiten Hohlrad. Weiterhin ist das erste Stück drehfest mit dem zweiten Stück verbunden, sodass über die Zwischenwelle ein Drehmoment von dem ersten Sonnenrad auf das zweite Hohlrad übertragen werden kann. Um den oben beschriebenen Lastausgleich zu unterstützen, sind das erste Stück und das zweite Stück zudem relativ zueinander beweglich. Insbesondere eine Verkippbarkeit und/oder eine radiale Verschiebbarkeit der beiden Stücke zueinander ist diesbezüglich vorteilhaft.
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Das zweite Stück ist in einer bevorzugten Weiterbildung starr, d.h. derart, dass keine Relativbewegung stattfinden kann, mit dem zweiten Hohlrad verbunden. Darüber hinaus ist das zweite Stück weiterbildungsgemäß mindestens in axialer Richtung, optional auch in radialer Richtung, verschiebefest und um genau eine Drehachse drehbar gelagert. Auf diese Weise lässt sich die oben beschriebene verschiebefeste und drehbare Lagerung des zweiten Hohlrads realisieren.
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Die Zwischenwelle, insbesondere das zweite Stück der Zwischenwelle, kann mittels Kegelrollenlagern, Gleitlagern, Schrägkugellagern, Kreuzrollenlagern, Zylinderlagern oder mittels Kombinationen der genannten Lager gelagert werden. Bevorzugt wird insbesondere eine Lagerung mittels Kegelrollenlagern in O-Anordnung, da so eine besonders breite Lagerbasis möglich ist, die stabilisierend wirkt.
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Der Antrieb der Windkraftanlage erfolgt mittels eines im Wind stehenden Rotors. Dieser treibt bevorzugt auf das erste Hohlrad an. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist entsprechend eine Rotornabe drehfest mit dem ersten Hohlrad verbunden. Ein von dem Rotor aufgebrachtes Drehmoment fließt dann über die Rotornabe, zu dem ersten Hohlrad und von dort über die Planetenräder des ersten Planetenradsatzes zu dem ersten Sonnenrad, das über die Zwischenwelle das zweite Hohlrad antreibt. Das zweite Hohlrad wiederum treibt über die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes das zweite Sonnenrad an, das drehfest mit einer Ausgangswelle des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist. Diese Ausgangswelle kann drehfest mit einem Eingang einer weiteren Getriebestufe oder mit einer Eingangswelle eines Generators verbunden sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Dabei kennzeichnen übereinstimmende Bezugsziffern gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt
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1 ein Radsatzschema;
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2 eine Getriebevariante mit Kegelrollenlagern;
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3 eine Getriebevariante mit einem Axial- und einem Radiallager; und
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4 eine Getriebevariante ausschließlich mit Axiallagern.
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Das in 1 skizzierte Getriebe umfasst einen ersten Planetenradsatz 102 und einen zweiten Planetenradsatz 104. Der erste Planetenradsatz 102 weist ein erstes Hohlrad 106, Planetenräder 108, ein erstes Sonnenrad 110 und einen ersten Planetenträger 112 auf. Die Planetenräder 108 des ersten Planetenradsatzes 102 sind drehbar in dem ersten Planetenträger 112 gelagert.
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Der erste Planetenträger 112 wiederum ist so in einem Getriebegehäuse 114 fixiert, dass zwischen dem Getriebegehäuse 114 und dem ersten Planetenträger 112 keinerlei Relativbewegungen möglich sind. Der erste Planetenträger 112 ist also ortsfest in dem ortsfest angeordneten Getriebegehäuse 114 angeordnet.
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Der zweite Planetenradsatz 104 ist entsprechend aufgebaut. So weist er ein zweites Hohlrad 116, Planetenräder 118, ein zweites Sonnenrad 120 und einen zweiten Planetenträger 122 auf. Die Planetenräder 118 des zweiten Planetenradsatzes 104 sind drehbar in dem zweiten Planetenträger 122 gelagert.
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Wie der erste Planetenträger 112 ist auch der zweite Planetenträger 104 ortsfest angeordnet, d.h. so in dem Getriebegehäuse 114 fixiert, dass keinerlei Relativbewegungen zwischen dem zweiten Planetenträger und dem Getriebegehäuse 114 möglich sind.
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Der Antrieb erfolgt über eine Rotorwelle 124. Diese ist drehfest mit dem ersten Hohlrad 106 verbunden. Die Rotorwelle 124 treibt also das erste Hohlrad 106 ab.
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Die Planetenräder 108 des ersten Planetenradsatzes 102 kämmen mit dem ersten Hohlrad 106 und dem ersten Sonnenrad 110. Daher übertragen die Planetenräder 108 des ersten Planetenradsatzes 102 die Drehung des ersten Hohlrads 106 auf das erste Sonnenrad 110.
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Dieses wiederum ist über eine Zwischenwelle 126 drehfest mit dem zweiten Hohlrad 116 gekoppelt. Auf diese Weise erfolgt ein Antrieb des zweiten Hohlrads 116.
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Die Planetenräder 118 des zweiten Planetenradsatzes 104 kämmen mit dem zweiten Hohlrad 116 und dem zweiten Sonnenrad 120. Eine Drehung des zweiten Hohlrads 116 wird führt damit zu einer Drehung des zweiten Sonnenrads 120. Letzteres ist drehfest mit einer Ausgangswelle 128 verbunden.
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Mögliche Realisierungsformen des in 1 schematisch dargestellten Getriebeteils zeigen die 2 bis 4. Die Zwischenwelle 126 ist dabei jeweils zweistückig, mit einem ersten Teil 126a und einem zweiten Teil 126b, ausgeführt. Der erste Teil 126a und der zweite Teil 126b der Zwischenwelle 126 sind über eine Passverzahnung 202 miteinander verbunden.
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Diese Verbindung ist bei den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ausschließlich formschlüssig. So sind Fixierelemente 204 vorgesehen, um eine Verschiebung des ersten Teils 126a gegenüber dem zweiten Teil 126b der Zwischenwelle 126 zu verhindern.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel hingegen erfolgt die Fixierung des ersten Teils 126a gegenüber dem zweiten Teil 126b der Zwischenwelle 126 in axialer Richtung durch eine kraftschlüssige Verbindung innerhalb der Passverzahnung 202. Eine solche Verbindung lässt sich beispielsweise erzielen, indem der zweite Teil 126b der Zwischenwelle 126, insbesondere im Bereich der Passverzahnung 202, erhitzt und anschließend auf den ersten Teil 126a der Zwischenwelle 126 aufgeschrumpft wird.
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Gemäß 2 ist die Zwischenwelle 126 mittels genau zweier gegeneinander verspannter Kegelrollenlager 206 in dem ersten Planetenträger 112 gelagert. Die beiden Kegelrollenlager 206 ermöglichen eine Drehung der Zwischenwelle 126 um eine Drehachse 208. Weiterhin fixieren die Kegelrollenlager 206 die Zwischenwelle 126 gegenüber Verschiebungen in axialer und radialer Richtung.
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Einer Verkippung der Zwischenwelle 126 setzten die Kegelrollenlager 206 zwar einen gewissen Widerstand entgegen, allerdings ist dieser aufgrund der Anordnung der Kegelrollenlagers 206 vergleichsweise gering. Eine geringe Verkippung der Zwischenwelle 126 lassen die Kegelrollenlager 206 daher zu.
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Diese Verkippung geht mit einer elastischen Verformung des Materials des Kegelrollenlagers 206, des Planetenträgers 112 und der Zwischenwelle 126 einher. Insbesondere ist diese Verkippung ausreichend, um die aufgrund von Maßabweichungen auftretenden Radialbewegungen des ersten Sonnenrads 110 und des zweiten Hohlrads 114 auszugleichen.
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Entsprechend ist die Rotorwelle 124 mittels genau zweier Kegelrollenlager 206 um die Drehachse 208 drehbar in dem Getriebegehäuse 114 gelagert. Auf diese Weise kann die Rotorwelle 124 aufgrund von Maßabweichungen auftretende Radialbewegungen des ersten Hohlrads 116 ausgleichen.
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3 zeigt eine äquivalente Lagerung der Zwischenwelle 126 und der Rotorwelle 124 jeweils mittels dreier Lager. Ein erstes Axiallager 302a und ein zweites Axiallager 302b dienen dazu, die Zwischenwelle 126 gegenüber einer Verschiebung in axialer Richtung zu fixieren. Gegenüber einer Verschiebung in radialer Richtung wird die Zwischenwelle 126 von einem ersten Radiallager 304 fixiert.
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Analog zu den Kegelrollenlagern 206 setzen die Axiallager 302a und 302b und das Radiallager 304 einer Verkippung der Zwischenwelle 126 nur einen geringen Widerstand entgegen. Eine Verkippung der Zwischenwelle 126 geht dabei mit einer elastischen Verformung von Material einher.
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Die Rotorwelle 124 ist mittels eines dritten Axiallagers 306a und eines vierten Axiallagers 306b gegenüber einer Verschiebung in axialer Richtung fixiert. Ein zweites Radiallager 308 fixiert die Rotorwelle 124 gegenüber einer Verschiebung in radialer Richtung. Auch hier ist eine Verkippung der Rotorwelle 124 möglich, bei der es zu einer elastischen Materialverformung kommt.
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Die Rotorwelle 124 des in 4 dargestellten Getriebes ist auf gleiche Weise gelagert. Die Zwischenwelle 126 hingegen ist lediglich gegenüber einer Verschiebung in axialer Richtung mittels des ersten Axiallagers 302a und des zweiten Axiallagers 302b fixiert. Das erste Radiallager 304 hingegen fehlt. Dies hat zur Folge, dass die Zwischenwelle 126 in radialer Richtung verschoben werden kann. Zur Fixierung der Zwischenwelle 126 in radialer Richtung dienen ausschließlich das erste Sonnenrad 110 und das zweite Hohlrad 116. Bewegungen des ersten Sonnenrads 110 und des zweiten Hohlrads 116 in radialer Richtung kann die Zwischenwelle 126 daher nicht nur durch Verkippung, sondern auch durch radiale Verschiebung ausgleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 102
- erster Planetenradsatz
- 104
- zweiter Planetenradsatz
- 106
- erstes Hohlrad
- 108
- Planetenräder
- 110
- erstes Sonnenrad
- 112
- erster Planetenträger
- 114
- Getriebegehäuse
- 116
- zweites Hohlrad
- 118
- Planetenräder
- 120
- zweites Sonnenrad
- 122
- zweiter Planetenträger
- 124
- Rotorwelle
- 126
- Zwischenwelle
- 126a
- erster Teil der Zwischenwelle
- 126b
- zweiter Teil der Zwischenwelle
- 128
- Ausgangswelle
- 202
- Passverzahnung
- 204
- Fixierelemente
- 206
- Kegelrollenlager
- 208
- Drehachse
- 302a
- erstes Axiallager
- 302b
- zweites Axiallager
- 304
- erstes Radiallager
- 306a
- drittes Axiallager
- 306
- viertes Axiallager
- 308
- zweites Radiallager
