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Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Bei schrägverzahnten Planetenrädern treten im Zahneingriff des Planetenrads mit einem Hohlrad und im Zahneingriff des Planetenrads mit einem Sonnenrad entgegengesetzt gerichtete axiale Kräfte auf. Diese bewirken ein Kippmoment auf das Planetenrad. Ist das Planetenrad gleitgelagert, kommt es aufgrund des Lagerspalts des Gleitlagers zu einer Schiefstellung. Zwar kann die Verzahnung des Planetenrads entsprechend korrigiert werden, allerdings ist die Verwendung herkömmlicher Axialgleitlager problematisch. Infolge der Schiefstellung des Planetenrads kommt es an den Kanten der Axialgleitlager zu Druckspitzen. Diese erzeugen Verschleißmarken und können zum frühzeitigen Ausfall des Lagers führen.
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Zur Lösung des beschriebenen Problems schlägt die Druckschrift
EP 2 383 480 A1 Axialgleitlager mit einer satteldachartigen Korrektur ihres Profilverlaufs vor. Die Korrektur soll eine Anpassung der Axialgleitlager an im Windkraftanlagenbetrieb auftretenden Verformungen von Planeten, Planetenachsen und Planetenträgern bewirken. Der satteldachartige Profilverlauf erfordert aber eine Ausrichtung der Axialgleitlager in Übereinstimmung mit den auftretenden Verformungen. Treten abweichende Verformungen auf, kommt es zu einer Fehlbelastung der Axialgleitlager. Darüber hinaus müssen die Axialgleitlager drehfest fixiert werden. Die konstruktive Ausgestaltung einer Verdrehsicherung ist je nach Aufbau der Planetenstufe sehr aufwändig oder sogar unmöglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit Anlaufscheiben gelagertes Zahnrad verfügbar zu machen, das die den aus dem Stand der Technik bekannten innewohnenden Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll die Belastbarkeit und Lebensdauer der Lagerung erhöht werden. Die Lösung soll sich zudem einfach und kostengünstig realisieren lassen.
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Eine erfindungsgemäße Lösung ist in Anspruch 1 angegeben. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Die Anordnung weist ein Zahnrad und eine erste Anlaufscheibe auf. Insbesondere kann es sich um ein schrägverzahntes Zahnrad handeln.
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Eine Anlaufscheibe ist eine Scheibe, die ein Axialgleitlager bildet. Gewöhnlich haben Anlaufscheiben eine flache, hohlzylindrische Grundform. Eine Lauffläche der Anlaufscheibe kann eben und kreisringförmig sein oder Axialkeilflächen (Tapered Lands) aufweisen.
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Das Zahnrad weist eine erste Gleitfläche auf, die mit der ersten Anlaufscheibe bzw. mit der Gleitfläche der ersten Anlaufscheibe ein Axialgleitlager bildet. Die erste Gleitfläche und die Gleitfläche der ersten Anlaufscheibe und damit das Zahnrad und die erste Anlaufscheibe sind also relativ zueinander verdrehbar. Zwischen der ersten Gleitfläche und der Gleitfläche der ersten Anlaufscheibe verläuft ein Lagerspalt, der vorzugsweise mit Schmierstoff gefüllt ist. Entlang des Lagerspalts gleiten die erste Gleitfläche und die Gleitfläche der ersten Anlaufscheibe aneinander ab. Über den Lagerspalt können Kräfte in axialer Richtung, d.h. parallel zu einer Drehachse des Zahnrads, übertragen werden. Das Zahnrad ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, bildet also die erste Gleitfläche vorzugsweise einstückig aus.
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Die Anordnung kann Teil einer Planetenstufe sein. In dem Fall bildet das Zahnrad ein Planetenrad, das mit einem Hohlrad und einem Sonnenrad kämmt und mittels der ersten Anlaufscheibe und gegebenenfalls einer zweiten Anlaufscheibe drehbar in einem Planetenträger gelagert ist. Eine solche Planetenstufe findet etwa im Getriebe einer Windkraftanlage Verwendung.
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Erfindungsgemäß verjüngt sich das Zahnrad in der ersten Gleitfläche radial nach außen hin, d.h. mit zunehmendem Abstand von einer Mittelachse des Zahnrads. Die Mittelachse des Zahnrads ist identisch mit einer Drehachse des Zahnrads im unbelasteten Zustand. Es handelt sich um die Symmetrieachse, um die ein Hüllkörper des Zahnrads drehsymmetrisch ist. Ein Hüllkörper ist ein Körper, der ein dreidimensionales Objekt umschließt. Es handelt sich um eine konvexe Approximation an die konvexe Hülle des Objekts.
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Durch die axiale Verjüngung des Zahnrads in der ersten Gleitfläche verläuft die erste Gleitfläche mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse weiter in Richtung des Zahnradinneren bzw. in Richtung der Zahnradmitte. Die Zahnradmitte ist identisch mit dem Masseschwerpunkt des Zahnrads. Ein Abstand zwischen einem beliebigen Punkt der ersten Gleitfläche, in dem eine zu der Mittelachse parallele Gerade die erste Gleitfläche schneidet zu einer radial, d.h. orthogonal zu der Mittelachse, ausgerichteten Ebene, die mittig durch das Zahnrad verläuft, wird mit zunehmendem Abstand der Geraden von der Mittelachse geringer. Entsprechend ist eine Funktion, die einen Abstand eines beliebigen Punkt der ersten Gleitfläche von der Mittelachse auf einen Abstand zwischen dem Punkt und der Ebene abbildet ist streng monoton fallend. Dies ist gleichbedeutend damit, dass ein Abstand eines beliebigen ersten Punkts der ersten Gleitfläche, in welchem eine zu der Mittelachse parallele erste Gerade die erste Gleitfläche schneidet, zu der Ebene größer ist als ein Abstand eines beliebigen zweiten Punkts der ersten Gleitfläche, in dem eine zu der Mittelachse parallele zweite Gerade die erste Gleitfläche schneidet, zu der Ebene, wobei ein Abstand der ersten Gerade von der Mittelachse geringer ist als ein Abstand der zweiten Gerade von der Mittelachse. Die Ebene verläuft mittig durch das Zahnrad, wenn sie durch das Zahnrad verläuft, d.h. das Zahnrad schneidet, nicht aber die erste Gleitfläche. Insbesondere kann die Ebene die Zahnradmitte schneiden.
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Vorzugsweise bildet eine erste von zwei Stirnflächen des Zahnrads die erste Gleitfläche. Die erste Gleitfläche verläuft dann mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse weiter in Richtung einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Zahnrads.
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Durch die erfindungsgemäße Verjüngung des Zahnrads lassen sich Belastungsspitzen am äußeren Rand der ersten Anlaufscheibe infolge einer Verkippung des Zahnrads vermeiden. Insbesondere ist es möglich, herkömmliche Anlaufscheiben zu verwenden, die zu der Mittelachse des Zahnrads rotationssymmetrisch sind. Eine formschlüssige drehfeste Fixierung der Anlaufscheiben ist nicht erforderlich.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Anordnung eine zweite Anlaufscheibe. Das Zahnrad weist eine zweite Gleitfläche auf, die mit der zweiten Anlaufscheibe ein Axialgleitlager bildet. Auch in der zweiten Gleitfläche verjüngt sich das Zahnrad mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse axial. Obige Ausführungen bezüglich der Verjüngung des Zahnrads in der ersten Gleitfläche gelten mutatis mutandis für die Verjüngung des Zahnrads in der zweiten Gleitfläche.
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Darüber hinaus verjüngen sich die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche axial mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse relativ zueinander. Ein Abstand zwischen einem Punkt der ersten Gleitfläche, in dem eine zu der Mittelachse parallele erste Gerade die erste Gleitfläche schneidet, und einem Punkt der zweiten Gleitfläche, in dem die erste Gerade die zweite Gleitfläche schneidet, ist größer als ein Abstand zwischen einem Punkt der ersten Gleitfläche, in dem eine zu der Mittelachse parallele zweite Gerade die erste Gleitfläche schneidet, und einem Punkt der zweiten Gleitfläche, in dem die zweite Gerade die zweite Gleitfläche schneidet, wobei ein Abstand der ersten Gerade von der Mittelachse geringer ist als ein Abstand der zweiten Gerade von der Mittelachse. Ein Abstand zwischen einem beliebigen Punkt der ersten Gleitfläche, in dem eine zu der Mittelachse parallele Gerade die erste Gleitfläche schneidet, und einem Punkt der zweiten Gleitfläche, in dem dieselbe Gerade die zweite Gleitfläche schneidet, wird mit zunehmendem Abstand der Geraden von der Mittelachse geringer.
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Die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche sind in einer bevorzugten Weiterbildung spiegelsymmetrisch zueinander. Insbesondere können die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche spiegelsymmetrisch zu einer radial, d.h. orthogonal zu der Mittelachse verlaufenden Ebene sein.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung sind die erste Gleitfläche und/oder die zweite Gleitfläche rotationssymmetrisch. Insbesondere können die erste Gleitfläche und/oder die zweite Gleitfläche rotationssymmetrisch zu der Mittelachse sein.
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Bevorzugt sind die erste Gleitfläche und/oder die zweite Gleitfläche konisch weitergebildet. Dies bedeutet, dass die erste Gleitfläche und/oder die zweite Gleitfläche die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfs haben. Dabei sind eine Mittelachse des Kegelstumpfs und die Mittelachse des Zahnrads identisch. Der Radius des Kegelstumpfs nimmt zur Zahnradmitte hin zu. Konische Gleitflächen erlauben es, das Tragverhalten der Gleitlager für eine singuläre Lastsituation zu optimieren. Dabei kommt es zu einem Linienkontakt zwischen den Gleitflächen und den Anlaufscheiben.
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Sind wechselnde Lastsituationen zu erwarten, sind die erste Gleitfläche und/oder die zweite Gleitfläche bevorzugt ballig weitergebildet. Dies bedeutet, dass die erste Gleitfläche und/oder die zweite Gleitfläche zur Zahnradmitte hin konvex gerundet sind. Ein Winkel, den eine Flächennormale der ersten Gleitfläche bzw. der zweiten Gleitfläche und die Mittelachse des Zahnrads einschließen, vergrößert sich mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Anlaufscheibe und/oder die zweite Anlaufscheibe jeweils eine kreisringförmige Gleitfläche auf. Insbesondere können die erste Anlaufscheibe und/oder die zweite Anlaufscheibe hohlzylindrisch geformt sein.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Planetenstufe;
- 2 eine Schnittdarstellung eines Planetenrads mit konischer Gleitfläche; und
- 3 eine Schnittdarstellung eines Planetenrads mit balliger Gleitfläche.
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Die in 1 dargestellte Planetenstufe 101 umfasst einen drehbar gelagerten Planetenträger 103, Planetenräder 105, ein in 1 nicht dargestelltes Sonnenrad und ein in 1 nicht dargestelltes Hohlrad. Die Planetenräder 105 sind drehbar in dem Planetenträger 103 gelagert und kämmen jeweils mit dem Hohlrad und/oder dem Sonnenrad.
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Jedes Planetenrad 105 ist mittels eines Radialgleitlagers 107 und zweier Anlaufscheiben 109 drehbar auf einem Planetenbolzen 111 gelagert, der in dem Planetenträger 103 fixiert ist. Die Anlaufscheiben 109 sind jeweils zwischen dem Planetenrad 105 und einer Wange des Planetenträgers 103 angeordnet, sodass sich das Planetenrad 105 über die Anlaufscheiben 109 axial gegen die Wange abstützen kann.
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Ist die Planetenstufe 101 schrägverzahnt, kommt es bei Belastung, wie in 1 dargestellt, zu einer Schiefstellung der Planetenräder 105. Insbesondere sind die Planetenräder 105 gegenüber den Anlaufscheiben 109 schiefgestellt. Bei herkömmlichen Planetenrädern, deren Stirnseiten ebene, kreisringförmige Laufflächen ausbilden, würde in den Axialgleitlagern infolgedessen eine hohe Kantenbelastung auftreten. Dies lässt sich durch abgeschrägte Laufflächen verhindern.
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Entsprechende Planetenräder 105 sind in den 2 und 3 dargestellt. Das in 2 dargestellte Planetenrad 105 weist konische Laufflächen 201 auf. Ein Schrägungswinkel 203 zwischen je einer Lauffläche 201 und einer radialen Bezugsfläche ist kleiner als 180°. Dadurch kommt ein Linienkontakt zwischen den Laufflächen 201 und jeweils einer Anlaufscheibe 109 zustande.
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Die Laufflächen 301 des in 3 dargestellten Planetenrads 105 weisen ebenso einen Neigungswinkel 203 auf. Allerdings haben die Laufflächen 301 im Gegensatz zu den Laufflächen 201 des in 2 dargestellten Planetenrads 105 keine gerade, sondern eine ballige Kontur. Durch die Balligkeit kommen die Laufflächen 301 und die Anlaufscheiben 109 nur punktuell miteinander in Kontakt. In solcher Punktkontakt ist beständig gegenüber lastbedingten Verkippungen des Planetenrads 105.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Planetenstufe
- 103
- Planetenträger
- 105
- Planetenrad
- 107
- Radialgleitlager
- 109
- Anlaufscheibe
- 201
- Lauffläche
- 203
- Schrägungswinkel
- 301
- Lauffläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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