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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der Druckschrift
DE 199 63 597 A1 ist ein leistungsverzweigtes Getriebe für Windkraftanlagen bekannt. Eine Planetenstufe realisiert mittels zweier Planetenradsätze eine Leistungsverzweigung. Beide Stege der Planetenradsätze sind drehfest mit einer Eingangswelle verbunden. Weiterhin sind die Hohlräder der beiden Planetensätze ortsfest angeordnet. Die Sonnenräder der beiden Planetenradsätze treiben über eine Differenzialgetriebestufe eine Stirnradstufe an. Die Differenzialgetriebestufe dient dazu, einen durch die Parallelschaltung der beiden Planetenradsätze auftretende ungleiche Lastaufteilung auszugleichen.
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Die Parallelschaltung verbessert zwar die Belastbarkeit der beiden Planetenradstufen, allerdings ist mit der Differenzialgetriebestufe eine zusätzliche Getriebestufe notwendig. Insbesondere ist es nicht möglich, ohne Erweiterungen der Stirnradstufe höhere Übersetzungen zu erreichen.
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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 zu realisieren. Insbesondere soll die erzielbare Übersetzung vergrößert werden, ohne an anderer Stelle Nachteile hinnehmen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Getriebe für eine Windkraftanlage weist eine Planetenstufe und eine weitere Getriebestufe auf. Unter einer Planetenstufe ist gemäß VDI 21571 ein zusammengesetztes Planetengetriebe zu verstehen. Es handelt sich also um einen Bereich des Getriebes, der ausschließlich Planetensätze, Lager und Wellen aufweist.
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Bei einem Planetensatz handelt es sich gemäß VDI 21571 um ein einfaches Planetengetriebe. Insbesondere kann eine Planetenstufe ein Hohlrad, einen Steg, mehrere Planetenräder und ein Sonnenrad umfassen, wobei die Planetenräder drehbar in dem Steg gelagert sind und mit dem Hohlrad und/oder dem Sonnenrad kämmen. Bei dem Hohlrad handelt es sich um ein innenverzahntes Zahnrad, bei den Planetenrädern und dem Sonnenrad um außenverzahnte Zahnräder. Das Hohlrad, der Steg und das Sonnenrad sind koaxial angeordnet, weisen also eine gemeinsame Symmetrieachse auf.
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Alle Planetensätze einer Planetenstufe stehen miteinander in Wirkverbindung. Der Steg, das Hohlrad oder das Sonnenrad eines beliebigen Planetensatzes der Planetenstufe ist also über den Steg, das Hohlrad oder das Sonnenrad jedes anderen Planetensatzes der Planetenstufe antreibbar, wenn gegebenenfalls vorhandene Freiheitsgrade geeignet eingeschränkt werden. Eine derartige Wirkverbindung kommt zustande durch drehfeste Verbindungen zwischen einzelnen Stegen, Hohlrädern und Sonnenrädern der Planetensätze, etwa mittels Wellen.
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Bei der weiteren Getriebestufe handelt es sich vorzugsweise um eine Stirnradstufe. Analog zu einer Planetenstufe handelt es sich bei einer Stirnradstufe um einen Bereich des Getriebes, der ausschließlich Stirnradsätze, Lager und Wellen aufweist.
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Ein Stirnradsatz ist ein Paar von miteinander kämmenden Stirnrädern, die um jeweils eine ortsfeste Drehachse drehbar gelagert sind. Die Drehachsen der miteinander kämmenden Stirnräder eines Paars verlaufen vorzugsweise parallel zueinander.
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Die Stirnräder der Stirnradstufe stehen miteinander in Wirkverbindung. Das heißt, ein beliebiges Stirnrad der Stirnradstufe ist über jedes andere Stirnrad der Stirnradstufe antreibbar, wenn gegebenenfalls vorhandene Freiheitsgrade geeignet eingeschränkt werden. Eine derartige Wirkverbindung kommt zustande durch drehfeste Verbindungen zwischen einzelnen Stirnrädern, etwa mittels Wellen. Insbesondere können einzelne Stirnräder auf gemeinsamen Wellen angeordnet ein.
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Ein erstes Zahnrad der weiteren Getriebestufe, vorzugsweise ein erstes Stirnrad einer Stirnradstufe, des erfindungsgemäßen Getriebes ist drehfest mit einer ersten drehbaren Komponente der Planetenstufe verbunden. Entsprechend ist ein zweites Zahnrad der weiteren Getriebestufe, vorzugsweise ein zweites Stirnrad der Stirnradstufe, drehfest mit einer zweiten drehbaren Komponente der Planetenstufe verbunden.
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Eine drehbare Komponente bezeichnet eine Komponente, die gegenüber einem feststehenden Bezugssystem verdrehbar ist. Bei dem Bezugssystem kann es sich insbesondere um ein Gehäuse des Getriebes handeln.
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Ein Sonnenrad, ein Steg oder ein Hohlrad eines Planetensatzes der Planetenstufe bildet jeweils die erste Komponente und die zweite Komponente. Dabei können die erste Komponente und die zweite Komponente Bestandteile eines einzigen Planetensatzes sein oder zu unterschiedlichen Planetensätzen gehören.
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Eine Ein- oder Ausgangswelle der weiteren Getriebestufe, das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad sind mit einem Freiheitsgrad von 1 drehbar gekoppelt. Erfindungsgemäß sind weiterhin die Ein- oder Ausgangswelle der Planetenstufe, die erste Komponente und die zweite Komponente mit einem Freiheitsgrad von 2 drehbar gekoppelt. Auf diese Weise lässt sich innerhalb der Planetenstufe eine Leistungsverzweigung realisieren, während die Stirnradstufe als Summierungsstufe dient. Die von den Planetensätzen zu verkraftenden Drehmomente verringern sich infolgedessen.
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Bei der Aus- oder Eingangswelle der weiteren Getriebestufe handelt es sich vorzugsweise um eine Ausgangswelle, bei der Ein- oder Ausgangswelle der Planetenstufe um eine Eingangswelle.
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Unter einer Ausgangswelle ist eine angetriebene Welle zu verstehen. Die Ausgangswelle liegt im Drehmomentfluss und ist den übrigen im Drehmomentfluss liegenden Komponenten des Getriebes nachgeschaltet. Es findet ein Drehmomentfluss von diesen Komponenten zu der Ausgangswelle statt. Insbesondere kann die Ausgangswelle drehfest mit einer Eingangswelle eines Generators verbunden sein. Die Ausgangswelle ist also die drehbare Komponente eines Getriebes, die im Drehmomentfluss am weitesten generatorseitig liegt.
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Eine Eingangswelle ist entsprechend eine angetriebene Welle. Die Eingangswelle liegt im Drehmomentfluss und ist sämtlichen anderen im Drehmomentfluss liegenden Komponenten des Getriebes vorgeschaltet. Es findet ein Drehmomentfluss von der Eingangswelle zu diesen Komponenten statt. Insbesondere kann die Eingangswelle drehfest mit einem im Wind stehenden und durch den Wind angetriebenen Rotor der Windkraftanlage verbunden werden. Die Eingangswelle ist also die am weitesten rotorseitig angeordnete der drehbaren, im Drehmomentfluss liegenden Komponenten des Getriebes.
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Mit Freiheitsgrad wird in Fachkreisen die Zahl der unabhängig voneinander möglichen Bewegungen eines Systems bezeichnet. Der Freiheitsgrad beziehungsweise kinematische Freiheitsgrad bei einem Getriebe wird synonym auch als Laufgrad bezeichnet. Ein Getriebe mit einem kinematischen Freiheitsgrad von 1 ist zwangsläufig (Reuleaux, Franz: „Theoretische Kinematik". 1975). Im Falle der weiteren Getriebestufe bedeutet ein Freiheitsgrad von 1, dass die Aus- oder Eingangswelle der weiteren Getriebestufe mit einer beliebigen, insbesondere von 0 verschiedenen ersten Drehzahl betrieben werden kann. In Abhängigkeit von der ersten Drehzahl drehen sich das erste Zahnrad mit einer zweiten Drehzahl und das zweite Zahnrad mit einer dritten Drehzahl. Durch die erste Drehzahl sind die zweite Drehzahl und die dritte Drehzahl eindeutig bestimmt. Die zweite Drehzahl und die dritte Drehzahl sind also von keinem anderen Parameter abhängig, als von der ersten Drehzahl. Analog sind die erste Drehzahl und die dritte Drehzahl eindeutig durch die zweite Drehzahl bestimmt; die erste Drehzahl und die zweite Drehzahl sind durch die dritte Drehzahl eindeutig bestimmt.
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Bei einem Freiheitsgrad von 2 lassen sich zwei Komponenten unabhängig voneinander mit beliebiger Drehzahl drehen. Dreht sich also die Ein- oder Ausgangswelle der Planetenstufe mit einer beliebigen ersten Drehzahl, lässt sich eine zweite Drehzahl, mit der sich die erste Komponente dreht, beliebig wählen. Eine dritte Drehzahl, mit der sich die zweite Komponente dreht, ist dann eindeutig bestimmt. Alternativ lässt sich die dritte Drehzahl beliebig wählen, woraufhin die zweite Drehzahl eindeutig bestimmt ist. Werden die zweite Drehzahl und die dritte Drehzahl vorgegeben, ist die erste Drehzahl eindeutig bestimmt.
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Das Getriebe ist vorzugsweise derart weitergebildet, dass die Aus- oder Eingangswelle der weiteren Getriebestufe gegenüber dem ersten Zahnrad und gegenüber dem zweiten Zahnrad verdrehbar ist. Damit ist auch das erste Zahnrad gegenüber dem zweiten Zahnrad verdrehbar. Die Aus- oder Eingangswelle ist also weder mit dem ersten noch mit dem zweiten Zahnrad drehfest verbunden. Auch ist das erste Zahnrad nicht mit dem zweiten Zahnrad drehfest verbunden. Bevorzugt sind insbesondere die Aus- oder Eingangswelle der weiteren Getriebestufe, das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad auf unterschiedlichen Wellen angeordnet.
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Analog ist in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung die Ein- oder Ausgangswelle der Planetenstufe gegenüber der ersten Komponente und der zweiten Komponente verdrehbar. Weiterbildungsgemäß ist auch die erste Komponente gegenüber der zweiten Komponente verdrehbar.
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In darüber hinaus bevorzugten Weiterbildungen handelt es sich bei der ersten Komponente um ein Hohlrad und/oder bei der zweiten Komponente um ein Sonnenrad. Die Ein- oder Ausgangswelle der Planetenstufe kann dabei drehfest mit einem Steg verbunden sein.
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Bevorzug wird darüber hinaus eine Weiterbildung der weiteren Getriebestufe als Stirnradstufe. Bei dem ersten Zahnrad handelt es sich dann entsprechend um ein erstes Stirnrad, bei dem zweiten Zahnrad um ein zweites Stirnrad. Darüber hinaus weist die Stirnradstufe ein drittes Stirnrad, ein viertes Stirnrad und ein fünftes Stirnrad auf. Dabei sind das vierte Stirnrad und das fünfte Stirnrad drehfest miteinander verbunden. Insbesondere können das vierte Stirnrad und das fünfte Stirnrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Das erste Stirnrad kämmt mit dem vierten Stirnrad, das zweite Stirnrad mit dem dritten Stirnrad und das fünfte Stirnrad mit dem dritten Stirnrad.
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Eine drehfeste Verbindung des ersten Stirnrads mit einer als Hohlrad ausgestalteten ersten Komponente der Planetenstufe ist bevorzugt mittels eines einstückig ausgeführten, innen- und außenverzahnten Zahnrads ausgeführt. Dabei stellt die Innenverzahnung das Hohlrad dar. Die Außenverzahnung stellt entsprechend das erste Stirnrad dar.
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Das zweite Stirnrad ist vorzugsweise mit einer als Sonnenrad ausgeführten zweiten Komponente auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
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Für die Planetenstufe werden zwei alternative Weiterbildungen bevorzugt. In einer ersten der beiden Weiterbildungen weist die Planetenstufe einen ersten Planetensatz, einen zweiten Planetensatz und einen dritten Planetensatz auf. Dabei ist die Ein- oder Ausgangswelle der Planetenstufe drehfest mit einem Steg des ersten Planetensatzes verbunden. Ein Hohlrad des ersten Planetensatzes ist ortsfest angeordnet. Insbesondere kann das Hohlrad drehfest mit dem Gehäuse des Getriebes verbunden sein. Ein Sonnenrad des ersten Planetensatzes ist drehfest mit einem Steg des zweiten Planetensatzes verbunden. Ein Hohlrad des zweiten Planetensatzes ist drehfest mit dem ersten Zahnrad verbunden. Eine weitere drehfeste Verbindung besteht zwischen einem Sonnenrad des zweiten Planetensatzes und einem Steg des dritten Planetensatzes. Ein Hohlrad des dritten Planetensatzes ist ortsfest angeordnet, kann also drehfest mit dem Gehäuse des Getriebes verbunden sein. Schließlich ist ein Sonnenrad des dritten Planetensatzes drehfest mit dem zweiten Zahnrad verbunden.
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In einer zweiten der beiden Weiterbildungen weist die Planetenstufe ebenso einen ersten Planetensatz, einen zweiten Planetensatz und einen dritten Planetensatz auf. Die Ein- oder Ausgangswelle der Planetenstufe ist auch hier drehfest mit einem Steg des ersten Planetensatzes verbunden. Eine drehfeste Verbindung mit dem ersten Zahnrad besteht hingegen zu dem Hohlrad des ersten Planetensatzes. Ein Sonnenrad des ersten Planetensatzes ist wiederum drehfest mit einem Steg des zweiten Planetensatzes verbunden. Ortsfest angeordnet ist das Hohlrad des zweiten Planetensatzes. Dieses Hohlrad kann also drehfest mit dem Gehäuse des Getriebes verbunden sein. Ein Sonnenrad des zweiten Planetensatzes ist drehfest mit einem Steg des dritten Planetensatzes verbunden. Wie bei der ersten Weiterbildung ist das Hohlrad des dritten Planetensatzes ortsfest angeordnet. Ebenso ist ein Sonnenrad des dritten Planetensatzes drehfest mit dem zweiten Zahnrad verbunden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine erste Getriebevariante; und
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2 eine zweite Getriebevariante.
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Ein Getriebe 102 gemäß 1 weist eine vorgeschaltete Planetenstufe 104 und eine nachgeschaltete Stirnradstufe 106 auf.
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Die Planetenstufe 104 weist einen ersten Planetensatz 108, einen zweiten Planetensatz 110 und einen dritten Planetensatz 112 auf.
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Die Stirnradstufe 106 weist ein erstes Stirnrad 114, ein zweiten Stirnrad 116, ein drittes Stirnrad 118, ein viertes Stirnrad 120 und ein fünftes Stirnrad 122 auf.
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Eine Antriebswelle 124 kann drehfest mit einem im Wind stehenden Rotor einer Windkraftanlage verbunden werden. Die Antriebswelle 124 wird also direkt von dem Rotor angetrieben.
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Die Antriebswelle 124 ist drehfest mit einem zu dem ersten Planetensatz 108 gehörigen Steg 126 verbunden. Darüber hinaus weist der erste Planetensatz 108 Planetenräder 128 und ein Hohlrad 130 auf. Die Planetenräder 128 sind drehbar in dem Steg 126 gelagert.
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Der Steg 126 kann um eine zentrale Achse 132 gedreht werden. Bei einer Drehung des Stegs 126 bewegen sich folglich die Drehachsen der Planetenräder 128 auf Kreisbahnen um die zentrale Drehachse 132.
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Ebenso ist ein Sonnenrad 134 des ersten Planetensatzes 108 um die zentrale Drehachse 132 drehbar gelagert.
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Die Planetenräder 128 des ersten Planetensatzes 108 kämmen sowohl mit dem Hohlrad 130 als auch mit dem Sonnenrad 134 des ersten Planetensatzes 108.
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Das Sonnenrad 134 des ersten Planetensatzes 108 ist drehfest mit einem Steg 136 des zweiten Planetensatzes 110 verbunden. In diesem sind Planetenräder 138 des zweiten Planetensatzes 110 drehbar gelagert.
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Ein Hohlrad 140 des zweiten Planetensatzes 110 ist ebenso wie der Steg 136 und ein Sonnenrad 142 des zweiten Planetensatzes 110 drehbar um die zentrale Drehachse 132 gelagert. Bei einer Drehung des Stegs 136 bewegen sich die Drehachsen der Planetenräder 138 auf Kreisbahnen um die zentrale Drehachse 132.
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Die Planetenräder 138 des zweiten Planetensatzes 110 kämmen sowohl mit dem Hohlrad 140 des zweiten Planetensatzes 110 als auch mit dem Sonnenrad 142 des zweiten Planetensatzes 110.
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Das Hohlrad 140 des zweiten Planetensatzes 110 und das erste Stirnrad 114 sind einstückig ausgeführt. Ein einzelnes Stück bildet also sowohl das Hohlrad 140 des zweiten Planetensatzes 110 als auch das erste Stirnrad 114. Bei diesem Stück handelt es sich um ein ringförmiges Zahnrad mit einer Innenverzahnung, die das Hohlrad 140 ausbildet, und einer Außenverzahnung, die als Stirnrad 114 fungiert.
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Das Sonnenrad 142 des zweiten Planetensatzes 110 ist drehfest mit einem Steg 144 des dritten Planetensatzes 112 verbunden. Der dritte Planetensatz 112 weist darüber hinaus Planetenräder 146 auf, die drehbar in dem Steg 144 des dritten Planetensatzes 112 gelagert sind.
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Der Steg 144, das Sonnenrad 148 des dritten Planetensatzes 112 und das zweite Stirnrad 116 sind um die zentrale Drehachse 132 drehbar. Bei einer Drehung des Stegs 144 bewegen sich die Drehachsen der Planetenräder 146 auf Kreisbahnen um die zentrale Drehachse 132.
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Die Planetenräder 146 des dritten Planetensatzes 112 kämmen sowohl mit einem Hohlrad 150 des dritten Planetensatzes 112 als auch mit dem Sonnenrad 148 des dritten Planetensatzes 112.
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Das Hohlrad 130 des ersten Planetensatzes 108 und das Hohlrad 150 des dritten Planetensatzes 112 sind ortsfest in einem Getriebegehäuse 152 fixiert.
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Drehfeste Verbindungen bestehen zwischen dem Sonnenrad 148 des dritten Planetensatzes 112 und dem zweiten Stirnrad 116, zwischen dem vierten Stirnrad 120 und dem fünften Stirnrad 122 und zwischen dem dritten Stirnrad 118 und einem Rotor eines Generators 154. Zwischen dem dritten Stirnrad 118 und dem Generator 154 verläuft eine Abtriebswelle 156.
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Das in 2 dargestellte Getriebe 102 unterscheidet sich hinsichtlich der Wirkverbindung einzelner Komponenten. So ist statt des Hohlrads 130 des ersten Planetensatzes 108 das Hohlrad 140 des zweiten Planetensatzes 110 ortsfest in dem Getriebegehäuse 152 fixiert. Entsprechend sind das Hohlrad 130 des ersten Planetensatzes 108 und das erste Stirnrad 114 einstückig ausgebildet. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu 1.
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Bezugszeichenliste
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- 102
- Getriebe
- 104
- Planetenstufe
- 106
- Stirnradstufe
- 108
- erster Planetensatz
- 110
- zweiter Planetensatz
- 112
- dritter Planetensatz
- 114
- erstes Stirnrad
- 116
- zweites Stirnrad
- 118
- drittes Stirnrad
- 120
- viertes Stirnrad
- 122
- fünftes Stirnrad
- 124
- Antriebswelle
- 126
- Steg des ersten Planetensatzes
- 128
- Planetenräder des ersten Planetensatzes
- 130
- Hohlrad des ersten Planetensatzes
- 132
- Drehachse
- 134
- Sonnenrad des ersten Planetensatzes
- 136
- Steg des zweiten Planetensatzes
- 138
- Planetenräder
- 140
- Hohlrad des zweiten Planetensatzes
- 142
- Sonnenrad des zweiten Planetensatzes
- 144
- Steg des dritten Planetensatzes
- 146
- Planetenräder des dritten Planetensatzes
- 148
- Sonnenrad des dritten Planetensatzes
- 150
- Hohlrad des dritten Planetensatzes
- 152
- Getriebegehäuse
- 154
- Generator
- 156
- Abtriebswelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- VDI 21571 [0006]
- VDI 21571 [0007]
- Reuleaux, Franz: „Theoretische Kinematik“. 1975 [0019]
