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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 mit einer signifikanten Verschlechterung des Wirkungsgrads einhergehen.
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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. Ziel ist es, die Strömungskraftanlage bei verbessertem Wirkungsgrad ohne Umrichter betreiben zu können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Getriebe weist eine erste Welle, eine zweite Welle, eine dritte Welle, eine vierte Welle, eine fünfte Welle, eine sechste Welle, eine erste Getriebestufe, eine zweite Getriebestufe und 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 Drehzeit der verbleibenden der zwei Wellen eindeutig bestimmt.
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Die erste Getriebestufe des erfindungsgemäßen Getriebes koppelt die erste Welle, die zweite Welle und die dritte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2.
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Die dritte Welle und die vierte Welle sind mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt.
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Der Variator koppelt die vierte Welle und die fünfte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 und ist ausgebildet, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der vierten Welle und der fünften Welle zu variieren.
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Die fünfte Welle und die zweite Welle sind mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt.
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Die zweite Getriebestufe koppelt die zweite Welle, die dritte Welle und die sechste Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2. Bei der ersten Welle kann es sich insbesondere um eine Antriebswelle handeln, bei der sechsten Welle und eine Abtriebswelle.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ermöglicht es einerseits, die Übersetzung zwischen der ersten Welle und der sechsten Welle 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.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Getriebe eine dritte Getriebestufe auf. Diese koppelt die dritte Welle und die vierte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1. Insbesondere kann die dritte Getriebestufe die dritte Welle und die vierte Welle so koppeln, dass ein Übersetzungsverhältnis zwischen der dritten Welle und der vierten Welle von 1 abweicht, die dritte Welle und die vierte Welle also nicht drehfest miteinander verbunden sind.
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Eine drehfeste Verbindung der dritten Welle und der vierten Welle miteinander wird alternativ dazu ebenso bevorzugt.
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Analog zu der dritten Getriebestufe kann in einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform eine vierte Getriebestufe vorgesehen sein, welche die zweite Welle und die fünfte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt. Insbesondere ist es möglich, mittels der vierten Getriebestufe ein Übersetzungsverhältnis zwischen der zweiten Welle und der fünften Welle zu realisieren, das von 1 abweicht, so dass die zweite Welle und die fünfte Welle nicht drehfest miteinander verbunden sind.
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Eine alternativ zu der vierten Getriebestufe mögliche drehfeste Verbindung zwischen der fünften Welle und der zweiten Welle wird ebenso bevorzugt.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind die erste Getriebestufe und die zweite Getriebestufe als Planetenstufen realisiert, die dritte Getriebestufe und die vierte Getriebestufe als Stirnradstufen. Die erste Welle ist dann drehfest mit einem Planetenträger eines Planetensatzes der ersten Getriebestufe verbunden, die zweite Welle mit einem Sonnenrad und die dritte Welle mit einem Hohlrad dieses Planetensatzes. Weiterhin ist die zweite Welle drehfest mit einem Planetenträger eines Planetensatzes der zweiten Getriebestufe verbunden. Mit einem Hohlrad dieses Planetensatzes ist die dritte Welle drehfest verbunden, mit einem Sonnenrad desselben Planetensatzes die sechste Welle. Die dritte, als Stirnradstufe ausgebildete Getriebestufe weist ein erstes Stirnrad, ein zweites Stirnrad, ein drittes Stirnrad und ein viertes Stirnrad auf. Mit dem ersten Stirnrad ist die dritte Welle drehfest verbunden. Die vierte Welle ist drehfest mit dem vierten Stirnrad verbunden. Das erste Stirnrad der dritten Getriebestufe kämmt mit dem zweiten Stirnrad, das dritte Stirnrad mit dem vierten Stirnrad. Weiterhin sind das zweite Stirnrad der dritten Getriebestufe und das dritte Stirnrad drehfest miteinander verbunden. Das zweite Stirnrad und das dritte Stirnrad sind dazu bevorzugt auf einer gemeinsamen Zwischenwelle angeordnet. Die vierte, ebenso als Stirnradstufe ausgebildete Getriebestufe weist ein erstes Stirnrad, ein zweites Stirnrad, ein drittes Stirnrad und ein viertes Stirnrad auf. Die zweite Welle ist drehfest mit dem ersten Stirnrad der vierten Getriebestufe verbunden. Mit dem vierten Stirnrad der vierten Getriebestufe ist die fünfte Welle drehfest verbunden. Das erste Stirnrad und das zweite Stirnrad der vierten Getriebestufe kämmen miteinander. Ebenso kämmen das dritte Stirnrad und das vierte Stirnrad der vierten Getriebestufe miteinander. Zwischen dem zweiten Stirnrad und dem dritten Stirnrad der vierten Getriebestufe besteht eine drehfeste, etwa mittels einer gemeinsamen Zwischenwelle hergestellte, Verbindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Dabei kennzeichnen übereinstimmende Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt
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1 ein zweistufiges Getriebe mit einem Variator;
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2 eine Variante des Getriebes mit Stirnradstufen; und
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3 eine beispielhafte Ausgestaltung der einzelnen Getriebestufen.
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Das in 1 dargestellte Getriebe 101 weist eine erste Welle 103, eine zweite Welle 105, eine dritte Welle 107, eine vierte Welle 109, eine fünfte Welle 111, eine sechste Welle 113, eine erste Getriebestufe 115, eine zweite Getriebestufe 117 und einen Variator 119 auf.
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Die erste Welle 103 dient als Antriebswelle, die sechste Welle 113 als Abtriebswelle.
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Die erste Getriebestufe 115 koppelt die erste Welle 103, die zweite Welle 105 und die dritte Welle 107 mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2. Die zweite Welle 105 und die dritte Welle 107 verlaufen zwischen der ersten Getriebestufe 115 und der zweiten Getriebestufe 117.
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Ebenso mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2 koppelt die zweite Getriebestufe 117 die zweite Welle 105, die dritte Welle 107 und die sechste Welle 113.
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Der Variator 119 dient dazu, ein variables Drehzahlverhältnis zwischen der zweiten Welle 105 und der dritten Welle 107 festzulegen. Dazu sind die vierte Welle 109 mit der dritten Welle 107 und die fünfte Welle 111 mit der zweiten Welle 105 drehfest verbunden. Die vierte Welle 109 und die fünfte Welle 111 wiederum koppelt der Variator 119 mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1. Die vierte Welle 109 ist dabei als Eingangswelle des Variators 119 ausgebildet, die fünfte Welle 111 als dessen Ausgangswelle.
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Das Getriebe 101 gemäß 2 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Getriebe durch eine zusätzliche dritte Getriebestufe 201 und eine vierte Getriebestufe 203. Die dritte Getriebestufe 201 tritt an die Stelle der drehfesten Verbindung zwischen der dritten Welle 107 und der vierten Welle 109. Entsprechend ersetzt die vierte Getriebestufe 203 die drehfeste Verbindung zwischen der fünften Welle 111 und der zweiten Welle 105. Die beiden Getriebestufen 201, 203 realisieren zwischen der dritten Welle 107 und der vierten Welle 109 sowie zwischen der fünften Welle 111 und der zweiten Welle 105 jeweils ein von 1 abweichendes Drehzahlverhältnis.
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3 verdeutlicht eine mögliche Ausführung der vier Getriebestufen 115, 117, 201, 203. Die erste Welle 103 ist dabei drehfest mit einem Planetenträger 301 der ersten Getriebestufe 115 verbunden. In dem Planetenträger 301 sind Planetenräder 303 drehbar gelagert. Die Planetenräder 303 kämmen mit einem zu der ersten Getriebestufe 115 gehörigen Hohlrad 305 und einem ebenso zu der ersten Getriebestufe 115 gehörigen Sonnenrad 307. Das Hohlrad 305 ist drehfest mit der dritten Welle 107 verbunden. Das Sonnenrad 307 ist drehfest mit der zweiten Welle 105 verbunden.
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Auch die zweite Getriebestufe 117 ist als Planetensatz ausgebildet. So weist die zweite Getriebestufe 117 einen Planetenträger 309, in dem Planetenräder 311 drehbar gelagert sind, ein Hohlrad 313 und ein Sonnenrad 315 auf. Die Planetenräder 311 kämmen mit dem Hohlrad 313 und mit dem Sonnenrad 315. Wie auch das Hohlrad 305 der ersten Getriebestufe 115 ist das Hohlrad 313 der zweiten Getriebestufe 117 drehfest mit der dritten Welle 107 verbunden. Der Planetenträger 309 der zweiten Getriebestufe 117 ist ebenso wie das Sonnenrad 307 der ersten Getriebestufe 115 drehfest mit der zweiten Welle 105 verbunden. Das Sonnenrad 315 der zweiten Getriebestufe 117 ist drehfest mit der sechsten Welle 113 verbunden ist.
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Die dritte Getriebestufe 201 umfasst ein erstes Stirnrad 316, ein zweites Stirnrad 317, ein drittes Stirnrad 319, ein viertes Stirnrad 321 und eine Zwischenwelle 323. Das erste Stirnrad 315 der dritten Getriebestufe 201 kämmt mit dem zweiten Stirnrad 317 der dritten Getriebestufe 201. Ebenso kämmen das dritte Stirnrad 319 der zweiten Getriebestufe 201 und das vierte Stirnrad 321 der dritten Getriebestufe 201 miteinander. Die Zwischenwelle 323 der dritten Getriebestufe 201 verbindet das zweite Stirnrad 317 und das dritte Stirnrad 319 der dritten Getriebestufe 201 drehfest miteinander. Weiterhin ist das vierte Stirnrad 321 der dritten Getriebestufe 201 drehfest mit der vierten Welle 109 verbunden.
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Die vierte Getriebestufe 203 ist ähnlich aufgebaut wie die dritte Getriebestufe 201. So umfasst die vierte Getriebestufe 203 ein erstes Stirnrad 324, ein zweites Stirnrad 325, ein drittes Stirnrad 327, ein viertes Stirnrad 329 und eine Zwischenwelle 331. Das erste Stirnrad 324 der vierten Getriebestufe 203 ist drehfest mit der ersten Welle 105 verbunden. Somit besteht eine drehfeste Verbindung zwischen dem Sonnenrad 307 der ersten Getriebestufe 115, dem Planetenträger 309 der zweiten Getriebestufe 117 und dem ersten Stirnrad 323 der vierten Getriebestufe 203. Die Zwischenwelle 331 der vierten Getriebestufe 203 verbindet das zweite Stirnrad 325 und das dritte Stirnrad 327 der vierten Getriebestufe 203 drehfest miteinander. Das vierte Stirnrad 329 der vierten Getriebestufe 203 ist drehfest mit der fünften Welle 111 verbunden. Weiterhin kämmen das erste Stirnrad 324 und das zweite Stirnrad 325 der vierten Getriebestufe 203 sowie das dritte Stirnrad 327 und das vierte Stirnrad 329 der vierten Getriebestufe 203 miteinander.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Getriebe
- 103
- erste Welle
- 105
- zweite Welle
- 107
- dritte Welle
- 109
- vierte Welle
- 111
- fünfte Welle
- 113
- sechste Welle
- 115
- erste Getriebestufe
- 117
- zweite Getriebestufe
- 119
- Variator
- 201
- dritte Getriebestufe
- 203
- vierte Getriebestufe
- 301
- Planetenträger der der ersten Getriebestufe
- 303
- Planetenräder der ersten Getriebestufe
- 305
- Hohlrad der ersten Getriebestufe
- 307
- Sonnenrad der ersten Getriebestufe
- 309
- Planetenträger der zweiten Getriebestufe
- 311
- Planetenräder der zweiten Getriebestufe
- 313
- Hohlrad der zweiten Getriebestufe
- 315
- Sonnenrad der zweiten Getriebestufe
- 316
- erstes Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 317
- zweites Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 319
- drittes Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 321
- viertes Stirnrad der dritten Getriebestufe
- 323
- Zwischenwelle der dritten Getriebestufe
- 324
- erstes Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 325
- zweites Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 327
- drittes Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 329
- viertes Stirnrad der vierten Getriebestufe
- 331
- Zwischenwelle der vierten Getriebestufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Karl-Heinrich Grothe, Jörg Feldhusen: "Dubbel".22. Auflage, 2007 [0009]
