DE19844843A1 - Planetengetriebe - Google Patents

Abstract

Planetengetriebe mit einem Getriebegehäuse, mit einer Eingangswelle und einer dieser koaxial gegenüberliegenden Ausgangswelle, mit einem gehäusefesten Hohlrad, mit einem eingangswellenfesten Sonnenrad, mit einem Planetenträger, der mit der Ausgangswelle eine bauliche, drehbar im Getriebegehäuse gelagerte Einheit bildet, und mit mehreren drehbar im Planetenträger gelagerten Stufenplaneten aus je zwei verbundenen Planetenrädern mit verschieden großem Wirkdurchmesser, wobei die größeren Planetenräder mit dem Sonnenrad, die kleineren mit den Hohlrad, kämmen. DOLLAR A Jedes Planetenrad ist als separate Einheit ausgeführt und beidseitig im Planetenträger drehbar gelagert. DOLLAR A Die beiden Planetenräder jedes Stufenplaneten sind über eine zusätzliche Welle torsionsfest gekoppelt, wobei die Welle mit jedem Planetenrad formschlüssig in Eingriff steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe in Zahnrad-Ausführung, mit einem Sonnenrad an der Eingangswelle, einem Planetenträger an der Ausgangswelle, einem Hohlrad am Getriebegehäuse und Stufenplaneten mit je zwei verschie­ den großen, torsionsfest verbundenen Planetenrädern, wovon die kleineren mit dem Hohlrad, die größeren mit dem Sonnenrad kämmen, gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Planetengetriebe mit Stufenplaneten sind bekannt und werden beispielsweise beim Rolls-Royce-Flugtriebwerk "Tyne" als Propellergetriebe verwendet. Ge­ genüber einem einstufigen Planetengetriebe mit einfachen Planeten, d. h. Rä­ dern mit einem Wirkdurchmesser, welche mit dem Sonnen- und dem Hohlrad kämmen, läßt sich durch die Stufenplaneten-Bauweise mit mäßiger Vergröße­ rung des Getriebevolumens und etwas höherem Konstruktionsaufwand eine erhebliche Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses erreichen, wobei das Wellendrehmoment - weitestgehend - im gleichen Verhältnis steigt. Bei den bekannten Bauarten sind die zwei Räder der Stufenplaneten axial unmittelbar benachbart sowie zu einer integralen Einheit verbunden, d. h. meist aus einem Teil gefertigt.

Die drehbare Lagerung solcher integralen Stufenplaneten erfolgt üblicherweise über ein oder mehrere Gleitlager im Inneren jedes dieser Bauteile sowie über eine planetenträgerfeste, durch den Stufenplaneten hindurchführende Achse. Bei Wälzlagerung wird je ein Lager axial vor und hinter dem Stufenplaneten vorgesehen, da die radial größer bauenden Wälzlager im Inneren der Planeten­ räder, insbesondere der kleineren, meist nicht unterzubringen sind.

Projiziert man die beiden Verzahnungen eines Stufenplaneten - in axialer Rich­ tung - in eine Ebene und analysiert man die Zahnkräfte aus dem Eingriff mit dem Sonnen- und dem Hohlrad (1. und 2. Stufe) nach Größe und Richtung, so erkennt man, daß die beiden Zahnkräfte tendenziell in dieselbe Richtung wei­ sen, wobei der spitze Winkel zwischen ihren Vektoren der Summe der beiden Eingriffswinkel (ca. 40° bis 50°) entspricht. Addiert man die beiden Zahnkräfte vektoriell, so ergibt sich eine Resultierende, welche deutlich größer ist, als jede der Einzelkräfte. Dies bedeutet konstruktiv, daß die Stufenplaneten-Bauweise zu hohen Lagerkräften führt, so daß die Tragfähigkeit der Stufenplanetenlager zu einem maßgeblichen Kriterium für die vom Getriebe übertragbare Leistung wird. Eine zusätzliche Lagerbelastung ergibt sich aus den auf die Stufenplane­ ten wirkenden, drehzahlabhängigen Zentrifugalkräften. In diesem Zusammen­ hang ist auch zu berücksichtigen, daß Propellergetriebe für eine Lebensdauer von beispielsweise 30 000 h auszulegen sind, was natürlich auch für die ver­ bauten Wälzlager gilt.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Planetengetriebe mit Stufen­ planeten in der Weise zu modifizieren, daß mit wenig vergrößertem Bauvolu­ men und wenig erhöhtem Bauaufwand (Teilzahl etc.) bei vorgegebenem Über­ setzungsverhältnis eine erheblich höhere Leistung übertragen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Ober­ begriff.

Jedes Planetenrad ist als separate Einheit ausgeführt, welche beidseitig, d. h. axial davor und dahinter, im Planetenträger drehbar gelagert ist. Somit erge­ ben sich je Stufenplanet vier groß dimensionierbare, hochbelastbare Lager­ stellen. Dabei kann jede Lagerstelle mehrere Einzellager axial hintereinander aufweisen. Die Drehmomentübertragung vom großen zum kleinen Planetenrad eines Stufenplaneten erfolgt formschlüssig über eine zusätzliche, praktisch nur auf Torsion belastete Welle. Diese überbrückt den durch die Erfindung Vergrö­ ßerten Axialabstand zwischen den gekoppelten, verschieden großen Planeten­ rädern. Somit kann man das erfindungsgemäße Getriebe auch als Planeten­ getriebe mit Koppel-Stufenplaneten bezeichnen.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen Längsmittelschnitt durch ein Planetengetriebe, welches als Propel­ lergetriebe eines Großflugzeuges vorgesehen ist.

Das Planetengetriebe 1 stellt ein zumindest großteils rotationssymmetrisches Gebilde mit einer horizontalen Längsmittelachse X dar. Der - hier nicht wieder­ gegebene - in Flugrichtung vorne angeordnete Propeller befände sich auf der linken Seite, die - ebenfalls nicht wiedergegebene - antreibende Wellenlei­ stungs-Gasturbine bzw. deren Verdichtereinlauf auf der rechten Seite des Pla­ netengetriebes 1. Insofern ist hier links vorne und rechts hinten. Der "normale" Leistungsfluß im Zugbetrieb verläuft somit von rechts nach links durch das Planetengetriebe 1. Die mechanischen Funktionselemente des ölgeschmierten Getriebes sind von einem abgedichteten Getriebegehäuse 2 umschlossen, in welches antriebsseitig (rechts) die Eingangswelle 6 hineinführt, und aus wel­ chem abtriebsseitig (links) die Ausgangswelle 12 mit dem Propellerflansch 35 herausführt. Das Getriebegehäuse 2 besteht aus einer vorderen Schale 3 und einer hinteren Schale 4 mit einer Flanschverbindung 5 in einer zur Längsmit­ telachse X senkrechten Ebene. Die hintere Schale 4 ist hier als separates Bau­ teil dargestellt, sie könnte aber auch - zusammen mit dem Loslager 31 - in das Verdichtereinlaufgehäuse integriert, d. h. von diesem gebildet sein. Als einziges nicht rotierendes Zahnrad ist das innenverzahnte Hohlrad 8 torsionssteif mit dem Getriebegehäuse 2 verbunden und bildet so eine Momentenstütze für die rotierenden Getriebeelemente. Die spezielle Abstützung des Hohlrades 8 über einen sich nach vorne konisch erweiternden, dünnwandigen Träger 9 und zwei gerade/axiale Verzahnungen 10, 11 ergibt insgesamt eine gewisse radiale Nachgiebigkeit sowie eine minimale, kugelgelenkartige Beweglichkeit des Hohlrades 8 um seine Mitte bei uneingeschränkter Torsionssteifigkeit. Durch diese Anpassungsfähigkeit wird ein optimales Tragbild der Hohlradverzahnung - und der Gegenverzahnungen - erreicht, wodurch die übertragbare Leistung maximiert wird. Die Verzahnungen 10 und 11 sollen unter Torsionsbelastung möglichst keine Axialkräfte erzeugen, was am einfachsten mit Geradeverzah­ nungen erreicht wird. Im Hinblick auf eine größere Winkelbeweglichkeit könnte die Verzahnung 11 auch als Bogenverzahnung mit dem Hohlradmittelpunkt als Zentrum ausgeführt sein.

Speziell in der unteren Hälfte der Figur ist zu erkennen, daß der Planetenträger 13 mit der Ausgangswelle 12 eine stabile, hochbelastbare Einheit 14 mit brei­ ter Lagerbasis bildet. Die Wälzlagerung dieser Einheit 14 ist als Fest-Los- Lagerung ausgeführt, wobei das Festlager 30 im Bereich des propellerseitigen Gehäuseendes, das Lager 31 im Bereich des triebwerksseitigen Gehäuseendes sitzt. Das Festlager 30, welches auch die vom Propeller erzeugten Axialkräfte aufnehmen muß, ist als Kombination aus einem Rollenlager 27 und einem Ku­ gellager 29, ggf. in Form eines sog. Vierpunktlagers, besonders stabil und aus­ fallsicher ausgeführt. Für das nur radial und weniger stark beanspruchte Los­ lager 31 ist ein Rollenlager 28 vorgesehen. Der käfigartige Planetenträger 13 ist als Schraubkonstruktion mit sich gegenseitig zentrierenden Bauelementen ausgeführt, so daß die von ihm getragenen Zahnräder, Lager und Wellen schnell und einfach ein- und ausgebaut werden können, z. B. zwecks Prüfung, Wartung oder Austausch.

Die das Sonnenrad 7 tragende, im Getriebebereich lagerlose Eingangswelle 6 weist die Besonderheit auf, daß sie mit einer Einrichtung zur Messung des Ein­ gangsdrehmoments ausgestattet ist. Hierfür ist in ihrem Inneren ein Meßrohr 32 konzentrisch in der Weise installiert, daß sein eines Ende 33 drehfest mit der Eingangswelle 6 verbunden, sein anderes Ende 34 zentriert und frei dreh­ bar in der Eingangswelle 6 geführt ist. Unter Last wird die Eingangswelle 6 tor­ diert, wohingegen das lastfreie Meßrohr 32 keine Verformung erfährt. Somit kann die Relativverdrehung zwischen der Eingangswelle 6 und dem freien Ende 34 des Meßrohres 32 erfaßt und in einen Drehmomentwert umgerechnet wer­ den. Dieser Meßwert wiederum kann nur zur Triebwerksregelung herangezo­ gen werden, um eine Überlastung des Getriebes und des Propellers zu vermei­ den. Das Sonnenrad 7 steht mit mehreren, beispielsweise drei, identischen Planetenrädern 16 in Eingriff, welche Elemente von sogenannten Stufenplane­ ten 15 sind. Jeder Stufenplanet 15 umfaßt zwei torsionssteif verbundene Pla­ netenräder 16, 17 mit sehr unterschiedlichen Wirkungsmesser/Teilkreisdurch­ messer. Das Sonnenrad 7 kämmt mit den größeren Planetenrädern 16, wohin­ gegen die kleineren Planetenräder 17 mit dem Hohlrad 8 kämmen. Nach die­ sem Prinzip lassen sich Übersetzungsverhältnisse von über 10 : 1 mit nur einem Sonnen- und nur einem Hohlrad realisieren.

Die Besonderheit liegt im vorliegenden Fall darin, daß jedes Planetenrad 16, 17 als separate Einheit ausgeführt und beiderseits, d. h. axial vor und hinter seiner Radmittelebene im Planetenträger 13 drehbar gelagert ist. Vorzugswei­ se handelt es sich um eine "schwimmende" Lagerung in symmetrischer An­ ordnung mit jeweils zwei gleichen Rollenlagern. Die Rollenlager sind im Hin­ blick auf einheitliche Lebensdauer an die Zahnkräfte angepaßt, weshalb die "ausgangsseitigen" Rollenlager 26 ersichtlich stärker dimensioniert sind, als die "eingangsseitigen" Rollenlager 25. Eine schwimmende Lagerung mit Ra­ diallagern und geringem Axialspiel der Räder ist dadurch möglich, daß alle kämmenden Verzahnungen axialkraftfrei sind, d. h. keine Einfach-Schrägver­ zahnungen zur Anwendung kommen. Wälzlager haben gegenüber ebenfalls möglichen Gleitlagern die Vorteile, daß auch bei niedrigen Drehzah­ len/Differenzdrehzahlen - voll belastbar sind und allgemein mit höherem Wirkungsgrad, d. h. geringerer Verlustleistung, arbeiten.

Eine ausgehend vom Leistungsfluß eher ungünstig erscheinende Besonderheit ist die Anordnung der Zahnradebenen im Planetengetriebe 1. Das Sonnenrad 7 und die größeren Planetenräder 16, welche die Eingangsstufe bilden, sind nicht zum Triebwerk sondern zum Propeller hin angeordnet (weiter links), wo­ hingegen die kleineren Planetenräder 17 und das Hohlrad 8, welche die Aus­ gangsstufe bilden, näher beim Triebwerk (weiter rechts) positioniert sind. Die­ se Anordnung wurde im vorliegenden Fall bewußt gewählt, um das Planetenge­ triebe 1 mit sich zum Triebwerk hin (rechte Seite) verjüngender Außenkontur gestalten zu können, und dadurch die Einlaufverhältnisse für die Wellenlei­ stungs-Gasturbine zu verbessern, d. h. eine günstigere Strömungsführung zu ermöglichen. Natürlich ist im Rahmen der Erfindung auch die gewohnte, um­ gekehrte Stufenanordnung möglich.

Die Ausführung jedes Planetenrades 16, 17 als separates, beidseitig gelager­ tes, insbesondere wälzgelagertes Funktionselement erfordert innerhalb jedes Stufenplaneten 15 ein zusätzliches, mechanisches Koppelglied für die Drehmoment-/Leistungsübertragung von Rad zu Rad. Zu diesem Zweck sind zusätzliche, torsionssteife Wellen 22 eingebaut, welche formschlüssig in die Planetenräder 16, 17 eingreifen. Hierfür ist an jedem Wellenende eine Außen- Geradverzahnung 23, 24, in jedem Rad eine Innen-Geradverzahnung 20, 21 vorhanden. Die Verzahnungen 20, 23, 21, 24 sind axialkraftfrei und lassen, bei Passung mit etwas Spiel, auch minimale Winkelabweichungen ohne Zwangs­ kräfte zu. Somit werden die Wellen 20 praktisch ausschließlich auf Torsion belastet und können aus hochfestem Material relativ dünnwandig und leicht als Hohlwellen ausgeführt sein. Durch Einbezug dieser Wellenverzahnungen in das Ölschmiersystem des Getriebes läßt sich die Belastbarkeit noch steigern, bei weitgehender Verschleißfreiheit und zusätzlicher Dämpfung an den Zäh­ nen.

Ein weiterer, leistungsoptimierender Vorteil wird dadurch erreicht, daß die Planetenräder 16, 17 vor Inbetriebnahme um kleine Winkelmaße gegeneinan­ der verdreht und fixiert, d. h. eingestellt werden können, um ein optimales Tra­ gen der kämmenden Verzahnungen zu erreichen. Hierfür ist mit jedem größe­ ren Planetenrad 16 ein Mitnehmer 19 als Übertragungsglied zwischen Rad und Welle verbunden. Der Mitnehmer 19 trägt wellenseitig die bereits genannte Innen-Geradverzahnung 20. Als leistungsübertragende Verbindung zum Rad­ körper hin ist eine Schrägverzahnung 18 vorhanden. Somit wird durch axiale Verschiebung des Mitnehmers 19 relativ zum Radkörper zwangsläufig eine Relativverdrehung Rad/Mitnehmer und somit Rad/Welle erreicht. Die Fixie­ rung der Axialposition erfolgt hier durch Verschraubung eines Flansches am Mitnehmer 19 gegen die Stirnseite des Radkörpers unter Zwischenlage einer oder mehrerer Scheiben mit angepaßter Dicke (Axialmaß). Bei kleinem Schrä­ gungswinkel der Verzahnung 18 sind die im Betrieb auf die Verschraubung wirkenden Lasten nur gering.

Wie schon erwähnt, sollen alle kämmenden Verzahnungen mit wechselnden Zahneingriff - unabhängig von den stets mit allen Zähnen in Eingriff stehenden Wellenverzahnungen - axialkraftfrei arbeiten. Von den praktisch ausnahmslos verwendeten Evolventen-Verzahnungen eignen sich hierfür Geradverzahnun­ gen, Kammgetriebe, Pfeilverzahnungen und Doppel-Schrägverzahnungen, wo­ bei im Falle einer Pfeilverzahnung die Zähne an der "Pfeilspitze" direkt inein­ ander übergehen, im Falle der Doppel-Schrägverzahnung eine axiale Lücke zwischen den symmetrisch schrägstehenden Zähnen vorhanden ist, was ferti­ gungstechnische Vorteile bringt. Dem Fachmann sind die betriebs- und ferti­ gungstechnischen Vor- und Nachteile dieser Varianten geläufig.

Claims (10)

1. Planetengetriebe in Zahnrad-Ausführung, insbesondere für den Einsatz als Drehzahl-Reduktionsgetriebe zwischen einer Wellenleistungs-Gasturbine und einem Propeller, mit einem Getriebegehäuse, mit einer Eingangswelle und einer dieser koaxial gegenüberliegenden, langsamer rotierenden Aus­ gangswelle, mit einem torsionsfest mit dem Getriebegehäuse verbundenen Hohlrad, mit einem torsionsfest mit der Eingangswelle verbundenen Son­ nenrad, mit einem Planetenträger, welcher mit der Ausgangswelle eine bau­ liche Einheit bildet, die an mindestens zwei axial beabstandeten Stellen drehbar im Getriebegehäuse gelagert ist und mit mehreren gleichen, dreh­ bar im Planetenträger gelagerten Stufenplaneten, von welchen jeder zwei torsionsfest verbundene, in ihrem Wirkdurchmesser/Teilkreisdurchmesser verschieden große Planetenräder aufweist, wobei alle größeren Planetenrä­ der nur mit dem Sonnenrad, alle kleineren Planetenräder nur mit dem Hohl­ rad kämmen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Planetenrad (16, 17) als separate bauliche Einheit ausgeführt und beidseitig, d. h. axial vor und hinter seiner Mittelebene, im Planetenträger (13) drehbar gelagert ist (Rollenlager 25, 26) und daß die zwei Planetenräder (16, 17) jedes Stufenplaneten (15) über eine zusätzliche Welle (22) torsionsfest gekoppelt sind, wobei die Welle (22) mit jedem Planetenrad (16, 17) formschlüssig in Eingriff steht.

2. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Drehlager (25 bis 29) als geschmierte Wälzlager ausgeführt sind, daß jedes Planetenrad (16, 17) in zwei Rollenlagern (25, 26) schwimmend sowie sym­ metrisch gelagert ist, und daß die Einheit (14) aus Planetenträger (13) und Ausgangswelle (12) eine Fest-Los-Lagerung mit einem Festlager (30) auf der Ausgangsseite und einem Loslager (31) auf der Eingangsseite des Planeten­ trägers (13) aufweist, wobei das die Axialkräfte aufnehmende Festlager (30) aus einem Kugellager (29) und einem Rollenlager (27) in axial aneinander­ grenzender Anordnung, das Loslager (31) aus einem Rollenlager (28) be­ steht.

3. Planetengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Zahnräder (7, 8, 16, 17) über Geradverzahnungen und/oder Pfeilver­ zahnungen/Doppel-Schrägverzahnungen oder sog. Kammgetrieben in kämmendem Eingriff stehen, wobei es sich vorzugsweise um Evolventenver­ zahnungen handelt.

4. Planetengetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die die Planetenräder (16, 17) torsionsfest koppelnden Wellen (22) je zwei Außen-Geradverzahnungen (23, 24), die Pla­ netenräder (16, 17) je eine dazu passende Innen-Geradverzahnung (20, 21) aufweisen, wobei die Innen-Geradverzahnung (20) jedes größeren Planeten­ rades (16) in einen Mitnehmer (19) eingearbeitet ist, welcher über eine Schrägverzahnung (18) mit dem Planetenrad (16) in Eingriff steht und durch Verstellung seiner axialen Position relativ zum Planetenrad (16) verdrehbar ist.

5. Planetengetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (8) über einen konischen Träger (9) mit je einer Verzahnung (10, 11) zum Getriebegehäuse (2) und zum Hohl­ rad (8) hin torsionssteif aber - in engen Grenzen - radial nachgiebig und ku­ gelgelenkartig um seine Mitte schwenkbar gelagert ist.

6. Planetengetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß in oder auf der Eingangswelle (6) ein koaxiales Meßrohr (32) gelagert und an einem Ende (33) torsionsfest mit der Ein­ gangswelle (6) verbunden ist, wobei die Relativtorsion zwischen dem losen Ende (34) des torsionsfreien Meßrohres (32) und der Eingangswelle (6) ein Maß für das Eingangsdrehmoment darstellt.

7. Planetengetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, für die Leistungsübertragung mit Drehzahlreduktion zwischen einer Wellenlei­ stungs-Gasturbine und einem Propeller, dadurch gekennzeichnet, daß die kleineren Planetenräder (17) und das Hohlrad (8) bezüglich ihrer axialen La­ ge näher bei der Gasturbine angeordnet sind, als die größeren Planetenrä­ der (16) und das Sonnenrad (7).

8. Planetengetriebe nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Träger (9) des Hohlrades (8) sich nach vorne, d. h. zum Pro­ peller hin, erweitert.

9. Planetengetriebe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Getriebegehäuse (2) aus zwei Schalen (3, 4) mit Flanschverbindung (5) besteht, wobei die Teilungsebene quer zur Eingangs- und Ausgangswelle (6, 12) steht.

10. Planetengetriebe nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Schale (4) des Getriebegehäuses (2) in das Verdichtereinlaufge­ häuse der Wellenleistungs-Gasturbine integriert ist.