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Die Erfindung betrifft ein Getriebe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie müssen beim Einspeisen der Energie in ein elektrisches Netz eine vorgegebene Frequenz der eingespeisten Spannung einhalten. Dies ist problematisch bei Strömungskraftanlagen, etwa Windkraftanlagen, bei denen ein Rotor aufgrund wechselnder Geschwindigkeiten eines strömenden Fluids mit veränderlicher Drehzahl rotiert. Gewöhnlich kommen daher Umrichter zum Einsatz.
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Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von CVT-Getrieben für Windkraftanlagen bekannt, um mittels einer variablen Übersetzung den Generator mit konstanter Drehzahl betreiben zu können. Dies ermöglicht es, den Umrichter entfallen zu lassen. Allerdings konnten sich CVT-Getriebe bisher nicht durchsetzen, da sie einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen.
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Aus der Druckschrift
WO 2008 149 109 A1 ist ein leistungsverzweigtes CVT-Getriebe zum Ausgleich von Drehzahlschwankungen einer Windkraftanlage bekannt. Als Summierungsstufe dient ein Planetensatz. Der Radsatz des Getriebes ist allerdings sehr komplex. Damit einher gehen zahlreiche Nachteile, wie etwa erhöhte Kosten, ein erhöhtes Getriebegewicht, ein verschlechterter Wirkungsgrad oder eine erhöhte Fehleranfälligkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Getriebe verfügbar zu machen. Das Getriebe soll insbesondere geeignet sein, in einer Strömungskraftanlage, etwa einer Windkraftanlage, eingesetzt zu werden. Insbesondere soll die Strömungskraftanlage einen guten Wirkungsgrad haben und ohne Umrichter betrieben werden können.
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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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Das Getriebe weist eine erste Welle, eine zweite Welle, eine dritte Welle, eine erste Getriebestufe und mindestens einen Variator auf.
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Unter einer Getriebestufe ist ein Bereich eines Getriebes zu verstehen. Dabei stehen jeweils zwei zu der Getriebestufe gehörige Getriebekomponenten – direkt oder über weitere zu der Getriebestufe gehörige Getriebekomponenten – derart miteinander in Wirkverbindung, dass ein axial, d.h. entlang einer Drehachse der jeweiligen Getriebekomponente ausgerichtetes Drehmoment übertragen werden kann.
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Ein Variator lässt sich definieren als eine Getriebestufe mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1, die ausgebildet ist, ein Übersetzungsverhältnis zwischen zwei Wellen stufenlos zu variieren. Insbesondere bildet der zeitliche Verlauf des Übersetzungsverhältnisses eine stetige Funktion. Verschiedene Ausführungsformen von Variatoren, etwa als Zugmittelgetriebe mit veränderlichen Abrollumfängen des Zugmittels, als hydrostatisches stufenloses Getriebe mit einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor oder als elektrisches Getriebe mit einem Generator und einem Motor, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Eine allgemeine Definition des Begriffs Getriebefreiheitsgrad, auch Getriebelaufgrad genannt, findet sich im
"Dubbel" (Karl-Heinrich Grothe, Jörg Feldhusen: "Dubbel".22. Auflage, 2007). Der Getriebefreiheitsgrad stimmt mit der Anzahl relativer Bewegungen überein, die vorgegeben werden müssen, damit die Bewegungen aller Glieder des Getriebes vollständig festgelegt sind. Dies entspricht der Anzahl relativer Bewegungen, die zu verhindern sind, um alle Glieder des Getriebes bewegungsunfähig zu machen.
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Eine Getriebestufe „koppelt Wellen mit einem Getriebefreiheitsgrad von n", bedeutet, dass die Getriebestufe ein Getriebe mit einem Getriebefreiheitsgrad von n bildet, und die Wellen jeweils zu der Getriebestufe gehören oder mit einem Glied der Getriebestufe drehfest verbunden sind.
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Sind – wie im Falle der vorliegenden Erfindung – drei Wellen mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2 gekoppelt, so sind eine erste Drehzahl einer beliebigen der drei Wellen und eine zweite Drehzahl einer beliebigen weiteren der drei Wellen frei wählbar. In Abhängigkeit von der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl ist die Drehzahl der verbleibenden der drei Welle eindeutig bestimmt. Sind zwei Wellen mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt, so ist entsprechend in Abhängigkeit von einer freiwählbaren Drehzahl einer beliebigen der zwei Wellen die Drehzahl der verbleibenden der zwei Wellen eindeutig bestimmt.
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Eine drehfeste Verbindung zwischen Wellen besteht genau dann, wenn keinerlei Relativbewegung zwischen den Wellen möglich ist. Die Wellen sind dabei mit einem Drehfreiheitsgrad von 1 gekoppelt.
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Die erste Welle und die zweite Welle des erfindungsgemäßen Getriebes sind mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt.
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Weiterhin koppelt die erste Getriebestufe die erste Welle, die zweite Welle und die dritte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2.
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Der Variator ist ausgebildet, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle zu variieren. Dazu koppelt der Variator die erste Welle und die zweite Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1
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Erfindungsgemäß sind in dem Getriebe mehrere Leistungspfade angelegt. Hierzu weist das Getriebe eine vierte Welle und eine zweite Getriebestufe auf. Die zweite Getriebestufe koppelt die zweite Welle, die dritte Welle und die vierte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2. Die vierte Welle eignet sich damit für eine Verwendung als Abtriebs- bzw. Ausgangswelle. Die erste Welle kann als Antriebs- bzw. Eingangswelle verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ermöglicht es einerseits, die Übersetzung zwischen der ersten Welle und der vierten Welle mittels des Variators in einem hinreichend großen Bereich zu variieren. Andererseits wird der Variator mit einer vergleichsweise geringen Leistung beaufschlagt. Dies minimiert die in dem Variator entstehende Verlustleistung. Weiterhin ist die Komplexität des erfindungsgemäßen Getriebes gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen stark reduziert.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Getriebestufe als Planetenstufe ausgebildet. Dabei ist die erste Welle drehfest mit einem Planetenträger eines Planetensatzes der ersten Getriebestufe verbunden. Mit einem Hohlrad dieses Planetensatzes ist die zweite Welle drehfest verbunden. Die dritte Welle ist drehfest mit einem Sonnenrad des Planetensatzes verbunden.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung ist auch die zweite Getriebestufe als Planetenstufe ausgebildet. Dabei ist die zweite Welle drehfest mit einem Hohlrad eines Planetensatzes der zweiten Getriebestufe verbunden. Die dritte Welle ist drehfest mit einem Planetenträger dieses Planetensatzes verbunden, die vierte Welle mit einem Sonnenrad des Planetensatzes.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Getriebe eine fünfte Welle auf. Diese kann drehfest mit der ersten Welle verbunden sein. Vorzugsweise dient aber eine dritte Getriebestufe dazu, die erste Welle und die fünfte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 zu koppeln. Dabei weicht das Drehzahlverhältnis zwischen der ersten Welle und der fünften Welle vorzugsweise von 1 ab. Die fünfte Welle und die zweite Welle wiederum sind mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt. Dies impliziert, dass auch die erste Welle und die zweite Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt sind.
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Die dritte Getriebestufe ist in einer bevorzugten Weiterbildung als Stirnradstufe mit einem ersten Stirnrad, einem zweiten Stirnrad, einem dritten Stirnrad und einem vierten Stirnrad ausgebildet. Das erste Stirnrad ist dabei drehfest mit der ersten Welle verbunden. Drehfest mit der fünften Welle verbunden ist das vierte Stirnrad. Das erste Stirnrad kämmt mit dem zweiten Stirnrad. Weiterhin kämmt das dritte Stirnrad mit dem vierten Stirnrad. Das zweite Stirnrad wiederum ist drehfest mit dem dritten Stirnrad, etwa mittels einer Welle, die beide Stirnräder verbindet, drehfest verbunden.
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Bevorzugt ist das Getriebe darüber hinaus mit einer sechsten Welle weitergebildet. Die sechste Welle kann drehfest mit der zweiten Welle verbunden sein. Vorzugsweise weist das Getriebe aber eine vierte Getriebestufe auf, welche die sechste Welle und die zweite Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt. Mit der ersten Welle ist die sechste Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt. Dies impliziert, dass auch die erste Welle und die zweite Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt sind.
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Bevorzugt ist die vierte Getriebestufe als Stirnradstufe mit einem ersten Stirnrad, einem zweiten Stirnrad, einem dritten Stirnrad und einem vierten Stirnrad weitergebildet. Die sechste Welle ist dabei drehfest mit dem ersten Stirnrad verbunden. Mit dem vierten Stirnrad ist die zweite Welle drehfest verbunden. Das erste Stirnrad der vierten Getriebestufe kämmt mit dem zweiten Stirnrad. Ebenso kämmt das dritte Stirnrad mit dem vierten Stirnrad. Zwischen dem zweiten Stirnrad und dem dritten Stirnrad besteht eine drehfeste Verbindung, etwa mittels einer Welle, auf der die beiden Stirnräder angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist die fünfte Welle als Eingangswelle und die sechste Welle als Ausgangswelle des Variators weitergebildet. Dies bedeutet, dass der Variator die fünfte Welle und die sechste Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt.
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Bevorzugte 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 Getriebeschema, und
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2 einen Radsatz.
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Das in 1 schematisch dargestellte Getriebe 101 weist eine erste Welle 103, eine zweite Welle 105, eine dritte Welle 107, eine erste Getriebestufe 109 und einen Variator 111 auf.
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Die erste Welle 103 ist als Antriebswelle ausgebildet.
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Die erste Welle 103 und die zweite Welle 105 realisieren zwei Leistungspfade, die mittels der ersten Getriebestufe 109, die als Summierungsstufe dient, zusammengeführt werden. Die erste Welle 103 und die zweite Welle 105 sind dabei mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt. Die erste Getriebestufe 109 wiederum koppelt die erste Welle 103, die zweite Welle 105 und die dritte Welle 107 mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2.
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Neben der ersten Getriebestufe 109 dient eine zweite Getriebestufe 113 als Summierungsstufe. Die zweite Getriebestufe 113 koppelt die zweite Welle 105, die dritte Welle 107 und eine vierte Welle 115 mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2. Infolgedessen besteht zwischen der ersten Welle 103 und der vierten Welle 115 ein Getriebefreiheitsgrad von 1.
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Die vierte Welle 115 ist entsprechend als Abtriebswelle ausgebildet.
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Mittels einer dritten Getriebestufe 117, einer fünften Welle 119 des Variators 111, einer sechsten Welle 121 und einer vierten Getriebestufe 123 sind die erste Welle 103 und die zweite Welle 105 verbunden. Die fünfte Welle 119 ist dabei als Eingangswelle des Variators 111 ausgebildet. Als Ausgangswelle des Variators 111 dient die sechste Welle 121. Somit koppelt der Variator die fünfte Welle 119 und die sechste Welle 121 mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1.
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Die dritte Getriebestufe 117 koppelt die erste Welle 103 und die fünfte Welle 119 mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1. Ebenso mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt die vierte Getriebestufe 123 die sechste Welle 121 und die zweite Welle 105.
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2 veranschaulicht eine mögliche Ausgestaltung der einzelnen Getriebestufen. So weist die erste Getriebestufe 109 einen Planetensatz mit einem Sonnenrad 201, einem Planetenträger 203, Planetenrädern 205 und einem Hohlrad 207 auf. Die drehbar in dem Planetenträger 203 gelagerten Planetenräder 205 kämmen mit dem Hohlrad 207 und dem Sonnenrad 201. Zwischen dem Planetenträger 203 und der ersten Welle 103 besteht eine drehfeste Verbindung. Weiterhin ist das Hohlrad 207 drehfest mit der zweiten Welle 105 verbunden. Das Sonnenrad 201 ist drehfest mit der dritten Welle 107 verbunden.
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Ähnlich aufgebaut ist die zweite Getriebestufe 113. Die zweite Getriebestufe 113 weist ein Sonnenrad 209, einen Planetenträger 211, Planetenräder 213 und ein Hohlrad 215 auf. Die drehbar in dem Planetenträger 211 gelagerten Planetenräder 213 kämmen mit dem Hohlrad 215 und dem Sonnenrad 209. Der Planetenträger 211 ist drehfest mit der zweiten Welle 107 verbunden. Durch die zweite Welle 107 besteht daher eine drehfeste Verbindung zwischen dem Sonnenrad 201 der ersten Getriebestufe 109 und dem Planetenträger 211 der zweiten Getriebestufe 113. Das Hohlrad 215 der zweiten Getriebestufe 113 ist drehfest mit der zweiten Welle 105 verbunden. Drehfest mit der vierten Welle 115 verbunden ist das Sonnenrad 209 der zweiten Getriebestufe 113.
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Die dritte Getriebestufe 117 umfasst ein erstes Stirnrad 217, ein zweites Stirnrad 219, ein drittes Stirnrad 221, ein viertes Stirnrad 223 und eine Zwischenwelle 225. Das erste Stirnrad 217 der dritten Getriebestufe 117 ist drehfest mit der ersten Welle 103 verbunden. Folglich besteht auch zwischen dem Stirnrad 217 und dem Planetenträger 203 der ersten Getriebestufe 109 eine drehfeste Verbindung. Drehfest mit der fünften Welle 119 verbunden ist das vierte Stirnrad 223 der dritten Getriebestufe 117. Das erste Stirnrad 217 der dritten Getriebestufe 117 kämmt mit dem zweiten Stirnrad 219. Das dritte Stirnrad 221 kämmt mit dem vierten Stirnrad 223. Weiterhin stellt die Zwischenwelle 225 der dritten Getriebestufe 217 eine drehfeste Verbindung zwischen dem zweiten Stirnrad 219 und dem dritten Stirnrad 221 her.
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Ähnlich ist die vierte Getriebestufe 123 aufgebaut. So umfasst die vierte Getriebestufe 123 ein erstes Stirnrad 227, ein zweites Stirnrad 229, ein drittes Stirnrad 231, ein viertes Stirnrad 233 und eine Zwischenwelle 235. Das erste Stirnrad 227 der vierten Getriebestufe 123 ist drehfest mit der sechsten Welle 121 verbunden. Das vierte Stirnrad 233 der vierten Getriebestufe 123 ist drehfest mit der zweiten Welle 105 verbunden. Zwischen dem zweiten Stirnrad 229 und dem dritten Stirnrad 231 der vierten Getriebestufe 123 stellt die Zwischenwelle 235 eine drehfeste Verbindung her. Weiterhin kämmt das erste Stirnrad 227 mit dem zweiten Stirnrad 229. Das dritte Stirnrad 231 kämmt mit dem vierten Stirnrad 233. (nach oben verschieben) Es besteht somit eine drehfeste Verbindung zwischen dem vierten Stirnrad 233 der vierten Getriebestufe 123, dem Hohlrad 207 der ersten Getriebestufe 109 und dem Hohlrad 215 der zweiten Getriebestufe 113.
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Die erste Welle 103 kann, wie in 2 dargestellt, als Antriebswelle dienen oder alternativ als Welle, der eine weitere Getriebestufe vorgeschaltet ist. Die vorgeschaltete Getriebestufe kann etwa als Planetensatz ausgebildet sein. Dabei ist das Sonnenrad drehfest mit der ersten Welle 103 verbunden. Eine Antriebswelle ist drehfest mit einem Planetenträger verbunden. Ein Hohlrad der vorgeschalteten Getriebestufe wiederum ist ortsfest, etwa durch Fixierung, in einem Getriebegehäuse. Planetenräder der vorgeschalteten Getriebestufe, die drehbar in dem Planetenträger gelagert sind, kämmen mit dem Hohlrad der vorgeschalteten Getriebestufe und mit deren Sonnenrad.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Getriebe
- 103
- erste Welle
- 105
- zweite Welle
- 107
- dritte Welle
- 109
- erste Getriebestufe
- 111
- Variator
- 113
- zweite Getriebestufe
- 115
- vierte Welle
- 117
- dritte Getriebestufe
- 119
- fünfte Welle
- 121
- sechste Welle
- 123
- vierte Getriebestufe
- 201
- Sonnenrad der ersten Getriebestufe
- 203
- Planetenträger der ersten Getriebestufe
- 205
- Planetenräder der ersten Getriebestufe
- 207
- Hohlrad der ersten Getriebestufe
- 209
- Sonnenrad der zweiten Getriebestufe
- 211
- Planetenträger der zweiten Getriebestufe
- 213
- Planetenräder der zweiten Getriebestufe
- 215
- Hohlrad der zweiten Getriebestufe
- 217
- erstes Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 219
- zweites Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 221
- drittes Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 223
- viertes Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 225
- Zwischenwelle der dritten Getriebestufe
- 227
- erstes Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 229
- zweites Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 231
- drittes Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 233
- viertes Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 235
- Zwischenwelle der vierten Getriebestufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Dubbel" (Karl-Heinrich Grothe, Jörg Feldhusen: "Dubbel".22. Auflage, 2007) [0010]
