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Verfahren und Vorrichtung zur Schmierung und Kühlung
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des Eingriffs zweier Zahnräder Die Erfindung bezieht sich auf die
Schmierung und Kühlung des Eingriffs zweier Zahnräder.
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Bei raechlaufenden Getrieben (mit Wälzkreis-Geschwindigkeiten über
ca. 100 m/s) für hohe Leistungen (ca. 5 100 MW), die relativ breite Zahnräder mit
einem Verhältnis Radbreite zu Raddurchmeßeer größer als 0,8 erfordern, entstehen
in den Verzahnungen durch die Reibung der Zähne aufeinander erhebliche Wärmemengen,
die nicht wesentlich von der Last, sondern fast ausschließlich von der Umfangsgeschwindigkeit
abhängig sind.
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Zur Abfuhr der entstehenden Wärmemengen aus den Verzahnungen hat das
Schmieröl zu seiner Aufgabe der Schmierung und Verringerung der Zahnreibung auch
die weitere wichtige Aufgabe der Kühlung der Verzahnungen zu erfüllen. Das ol, das
z.B. durch eine sogenannte Zahnbrause in den Eingriff zweier einfachschrägverzahnter
Zahnräder tiber deren Zahnbreite gleichm§Big verteilt flutet und durch das Eintauchen
der Zähne des einen Rades in die Lücken des Gegenrades aus den Zahnzwischenräumen
wieder verdrdngt wird, und dabei durch die Schrägverzahnung eine die Olbewegung
aus der Verdrängung überlagernde in einer Richtung wirkende Axialkomponente erfdhrt,
ergibt an den Rädern eine grundsätzliche Temperaturverteilung nach der Abb. 1, in
der die Zahntemperatur
T als Ordinate über der Rad breite 3 als
Abszisse aufgetragen ist (Literaturangabe 1). Besitzt das Getriebe zur Kompensation
der aus der Schrägverzahnung entstehenden Axialkraft sogenannte Anlaufringe (Druckringe,
Druckkämme), so wird jetzt durch sie auf der durch die Schrägverzahnung betonten
Ölauslaufseite der Ölabfluß gestaut, wodurch die Öltemperatur nach der gestrichelten
Linie g der Abb. 1 verläuft. Diese über die Zahnbreite sehr unterschiedlichen Temperaturen,
die dazuhin noch unsymmetrisch auftreten, ergeben nun große unswnmmetrische Verformungen
der Räder bzw. ihrer Verzahnungen, die einen einwandfreien Zusammenlauf der Rader
unmöglich machen.
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Es ist bis heute keine Maßnahme bekannt, die das Auftreten der eben
genannten Temperaturverteilung und damit Verformung der Räder und der Verzahnungen
verhindert.
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Um trotz der auftretenden Temperaturen und Verformungen ein einigermaßen
brauchbares Tragen der Verzahnungen zu erreichen, ist es bekannt, den Temperaturen
und zu erwartenden Verformungen entsprechende Zahn-Längskorrekturen vorzunehmen.
Diese komplizierten Zahnkorrekturen erfordern teure Sonderverzahnungs-Maschinen
und ergeben damit teure Zahnräder und Getriebe. Außerdem ergibt eine solche Korrektur
ein brauchbares Zusammenlaufen der Räder nur für einen bestimmten Laufzustand, bei
anderen Betriebszuständen werden die Verformungen durch die Zahnkorrekturen nicht
ausgeglichen.
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Aus den Nachteilen der bisherigen Lösung ergab sich die erfindungsgemäße
Aufgabe, grundsätzlich andere, einfache und billige Mittel und Wege zu finden, die
eine ungleichförmige Temperaturverteilung und damit Verformung an den Zahnrädern
verhindern und keine komplizierten Zahnkorrekturen erfordern.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die zur Schmierung und
Kühlung des Eingriffs zweier Verzahnungen in den Zahneingriff einzuspritzende Ölmenge
über die Breite der Verzahnung ungleichmäßig verteilt.
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Die Vorrichtung hierzu besteht nach der Erfindung aus einer Zahnbrause,
die mindestens iii 2 Einzelelemente unterteilt ist und in deren Zuleitungen einstellbare
Organe angeordnet sind. Mittels in einzelnen Zähnen angebrachten oder in einfacher
Weise auf der Auslaufseite der Verzahnungen im entstehenden Öl-Luft-Gemisch angeordneten
Temperaturaufnehmern wird die Temperatur bzw. Temperaturverteilung über der gesamten
Radbreite erfaßt und werden nach ihr in einfacher Weise manuell die einstellbaren
Organe in den Zuleitungen zu den einzelnen Zahnbrausen-Elementen zur Erreichung
einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung und damit minimalen emperaturdifferenz
eingestellt.
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Bei der Herstellung einer größeren Zahl von gleichen Getrieben mit
gleichen Betriebsbedingungen (Seriengetrieben) ist es nach einer Ausgestaltung der
Erfindung zweckmäßig, naoh dem genannten Verfahren und der genannten Vorrichtung
die optimalen Ölzuflüsse zu den einzelnen Zahnbrausen-Elementen zu ermitteln und
dann unter Weglassung der einstellbaren Organe in den einzelnen Zuleitungen zu den
Zahnbrausen-Elementen die Zahnbrausen-Dusenbohrungen mit den entsprechenden verschiedenen
Lochdurchmessern auszuführen.
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Ebenfalls für Seriengetriebe ist es nach einer Ausgestaltung der Erfindung
möglich, die Zahnbrause zu einem über die gesamte Zahnbreite ungleichmäßig verteilten
Ölausfluß statt mit Düsenbohrungen mit einem sich über ihre gesamte
Länge
erstreckenden Düsenschlitz mit iiber di Länge der Brause sich verändernder Schlitzbreite
zu versehen.
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Da die im Zahneingriff entstehende Verlustwärme in erster Linie von
der Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder und weiter aber auch vom zu übertragenden
Drehmoment abhängt und damit eine Anpassung an veränderte Betriebsverhältnisse (Teillast)
zweckmäßig ist, wird nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der bisherigen
Vorschläge in der Ölhauptleitung ein den Stellorganen für die einzelnen Ölbrausen-Elemente
vorgeschaltetes Gesamt-Stellorgan angeordnet, mit dem dann die gesamte Ölmenge eingestellt
werden kann, während dadurch die Verteilungsverhältnisse zu den einzelnen Ölbrausen-Elementen
nicht wesentlich verandert werden.
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Zu einer automatischen Einstellung der einstellbaren Organe in den
Zuleitungen zu den einzelnen Zahnbrausen-Elementen auf die optimale Ölmenge wie
auch zur automatischen Anpassung der Gesamt-Ölmenge an eine Teillast ist es nach
der Erfindung zweckmäßig, dieelektrischen Signale der Temperaturaufnehmer in den
einzelnen Zähnen und/oder im austretenden Öl-Luft-Gemisch einem Steuergerät zuzuführen,
das dann die einstellbaren Organe für die verschiedenen öl zu flüsse automatisch
betätigt.
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Um der Gefahr vorzubeugen, daß infolge einer manuellen Fehlbedienung
oder einer automatischen Fehlsteuerunbr der Einstellorgane für die Ölzuflüsse das
Getriebe über der gesamten Zahnbreite oder auch nur über einem Teilbereich trockenläuft,
wird in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung der bisherigen Vorschläge zur Sicherheit
und konstanten Grundversorgung des Zahneingriffs mit Schmier- und Kühlöl parallel
zur erfindungsgemäßen Ölbrause eine an sich bekannte Ölbrause angeordnet, in deren
Zuleitung sich kein Einstell-bzw. Absperrorgan befindet.
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Die Erfindung wird anhand der Abb. 2 bis 5, die die Erfindung schematisch
und beispielsweise darstellen, näher erläutert. Hierzu zeigen die Abb. 2 ein Zahnrad
mit der erfindungsgemäßen, hier in 3 Einzelelemente unterteilten Zahnbrause mit
Ölaustrittabohrungen in der Vorderansicht, die Abb. 3 ie Seitenansicht zur Abb.
2, die Abb. 4 eine durch die erfindungsgemäße Zahnbrausez, Einrichtung und -Steuerung
nach den Abb. 2 und 3 erreichbare Temperaturverteilunx und die Abb. 5 eine erfindungsgemäße
Zahnbrause mit über die Zahnbreite verschieden großer blaustritts-.paltweite.
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In der Abb. 2 ist als Vorderansicht von dem einfachechrägverzahnten
Räderpaar 1,2 nur das hintere Rad 1 dargestellt, während die Abb. 3 als Seitenansicht
beide Räder 1 und 2 zeigt, in deren Einlaufseite die nach der Erfindung hier in
3 Einzelelemente 3a, 3b und 3c unterteilte Zahnbrause 3 das Schmier- und Kühlöl
einspritzt, wobei der Durchmesser einer Ixisenbohrung mit d bezeichnet ist. Das
hierzu durch die Leitung 4 von der nicht dargestellten Ölpumpe kommende öl durchfließt
zuerst das Ventil 5, durch das es in seiner Gesamt-Durchrlußmenge eingestellt wird,
und sodann, durch die Leitungen 6a ... 60 aufgeteilt, die Ventile 7a ... 7c, durch
die das aus Jedem Zahnbrausen-Element in seinem Bereich dem Zatineingriff zufließende
Schmier- und Kühl öl eingestellt wird. Die Temperatur der Verzahnung kann durch
in einzelnen Zähnen angebrachte elektrische Temperaturaufnehmer 8, z.B.
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Thermoelemente, und an sie angeschlossene Meßgeräte 9 ermittelt werden.
Als Ersatz fir die Zahntemperatur kann in
wesentlich einfacherer
Weise aber auch durch Temperaturaufnehmer 9 die Temperatur des auf her Auslaufseite
des Radpaares 1,2 entstehenden Öl-Luft-Gemischs gemessen werden. Zur manuellen Erreichung
einer minimalen Temperaturdifferenz dT am Zahnrad oder am austretenden Öl-Luft-Gemisch,
über die gesamte Radbreite B gemessen, werden nun die Ventile 7a ... 7c von Hand
entsprechend eingestellt.
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Zu einer automatischen Erreichung einer minimalen Temperaturdifferenz
JU und Anpassung der Gesamt-ölmenge und/ oder deren Verteilung auf die einzelnen
blbrausen-Elemente an den Betriebszustand des Getriebes wird an einer Getriebewelle
durch an sich bekannte elektrische Aufnehmer 10 und 11 die Drehzahl n und/oder das
Drehmoment M erfaßt und mit den Meßwerten der Temperaturaufnehmer 8 oder 9 einem
Steuergerät 12 zugeführt, das die Ventile 7a ... 7c und/oder das Ventil 5 steuert.
Damit die Verzahnung auch bei einer irgendwie vorkommenden manuellen Fehlbedienung
oder Fehleteuerung der Ventile 5 und 7 nie trockenläuft, wird zur Sicherung und
konstanten Grundversorgung des Zahneingriffs mit Schmier- und Kühlöl parallel zur
erfindungsgemäßen O1-brause 3 eine an eich bekannte olbrause 13 angeordnet, in deren
Zuleitung 14 eich kein Einstell- bzw. Abeperrorgan befindet.
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Die Abb. 4 zeigt eine Temperaturverteilung an den Zähnen des Zahnrades
1, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
erreicht wurde.
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Dabei betrug die Mittel-Temperatur T = 710 C und die Temperaturdifferenz
» nur 70 C.
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Die Abb. 5 zeigt die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Zahnbrause
als Schlitz-Zahnbrause, die sich elnottekl6 über die gesamte Radbreite B erstreckt,
bei der aber anstelle von Düsenbohrungen gleicher oder verschiedener durch messer
d ein sich über die Rad breite B verändernder Olaustrittsschlitz
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der Schlitzbreite S vorhanden ist, wobei sich in der ölzuleitung wiederum das Ventil
5 befindet.
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Durch das erfindungsgemäße einfache Verfahren und die erfindungsgemäße
Ausgestaltung der Einrichtung zur Schmierung und Kühlung eines Zahneingriffs gelingt
es, die Temperaturdifferenz JT im austretenden bl-Luft-Gemisch auf ca. 100 C zu
erniedrigen, die sich an der Verzahnung nurmehr als Temperaturdifferenz JT von ca.
70 C auswirkt. Die aus dieser geringen Temperaturdifferenz am Zahnrad noch entstehenden
Verformungen sind nun bereits so klein, daß ein gleichmäßiges Tragen der Verzahnung
auf ihrer gesamten Breite B ohne komplizierte und teure Zahnlängskorrekturen gewthrleistet
ist. Die einfache Messung der Temperatur des aus den Verzahnungen austretenden Öl-Lufl-Gemischs
und die automatische Steuerung der aus jedem Zahnbrausen-Element in den Verzahnungseinlauf
einspritzenden ölmenge gestatten, die Temperaturdifferenz flT bei jedem Laufzustand
des Getriebes auf ein so geringes Minimum zu erniedrigen.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß die erfindungsgemäße
Einrichtung auch an einem bereits an seinem Arbeit so ort eretellten und im Einsatz
befindlichen Getriebe noch nachträglich anbaubar ist und die Einstellung der Ventile
nicht auf einem Prüfstand erfolgen muß, sondern einfach und voll wirksam am Arbeitsort
des Getriebes während seines Laufs stattfindet.
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Literaturangabe 1: "Mechanism and Machine Theory" Anlagen Kopie der
Literaturangabe