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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe, welches wenigstens:
- - einen Planetenträger,
- - einen Satz Planetenräder, dessen Planetenräder mit radialem Abstand zu einer axial ausgerichteten Zentralachse um die Zentralachse umfangsgerichtet verteilt sind,
- - Planetenlager, mit denen die Planetenräder um eine eigene Rotationsachse rotierbar an dem Planetenträger gelagert sind,
- - ein Sonnenrad, welches im Zahneingriff mit zumindest einem der Planetenräder steht,
- - einen Wellenabschnitt einer Welle, auf welchem eine mit einem Grundkörper des Sonnenrades verbundene Nabe sitzt, wobei aus dem Grundkörper wenigstens eine Verzahnung des Sonnenrades radial hervor steht,
- - einem radialen Ringsspalt, welcher radial zwischen dem hohlzylindrischen Grundkörper des Sonnenrades und der Welle ausgebildet ist,
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Hintergrund der Erfindung
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Die
DE 10 2009 016 329 A1 zeigt ein gattungsgemäßes Planetengetriebe. Das Planetengetriebe weist zwei Sätze Planetenräder auf. Die Planetenräder sind um eine eigene Rotationsachse rotierbar an einem Planetenträger gelagert. Die Planetenräder eines Satzes stehen jeweils im Zahneingriff mit einem Sonnenrad und einem Hohlrad. Eines der Sonnenräder ist an eine sogenannte Flexwelle angebunden. Eine Flexwelle der Gattung ist durch eine Welle, eine Nabe und eines der Sonnenräder gebildet (siehe dazu insbesondere
2a der
DE 10 2009 016 329A1 ). Das Sonnenrad ist rotationsfest mit der Nabe und die Nabe ist über eine Art Verzahnung rotationsfest mit einer Welle verbunden. Außerdem ist die Nabe axial am Wellenabschnitt gesichert. Das Sonnenrad weist einen hohlzylindrischen Grundkörper auf, von dem radial nach au-ßen eine Verzahnung für den Zahneingriff mit einem Satz Planetenräder abgeht. Eine Verlängerung des hohlzylindrischen Grundkörpers ist so mit der Nabe verbunden, dass sich der Grundkörper von der Nabe aus gesehen axial über einen Teil des Wellenabschnitts erstreckt und dabei ein radialer Ringsspalt zwischen dem Wellenabschnitt und dem Sonnenrad ausgebildet ist.
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Erhöhter Leistungsbedarf von Kraftfahrzeugen und anderen technischen Einrichtungen, beispielsweise Windkraftanlagen, führt zwangsläufig zu höheren zu übertragenden Drehmomenten. Erhöhter Materialeinsatz und damit größeres Gewicht der Getriebe sowie mit diesem verbundene höhere Herstellungskosten sind der Preis für die damit verbundenen erforderlichen Steifigkeiten in den Planetengetrieben. Die Zahnräder eines Planetengetriebes sind hohen Belastungen ausgesetzt, die folgerichtig gro-ße Zahnbreiten erfordern. Die Breitenlastverteilungen an den Verzahnungen und Axialkräfte der Schrägverzahnungen können problematisch sein. Die aus diesen resultierenden Verformungen der Planetenlagerungen und Planetenträger müssen durch verstärkte Bauweise in Grenzen gehalten werden.
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Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Kraftstoffökonomie sowie geringeren Schadstoffausstoßes ist die Leichtbauweise bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben ein Schwerpunkt. Zunehmender Leistungsbedarf sowie damit verbundene hohe Drehmomente und Leichtbauweise stehen sich also zunächst einmal entgegen. Deshalb stellt das Design von derartigen Getrieben eine Kompromisslösung zwischen Gewicht und Kraftstoffökonomie einerseits und ausreichenden Steifigkeiten andererseits dar. Unterschiedliche Steifigkeiten im System des Planetengetriebes führen zu unterschiedlichen Verkippungen und Torsionsverhalten der miteinander wirkenden Elemente des Planetengetriebes. Das führt zu Überlagerungen von Biegelinien, Einfederungen und Verwindungen der miteinander kommunizierenden Elemente des Planetengetriebes. Dies wirkt sich insbesondere auf den Zahnkontakt und das Übertragungsverhalten miteinander im Zahneingriff stehender Zahnräder des Planetengetriebes aus. Ungleichmäßiges Tragverhalten, ungleichmäßiger Verschleiß und im ungünstigsten Fall vorzeitiger Ausfall sind die Folgen. Ein bekanntes Mittel, mit dem das Tragverhalten im Zahneingriff zumindest teilweise verbessert werden kann, sind sogenannte Verzahnungskorrekturen. Verzahnungskorrekturen sind insbesondere in Planetengetrieben mit hoher Leistungsdichte ein probates Mittel zur teilweisen Korrektur der aus Verformungen resultierenden Verlagerungen im Zahnkontakt. Der Nachteil ist, dass derartige Korrekturen in der Regel nur in einen bestimmten Betriebszustand aber nicht in allen Lastkollektive wirken. Außerdem sind derartige Verzahnungskorrekturen relativ aufwendig und teuer, da durch Profil-und Breitenkorrekturen individuelle und vom Normprofil abweichende Verzahnungen hergestellt werden müssen.
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Mit dem Einsatz von Flexwellen liegen der Fachwelt z.B. die aus
DE 10 2009 016 329 A1 bekannten Mittel vor, mit denen die genannten Nachteile zumindest teilweise kompensiert werden können. Der Vorteil von derartigen Flexwellen liegt darin, dass diese einerseits einseitig eingespannt sind, also einen von ihrer Lagerstelle ausgehenden langen flexiblen Wellenabschnitt aufweisen. Andererseits wird die Nachgiebigkeit durch die flexible Anbindung des Sonnenrades an den Wellenabschnitt weiter verstärkt. Das Sonnenrad ist dazu nur einseitig über die Nabe an den Wellenabschnitt angebunden und abgestützt. Ansonsten ist zwischen dem Grundkörper des Sonnenrades und der Welle ausgehend der Nabe aus ein radialer Ringsspalt ausgebildet, innerhalb dessen Sonnenrad und Welle sich gegeneinander verlagern können.
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Die
DE 10 2016 221 708 A1 zeigt eine Getriebevorrichtung, zumindest ein Gehäuse und einen Planetentrieb aufweisend, wobei der Planetentrieb wenigstens aus einem um eine Zentralachse der Getriebevorrichtung drehbar in dem Gehäuse gelagerten Planetenträger und aus einem um die axial ausgerichtete Zentralachse rotierbaren Sonnenrad im Zahneingriff mit Planetenrädern gebildet ist, und wobei das Sonnenrad mit einem Axiallager richtungsgleich mit der Zentralachse axial an einem Bauteil der Getriebevorrichtung abgestützt ist.
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Die
DE 10 2016 216 783 A1 zeigt ein Umlaufrädergetriebe, mit einem zum Umlauf um eine Getriebeachse vorgesehenen Planetenträger, einer von dem Planetenträger getragenen Planetenanordnung, Planetenbolzen zur Lagerung der Planeten der Planetenanordnung derart, dass diese um Achsen drehbar sind, die zur Getriebeachse parallel ausgerichtet sind, und einer Radialwandung die einen einstückigen Bestandteil des Planetenträgers bildet, wobei die Radialwandung einen sich bezüglich der Getriebeachse über das Umfangsniveau der Planetenbolzen erhebenden Umfangsabschnitt aufweist, auf diesen Umfangsabschnitt ein Ringelement aufgesetzt ist, das Ringelement eine Außenverzahnung sowie eine Innenverzahnung aufweist, am Außenumfangsbereich der Radialwandung eine zur Innenverzahnung des Ringelementes komplementäre Außenverzahnung ausgebildet ist, das Ringelement axial auf diese Au-ßenverzahnung aufgeschoben ist, und durch ein federelastisch verformbares Halteglied axial auf der Radialwandung gesichert ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, Planetengetriebe in Leichtbauausführung und mit geringem Platzbedarf aber für hohe Leistungsdichte zu schaffen, die sich einfach und kostengünstig herstellen lassen.
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Das Planetengetriebe weist wenigstens ein Rotationslager auf. In dem Rotationslager sitzt die Nabe. Die Nabe ist radial an dem Planetenträger so abgestützt, dass entweder der Planetenträger relativ zum Sonnenrad oder das Sonnenrad relativ zu dem Planetenträger oder beide relativ zueinander um die Rotationsachse rotierbar radial aneinander gelagert und abgestützt sind.
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Das Sonnenrad ist einseitig über eine Nabe an einem Wellenabschnitt abgestützt. Das Sonnenrad ist ein Zahnrad mit einem Grundkörper und mit einer radialen Verzahnung. Der Grundkörper ist in seiner axialen Verlängerung mit einer Nabe versehen, so dass radial zwischen dem Grundkörper und sich einem dem Wellenabschnitt anschließenden Teilabschnitt der Welle ein radialer Ringsspalt ausgebildet ist. Durch die einseitige Abstützung ist der Grundkörper mit der Verzahnung einseitig hebelartig an der Nabe gelagert. Die Nabe sitzt fest auf dem Wellenabschnitt. Dadurch können das Sonnenrad und die Welle sich bei hoher Last im Rahmen des über den Ringsspalt gewährten Freiraums relativ elastisch gegeneinander bewegen.
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Das Rotationslager ist vorzugsweise ein Wälzlager, welches Wälzkörper aufweist und welches vorzugsweise Verkippungen von Wellenabschnitt und Nabe zulässt. Das Wälzlager ist vorzugsweise ein Kugellager und weist wahlweise einen Innenring und einen Außenring auf. Der Außenring ist mit einer Innenlaufbahn für die Wälzkörper versehen und sitzt im Planetenträger. Der Innenring ist mit einer Außenlaufbahn für die Wälzkörper versehen und sitzt außen auf einem Abschnitt der Nabe. Alternativ ist wahlweise die Innenlaufbahn direkt im Planetenträger ausgebildet und/oder die Au-ßenlaufbahn direkt an der Nabe.
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Der Wellenabschnitt und das Sonnenrad sind über die Nabe miteinander verbunden. Sie sind aufgrund der einseitigen Abstützung der Sonne am Wellenabschnitt im Rahmen der Abmessung des Ringsspalts jedoch elastisch gegeneinander beweglich. Die Erfindung sieht also vor, dass die Nabe mittels des Wälzlagers an dem Planetenträger gelagert ist. Da die Nabe fest auf dem Wellenabschnitt sitzt, ist auch der Wellenabschnitt und damit auch die Welle über die Nabe mit dem Wälzlager am Planetenträger gelagert. Die Nabe und das Sonnenrad umgeben in Wellenabschnitt, so dass sich eine fliegende Lagerung des Sonnenrades am Planetenträger ergibt. Von einer Seite in den Wellenabschnitt eingeleitete Drehmomente werden in dem Wellenabschnitt zunächst axial „unter dem Sonnenrad hindurch“ bis zur Nabe geleitet und von der Nabe aus in Richtung dieser einen Seite zurück in das Sonnenrad eingeleitet. Durch eine derartige Maßnahme wird erfindungsgemäß vorteilhaft das Torsionsverhalten des Sonnenrades gegenüber dem bekannten Stand der Technik fest auf einer Rotorwelle sitzenden Grundkörper geändert - auch wenn die Rotationsrichtung des Sonnenrades weiterhin der des Wellenabschnitts entspricht. Der Stand der Technik ist z.B. aus der nachfolgend beschriebenen
DE 11 2014 001 283 T5 bekannt. Weiterhin werden die Torsionsrichtungen des Trägers gewandelt. Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung kann also der Leistungsabgang am Planetengetriebe so gelegt werden, dass Sonnenrad und Planetenträger gleiche Verformungsrichtungen aufweisen und sich somit die Verzahnungen des Sonnenrades und der Planetenräder gegeneinander „gerade stellen“. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass sich durch diese „Umkehr“ der Richtung der Drehmomente an der Lagerstelle sich die Verformungen der miteinander wirkenden Elemente des Planetengetriebes negativ überlagern, d. h., sich gegenseitig zumindest teilweise aufheben. Damit können aufwändige Verzahnungskorrekturen, beispielsweise Korrekturen der Schrägungswinkel an schrägverzahnten Zahnrädern, vermieden werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Welle nach Art der Flexwelle fliegend, also auch nur einseitig abgestützt, mit dem Wälzlager gelagert ist. Das hat den Vorteil, dass einerseits die fliegend gelagerte Welle nicht jeden elastischen Verformungen des Sonnenrades und das Sonnenrad nicht jeden elastischen Verformungen der Welle folgen muss - also das Verformungsverhalten von Welle und Sonnenrad relativ zueinander im Rahmen der Verkippung im Wälzlager weitestgehend unabhängig voneinander ist. Andererseits kann jedoch die Welle aufgrund ihrer einseitigen Lagerung im Rahmen bestimmter Spiele ebenso wie das Sonnenrad beweglich ausgleichen.
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Die Welle ist beispielsweise Abtriebs- oder Antriebswelle bzw. Koppelwelle des Planetentriebs. Die Flexwelle weist eine Hauptachse auf, welche, wenn das Sonnenrad rotierbar im Planetengetriebe angeordnet ist, eine Rotationsachse ist.
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Ein Festsitz der Nabe auf dem Wellenabschnitt ist beispielsweise ein Presssitz oder eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung inklusive einer axialen Sicherung. Ein Wellenabschnitt ist der Abschnitt der Flexwelle oder Welle, auf dem die Nabe sitzt. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine elektromotorische Antriebseinheit mit einer elektrischen Maschine und mit einem erfindungsgemäßen Planetengetriebe vor. Die (Flex)Welle ist im dem Falle beispielsweise formschlüssig mit einer Rotorwelle der elektrischen Maschine verbunden. Die Getriebe von elektrischen Antriebseinheiten weisen eine hohe Leistungsdichte auf und müssen platzsparend sowie in Leichtbauweise ausgeführt sein. Ein Beispiel einer derartigen Antriebseinheit ist in
DE 11 2014 001 283 T5 offenbart. Ein Sonnenrad sitzt formschlüssig fest auf der Rotorwelle. Sonnenrad und Rotorwelle sind Eingangswelle eines zweistufigen Planetengetriebes. Die erste Stufe Planeten steht im Zahneingriff mit dem Sonnenrad und ist an einem Planetenträger gelagert. Der Planetenträger ist mit einem Schaft verlängert, auf dem ein Sonnenrad der zweiten Planetenstufe sitzt. Für die Leichtbauweise empfiehlt es sich, derartige Planetenträger aus Massiv- und Blechbauteilen zusammengesetzt auszubilden. Die Wangen des Planetenträgers können beispielsweise aus Blech geformt bzw. gestanzt werden. Derartige Bauteile sind jedoch relativ verwindungsweich. Die Anwendung eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes empfiehlt sich deshalb insbesondere in derartigen Antriebseinheiten.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- - 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Planetengetriebes 1 für eine ansonsten nicht weiter dargestellte elektromotorische Antriebseinheit in einem Längsschnitt entlang der Zentralachse 3 der elektromotorischen Antriebseinheit.
- - 2 zeigt in einer nicht maßstäblichen Einzelteildarstellung ein Sonnenrad 2 aus dem mit 1 dargestellten Planetengetriebe 1.
- - 3 zeigt das Detail Z nach 1 in einer nicht maßstäblichen vergrößerten Darstellung.
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Das in 1 dargestellte Planetengetriebe 1 weist einen mehrteiligen Planetenträger 4, einen Satz Planetenräder 5, Planetenlager 6, dass Sonnenrad 2, eine Welle 7 und ein Rotationslager 8 auf. Von den Planetenrädern 5 ist eines längsgeschnitten sichtbar und ein weiteres in einer Teilansicht abgebildet. Ein drittes Planetenrad 5 ist aufgrund der Schnittdarstellung des Planetengetriebes 1 nicht sichtbar. Jedes der Planetenräder 5 ist mit einem Planetenlager 6 um seine Rotationsachse 6a rotierbar an dem Planetenträger 4 gelagert. Die Rotationsachse 6a ist radial zur Zentralachse 3 beanstandet. Das jeweilige Planetenlager 6 besteht aus einem Planetenbolzen 6b und aus einem Wälzlager 6c. Die Planetenbolzen 6b sind linksseitig in einer Trägerwange 4a des Planetenträgers 4 und rechtsseitig in einem Trägerabschnitt 4b fest aufgenommen. Das jeweilige Planetenrad 5 ist über ein aus Rollen bzw. Nadeln gebildetes Wälzlager 6c auf dem Planetenbolzen 6b gelagert.
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Die Flexwelle 7 weist einen Wellenabschnitt 7a, eine trichterförmige Erweiterung 7b und das Sonnenrad 2 auf. Die Welle 7 ist hohlzylindrisch und einteilig mit der trichterförmigen Erweiterung 7b ausgebildet. Die trichterförmige Erweiterung 7b ist innen mit einer Kerbverzahnung 7c versehen, die in eine entsprechende Gegenverzahnung einer nicht dargestellten Rotorwelle einer nicht dargestellten elektrischen Maschine der elektromotorischen Antriebseinheit formschlüssig eingreift.
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2 - Das Sonnenrad 2 besteht aus einem Grundkörper 2a, einer Verzahnung 2b und aus einer Nabe 2c. Die Verzahnung 2b steht radial aus dem Grundkörper 2a hervor und ist als eine Schrägverzahnung ausgebildet. Der Grundkörper 2a ist hohlzylindrisch ausgebildet und mit der hohlzylindrischen Nabe 2c verbunden. Der Innendurchmesser des Grundkörpers 2a ist innen durch einen Innendurchmesser D1 und der Innendurchmesser der Nabe 2c innen durch einen Innendurchmesser D2 beschrieben. Der Innendurchmesser D1 am Grundkörper 2a ist größer als der Innendurchmesser D2 an der Nabe 2c, so dass sich im Inneren des Sonnenrades 2 eine Schulter 2d ergibt.
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1, 2 und 3 - Das Rotationslager 8 ist ein Wälzlager und besteht aus einem inneren Lagerring 8a, einem äußeren Lagerring 8b und aus Wälzkörpern 8c. Die Wälzkörper 8c sind Kugeln. Das Rotationslager 8 sitzt fest mit dem äußeren Lagerring 8b in dem Planetenträger 4. Die Nabe 2c sitzt mit ihrer Innenfläche 2e mit einem Presssitz 9 auf dem Wellenabschnitt 7a, der so breit ist, wie die Innenfläche 2e. Der innere Lagerring 8a sitzt mit einem Presssitz 10 auf der Nabe 2c, so dass der Wellenabschnitt 7a, die Presssitze 9 und 10 sowie die Lagerringe 8a und 8b konzentrisch zur Zentralachse 3 ineinander bzw. einander umgebend aneinander angeordnet sind. Die Welle 7 ist nach Art einer Flexwelle lediglich einseitig in dem Planetenträger 4 gelagert. Daraus ergibt sich das das Sonnenrad 2 und die Welle 7 fliegend an dem Planetenträger 4 gelagert sind. Zwischen dem Grundkörper 2a und der Welle 7 ist ein Ringsspalt 11 ausgebildet, innerhalb dessen das Sonnenrad 2 und die Welle 7 radial elastisch gegeneinander beweglich sind. Die radiale Höhe S des Ringsspalts 11 entspricht der radialen Abmessung der Schulter 2d.
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1 - Die Zentralachse 3 ist Rotationsachse der Welle 7. Links an der trichterförmigen Erweiterung 7b in die Welle 7 eingebrachte Drehmomente um die Rotationsachse werden über die Welle 7 und den Wellenabschnitt 7a der Welle 7 bis zur Nabe 2c geleitet und von dort an von rechts aus zurück nach links an den Grundkörper 2a und über die Verzahnung 2b weitergeleitet. Das Sonnenrad 2 steht im Zahneingriff mit den Planetenrädern 5.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetengetriebe
- 2
- Sonnenrad
- 2a
- Grundkörper
- 2b
- Verzahnung
- 2c
- Nabe
- 2d
- Schulter
- 2e
- Innenfläche
- 3
- Zentralachse
- 4
- Planetenträger
- 4a
- Trägerwange
- 4b
- Trägerabschnitt
- 5
- Planetenrad
- 6
- Planetenlager
- 6a
- Rotationsachse
- 6b
- Planetenbolzen
- 6c
- Wälzlager
- 7
- Welle
- 7a
- Wellenabschnitt
- 7b
- trichterförmige Erweiterung
- 7c
- Kerbverzahnung
- 8
- Rotationslager
- 8a
- innerer Lagerring
- 8b
- äußerer Lagerring
- 8c
- Wälzkörper
- 9
- Presssitz
- 10
- Presssitz
- 11
- Ringspalt
