DE60120637T2

DE60120637T2 - Planetenradsatz

Info

Publication number: DE60120637T2
Application number: DE60120637T
Authority: DE
Inventors: Hansen Transmissions Int. NV Peter 2650 Edegem FLAMANG
Original assignee: Hansen Transmissions International NV
Current assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: WO2001057415A2; GB0002126D0; EP1252456B1; US20030125158A1; ES2266163T3; EP1252456A2; ATE330147T1; US6945901B2; GB0218788D0; DK1252456T3; WO2001057415A3; DE60120637D1; AU2001235893A1; GB2385644B; GB2385644A

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit gemäß der Einleitung von Anspruch 1 und offenbart in dem den nächstgelegenen Stand der Technik darstellenden Dokument WO 96/11338.
In einer Anzahl von Anwendungen werden mehr und mehr Einbau- und Leichtbaukonstruktionen eingeführt. Dies führt zu einer größeren Bedeutung von Durchbiegungen und örtlichen Verformungen. Dies gilt insbesondere im Fall einer Getriebeeinheit zum Einsatz in einer Windturbine und für welche Anwendung optionsweise vorgeschlagen wurde, ein Hohlrad zu nutzen, das direkt als Stütze für einen Innen- oder Außenlagerring wirkt.
Diese Erfindung spricht die Konsequenz von örtlicher Verformung des Hohlrads eines Planetenradsatzes durch den Durchlauf der Planetenräder bei der relativen Bewegung des Getriebesystems auf die Stützleistung an.
Wie in Diagrammform in 1 gezeigt, beinhaltet die resultierende Getriebekraft (Fn), die auf den Zahnradkontakt zwischen einem Planetenrad 10 und Hohlrad 11 wirkt, eine radiale (Fr) und eine tangentiale (Ft) Komponente. Auch Axialkräfte können auftreten, beispielsweise, wenn Schrägstirnräder 10 verwendet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung danach strebt, alle Komponenten der auftretenden Kräfte zu berücksichtigen, versteht es sich, dass beispielsweise die Radialkraft zu beträchtlichen örtlichen elastischen Verformungen des Hohlrads führen kann. Wenn die Getriebeeinheit in Betrieb ist, wird diese Verformung das Hohlrad mit einer Geschwindigkeit durchlaufen, die synchron zu den bewegenden Planetenrädern, d.h., zu dem Planetenträger 12 ist.
Die Größenordnung dieser Verformung wird von den Kräften und den umgebenden strukturellen Steifigkeiten abhängen.
Bei typischen Planetengetriebeeinheiten des Standes der Technik ist der Planetenträger 20 (siehe 2) in Lagern 21 montiert, die mittels eines Zwischenflanschs oder Gehäuses 23 in dem Hohlrad 22 zentriert sind.
Dies bedeutet, dass etwaige örtliche Verformungen des Hohlrads aufgrund des Durchlaufs der Planetenräder von diesem Zwischenflansch oder Gehäuse gleichmäßiger verteilt werden. Somit werden die Lager, wenn eine Last, beispielsweise äußere Kräfte von den Rotoren einer Windturbine, auf sie angelegt werden, mit Lasten arbeiten, die relativ gut über die verschiedenen Rollkörper der Lager verteilt sind.
Die 3a bis d zeigen Beispiele einer integrierteren und leichter gebauten Konstruktion, wo die Anwendung, wie etwa ein Windturbinenrotor, direkt oder mittels eines Flanschs mit dem Planetenträger (3a, 3b, 3c) oder mit dem Hohlrad (3d) verbunden sein kann. Auch müssen äußere Kräfte, die von der angeschlossenen Anwendung kommen können, von der Konstruktion getragen werden.
Aufgrund des Einbaus verändern sich die strukturellen Steifigkeiten des Systems, und in dem Zahnradkontakt zwischen Planeten und Hohlrad wirkende Kräfte können nun zu beträchtlichen lokalen Durchbiegungen des bzw. der Lager führen,

– in 3a, 3c und 3d wird sich der Außenring 30 der Lager beim Durchlauf der Planetenräder 31 örtlich verformen.
– In 3b, einer Variante von 3a, wird sich der Innenring 32 des Lagers beim Durchlauf der Planetenräder 34 örtlich verformen.

Wie aus den Beispielen in 3 ersichtlich ist, ist es stets der mit dem Hohlrad 35 verbundene oder damit integrierte Lagerring, der unter dem obengenannten Typ von Verformung leidet. Per Definition hierin nennen wir diesen Lagerring A, während der andere Lagerring, der synchron mit dem Planetenträger rotiert (einschließlich stillstehend), Lagerring B genannt wird.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, eine Getriebeeinheit zu verschaffen, welche einen Planetensatz umfasst, worin die vorangehend beschriebenen Schwierigkeiten abgemildert oder überwunden sind. Eine solche Getriebeeinheit wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 verschafft.
Die vorliegende Erfindung verschafft somit eine Lagerring-B-Konstruktion, welche die örtlichen Veränderungen der Geometrie des Lagerrings kompensiert. Da der Lagerring B synchron zum Planetenradträger rotiert (oder steht (wie in 3d)), werden die von den Planetenrädern verursachten Verformungswellen synchron mit der vorkompensierten Lagerring-B-Konstruktion mitrotieren. Daher wirkt die Vorkompensation in allen Rotationspositionen des Getriebesystems.
Es wird nun auf die Querschnittsansicht in 4 (welche eine Querschnittsansicht von 3b ist), und Anhang A, welcher ein Schlüssel zu 4 ist, verwiesen, um, nur als Beispiel, eine Ausführung der Erfindung zu beschreiben. Diese wird im Verhältnis zu der vorgenannten Konstruktion von 3b beschrieben. Wenn die Vorkompensationskonstruktion nicht eingesetzt wird, so würden die Rollelemente 6 des Lagers zwischen der verformten Außenkontur b des Hohlrads 3 und Kontur (c) des Lageraußenrings 5 zusammengedrückt. Die Konstruktion mit Vorkompensation führt zu einer Kontur (d) des Lageraußenrings 5, wodurch ein unerwünschtes Zusammendrücken der Rollelemente 6 vermieden wird und eine bessere Verteilung von auf das Lager angelegten Lasten herbeigeführt wird.
Dies führt zu Vorteilen, wie etwa niedrigerem Gewicht des Hohlrads 5 aufgrund verringerter erforderlicher Steifigkeit und Auswahl von (einem) kleineren oder preisgünstigeren Lagertyp(en). Auch kann die gesamte strukturelle Steifigkeit besser gesteuert werden, was zu dem Potential für verbessertes dynamisches Verhalten des gesamten Anwendungssystems führt.
Dementsprechend erwägt die Erfindung einen Planetenradsatz mit wenigstens einem Lager, das den Planetenträger relativ zu dem Hohlrad anordnet und wobei Lagerring A, welcher der innere oder der äußere Ring des bzw. der besagten Lager sein kann, aufgrund der Wirkung des Planetenraddurchlaufs in dem Hohlrad örtlich verformt wird, wobei der Lagerring B, der synchron mit dem Planetenradträger rotiert (einschließlich Stillstehen) so vorkompensiert wird, dass durch die örtliche Verformung des Lagerrings A verursachtes Zusammendrücken der Rollelemente oder Lastkonzentrationen oder örtliches Lastfreimachen (wie dies in den 3a, 3c und 3d der Fall wäre) vermieden wird.
Optionen zur Erzielung von Vorkompensationen umfassen:

– Vorkompensation durch Anpassen der Laufringgeometrie von Lagerring B.
– Vorkompensation durch Anpassen der Außenflächengeometrie von Lagerring B.
– Vorkompensation durch Anpassen der Stützgeometrie beispielsweise durch einen zentrierenden Zapfen von Lagerring B.
– Vorkompensation durch Anpassen der Stützstruktur von Lagerring B durch Versehen der Stützstruktur mit einer Steifigkeit, die es der Stützstruktur gestattet, die Planetenradbewegungen elastisch zu kompensieren.
– Vorkompensation durch Anpassen der Stützstruktur, an oder in der der Lagerring B sich befindet, mit Vorlast.

Die Anpassung zur Erzielung von Vorkompensation wird vorzugsweise durch selektive Dimensionierung bewirkt, beispielsweise indem Bauteilabmessungen größer oder kleiner als normal gemacht werden. Die selektive Dimensionierung kann Vorkompensation erzielen, indem sie entweder zu elastischer oder geometrischer Kompensation führt.
Eine Getriebeeinheit 50 der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung in einer Windturbine (siehe 5) zur Drehmomentübertragung zwischen den Rotoren 51 und einem an der Spitze eines Turms 53 montierten elektrischen Generator 52.

ANHANG A

Schlüssel zu Fig. 4

1: Sonnenantriebsritzel
2: Planetenrad
3: Hohlrad
4: Planetenträger
5: Äußerer Lagerring (rotiert synchron mit Planetenträger – siehe 3b)
6: Lagerrollsystem
a: Nicht verformte Außenkontur von Hohlrad
b: Verformte Außenkontur von Hohlrad
c: Innenkontur von äußerem Lagerring ohne vorkompensierte Konstruktion
d: Innenkontur von äußerem Lagerring mit vorkompensierter Konstruktion
e: Versetzter Bereich der Innenkontur des äußeren Lagerrings
n₁: Rotationsgeschwindigkeit des Planetenträgers
n₂: Rotationsgeschwindigkeit des Außenrings des Lagers

Claims

Eine Getriebeeinheit, umfassend einen Planetenradsatz, welche wenigstens eine Lagerkonstruktion aufweist, die einen Planetenträger (4) rotierbar relativ zu einem Hohlrad (3) anordnet, wobei ein erster Lagerring (A) besagter Lagerkonstruktion örtlicher Verformung unterworfen ist, wenn der Planetenträger relativ zu dem Hohlrad (3) rotiert, wobei besagte Lagerkonstruktion einen zweiten Lagerring (B) umfasst, der synchron mit dem Planetenträger rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass besagter zweiter Lagerring (B) vorkompensiert ist, wodurch, im Vergleich zu einem nicht vorkompensierten zweiten Lagerring, radiales Zusammendrücken der Rollelemente des Lagers oder Lastkonzentrationen oder örtliches Lastfreimachen der Rollelemente des Lagers verringert wird, wobei besagter zweiter Lagerring (B) eine nicht-zylindrische Oberfläche für den Kontakt durch Lager-Rollelemente umfasst, wobei besagter zweiter Lagerring (B) eine Anzahl von Oberflächenzonen von zylindrischer Form, die mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Zonen abwechseln, umfasst, welche radial von besagter zylindrischer Oberfläche versetzt liegen, wobei die Anzahl besagter, in Umfangsrichtung beabstandeter Zonen gleich der Anzahl von Planetenradpositionen ist.
Eine Getriebeeinheit gemäß Anspruch 1, wobei Vorkompensation durch Anpassen der Laufringgeometrie von Lagerring (B) erzielt wird.
Eine Getriebeeinheit gemäß Anspruch 1, wobei Vorkompensation durch Anpassen der Außenflächengeometrie von Lagerring (B) erzielt wird.
Eine Getriebeeinheit gemäß Anspruch 1, wobei Vorkompensation durch Anpassen der Stützgeometrie erzielt wird.
Eine Getriebeeinheit gemäß Anspruch 1, wobei Vorkompensation durch Versehen der Stützstruktur mit einer Steifigkeit erzielt wird, wodurch es besagter Stützstruktur ermöglicht wird, Verformung des Lagerrings (B) während der Bewegung der Planetenräder elastisch zu kompensieren.
Eine Getriebeeinheit gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wobei Vorkompensation wenigstens zum Teil durch selektive Vorbelastung einer Stützstruktur, an oder in der sich der Lagerring B befindet, erzielt wird.
Eine Windturbinen-Zahnradgetriebebaugruppe, welche eine Getriebeeinheit gemäß einem der vorgenannten Ansprüche umfasst.