DE202012011274U1

DE202012011274U1 - Vorgespannte Lagereinheit, insbesondere für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE202012011274U1
Application number: DE201220011274
Authority: DE
Original assignee: Eolotec GmbH
Current assignee: Eolotec GmbH
Priority date: 2012-11-24
Filing date: 2012-11-24
Publication date: 2014-02-25
Anticipated expiration: 2022-11-25

Abstract

Vorgespannte Lagereinheit, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit zwei über ein Lager aneinander gelagerte Bauteile, wobei das Lager eine Mehrzahl von zwischen zwei Lagerringen angeordneten Wälzkörpern aufweist und ein Klemmring zur Aufbringung einer insbesondere axialen Lagervorspannung vorgesehen ist, der mit einem der Bauteile über Schrauben befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schraubenköpfen oder den Schraubenmuttern und dem Klemmring Hülsen angeordnet sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
Im Maschinenbau werden häufig angestellte Wälzlagerungen in X- oder O-Anordnung eingesetzt. Eine solche Lagerung besteht aus mindestens zwei Wälzlagern, deren Tragwinkel in einem Bereich von 0° < Tragwinkel < 90° liegen, vorzugsweise in einem Bereich von 15° < Tragwinkel < 45°. Eine solche Lagerung wird in der Regel axial über einen Klemmring vorgespannt. Dieser Klemmring muss die Vorspannkraft im Lager aufnehmen. Zusätzlich entstehen aufgrund von äußeren Betriebslasten Reaktionskräfte in den Wälzlagern, die ebenfalls vom Klemmring aufgenommen werden müssen. Der Klemmring ist axial mit einer Welle verschraubt, auf der die Lager sitzen. Diese Schrauben übertragen wiederum die Kräfte am Klemmring.
Konstruktionsbedingt liegt hier eine sehr stark exzentrische Belastung der Verschraubung vor, da der Krafteinleitungspunkt verhältnismäßig weit von der Schraubenachse entfernt ist. Dies führt zu einer starken Biegebeanspruchung in den Schrauben. Dieser Effekt ist insbesondere bei Lagerungen mit großen Durchmessern wie sie in der Windkrafttechnik vorkommen kritisch, da aufgrund der großen Durchmesser die Klemmringe sehr flexibel sind. Bei den Extremlastfällen treten dadurch enorme Biegespannungen unter dem Schraubenkopf auf.
Diese Flexibilität des Klemmrings ist einerseits gewünscht, da sich dadurch eine breitere Lastverteilung im Wälzlager einstellt, was wiederum die maximale Wälzkörperkraft senkt. Zusätzlich kompensiert diese Flexibilität teilweise Vorspannungsänderungen im Lagersystem aufgrund von Temperaturschwankungen oder Toleranzabweichungen.
Andererseits stellt die Flexibilität des Klemmrings wie oben beschrieben ein Problem für die Verschraubung dar. Eine übliche Maßnahme ist, in der Welle eine zylindrische Senkung vorzusehen, sodass das Gewinde tiefer liegt. Dadurch wird die Klemmlänge der Schrauben erhöht und damit die Spannungen in der Schraube reduziert. Diese Maßnahme allein ist allerdings bei Lagerungen mit großem Durchmesser nicht ausreichend.
Weitere übliche Maßnahmen sind eine Erhöhung der Klemmringdicke sowie die Verwendung von einer größeren Anzahl von Schrauben und/oder der Einsatz von größeren Schrauben. Dadurch wird das System allerdings erheblich versteift, was sich für die Lastverteilung im Lager negativ auswirkt. Außerdem führt eine solche Lösung zu höheren Kosten und einem höheren Gewicht, was insbesondere in der Windkraft kritisch ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Spannungen in den Schrauben zu reduzieren insbesondere ohne den Klemmring und die Verschraubung zu versteifen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst. Danach ist die die Verwendung von Hülsen, insbesondere sogenannte Dehnhülsen vorgesehen, die sich zwischen Klemmring und Mutter bzw. Schraubenkopf befinden.
Die Verwendung von Dehnhülsen führt dazu, dass durch die größere Klemmlänge die Schrauben elastischer werden. Außerdem ist die Dehnhülse ein zusätzliches elastisches Element, das das System Klemmring-Verschraubung nachgiebiger werden lässt. Durch die Erfindung werden zwei gewünschte positive Effekte erzielt:
Zum einen werden die Biegespannungen in den Schrauben deutlich reduziert, sodass die exzentrische Belastung der Schraube unkritischer wird. Dadurch kann – jeweils im Vergleich zu einer Einbausituation ohne Dehnhülsen – die Anzahl der Schrauben reduziert, die Schraubenauslastung verbessert bzw. die Schraubengröße verringert werden, was die Elastizität des Systems weiter erhöht.
Zum anderen kann durch die erhöhte Elastizität des Systems Klemmring-Verschraubung die Lastverteilung im Wälzlager optimiert werden. In den Bereichen hoher Last gibt der Klemmring verstärkt nach, wodurch die an dieser Stelle übertragbare Last sinkt. Diese Last nehmen dann die benachbarten weniger belasteten Wälzkörper verstärkt auf. Dadurch wird erreicht, dass sich eine breitere Lastzone im Lager ergibt und hierdurch die maximal auftretende Wälzkörperlast sinkt, was wiederum zu einer höheren statischen Sicherheit und Lebensdauer führt.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beschreibung der Figuren
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen
ein vorgespannte Hauptlagereinheit für eine Windkraftanlage ohne die Verwendung von Dehnhülsen, wie sie in der zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichten DE 10 2012 221 255.8 der Anmelderin beschrieben ist, auf die hiermit vollumfänglich verwiesen wird und deren Offenbarungsgehalt hiermit mit aufgenommen wird,
einen vergrößerten Ausschnitt der im Bereich des Klemmrings zur Erläuterung der Kräfteverhältnisse am Klemmring,
eine Darstellung ähnlich mit einem stärkeren Klemmring und einer zusätzlichen zylindrischen Senkung,
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung anhand einer Hauptlagereinheit gemäß , jedoch mit Dehnhülsen sowie
eine vergleichende Darstellung der Lastverteilung im Lager mit und ohne Dehnhülsen.
Die zeigt ein Beispiel für eine angestellte vorgespannte Lagerung mit zwei Kegelrollenlagern in O-Anordnung, wie sie z. B. als Hauptlagerung in Windkraftanlagen zum Einsatz kommt. Die Vorspannung wird über einen auf Maß geschliffenen Klemmring eingebracht. Der Klemmring ist mit der Innenwelle (auch als Rotor bzw. Stator bezeichnet) verschraubt. Diese Verschraubung kann alternativ auch mit Gewindebolzen und Mutter ausgeführt sein. In einer alternativen Ausführung sind Lager in X-Anordnung angebracht. In diesem Fall ist der Klemmring mit der Außenwelle über Schrauben verschraubt, wodurch in diesem Fall die Vorspannung über den Außenring des Lagers eingebracht wird.
Die zeigt die Kraftverhältnisse am Klemmring. Die Wälzkörper übertragen die Lasten zwischen Außen- und Innenwelle. Dabei entsteht in Abhängigkeit vom Druckwinkel des Lagers eine Axialkomponente der Kraft die auf den Klemmring wirkt. Diese Kraft muss teilweise von den Schrauben aufgenommen werden. Durch den Hebelarm entsteht dabei auch eine ungünstige Biegebeanspruchung der Schrauben, die zu extremen Biegespannungen unter dem Schraubenkopf führt.
Die zeigt übliche Maßnahmen zur Verringerung der Biegespannung in den Schrauben. Durch eine zylindrische Senkung in der Welle kann die Klemmlänge der Schrauben vergrößert werden. Dadurch wird die Schraube elastischer und die Spannungen in der Schraube werden reduziert. Diese Maßnahme hat allerdings auch den Effekt, dass der Klemmring stärker abhebt, was wiederum die Biegespannungen in der Schraube erhöht. Aus diesem Grund ist diese Maßnahme nicht ausreichend um die Spannungen in der Schraube im nötigen Maß zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit die Klemmlänge der Schraube zu erhöhen besteht darin, die Klemmringdicke zu erhöhen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass das Gewicht und die Kosten des Ringes steigen. Der positive Effekt auf die Spannungsreduzierung ist allerdings vergleichsweise gering.
Die zeigt die erfindungsgemäße Ausführung. Die Verschraubung erfolgt über Dehnhülsen. Dabei kann die Länge und der Durchmesser der Hülsen an die Erfordernisse angepasst werden. In einer weiteren Ausführung können die Länge und/oder der Durchmesser über dem Umfang variieren. Vorteilhaft ist es in Bereichen, die höhere Lasten übertragen längere Dehnhülsen vorzusehen.
Die zeigt schematisch die Lastverteilung im Wälzlager, wie sie unter üblichen Betriebslasten auftritt. Die Darstellung stellt die jeweils auf die Wälzkörper einwirkende Kraft über den Umfang des Lagers dar. Die Wälzkörperkraft nimmt in der Darstellung in radialer Richtung nach außen zu. Es gibt einen Bereich (in der die obere Hälfte mit dem durchgezogenen Halbkreis = Nulllinie), in dem die Wälzlager keine Last übertragen, und einen Lastbereich (untere Hälfte). Die durchgezogene Linie entspricht einer Lastverteilung wie sie sich bei einer üblichen Klemmringverschraubung ergibt. Die gestrichelte Linie zeigt die Änderung der Lastverteilung bei Verwendung von Klemmhülsen. Es ist deutlich zu erkennen, dass durch die Verbreiterung der Lastzone die maximal auftretende Wälzkörperlast sinkt.
Bezugszeichenliste

1: Außenwelle
2: Innenwelle
3: Klemmring
4: Kegelrollenlager
5: Klemmringverschraubung
6: Reaktionskraft aus Lager
7: Hebelarm
8: Schraubenkraft
9: Klemmringdicke
10: Zylindrische Senkung
11: Klemmlänge
12: Dehnhülsenlänge
13: Dehnhülsendurchmesser
14: Dehnhülse
15: Wälzkörperkraft
16: Lastverteilung ohne Dehnhülse
17: Lastverteilung mit Dehnhülse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012221255 [0013]

Claims

Vorgespannte Lagereinheit, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit zwei über ein Lager aneinander gelagerte Bauteile, wobei das Lager eine Mehrzahl von zwischen zwei Lagerringen angeordneten Wälzkörpern aufweist und ein Klemmring zur Aufbringung einer insbesondere axialen Lagervorspannung vorgesehen ist, der mit einem der Bauteile über Schrauben befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schraubenköpfen oder den Schraubenmuttern und dem Klemmring Hülsen angeordnet sind.
Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Hülse länger als der Durchmesser der Schraube ist und insbesondere ein Vielfaches des Durchmessers beträgt.
Lagereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang des Lagers eine Vielzahl von Schrauben insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Lagereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnhülsen der um den Umfang verteilten Schrauben unterschiedlich ausgebildet sind.
Lagereinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnhülsen sich hinsichtlich ihrer Länge und/oder ihres Durchmessers unterscheiden.
Lagereinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Lagerbereichen, bei denen höhere Lasten zu erwarten sind, längere Dehnungshülsen als in Lagerbereichen mit kleineren Lasten angeordnet sind.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen derart gewählt sind, dass die Lastverteilung über das Lager im Vergleich zu einer unmittelbaren Schraubbefestigung des Klemmrings ohne Hülsen vergleichmäßigt ist.
Lagereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale auf die Wälzkörper im Betrieb einwirkenden Spitzenlast im Vergleich zu einer unmittelbaren Schraubbefestigung des Klemmrings ohne Hülsen reduziert ist.
Lagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hauptlagereinheit für eine Windkraftanlage ausgebildet ist.