DE102018106484A1

DE102018106484A1 - Getriebefan-Triebwerk und Keilwellenanordnung

Info

Publication number: DE102018106484A1
Application number: DE102018106484.5A
Authority: DE
Inventors: Christos KALLIANTERIS; Andreas Becker
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US20190292942A1; US10823004B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebefan-Triebwerk, das ein Planetengetriebe (100) aufweist, das eine Fanwelle (14) und eine Turbinenwelle (2) miteinander koppelt. Das Planetengetriebe (100) umfasst ein Sonnenrad (3), das von der Turbinenwelle (2) angetrieben wird. Die Turbinenwelle (2) und das Sonnenrad (3) bilden eine Keilwellenverbindung (7), die mit Öl geschmiert ist. Es sind Dichtmittel (9, 33) vorgesehen, die das Öl im Verzahnungsbereich (71) der Keilwellenverbindung abdichten. Die Dichtmittel weisen einen elastischen, in seinem Durchmesser variablen und nach außen spannenden Dichtungsring (9) auf, der in einer in Umfangsrichtung der Turbinenwelle (2) verlaufenden Nut (22) angeordnet ist, wobei der Dichtungsring (9) mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an einer inneren Umfangsfläche (32) des Sonnenrads (3) anliegt. Die Erfindung betrifft in weiteren Aspekten ein Verfahren zur Montage eines Planetengetriebes auf einer Turbinenwelle und eine Keilwellenanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebefan-Triebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Keilwellenanordnung.
Es ist bekannt, in einem Getriebefan-Triebwerk den Verzahnungsbereich einer Keilwellenverbindung zwischen Antriebswelle und Sonnenrad eines Planetengetriebes des Getriebefan-Triebwerks mit Öl zu schmieren. Hierbei ist es notwendig, einen ausreichenden Ölstand im Verzahnungsbereich sicherzustellen. Dafür ist es zum einen erforderlich, den Verzahnungsbereich durch Dichtungselemente abzudichten. Zum anderen ist es erforderlich, während des Betriebs Öl in den Verzahnungsbereich einzubringen. Ein weiteres Problem besteht darin sicherzustellen, dass die Dichtungselemente bei der Montage nicht beschädigt werden.
Aus der DE 10 2016 204 070 A1 ist eine Keilwellenverbindung bekannt, bei der ein Dichtungsring an dem einen Ende der Keilwellenverbindung in einer Dichtungsgehäusenut angeordnet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebefan-Triebwerk bereitzustellen, bei dem eine effektive Dichtung zur Sicherung eines ausreichenden Ölstands im Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung zwischen Antriebswelle und Sonnenrad vorliegt. Des Weiteren soll ein Verfahren bereitgestellt werden, mit dem ein Dichtring zur Abdichtung einer Keilwellenverbindung zuverlässig und ohne die Gefahr der Beschädigung montiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Getriebefan-Triebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Montage eines Planetengetriebes auf einer Turbinenwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und eine Keilwellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach betrachtet ein erster Erfindungsaspekt ein Getriebefan-Triebwerk, das eine Fanstufe, eine Fanwelle, über die die Fanstufe angetrieben wird, eine Turbinenwelle und ein Planetengetriebe aufweist, wobei das Planetengetriebe die Fanwelle und die Turbinenwelle miteinander koppelt. Dabei weist das Planetengetriebe ein Sonnenrad auf, das um eine Drehachse des Getriebefan-Triebwerks rotiert und von der Turbinenwelle angetrieben wird, wobei die Drehachse eine axiale Richtung des Getriebefan-Triebwerks definiert. Die axiale Richtung ist dabei dahingehend definiert, dass sie vom Fan zur Turbine des Triebwerks gerichtet ist. Die Turbinenwelle bildet eine Außenkeilverzahnung und das Sonnenrad eine Innenkeilverzahnung aus, wobei die Außenkeilverzahnung und die Innenkeilverzahnung eine Keilwellenverbindung von Turbinenwelle und Sonnenrad bilden. Die Keilwellenverbindung weist einen Verzahnungsbereich auf, der mit Öl geschmiert ist. Weiter sind Dichtmittel vorgesehen, die das Öl im Verzahnungsbereich gegen ein axiales Austreten abdichten.
Es ist vorgesehen, dass die Dichtmittel einen elastischen, in seinem Durchmesser variablen und nach außen spannenden Dichtungsring aufweisen, der in einer in Umfangsrichtung der Turbinenwelle verlaufenden Nut angeordnet ist. Dabei liegt der Dichtungsring mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an einer inneren Umfangsfläche des Sonnenrads an, die das Sonnenrad axial angrenzend an die bzw. seitlich zur Innenkeilverzahnung ausbildet.
Dass der Dichtungsring elastisch und dabei nach außen spannend ausgebildet ist bedeutet, dass die Elastizität des Dichtungsrings im eingebauten Zustand derart gegeben ist, dass der Dichtungsring das Bestreben hat, seinen Durchmesser zu vergrößern. Der natürliche Durchmesser des Dichtungsrings entspricht der Ursprungsform des Dichtungsrings, die der Dichtungsring einnimmt, wenn keine Kräfte auf ihn einwirken. Sofern der Dichtungsring einen gegenüber dem natürlichen Durchmesser kleineren Durchmesser einnimmt, erzeugt er eine Kraft auf das umgebende Element, welches ihn in den kleineren Durchmesser zwingt.
Der Dichtungsring besteht gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einem harten Material. Beispielsweise besteht der Dichtungsring aus Stahl, beispielsweise einem Stahl mit einer Vickershärte HV im Bereich 400 HV 10 bis 600 HV 10, oder aus einem Gussmaterial, z.B. Gusseisen. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung besteht der Dichtungsring aus einem harten Kunststoff, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus einem Polyamid-imid (PAI), z.B. Torion®. Dabei sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Kunststoff verschleiß- und alterungsbeständig ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Härte des Dichtungsrings geringer ist als die Härte des Materials, aus dem die Turbinenwelle und das Sonnenrad bzw. die Keilwellenverbindung gebildet sind. Durch die Verwendung eines Dichtungsrings aus einem harten Material wird eine lange Lebensdauer des Dichtungsrings ermöglicht. Dadurch werden Wartungszeiten und Kosten eingespart. Insbesondere wird durch die Verwendung eines Dichtungsrings aus einem harten Material verhindert, dass der Dichtungsring im Laufe der Zeit spröde wird und an Funktionalität verliert, im schlimmsten Fall sogar bricht. Sofern der Dichtungsring von Natur aus eine gewisse Sprödigkeit aufweist, erfolgt die Materialauswahl für den Dichtungsring derart, dass das Material im Laufe der Zeit nicht an Sprödigkeit zunimmt bzw. zu altern anfängt.
Die erfindungsgemäße Lösung erstellt eine Anordnung bereit, bei der aufgrund der elastischen und einen variablen Durchmesser aufweisenden Ausgestaltung des Dichtungsrings der Spalt, der sich in axialer Richtung neben dem Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung zwischen dem Sonnenrad und der Turbinenwelle erstreckt, sicher abgedichtet wird. Die elastische Ausbildung und nach außen gerichtete Spannung des Dichtungsrings stellt dabei sicher, dass der Dichtungsring an der angrenzenden Umfangsfläche des Sonnenrades unter Spannung und damit dicht anliegt. Gleichzeitig ermöglicht der elastisch und mit einem variablen Durchmesser versehene Dichtungsring eine vereinfachte Montage, da es möglich ist, den Dichtungsring während der Montage zu kleineren Durchmessern zusammenzudrücken, ohne den Ring dabei zu beschädigen.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Merkmal, dass der Dichtungsring in seinem Durchmesser variabel ist, eine inhärente Eigenschaft des Dichtungsrings darstellt. Dieses Merkmal ist nicht dahingehend zu verstehen, dass der Durchmesser des Dichtungsrings nach fertiger Montage im Getriebefan-Triebwerk noch veränderbar bzw. einstellbar wäre.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Dichtungsring zwei Enden aufweist, die aneinander angrenzen und dabei einander überlappen, wobei der Überlappungsgrad den Durchmesser des Dichtungsrings festlegt. Dies gilt unabhängig davon, ob man den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser des Dichtungsrings betrachtet. Die genannte Aussage gilt somit sowohl für den Innendurchmesser als auch für den Außendurchmesser. Dies gilt auch für weitere Aussagen im Hinblick auf den Durchmesser, sofern nicht zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser unterschieden wird.
Dabei sieht eine Ausgestaltung vor, dass die Enden des Dichtungsrings sich frei beweglich überlappen und dabei jeweils einen Fortsatz mit einer axialen Anlagefläche ausbilden, wobei die Fortsätze an ihren axialen Anlageflächen aneinander anliegen. Ein Anschlag oder dergleichen, der die Ausdehnung des Dichtungsrings begrenzt, ist bei dieser Ausgestaltung nicht vorgesehen.
Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Enden des Dichtungsrings einander überlappen und dabei jeweils einen Fortsatz mit einer axialen Anlagefläche und einem axialen Vorsprung ausbilden, wobei der Überlappungsgrad der Enden ein Maximum und ein Minimum aufweist, und wobei der minimale Überlappungsgrad durch die axialen Vorsprünge der beiden Fortsätze definiert ist, die bei dem minimalen Überlappungsgrad miteinander in Eingriff gelangen. Die Ausdehnung des Dichtungsrings wird bei dieser Ausgestaltung durch die genannten Vorsprünge somit begrenzt. Dabei ist bei dem maximalen Überlappungsgrad der Durchmesser des Dichtungsrings minimal und ist bei dem minimalen Überlappungsgrad der Durchmesser des Dichtungsrings maximal.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Dichtungsring und/oder die Nut derart ausgebildet sind, dass Öl durch einen radialen Spalt unter dem Dichtungsring in den Verzahnungsbereich eingebracht werden kann. Der radiale Spalt erstreckt sich dabei zwischen dem Dichtungsring und dem Boden bzw. der Fußkreisebene der Verzahnung der Turbinenwelle. Hierdurch ist es möglich, im Betrieb fortlaufend Öl dem Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung zuzuführen, sodass ein ausreichender Ölstand im Verzahnungsbereich stets gewährleistet ist.
Hierzu sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Dichtungsring an seiner radial inneren Umfangsfläche sich in radialer Richtung erstreckende konkave Einbuchtungen aufweist. Die Einbuchtungen sind beispielsweise bogenförmig ausgebildet und regelmäßig über den Innenumfang des Dichtungsrings verteilt. Die Einbuchtungen erlauben, dass durch den radialen Spalt, der sich zwischen den Einbuchtungen und der Turbinenwelle erstreckt, Öl in den Verzahnungsbereich eingebracht werden kann. Das Öl wird dabei beispielsweise aus seitlicher Richtung auf den Spalt gesprüht.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Nut, in der der Dichtungsring angeordnet ist, in einem Verlängerungsbereich der Außenkeilverzahnung der Turbinenwelle ausgebildet ist, der sich in axialer Richtung über den Verzahnungsbereich hinaus erstreckt. Die Außenkeilverzahnung der Turbinenwelle bildet gemäß dieser Ausgestaltung somit einen Bereich aus, der sich axial angrenzend an den Verzahnungsbereich erstreckt und insofern einen Verlängerungsbereich der Außenkeilverzahnung darstellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die in dem Verlängerungsbereich ausgebildete Nut, in der der Dichtungsring angeordnet ist, eine geringere radiale Tiefe aufweist als die Außenkeilverzahnung der Außenwelle. Auch hierdurch wird ein radialer Spalt unter dem Dichtungsring bereitgestellt, über den Öl in den Verzahnungsbereich eingebracht werden kann. Öl wird dabei beispielsweise aus seitlicher Richtung auf den Spalt gesprüht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Außenkeilverzahnung der Turbinenwelle in dem Verlängerungsbereich, in dem die Nut ausgebildet ist, nicht notwendigerweise die gleiche Verzahnung aufweist wie in dem Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Außenkeilverzahnung im Verlängerungsbereich eine geringere Anzahl von Zähnen ausbildet als im Verzahnungsbereich. Es müssen lediglich so viele Zähne vorgesehen sein, dass der Dichtungsring sicher axial in der Nut positioniert werden kann. Hierfür sind als Minimum drei Zähne ausreichend. Natürlich kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Verzahnung im Verlängerungsbereich in gleicher Weise ausgebildet ist wie im Verzahnungsbereich.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dichtmittel, die das Öl im Verzahnungsbereich gegen ein axiales Austreten abdichten, zusätzlich zu dem Dichtungsring ein weiteres Dichtelement aufweisen, das axial gegenüberliegend zu dem Dichtungsring und damit auf der axial vorderen Seite des Verzahnungsbereichs angeordnet oder ausgebildet ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das weitere Dichtelement durch einen einstückig mit dem Sonnenrad ausgebildeten oder an diesem befestigten weiteren Dichtungsring gebildet ist. Der weitere Dichtungsring ist dabei gemäß einer Ausgestaltung derart angeordnet und ausgebildet, dass er einen Spalt zur Turbinenwelle ausbildet, durch den Öl in axialer Richtung in den Verzahnungsbereich eingebracht werden kann. Gemäß dieser Ausgestaltung kann Öl von der axial vorderen Seite in den Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung eingebracht, beispielsweise eingesprüht werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht ein mit dem Dichtungsring zusammenwirkendes Mittel vor, das die Drehung des Dichtungsrings mit der Drehung der Turbinenwelle koppelt. Das genannte Mittel stellt sicher, dass der Dichtungsring sich im Einklang mit der Antriebswelle dreht bzw. in Umfangsrichtung an die Turbinenwelle gekoppelt ist.. Dies bedeutet insbesondere, dass bei einer Abschaltung der Turbine der Dichtungsring ebenfalls abgebremst und nicht aufgrund seiner Anlage an das Sonnenrad durch dieses weitergehend gedreht wird.
Das genannte Mittel ist gemäß einer Ausgestaltung durch einen mit der Turbinenwelle verbundenen Pin gebildet, der sich in radialer Richtung erstreckt und der eine entsprechende Öffnung im Dichtungsring durchgreift. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist das genannte Mittel durch eine axiale Verlängerung des Dichtungsrings gebildet, die in die Außenkeilverzahnung der Turbinenwelle eingreift. In beiden Fällen erfolgt über das genannte Mittel eine Kopplung des Dichtungsrings mit der Turbinenwelle.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Sonnenrad eine axial hintere, radial verlaufende Stirnseite aufweist und an der axial hinteren Stirnseite radial innen eine Fase ausbildet, die derart ausgerichtet und bemessen ist, dass bei einem Aufschieben des Sonnenrads auf die Turbinenwelle zu Montagezwecken der Dichtungsring an der Fase des Sonnenrads zur Anlage gelangt, der Dichtungsring durch die Form der Fase bei einem weiteren axialen Verschieben des Sonnenrads in radialer Richtung zusammengedrückt wird und schließlich unter Spannung mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an der inneren Umfangsfläche des Sonnenrads anliegt.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht durch das Zusammenwirken zum einen einer Fase an der einen Stirnseite des Sonnenrades und zum anderen des elastischen, in seinem Durchmesser variablen und nach außen spannenden Dichtungsrings eine effektive und sichere Montage und Platzierung des Dichtungsrings. Dabei wird der Dichtungsring während der Montagebewegung durch die Fase zusammengedrückt. Nach Abschluss der Montage liegt der Dichtungsring unter Spannung an der zugewandten Umfangsfläche des Sonnenrads an. Der variable Durchmesser des Dichtungsrings ermöglicht die Realisierung zweier Funktionen. Zum einen wird eine effektive Montage ermöglicht, bei der die Gefahr einer Beschädigung des Dichtungsrings minimiert ist und die „blind“ in dem Sinne erfolgen kann, dass eine optische Verfolgung des Dichtungsrings während der Montage nicht erforderlich ist. Zum anderen ermöglicht der variable Durchmesser des Dichtungsrings die Bereitstellung einer effektiven Dichtung, bei der der Dichtungsring dicht an der Gegenfläche (der zugewandten Umfangsfläche des Sonnenrads) anliegt.
Das Planetengetriebe des Getriebefan-Triebwerks kann als weitere Elemente aufweisen:

- eine Mehrzahl von Planetenrädern, die von dem Sonnenrad angetrieben werden,
- ein Hohlrad, mit dem die Mehrzahl von Planetenrädern in Eingriff steht, und
- eine Mehrzahl von Planetenstiften, wobei jeweils ein Planetenstift in einem Planetenrad angeordnet ist und der Planetenstift und das Planetenrad ein geschmiertes Lager bilden, wobei die Planetenstifte mit einem Drehmomentträger gekoppelt sind und der Drehmomentträger mit der Fanwelle gekoppelt ist.

Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Planetengetriebes auf einer Turbinenwelle zur Herstellung eines Getriebefan-Triebwerks gemäß Anspruch 1, wobei das Sonnenrad des Planetengetriebes in axialer Richtung auf die Turbinenwelle geschoben wird. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Platzieren des Dichtungsrings in der Nut der Turbinenwelle,
- Schieben des Sonnenrads in axialer Richtung auf die Turbinenwelle, wobei das Sonnenrad an seiner axialen hinteren Stirnseite eine Fase aufweist, die derart ausgerichtet und bemessen ist, dass bei dem axialen Verschieben des Sonnenrads der Dichtungsring an der Fase des Sonnenrads zur Anlage gelangt und der Dichtungsring durch die Form der Fase bei einem weiteren Verschieben des Sonnenrads in radialer Richtung zusammengedrückt wird, und
- der Dichtungsring in der fertigen Montageposition angrenzend an den Verzahnungsbereich mit Spannung an der inneren Umfangsfläche des Sonnenrads anliegt.

Wie bereits erläutert, ermöglicht dieser Erfindungsaspekt durch das Zusammenwirken zum einen einer Fase an der einen Stirnseite des Sonnenrades und zum anderen des elastischen, in seinem Durchmesser variablen und nach außen spannenden Dichtungsrings eine effektive und sichere Montage und Platzierung des Dichtungsrings, wobei der Dichtungsring während der Montagebewegung durch die Fase zusammengedrückt wird.
In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die Erfindung eine Keilwellenanordnung, die aufweist:

- eine Antriebswelle, die eine Außenkeilverzahnung aufweist,
- ein Abtriebselement, das eine Innenkeilverzahnung aufweist und von der Antriebswelle angetrieben wird, wobei
- die Außenkeilverzahnung und die Innenkeilverzahnung eine Keilwellenverbindung von Antriebswelle und Abtriebselement bilden,
- die Keilwellenverbindung einen Verzahnungsbereich aufweist, der mit Öl geschmiert ist, und
- Dichtmittel vorgesehen sind, die das Öl im Verzahnungsbereich gegen ein axiales Austreten abdichten.

Dabei ist vorgesehen, dass die Dichtmittel einen elastischen, in seinem Durchmesser variablen und nach außen spannenden Dichtungsring aufweisen, der mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an einer inneren Umfangsfläche des Abtriebselements anliegt.
Gemäß einer Ausgestaltung erstreckt sich die Außenkeilverzahnung der Antriebswelle axial über den Verzahnungsbereich hinaus und bildet dabei axial angrenzend zum (bzw. neben dem) Verzahnungsbereich einen Verlängerungsbereich der Außenkeilverzahnung. Der Dichtungsring ist in einer in Umfangsrichtung der Antriebswelle verlaufenden Nut angeordnet, wobei die Nut in dem Verlängerungsbereich in der Außenkeilverzahnung der Antriebswelle ausgebildet ist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Dichtungsring zwei Enden aufweist, die aneinander angrenzen und dabei einander überlappen, wobei der Überlappungsgrad den Durchmesser des Dichtungsrings festlegt, und/oder dass der Dichtungsring und/oder die Nut derart ausgebildet sind, dass Öl durch einen radialen Spalt unter dem Dichtungsring in den Verzahnungsbereich eingebracht werden kann. Weitere Ausgestaltungen der Keilwellenanordnung weisen Merkmale auf, die den in den Ansprüchen 3-16 angegebenen Merkmalen entsprechen.
Die erfindungsgemäße Keilwellenanordnung ist beispielsweise in einem Planetengetriebe ausgebildet, das beispielsweise Teil eines Getriebefan-Triebwerks ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung, soweit sie sich auf ein Flugtriebwerk bezieht, bezogen auf ein zylindrisches Koordinatensystem beschrieben ist, das die Koordinaten x, r und φ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und φ den Winkel in Umfangsrichtung an. Die axiale Richtung ist dabei durch die Drehachse des Planetengetriebes definiert, die identisch mit einer Maschinenachse eines Getriebefan-Triebwerks ist, in dem das Planetengetriebe angeordnet ist. Von der x-Achse ausgehend zeigt die radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie „vor“, „hinter“, „vordere“ und „hintere“ beziehen sich auf die axiale Richtung bzw. die Strömungsrichtung im Triebwerk, in dem das Planetengetriebe angeordnet ist. Begriffe wie „äußere“ oder „innere“ beziehen sich auf die radiale Richtung.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Getriebefan-Triebwerks, in dem die vorliegende Erfindung realisierbar ist;
2 eine Schnittdarstellung von Elementen eines Planetengetriebes, das zum Einsatz in einem Getriebefan-Triebwerk gemäß 1 geeignet ist;
3 in teilweise geschnittener Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Keilwellenverbindung zwischen einer Antriebswelle und einem Sonnenrad, wobei die Keilwellenverbindung einen elastischen, in seinem Durchmesser variablen Dichtungsring umfasst, der in einer in der Antriebswelle ausgebildeten Nut angeordnet ist;
4 die Keilwellenverbindung der 3 in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Ansicht;
5a ein erstes Ausführungsbeispiel des Dichtungsrings der 3 und 4;
5b das Detail A des Ausführungsbeispiels der 5a;
6a ein zweites Ausführungsbeispiel des Dichtungsrings der 3 und 4;
6b das Detail B des Ausführungsbeispiels der 6a;
7 ein drittes Ausführungsbeispiel des Dichtungsrings der 3 und 4, wobei der Dichtungsring an seinem Innenumfang Einbuchtungen aufweist;
8a einen ersten Verfahrensschritt zur Montage des Sonnenrads der 3 und 4 auf der Antriebswelle, wobei der Dichtungsring in einer Nut der Turbinenwelle platziert wird;
8b einen zweiten Verfahrensschritt zur Montage des Sonnenrads der 3 und 4 auf der Antriebswelle, wobei der Dichtungsring in Anlage an eine Fase an einer axialen hinteren Stirnseite des Sonnenrads gelangt;
8c einen dritten Verfahrensschritt zur Montage des Sonnenrads der 3 und 4 auf der Antriebswelle, wobei der Dichtungsring durch die Fase zusammengedrückt worden und in seiner Endposition angelangt ist;
9 schematisch das Einbringen von Öl von der axialen hinteren Seite in den Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung der 3 und 4, wobei das Öl durch einen unter dem Dichtungsring ausgebildeten Spalt eingebracht wird;
10 eine Ansicht von hinten der 9 im Bereich des Dichtungsrings, unter Darstellung des radialen Spalt zwischen dem Dichtungsring und der Antriebswelle;
10a eine Ansicht entsprechend der 10 unter Darstellung des radialen Spalt zwischen dem Dichtungsring und der Antriebswelle, wobei die Außenkeilverzahnung in einem Verlängerungsbereich eine reduzierte Anzahl von Zähnen ausbildet;
11 schematisch das Einbringen von Öl von der axialen vorderen Seite in den Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung der 3 und 4, wobei das Öl durch einen Spalt eingebracht wird, der zwischen einem mit dem Sonnenrad verbundenen, axial vorderen Dichtungsring und der Antriebswelle ausgebildet ist;
12 schematisch im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer Keilwellenverbindung zwischen einer Antriebswelle und einem Sonnenrad, bei der ein mit der Antriebswelle verbundener Pin vorgesehen ist, der den Dichtungsring mit der Antriebswelle koppelt;
13 schematisch die Anordnung von Pin und Dichtungsring der 12 in einer Ansicht von oben; und
14 schematisch im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer Keilwellenverbindung zwischen einer Antriebswelle und einem Sonnenrad, bei der der Dichtungsring eine axiale Verlängerung ausbildet, die in die Außenkeilverzahnung der Antriebswelle eingreift.

Die 1 zeigt ein Getriebefan-Triebwerk 10 mit einer Drehachse 11, das für eine Verwendung in Flugzeugen vorgesehen ist. In der Richtung der axialen Durchströmung weist das Getriebefan-Triebwerk 10 hintereinander einen Lufteinlauf 12, eine Fanstufe 13 (grundsätzlich sind auch mehr als eine Fanstufe 13 möglich), eine Fanwelle 14, ein Getriebe 100, einen Mitteldruckverdichter 15, einen Hochdruckverdichter 16, eine Verbrennungsvorrichtung 17, eine Hochdruckturbine 18, eine Mitteldruckturbine 19 und eine Düse 20 auf. Ein Fangehäuse 210 umgibt die Fanstufe 13 und definiert den Lufteinlauf 12.
Das Getriebefan-Triebwerk 10 arbeitet grundsätzlich in konventioneller Weise, wobei in den Lufteinlauf 12 eintretende Luft von der Fanstufe 13 beschleunigt wird. Dabei werden zwei Luftstrome erzeugt: Ein erster Strom tritt in den Mitteldruckverdichter 15 ein, ein zweiter Luftstrom fließt durch einen Nebenstromkanal 220, wobei der zweite Luftstrom den größten Anteil am Schub des Getriebefan-Triebwerks 10 liefert. Der Mitteldruckverdichter 15 verdichtet den eintretenden Luftstrom, bevor er in den Hochdruckverdichter 16 gelangt, in dem eine weitere Verdichtung erfolgt. Die verdichtete Luft, die aus dem Hochdruckverdichter 16 austritt, wird in die Verbrennungsvorrichtung 17 geführt, wo sie mit Brennstoff vermischt wird und die Mischung dann zur Verbrennung gebracht wird. Die heißen Verbrennungsgase werden in der Hochdruckturbine 18 und in der Mitteldruckturbine 19 entspannt, bevor sie durch die Düse 200 austreten und somit zusätzlichen Schub liefern.
Hinter dem Fanstufe 13 bildet das Getriebefan-Triebwerk 10 somit einen Nebenstromkanal 220 und einen Primärstromkanal aus. Der Primärstromkanal führt durch das Kerntriebwerk (Gasturbine), das den Mitteldruckverdichter 15, den Hochdruckverdichter 16, die Verbrennungsvorrichtung 17, die Hochdruckturbine 18 und die Mitteldruckturbine 19 umfasst. Der Nebenstromkanal 220 leitet im Betrieb des Getriebefan-Triebwerks 10 von der Fanstufe 13 angesaugte Luft am Kerntriebwerk vorbei.
Die Hochdruckturbine 18 und die Mitteldruckturbine 19 treiben über Wellenvorrichtungen jeweils den Hochdruckverdichter 16 und den Mitteldruckverdichter 15 an. Eine Mitteldruckwelle treibt die Fanstufe 13 über das Getriebe 100 an. Das Getriebe 100 ist dabei als Untersetzungsgetriebe ausgebildet, das die Drehzahl der Fanstufe 13 im Vergleich zum Mitteldruckverdichter 15 und zur Mitteldruckturbine 19 reduziert. Das Getriebe 100 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Planetengetriebe mit einem statischen Hohlrad 5 und umlaufenden Planetenrädern 4, die im Hohlrad 5 umlaufen. Der Antrieb des Getriebes 100 erfolgt über ein Sonnenrad 3, das mit der Mitteldruckwelle gekoppelt ist. Der Abtrieb erfolgt in der dargestellten Ausführungsform über einen Drehmomentträger 70, der mit den Planetenrädern 4 gekoppelt ist. Der Drehmomentträger 70 ist mit der Fanwelle 14 gekoppelt, die die Fanstufe 13 antreibt.
Grundsätzlich sind auch andere Ausführungsformen des Getriebes 100 möglich, wobei z.B. das Hohlrad 5 beweglich ausgebildet sein kann, so dass der Abtrieb über das Hohlrad 5 erfolgt.
Die Ausgestaltung des Getriebefan-Triebwerks 10 gemäß der 1 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Insbesondere die Anordnung der Wellen kann auch anders gewählt werden, wobei grundsätzlich Zwei- oder Dreiwellenanordnungen möglich sind. Beispielsweise kann alternativ eine Dreiwellenanordnung vorgesehen sein, die eine Niederdruckwelle, die die Niederdruckturbine mit dem Fan verbindet, eine Mitteldruckwelle, die die Mitteldruckturbine mit dem Mitteldruckverdichter verbindet, und eine Hochdruckwelle, die die Hochdruckturbine mit dem Hochdruckverdichter verbindet, umfasst. Dabei ist die Fanstufe 13 über ein Getriebe mit der Niederdruckwelle verbunden ist.
Die beschriebenen Komponenten besitzen mit der Drehachse 11 eine gemeinsame Rotations- bzw. Maschinenachse. Die Drehachse 11 definiert eine axiale Richtung des Triebwerks 10. Eine radiale Richtung des Triebwerks 10 verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Planetengetriebes 100 des Getriebefan-Triebwerks 10 der 1 in einer Schnittdarstellung. Das Planetengetriebe 100 umfasst ein Sonnenrad 3, das von einer Antriebswelle bzw. Sonnenwelle 2 angetrieben wird. Bei der Antriebswelle 2 handelt sich um die Mitteldruckwelle der 1 bzw. allgemein um eine Turbinenwelle. Das Sonnenrad 3 und die Antriebswelle 2 drehen sich dabei um die Drehachse 11. Die Drehachse des Planetengetriebes 100 ist identisch mit der Maschinenachse des Getriebefan-Triebwerks 10.
Das Planetengetriebe 100 umfasst des Weiteren eine Mehrzahl von Planetenrädern 4, von denen in der Schnittdarstellung der 2 eines dargestellt ist. Das Sonnenrad 3 treibt die Mehrzahl der Planetenräder 4 an, wobei eine Verzahnung des Sonnenrad 3 mit einer Verzahnung des Planetenrads 4 in Eingriff steht.
Das Planetenrad 4 ist hohlzylindrisch ausgebildet und bildet eine äußere Mantelfläche und eine innere Mantelfläche. Das Planetenrad 4 rotiert - angetrieben durch das Sonnenrad 3 - um eine Drehachse 111, die parallel zur Drehachse 11 verläuft. Die äußere Mantelfläche des Planetenrads 4 bildet eine Verzahnung aus, die mit der Verzahnung eines Hohlrads 5 in Eingriff steht. Das Hohlrad 5 ist feststehend, d. h. nichtrotierend angeordnet. Die Planetenräder 4 rotieren aufgrund ihrer Kopplung mit dem Sonnenrad 3 und wandern dabei entlang des Umfangs des Hohlrads 5. Die Rotation der Planetenräder 4 entlang des Umfangs des Hohlrads 5 und dabei um die Drehachse 111 ist langsamer als die Rotation der Antriebswelle 2, wodurch eine Untersetzung bereitgestellt wird.
Das Planetenrad 4 weist angrenzend an seine innere Mantelfläche eine zentrierte axiale Öffnung auf. In die Öffnung eingebracht ist ein Planetenstift 6, der auch selbst eine axiale Bohrung 60 aufweist, wobei der Planetenstift 6 und das Planetenrad 4 an ihren einander zugewandten Flächen ein Lager 65 bilden, beispielsweise ein Wälzlager oder ein Gleitlager.
Die 2 zeigt des Weiteren eine vordere Trägerplatte 81 und eine hintere Trägerplatte 82. Der Planetenstift 6 ist mit der vorderen Trägerplatte 81 und mit der hinteren Trägerplatte 82 befestigt, beispielsweise mit diesen verschraubt oder verschweißt. Beispielsweise ist die vordere Trägerplatte 81 mit einem Drehmomentträger 70 verbunden, der mit der Fanwelle gekoppelt ist.
Zur Schmierung des Lagers 65 zwischen Planetenstift 6 und das Planetenrad 4 ist eine Ölzuführeinrichtung vorgesehen, die einen Ölzuführungskanal 62 umfasst, über den Öl eines zirkulierenden Ölsystems in Schmierfilmöffnungen 61 im Planetenstift 6 geleitet wird.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Kopplung des Sonnenrad 3 mit der Antriebswelle 2 im Hinblick auf eine dazu realisierte Keilwellenverbindung 7 von Bedeutung.
Die 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Keilwellenverbindung 7 zur Kopplung einer Antriebswelle 2 mit einem Sonnenrad 3. Auch wenn die Erfindung beispielhaft anhand einer Keilwellenverbindung beschrieben wird, die eine Antriebswelle mit einem Sonnenrad eines Planetengetriebes koppelt, so sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in entsprechender Weise für beliebige Keilwellenanordnungen anwendbar, bei der eine Antriebswelle und ein Abtriebselement über eine Keilwellenverbindung miteinander verbunden werden.
Gemäß den 3 und 4 umfasst die Antriebswelle 2, die im dargestellten Kontext eine Turbinenwelle ist, eine Außenkeilverzahnung 21. In korrespondierender Weise umfasst das Sonnenrad 3 eine Innenkeilverzahnung 31. Die Außenkeilverzahnung 21 und die Innenkeilverzahnung 31 bilden eine Keilwellenverbindung 7. Die Keilwellenverbindung 7 umfasst einen Verzahnungsbereich 71, in dem die Keile bzw. Keilnuten der Innenkeilverzahnung und der Außenkeilverzahnung in Eingriff stehen. Der Verzahnungsbereich 71 ist mit Öl geschmiert. Damit das Öl den Verzahnungsbereich nicht axial verlassen kann, sind zwei Dichtungsringe 9, 33 vorgesehen, die den Verzahnungsbereich 71 axial abdichten.
Die Außenkeilverzahnung 21 der Antriebswelle 2 bildet zwei axial beabstandete Abschnitte bzw. Bereiche 211, 212 aus. Der erste Bereich 211 bildet zusammen mit der Innenkeilverzahnung 31 des Sonnenrads 3 den Verzahnungsbereich 71 der Keilwellenverbindung 7. Der zweite Bereich 212 erstreckt sich in axialer Richtung über den Verzahnungsbereich 71 hinaus und bildet dabei axial angrenzend an den Verzahnungsbereich 71 einen Verlängerungsbereich der Außenkeilverzahnung 21 aus.
In dem Bereich 212, der den Verlängerungsbereich bildet, ist eine Nut 22 ausgebildet, die in Umfangsrichtung der Antriebswelle 2 verläuft. In der Nut 22, und damit im Bereich des Bereichs 212, ist der eine Dichtungsring 9 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verzahnung im zweiten Bereich 212 identisch mit der Verzahnung im ersten Bereich 211, sind insbesondere die gleiche Anzahl von Zähnen in Umfangsrichtung vorgesehen. Dies ist allerdings nicht notwendigerweise der Fall. Grundsätzlich kann alternativ vorgesehen sein, dass die Verzahnung im zweiten Bereich 212 abweichend von der Verzahnung im ersten Bereich 211 ausgebildet ist, insbesondere eine geringere Anzahl von Zähnen aufweist. Hierdurch kann der fertigungstechnische Aufwand reduziert werden. Es sind dabei so viel Zähne im zweiten Bereich 212 erforderlich, dass die Nut 22 definiert und der Dichtungsring 9 axial sicher durch die Nut 22 positioniert ist. Ein Ausführungsbeispiel hierzu wird anhand der 10a erläutert.
Wie in Bezug auf die 5a, 5b, 6a, 6b noch näher erläutert werden wird, ist der Dichtungsring 9 elastisch und nach außen spannend ausgebildet, wobei der Dichtungsring 9 einen veränderbaren Durchmesser aufweist.
Der Dichtungsring 9 liegt mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an einer inneren Umfangsfläche 32 des Sonnenrads 3 an, die das Sonnenrad 3 axial angrenzend an die Innenkeilverzahnung 31 ausbildet. Aufgrund der Ausbildung des Dichtungsrings 9 als nach außen spannend liegt der Dichtungsring 9 dicht und mit einer radialen Kraft an der Umfangsfläche 32 des Sonnenrads 3 an.
In axialer Richtung vor dem Verzahnungsbereich 71 ist der weitere Dichtungsring 33 angeordnet. Dieser Dichtungsring 33 ist einstückig mit dem Sonnenrad 3 ausgebildet oder an diesem befestigt. Die beiden Dichtungsringe 9, 33 sichern einen ausreichend hohen Ölpegel im Verzahnungsbereich 71.
Die 3 und 4 zeigen des weiteren balgartige Auswölbungen der Antriebswelle 2, die dazu dienen, diese flexibel auszubilden.
Hinsichtlich der Montage der Keilwellenverbindung 7 ist zu beachten, dass bei der Montage das Planetengetriebe mit dem Sonnenrad 3 auf die Antriebswelle 2 aufgeschoben wird. Dies bedeutet, dass der Dichtungsring 9 bei der Montage nicht sichtbar und nach der Montage nicht überprüfbar ist. Um trotzdem eine sichere, exakte und schadensfreie Montage des Dichtungsrings 9 zu gewährleisten, weist das Sonnenrad 3 an seiner axial hinteren Stirnseite 34 radial innen eine Fase 35 auf, mit der der in seinem Durchmesser variable Dichtungsring 9 bei der Montage zusammenwirkt, wie anhand der 8a- 8c erläutert wird.
Die 5a, 5b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines in seinem Durchmesser veränderbaren Dichtungsrings 9. Der Dichtungsring 9 weist eine radial innere Umfangsfläche 91 und eine radial äußere Umfangsfläche 92 auf. Die radial äußere Umfangsfläche 92 grenzt wie erläutert an die innere Umfangsfläche 32 des Sonnenrads 3 an. Beide Umfangsflächen 91, 92 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise zylindrisch ausgebildet.
Um einen veränderbaren Durchmesser des Dichtungsrings 9 zu realisieren, bildet der Dichtungsring 9 eine Trennstelle und an dieser einen verschiebbaren Bereich A aus, der in der 5b in einer Ansicht von oben vergrößert dargestellt ist. Danach wird der verschiebbare Bereich A durch zwei Enden 93, 94 des Dichtungsrings 9 gebildet, die aneinander angrenzen und dabei einander überlappen, wobei der Überlappungsgrad den Durchmesser des Dichtungsrings festlegt. Je geringer der Überlappungsgrad, desto größer ist der Durchmesser des Dichtungsrings 9.
Zur Bereitstellung einer verschiebbaren Überlappung weist jedes Ende 93, 94 einen Fortsatz 931, 941 auf, der die Hälfte der Breite des Dichtungsrings 9 einnimmt. Jeder Fortsatz 931, 941 bildet dabei eine axiale Anlagefläche 932, 942 aus, die aneinander anliegen und entlang derer die Enden 93, 94 des Dichtungsrings 9 gegeneinander verschiebbar sind. Die 5b zeigt dabei die Situation, bei der der Überlappungsgrad maximal und dementsprechend der Durchmesser des Dichtungsrings 9 minimal ist. Bei dem maximalen Überlappungsgrad stoßen die Stirnseiten 933, 943 der Enden 93, 94 an das jeweils andere Ende 94, 93 an.
Der minimale Überlappungsgrad und maximale Durchmesser des Dichtungsrings 9 wird durch die Ursprungsform des Dichtungsrings 9 bestimmt, d. h. die Form, die der Dichtungsring einnimmt, wenn keine Kräfte auf ihn einwirken. Dabei wird diese Ursprungsform gemäß einer Ausgestaltung derart gewählt, dass sich die Fortsätze 931, 941 gerade noch geringfügig überlappen, so dass bei einem Einwirken von Kräften auf den Dichtungsring 9, die zu einer Reduzierung des Durchmessers des Dichtungsrings 9 führen, die Fortsätze 931, 941 entlang ihrer Anlageflächen 932, 942 in definierter Weise geführt werden. Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, dass die Fortsätze 931, 932 in der Ursprungsform in Umfangsrichtung beabstandet sind.
Der Dichtungsring 9 ist nach außen spannend ausgebildet, d. h. er versucht, seinen größten möglichen Durchmesser einzunehmen.
Die 6a, 6b zeigen eine alternative Ausgestaltung eines Dichtungsring 9, der ebenfalls eine Trennstelle aufweist und an dieser einen verschiebbaren Bereich B ausbildet. Der verschiebbare Bereich B ist in der 6b in einer Ansicht von oben vergrößert dargestellt. Die Ausgestaltung der 6a, 6b unterscheidet sich von der Ausgestaltung der 5a, 5b dadurch, dass an den Fortsätzen 931, 932 jeweils ein axialer Vorsprung 935, 945 ausgebildet ist, was dazu führt, dass eine minimale Überlappung und damit maximaler Durchmesser des Dichtungsrings 9 erreicht ist, wenn die axialen Vorsprünge 935, 945 miteinander in Eingriff gelangen. Bei dieser Ausgestaltung sind ein minimaler Durchmesser und ein maximaler Durchmesser des Dichtungsrings 9 definiert. Der Dichtungsring 9 ist dabei derart nach außen spannend ausgebildet, d.h. er versucht, den maximalen Durchmesser einzunehmen.
Die 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dichtungsring 9. Der Dichtungsring 9 zeichnet sich dadurch aus, dass er an seiner radial inneren Umfangsfläche 91 sich in radialer Richtung erstreckende konkave Einbuchtungen 96 aufweist. Die Einbuchtungen 96 sind beispielsweise bogenförmig ausgebildet und regelmäßig über den Innenumfang des Dichtungsrings 9 verteilt. Diese Einbuchtungen 96 stellen eine Möglichkeit dafür da, zwischen dem Dichtungsring 9 und der Antriebswelle Öl in den Verzahnungsbereich der Keilwellenverbindung zu transportieren, wie anhand der 9 und 10 erläutert wird. In der 7 ist die Variabilität des Durchmessers des Dichtungsrings 9 nicht gesondert dargestellt. Diese kann entsprechend der 5a, 5b, 6a, 6b ausgebildet sein.
Die 8a bis 8c zeigen das Verfahren zur Montage des Planetengetriebes bzw. des Sonnenrads 3 des Planetengetriebes auf der Antriebswelle 2. Dabei verhält es sich so, dass das Sonnenrad 3 in axialer Richtung auf die Antriebswelle 2 aufgeschoben wird.
Gemäß der 8a wird zunächst der Dichtungsring 9 in der Nut 22 platziert, die in dem Verlängerungsbereich 212 der Außenkeilverzahnung 21 ausgebildet ist. Im Folgenden wird gemäß der 8b das Sonnenrad in axialer Richtung auf die Antriebswelle 2 geschoben. Dabei gerät zum einen die Außenkeilverzahnung 21 der Antriebswelle 2 in Eingriff mit der Innenkeilverzahnung 31 des Sonnenrads 3. Zum anderen gelangt bei dem axialen Verschieben des Sonnenrads 3 der Dichtungsring 9 an die an der axial hinteren Stirnseite 34 radial innen ausgebildete Fase 35. Die Fase 35 ist dabei derart ausgerichtet und bemessen, d. h. weist eine solche radiale Höhe und Abschrägung auf, dass der Dichtungsring 9 durch die Form der Fase 35 bei einem weiteren Verschieben des Sonnenrads 3 in radialer Richtung zusammengedrückt wird.
8c zeigt den Dichtungsring 9 in der fertigen Montageposition, in der er mit Spannung an der inneren Umfangsfläche 32 des Sonnenrads 3 anliegt.
Durch die Wechselwirkung der Fase 35 mit dem elastisch und mit variablem Durchmesser ausgebildeten Dichtungsring 9 kann der Dichtungsring „blind“, d. h. ohne die Möglichkeit seiner optischen Beobachtung während der Montage sicher und ohne die Gefahr einer Beschädigung montiert werden. Gleichzeitig wird durch die Ausbildung des Dichtungsrings als nach außen spannend der Dichtungsring mit Kraft an die gegenüberliegende Fläche 32 des Sonnenrad 3 angelegt, so dass eine hochqualitative und zuverlässige Dichtungsfunktion realisiert wird.
Die 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Einbringen von Öl in den Verzahnungsbereich 71 der Keilwellenverbindung. Der grundlegende Aufbau entspricht dem der 3 und 4, auf die insofern Bezug genommen wird. Zusätzlich dargestellt ist in der 9 zum einen ein Ölpegel 8, der mit einer Höhe h zwischen dem axialen vorderen Dichtungsring 33 und dem axial hinteren Dichtungsring 9 im Verzahnungsbereich 71 ausgebildet ist. Da das Öl im Betrieb aufgrund der Zentrifugalkraft eine Kraft radial nach außen erfährt, ist der Ölpegel 8 angrenzend an das Sonnenrad 3 ausgebildet.
Der Ölpegel 8 darf nicht abfallen und muss daher fortlaufend oder zu definierten Zeitpunkten mit neuem Öl versehen werden. Dies erfolgt über einen Öljet 52, der über einen Applikator 50 von hinten, d. h. entgegen der axialen Richtung, auf einen radialen Spalt 55 gesprüht wird, der unter dem Dichtungsring 9 ausgebildet ist. Über diesen Spalt 55 gelangt das Öl in den Verzahnungsbereich 71, wie durch den dargestellten Pfeil schematisch dargestellt ist. Dies ist möglich, da sich die Außenkeilverzahnung durchgehend von der Nut 22 bis zum Verzahnungsbereich 71 erstreckt.
Die Ausbildung des Spalts 55 wird in Bezug auf die 10 näher erläutert. Diese zeigt in einer Ansicht von hinten von radial außen nach radial innen das Sonnenrad 3, den Dichtungsring 9, die Außenkeilverzahnung in ihrem Verlängerungsbereich 212 und die Antriebswelle 2. Zur Realisierung des Spalts 55 zwischen dem Dichtungsring 9 der Antriebswelle 2 können zwei Ausgestaltungen vorgesehen sein, die einzeln oder beide zusammen realisiert sein können.
Gemäß der ersten Ausgestaltung ist der Dichtungsring 9 entsprechend der 7 ausgebildet, d. h. er weist an seinem Innenumfang bogenförmige Einbuchtungen 96 aus. Diese Einbuchtungen 96 bilden oder vergrößern einen Spalt 551 zwischen dem Dichtungsring 9 und Antriebswelle 2 (bzw. zwischen dem Dichtungsring 9 und der Fußkreisebene der Außenkeilverzahnung 21 der Antriebswelle 2). Gemäß der zweiten Ausgestaltung weist die Nut 22 eine geringere radiale Tiefe auf als die Außenkeilverzahnung 21 der Antriebswelle 3. Dementsprechend ist, selbst wenn der Dichtungsring 9 vollständig in die Nut 22 eingesetzt ist, ein Spalt 552 zwischen der radial inneren Umfangsfläche 91 (vgl. 5a, 6a, 7) des Dichtungsrings 9 und der Fußkreisebene der Außenkeilverzahnung 71 vorhanden.
Der Spalt 55 der 9 setzt sich somit aus dem Spalt 551 und/oder dem Spalt 552 der 10 zusammen.
Die 10a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Außenkeilverzahnung in ihrem Verlängerungsbereich 212 abweichend von der Verzahnung im ersten Bereich 211 (vgl. 3 und 4) ausgebildet ist. So weist die Außenkeilverzahnung im Ausführungsbeispiel der 10a in ihrem Verlängerungsbereich 212 lediglich drei Zähne auf, die entlang des Umfangs regelmäßig verteilt sind. Einer der Zähne ist in der 10a dargestellt. Es sind dabei immer noch ausreichend Zähne vorhanden, dass die Nut 22 definiert und der Dichtungsring 9 axial sicher durch die Nut 22 positioniert ist.
Dabei weist ebenso wie beim Ausführungsbeispiel der 10 die Nut 22 eine geringere radiale Tiefe auf als die Außenkeilverzahnung der Antriebswelle 3. Dementsprechend ist, selbst wenn der Dichtungsring 9 vollständig in die Nut 22 eingesetzt ist, ein Spalt 552 zwischen der radial inneren Umfangsfläche 91 des Dichtungsrings 9 und der Fußkreisebene der Außenkeilverzahnung vorhanden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Dichtungsring 9 entsprechend der 7 an seinem Innenumfang 91 bogenförmige Einbuchtungen aufweist (in der 10a nicht gesondert dargestellt).
Die 11 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für das Einbringen von Öl in den Verzahnungsbereich 71 der Keilwellenverbindung. Anders als bei der 9 wird ein Öljet 53 zum Erhalt des Ölpegels 8 über einen Applikator 51 von vorne, d. h. in der axialen Richtung zugeführt. Der Öljet 53 wird dabei über einen Spalt 56 in den Verzahnungsbereich 71 eingebracht, der zwischen dem vorderen, mit dem Sonnenrad 3 verbundenen Dichtungsring 33 und der Antriebswelle 2 ausgebildet ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Dichtungsring 9 in Umfangsrichtung mit der Antriebswelle 2 gekoppelt ist, sodass diese die gleiche Drehgeschwindigkeit aufweisen. Ein erstes Ausführungsbeispiel hierzu zeigen die 12 und 13 Und ein zweites Ausführungsbeispiel hierzu zeigt die 14.
Danach ist gemäß den 12 und 13 ein Pin 27 mit der Antriebswelle 2 verbunden, der sich in radialer Richtung erstreckt und dabei eine Öffnung 98 durchgreift, die in dem Dichtungsring 9 ausgebildet ist. Hierdurch wird der Dichtungsring 9 zum einen bei einer Beschleunigung der Antriebswelle mit beschleunigt und zum anderen bei einem Abbremsen der Antriebswelle mit abgebremst. Eine Rotation des Dichtungsrings 9 relativ zur Antriebswelle 2 wird dagegen verhindert.
Die 14 sieht zur Realisierung einer solchen Funktionalität vor, dass der Dichtungsring 9 eine axiale Verlängerung 97 ausbildet, die in den Bereich 212 der Außenkeilverzahnung 21 eingreift, wodurch der Dichtungsring 9 in Umfangsrichtung und hinsichtlich seiner Drehbewegung mit der Antriebswelle 2 gekoppelt ist.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Beispielsweise ist die dargestellte Ausgestaltung des Dichtungselements 9 lediglich beispielhaft zu verstehen.
Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombiniert werden können. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016204070 A1 [0003]

Claims

Getriebefan-Triebwerk, das aufweist: - eine Fanstufe (13), - eine Fanwelle (14), über die die Fanstufe (13) angetrieben wird, - eine Turbinenwelle (2), und - ein Planetengetriebe (100), das die Fanwelle (14) und die Turbinenwelle (2) miteinander koppelt, wobei - das Planetengetriebe (100) ein Sonnenrad (3) aufweist, das um eine Drehachse (11) des Getriebefan-Triebwerks (100) rotiert und von der Turbinenwelle (2) angetrieben wird, wobei die Drehachse (11) eine axiale Richtung des Getriebefan-Triebwerks (10) definiert, - die Turbinenwelle (2) eine Außenkeilverzahnung (21) und das Sonnenrad (3) eine Innenkeilverzahnung (31) ausbilden und die Außenkeilverzahnung (21) und die Innenkeilverzahnung (31) eine Keilwellenverbindung (7) von Turbinenwelle (2) und Sonnenrad (3) bilden, - die Keilwellenverbindung (7) einen Verzahnungsbereich (71) aufweist, der mit Öl geschmiert ist, und - Dichtmittel (9, 33) vorgesehen sind, die das Öl im Verzahnungsbereich (71) gegen ein axiales Austreten abdichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmittel einen elastischen, in seinem Durchmesser variablen und nach außen spannenden Dichtungsring (9) aufweisen, der in einer in Umfangsrichtung der Turbinenwelle (2) verlaufenden Nut (22) angeordnet ist, wobei der Dichtungsring (9) mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an einer inneren Umfangsfläche (32) des Sonnenrads (3) anliegt.
Getriebefan-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (9) zwei Enden (93, 94) aufweist, die aneinander angrenzen und dabei einander überlappen, wobei der Überlappungsgrad den Durchmesser des Dichtungsrings (9) festlegt.
Getriebefan-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (93, 94) des Dichtungsrings (9) sich frei beweglich überlappen und dabei jeweils einen Fortsatz (931, 941) mit einer axialen Anlagefläche (932, 942) ausbilden, wobei die Fortsätze an ihren axialen Anlageflächen aneinander anliegen.
Getriebefan-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (93, 94) des Dichtungsrings (9) einander überlappen und dabei jeweils einen Fortsatz (931, 941) mit einer axialen Anlagefläche (932, 942) und einem axialen Vorsprung (935, 945) ausbilden, wobei der Überlappungsgrad der Enden (93, 94) ein Maximum und ein Minimum aufweist, und wobei der minimale Überlappungsgrad durch die axialen Vorsprünge (935, 945) der beiden Fortsätze (931, 941) definiert ist, die bei dem minimalen Überlappungsgrad miteinander in Eingriff gelangen.
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (9) und/oder die Nut (22) derart ausgebildet sind, dass Öl durch einen radialen Spalt (55) unter dem Dichtungsring (9) in den Verzahnungsbereich (71) eingebracht werden kann.
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (9) an seiner radial inneren Umfangsfläche (91) sich in radialer Richtung erstreckende konkave Einbuchtungen (96) aufweist.
Getriebefan-Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtungen (91) bogenförmig ausgebildet sind und regelmäßig über den Innenumfang des Dichtungsrings (9) verteilt sind.
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (22) in einem Verlängerungsbereich (212) der Außenkeilverzahnung (21) der Turbinenwelle (2) ausgebildet ist, der sich in axialer Richtung über den Verzahnungsbereich (71) hinaus erstreckt.
Getriebefan-Triebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Verlängerungsbereich (212) ausgebildete Nut (22), in der der Dichtungsring (9) angeordnet ist, eine geringere radiale Tiefe aufweist als die Außenkeilverzahnung (21) der Antriebswelle (2).
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmittel, die das Öl im Verzahnungsbereich (71) gegen ein axiales Austreten abdichten, zusätzlich zu dem Dichtungsring (9) ein weiteres Dichtelement (33) aufweisen, das axial gegenüberliegend zu dem Dichtungsring (9) auf der axial vorderen Seite des Verzahnungsbereichs (71) angeordnet oder ausgebildet ist.
Getriebefan-Triebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Dichtelement durch einen einstückig mit dem Sonnenrad (3) ausgebildeten oder an diesem befestigten weiteren Dichtungsring (33) gebildet ist, wobei der weitere Dichtungsring (33) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er einen Spalt (56) zur Turbinenwelle (2) ausbildet, durch den Öl in axialer Richtung in den Verzahnungsbereich (71) eingebracht werden kann.
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Dichtungsring (9) zusammenwirkendes Mittel (27, 97) vorgesehen ist, das die Drehung des Dichtungsrings (9) mit der Drehung der Turbinenwelle (2) koppelt.
Getriebefan-Triebwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel durch einen mit der Turbinenwelle verbundenen Pin (27) gebildet ist, der sich in radialer Richtung erstreckt und der eine entsprechende Öffnung (98) im Dichtungsring (9) durchgreift, oder dass das Mittel durch eine axiale Verlängerung (97) des Dichtungsrings (9) gebildet ist, die in die Außenkeilverzahnung (21) der Turbinenwelle (2) eingreift.
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring aus Stahl, aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus Polyamid-imid (PAI) besteht.
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (3) eine axial hintere, radial verlaufende Stirnseite (34) aufweist und an der axial hinteren Stirnseite (34) radial innen eine Fase (35) ausbildet, die derart ausgerichtet und bemessen ist, dass bei einem Aufschieben des Sonnenrads (3) auf die Turbinenwelle (2) zu Montagezwecken der Dichtungsring (9) an der Fase (35) des Sonnenrads (3) zur Anlage gelangt, der Dichtungsring (9) durch die Form der Fase (35) bei einem weiteren axialen Verschieben des Sonnenrads (3) in radialer Richtung zusammengedrückt wird und schließlich unter Spannung mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an der inneren Umfangsfläche (32) des Sonnenrads (3) anliegt.
Getriebefan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebefan-Triebwerk des Weiteren umfasst: - eine Mehrzahl von Planetenrädern (4), die von dem Sonnenrad (3) angetrieben werden, - ein Hohlrad (5), mit dem die Mehrzahl von Planetenrädern (4) in Eingriff steht, und - eine Mehrzahl von Planetenstiften (6), wobei jeweils ein Planetenstift (6) in einem Planetenrad (4) angeordnet ist und der Planetenstift (6) und das Planetenrad (4) ein geschmiertes Lager (65) bilden, wobei die Planetenstifte (6) mit einem Drehmomentträger (70) gekoppelt sind und der Drehmomentträger (70) mit der Fanwelle (14) gekoppelt ist.
Verfahren zur Montage eines Planetengetriebes (100) auf einer Turbinenwelle (2) zur Herstellung eines Getriebefan-Triebwerks gemäß Anspruch 1, wobei das Sonnenrad (3) des Planetengetriebes (100) in axialer Richtung auf die Turbinenwelle (2) geschoben wird, gekennzeichnet durch die Schritte: - Platzieren des Dichtungsrings (9) in der Nut (22) der Turbinenwelle (2), - Schieben des Sonnenrads (3) in axialer Richtung auf die Turbinenwelle (2), wobei das Sonnenrad (3) an seiner axialen hinteren Stirnseite (34) eine Fase (35) aufweist, die derart ausgerichtet und bemessen ist, dass bei dem axialen Verschieben des Sonnenrads (3) der Dichtungsring (9) an der Fase (35) des Sonnenrads (3) zur Anlage gelangt und der Dichtungsring (9) durch die Form der Fase (35) bei einem weiteren Verschieben des Sonnenrads (3) in radialer Richtung zusammengedrückt wird, und - der Dichtungsring (9) in der fertigen Montageposition angrenzend an den Verzahnungsbereich (71) mit Spannung an der inneren Umfangsfläche (32) des Sonnenrads (3) anliegt.
Keilwellenanordnung, die aufweist, - eine Antriebswelle (2), die eine Außenkeilverzahnung (21) aufweist, - ein Abtriebselement (3), das eine Innenkeilverzahnung (31) aufweist und von der Antriebswelle (2) angetrieben wird, wobei - die Außenkeilverzahnung (21) und die Innenkeilverzahnung (31) eine Keilwellenverbindung (7) von Antriebswelle (2) und Abtriebselement (3) bilden, - die Keilwellenverbindung (7) einen Verzahnungsbereich (71) aufweist, der mit Öl geschmiert ist, und - Dichtmittel (9, 33) vorgesehen sind, die das Öl im Verzahnungsbereich (71) gegen ein axiales Austreten abdichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmittel einen elastischen, in seinem Durchmesser variablen und nach außen spannenden Dichtungsring (9) aufweisen, der mit seiner radial äußeren Umfangsfläche an einer inneren Umfangsfläche (32) des Abtriebselements (3) anliegt.
Keilwellenanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkeilverzahnung (21) der Antriebswelle (2) sich axial über den Verzahnungsbereich (71) hinaus erstreckt und dabei axial angrenzend zum Verzahnungsbereich (71) einen Verlängerungsbereich (212) der Außenkeilverzahnung (21) bildet, der Dichtungsring (9) in einer in Umfangsrichtung der Antriebswelle (2) verlaufenden Nut (22) angeordnet und die Nut (22) in dem Verlängerungsbereich (212) in der Außenkeilverzahnung (21) der Antriebswelle (2) ausgebildet ist.
Keilwellenanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass - der Dichtungsring (9) zwei Enden (93, 94) aufweist, die aneinander angrenzen und dabei einander überlappen, wobei der Überlappungsgrad den Durchmesser des Dichtungsrings (9) festlegt, und - dass der Dichtungsring (9) und/oder die Nut (22) derart ausgebildet sind, dass Öl durch einen radialen Spalt (55) unter dem Dichtungsring (9) in den Verzahnungsbereich (71) eingebracht werden kann.