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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antrieb bewegbarer mechanischer
Komponenten, von denen mindestens zwei in Wirkverbindung derart miteinander
stehen, dass mittels der einen Komponente die andere Komponente
antreibbar ist, wobei zwischen den genannten beiden Komponenten
ein Spiel besteht.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen
wie sie auf dem Markt in einer Vielzahl von Ausführungsformen erhältlich sind,
sind unter anderem als Drehantriebe konzipiert, zwecks drehender
oder schwenkender Einstellung einer Arbeitsgerätschaft in Bezug auf eine definierte
Arbeitsrichtung. Häufig
kommen dabei mechanische Komponenten oder Maschinenelemente zum
Einsatz, in der Art von Zahnkranz und Ritzel zur Übertragung
von Antriebsleistungen für
den vorstehend genannten Dreh- oder Schwenkvorgang, wobei sich dahingehende
Zahnradantriebe besonders dann gut eignen, wenn große Übersetzungsverhältnisse
zu realisieren sind. Bei dieser bewährten Antriebstechnik lassen
sich Verluste bei der Energie- oder Kraftübertragung gering halten und
eine große wirtschaftliche
Bedeutung haben dahingehende Antriebe bei Kränen und Baggern erhalten, sowie
in jüngster
Zeit innerhalb von sogenannten Azimutantrieben bei Windenergieanlagen,
wobei Teile des Azimutantriebes dem Schwenken des Rotorkopfes mit seinen
Ro torblättern
dienen, um dergestalt wechselnden Windrichtungen nachzufolgen, um
mittels der Windenergieanlage optimal die Windkraft an den Rotorblättern ausnutzen
zu können.
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Bei
den genannten Zahnradlösungen
kommt es regelmäßig zu einem
Spiel zwischen den Zähnen der
Zahnkränze,
was zum einen zu Ungenauigkeiten führt im Rahmen der anstehenden
Einstellbewegungen mit dem Dreh- oder Schwenkantrieb und zum anderen
kommt es bei häufigen
Lastwechseln bedingt durch das Spiel zu einer sehr hohen Beanspruchung an
den Zähnen
des Zahnradtriebes mit der Folge, dass durch „Ausschlagen" der Zähne das
Spiel sich noch vergrößert oder
gar zu einem Abbrechen einzelner Zähne des Zahnradtriebes führt. Hierbei
ist auch zu berücksichtigen,
dass solche Dreh- oder Schwenkantriebe nicht nur durch gesteuerte
oder geregelte Bewegungsabläufe
belastet sind – also
durch konstante Lasten oder Beschleunigungen und Verzögerungen
im gewünschten
Bewegungsablauf – sondern
auch durch dynamische äußere Lasten.
Inbesondere bei Windenergieanlagen treten durch böige Winde
und wechselnde Belastungen der Rotorblätter stark wechselnde Drehmomentbelastungen
in den Azimutantrieben auf, und insbesondere bei hohen Windgeschwindigkeiten
und Böen
werden Spitzenwerte erreicht, die ein Vielfaches des stationären Lastmomentes
betragen, das ansonsten zur Einstellung der Rotorachsrichtung erforderlich
ist, und für die
die jeweilige Antriebsvorrichtung ausgelegt ist. Neben den bereits
genannten Beschädigungen
kann es darüber
hinaus dazu kommen, dass Lagerkupplungen, Wellen und andere im Antriebsstrang
liegende Komponenten zu Schaden kommen, was zum gesamten Ausfall
des Drehoder Schwenkantriebes führt,
weil insbesondere im Bereich von Windkraftanlagen die Wechselmomente
innerhalb des Spiels zum Voreilen und anschließenden Zurückschlagen der bewegbaren Komponenten
innerhalb des Antriebsstranges anregen.
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Das
Spiel im Antriebsstrang läßt sich
dem Grunde nach nicht vermeiden und wird im übrigen als notwendiges Zahnflankenspiel
zwischen Zahnkranz und Ritzel benötigt sowie im Getriebe, aber
auch als Kupplungsspiel in den Kupplungen des Dreh- oder Schwenkantriebes,
um dergestalt überhaupt
die Funktion im Betrieb sicherstellen zu können.
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Insbesondere
dann, wenn bei der bekannten Lösung
mehrere Antriebe parallel auf einen Zahnkranz einwirken, besteht
die Gefahr, dass einzelne Antriebe durch den dahingehenden separaten
Kontakt überlastet
werden. Der Grund hierfür
liegt in der Auslegung des Antriebes, da man bei dieser Antriebskonzeption
davon ausgeht, dass sich die Gesamtbelastung bei mehreren Antrieben
gleichmäßig auf
alle verteilt. Das Spiel kann aber als zufällig sich einstellende Größe bei einem
dieser Antriebe aufgehoben sein, bei dem anderen aber im gleichen
Augenblick den maximal möglichen
Wert angenommen haben. Bei einem dann erfolgenden Laststoß wird der
Antrieb der momentan spielfrei verbunden ist, innerhalb seiner Drehsteife
das Gesamtdrehmoment aufzunehmen haben, ehe auch bei dem anderen
die Last zum Tragen kommt. Wenn alle Antriebe von Beginn an spielfrei
im Eingriff ständen,
käme es
auch insoweit stets zu einer gleichmäßigen Lastverteilung.
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Bei
den heute zum Einsatz kommenden modernen Azimutantrieben versucht
man das genannte Spiel im Antriebsstrang dadurch zu beseitigen,
dass die zum Stillsetzen des Dreh- oder Schwenkantriebes vorgesehenen
mechanischen Bremsen während eines
Einstellvorganges nicht vollständig
geöffnet werden,
sondern mit einem vorgebbaren Bremsmoment schleifend an einem Teil
der bewegbaren Komponenten des Antriebes angreifen, wobei das dahingehende
Bremsmoment so hoch sein muß,
dass Wechselmomentspitzen nicht zu einer Aufhebung der Spielfreiheit
führen
können.
Dies wiederum bedingt eine deutlich überdimensionierte Antriebsleistung
für den
Antriebsstrang und am Ende wird die dahingehende Antriebsleistung
dann in der Bremse vernichtet, was zu einem erheblichen Verschleiß der Bremse
und mithin zu hohen Betriebskosten führt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde
unter Beibehalten der Vorteile für
die bekannten Vorrichtungen diese dahingehend weiter zu verbessern,
dass eine Lösung
geschaffen ist mit der das Spiel im Antriebsstrang beseitigbar ist,
ohne dass dies zu Verschleiß an
Anlagenteilen führt,
und damit in Verbindung stehender Betriebs- und Wartungskosten.
Eine dahingehende Aufgabe löst
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner
Gesamtheit.
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Dadurch,
dass gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 mittels einer hydraulischen Einrichtung
zumindest die beiden in Wirkverbindung miteinander stehenden Komponenten
derart gegeneinander bewegt oder verspannt sind, dass das vorhandene
Spiel zwischen diesen Komponenten beseitigbar ist, sind die mechanischen Bremseinrichtungen
im Stand der Technik durch eine hydraulische Vorspanneinrichtung
ersetzt, die verschleißfrei
arbeitet und somit keine erhöhten
Wartungs- und Montagekosten hervorruft. Da die hydraulische Einrichtung
auf die Wirkverbindung zwischen den bewegbaren mechanischen Komponenten
an deren Schnittstelle entsprechend einwirkt, ist an der Stelle
des Wirkeingriffes das Antriebsspiel vollständig beseitigt und bei beseitigtem
Spiel läßt sich über die hydraulische
Einrichtung eine zusätzliche
Antriebskraft oder Antriebsmoment aufbringen, dass dann hilft die
im spielfreien Zustand miteinander befindlichen Komponenten, vorzugsweise
für den
Erhalt einer Dreh- oder Schwenkbewegung anzutreiben.
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Die
erfindungsgemäße Lösung braucht
nicht auf den Einsatz von Dreh- oder Schwenkantrieben beschränkt zu sein,
sondern läßt sich überall dort sinnfällig einsetzen
auch im Bereich linearer Bewegungen, wo mechanische Komponenten
mit einem ansonsten vorhandenen Spiel miteinander in Wirkverbindung
stehen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die eine mechanische Komponente ein zumindest teilweise mit
einem Antriebszahnkranz versehenes Abtriebsrad, wobei die jeweilige
andere Komponente ein Antriebsrad ist, das zumindest teilweise mit
einem Abtriebszahnkranz versehen ist. Vorzugsweise ist dabei an
gegenüberliegenden
Seiten des Abtriebrades jeweils ein Antriebsrad angeordnet, die
in gegenläufiger
Drehrichtung zueinander mit ihren Teilen an Abtriebszahnkränzen in
Eingriff sind mit Teilen des Antriebszahnkranzes des Abtriebrades.
Auf diese Art und Weise läßt sich
unabhängig
von der Drehrichtung des Abtriebsrades die Vorspannung zwischen
den bewegbaren Komponenten über
die hydraulische Einrichtung erreichen, so dass in jedem Betriebszustand
der Vorrichtung das angesprochene Spiel beseitigt ist.
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Vorzugsweise
ist dabei des weiteren vorgesehen, dass die hydraulische Einrichtung
eine erste Pumpe in der Art einer Speisepumpe aufweist, die mit
einem vorgebbaren Speisedruck Teile eines hydraulischen Kreises
vorspannt, an dem mindestens ein Hydromotor angeschlossen ist, der
in Wirkverbindung mit der ihm zuordenbaren mechanischen Komponente
steht. Vorzugsweise kommt dabei weiter für jedes Antriebsrad ein eigener
Hydromotor zum Einsatz. Vorzugsweise besitzen dabei die Hydromotoren ein
gleiches Schluckvolumen pro Umdrehung, so dass sie unter gleichem
Vorspanndruck ein gleich hohes Drehmoment erzeugen können. Diese
Drehmomente erzeugen aber keine Drehbewegung für das Abtriebsrad, weil die
Anordnung so gewählt
ist, dass die aufgebrachten Drehmomente gegensinnig auf die zuordenbaren
Teile des Antriebszahnkranzes des Abtriebsrades einwirken und sich
insoweit gegenseitig aufheben. Auf diese Art und Weise wird der
gesamte Antriebsstrang in beiden Drehrichtungen des Abtriebsrades
vorgespannt und insoweit wird das Spiel in den in Eingriff befindlichen
Verzahnungen oder in gegebenenfalls eingesetzten Kupplungen aufgehoben.
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Sofern
bei einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
neben der ersten Pumpe in Form der Speisepumpe eine weitere zweite
Pumpe in der Art einer Förder-
oder Antriebspumpe in den hydraulischen Kreis geschaltet ist, die mit
einem einstellbaren Förderstrom
an Fluid dem Antrieb der mechanischen Komponenten dient, ist es möglich mit
der dahingehenden weiteren zweiten Pumpe die Wirkung der ersten
Pumpe oder Speisepumpe dahingehend zu überlagern, dass diese die Spielfreiheit
weiter aufrechterhält
und dergestalt ein Antriebsmoment auf das Abtriebsrad aufbringt,
um dieses entsprechend schwenkend oder drehend anzutreiben.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist zwischen den beiden Hydromotoren in den hydraulischen Kreis
ein Schaltventil eingebracht, das mittels einer Anschlußstelle über ein
Druckbegrenzungsventil an den Tank anschließbar ist. Vorzugsweise ist
dabei des weiteren vorgesehen, dass das Schaltventil mittels einer
weiteren Anschlußstelle
an ein weiteres Druckbegrenzungsventil anschließbar ist, dessen Einstelldruck
höher ist
als der Einstelldruck des ersten Druckbegrenzungsventiles und dass
die beiden Anschlußstellen
auf gegenüberliegenden
Seiten des Schaltventiles im hydraulischen Kreis angeordnet sind.
Mit der dahingehenden Anordnung läßt sich in der einen Schaltstel lung
des Schaltventiles eine Art Spülung
von hydraulikführenden
Teilen der Vorrichtung erreichen, so dass nicht befürchtet werden
muss, dass ansonsten bei längerem
Stillstandsbetrieb der Vorrichtung fluidführende Komponenten mit Verschmutzungsanteilen
oder dergleichen verstopfen könnten,
was gegebenenfalls zum Ausfall der gesamten Vorrichtung führen würde, und
im übrigen
läßt sich
dergestalt über
die beiden Druckbegrenzungsventile auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltventiles
erreichen, dass bei Auftreten von Höchstlastspitzen beide Hydromotoren gleichsinnig
einem vorgebbaren Maximaldruck aussetzbar sind und somit Wechselmomente
in doppelter Größe aufnehmen
können
bis zum Maximaldruck, bei dessen Überschreiten sich das System
in Richtung des Tanks hin immer insoweit entspannt, dass der maximal
für den
Betrieb der Hydromotoren vorgegebene Systemdruck keinesfalls überschritten
wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann vorgesehen sein, dass die hydraulische Einrichtung mittels
einer externen Druckversorgung und/oder mit mindestens einem intern
angeschlossenen Hydrospeicher des hydraulischen Kreises mit Druckmedium
eines vorgebbaren Druckes versorgbar ist. Hiermit läßt sich
zum einen in Notsituationen extern die Druckversorgung der Vorrichtung
sicherstellen, und im übrigen
benötigt
man insbesondere für
die erste Pumpe oder Speisepumpe nur geringe Fördervolumina, wenn diese beispielsweise
bei Stillstandszeiten der Vorrichtung Medium unter Druck in den
jeweiligen Hydrospeicher einbringt, von dem aus die derart eingespeicherte
Energie jederzeit abrufbar ist, sofern der hydraulische Kreis die
dahingehende Mehrleistung einfordert.
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Im
folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
anhand der Zeichnung näher
erläutert. Dabei
zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung in der
Art von Schalt- oder Hydraulikplänen
die
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1 eine
im Stand der Technik bekannte hydraulische Vorrichtung,
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2 eine
im Stand der Technik bekannte elektromechanische Einrichtung,
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3 bis 5 verschiedene
Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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6 u. 7 Prinzipdarstellungen
bezogen auf eine dezentrale und eine zentrale Einspeisung,
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8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Aufbau vergleichbar der Lösung nach der 4 aber
mit zentraler Hochdruckeinspeisung.
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Die 1 zeigt
eine bekannte Vorrichtung zum Antrieb bewegbarer mechanischer Komponenten 10; 12a,
b, c, von denen mindestens zwei 10; 12a, b, c
in Wirkverbindung derart miteinander stehen, dass mittels der einen
Komponente 12a, b, c die andere Komponente 10 antreibbar
ist, wobei zwischen den genannten beiden Komponenten 10; 12a, b,
c ein Spiel besteht. Mittels einer als Ganzes mit 14 bezeichneten
hydraulischen Einrichtung wird der in der 1 gezeigte
Dreh- oder Schwenkantrieb betätigt.
Die von einem Antriebsmotor 16 antreibbare Hydropumpe 18 erzeugt
einen Fluidförderstrom,
vorzugsweise mit einem Hydraulikmedium, der über ein Drehrichtungsventil 20 in
der Art eines 4/3-Wegeventiles zu dem jeweiligen Hydromotor 22a,
b, c geleitet wird, sobald das Drehrichtungsventil 20 aus
seiner in der 1 dargestellten Mittelstellung
bewegt wird, wobei in der einen weiteren Schaltstellung des Ventiles
die Hydromotoren 22a, b, c in die eine Richtung drehen
und in der anderen weiteren Schaltstellung in die andere Richtung.
Die gezeigten Hydromotoren sind insoweit innerhalb des hydraulischen
Kreises der hydraulischen Einrichtung 14 in paralleler
Anordnung geschaltet. Das in der 1 mit 24 bezeichnete Primärdruckbegrenzungsventil
schützt
dabei die Hydropumpe 18 vor Überlastung. Bei der in der 1 gezeigten
Mittelstellung des Drehrichtungsventiles 20 schützen hingegen
die beiden Sekundärbegrenzungsventile 26 die
Hydromotoren 22a, b, c vor Überlastung und begrenzen die
Lastmomente, die von der mechanischen Komponente 10 rückwirkend über die mechanischen
Komponenten 12a, b, c und zuordenbaren Kupplungen 28a,
b, c auf die Hydromotoren 22a, b, c einwirken. Zwei beidseitig
zu der mechanischen Komponente 10 angeordnete Bremseinrichtungen 30 können die
Bewegung der mechanischen Komponente 10 in den möglichen
mit Doppelpfeil 32 angegebenen Bewegungsrichtungen abbremsen, und
bei Stillstand auch in der angefahrenen Position entsprechend stationär halten.
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Gemäß der Darstellung
nach der 1 ist die eine mechanische Komponente 10 ein
zumindest teilweise mit einem Antriebszahnkranz 34 versehenes
Abtriebsrad 36, wobei die jeweilige andere Komponente 12a,
b, c ein Antriebsrad 38 ist, das außenumfangseitig mit einem Abtriebszahnkranz 40 versehen
ist. Somit ist an gegenüberliegenden
Seiten des Abtriebsrades 36 jeweils ein Antriebsrad 38 – insgesamt 3 Stück – angeordnet,
die in gegenläufiger Drehrichtung
zueinander mit ihren Teilen an Abtriebszahnkränzen 40 in Eingriff
sind mit Teilen des Antriebszahnkranzes 34 des Abtriebsrades 36.
Der einfacheren Darstellung wegen wurden die einzelnen Zähne der
Zahn kränze 34, 40 weggelassen;
diese stehen aber wie üblich
bei Zahnradantrieben miteinander in kämmender Wirkverbindung. Bei
der bekannten, in der 1 gezeigten Lösung, können nun die
Bremseinrichtungen 30 ständig in Wirkkontakt bleiben,
mit dem Abtriebsrad 36 und dergestalt schleifend auf das
Abtriebsrad 36 einwirken. Ein etwaig vorhandenes Spiel
wird dann insoweit zwischen dem Abtriebsrad 36 und den
Antriebsrädern 38 vermieden,
und für
die eigentliche Antriebsbewegung kann die Hydropumpe 18 das
dahingehende Bremsmoment überwinden,
und über
die Hydromotoren 22a, b, c und die jeweiligen Antriebsräder 38 das
Abtriebsrad 36 längs
den Dreh- oder Schwenkrichtungen nach dem Doppelpfeil 32 antreiben.
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Sofern
im folgenden vergleichbare Komponenten verwendet sind, wie für die im
Stand der Technik nachweisbare Lösung
nach der 1 bereits beschrieben, werden
insoweit für
dieselben Bauteile und Komponenten auch dieselben Bezugszeichen eingesetzt,
und das bisher Gesagte gilt insoweit dann auch für die Ausführungsformen nach den nachfolgenden
Figuren. Die 2 betrifft wiederum eine Lösung im
Stand der Technik, und betrifft ebenso einen Dreh- oder Schwenkantrieb
wie die Lösung
nach der 1. Bei der bekannten Lösung nach
der 2 wird jedoch eine elektromechanische Leistungsübertragungslösung gewählt, wobei
anstelle der Hydropumpe 18 zwei Elektromotoren 16 treten.
Zur Reduzierung der Abtriebsgeschwindigkeit ist zwischen dem jeweiligen
Elektromotor 16 und dem zuordenbaren Antriebsrad 38 ein
zusätzliches
Getriebe 42 geschaltet, das als Zahnradgetriebe ausgeführt ist.
Das dahingehend mechanische Getriebe 42 weist oftmals eine
zusätzliche
Haltebremse 30 auf, deren Haltemoment durch das Getriebe 42 übersetzt
auf die Räder 36, 38 einwirkt;
allerdings nur als Haltebremse dient, d.h. nur im Stillstand der
Gesamtvorrichtung eingesetzt werden darf. Das Getriebe 42 nebst
zuordenbarer Haltebremse 30, werden in vergleichbare Weise auch
bei hydraulischen Drehantrieben (nicht dargestellt) eingesetzt.
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Die
gezeigten Drehantriebe im Stand der Technik werden nicht nur durch
die gesteuerten oder geregelten Bewegungsabläufe belastet – also durch konstante
Lasten oder Beschleunigungen und Verzögerungen im gewünschten
Bewegungsablauf –,
sondern auch durch dynamische äußere Lasten.
Insbesondere bei Windenergieanlagen treten durch böige Winde
und wechselnde Belastungen der Rotorblätter stark wechselnde Drehmomentbelastungen
in den Azimutantrieben auf. Diese Wechselmomente können bei
hohen Windgeschwindigkeiten Spitzenwerte erreichen, die ein Mehrfaches
der stationären
Lastmomente betragen, die zur Verstellung der Rotorachsrichtung
erforderlich sind.
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Das
vorhandene Spiel im Antriebsstrang führt bei derartigen Wechselmomenten
zu erhöhten Belastungen
des Antriebsstranges, zu Schlägen
in den Verzahnungen, Lagern, Kupplungen, Wellen und anderer im Antriebsstrang
liegender Komponenten, und damit zu Schäden und zum vorzeitigen Ausfall des
gesamten Drehantriebes, weil die Wechselmomente innerhalb des Spieles
zum Voreilen und anschließenden
Zurückschlagen
der genannten Triebwerksteile anregen. Spiel im Antriebsstrang läßt sich nicht
vermeiden und ist vorhanden als notwendiges Zahnflankenspiel zwischen
Zahnkranz und Ritzel, sowie im Getriebe aber auch als Kupplungsspiel
in den Kupplungen. Bei den heutigen sogenannten Azimutantrieben
gemäß den Darstellungen
nach den 1 und 2, versucht
man das Spiel im Antriebsstrang dadurch wirkungslos zu machen, dass die
jeweilige Bremse 30 während
eines Einstellvorganges nicht geöffnet
wird, sondern mit dem zuordenbaren Bremsmoment „schleift". Dieses Bremsmoment muss so hoch sein,
dass Wechselmomentspitzen nicht zu einer Aufhebung der Spielfreiheit
führen.
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Dies
wiederum, bedingt erheblich überdimensionierte
Antriebsleistungen für
die Antriebe, sei es in Form der Hydropumpe 18 (1),
sei es in Form der Elektroantriebsmotoren 16 (2).
Die durch den jeweiligen Antriebsstrang dann zu leitende überdimensionierte
Antriebsleistung ist dann letztendlich am Ende desselben wiederum
in der Bremse 30 zu vernichten, was mit den genannten Verschleißproblemen
einhergeht.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
nun dadurch charakterisiert, dass stets – also auch bei hohen Wechselmomenten – die Spielfreiheit
des Antriebes gewährleistet
ist, und dies ohne gezielte Vernichtung überschüssiger Energie stattfinden
kann.
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Die 3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
in der Art eines Schaltplanes für
einen solchen Antrieb, mit allen wesentlichen Komponenten. Ein Elektroantriebsmotor 16 treibt
wiederum eine Hydropumpe 18 in der Art einer Verstellpumpe
an, die in einen quasi geschlossenen hydraulischen Kreislauf in beiden
Richtungen fördern
kann. Damit treibt sie dann jeweils einen Hydromotor 22 an,
der über
eine Welle 44 und das Antriebsrad 38, das Abtriebsrad 36 schwenkend
antreibt, und zwar in den möglichen Schwenkrichtungen
gemäß Doppelpfeil 32.
Der quasi geschlossene hydraulische Kreislauf ist nunmehr vorgespannt
durch eine Pumpe 46 in der Art einer Speisepumpe. Die dahingehende
Pumpe 46 oder Speisepumpe kann über eine Einspeiseleitung und Rückschlagventile 48 in
den hydraulischen Kreislauf hineinfördern. Der Druck mit dem der
hydraulische Kreislauf vorgespannt wird, ist durch die Einstellung des
Speisedruckbegrenzungsventiles 24 wiederum vorgegeben.
Steht die Hydropumpe 18 in Nullstellung und fördert in
keine der beiden Stränge
des hydraulischen Kreislaufes, dann herrscht in beiden zuordenbaren
Hauptleitungen oder Strängen
das durch die Einstellung des Speisedruckbegrenzungsventil 24 vorgegebene
Druck niveau. Da der weitere zweite Anschluß des jeweiligen Hydromotors 22 mit
dem Tank T verbunden ist, wird der hydraulische Kreislauf wie vorstehend
definiert, quasi geschlossen bezeichnet. Da der Tankanschluß T nahezu
drucklos ist (Umgebungsdruck), erzeugt die an den Hydromotoren 22 anliegende
Druckdifferenz ein Drehmoment, das die Hydromotoren 22 über den
Antriebsstrang 44, 38 auf den Antriebszahnkranz 34 des
Abtriebrades 36 leiten.
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Die
beiden Hydromotoren 22 besitzen ein gleiches Schluckvolumen
pro Umdrehung, so dass sie unter gleichem Vorspanndruck ein gleich
hohes Drehmoment erzeugen. Diese Drehmomente erzeugen aber keine
Drehbewegung des Abtriebrades 36, weil die Hydromotoren 22 so
installiert sind, dass ihre Drehmomente gegeneinander auf den Abtriebszahnkranz 40 und
mithin auf das Abtriebsrad 36 einwirken, also aufgrund
ihrer gegenüberliegenden
Lage sich aufheben. Sie spannen aber jedenfalls den Antriebsstrang
beider Seiten so vor, dass eine völlig spielfreie Verbindung
zwischen den Komponenten der genannten Antriebsstränge entsteht.
Dabei ist es gleichgültig,
ob das Spiel in den Verzahnungen und/oder in den entsprechenden
Kupplungen zu „verdrängen" ist, was nachstehend
noch bei Ausführungsbeispielen
nach der 4 näher erläutert werden wird.
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Wirkt
in diesem Zustand ein äußeres Moment
z. B. durch Windkräfte
auf die Gondel einer Windkraftanlage ein, so erzeugt es je nach
Wirkrichtung bei dem Hydromotor 22, der bereits unter Vorspannung
ein entgegengesetzt wirkendes Moment erzeugt, eine Erhöhung dieses
Momentes. Dabei stützt
sich der Hydromotor 22 auf der Ölseite im hydraulischen Kreislauf
zur Hydropumpe 18 hin ab, sowie zum jeweiligen Rückschlagventil 48 in
der Einspeiseleitung. Dabei steigt der Druck in der Leitung entsprechend
dem äußeren Moment
an. Erst wenn dieser Druck, den durch die Sekundär- Druckbegrenzungsventile 26 (Maximal-Druckbegrenzungsventile) vorgegebenen
Wert übersteigen
würde,
würde das jeweils
zuordenbare, Sekundär-Druckbegrenzungsventil 26 öffnen, und
es entstände
eine nennenswerte Bewegung für
das Abtriebsrad 36. Der zweite Hydromotor 22,
dessen Drehmoment in der gleichen Richtung wirkt wie das äußere Moment,
erfährt
keine Belastungsänderung,
da die erste oder Speisepumpe 46 den Vorspanndruck aufrechterhält. Damit
bleibt auch die spielfreie Verbindung auf dieser ansonsten unbelasteten
Seite des Antriebsstranges vollumfänglich erhalten.
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Zur
Einstellung der genannten Gondel, die an dem Abtriebsrad 36 angreift,
wird in Abhängigkeit der
gewünschten
Dreh- oder Schwenkrichtung die Hydropumpe 18 entsprechend
betätigt.
Lastmomente entgegen der Drehrichtung bewirken nun einen Anstieg
des Druckes in der Leitung zu den zuordenbaren Hydromotoren 22,
in welche die Pumpe 18 fördert, während auf der Saugseite der
Pumpe 18 der Druck durch das Speisedruckbegrenzungsventil 24 bestimmt
ist. In diese Saugleitung fördert
in diesem Zustand auch der Hydromotor 22, der ein konstantes Drehmoment
entgegen der Bewegungsrichtung erzeugt. Er wirkt nun als Pumpe,
der seine Antriebsleistung vom Zahnkranz 34 des Abtriebsrades 36 erhält. Die
Hydropumpe 18 muss nun abgesehen von den nicht vermeidbaren
volumetrischen und hydraulisch-mechanischen Verlusten eines solchen
Antriebes nur die Leistung aufbringen, die durch die, während der
Antriebsbewegung auftretenden Lastmomente erforderlich ist.
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Die
Auslegung der Antriebe ist nun so vorzunehmen, dass Lastmomentspitzen
in oder entgegengesetzt zur Drehrichtung nicht oder nur ganz kurzzeitig
zum Ansprechen der Sekundärdruckbegrenzungsventile 26 führen. Damit
ist sichergestellt, dass unkontrollierte Bewegungen nicht auftreten
kön nen. Durch
stetige Einspeisung über
die Einspeisepumpe 46 ist sichergestellt, dass das Spiel
aus den Antriebssträngen
vollständig
herausgenommen ist.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach der 4 ist ein vergleichbarer Aufbau
realisiert wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach der 3 mit der Maßgabe, dass zwischen die Hydromotoren 22 und
den Antriebsrädern 38 ein
Zwischengetriebe 42 geschaltet ist, dass nach beiden Richtungen
hin Kupplungen 28 aufweist. Ferner ist eine Bremseinrichtung 30 vorgesehen,
die auf den dahingehenden Antriebsstrang einwirkt, um im Stillstand
der Vorrichtung den jeweiligen Antriebsstrang stillzusetzen. Ansonsten
ist die dahingehende Funktionsweise des Ausführungsbeispieles nach der 4 entsprechend
wie vorstehend für
das Ausführungsbeispiel
nach der 3 beschrieben.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß der Darstellung
nach der 5 ist insbesondere bezogen auf
die Antriebsstränge
vergleichbar ausgelegt, wie das Ausführungsbeispiel nach der 4.
Das neue Ausführungsbeispiel
ist insoweit gegenüber
den vorangegangenen Ausführungsbeispielen
ergänzt,
als zwischen die beiden Hydromotoren 22 in den hydraulischen
Kreis ein 3/2-Schaltventil 50 eingebracht
ist. An den Anschlußstellen 52a und 52b ist über Rückschlagventile 48 das
Druckbegrenzungsventil 54 angeschlossen, dessen Ablaufanschluß ebenso über Rückschlagventile 48 zu
den Anschlüssen 52c und 52d führt. Des
weiteren ist der Ablaufanschluß mit Niederdruckkreislauf
der Speisepumpe 46 verbunden, dessen Druck durch das Druckbegrenzungsventil 24 vorgegeben
ist. Darüber
hinaus ist das Schaltventil 50 an seiner gegenüberliegenden
Seite, mittels einer weiteren Anschlußleitung 56 an ein
weiteres Druckbegrenzungsventil 58 anschließbar, dessen
Einstelldruck niedriger ist, als der Einstelldruck des Druckbegren zungsventiles 24.
Wird das Schaltventil 50 nicht betätigt, und bleibt in seiner
gesperrten Stellung gemäß der Darstellung
nach der 5, ist es möglich mit den dahingehenden
Druckbegrenzungsventilen 54, 26 die Hydromotoren
gegen Überlast
zu sichern, beispielsweise auf den aufgezeigten Maximaldruck von
400 bar. Die in der 5 angegebenen Druckwerte in
bar sind nur beispielhaft zu sehen, und können in Abänderung entsprechend auch andere
Werte annehmen.
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Wird
das Ventil 50 betätigt,
sind die beiden Hydromotoren 22 fluidführend miteinander verbunden,
und im übrigen über das
Druckbegrenzungsventil 58 an den Tank T angeschlossen.
Auf diese Art und Weise läßt sich
das System mit Fluid spülen,
um dergestalt Verschmutzungen auf die Tankseite T hin austragen
zu können.
Die Speisepumpe 46 kann darüber hinaus intern in einen
Hydrospeicher 60 Druckmedium einbringen, so dass insoweit
eine Speichermöglichkeit
geschaffen ist, um die Hydromotoren 22 entsprechend mit
unter Druck stehendem Fluid größerer Menge
versorgen zu können.
Des weiteren verfügt die
dahingehende Lösung, über eine
als Ganzes mit 62 bezeichnete externe Druckversorgung zur
Erzeugung der Vorspannung, die über
ein Druckbegrenzungs-ventil 64 abgesichert ist, und im übrigen eine Druckversorgung über den
weiteren internen Hydrospeicher 66 sicherstellen kann.
Auf diese Art und Weise läßt sich
eine Notversorgung für
die Vorspannfunktion erreichen, wenn der Hauptantriebsstrang 16, 18, 46 ausfallen
sollte. Auch mit den Ausführungsbeispielen
nach den 4 und 5 läßt sich
ein spielfreier- und verlustarmer Dreh- oder Schwenkantrieb realisieren.
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Bei
den bisher aufgezeigten Lösungen
ist eine sogenannte dezentrale Einspeisung realisiert, die von ihrem
Grundprinzip her in der 6 wiedergegeben ist. Das nutzbare
Drehmoment der Hydromotoren 22, ist proportio nal der anliegenden
Druckdifferenz p4 – p1.
Ferner ist bei der dezentralen Einspeisung der niedrigere der beiden
Drücke
gleich dem Einspeisedruck. Wenn also wegen hoher Lastmomente eine
hohe Vorspannung benötigt
wird, um stets spielfrei zu sein, dann ist das nutzbare Moment entsprechend
um den Betrag des Einspeisedruckes reduziert. Dabei ergeben sich
die folgenden physikalischen Zusammenhänge:
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Resultierendes Nutz-Drehmoment
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- MN = ((p4 – p3) + (p2 – p1))·V/2/πMit
p2 = p3 ≈ 0 und p1, p4 < pmax
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MN = (p4 – p1)·V/2/π
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Vorspannmoment
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Maximales Nutz-Drehmoment
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MNmax = (pmax – psp)·V/2/π
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Bei
vergleichbaren Systemvoraussetzungen weist eine zentrale Einspeisung
gemäß der Darstellung
nach der 7 die vorstehend beschriebene Einschränkung nicht
auf, nämlich
dass für
einen spielfreien Betrieb das nutzbare Moment entsprechend um den
Betrag des Einspeisedruckes reduziert ist. Bei der zentralen Einspeisung
wird im Gegensatz zu der dezentralen Einspeisung der Einspeisedruck
zentral zwischen die beiden Hydromotoren 22 gemäß der Darstellung
nach der 7 zugeführt. Bei der dahingehenden Ausführung kann
der Mitteldruck sehr hoch gewählt
werden ohne das Nutzdrehmoment einzuschränken, so dass das zentrale
Einspeisesystem sinnfälliger
Weise auch als Hochdruckspeisesystem bezeichnet werden kann. Die
Einspeisung des hohen Druckes zentral zwischen die beiden Hydromotoren 22 bewirkt
ein gleich großes
Drehmoment, das entgegengesetzt gerichtet ebenso den Antriebsstrang
vorspannt, so dass er spielfrei ist. Insbesondere Anwendungen, deren
Lastmomentspitzen durch äußere Belastungen
das erforderliche Nutzmoment zur Erzeugung der Einstellbewegung
bei weitem übersteigen,
lassen sich so durch einen stets spielfreien Antriebsstrang sicher
beherrschen.
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Die
Systemverhältnisse
für eine
zentrale Einspeisung stellen sich wie folgt dar:
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Resultierendes
Nutz-Drehmoment
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- MN = ((p4 – p3) + (p2 – p1))·V/2/πMit
p2 = p3 ≈ psp und p1, p2, p3, p4 < pmax und
p1, p4 < psp
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MN = (p4 – p1)·V/2/π
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Vorspannmoment
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Maximales Nutz-Drehmoment
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Damit
in den Hauptleitungen zwischen der Hydropumpe 18 und den
beiden Hydromotoren 22 kein schädlicher Unterdruck entsteht,
können
die Hauptleitungen über
Nachsaugeventile (nicht dargestellt) mit dem Tank T verbunden sein.
Statt der Nachsaugeventile kann auch eine Niederdruckspeisepumpe 68 gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach der 8 eingesetzt sein, die einen
spielfreien, verlustarmen, hydraulischen Drehantrieb mit zentraler Hochdruckeinspeisung
und dezentraler Niederdruckeinspeisung betrifft und insoweit eine
Weiterausgestaltung der Lösung
nach der 4 darstellt, mit nur dezentraler
Druckeinspeisung.
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Der
Antrieb gemäß der Darstellung
nach der 8 besitzt ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach der 4 zusätzliche Getriebe 42 im
Antriebsstrang, die über
Kupplungen 28 mit dem jeweiligen Hydromotor 22 und
dem zuordenbaren Ritzel (Antriebsrad 38) verbunden sind.
Außerdem
ist wiederum jeder Antriebsstrang mit einer Bremse 30 ausgestattet,
die als Haltebremse ausgeführt
ist. Mit der dahingehenden Ausführung
kann die Haltebremsfunktion auch bei abgeschaltetem Antrieb erfüllt werden.
Nach dem Abbremsen durch den Antrieb (Betriebsbremsfunktion) läßt man die
Haltebremse 30 bei vorgespannten Antriebssträngen einfallen.
Dadurch wird die Gondel (Abtriebsrad 36) spielfrei und vorgespannt
in Position gehalten.
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In
die Hochdruckeinspeiseleitung 70, die mit ihrem einen Ende
in eine Verbindungsleitung zwischen die beiden Hydromotoren 22 mündet, fördert eine
druckgeregelte Hochdruckspeisepumpe 72 Fluid vom Tank kommend
unter hohem Druck ein, wobei über
ein Rückschlagventil 48 der
Rückfluß von den beiden
Hydromotoren 22 zur Speisepumpe 72 gesperrt ist.
Diese in der 8 dargestellte Hochdruck- Speisedruckregeleinrichtung 74 kann
anstelle eines Speisedruckbegrenzungsventiles eingesetzt sein, was
den Vorteil mit sich bringt, dass nur soviel Speiseölstrom eingesetzt
wird wie notwendig ist.
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Da
die Höhe
der Wechselmomente, die auf einen Drehantrieb für die Azimutbewegung einer Windenergieanlage
einwirken, sehr starken Schwankungen unterliegen kann, was mehrfach
ermittelt wurde und was auch zeitlich begrenzt vorhersagbar ist
entsprechend der zu erwartenden Wetterlage, ist es sinnvoll, die
Höhe der
Vorspannung im Antriebsstrang den zu erwartenden Wechselmomenten
anzupassen. Das hat den Vorteil, dass in Zeiten sehr niedriger Wechselmomente
auch nur mit niedriger Vorspannung gearbeitet wird, und bei beispielsweise
zu erwartenden Orkanböen
mit sehr hoher Vorspannung. Dadurch werden sowohl die Zahnflanken
als auch andere proportional zur Vorspannung belastete Teile nur
so stark wie nötig
belastet als auch das Auftreten von Spiel selbst bei stärksten Belastungen
verhindert.