DE4319271A1 - Bagger bzw. Kran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bagger bzw. Kran, bestehend aus einem Oberwagen und einem Unterwagen, bzw. einer Drehbühne und einem Portal, welche mittels eines Großwälzlagers drehbar miteinander verbunden sind und zur Durchführung der Schwenk- bzw. Drehbewegung ein hydraulisch od. elektrisch betriebenes Drehwerk aufweisen, welches aus einem an sich bekannten Getriebe besteht, dessen Ge­ häuse mit den Motoren am Oberwagen bzw. an der schwenkbaren Dreh­ bühne befestigt ist, wobei das Getriebe wenigstens drei Zahn- bzw. Antriebssegmente aufweist, welche eine Parallelkurbelbewegung durch zwei Exzenterwellen mit der Exzentrizität "e" ausführen und sich alle Zahnsegmente ständig im Eingriff mit einem, den Außen- bzw. Innenring des Großwälzlagers starr umfassenden Rollenringes, z. B. einer Rollenkette od. dgl. befinden, wobei der Umfang des Teil­ kreises mit dem Exzenterradius "e" exakt der Rollenteilung bzw. Zahnteilung entspricht und das Profil der Zahnsegmente im Zahnein­ griffsbereich durch die Hüllkurve gebildet wird, welche durch Ent­ langführen des Mittelpunktes einer Rolle der anzutreibenden Rollen­ kette, des Rollenringes und dgl. entlang der durch Abrollen des Exzenterkreises mit dem Radius "e" am Teilkreis des Rollenringes entstehenden Epizykloide, und wobei die Länge der phasenverschoben arbeitenden Zahnsegmente bzw. die Anzahl der Zähne pro Zahnsegment in Relation zum Teilkreis des Rollenringes bzw. der Rollenkette und dgl., so gewählt wird, daß der minimale Übertragungswinkel "µ" des Getriebes den Wert von ca. 40° nicht unterschreitet.

Die bisher bekannten Schwenk- bzw. Drehwerke bestehen aus einem Großwälzlager, dessen Innen- od. Außenring eine Stirnradverzahnung aufweist, welche mit einem Ritzel des Drehwerkes kämmt. Der Antrieb erfolgt mittels Hydraulik- od. Elektromotor, über ein Planeten­ getriebe, wobei noch zusätzlich - da nicht selbsthemmend - eine Lamellenbremse zum Abbremsen und Arretieren erforderlich ist. Nachteilig bei der Stirnradverzahnung ist ferner, daß sich nur etwa zwei Zähne ständig im Eingriff befinden, so daß also bei einer bestimmten Baugröße nur beschränkt niedrige Schwenkmomente über­ tragbar sind; besonders kann es bei großen Turmdrehkränen durch hohe Winddrücke am Ausleger zu Überlastungen der Verzahnung und damit Zahn- bzw. Wellenbruch kommen. Ferner kann es bei Hydraulik­ baggern wünschenswert sein, das Schwenkmoment bei gegebenen Ab­ messungen zu erhöhen, damit wäre es z. B. auch möglich Baggerarbeiten in Schwenkrichtung des Oberwagens auszuführen.

Nach der DD-PS 2 29 468 ist zudem ein hochuntersetzendes Kurven- Ketten-Getriebe bekannt, bestehend aus einem drehbaren Doppel­ exzenter, zwei Kurvenkörpern und einer umlaufenden Rollenkette, die sich auf der Verzahnung der Kurvenkörper befindet und durch eine Führung in Formschluß gehalten wird. Nachteilig dabei ist, daß bei nur zwei Kurvenkörpern in den Exzenterpositionen, wo der eine Kurvenkörper max. eintaucht und der zweite die Außenlinie der Kettenrolle berührt, überhaupt keine Kraftübertragung stattfinden kann, da der Übertragungswinkel in beiden Positionen Null ist, das Getriebe also blockieren würde. Dazu kommt noch, daß zur Herstel­ lung eines Formschlusses eine eigene Führung erforderlich ist, da ja die umlaufende Kette ausweichen würde.

Um nun die Nachteile der bekannten Ausführungen zu umgehen, schlägt die Erfindung für die Konstruktion von Schwenk- und Drehwerken für Hydraulikbagger und Krane vor, ein an sich bekanntes Getriebe mit dessen Gehäuse und dem (den) Antriebsmotor(en) am schwenkbaren Oberteil der Drehwerke anzuordnen, wobei wenigstens drei, mittels eines Doppelexzenters angetriebene Zahnsegmente vorgesehen sind und sich die Zahnsegmente permanent in Eingriff mit einer den Außen- bzw. Innenring des Großwälzlagers starr umfassenden Rollen­ ringes, z. B. Rollenkette, aber auch Stirnradverzahnung und dgl. befinden, wobei der Umfang des Teilkreises mit dem Exzenterradius "e" exakt der Rollenteilung bzw. Zahnteilung entspricht und das Profil der Zahnsegmente durch die Hüllkurve gebildet wird, welche durch Entlangführen des Mittelpunktes einer Rolle der anzutreiben­ den Rollenkette und dgl. entlang der durch Abrollen des Exzenter­ kreises mit dem Radius "e" am Teilkreis des Rollenringes entstehen­ den Epizykloide, und wobei die Länge der phasenverschoben arbeiten­ den Zahnsegmente bzw. die Anzahl der Zähne pro Zahnsegment so ge­ wählt wird, daß der minimale Übertragungswinkel des Getriebes den Wert von rd. 40° nicht unterschreitet.

Damit ist ein Drehwerk geschaffen, welches es erlaubt - ohne Zwischenschaltung eines Planetengetriebes - direkt die Öl- bzw. Elektromotoren zum Antrieb der Exzenterwellen einzusetzen, da das Getriebe bereits in einer Stufe ein hohes Übersetzungsverhältnis von i=R/e aufweist. (R . . . Teilkreisradius des Rollenringes; e . . . Exzentrizität des Parallelkurbelantriebes). Durch den hohen Überdeckungsgrad der Verzahnung - es sind immer alle Zähne pro Zahnsegment im Eingriff - können zudem sehr große Drehmomente und Leistungen übertragen werden. Der Wirkungsgrad ist höher als bei einem normalen Stirnradgetriebe, da in jeder Phase des Eingriffes der Zahnsegmente Rollreibung auftritt, währenddessen bekannterweise bei einer Stirnradevolventenverzahnung theor. nur im Wälzpunkt reine Rollreibung vorhanden ist, in den übrigen Bereichen ein Glei­ ten der Flanken stattfindet. Ein weiterer Vorteil ergibt sich da­ raus, daß das erfindungsgemäße Getriebe selbsthemmend ist, da der in Gegenrichtung belastete Antrieb ein größeres Reibungsmoment ent­ stehen läßt, als dem Antriebsmoment entspricht. Es kann somit eine aufwendige, sonst übliche Lamellenbremse entfallen. Weitere Vorteile sind der hohe Wirkungsgrad, die geringe Abnützung und der niedrige Geräuschpegel des Antriebes, da wie bereits erwähnt, bei entsprechen­ der Wahl der Antriebselemente nur Rollreibung auftritt und im Ver­ zahnungsbereich geringe Flächenpressungen resultieren.

Anhand von Zeichnungen sollen nun einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt einen Hydraulikbagger mit dem erfindungsgemäßen Schwenkwerk. Fig. 2 zeigt den Einbau des Drehwerkes in einen Turmdrehkran. Fig. 3 die Drauf­ sicht desselben. Fig. 4 zeigt einen Radialschnitt des Drehantriebes. Fig. 5 zeigt einen weiteren Radialschnitt durch ein Schwenkwerk für einen Hydraulikbagger. Fig. 6 zeigt die Eingriffspositionen der einzelnen Zahnsegmente von oben betrachtet. Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen eine beispielsweise Ausführungsform der einzelnen Zahnsegmente. In Fig. 10 wird die Konstruktion der Zahnform dargestellt. Fig. 11 zeigt die kinematischen Zusammenhänge in schematischer Darstellung.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind der Ober- und Unterwagen eines Hydraulikbaggers -1- mittels eines Großwälzlagers -7- drehbar mit­ einander verbunden. Im Bereich des Innenringes des Großwälzlagers -7-, wo sonst üblicherweise eine Stirnradverzahnung vorgesehen ist, befindet sich ein Rollenring -14-, bei welchem mittels zweier kreis­ ringförmiger Scheiben -15, 15a- Rollen -33- , um ihre eigene Achse drehbar, eingespannt sind (siehe Fig. 5). Am Oberwagen -2- ist das Drehwerksgetriebe -22- mit dem Hydraulikmotor -12- gelagert, das Getriebe -22- dreht sich also mit dem Oberwagen -2- mit, der mit dem Außenring des Großwälzlagers -7- verbunden ist. Der Innen­ ring des Großwälzlagers -7- ist mit dem Unterwagen -3- undrehbar verbunden, das Antriebsmoment des Ölmotors -12- stützt sich also auf den ruhenden Rollen -33- ab und bewirkt somit den Schwenkvorgang des Oberwagens -2-. In den Fig. 2 und 3 ist das Antriebssystem für den Einsatz in einem Turmdrehkran dargestellt. An einer Kran­ säule -17- ist ebenfalls mittels eines Großwälzlagers -7- ein Aus­ leger -16- drehbar befestigt. Das Getriebe -22- ist am Oberteil -16- angeflanscht, ebenso wie die beiden Motoren -12, 13-, welche in diesem Fall als Hydraulikmotoren dargestellt sind. Die beiden An­ triebswellen -20, 21- wirken ebenso wie in Fig. 1 direkt über nicht dargestellten Exzenter auf die Antriebssegmente -8, 9, 10-. Der Unter­ schied zwischen Fig. 1 und Fig. 3 besteht darin, daß die Antriebs­ elemente nach Fig. 3 am Außenring -7a- des Großwälzlagers -7- in Form einer fix umspannten Rollenkette -18- vorgesehen ist, währenddessen nach Fig. 1 sich die Antriebselemente als starr montier­ ter Rollenring -14- am Innenring -7b- befindet. Die Zahnsegmente -8, 9, 10- bzw. -11- (bei vier Segmenten) können sich also innerhalb od. außerhalb des Großwälzlagers -7- befinden. Wie in Fig. 1 und auch Fig. 2 dargestellt, besteht die Möglichkeit einen oder zwei Antriebsmotore -12, 13-, je nach erforderlicher Eintriebsleistung vorzusehen. In Fig. 4 ist die Antriebssituation für einen Drehkran näher dargestellt. Der Außenring -7a- des Großwälzlagers -7- trägt in einer Nut geführt eine Rollenkette -18-, welche über ein Gummi­ band -30- fest das Lager -7- umspannt. Um eine Längsverschiebung der Rollenkette -18- zu verhindern, sind Anschläge -31, 31a- vorge­ sehen, welche an den Laschen der Rollenkette -18- anstehen. In die Rollen der Rollenkette -18- greifen nun die vier Zahnsegmente -8, 9, 10, 11- ein, welche durch die Exzenter -26, 27, 28, 29- zu einer Parallelpendelbewegung gezwungen werden. Bei vier Zahnsegmenten -8, 9, 10, 11- sind diese jeweils um 90° versetzt angeordnet, woraus eine Erhöhung des Übertragungswinkels der Verzahnung resultiert. Nach Fig. 4 ist ein Elektromotor -23- vorgesehen, der die Ex­ zenterwelle direkt antreibt, ein zusätzliches Planetengetriebe kann daher entfallen! Das Getriebe -22- ist mit einer Konsole -32- mit dem schwenkbaren Oberteil verbunden; der Außenring -7a- des Groß­ wälzlagers -7- ist starr an der ruhenden Kransäule -17- montiert. Fig. 5 zeigt eine Detailansicht des Schwenkwerkes für einen Hy­ draulikbagger z. B. nach Fig. 1. Der Rollenring -14- der am gesamten Umfang um die eigene Achse drehbare Rollen -33- mit dem Abstand der Teilung "t" aufweist, ist mit dem Innenring -7b- des Großwälzlagers -7- fest über zwei Trägerringe -15, 15a- verschraubt und am relativ ruhenden Unterwagen -3- mittels der Schrauben -38- festgeklemmt. Der Oberwagen -2- steht mit dem Außenring -7a- in starrer Verbin­ dung. Eine Konsole -31- ist ebenfalls fix mit dem Getriebe -22- verbunden und gleichzeitig mit dem Oberwagen -2- verschraubt. Die Ölmotore -12, 13- treiben über die Kerbverzahnung -39- die beiden Exzenterwellen -20, 21- an, welche mittels der Lager -40, 41- im Getriebegehäuse -22- drehbar befestigt sind. Die Exzenterwellen -20, 21- sind über nicht dargestellte Paßfedern mit den Exzentern -26, 27, 28, 29- verbunden, welche am Außendurchmesser Wälzlager auf­ weisen, zum unmittelbaren Antrieb der Zahnsegmente -8, 9, 10, 11-.

In Fig. 6 ist die genaue kinematische Antriebssituation bei Ver­ wendung von drei Zahnsegmenten -8, 9, 10- dargestellt. Die Zahnseg­ mente -8, 9, 10- weisen je zwei Bohrungen -26′, 26a′, 27′, 27a′, 28′, 28a′- auf in welchen die Exzenter gelagert sind. Jeder Punkt der Zahnsegmente -8, 9, 10- beschreibt in bezug auf eine Achse normal zur Bewegungs­ ebene kleine, gleich große Kreise mit dem Radius "e". Die Zahn­ segmente -8, 9, 10- sind nach Fig. 6 um jeweils 120° an den Exzentern versetzt angeordnet. Wie in Fig. 6 erkennbar, sind alle drei Zahn­ segmente -8, 9, 10- ständig mit der Rollenkette -18- in Berührung. Dasjenige Zahnsegment -9-, welches im Augenblick einen aktuellen Beitrag zum Übertragungswinkel "µ" liefert, rollt gleichzeitig über seine gesamten Zähne an den Rollen der Rollenkette -18- ab. Das heißt, es sind immer alle Zähne im Eingriff, weshalb die Zahn­ segmente -8, 9, 10- auch nur aus relativ dünnen Scheiben ausgeführt sein brauchen! Bei der in der Praxis vorkommenden Exzentrizität "e" ist der Gleichlauf der Exzenterwellen -20, 21- gegeben, auch wenn nur ein Hydr. Motor -12- zum Antrieb verwendet wird. Bei kleineren Exzentrizitäten als ca. 8 mm wäre eine Gleichlaufeinrichtung in Form von Ketten, Zahnrädern und dgl. erforderlich. Die Fig. 7, 8, 9 zeigen die drei Zahnscheiben (1, 2, 3) bzw. Zahnsegmente -8, 9, 10- in einer beispielsweisen Ausführung mit der Zykloidenverzahnung -43-.

Die Verzahnung -43- ist dabei entlang ihres Teilkreises, welcher R+e, bzw. R-e als Radius aufweist (je nachdem ob sich das Ge­ triebe -22- innerhalb od. außerhalb des Großwälzlagers befindet, jeweils um einen Wert t/3 (bei drei Zahnsegmenten -8, 9, 10-) ver­ schoben. Die Konstruktion der Verzahnung -43- ist in Fig. 10 dar­ gestellt: Der Exzenterkreis -46- mit dem Durchmesser 2.e rollt auf dem Teilkreis -18- der Rollenkette od. dgl. ab und beschreibt da­ bei eine Epizykloide -47-. Die Hüllkurve der als Relativbewegung nachgeführten Kettenrolle -19- bestimmt die Zahnform -44- und -45-. Der Umfang des abrollend gedachten Exzenterkreises -46- entspricht genau der Teilung t=2.e.π, der Rollenkette bzw. des Rollenringes -14-. Das Übersetzungsverhältnis errechnet sich dabei zu: i=R/e, bzw. anders ausgedrückt ist der Übersetzungswert gleich der Anzahl der Rollen. Pro Umdrehung der Exzenterwellen -20, 21- wird also jeweils ein Vorschub von einer Kettenteilung erreicht.

Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung der gesamten Übertragungs­ kinematik anhand von vier Zahnsegmenten -8, 9, 10, 11-. Vorzugsweise wird man beim Bagger- bzw. Krandrehwerksantrieb vier Zahnsegmente -8, 9, 10, 11- verwenden, um einen größeren Übertragungswinkel zu gewährleisten. Wie in Fig. 11 dargestellt, greifen ja die Zahnseg­ mente -8, 9, 10, 11- nicht über den gesamten Umfang ein - was auch technisch nicht realisierbar wäre bei diesen großen Durchmessern - sondern nur in einem Bereich "1", einer Zahnsegmentlänge. Damit trotzdem ein kontinuierlicher Antrieb gewährleistet ist, müssen die Zahnsegmente -8, 9, 10, 11- ständig mit der Rollenkette -18- od. dgl. in Berührung stehen, abgesehen vom nötigen Flankenspiel in bestimmten Eingriffsbereichen. Befindet sich das Getriebe -22- außerhalb des Großwälzlagers -7-, wie in Fig. 11, beträgt der Teil­ kreisdurchmesser der Segmente -8, 9, 10, 11- das Maß R+e, bzw. R-e wenn sich das Getriebe -22-, wie bereits erwähnt innerhalb des Großwälzlagers befindet. In jedem Fall ist die Übersetzung R/e, welche bei den real vorkommenden Durchmesserbereichen ca. 1 : 100 beträgt, es kann also unmittelbar mit den Hydraulikmotoren -12, 13- od. mittels Elektromotoren -23- mit einer geringen Untersetzung eingetrieben werden. Die Punkte a, b, c, d in der Fig. 11 im Zentrum des Teilkreises -18- entsprechen exakt den Punkten a, b, c, d welche außerhalb des Teilkreises -18- liegen und stellen die Exzentermit­ telpunkte der Antriebsexzenter dar, welche Kreise mit dem Radius "e" beschreiben.

Damit sind nur einige Beispiele des Erfindungsgegenstandes beschrie­ ben worden, wobei im Rahmen der Erfindungsidee noch viele weitere Varianten denkbar wären. Z.B. ist es natürlich auch möglich an­ stelle einer Rollenkette -18- die herkömmliche Stirnradverzahnung für den Antrieb zu verwenden. Die Zahnformen sehen natürlich dann anders aus als in den Fig. 7, 8, 9 dargestellt, auch wäre dann der Vorteil der alleinigen Rollreibung nicht mehr gegeben. Die Her­ stellung der Zahnform erfolgt üblicherweise mittels eines Computer­ programmes, wobei nach Eingabe der Parameter die NC-Daten auto­ matisch generiert werden und somit die Zahnsegmente -8, 9, 10, 11- mittels einer NC-Maschine leicht hergestellt werden können.

Eine weitere Variante wäre, die anzutreibenden Elemente, Rollen­ kette usw. nicht direkt am Großwälzlager zu placieren, sondern in der Nähe davon, z. B. direkt am Unterwagen od. der Kransäule. Für besonders große Leistungen wäre es auch denkbar mehr als zwei An­ triebswellen -20, 21- vorzusehen. Ferner besteht auch die Möglich­ keit mehrere Antriebseinheiten -22- am Umfang des Großwälzlagers -7- verteilt vorzusehen.

Schließlich sei noch über einige Anwendungsfälle gesprochen. Die erfindungsgemäße Schwenk- bzw. Dreheinrichtung kann nicht nur für Raupen - und Radbagger sowie für Krane Verwendung finden, sondern auch für den Geschützturm an Panzerfahrzeugen und zum Schwenken großer Radarteleskope.

Claims (10)

1. Bagger bzw. Kran, bestehend aus einem Oberwagen und einem Unter­ wagen, bzw. einer Drehbühne und einem Portal, welche mittels eines Großwälzlagers drehbar miteinander verbunden sind und zur Durch­ führung der Schwenk- bzw. Drehbewegung ein hydraulisch od. elek­ trisch betriebenes Drehwerk aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehwerk aus einem an sich bekannten Getriebe (22) besteht, dessen Gehäuse mit den Motoren (12, 13, 23) am Oberwagen bzw. an der schwenkbaren Drehbühne (2, 16) befestigt ist, wobei das Getriebe (22) wenigstens drei Zahn- bzw. Antriebssegmente (8, 9, 10, 11) auf­ weist, welche eine Parallelkurbelbewegung durch zwei Exzenter­ wellen (20, 21) mit der Exzentrizität "e" ausführen und sich alle Zahnsegmente (8, 9, 10, 11) ständig im Eingriff mit einem, den Außen- bzw. Innenring (7a, 7b) des Großwälzlagers (7) starr umfassenden Rollenringes, z. B. einer Rollenkette (18) od. einem Rollenkranz (14) od. dgl. befinden, wobei der Umfang des Exzenterkreises (46) mit dem Radius "e" exakt der Rollen- bzw. Zahnteilung entspricht und das Profil (43) der Zahnsegmente (8, 9, 10, 11) durch die Hüllkurve (44,45) gebildet wird, welche durch Entlangführen des Mittelpunktes einer Rolle (19) der anzutreibenden Rollenkette (18), des Rollen­ kranzes (14) od. dgl. entlang der durch Abrollen des Exzenterkreises (46) mit dem Radius "e" am Teilkreis des Rollenringes (14, 18) gebildeten Epizykloide (47) entsteht, und wobei die Länge der 2.π/n - phasenverschoben arbeitenden Zahnsegmente (8, 9, 10, 11), bzw. die Anzahl der Zähne pro Zahnsegment (8, 9, 10, 11) in Relation zum Teilkreis des Rollenringes (14, 18) od. dgl., so gewählt wird, daß der minimale Übertragungswinkel "µ" des Getriebes (22) den Wert von ca. 40° nicht unterschreitet.

2. Bagger bzw. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in parallelen Ebenen arbeitenden Zahnsegmente (8, 9, 10, 11) in radialer Richtung innerhalb od. außerhalb des Großwälzlagers (7) angeordnet sind.

3. Bagger bzw. Kran, dadurch gekennzeichnet, daß zwei od. mehrere Getriebe (22) am Umfang des Wälzlagers (7) vorgesehen sind.

4. Bagger bzw. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rollenkranz (14) mit Hilfe von zwei Trägerringen (15, 15a) am Innenring (7b) des Großkugellagers (7) befestigt ist, wobei der Innenring (7b) mit denselben den Rollenkranz (14) haltenden Schrauben (38) am Unterwagen (3) festklemmbar ist.

5. Bagger bzw. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um den Außenring (7a) des Großkugellagers gespannte Rollen­ kette (18) unter Zwischenlegen einer elastischen Gummiunterlage (30) am Außenring (7a) anliegt und mittels Anschlagelementen (31, 31a) am Verschieben in Umfangsrichtung gehindert wird.

6. Bagger bzw. Kran, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Druck- und Rücklaufleitungen der beiden Hydraulik­ motore (12, 13) jeweils in eine gemeinsame Leitung münden, die Motoren (12,13) also parallel geschaltet sind.

7. Bagger bzw. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Exzenterwellen (20, 21) Gleichlaufeinrichtungen in Form von Kettentrieben, Zahnrädern und dgl. aufweisen.

8. Bagger bzw. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung (43) der Zahnsegmente (8, 9, 10, 11) um den Betrag t/n (n . . . Anzahl der Zahnsegmente) in Teilkreisrichtung pro benachbartem Segment verschoben ist.

9. Bagger bzw. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwellen (20, 21) die Zahnsegmente (8, 9, 10, 11) in einem rechten Winkel zur Bewegungsebene durchsetzend ausgebildet sind und die Exzenter (26, 27, 28, 29) mit außenliegenden Wälzlagern von den Exzenterwellen (20, 21) gleichzeitig angetrieben werden.

10. Bagger bzw. Kran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilkreisradius der Verzahnung (43) der Zahnsegmente (8, 9, 10, 11) je nach Position des Getriebes (22) zum Großwälzlager (7) einmal R+e beträgt (außenliegend) bzw. R-e (innenliegend). (R . . . Radius des Rollenringes bzw. der Rollenkette).