DE19717808C2 - Freifallwinde mit einem zweistufigen Getriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Freifallwinde mit einem zweistufigen Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Seilwinden, wobei der Begriff Seil allgemein für geeignete Zugmittel stehen soll, tritt bei bestimmten Anwendungsfällen das Problem auf, über das normale Lastheben hinaus auch ein schnelles, nichtmotorisches Ablassen einer Last an einem Seil zu realisieren. Je nach Einsatzfall kann dieses schnelle Ablassen unkontrolliert im freien Fall bei freidrehender Windentrommel erfolgen - diesen Fall findet man z. B. bei Schürfkübelbaggern, die durch Freigabe der Windentrommel die Schwerkraft ausnutzend, ihren Greifer in das Erdreich rammen lassen; sehr oft ist jedoch auch eine vom Antrieb unabhängige Restseilzugkraft gefordert, um eine Last mit vorgegebener Seilgeschwindigkeit kontrolliert abzulassen - typisches Beispiel hierfür sind Bohrgeräte, bei denen der Bohrkopf nach dem Wechsel wieder in das Bohrloch versenkt wird. Das Absenken des Bohrkopfes erfolgt mit konstanter Geschwindigkeit, wobei während des Bohrvorgangs das Seil mit einer definierten Restseilzugkraft von der Trommel abgezogen wird, mit dem Ziel, das Seil straff zu halten.

Aus der DE-A1 30 02 139 ist ein Hubtrommelantrieb bekannt, der jedoch insofern nicht als Freifallwinde verwendet werden kann, als hierbei das Hohlrad nicht frei laufen kann. Das heißt der Kraftfluß kann nicht unterbrochen werden; mithin kann die Trommel nicht freigeschaltet werden.

Die DE-PS 858 185 beschreibt ein Stirnräderumlaufgetriebe, wie es im Fahrzeugbau verwendet wird. Es kann ebenfalls nicht als Getriebe für eine Freifallwinde Verwendung finden, weil der Kraftfluß nicht unterbrochen werden kann.

In der DE-A1 42 02 199 ist ein Untersetzungsgetriebe für eine pneumatisches Hebezeug beschrieben. Ein solches Hebezeug ist insofern nicht mit einer Freifallwinde vergleichbar, als hier keine Möglichkeit besteht, das äußere Gehäuse gegenüber dem inneren Getriebe freilaufen zu lassen. Außerdem fehlt die Bremse, die bei jeder Freifallwinde erforderlich ist.

In der DE-OS 23 04 370 wird eine zweistufige Seilwinde beschrieben, bei der ein Motor das Sonnenrad der ersten Planetenradstufe antreibt, wobei der Planetenträger der ersten Planetenradstufe das Sonnenrad einer zweiten Planetenradstufe antreibt, und der Planetenträger der zweiten Planetenradstufe mit der Seiltrommel drehsteif verbunden ist. Weiterhin sind die beiden Hohlräder der beiden Planetenradstufen miteinander gekoppelt und mit einer Trommelbremse verbunden, die es erlaubt, die Windentrommel bei stillstehendem Motor gegen den fundamentfesten Windenrahmen abzubremsen bzw. freizugeben. Diese Lösung sieht vor, daß die Windentrommel gleichzeitig als Gehäuse für das Getriebe dient und somit den Ölraum darstellt; dies ist aus ökonomischem und ökologischem Grund bei großen Trommeln nachteilig, bei denen nicht unerhebliche Mengen Öl eingefüllt werden müssen. Außerdem muß die Windentrommel auf das Getriebe konstruktiv abgestimmt sein - ein einfach zu realisierender Einbau eines einbaufertigen Getriebes in eine vom Kunden bereitgestellte Trommel ist ohne größere Anpaßarbeiten und eine genaue Abstimmung der Trommel auf das Getriebe oder umgekehrt nicht möglich. Ferner muß die Bremse zum Abbremsen des resultierenden Drehmomentes sowohl des Hohlrades der Endstufe als auch des Hohlrades der Vorstufe ausgelegt sein, was eine relativ groß bauende und damit teure Bremse erfordert.

Eine Freifallwinde, deren Seiltrommel über ein Planetengetriebe mittels eines Hydraulikmotors angetrieben ist, wobei der Motor auf das Sonnenrad einer ersten Planetenstufe wirkt, dessen Planetensteg mit dem Sonnenrad einer zweiten Planetenstufe verbunden ist und mit einer die Drehung der Seiltrommel beeinflussenden Trommelbremse, ist in der DE-OS 32 23 632 offenbart. Bei dieser Winde ist der Planetenträger der zweiten Planetenstufe drehfest mit dem fundamentfesten Rahmen verbunden. Das gemeinsame Hohlrad der beiden Planetenstufen ist mit einer Trommelbremse verbunden, die ihrerseits direkt auf die Windentrommel wirkt und somit die Windentrommel gegenüber dem treibenden Getriebe kuppelt oder freigibt. Auch bei dieser Lösung muß die Bremse auf das große Reaktionsmoment der beiden Hohlräder aus der ersten und der zweiten Planetenstufe abgestimmt sein.

Gleiches gilt für bekannte Lösungen, bei denen die Bremse direkt auf die Trommel wirkt und diese gegen den Windenrahmen abbremst.

Den Nachteil der groß bauenden Bremse umgeht die aus DE-PS 41 34 722 bekannte Freifallwinde. Bei dieser Freifallwinde wird eine Lösung gewählt, bei der das Sonnenrad der Abtriebsplanetenstufe angetrieben ist, sich der Planetenträger oder das Hohlrad der Abtriebsplanetenstufe gegen den Rahmen der Winde abstützt, wobei der das verbleibende freie Glied der Abtriebsplanetenstufe - also Hohlrad oder Planetenträger - drehsteif mit der Windentrommel verbunden ist, wobei die Winde ferner eine Antriebsplanetenstufe aufweist, deren Sonnenrad angetrieben ist und deren Planetenträger oder Hohlrad das Sonnenrad der Abtriebsplanetenstufe antreibt. Weiterhin weist die Winde eine Bremse zum Abbremsen oder Freigeben der Windentrommel auf, wobei diese Bremse das verbleibende freie Glied (Hohlrad oder Planetenträger) der Antriebsplanetenstufe abbremst und bei der zwischen Ab- und Antriebsplanetenstufe eine Zwischenplanetenstufe geschaltet ist, die mit der Antriebsplanetenstufe ein Koppelgetriebe bildet. Es wird also der Planetenträger oder das Hohlrad der Antriebsplanetenstufe mit dem Hohlrad oder dem Planetenträger der zwischengeschalteten Planetenradstufe verbunden. Hierbei sind die derart verbundenen Elemente auf einer Koppelwelle angeordnet, die über eine Bremse gebremst oder freigegeben wird. Das hierbei abzubremsende Reaktionsmoment ist um die Übersetzung der Abtriebsplanetenradstufe kleiner als bei den o. g. Lösungsvorschlägen, was eine deutlich kleiner bauende Bremse zuläßt. Ferner garantiert die dreistufige Ausführung des Getriebes einen weiten Übersetzungsbereich und deckt somit einen großen Einsatzbereich ab. Nachteilig wirkt sich die längere Bauweise - hervorgerufen durch die dritte Planetenradstufe - und der zusätzliche Kostenaufwand für die genannte dritte Planetenradstufe aus, wodurch der Kostenvorteil der kleiner bauenden Bremse u. U. wieder aufhoben wird.

Auch ist mit einem solchen Getriebe kein Übersetzungsverhältnis von mindestens 1 : 30 zu erreichen, was für eine Freifallwinde erforderlich ist. Eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses ist jedenfalls nicht möglich, ohne daß entweder der Trommeldurchmesser wächst oder aber das Getriebe durch Ansatz weiterer hintereinander angeordneter Stufen länger wird. Sowohl eine Erhöhung des Durchmessers des Getriebes als auch eine Erhöhung der Länge des Getriebes ist jedoch immer von Nachteil, da beispielsweise bei einer Erhöhung des Durchmessers des Getriebes sich auch die Momente vergrößern. Ganz abgesehen hiervon steht häufig nicht der für eine Vergrößerung des Durchmessers der Seiltrommel erforderliche Raum zur Verfügung. Ganz ähnlich stellt sich die Problematik bei Verlängerung des Getriebes dar. Mit einer solchen Verlängerung des Getriebes durch Anbau weiterer Stufen geht immer auch eine Erhöhung des Gewichtes einher, was sich wiederum proportional in den anzutreibenden bzw. abzubremsenden Momenten niederschlägt. Ganz abgesehen davon erhöht sich dadurch auch der Preis für derartige Windwerke.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Freifallwinde der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ein hohes Übersetzungs­ verhältnis zur Verfügung stellen kann, und die aber dennoch insbesondere im Durchmesser klein baut.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abtriebs­ planetenstufe mindestens vier Planetenräder aufweist, das Hohlrad der Abtriebsplanetenradstufe mit dem Flansch versehen ist, der zum Anschluß für die Windentrommel dient, und der aus einem Stück besteht, das Trommellager als Außenlaufbahn für die Wälzkörper des Hohlrades dient und als Innenlaufbahn für die Wälzkörper der Planetenträger dient, wobei ein die Antriebsplanetenradstufe umgebender, dünnwandiger Topf vorgesehen ist, der einen Deckel aufnimmt, wobei der Topf im Bereich der Deckelzentrierung dünnwandig ausgebildet ist, zur Sicherung des Deckels in dem Topf lediglich ein Sicherungsring vorgesehen ist.

Inbesondere durch die dünnwandige Ausbildung des Topfes und die Art der Sicherung des Deckels in dem Topf wird erreicht, daß bei geringstem Durchmesser der Trommel ein maximales Übersetzungsverhältnis erzielt werden kann, und zwar ein Übersetzungsverhältnis von bis zu 1 : 50.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Einbau des erfindungsgemäßen Getriebes in einer Winde;

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Getriebes mit Einfachplaneten;

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Getriebes mit Stufenplaneten;

Fig. 4 zeigt die Einzelheit X aus den Fig. 2 und 3 in vergrößerter Darstellung.

In den Fig. 2 und 3 ist ein zweistufiges Getriebe mit einer Abtriebsplanetenstufe 20 dargestellt, deren Sonnenrad 21 angetrieben wird. Der Planetenträger 24 der Abtriebsplanetenstufe ist am Rahmen der Winde 1 drehsteif verbunden ist.

Des weiteren besitzt das Getriebe eine als Überlagerungsstufe ausgebildete Antriebsplanetenstufe 10, deren Sonnenrad 11 von einem Motor 4 durch die Welle 6 angetrieben wird, wobei Planetenträger 14 das Sonnenrad 21 der Abtriebsplanetenstufe 20 antreibt; hierbei ist das Hohlrad 13 mit der Bremse 5 zum Bremsen bzw. Freigeben der Windentrommel 3 koppelbar.

Bei einer Planetenradstufe erhält man bei gleichen Hohlradabmessungen höhere Übersetzungen, indem man das zentrale Sonnenrad im Durchmesser verkleinert. Kennzeichnenderweise hat dies jedoch zur Folge, daß aufrund schlechter werdender Überdeckungsverhältnisse im Zahneingriff einerseits und ebenfalls schlechter werdender Krümmungsverhältnisse der kämmenden Zähne andererseits die Tragfähigkeit der Verzahnungen abnimmt. Zum Ausgleich dieses Tragfähigkeitsverlustes bietet es sich an (siehe Fig. 2), anstelle der überwiegend eingesetzten drei Planetenräder in der Abtriebsstufe 20 mehr Planetenräder einzusetzen. Vorzugsweise kommen vier Planetenräder 22 zum Einsatz, die einerseits einen ausreichenden Ausgleich für den oben genannten Tragfähigkeitsverlust bieten, andererseits jedoch auch ein noch relativ kleines Sonnenrad 21 erlauben, ohne daß es zu Überschneidungen der am Umfang des Sonnenrades 21 angeordneten Planetenräder 22 kommt, wie es z. B. bei fünf und mehr Planetenrädern leicht eintreten kann. Es lassen sich somit bereits in der Abtriebsplanetenstufe 20 relativ hohe Übersetzungen bei hoher Tragfähigkeit erreichen. Dies allein reicht jedoch nicht aus, um die gewünschten hohen Übersetzungen des Getriebes zu erreichen. Vielmehr sind hierfür weitere Maßnahmen erforderlich. Eine weitere Maßnahme besteht darin, das Hohlrad 23 so groß wie möglich zu gestalten. Üblicherweise ist im Hohlrad oberhalb der Verzahnung Platz für Schrauben vorzusehen, um Flansche, Gehäuseteile oder ähnliches anschrauben zu können. Insbesondere wenn eine solche Schraubenverbindung das hohe Stützmoment des Hohlrades einer Abtriebsstufe übertragen muß, ist der Platzbedarf der Schraubenverbindung erheblich und setzt der Größe der Verzahnung deutliche Grenzen. Dieses Problem läßt sich umgehen, indem man das Hohlrad 23 derart ausbildet, daß es gleichzeitig einen Flansch 25 aufweist, der direkt an die Windentrommel 3 befestigt werden kann. Schraubt man diesen Flansch 25 an die Außenstirnseite der Windentrommel 3, so läßt sich der eigentliche Hohlradmantel bis auf den Innendurchmesser der Windentrommel 13 vergrößern und durch die fehlende Verbindungsstelle zwischen Hohlrad und Flansch zudem sehr dünnwandig ausführen, was zu einer maximalen Bauraumausnutzung und dementsprechend großen Verzahnungsdurchmesser führt, was wiederum der Größe der realisierbaren Übersetzung zugute kommt.

Der kompakten, raumoptimierten Bauweise des Einbaugetriebes ist auch die Ausführung des Trommellagers 30 dienlich, bei dem die Wälzkörper 31 nicht wie üblich auf einem eigenen Außen- bzw. Innenring laufen, sondern direkt die Anschlußteile Hohlrad 23 bzw. Planetenträger 24 als Laufbahnen verwenden. Da das Hohlrad bereits aufgrund der Verzahnung gehärtet ausgeführt ist, benötigt man lediglich eine Laufbahnhärtung bei dem Planetenträger 24, spart dagegen jedoch den Platz für die bei üblichen Wälzlagern vorhanden Außen- und Innenringe.

Kennzeichnend für eine einbaufertige Getriebeeinheit ist, daß sie über ein die Getriebeteile umschließendes, nach außen hin abgeschlossenes Gehäuse verfügt, das gleichzeitig die Funktion des Ölraums übernimmt. Diese Abgeschlossenheit ist insbesondere auch bei Transport und Montagearbeiten von großer Wichtigkeit, um zu verhindern, daß Schmutz in das Getriebe eindringen und Funktionsstörungen hervorrufen kann. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist das Hohlrad 23 der Abtriebsplanetenstufe 20 gleichzeitig Gehäuse. Es muß jedoch auch die Antriebsplanetenstufe 10 von einem Gehäuse umschlossen sein, um obiger Forderung zu genügen. Hierzu dient ein Topf 40, der die Antriebsplanetenradstufe 10 umschließt und zur Aufnahme eines das Getriebe verschließenden Deckels 50 vorbereitet ist. Auch hierbei liegt wieder das Augenmerk auf der maximalen Bauraumausnutzung im Hinblick auf eine hohe zu realisierende Übersetzung. Erreicht wird dies, indem der Topf 40 extrem dünnwandig ausgeführt wird, was für sich genommen noch kein Problem darstellt. Problematisch ist hingegen die Tatsache, daß zur Befestigung des Deckels 50, welcher das Getriebe verschließt, üblicherweise Platz für axial angeordnete Schrauben verfügbar sein muß. Das heißt, der Topf 40 muß normalerweise zumindest im Bereich der Deckelzentrierung über genügend Wandstärke zur Aufnahme der Gewindebohrungen verfügen. Zwangsläufig wird hierdurch der maximale Bohrungsdurchmesser des Topfes bestimmt. Da durch diese Öffnung das Hohlrad 23 der Antriebsplanetenradstufe 10 durchpassen muß, ist somit auch der maximale Hohlradaußendurchmesser der Antriebsplanetenstufe festgelegt. Die Dünnwandigkeit des Topfes bringt also solange keine Vorteile, wie die Aufnahmebohrung des Topfes für den Deckel nicht ebenfalls deutlich vergrößert werden kann. Daher verzichtet die erfindungsgemäße Lösung auf den Einsatz einer Schraubverbindung. Stattdessen wird die Dünnwandigkeit des Topfes 40 bis in den Bereich der Deckelzentrierung 41 fortgesetzt. Der Deckel 50 selbst wird im Topf 40 lediglich durch je einen links- und rechtsseitigen Sicherungsring 51, 51a axial gehalten, wobei lediglich wenige Millimeter für die Einstiche dieser Ringe am Durchmesser verloren gehen. Durch genügend große Vorspannung des abdichtenden O-Ringes 52, der in einer Radialnut im Deckel 50 eingelegt ist, wird durch den hierdurch erzeugten Reibschluß der Deckel auch gegen radiale Verdrehung gesichert. Denkbar ist auch eine Lösung, bei der anstelle der Sicherungsringe 51, 51a durch den Topf 40 angebrachte Stifte oder Madenschrauben 53 den Deckel halten und sowohl axial als auch radial sichern.

Die beschriebene Lösung der Verbindung des dünnwandigen Topfes 40 mit dem Deckel 50 gewährleistet, daß für die Antriebsplanetenradstufe 10 ebenfalls ein Hohlrad 13 maximalen Durchmessers verwendet werden kann, ohne die Einschränkungen üblicher konstruktiver Ausführungen hinnehmen zu müssen. Als Folge ergibt sich auch für die Antriebsplanetenradstufe 10 eine hohe realisierbare Übersetzung, ohne daß z. B. durch Verkleinerung des Sonnenrades 11 Tragfähigkeitseinbußen hingenommen werden müssen. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist der Topf 40 gleichzeitig aus einem Stück mit dem Lagerdeckel 60, der den Planetenträger der Abtriebsplanetenradstufe führt, gefertigt. Hierdurch läßt sich der Fertigungsaufwand und damit die Kosten durch Teilereduzierung senken.

In einer vorteilhaften Variante (Fig. 3) wird eine weitere Erhöhung der maximal möglichen Getriebeübersetzung erreicht, indem anstelle der Einfachplaneten 12a sogenannte Stufenplaneten 12b verwendet werden, die zwei Verzahnungen unterschiedlichen Durchmessers aufweisen, wobei die eine Verzahnung mit dem Sonnenrad 11 und die andere Verzahnung mit dem Hohlrad 13 kämmt. Die realisierbare Übersetzung erhöht sich multiplikativ mit dem Verhältnis der Verzahnungsdurchmesser am Stufenplaneten 12b. Diese Maßnahme kann je nach Erfordernis sowohl in der An- als auch in der Abtriebsplanetenradstufe durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Freifallwinde mit einem zweistufigen Getriebe

• A) mit einer Abtriebsplanetenradstufe (20),
  • 1. deren Sonnenrad (21)angetrieben wird,
  • 2. deren Planetenträger (24) am Rahmen der Winde (2) befestigt ist,
  • 3. deren Hohlrad (23) mit der Trommel (3) der Winde (1) drehsteif verbunden ist
• B) mit einer als Überlagerungsstufe ausgebildeten Antriebsplanetenstufe (10),
  • 1. deren Sonnenrad (11) von einem Motor (4) über die Welle (6)angetrieben wird,
  • 2. deren Planetenträger (14) das Sonnenrad (21) der Abtriebsplanetenradstufe (20) antreibt,
  • 3. deren Hohlrad (13) mit einer Bremse (5) zum Bremsen bzw. Freigeben der Windentrommel (3) koppelbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• A) die Abtriebsplanetenstufe (20) mindestens vier Planetenräder (22) aufweist,
• B) das Hohlrad (23) der Abtriebsplanetenradstufe (20) mit dem Flansch (25) versehen ist, der zum Anschluß für die Windentrommel (3) dient, und der aus einem Stück besteht,
• C) das Trommellager (30)
  • 1. als Außenlaufbahn (32) für die Wälzkörper (31) des Hohlrads (23) dient und
  • 2. als Innenlaufbahn (33) für die Wälzkörper (31) der Planetenträger (24) dient;
• D) wobei ein die Antriebsplanetenradstufe (10) umgebender, dünnwandiger Topf (40) vorgesehen ist, der einen Deckel (50) aufnimmt, wobei
  • 1. der Topf (40) im Bereich der Deckelzentrierung (41) dünnwandig ausgebildet ist,
  • 2. zur Sicherung des Deckels in dem Topf lediglich ein Sicherungsring (51, 51a) vorgesehen ist.

2. Freifallwinde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsplanetenradstufe (10) zur Erweiterung des Übersetzungsbereichs Stufenplaneten (12b) aufweist.

3. Freifallwinde nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (40) mit dem Lagerdeckel (60) aus einem Stück besteht.

4. Freifallwinde nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (50) durch radial eingebrachte Sicherungselemente, z. B. Stifte oder Madenschrauben (53) gehalten wird.