EP4695535A1 - Getriebewelle für ein planetengetriebe - Google Patents

Getriebewelle für ein planetengetriebe

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Publication number
EP4695535A1
EP4695535A1 EP24717674.6A EP24717674A EP4695535A1 EP 4695535 A1 EP4695535 A1 EP 4695535A1 EP 24717674 A EP24717674 A EP 24717674A EP 4695535 A1 EP4695535 A1 EP 4695535A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
coupling point
gear
wind
axial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24717674.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian REISCH
Christian König
Marco Rühl
Michael Vennemann
Christof Sigle
Alexander Kari
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Flender GmbH
Original Assignee
Flender GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Flender GmbH filed Critical Flender GmbH
Publication of EP4695535A1 publication Critical patent/EP4695535A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/02—Gearboxes; Mounting gearing therein
    • F16H57/028—Gearboxes; Mounting gearing therein characterised by means for reducing vibration or noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/02—Gearboxes; Mounting gearing therein
    • F16H57/021—Shaft support structures, e.g. partition walls, bearing eyes, casing walls or covers with bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/08—General details of gearing of gearings with members having orbital motion
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H2057/02034—Gearboxes combined or connected with electric machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H2057/02039—Gearboxes for particular applications
    • F16H2057/02078—Gearboxes for particular applications for wind turbines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine
    • H02K7/1838—Generators mounted in a nacelle or similar structure of a horizontal axis wind turbine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a gear shaft, in particular a sun shaft, for a planetary gear, with the aid of which a torque transmission can be achieved.
  • the invention relates to a planetary stage, in particular a planetary gear, with such a gear shaft, a wind gear with such a planetary stage, a drive train with such a wind gear, a use of such a gear shaft and a data agglomerate for the additive manufacturing and/or simulation of such devices.
  • a transmission shaft designed as a sun shaft of a wind transmission in which a torque introduced at a sun shaft toothing flows in different axial directions on two different radii in a common partial area until it is attached to a rotor carrier of a rotor of a generator, wherein a protruding radially inside the rotor
  • the shaft end of the transmission shaft is mounted radially in a motion-resistant manner via a screwed-on cover.
  • EP 2 461 030 A2 discloses a transmission shaft designed as a sun shaft of a wind transmission, the shaft end of which projects into a generator, where the shaft end is connected via a spline to a hub, which is connected to a rotor carrier of a rotor of the generator and is partially mounted in a radially motion-proof manner on a generator housing in a common axial region with the transmission shaft via two rolling bearings that are clearly spaced apart from one another.
  • a transmission shaft designed as a sun shaft for a double planetary gear set of a wind gear arranged one behind the other in the axial direction is known, with which a shaft projecting into a generator is fastened, to which a coupling is fastened via a spline, with the aid of which a rotor of the generator can be coupled.
  • One aspect of the invention relates to a transmission shaft, in particular a sun shaft, for a planetary gear, with a first coupling point, in particular gearing, for introducing a torque and a second coupling point for discharging the torque, in particular to a rotor shaft of a generator, wherein a path of a torque flow running from the first coupling point to the second coupling point is formed and the axial portions of the path along which the torque flow flows are greater than an axial distance between the first coupling point and the second coupling point, wherein a freely oscillating shaft end is formed in a common axial partial region in which the torque flow flows on different radii in opposite axial directions.
  • the sum of the axial parts of the torque flow that the torque flow flows along the specified path for the torque flow is greater than the axial distance between the coupling points.
  • the torque flow over the gear shaft does not take the shortest path between the first coupling point and the second coupling point. Instead, the torque flow can, at least in the common partial area, be partially directed in one axial direction and radially displace this part again in flow back in the opposite axial direction.
  • the torque flow can, for example, come from the first coupling point and be guided along a first diameter past the second coupling point, then be diverted to a second diameter that is different from the first diameter and travel along the second diameter in the opposite direction past the torque flow on the first diameter to the second coupling point.
  • the path of the torque flow can have a serpentine, meandering and/or zigzag-shaped course between the coupling points, so that a detour results for the torque flow compared to the distance between the coupling points.
  • the increased effective length leads to a reduced rigidity of the transmission shaft and thus to a significantly lowered natural frequency of the overall system, in particular wind transmission and/or drive train of a wind turbine in which this transmission shaft is used. It is also possible to design the transmission shaft to be particularly torsionally soft and/or flexible. This avoids resonance vibrations, so that damage and/or unnecessary noise emissions can at least be reduced.
  • Vibration dampers and/or vibration absorbers that would otherwise be required can be dispensed with, so that the installation space required and the manufacturing costs can be reduced.
  • the function of a vibration damper and/or a vibration absorber can be implemented by the freely oscillating shaft end in the common axial section.
  • the freely oscillating shaft end can oscillate in the radial direction within the scope of its elastic deformation capacity, comparable to a rod attached on one side, whereby the natural frequency of this oscillation can be defined by the extent of the axial protrusion of the freely oscillating shaft end.
  • a drive train of a wind turbine can be provided with a so-called mid-speed drive train concept, in which a generator of the wind turbine is to be operated at a speed between 100 rpm and 1000 rpm and a wind gearbox interposed between the wind turbine rotor and the generator is to provide a gear ratio between 10 and 80.
  • a gear shaft designed as a conventional sun shaft of a planetary stage and/or a planetary gear of the wind gearbox would lead to a natural frequency of approx.
  • the transmission shaft is designed to transmit the entire torque that occurs.
  • the transmission shaft can preferably be used as an input shaft and/or as Output shaft of a planetary gear, for example as a planet carrier shaft and/or sun shaft. If the gear shaft is provided in the power direction of the torque flow between two planetary stages, the gear shaft can preferably be used both as a sun shaft for one planetary stage and as a planet carrier shaft for the other planetary stage.
  • the gear shaft is preferably designed and/or dimensioned to introduce the entire torque that occurs into the planetary stage and/or into the planetary gear and/or to discharge it from the planetary stage and/or from the planetary gear by rotating about a main axis of rotation of a planetary stage and/or planetary gear.
  • the gear shaft can have a first shaft area for transmitting the torque along an axial torque flow, a second shaft area for transmitting the torque along an axial torque flow opposite to the first shaft area, and a disk area for transmitting the torque between the first shaft area and the second shaft area along a radial torque flow, wherein the first shaft area and the second shaft area overlap one another in the common axial sub-area when viewed in the axial direction.
  • the path of the torque flow is provided on different radii in the first shaft area and in the second shaft area.
  • the disk area can define an axial end section which is part of the freely oscillating shaft end, wherein in particular the disk area experiences the maximum amplitude of the oscillation occurring in the area of this common axial sub-area.
  • a third shaft region is provided for transmitting the torque along an axial torque flow opposite to the second shaft region and a further disk region connecting the second shaft region to the third shaft region is provided for transmitting the torque between the second shaft region and the third shaft region along a radial torque flow.
  • the further disk region can define an axial end section which is also part of a freely oscillating shaft end, with the further disk area in particular experiencing the maximum amplitude of the vibration occurring in the area of this common axial sub-area.
  • the axial extent of the axial sub-area and the freely oscillating shaft end can be increased with a compact structure of the overall system.
  • a third shaft area is provided and thus three shaft areas are provided on three different radii, it is even possible to form two different freely oscillating shaft ends.
  • the respective shaft area can each be formed by a separately designed (hollow) shaft, which are each connected to one another directly or indirectly to form the multi-piece gear shaft, in particular screwed or pinned, with the respective connection in particular being designed as a connection that is fixed in motion in the radial direction and in the axial direction and in the circumferential direction.
  • all shaft areas of the gear shaft are tubular and/or designed as a hollow shaft.
  • the axial extension 1 of the shaft end freely oscillating in the common sub-region is greater than an inner diameter di of the radially smallest shaft region within the common sub-region, wherein in particular 0.1 ⁇ di/1 ⁇ 1.0, preferably 0.2 ⁇ di/1 ⁇ 0.9, more preferably 0.3 ⁇ di/1 ⁇ 0.7 and particularly preferably 0.4 ⁇ di/1 ⁇ 0.5 applies.
  • the torque flow that flows from the first coupling point to the second coupling point essentially comprises the entire torque introduced at the first coupling point. Any frictional moments and/or bearing moments that may occur are not taken into account here.
  • every area of the transmission shaft in particular all shaft areas and all disk areas in the path of the torque flow between the first coupling point and the second coupling point, is designed to transmit the maximum torque provided at the first coupling point.
  • Bearings provided for supporting the transmission shaft for example rolling bearings and/or plain bearings, are not considered to transmit torque and are not considered to be part of the transmission shaft, so that the bearings are not considered to be part of the path for the torque flow through the transmission shaft.
  • the transmission shaft has only exactly the two coupling points via which the torque flow is exchanged between the transmission shaft and another transmission component.
  • a third coupling point with the help of which a power-split transmission, for example a summation transmission or transfer case, can be formed, is avoided.
  • a power-split transmission for example a summation transmission or transfer case
  • a closed power path via fixed components, in particular via a housing is not taken into account when considering the torque flow.
  • the associated transmission is designed to transmit over 95%, in particular over 98%, of the input-side power along the torque flow to an output shaft leaving the transmission.
  • the transmission shaft is unsupported beyond the second coupling point, as viewed from the first coupling point, so that the transmission shaft can oscillate freely at least from the second coupling point onwards, whereby the natural frequency of the overall system capable of oscillation can be shifted and/or disturbing frequencies can be eliminated or at least dampened.
  • the entire transmission shaft is unsupported, with the transmission shaft in particular only being supported indirectly via the support of the torque-transmitting component upstream in the torque flow along the power direction and/or the torque-transmitting component downstream in the torque flow along the power direction.
  • the first coupling point can couple a torque-transmitting component that is positioned upstream in the torque flow along the power direction.
  • the first coupling point can be designed as a toothing, whereby the toothing can represent the toothing of a sun gear that is connected in one piece, or as a toothing, in particular short toothing, for the rotationally fixed connection, in particular via a plug-in toothing, of the sun gear with the transmission shaft designed as a sun shaft.
  • the first coupling point can be designed as a flange of a flange connection which enables a detachable attachment to the upstream component.
  • the first coupling point can form a permanent connection with the component designed in particular as a planet carrier of an upstream planetary stage.
  • the transmission shaft can be coupled to the upstream component, for example, by welding, soldering, molding or even by a one-piece design.
  • the transmission shaft protrudes from a significantly larger diameter of the upstream component, in particular a carrier cheek of a planet carrier, in the axial direction, wherein the first coupling point of the transmission shaft is formed on the axial side of the component with the larger diameter on the side of the transmission shaft.
  • the first coupling point can also be designed as a tongue/groove connection, in particular a keyway connection or as a (spur gear) toothing or press fit, which results in a recognizable axial extension for the first coupling point.
  • a torque-transmitting component arranged downstream in the torque flow along the power direction can be coupled to the second coupling point of the transmission shaft.
  • the downstream torque-transmitting component is in particular a rotor shaft of a generator, to which a rotor of an electrical machine is connected in a rotationally fixed manner.
  • the rotor in particular has permanent magnets that can interact electromagnetically with electromagnets of a stator of the electrical machine.
  • the rotor shaft connected to the rotor extends at least partially within the generator, preferably radially within a generator housing.
  • the rotor shaft can preferably extend in one piece into the gear of the transmission shaft and thereby simultaneously form an output shaft of the transmission that protrudes from the transmission, in particular from a transmission housing.
  • the rotor shaft is mounted in particular on the generator housing, on the transmission housing and/or on an intermediate piece or partition wall between the transmission and the generator, preferably via a rolling bearing.
  • the rotor shaft can be provided with a coaxial to the rotor shaft and the output shaft of the gearbox protruding from the gearbox, for example via a spring/groove connection, a flange connection and/or a shrink disk.
  • it is the output shaft that is mounted on the gearbox housing, on the generator housing and/or on an intermediate piece or partition between the gearbox and the generator via a separate bearing, in particular a roller bearing, and forms the torque-transmitting component for the gearbox shaft downstream along the power direction.
  • the torque-transmitting component downstream in the torque flow along the power direction can be designed as part of a planetary gear, in particular a sun gear or planetary gear.
  • the torque flow from the first coupling point to the second coupling point preferably runs exclusively via unsupported axial regions of the gearbox shaft.
  • Direct or indirect mounting of the gearbox shaft can only be provided outside of those axial regions of the gearbox shaft that are not provided for the torque flow in the power direction. In this case, a directly mounted shaft, through whose bearing point the torque flow passes in the power direction, is no longer part of the transmission shaft, but a separate shaft different from the transmission shaft.
  • the second coupling point can be designed as a toothing, in particular short toothing, with which a corresponding toothing of the output shaft of the transmission and/or a rotor shaft of the generator can be coupled in a rotationally fixed manner, in particular via a plug-in toothing.
  • the toothing of the second coupling point can be used as a toothing for a planet carrier and/or a sun gear and/or planet gears of a planetary stage and/or for a spur gear toothing.
  • the toothing of the second coupling point can be designed with straight teeth or helical teeth.
  • the toothing is preferably crowned in order to facilitate assembly and/or to allow the transmission shafts to tilt within predetermined limits.
  • the second coupling point is preferably designed as a flange so that the transmission shaft can be screwed to an output shaft of the transmission and/or a rotor shaft of the generator. Unnecessary wear can thus be avoided and the rigidity and the Natural frequency of the drive train can be further reduced.
  • the second coupling point can also be designed as a spring/groove connection, in particular a keyway connection or as a (spur gear) toothing or press fit, which results in a recognizable axial extension for the second coupling point.
  • the transmission shaft protrudes a distance of approx. (W-A)/2 from the second coupling point in an axial direction pointing away from the first coupling point.
  • this detour can be suitably dimensioned depending on the installation space situation and the speeds occurring in order to set the natural frequency of the drive train in a range that is far enough away from the excitation frequencies that occur in order to at least reduce or even avoid resonance effects and noise emissions.
  • a total extension L of the transmission shaft is greater than the distance A between the axial sides of the first coupling point and the second coupling point facing away from one another, where 1.01 ⁇ L/A ⁇ 6.0, in particular 1.05 ⁇ L/A ⁇ 4.0, preferably 1.10 ⁇ L/A ⁇ 2.0 and particularly preferably 1.25 ⁇ L/A ⁇ 1.75.
  • This allows the transmission shaft to protrude from the second coupling point by a distance of LA in an axial direction pointing away from the first coupling point.
  • the torque flow can in particular experience a deliberately intended detour of length approximately 2(LA) in relation to the distance A of the coupling points.
  • the length of this detour can be suitably dimensioned depending on the installation space situation and the speeds occurring in order to set the natural frequency of the drive train in a range that is far enough away from the tooth engagement frequencies that occur in order to at least reduce or even avoid resonance effects and noise emissions.
  • the transmission shaft can in particular project without bearings.
  • 0.5 ⁇ S/B ⁇ 10.0 in particular 1.0 ⁇ S/B ⁇ 8.0, preferably 1.5 ⁇ S/B ⁇ 5.0 and particularly preferably 2.0 ⁇ S/B ⁇ 4.0 can apply.
  • the transmission shaft particularly preferably has a first shaft, a second shaft and in particular at least one intermediate shaft, wherein the first coupling point is directly connected to the first shaft and the second coupling point is directly connected to the second shaft, which is different from the first shaft and is connected to the first shaft directly or indirectly, in particular via the at least one intermediate shaft, in a rotationally fixed manner, wherein the first shaft and the second shaft, viewed in the radial direction, at least partially overlap one another in a common axial region, wherein in particular the at least one intermediate shaft is arranged in the radial direction within the common axial region in the radial direction between the first shaft and the second shaft.
  • the first shaft and the second shaft as well as the at least one intermediate shaft, if provided, can be inserted into one another in the axial direction, in particular coaxially, so that a radial nesting of the transmission shaft results, in which the individual (partial) shafts of the transmission shaft share a common axial region on different diameters that do not interfere with one another.
  • the common axial region can in particular comprise the partial region of the transmission shaft in which the freely oscillating shaft end is formed. The torque flow can thus flow in a zigzag pattern over the individual shafts, resulting in a large effective length for the transmission shaft in a small installation space.
  • An effective length desired for a certain natural frequency of the overall system capable of vibrating can be achieved over a plurality of shafts in the radial direction if sufficient installation space is required.
  • the first shaft has an outer diameter dl and the second shaft has an outer diameter d2, wherein for a ratio defined as dl/d2 or d2/dl V 1.01 ⁇ V ⁇ 5.0, in particular 1.05 ⁇ V ⁇ 3.0, preferably 1.10 ⁇ V ⁇ 2.0 and particularly preferably 1.25 ⁇ V ⁇ 1.5 applies.
  • the diameters of the shafts differ sufficiently that at least one of the shafts can be designed as a hollow shaft and, apart from the rotationally fixed connection, can accommodate this shaft in its interior without any stops on the other shaft.
  • the rotationally fixed connection of the first shaft to the second shaft or to the intermediate shaft in particular designed as a spline or flange connection, is formed in the axial direction outside an axial region of the first coupling point and the second coupling point and outside an axial gap between the first coupling point and the second coupling point.
  • the rotationally fixed connection of the first shaft to the second shaft or to the intermediate shaft immediately following in the direction of the torque flow can thus be formed in an area that projects away from the second coupling point in a direction away from the first coupling point. Unnecessary stiffening of the transmission shaft by the rotationally fixed connection can be avoided or at least reduced by the additional effective length of the transmission shaft for the torque flow.
  • the first shaft is designed axially next to the first coupling point and/or the second shaft is designed axially next to the second coupling point and in each case axially next to the rotationally fixed connection as a hollow shaft with a wall thickness s, wherein, based on a length 1 of the first shaft and/or the second shaft outside the respective coupling point and outside the rotationally fixed connection, 0.01 ⁇ s/1 ⁇ 0.50, in particular 0.02 ⁇ s/1 ⁇ 0.25, preferably 0.03 ⁇ s/1 ⁇ 0.15 and particularly preferably 0.05 ⁇ s/1 ⁇ 0.10.
  • an elastically deformable damper element and/or, in particular switchable and/or controllable, coupling element contacting the first shaft and the second shaft or the intermediate shaft and/or the second shaft and the intermediate shaft is provided.
  • the damper element can in particular be made from an elastomer and/or an artificial or natural rubber, in particular rubber.
  • the damper element can at least limit a relative tilting of the respective contacted shafts to one another in the manner of a spacer.
  • the damper element which preferably has a progressive spring characteristic, can allow an elastic deformation, in particular torsion and/or bending of the shaft, to a sufficient extent.
  • the coupling element can be a rigid coupling, for example a steel disk coupling.
  • the activated damping can prevent damage to transmission components, while outside critical speed ranges, the damper element and/or the clutch element can be protected and unnecessary power losses due to friction effects can be avoided.
  • Switching can, for example, be automated in response to a sensor signal and/or in response to a switching element that can be actuated by centrifugal force.
  • a further aspect relates to a planetary stage, in particular a planetary gear, with a gear shaft, in particular designed as a sun shaft, which can be designed and further developed as described above, wherein preferably the first coupling point is in a common axial region with planetary gears and/or a ring gear of the planetary stage and the second coupling point is arranged at an axial distance from the planetary gears and/or the ring gear.
  • the second coupling point can be arranged in a common axial region with planetary gears and/or a ring gear of the planetary stage, while the first coupling point is arranged at an axial distance from the planetary gears and/or the ring gear.
  • a further aspect relates to a wind gear for speed conversion in a drive train of a wind turbine, with at least one planetary stage, which can be designed and developed as described above, and a gear housing, wherein in particular the gear housing, viewed in the radial direction of the gear shaft, completely or only partially covers the gear shaft, wherein preferably the gear housing covers both the first coupling point and the second coupling point of the gear shaft.
  • a part of the gear shaft of the planetary stage can protrude from the gear housing on the generator side, while both the first coupling point and the second coupling point are arranged within the gear housing.
  • a further aspect relates to a drive train for a wind turbine, with a wind gearbox, which can be designed and developed as described above, for converting a torque that can be introduced by a wind rotor and a generator coupled to the wind gearbox for generating electrical energy from the torque flow introduced with the aid of the wind gearbox, wherein in particular the entire torque flow introduced into the generator runs via the gearbox shaft.
  • the extended path of the torque flow allows the rigidity and the natural frequency of the drive train to be reduced, which enables a reduction in disruptive vibrations in a wind gearbox.
  • the gear shaft of the wind gearbox projects into the generator and the first coupling point is provided in the wind gearbox, wherein the second coupling point is provided within the wind gearbox or within the generator.
  • the gear shaft can be fastened to the output shaft of the wind gearbox and/or the rotor shaft of the generator on the gearbox side, i.e. pointing towards the first coupling point and/or between the first coupling point and a rotor or rotor carrier of the generator.
  • the gear shaft can be fastened to the output shaft of the wind gearbox and/or the rotor shaft of the generator on the generator side, i.e.
  • the second coupling point is fastened to a generator-side axial end of the generator shaft, in particular via a flange connection.
  • the second coupling point can also be provided at an axial end of the output shaft on the generator side, so that the generator shaft and/or the rotor carrier can be connected to the second coupling point on the generator side.
  • the natural frequency f of the drive train is 10 Hz ⁇ f ⁇ 150 Hz, preferably 20 Hz ⁇ f ⁇ 100 Hz, more preferably 30 Hz ⁇ f ⁇ 80 Hz and particularly preferably 40 Hz ⁇ f ⁇ 75 Hz.
  • the gear shaft is provided in a last gear stage of the wind gearbox, which is to be connected to the rotor shaft of the generator, a significant shift in the critical natural frequencies or modes can be achieved. This means that the occurrence of resonance vibrations during operation and/or noise emissions can at least be reduced with little design effort.
  • a natural frequency f of the wind turbine of 10 Hz ⁇ f ⁇ 150 Hz, preferably 20 Hz ⁇ f ⁇ 100 Hz, more preferably 30 Hz ⁇ f ⁇ 80 Hz and particularly preferably 40 Hz ⁇ f ⁇ 75 Hz.
  • the gear shaft is provided in a last gear stage of the wind gearbox, which is to be connected to the rotor shaft of the generator, a significant shift in the critical natural frequencies or modes can be achieved.
  • the expected excitation frequencies that can be generated by the wind rotor are also taken into account.
  • the frequencies generated by a nacelle in which the drive train is housed and/or those generated by a tower on The expected excitation frequencies that can be generated at the tip of which the nacelle is intended must be taken into account.
  • a further aspect relates to the use of a gear shaft, which can be designed and further developed as described above, in a planetary gear for the purpose of reducing audible structure-borne noise and/or airborne noise and/or resonance vibrations.
  • the planetary gear is in particular part of a planetary stage, which can be designed and further developed as described above, and/or part of a wind gear, which can be designed and further developed as described above, and/or part of a drive train, which can be designed and further developed as described above, and/or part of a wind turbine, which can be designed and further developed as described above.
  • the gear shaft is used in particular to transmit the entire torque that occurs.
  • the gear shaft can preferably be used as an input shaft and/or as an output shaft of the planetary gear, for example as a planet carrier shaft and/or sun shaft.
  • the gear shaft can in particular introduce the entire torque that occurs into the planetary gear and/or discharge it from the planetary gear by rotating about a main axis of rotation of the planetary gear. Due to the extended path of the torque flow, the stiffness and the natural frequency of the overall vibrating system with the gear shaft can be reduced, which enables a reduction of disturbing vibrations in a planetary gear.
  • a further aspect relates to a data agglomerate with data packets summarized in a common file or distributed across different files for depicting the three-dimensional shape design and/or the interactions of all the components in the transmission shaft, which can be designed and further developed as described above, or the planetary stage, which can be designed and further developed as described above, or the wind gear, which can be designed and further developed as described above, or the drive train, which can be designed and further developed as described above, provided components, wherein the data packets are prepared to carry out an additive manufacture of the components of the gear shaft or the planetary stage or the wind gear or the drive train, in particular by 3D printing, when processed by a data processing device for operating a machine tool for the additive manufacture of devices and/or to carry out a simulation of the functioning of the gear shaft or the planetary stage or the wind gear or the drive train when processed by a data processing device for carrying out a technical simulation and to generate
  • the data packets of the data agglomerate are specially adapted to the inventive design of the respective inventive device described above in order to be able to adequately depict the inventive interaction of the components of the inventive device during processing in the data processing device.
  • the data packets can in particular be stored in a spatially distributed manner, but adapted to one another in such a way that, in the event that all data packets are brought together in a common data processing device, the data agglomerate thus assembled provides all the data required for additive manufacturing and/or technical simulation with the aid of the data processing device for the inventive device.
  • the data packets are each separate parts of a data library (“library”), which are brought together to form the data agglomerate and adapted to one another with regard to their relative dimensions to one another and/or absolute dimensions and/or material properties corresponding to the respective inventive device.
  • the data agglomerate can be in the form of a so-called "digital twin" represent a virtual embodiment of the respective device according to the invention, which enables a virtual examination in the form of a simulation or a real objectification with the help of an additive manufacturing process.
  • a digital twin is shown, for example, in US 2017/286572 Al, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference as part of the invention.
  • the device according to the invention is produced so that after processing the data agglomerate in the data processing device, the device according to the invention is obtained, at least in the form of a prototype.
  • a data packet can depict a separately implemented component of the respective associated device according to the invention, so that the individual components can easily be assembled in their relative position and/or relative mobility, actually and/or virtually, in order to realize the interactions essential to the invention.
  • kit of parts The division of the data of the data agglomerate into different data packets thus enables a simple sequential additive production of components of the respective device that can be moved relative to one another in the form of a kit (“kit of parts”), which is designed to only be logically assembled for the inventive interaction of the components of the prototype for the solution of the problem underlying the invention.
  • the data packets of the data agglomerate in a virtual environment during a technical simulation to calculate the individual components of the respective device, their interactions, the physical state and/or the change in physical parameters depending on various boundary conditions and/or over time of the associated device according to the invention. and/or predict and to continue to use it to check whether the device according to the invention is suitable enough for the intended purpose on the basis of the assumed design and taking into account the assumed simulated influences. If the data agglomerate is processed by a data processing device that maps the simulation environment, it is possible to examine the behavior of the device according to the invention taking into account, in particular changing, boundary conditions.
  • the simulation results obtained after processing the data agglomerate in the data processing device for the simulation environment are stored in order to compare them with measurement data determined on a real-life device according to the invention and/or on a prototype of the device according to the invention.
  • Non-destructive quality control of the device according to the invention is thereby simplified and improved.
  • the data agglomerate enables the cost-effective production of prototypes and/or computer-based simulations in order to study the functionality of the rotating body and/or the holding tool, to identify problems in the specific application and to find improvements.
  • the solution to the problem underlying the invention can be easily and cost-effectively verified using the data agglomerate.
  • the invention is explained below by way of example with reference to the attached drawings using preferred embodiments, whereby the features shown below can represent an aspect of the invention both individually and in combination. If a feature is shown in combination with another feature in the specific embodiment, this only serves to simplify the representation of the invention using the embodiment and should in no way mean that this feature cannot also be a further development of the invention without the other feature, whereby the scope of protection of the invention is defined by the independent claims. They show:
  • Fig. 1 a schematic sectional view of a part of a drive train of a wind turbine in a first embodiment
  • Fig. 2 a schematic sectional view of a part of a drive train of a wind turbine in a second embodiment
  • Fig. 3 a schematic sectional view of a part of a drive train of a wind turbine in a third embodiment.
  • the drive train 10 of a wind turbine shown in Fig. 1 can be provided in a nacelle of a tower in order to convert a torque that comes from a wind rotor rotated by the wind into a wind gearbox 12 and to supply it to a generator 14 for generating electrical energy.
  • the wind gearbox 12 has at least one planetary stage 16, which is in particular a planetary gear.
  • the wind gearbox 12 can have two or more planetary stages 16 connected in series, whereby only one planetary stage 16 is shown for the sake of simplified representation.
  • the planetary stage 16 has a fixed ring gear 18, which can be firmly connected to a gearbox housing 20 and in particular can itself also form part of the gearbox housing 20.
  • At least one planetary gear 22 meshes with the ring gear 18, whereby in particular three, four, five or more planetary gears 22 can be provided.
  • the at least one planetary gear 22 is mounted on a planetary carrier 23, for example a two-cheek one, at a distance from a main axis of rotation 24 of the planetary stage 16.
  • the planetary gear 22 can be mounted, for example, via a plain bearing on a planetary shaft 26 that is firmly attached to the planet carrier 23, whereby alternatively the planetary gear 22 can be firmly attached to the planetary shaft 26, while the planetary shaft 26 can be rotatably mounted in the planet carrier 23.
  • the at least one planetary gear 22 meshes with a sun gear 28, which in the exemplary embodiment shown is simultaneously a first coupling point 30, designed as a toothing, of a gear shaft 32 designed as a sun shaft.
  • the gear shaft 32 is connected to a rotor shaft 34 of the generator 14.
  • the rotor shaft 34 simultaneously represents an output shaft 36 of the wind gear 12, which is mounted in the gear housing 20 via bearings 38, which are designed in particular as lubricated roller bearings.
  • the gear housing 20 simultaneously provides an axial separation of the wind gear 12 from the generator 14, so that the gear housing 20 simultaneously represents an axial end face of the gear housing and an axial end face of a generator housing (not shown in more detail) of the generator 14.
  • the rotor shaft 34 is firmly connected to a rotor carrier 40, to which a rotor 42 is in turn firmly connected.
  • the rotor 42 can interact electromagnetically with a stator 44 of the generator 14.
  • the rotor can have permanent magnets, while the stator connected to the generator housing can have electromagnets.
  • the gear shaft 32 designed as a sun shaft is made up of several parts.
  • the gear shaft 32 has a first shaft 46, which forms the first coupling point 30.
  • the first shaft 46 is designed in particular as a hollow shaft.
  • the first shaft 46 is connected to a second shaft 50 at its axial end pointing away from the first coupling point 30 via a rotationally fixed connection 48, for example a flange connection, in a torque-transmitting manner.
  • the second shaft 50 in the embodiment shown is designed as a hollow shaft, the inner diameter of which is larger than the outer diameter of the first shaft 46. This makes it possible to put the second shaft 50 on the first shaft 46 or to insert the first shaft 46 into the second shaft 50.
  • the second shaft 50 runs from the rotationally fixed connection 48 into Towards the first coupling point 30, wherein the second shaft is fixedly connected to the part of the rotor shaft 34 acting as the output shaft 36 via a second coupling point 52, in particular a flange connection, at a distance from the first coupling point 30 and in particular also at a distance from the planetary stage 16.
  • a torque flow 54 therefore runs along a zigzag-shaped path from the first coupling point 30 to the second coupling point 52, which is significantly greater than a distance A between the coupling points 30, 52 and a total axial extension L of the gear shaft 32.
  • the total extension L of the transmission shaft 32 ends within the rotor shaft 34, in particular radially within a hub area of the transmission housing 20 designed to accommodate the bearings 38.
  • a common axial sub-area of the transmission shaft 32 is formed, in which the torque flow in the first shaft 46 and in the second shaft 50 flows in opposite axial directions and overlaps one another when viewed in the radial direction.
  • the gear shaft 32 can preferably be immersed in a radially inner interior of the generator 14. In this case, it can be exploited that there is sufficient free space available radially inside the rotor 42, in particular radially inside the rotor carrier 40 and/or the rotor shaft 34, which can be used by the wind gear 12 for a stronger bearing-free projection of the gear shaft 32 used as a sun shaft.
  • the gear shaft 32 can be immersed into the generator 14 to such an extent that the rotor carrier 40 and/or the rotor 42, viewed in the radial direction can cover part of the gear shaft 32.
  • the gear shaft 32 is thereby partially arranged in a common axial region with the rotor carrier 40 and/or with the rotor 42.
  • a considerably larger total extension L of the gear shaft 32 and an associated considerably longer path for the torque flow 54 can be achieved.
  • a common axial partial region of the gear shaft 32 is again formed, in which the torque flow in the first shaft 46 and in the second shaft 50 flows in opposite axial directions and overlaps one another when viewed in the radial direction.
  • the rotor shaft 34 is mounted in a radially fixed manner due to the two axially spaced-apart bearings 38, the common axial portion of the gear shaft 32 can oscillate elastically in the radial direction with the U-shaped torque flow.
  • the installation space within the generator and the good accessibility on the generator side can be further utilized by providing a coupling element 56, in particular in the form of an elastic coupling, between the first shaft 46 and the second shaft 50 or an intermediate shaft (not shown).
  • a coupling element 56 in particular in the form of an elastic coupling
  • This can further positively influence the vibration properties of the transmission shaft 32.
  • a common axial partial area of the transmission shaft 32 is formed, in which the torque flow in the first shaft 46 and in the second shaft 50 flows in opposite axial directions and overlaps one another when viewed in the radial direction.
  • the common axial portion of the gear shaft 32 can oscillate elastically in the radial direction with the U-shaped torque flow.
  • the transmission shaft 32 is connected to the rotor shaft 34 and the rotor carrier 40 from the transmission side.
  • the transmission shaft 32 it is possible for the transmission shaft 32 to be connected directly or indirectly to the rotor carrier 40 on the transmission side, i.e. the second coupling point in Fig. 1, Fig. 2 and/or Fig. 3 is provided to the right of the rotor carrier 40 in the axial direction.
  • the rotor shaft 34 can protrude axially from the rotor carrier 40 in the direction of the wind gearbox 12 and be mounted in a comparable radially fixed manner as shown in Fig. 1, Fig. 2 and/or Fig. 3.
  • the second shaft 50 can extend from the rotationally fixed connection 48 well beyond the axial region of the bearings 38, in particular if sufficient axial installation space is kept free between the rotor shaft 34 and the planet carrier 23.
  • the second shaft 50 can be connected via a further rotationally fixed connection (not shown), which forms a disk region of the transmission shaft, to a third (hollow) shaft (not shown), which runs radially outside the second shaft 50 in the axial direction back to the rotor shaft 34 and can be fastened to the rotor shaft 34 via the second coupling point 52.

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Abstract

Es ist eine Getriebewelle (32) für ein Planetengetriebe, mit einer ersten Koppelstelle (30) zum Einleiten eines Drehmoments und einer zweiten Koppelstelle (52) zum Ausleiten des Drehmoments, wobei ein von der ersten Koppelstelle zu der zweiten Koppelstelle verlaufender Weg eines Drehmomentflusses ausgebildet ist und die axialen Anteile des von dem Drehmomentfluss entlangfließenden Wegs größer als ein axialer Abstand zwischen der ersten Koppelstelle zu der zweiten Koppelstelle ist, wobei in einem gemeinsamen axialen Teilbereich, in dem der Drehmomentfluss auf unterschiedlichen Radien in entgegengesetzte Axialrichtungen fließt, ein frei schwingendes Wellenende ausgebildet ist. Durch den verlängerten Weg des Drehmomentflusses (54) kann die Steifigkeit und die Eigenfrequenz eines schwingungsfähigen Gesamtsystems mit der Getriebewelle (32) reduziert werden, wodurch eine Reduktion von störenden Schwingungen in einem Planetengetriebe ermöglicht ist.

Description

Getriebewelle für ein Planetengetriebe
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Getriebewelle, insbesondere Sonnenwelle, für ein Planetengetriebe, mit dessen Hilfe eine Drehmomentübertragung erreicht werden kann. Zudem betrifft die Erfindung eine Planetenstufe, insbesondere ein Planetengetriebe, mit einer derartigen Getriebewelle, ein Windgetriebe mit einer derartigen Planetenstufe, einen Antrieb sstrang mit einem derartigen Windgetriebe, eine Verwendung einer derartigen Getriebewelle sowie ein Datenagglomerat zur additiven Fertigung und/oder Simulation derartiger Vorrichtungen.
Aus DE 19926301 Al ist es bekannt bei einem Windgetriebe für eine Windkraftanlage ein Sonnenrad eines Planetengetriebes mit Planetenrädern des Planetengetriebes schrägverzahnt kämmen zu lassen, um Vibrationen und Geräuschemissionen zu reduzieren oder zu vermeiden.
Aus US 2010/133854 Al ist eine als Sonnenwelle eines Windgetriebes ausgestaltete Getriebewelle bekannt, bei der ein an einer Sonnenwellenverzahnung eingeleitetes Drehmoment bis zu einer Befestigung mit einem Rotorträger eines Rotors eines Generators in einem gemeinsamen Teilbereich auf zwei verschiedenen Radien in unterschiedliche Axialrichtungen fließt, wobei ein radial innerhalb des Rotors vorgesehenes abstehendes Wellenende der Getriebewelle über einen angeschraubten Deckel radial bewegungsfest gelagert ist.
Aus DE 296 09 794 Ul ist eine als Sonnenwelle eines Windgetriebes ausgestaltete Getriebewelle bekannt, die mit ihrem Wellenende in einen Generator hineinragt, wo das Wellenende über einem mi Hilfe einer Steckverzahnung aufgesteckten Deckel mit einem Rotorträger eines Rotors des Generators befestigt ist, der über zwei zueinander deutlich beabstandete Wälzlager an einem Generatorgehäuse radial bewegungsfest gelagert ist.
Aus EP 2 461 030 A2 ist eine als Sonnenwelle eines Windgetriebes ausgestaltete Getriebewelle bekannt, die mit ihrem Wellenende in einen Generator hineinragt, wo das Wellende über eine Steckverzahnung mit einer Nabe verbunden ist, die mit einem Rotorträger eines Rotors des Generators verbunden ist und teilweise in einem gemeinsamen Axialbereich mit der Getriebewelle über zwei zueinander deutlich beabstandete Wälzlager an einem Generatorgehäuse radial bewegungsfest gelagert ist.
Aus WO 2011/056344 Al ist eine als Sonnenwelle für einen in axialer Richtung hintereinander angeordneten doppelten Planetensatz eines Windgetriebes ausgestaltete Getriebewelle bekannt, mit der eine in einen Generator hineinragende Welle befestigt ist, an der über eine Steckverzahnung eine Kupplung befestigt ist, mit deren Hilfe ein Rotor des Generators angekuppelt werden kann.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis störende Schwingungen bei Planetengetrieben zu reduzieren.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine Reduktion von störenden Schwingungen in einem Planetengetriebe ermöglichen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Getriebewelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Planetenstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 10, ein Windgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 11, einen Antrieb sstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 12, einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Datenagglomerat mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Wenn ein Merkmal in Kombination mit einem anderen Merkmal dargestellt wird, dient dies nur der vereinfachten Darstellung der Erfindung und soll keinesfalls bedeuten, dass dieses Merkmal nicht auch ohne das andere Merkmal eine Weiterbildung der Erfindung sein kann, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche definiert wird.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Getriebewelle, insbesondere Sonnenwelle, für ein Planetengetriebe, mit einer ersten Koppelstelle, insbesondere Verzahnung, zum Einleiten eines Drehmoments und einer zweiten Koppelstelle zum Ausleiten des Drehmoments, insbesondere an eine Rotorwelle eines Generators, wobei ein von der ersten Koppelstelle zu der zweiten Koppelstelle verlaufender Weg eines Drehmomentflusses ausgebildet ist und die axialen Anteile des von dem Drehmomentfluss entlangfließenden Wegs größer als ein axialer Abstand zwischen der ersten Koppelstelle zu der zweiten Koppelstelle ist , wobei in einem gemeinsamen axialen Teilbereich, in dem der Drehmomentfluss auf unterschiedlichen Radien in entgegengesetzte Axialrichtungen fließt, ein frei schwingendes Wellenende ausgebildet ist.
Zwischen zwei den Abstand der Koppelstellen definierenden Punkten, über die auch der Drehmomentfluss verläuft, ist die Summe der axialen Anteile des Drehmomentflusses, den der Drehmomentfluss entlang des vorgegebenen Wegs für den Drehmomentfluss fließt, größer als der axiale Abstand der Koppelstellen zueinander. Der Drehmomentfluss über die Getriebewelle nimmt nicht den kürzesten Weg zwischen der ersten Koppelstelle und der zweiten Koppelstelle. Stattdessen kann der Drehmomentfluss zumindest in dem gemeinsamen Teilbereich zu einem Teil in die eine Axialrichtung und radial versetzt diesen Teil wieder in die entgegengesetzte Axialrichtung zurückfließen. Der Drehmomentfluss kann beispielsweise von der ersten Koppelstelle kommend entlang eines ersten Durchmessers an der zweiten Koppelstelle vorbeigeführt werden, nachfolgend auf einen von dem ersten Durchmesser verschiedenen zweiten Durchmesser umgelenkt werden und entlang des zweiten Durchmessers in entgegengesetzter Richtung an dem Drehmomentfluss auf dem ersten Durchmesser vorbei zur zweiten Koppelstelle gelangen. Der Weg des Drehmomentflusses kann zwischen den Koppelstellen einen schlangenförmigen, mäanderförmigen und/oder zickzack-förmigen Verlauf aufweisen, so dass sich für den Drehmomentfluss im Vergleich zu dem Abstand der Koppelstellen ein Umweg ergibt. Durch den bewussten Umweg für den Drehmomentfluss kann selbst bei einer sehr kompakten Bauweise des Getriebes mit der erfindungsgemäßen Getriebewelle die effektive Länge, die der Drehmomentfluss zwischen der ersten Koppelstelle und der zweiten Koppelstelle entlang fließen muss, signifikant vergrößert werden. Die vergrößerte effektive Länge führt zu einer reduzierten Steifigkeit der Getriebewelle und damit zu einer deutlich abgesenkten Eigenfrequenz des Gesamtsystems, insbesondere Windgetriebe und/oder Antriebsstrang einer Windkraftanlage, in dem diese Getriebewelle verwendet wird. Zudem ist es möglich die Getriebewelle besonders torsionsweich und/oder biegeweich auszugestalten. Dadurch können sich aufschaukelnde Resonanzschwingungen vermieden werden, so dass Beschädigungen und/oder unnötige Geräuschemissionen zumindest reduziert werden können.
Ansonsten erforderliche Schwingungsdämpfer und/oder Schwingungstilger können eingespart werden, so dass der Bauraumbedarf und die Herstellungskosten reduziert werden können. Die Funktion eines Schwingungsdämpfers und/oder eines Schwingungstilgers kann durch das frei schwingende Wellenende in dem gemeinsamen axialen Teilbereich ausgebildet werden. Das frei schwingende Wellenende kann im Rahmen seines elastischen Verformungs vermögens vergleichbar zu einem einseitig befestigten Stab in radialer Richtung schwingen, wobei die Eigenfrequenz dieser Schwingung über das Ausmaß des axialen Abstehens des frei schwingenden Wellenendes definiert vorgegeben werden kann. Dies ermöglicht es zu erwartende Schwingungen im Gesamtsystem zu dämpfen, so dass beispielsweise durch eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen einem Rotor und einem Stator einer elektrischen Maschine induzierte Schwingungen gedämpft werden können, wenn die Rotorwelle des Rotors an der zweiten Koppelstelle angebunden ist. Durch den verlängerten Weg des Drehmomentflusses kann die Steifigkeit und die Eigenfrequenz eines schwingungsfähigen Gesamtsystems mit der Getriebewelle reduziert werden, wodurch eine Reduktion von störenden Schwingungen in einem Planetengetriebe ermöglicht ist.
Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel ein Antriebsstrang einer Windkraftanlage mit einem sogenannten mittelschnellen („midspeed“) Antriebsstrangkonzept versehen sein, bei dem ein Generator der Windkraftanlage mit einer Drehzahl zwischen 100 U/min und 1000 U/min betrieben werden soll und ein zwischen dem Windkraftrotor und dem Generator zwischengeschaltetes Windgetriebe eine Übersetzung zwischen 10 und 80 bereitstellen soll. Insbesondere ist es möglich, dass eine als herkömmliche Sonnenwelle ausgestaltete Getriebewelle einer Planetenstufe und/oder eines Planetengetriebes des Windgetriebes zu einer Eigenfrequenz von ca. 200 Hz für den Antrieb sstrang führen würde, die damit in den Bereich möglicher Zahneingrifffrequenzen des Windgetriebes fallen würde, so dass Resonanzeffekte nicht sicher ausgeschlossen werden können, während sich mit einer erfindungsgemäßen als Sonnenwelle ausgestalteten Getriebewelle in der identischen Einbausituation eine Eigenfrequenz von 70 Hz für den Antrieb sstrang erreichen lässt, die sicher außerhalb zu erwartender Zahneingrifffrequenzen des Windgetriebes liegt und einen überkritischen Betrieb sicherstellen kann. Insbesondere in einer letzten Getriebestufe des Windgetriebes, die mit der Rotorwelle des Generators verbunden werden soll, kann eine deutliche Verschiebung der kritischen Eigenfrequenzen bzw. -moden erreicht werden.
Dadurch kann mit einem geringen konstruktiven Aufwand das Auftreten von Resonanzschwingungen im laufenden Betrieb und/oder Geräuschemissionen zumindest reduziert werden.
Die Getriebewelle ist insbesondere zur Übertragung des gesamten auftretenden Drehmoments dimensioniert. Die Getriebewelle kann vorzugsweise als Eingangswelle und/oder als Ausgangswelle eines Planetengetriebes verwendet werden, beispielsweise als Planetenträgerwelle und/oder Sonnenwelle. Wenn die Getriebewelle in Leistungsrichtung des Drehmomentflusses zwischen zwei Planetenstufen vorgesehen ist, kann die Getriebewelle vorzugsweise sowohl als Sonnenwelle für die eine Planetenstufe und als Planetenträgerwelle für die andere Planetenstufe verwendet werden. Vorzugsweise ist die Getriebewelle ausgestaltet und/oder dimensioniert, um durch eine Drehung um eine Hauptdrehachse einer Planetenstufe und/oder Planetengetriebe das gesamte auftretende Drehmoment in die Planetenstufe und/oder in das Planetengetriebe einzuleiten und/oder aus der Planetenstufe und/oder aus dem Planetengetriebe auszuleiten.
Es können verschiedene Bereiche der, insbesondere mehrteiligen, Getriebewelle voneinander unterschieden werden. Die Getriebewelle kann einen ersten Wellenbereich zur Übertragung des Drehmoments entlang eines axialen Drehmomentflusses, einen zweiten Wellenbereich zur Übertragung des Drehmoments entlang eines zum ersten Wellenbereich entgegengesetzten axialen Drehmomentflusses und einen Scheibenbereich zur Übertragung des Drehmoments zwischen dem ersten Wellenbereich und dem zweiten Wellenbereich entlang eines radialen Drehmomentflusses aufweisen, wobei der erste Wellenbereich und der zweite Wellenbereich sich in axialer Richtung betrachtet in dem gemeinsamen axialen Teilbereich gegenseitig überdecken. Der Weg des Drehmomentflusses ist in dem ersten Wellenbereich und in dem zweiten Wellenbereich auf unterschiedlichen Radien vorgesehen. Der Scheibenbereich kann einen axialen Endabschnitt definieren, der Teil des frei schwingenden Wellenendes ist, wobei insbesondere der Scheibenbereich die maximale Amplitude der im Bereich dieses gemeinsamen axialen Teilbereichs auftretenden Schwingung erfährt. Besonders bevorzugt ist ein dritter Wellenbereich zur Übertragung des Drehmoments entlang eines zum zweiten Wellenbereich entgegengesetzten axialen Drehmomentflusses und ein den zweiten Wellenbereich mit dem dritten Wellenbereich verbindender weiterer Scheibenbereich zur Übertragung des Drehmoments zwischen dem zweiten Wellenbereich und dem dritten Wellenbereich entlang eines radialen Drehmomentflusses vorgesehen. Der weitere Scheibenbereich kann einen axialen Endabschnitt definieren, der ebenfalls Teil eines frei schwingenden Wellenendes ist, wobei insbesondere der weitere Scheibenbereich die maximale Amplitude der im Bereich dieses gemeinsamen axialen Teilbereichs auftretenden Schwingung erfährt. Dadurch kann die axiale Erstreckung des axialen Teilbereichs und des frei schwingenden Wellenendes bei einem kompakten Aufbau des Gesamtsystems vergrößert werden. Wenn ein dritter Wellenbereich vorgesehen ist und damit drei Wellenbereichen auf drei verschiedenen Radien vorgesehen sind, ist es sogar möglich zwei verschiedene frei schwingende Wellenenden auszubilden. Der jeweilige Wellenbereich kann jeweils von einer separat ausgeführten (Hohl-)Welle ausgebildet sein, die jeweils direkt oder indirekt zur Ausbildung der mehrstückigen Getriebewelle miteinander verbunden, insbesondere verschraubt oder verstiftet, sind, wobei insbesondere die jeweilige Verbindung als in radialer Richtung und in axialer Richtung und in Umfangsrichtung bewegungsfeste Verbindung ausgestaltet ist. Insbesondere sind sämtliche Wellenbereiche der Getriebewelle rohrförmig und/oder als Hohlwelle ausgestaltet. Vorzugsweise ist die axiale Erstreckung 1 des in dem gemeinsamen Teilbereich frei schwingenden Wellenendes größer als ein Innendurchmesser di des radial kleinsten Wellenbereichs innerhalb des gemeinsamen Teilbereichs, wobei insbesondere 0,1 < di/1 < 1,0, vorzugsweise 0,2 < di/1 < 0,9, weiter bevorzugt 0,3 < di/1 < 0,7 und besonders bevorzugt 0,4 < di/1 < 0,5 gilt.
Der Drehmomentfluss, der von der ersten Koppelstelle zu der zweiten Koppelstelle fließt, umfasst im Wesentlichen das gesamte an der erste Koppelstelle eingeleitete Drehmoment. Gegebenenfalls auftretende Reibungsmomente und/oder Lagermomente bleiben hierbei unberücksichtigt. Insbesondere ist jeder Bereich der Getriebewelle, insbesondere sämtliche Wellenbereiche und sämtliche Scheibenbereiche im Weg des Drehmomentflusses zwischen der ersten Koppelstelle und der zweite Koppelstelle, für die Übertragung des maximalen an der ersten Koppelstelle vorgesehenen Drehmoments ausgelegt. Für die Lagerung der Getriebewelle vorgesehene Lagerungen, beispielsweise Wälzlager und/oder Gleitlager, werden nicht als drehmomentübertragend und nicht als Teil der Getriebewelle betrachtet, so dass die Lagerungen nicht als Teil des Wegs für den Drehmomentfluss durch die Getriebewelle angesehen werden. Die Getriebewelle weist insbesondere nur genau die zwei Koppelstellen auf, über die der Drehmomentfluss zwischen der Getriebewelle und einem anderen Getriebebauteil ausgetauscht wird. Eine dritte Koppelstelle, mit deren Hilfe ein leistungsverzweigtes Getriebe, beispielsweise ein Summiergetriebe oder Verteilergetriebe, ausgebildet werden kann, ist vermieden. Dadurch kann im Wesentlichen der gesamte Drehmomentfluss entlang der designierten Leistungsrichtung über rotierende Getriebekomponenten, also abgesehen von ggf. auftretenden Lager- und Stützkräften an Radial- und/oder Axiallagem zur Lagerung der Getriebewelle und/oder Bremsen, über die beiden Koppelstellen fließen. Ein geschlossener Kraftpfad über feststehende Bauteile, insbesondere über ein Gehäuse, bleibt bei der Betrachtung des Drehmomentflusses unberücksichtigt. In der Regel ist das zugehörige Getriebe dazu ausgebildet über 95%, insbesondere über 98%, der eingangsseitigen Leistung entlang des Drehmomentflusses bis an eine das Getriebe verlassene Ausgangswelle zu übertragen. Vorzugsweise ist die Getriebewelle von der ersten Koppelstelle aus betrachtet jenseits der zweiten Koppelstelle ungelagert, so dass die Getriebewelle zumindest von der zweiten Koppelstelle an frei schwingen kann, wodurch die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Gesamtsystems verlagert werden kann und/oder störende Erequenzen getilgt oder zumindest gedämpft werden können. Besonders bevorzugt ist die gesamte Getriebewelle ungelagert, wobei insbesondere eine Lagerung der Getriebewelle nur indirekt über die Lagerung des im Drehmomentfluss entlang der Leistungsrichtung vorgelagerten drehmomentübertragenden Bauteil und/oder des im Drehmomentfluss entlang der Leistungsrichtung nachgelagerten drehmomentübertragenden Bauteil erfolgt.
Die erste Koppelstelle kann ein im Drehmomentfluss entlang der Leistungsrichtung vorgelagertes drehmomentübertragendes Bauteil ankoppeln. Insbesondere wenn die Getriebewelle als Sonnenwelle ausgestaltet ist, kann die erste Koppelstelle als Verzahnung ausgebildet sein, wobei die Verzahnung die Verzahnung eines insbesondere einstückig angebundenen Sonnenrads darstellen kann oder als Verzahnung, insbesondere Kurzverzahnung, zur drehfesten Verbindung, insbesondere über eine Steckverzahnung, des Sonnenrads mit der als Sonnenwelle ausgestalteten Getriebewelle ausgebildet ist. Beispielsweise kann die erste Koppelstelle als Flansch einer Flanschverbindung ausgestaltet sein, die eine lösbare Befestigung mit dem vorgelagerten Bauteil ermöglicht. Es ist auch möglich, dass die erste Koppelstelle eine unlösbare Verbindung mit dem insbesondere als Planetenträger einer vorgelagerten Planetenstufe ausgestalteten Bauteil ausbildet. Die Getriebewelle kann beispielsweise durch Schweißen, Löten, Anformen oder sogar durch eine einstückige Ausgestaltung mit dem vorgelagerten Bauteil angekoppelt sein. In dem Fall einer einstückigen Ausgestaltung steht die Getriebewelle von einem deutlich größeren Durchmesser des vorgelagerten Bauteils, insbesondere eine Trägerwange eines Planetenträgers, in axialer Richtung ab, wobei die erste Koppelstelle der Getriebewelle an der Axialseite des Bauteils mit dem größeren Durchmesser auf der Seite der Getriebewelle ausgebildet ist. Die erste Koppelstelle kann auch als Feder/Nut-Verbindung, insbesondere Passfedernut- Verbindung oder als (Stirnrad-) Verzahnung oder Presssitz ausgestaltet sein, wodurch sich für die erste Koppelstelle eine erkennbare axiale Erstreckung ergibt.
Ein im Drehmomentfluss entlang der Leistungsrichtung nachgelagertes drehmomentübertragendes Bauteil kann an der zweite Koppelstelle der Getriebewelle angekoppelt werden. Bei dem nachgelagerten drehmomentübertragenden Bauteil handelt es sich insbesondere um eine Rotorwelle eines Generators, mit dem ein Rotor einer elektrischen Maschine drehfest verbunden ist. Der Rotor weist insbesondere Permanentmagnete auf, die mit Elektromagneten eines Stators der elektrischen Maschine elektromagnetisch Zusammenwirken kann. Die mit dem Rotor verbundene Rotorwelle erstreckt sich zumindest teilweise innerhalb des Generators, vorzugsweise radial innerhalb eines Generatorgehäuses. Die Rotorwelle kann sich vorzugsweise einstückig bis in das Getriebe der Getriebewelle hinein erstrecken und dadurch gleichzeitig eine aus dem Getriebe, insbesondere aus einem Getriebegehäuse, heraus abstehende Ausgangswelle des Getriebes ausbilden. Die Rotorwelle ist insbesondere an dem Generatorgehäuse, an dem Getriebegehäuse und/oder an einem Zwischenstück oder Zwischenwand zwischen dem Getriebe und dem Generator, vorzugsweise über ein Wälzlager, gelagert. Alternativ kann die Rotorwelle mit einer koaxial zur Rotorwelle aus dem Getriebe abstehenden Ausgangswelle des Getriebes lösbar verbunden werden, beispielsweise über eine Feder/Nut- Verbindung, eine Flanschverbindung und/oder eine Schrumpfscheibe. In diesem Fall ist es die Ausgangswelle, die über ein separates Lager, insbesondere Wälzlager, an dem Getriebegehäuse an dem Generatorgehäuse und/oder an einem Zwischenstück oder Zwischenwand zwischen dem Getriebe und dem Generator gelagert ist und das entlang der Leistungsrichtung nachgelagerte drehmomentübertragende Bauteil für die Getriebewelle ausbildet. Alternativ kann das im Drehmomentfluss entlang der Leistungsrichtung nachgelagertes drehmomentübertragendes Bauteil als Teil eines Planetengetriebes, insbesondere Sonnenrad oder Planetenrad, ausgestaltet sein. Vorzugsweise verläuft der Drehmomentfluss von der ersten Koppelstelle zu der zweiten Koppelstelle ausschließlich über ungelagerte Axialbereiche der Getriebe welle. Eine direkte oder indirekte Lagerung der Getriebewelle kann ausschließlich außerhalb derjenigen Axialbereiche der Getriebewelle vorgesehen sein, die nicht für den in Leistungsrichtung fließenden Drehmomentfluss vorgesehen sind. Eine direkt gelagerte Welle, dessen Lagerstelle der Drehmomentfluss in Leistungsrichtung passiert, ist in diesem Fall nicht mehr Teil der Getriebewelle, sondern eine von der Getriebewelle verschiedene separate Welle.
Die zweite Koppelstelle kann als Verzahnung, insbesondere Kurzverzahnung ausgestaltet sein, mit der eine korrespondierende Verzahnung der Ausgangs welle des Getriebes und/oder eine Rotorwelle des Generators drehfest, insbesondere über eine Steckverzahnung, gekoppelt werden kann. Prinzipiell ist es möglich, dass die Verzahnung der zweiten Koppelstelle als Verzahnung für einen Planetenträger und/oder ein Sonnenrad und/oder Planetenräder einer Planetenstufe und/oder für eine Stirnradverzahnung verwendet werden kann. Die Verzahnung der zweiten Koppelstelle kann geradeverzahnt oder schrägverzahnt ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist die Verzahnung ballig ausgeführt, um eine Montage zu erleichtern und/oder in vorgegebenen Grenzen ein Verkippen der Getriebewellen zuzulassen. Vorzugsweise ist die zweite Koppelstelle als Flansch ausgestaltet, so dass die Getriebewelle mit einer Ausgangswelle des Getriebes und/oder einer Rotorwelle des Generators verschraubt werden kann. Unnötiger Verschleiß kann dadurch vermieden werden und die Steifigkeit sowie die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs weiter reduziert werden. Alternativ kann die zweite Koppelstelle auch als Feder/Nut- Verbindung, insbesondere Passfedernut-Verbindung oder als (Stirnrad-)Verzahnung oder Presssitz ausgestaltet sein, wodurch sich für die zweite Koppelstelle eine erkennbare axiale Erstreckung ergibt.
Insbesondere gilt für den Weg W des Drehmomentflusses und dem Abstand A von voneinander wegweisenden Axialseiten der ersten Koppelstelle und der zweiten Koppelstelle 1,1 < W/A < 12,0, insbesondere 1,5 < W/A < 6,0, vorzugsweise 2,0 < W/A < 4,0 und besonders bevorzugt 2,5 < W/A < 3,0. Dadurch ergibt sich für den Drehmomentfluss bezogen auf den Abstand A der Koppelstellen ein bewusst vorgesehener Umweg von der Länge ca. W- A. Insbesondere steht die Getriebewelle um eine Strecke von ca. (W-A)/2 von der zweiten Koppelstelle in eine von der ersten Koppelstelle weg weisenden Axialrichtung ab. Die Länge dieses Umwegs kann je nach Bauraumsituation und auftretenden Drehzahlen geeignet dimensioniert werden, um die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs in einen Bereich einzustellen, der von den auftretenden Anregungsfrequenzen weit genug entfernt ist, um Resonanzeffekte und Geräuschemissionen zumindest zu reduzieren oder sogar zu vermeiden.
Vorzugsweise ist eine Gesamterstreckung L der Getriebewelle größer als der Abstand A von voneinander wegweisenden Axialseiten der ersten Koppelstelle und der zweiten Koppelstelle, wobei 1,01 < L/A < 6,0, insbesondere 1,05 < L/A < 4,0, vorzugsweise 1,10 < L/A < 2,0 und besonders bevorzugt 1,25 < L/A < 1,75 gilt. Dadurch kann die Getriebewelle um eine Strecke von L-A von der zweiten Koppelstelle in eine von der ersten Koppelstelle weg weisenden Axialrichtung abstehen. Der Drehmomentfluss kann bezogen auf den Abstand A der Koppelstellen insbesondere einen bewusst vorgesehenen Umweg von der Länge ca. 2(L-A) erfahren. Die Länge dieses Umwegs kann je nach Bauraumsituation und auftretenden Drehzahlen geeignet dimensioniert werden, um die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs in einen Bereich einzustellen, der von den auftretenden Zahneingrifffequenzen weit genug entfernt ist, um Resonanzeffekte und Geräuschemissionen zumindest zu reduzieren oder sogar zu vermeiden. Die Getriebewelle kann von der ersten Koppelstelle aus betrachtet mit einer Strecke S über die zweite Koppelstelle hinaus überstehen, wobei insbesondere im Wesentlichen S = L-A und/oder S = (W-A)/2 gilt. Die Getriebe welle kann insbesondere ungelagert abkragen. Bezogen auf eine Breite B in axialer Richtung der Getriebewelle der insbesondere als Verzahnung ausgebildeten ersten Koppelstelle kann 0,5 < S/B < 10,0, insbesondere 1,0 < S/B < 8,0, vorzugsweise 1,5 < S/B < 5,0 und besonders bevorzugt 2,0 < S/B < 4,0 gelten.
Besonders bevorzugt weist die Getriebewelle eine erste Welle, eine zweite Welle und insbesondere mindestens eine Zwischenwelle auf, wobei die erste Koppelstelle mit der ersten Welle direkt verbunden ist und die zweite Koppelstelle mit der von der ersten Welle verschiedenen und mit der ersten Welle direkt oder indirekt, insbesondere über die mindestens eine Zwischenwelle, drehfest verbundenen zweiten Welle direkt verbunden ist, wobei die erste Welle und die zweite Welle in radialer Richtung betrachtet sich einander zumindest teilweise in einem gemeinsamen Axialbereich überlappen, wobei insbesondere die mindestens eine Zwischenwelle in radialer Richtung innerhalb des gemeinsamen Axialbereichs in radialer Richtung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle angeordnet ist. Die erste Welle und die zweite Welle sowie die mindestens eine gegebenenfalls vorgesehene Zwischenwelle können in axialer Richtung, insbesondere koaxial, ineinander eingesteckt sein, so dass sich eine radiale Schachtelung der Getriebewelle ergibt, bei der sich die einzelnen (Teil-)Wellen der Getriebewelle einen gemeinsamen Axialbereich auf unterschiedlichen einander nicht störenden Durchmessern teilen. Der gemeinsame Axialbereich kann insbesondere den Teilbereich der Getriebewelle umfassen, in dem das frei schwingende Wellenende ausgebildet ist. Der Drehmomentfluss kann dadurch über die einzelnen Wellen im zick-zack fließen, so dass sich auf einem geringen Bauraumbedarf eine große effektive Länge für die Getriebewelle ergibt. Eine für eine bestimmte Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Gesamtsystems gewünschte effektive Länge kann bei einem ausreichenden Bauraumbedarf in radialer Richtung über eine Mehrzahl von ineinander geschachtelten Hohlwellen zusammengesetzt werden, wobei hierbei insbesondere auch zwei, drei, vier oder noch mehr als Hohlwellen ausgestaltete Zwischenwellen vorgesehen sein können.
Insbesondere weist die erste Welle einen Außendurchmesser dl und die zweite Welle einen Außendurchmesser d2 auf, wobei für ein als dl/d2 oder d2/dl definiertes Verhältnis V 1,01 < V < 5,0, insbesondere 1,05 < V < 3,0, vorzugsweise 1,10 < V < 2,0 und besonders bevorzugt 1,25 < V < 1,5 gilt. Die Durchmesser der Wellen unterscheiden sich dadurch stark genug, dass zumindest eine der Wellen als Hohlwelle ausgestaltet werden kann und abgesehen von der drehfesten Verbindung ohne ein Anschlägen an der anderen Welle diese Welle in ihrem Inneren aufnehmen kann.
Vorzugsweise ist die, insbesondere als Steckverzahnung oder Flanschverbindung ausgestaltete, drehfeste Verbindung der ersten Welle mit der zweiten Welle oder mit der Zwischenwelle in axialer Richtung außerhalb eines Axialbereichs der ersten Koppelstelle und der zweiten Koppelstelle und außerhalb eines axialen Zwischenraums zwischen der ersten Koppelstelle und der zweiten Koppelstelle ausgebildet. Die drehfeste Verbindung der ersten Welle mit der zweiten Welle oder mit der in Richtung des Drehmomentflusses unmittelbar nachfolgenden Zwischenwelle kann dadurch in einem von der zweiten Koppelstelle in einer von der ersten Koppelstelle weg weisenden Richtung abkragen Bereich ausgebildet sein. Eine unnötige Versteifung der Getriebewelle durch die drehfeste Verbindung kann durch die zusätzliche effektive Länge der Getriebewelle für den Drehmomentfluss vermieden oder zumindest reduziert werden.
Besonders bevorzugt ist die erste Welle axial neben der ersten Koppelstelle und/oder die zweite Welle axial neben der zweiten Koppelstelle sowie jeweils axial neben der drehfesten Verbindung als Hohlwelle mit einer Wandstärke s ausgebildet, wobei bezogen auf eine Länge 1 der ersten Welle und/oder der zweiten Welle außerhalb der jeweiligen Koppelstelle und außerhalb der drehfesten Verbindung 0,01 < s/1 < 0,50, insbesondere 0,02 < s/1 < 0,25, vorzugsweise 0,03 < s/1 < 0,15 und besonders bevorzugt 0,05 < s/1 < 0,10 gilt. Für die Betrachtung des Verhältnisses s/1 werden jeweils nur die Axialbereiche der als Hohlwelle ausgestalteten ersten Welle und zweiten Welle betrachtet, die von gegebenenfalls mit den Koppelstellen und/oder drehfesten Verbindung axial überlappenden Bereichen verschieden sind. Diese Wandstärke ist groß genug, um die im Betrieb auftretenden mechanischen Lasten ertragen zu können. Gleichzeitig ermöglicht diese Wandstärke eine torsionsweiche und/oder biegeweiche Ausgestaltung der Getriebe welle. Außerdem ist es bei einen geringen radialen Bauraumbedarf leicht möglich die erste Welle und die zweite Welle ineinander einzustecken.
Insbesondere ist ein die erste Welle und die zweite Welle oder die Zwischenwelle und/oder die zweite Welle und die Zwischenwelle kontaktierendes elastisch verformbares Dämpferelement und/oder, insbesondere schaltbares und/oder regelbares, Kupplungselement vorgesehen. Das Dämpferelement kann insbesondere aus einem Elastomer und/oder einem künstlichen oder natürlichen Kautschuk, insbesondere Gummi, hergestellt sein. Das Dämpferelement kann in der Art eines Abstandshalters ein relatives Verkippen der jeweiligen kontaktierten Welle zueinander zumindest begrenzen. Gleichzeitig kann das Dämpferelement, das vorzugsweise eine progressiv verlaufende Federkennlinie aufweist, eine elastische Verformung, insbesondere Torsion und/oder Biegung der Welle, in einem ausreichenden Ausmaß zulassen. Das Kupplungselement kann eine starre Kupplung, beispielsweise eine Stahllamellenkupplung, sein. Insbesondere kann das Kupplungselement als eine elastische Kupplung ausgestaltet sein, das unter elastische Verformung eines Elastikelements ein Verkippen und/oder ein Verdrehen und/oder einen Achsversatz zumindest in einem vordefinierten begrenzten Ausmaß zulässt. Durch das Dämpferelement und/oder das elastische Kupplungselement kann eine bewusste reibungsbehaftete Dämpfung bereitgestellt werden, die ein Durchlaufen eines Resonanzbereichs der Getriebewelle beim Anfahren erleichtert und auftretende Resonanzschwingungen begrenzt. Nach dem Durchlaufen des Resonanzbereichs kann der Effekt des Dämpferelements und/oder das elastische Kupplungselements so gering sein, dass eine Beeinträchtigung der Steifigkeitsreduktion der Getriebewelle vernachlässigbar ist. Besonders bevorzugt ist das Dämpferelement und/oder das Kupplungselement schaltbar ausgeführt, so dass durch ein aktives Schalten die Dämpfungs- und/oder Federeigenschaften verändert werden können. Dies ermöglicht es beispielsweise für den Anfahrvorgang eine stärkere reibungsbehaftete Dämpfung vorzusehen, die im regulären Betrieb reduziert oder sogar deaktiviert werden kann. Innerhalb kritischer Drehzahlbereiche kann durch die zugeschaltete Dämpfung eine Beschädigung von Getriebekomponenten vermieden werden, während außerhalb kritischer Drehzahlbereiche das Dämpferelement und/oder das Kupplungselement geschont werden können und unnötige Leistungsverluste durch Reibungseffekte vermieden werden können. Das Schalten kann beispielsweise automatisiert in Reaktion eines Sensorsignals und/oder in Reaktion eines fliehkraftbedingt betätigbaren Schaltelements erfolgen.
Vorzugsweise ist zwischen der ersten Koppelstelle und der zweiten Koppelstelle innerhalb des Drehmomentflusses eine elektrische Isolierung ausgebildet, wobei insbesondere die zweite Welle und/oder eine/die Zwischenwelle ganz oder zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Durch das als elektrischer Isolator wirkende elektrisch isolierenden Material, insbesondere Nichtleitermaterial, ist ein so ausreichend wirksames Dielektrikum vorgesehen, dass selbst an der engsten Stelle zwischen elektrisch leitenden Bauteilen Getriebewelle ein Spannungsüberschlag längst des Drehmomentflusses und/oder quer zum Drehmomentfluss im regulären Betrieb der Windkraftanlage sicher vermieden werden kann. Von dem Generator in die Getriebewelle induzierte Ströme und/oder Streu- beziehungsweise Leckageströme des Generators können allenfalls bis vor dem aus dem elektrisch isolierenden Material hergestellten Teilbereich der Generatorwelle gelangen. Über die Positionierung des elektrisch isolierenden Materials innerhalb der Getriebewelle kann daher ein durch elektrische Spannungen und/oder elektrische Ströme beeinträchtigter Bereich geschützt werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Planetenstufe, insbesondere Planetengetriebe, mit einer, insbesondere als Sonnenwelle ausgebildeten, Getriebewelle, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, wobei vorzugsweise die erste Koppelstelle in einem gemeinsamen Axialbereich mit Planetenrädem und/oder einem Hohlrad der Planetenstufe angeordnet ist und die zweite Koppelstelle zu den Planetenrädern und/oder dem Hohlrad axial beabstandet angeordnet ist. Alternativ, insbesondere bei einer Reduzierstufe, kann die zweite Koppelstelle in einem gemeinsamen Axialbereich mit Planetenrädem und/oder einem Hohlrad der Planetenstufe angeordnet sein, während die erste Koppelstelle zu den Planetenrädern und/oder dem Hohlrad axial beabstandet angeordnet ist. Die Getriebewelle ist insbesondere zur Übertragung des gesamten auftretenden Drehmoments dimensioniert. Die Getriebewelle kann vorzugsweise als Eingangswelle und/oder als Ausgangswelle des Planetengetriebes verwendet werden, beispielsweise als Planetenträgerwelle und/oder Sonnenwelle. Die Getriebewelle kann insbesondere durch eine Drehung um eine Hauptdrehachse der Planetenstufe das gesamte auftretende Drehmoment in die Planetenstufe einleiten und/oder aus der Planetenstufe ausleiten. Durch den verlängerten Weg des Drehmomentflusses kann die Steifigkeit und die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs mit der Planetenstufe reduziert werden, wodurch eine Reduktion von störenden Schwingungen in einer Planetenstufe, insbesondere Planetengetriebe, ermöglicht ist.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Windgetriebe zur Drehzahlwandlung in einem Antriebstrang einer Windkraftanlage, mit mindestens einer Planetenstufe, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und einem Getriebegehäuse, wobei insbesondere das Getriebegehäuse in radialer Richtung der Getriebewelle betrachtet die Getriebewelle ganz oder nur teilweise überdeckt, wobei vorzugsweise das Getriebegehäuse sowohl die erste Koppelstelle als auch die zweite Koppelstelle der Getriebewelle überdeckt. Insbesondere kann ein Teil der Getriebewelle der Planetenstufe generatorseitig aus dem Getriebegehäuse herausragen, während sowohl die erste Koppelstelle als auch die zweite Koppelstelle innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet sind. Durch den verlängerten Weg des Drehmomentflusses kann die Steifigkeit und die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs mit der Planetenstufe des Windgetriebes reduziert werden, wodurch eine Reduktion von störenden Schwingungen in einem Windgetriebe ermöglicht ist. Ein weiterer Aspekt betrifft einen Antrieb sstrang für eine Windkraftanlage, mit einem Windgetriebe, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zum Wandeln eines von einem Windrotor einleitbaren Drehmoments und einem mit dem Windgetriebe gekoppelten Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem mit Hilfe des Windgetriebes eingeleiteten Drehmomentfluss, wobei insbesondere der gesamte in den Generator eingeleitete Drehmomentfluss über die Getriebewelle verläuft. Durch den verlängerten Weg des Drehmomentflusses kann die Steifigkeit und die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs reduziert werden, wodurch eine Reduktion von störenden Schwingungen in einem Windgetriebe ermöglicht ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Teil der Getriebewelle des Windgetriebes in den Generator hineinragt und die erste Koppelstelle in dem Windgetriebe vorgesehen ist, wobei die die zweite Koppelstelle innerhalb des Windgetriebe oder innerhalb des Generators vorgesehen ist .Wenn die zweite Koppelstelle innerhalb des Windgetriebes vorgesehen ist, kann die Getriebewelle mit der Ausgangswelle des Windgetriebes und/oder der Rotorwelle des Generators getriebeseitig, also auf die erste Koppelstelle zuweisend und/oder zwischen der ersten Koppelstelle und einem Rotor beziehungsweise Rotorträger des Generators, befestigt werden. Wenn die zweite Koppelstelle innerhalb des Generators vorgesehen ist, kann die Getriebewelle mit der Ausgangswelle des Windgetriebes und/oder der Rotorwelle des Generators generatorseitig, also von der ersten Koppelstellen weg weisend, befestigt werden. Beispielsweise ist die zweite Koppelstelle an einem generatorseitigen axialen Ende der Generatorwelle, insbesondere über eine Flanschverbindung, befestigt. Die zweite Koppelstelle kann auch an einem generatorseitigen axialen Ende der Ausgangswelle vorgesehen sein, so dass sich an der zweiten Koppelstelle generatorseitig die Generatorwelle und/oder der Rotorträger anschließen kann. Dies ermöglicht unterschiedliche Montagemöglichkeiten und/oder Montagereihenfolgen, so dass Antrieb sstrang für eine bessere Wartungsfreundlichkeit bei einer vereinfachten Montage optimiert werden kann. Vorzugsweise gilt für eine Eigenfrequenz f Antriebsstrangs 10 Hz < f < 150 Hz, vorzugsweise 20 Hz < f < 100 Hz, weiter bevorzugt 30 Hz < f < 80 Hz und besonders bevorzugt 40 Hz < f < 75 Hz. Insbesondere wenn die Getriebewelle in einer letzten Getriebestufe des Windgetriebes, die mit der Rotorwelle des Generators verbunden werden soll, vorgesehen ist, kann eine deutliche Verschiebung der kritischen Eigenfrequenzen bzw. -moden erreicht werden. Dadurch kann mit einem geringen konstruktiven Aufwand das Auftreten von Resonanzschwingungen im laufenden Betrieb und/oder Geräuschemissionen zumindest reduziert werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft mit einem Antriebsstrang der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und einem eingangsseitig an dem Windgetriebe angeschlossenen Windrotor zum Einleiten eines durch Windkraft an dem Windrotor erzeugten Drehmoments. Durch den verlängerten Weg des Drehmomentflusses kann die Steifigkeit und die Eigenfrequenz der Windkraftanlage reduziert werden, wodurch eine Reduktion von störenden Schwingungen in einer Windkraftanlage ermöglicht ist.
Besonders bevorzugt gilt für eine Eigenfrequenz f der Windkraftanlage 10 Hz < f < 150 Hz, vorzugsweise 20 Hz < f < 100 Hz, weiter bevorzugt 30 Hz < f < 80 Hz und besonders bevorzugt 40 Hz < f < 75 Hz. Insbesondere wenn die Getriebewelle in einer letzten Getriebestufe des Windgetriebes, die mit der Rotorwelle des Generators verbunden werden soll, vorgesehen ist, kann eine deutliche Verschiebung der kritischen Eigenfrequenzen bzw. - moden erreicht werden. Dadurch kann mit einem geringen konstruktiven Aufwand das Auftreten von Resonanzschwingungen im laufenden Betrieb und/oder Geräuschemissionen zumindest reduziert werden, wobei mit der gesamtem Windkraftanlage als betrachtetes schwingungsfähiges System auch die durch den Windrotor erzeugbaren zu erwartenden Anregungsfrequenzen berücksichtigt werden. Vorzugsweise können auch die von einer Gondel, in welche der Antriebsstrang untergebracht ist, und/oder die von einem Turm, auf dessen Spitze die Gondel vorgesehen ist, erzeugbaren zu erwartenden Anregungsfrequenzen berücksichtigt werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Verwendung einer Getriebewelle, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, in einem Planetengetriebe zu dem Zweck hörbaren Körperschall und/oder Luftschall und/oder Resonanzschwingungen zu reduzieren. Das Planetengetriebe ist insbesondere Teil einer Planetenstufe, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und/oder Teil eines Windgetriebes, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet ein kann und/oder Teil eines Antriebsstrangs, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und/oder Teil einer Windkraftanlage, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Die Getriebewelle wird insbesondere zur Übertragung des gesamten auftretenden Drehmoments verwendet. Die Getriebewelle kann vorzugsweise als Eingangswelle und/oder als Ausgangswelle des Planetengetriebes verwendet werden, beispielsweise als Planetenträgerwelle und/oder Sonnenwelle. Die Getriebewelle kann insbesondere durch eine Drehung um eine Hauptdrehachse des Planetengetriebes das gesamte auftretende Drehmoment in das Planetengetriebe einleiten und/oder aus dem Planetengetriebes ausleiten. Durch den verlängerten Weg des Drehmomentflusses kann die Steifigkeit und die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Gesamtsystems mit der Getriebewelle reduziert werden, wodurch eine Reduktion von störenden Schwingungen in einem Planetengetriebe ermöglicht ist.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Datenagglomerat mit in einer gemeinsamen Datei zusammengefassten oder über verschiedene Dateien verteilten Datenpaketen zur Abbildung der dreidimensionalen Formgestaltung und/oder der Wechselwirkungen sämtlicher in der Getriebewelle, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, oder der Planetenstufe, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, oder dem Windgetriebe, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, oder dem Antriebsstrang, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, vorgesehenen Bestandteile, wobei die Datenpakete dazu hergerichtet sind bei einer Verarbeitung durch eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Betrieb einer Werkzeugmaschine zur additiven Fertigung von Vorrichtungen eine additive Herstellung der Bestandteile der Getriebewelle oder der Planetenstufe oder dem Windgetriebe oder dem Antriebsstrang, insbesondere durch 3D-Druck, durchzuführen und/oder bei einer Verarbeitung durch eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Durchführung einer technischen Simulation eine Simulation der Funktionsweise der Getriebewelle oder der Planetenstufe oder dem Windgetriebe oder dem Antrieb sstrang durchzuführen und hierbei erzeugte
Simulationsergebnisse für eine weitere Verwendung auszugeben, insbesondere zu dem Zweck einen Dauerfestigkeitsnachweis in Abhängigkeit veränderlicher Lasten und/oder veränderlicher Temperaturbelastungen und/oder zu dem Zweck einer Schwingungsanalyse zu erbringen und gegebenenfalls mit an einer real produzierten erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder an einem Prototyp der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Messdaten zu vergleichen.
Die Datenpakete des Datenagglomerat sind an die erfindungsgemäße Ausgestaltung der jeweiligen vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung speziell angepasst, um die erfindungsgemäße Wechselwirkung der Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Verarbeitung in der Datenverarbeitungseinrichtung adäquat abbilden zu können. Die Datenpakete können insbesondere räumlich verteilt gespeichert sein, aber derart aneinander angepasst sein, dass in dem Fall, dass alle Datenpakete in einer gemeinsamen Datenverarbeitungseinrichtung zusammengeführt sind, das so zusammengesetzte Datenagglomerat alle erforderlichen Daten für eine additive Fertigung und/oder eine technische Simulation mit Hilfe der Datenverarbeitungseinrichtung für die erfindungsgemäße Vorrichtung bereitstellt. Beispielsweise sind die Datenpakete jeweils separate Teile einer Datenbibliothek („Library“), die zur Ausbildung des Datenagglomerats zusammengeführt und bezüglich ihrer relativen Abmessungen zueinander und/oder absoluten Abmessungen und/oder Werkstoffeigenschaften korrespondierend zu der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung aneinander angepasst sind. Das Datenagglomerat kann in der Art eines sogenannten „digital twin“ eine virtuelle Verkörperung der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellen, die eine virtuelle Untersuchung in Form einer Simulation oder eine reale Vergegenständlichung mit Hilfe eines additiven Fertigungsverfahrens ermöglicht. Ein derartiger digitaler Zwilling ist beispielsweise in US 2017/286572 Al dargestellt, auf dessen Offenbarungsgehalt als Teil der Erfindung hiermit Bezug genommen wird.
Wenn die Datenverarbeitungseinrichtung der Werkzeugmaschine das Datenagglomerat verarbeitet, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt, so dass nach der Verarbeitung des Datenagglomerats in der Datenverarbeitungseinrichtung die erfindungsgemäße Vorrichtung, zumindest in Form eines Prototyps, erhalten wird. Insbesondere kann jeweils ein Datenpaket einen separat ausgeführten Bestandteil der jeweiligen zugeordneten erfindungsgemäßen Vorrichtung abbilden, so dass die einzelnen Bestandteile in ihrer Relativlage und/oder Relativbeweglichkeit leicht tatsächlich und/oder virtuell zusammengesetzt werden können, um die erfindungswesentlichen Wechselwirkungen zu realisieren. Insbesondere ist es möglich mit Hilfe der jeweiligen Datenpakete die verschiedenen Bestandteile der jeweiligen Vorrichtung separat und gegebenenfalls aus unterschiedlichen Materialen durch additive Fertigung zu erzeugen und nachfolgend zu einem Prototyp der jeweiligen Vorrichtung zusammenzusetzen. Die Aufteilung der Daten des Datenagglomerats auf verschiedene Datenpakete ermöglicht dadurch in einfacher Weise eine sequentielle additive Fertigung von relativ zueinander bewegbaren Bestandteilen der jeweiligen Vorrichtung in Form eines Bausatzes („Kit of parts“), der dazu hergerichtet ist für die erfindungsgemäße Wechselwirkung der Bestandteile des Prototyps für die Lösung des der Erfindung zu Grunde liegenden Problems nur noch sinnfällig zusammengesetzt zu werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich mit Hilfe der Datenpakete des Datenagglomerats in einer virtuellen Umgebung während einer technischen Simulation die einzelnen Bestandteile der jeweiligen Vorrichtung, ihre Wechselwirkungen, den physikalische Zustand und/oder die Veränderung physikalischer Parameter in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen und/oder über die Zeit der zugehörigen erfindungsgemäßen Vorrichtung zu berechnen und/oder vorherzusagen sowie für die Überprüfung, ob die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Basis der angenommenen Ausgestaltung und unter Berücksichtigung der angenommen simulierten Einflüsse für den beabsichtigten Einsatzzweck gut genug geeignet ist, weiterzuverwenden. Wenn das Datenagglomerat von einer die Simulationsumgebung abbildender Datenverarbeitungseinrichtung verarbeitet wird, ist es möglich das Verhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Berücksichtigung von, sich insbesondere verändernden, Randbedingungen untersuchen zu können. Dadurch ist es beispielsweise möglich Fliehkrafteffekte bei einzelnen Bestandteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit von verschiedenen statischen und/oder dynamischen Lasten und/oder unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu untersuchen, wobei derartige Simulationsergebnisse in die Erstellung eines Dauerfestigkeitsnachweis einfließen können. Vorzugsweise werden die nach der Verarbeitung des Datenagglomerats in der Datenverarbeitungseinrichtung für die Simulationsumgebung erhaltenen Simulationsergebnisse gespeichert, um diese mit an einer real produzierten erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder an einem Prototyp der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Messdaten zu vergleichen. Dadurch ist es möglich die Güte der mit Hilfe des Datenagglomerats erhaltenen Simulationsergebnisse zu beurteilen und/oder, insbesondere bei besonders starken Abweichungen, Messfehler und/oder eine fehlerhafte Messung zu identifizieren. Eine zerstörungsfreie Qualitätskontrolle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch vereinfacht und verbessert.
Durch das Datenagglomerat ist eine kostengünstige Herstellung von Prototypen und/oder computerbasierten Simulationen ermöglicht, um die Funktionsweise des Rotationskörpers und/oder des Haltewerkzeugs zu studieren, Probleme im konkreten Anwendungsfall zu identifizieren und Verbesserungen zu finden. Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe kann mit Hilfe des Datenagglomerats leicht und kostengünstig überprüft werden. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Wenn ein dem konkreten Ausführungsbeispiel ein Merkmal in Kombination mit einem anderen Merkmal dargestellt wird, dient dies nur der vereinfachten Darstellung der Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels und soll keinesfalls bedeuten, dass dieses Merkmal nicht auch ohne das andere Merkmal eine Weiterbildung der Erfindung sein kann, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche definiert wird. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Antriebsstrangs einer Windkraftanlage in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2: eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Antriebsstrangs einer Windkraftanlage in einer zweiten Ausführungsform und
Fig. 3: eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Antriebsstrangs einer Windkraftanlage in einer dritten Ausführungsform.
Der in Fig. 1 dargestellte Antrieb sstrang 10 einer Windkraftanlage kann in einer Gondel eines Turms vorgesehen sein, um ein Drehmoment, das von einem von Wind in Drehung versetzten Windrotor stammt, in einem Windgetriebe 12 zu wandeln und einem Generator 14 zur Erzeugung von elektrischer Energie zuzuführen. Das Windgetriebe 12 weist mindestens eine Planetenstufe 16 auf, bei der es sich insbesondere um ein Planetengetriebe handelt. Das Windgetriebe 12 kann zwei oder mehr hintereinander geschaltete Planetenstufen 16 aufweisen, wobei aus Gründen der vereinfachten Darstellung nur eine Planetenstufe 16 dargestellt ist. Die Planetenstufe 16 weist ein feststehendes Hohlrad 18 auf, das mit einem Getriebegehäuse 20 fest verbunden sein kann und insbesondere selbst ebenfalls einen Teil des Getriebegehäuses 20 ausbilden kann. Mit dem Hohlrad 18 kämmt mindestens ein Planetenrad 22, wobei insbesondere drei, vier, fünf oder mehr Planetenräder 22 vorgesehen sein können. Das mindestens eine Planetenrad 22 ist an einem, beispielsweise zweiwangigen, Planetenträger 23 beabstandet zu einer Hauptdrehachse 24 der Planetenstufe 16 gelagert. Hierbei kann das Planetenrad 22 beispielsweise über ein Gleitlager an einem fest mit dem Planetenträger 23 befestigten Planetenschaft 26 gelagert sein, wobei alternativ das Planetenrad 22 fest mit dem Planetenschaft 26 befestigt sein kann, während der Planetenschaft 26 drehbar in dem Planetenträger 23 gelagert sein kann. Das mindestens eine Planetenrad 22 kämmt mit einem Sonnenrad 28, das im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig eine als Verzahnung ausgestaltete erste Koppelstelle 30 einer als Sonnenwelle ausgestalteten Getriebewelle 32 ist. Die Getriebewelle 32 ist mit einer Rotorwelle 34 des Generators 14 verbunden. Die Rotorwelle 34 stellt im dargestellten Ausführungsbeispiel aus gleichzeitig eine Ausgangswelle 36 des Windgetriebes 12 dar, die über Lager 38, die insbesondere als geschmierte Wälzlager ausgestaltet sind, in dem Getriebegehäuse 20 gelagert ist. Das Getriebegehäuse 20 stellt gleichzeitig eine axiale Trennung des Windgetriebes 12 von dem Generator 14 bereit, so dass das Getriebegehäuse 20 gleichzeitig eine axiale Stirnseite des Getriebegehäuses und eine axiale Stirnseite eines nicht weiter dargestellten Generatorgehäuses des Generators 14 darstellt. Die Rotorwelle 34 ist mit einem Rotorträger 40 fest verbunden, mit dem wiederum ein Rotor 42 fest verbunden ist. Der Rotor 42 kann mit einem Stator 44 des Generators 14 elektromagnetisch Zusammenwirken. Hierzu kann der Rotor Permanentmagnete aufweisen, während der mit dem Generatorgehäuse verbundene Stator Elektromagneten aufweisen kann.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die als Sonnenwelle ausgestaltete Getriebewelle 32 mehrteilig ausgebildet. Die Getriebewelle 32 weist eine erste Welle 46 auf, welche die erste Koppelstelle 30 ausbildet. Die erste Welle 46 ist insbesondere als Hohlwelle ausgestaltet. Die erste Welle 46 ist an ihrem von der ersten Koppelstelle 30 weg weisenden axialen Ende über eine drehfeste Verbindung 48, beispielsweise Flanschverbindung, mit einer zweiten Welle 50 drehmomentübertragend verbunden. Die zweite Welle 50 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Hohlwelle ausgestaltet, deren Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser der ersten Welle 46 ist. Dadurch ist es möglich die zweite Welle 50 auf die erste Welle 46 aufzustecken beziehungsweise die erste Welle 46 in die zweite Welle 50 einzustecken. Die zweite Welle 50 verläuft von der drehfesten Verbindung 48 aus in Richtung auf die erste Koppelstelle 30, wobei die zweite Welle beabstandet zu der ersten Koppelstelle 30 und insbesondere auch beabstandet zu der Planetenstufe 16 über eine zweite Koppelstelle 52, insbesondere eine Flanschverbindung, mit dem als Ausgangswelle 36 wirkenden Teil der Rotorwelle 34 fest verbunden ist. Ein Drehmomentfluss 54 verläuft dadurch entlang eines zick-zack-förmigen Wegs von der ersten Koppelstelle 30 zu der zweiten Koppelstelle 52, der deutlich größer ist als ein Abstand A zwischen den Koppelstellen 30, 52 und einer axialen Gesamterstreckung L der Getriebewelle 32. Insbesondere ist es möglich weitere Zwischen wellen über drehfeste Verbindung zwischen der ersten Welle 46 und der zweiten Welle 50 vorzusehen, so dass sich der Weg des Drehmomentfluss 54 noch stärker verlängert. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel endet die Gesamterstreckung L der Getriebewelle 32 innerhalb der Rotorwelle 34, insbesondere radial innerhalb eines für die Aufnahme der Lager 38 ausgebildeten Nabenbereichs des Getriebegehäuses 20. Zwischen der drehfesten Verbindung 48 und der zweiten Koppelstelle 52 ist ein gemeinsamer axialer Teilbereich der Getriebewelle 32 ausgebildet, in dem der Drehmomentfluss in der ersten Welle 46 und in der zweiten Welle 50 in entgegengesetzte Axialrichtungen fließt und sich in radialer Richtung betrachtet einander überlappen. Dieser gemeinsame axiale Teilbereich der Getriebewelle 32 bildet ein frei schwingendes Wellenende mit einer axialen Erstreckung 1 von ca. 1 = L - A aus. Während die Rotorwelle 34 aufgrund der beiden axial zueinander beabstandeten Lager 38 radial bewegungsfest gelagert ist, kann der gemeinsame axiale Teilbereich der Getriebewelle 32 mit dem U-förmig fließenden Drehmomentfluss in radialer Richtung elastisch schwingen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Getriebewelle 32 vorzugsweise in einen radial inneren Innenraum des Generators 14 eintauchen. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass radial innerhalb des Rotors 42, insbesondere radial innerhalb des Rotorträgers 40 und/oder der Rotorwelle 34 ausreichend freier Bauraum zur Verfügung steht, der von dem Windgetriebe 12 für ein stärkeres lagerfreies Auskragen der als Sonnenwelle verwendeten Getriebewelle 32 genutzt werden kann. Die Getriebewelle 32 kann hierbei soweit in den Generator 14 eintauchen, dass der Rotorträger 40 und/oder der Rotor 42 in radialer Richtung betrachtet einen Teil der Getriebewelle 32 überdecken kann. Die Getriebewelle 32 ist dadurch teilweise in einem gemeinsamen Axialbereich mit dem Rotorträger 40 und/oder mit dem Rotor 42 angeordnet. Bei einem im Vergleich zur in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Antriebsstrangs 10 kann bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Antriebsstrangs 10 bei einem identischen Abstand A zwischen den Koppelstellen 30, 52 eine erheblich größere Gesamterstreckung L der Getriebewelle 32 und ein damit verbundener erheblich verlängerter Weg für den Drehmomentfluss 54 erreicht werden. Zwischen der drehfesten Verbindung 48 und der zweiten Koppelstelle 52 ist wiederum ein gemeinsamer axialer Teilbereich der Getriebe welle 32 ausgebildet, in dem der Drehmomentfluss in der ersten Welle 46 und in der zweiten Welle 50 in entgegengesetzte Axialrichtungen fließt und sich in radialer Richtung betrachtet einander überlappen. Dieser gemeinsame axiale Teilbereich der Getriebewelle 32 bildet ein frei schwingendes Wellenende mit einer axialen Erstreckung 1 von ca. 1 = L - A aus. Während die Rotorwelle 34 aufgrund der beiden axial zueinander beabstandeten Lager 38 radial bewegungsfest gelagert ist, kann der gemeinsame axiale Teilbereich der Getriebewelle 32 mit dem U-förmig fließenden Drehmomentfluss in radialer Richtung elastisch schwingen.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des Antriebsstrangs 10 kann im Vergleich zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Antriebsstrangs 10 der Bauraum innerhalb des Generators und die gute generatorseitige Zugänglichkeit weiter ausgenutzt werden, indem zwischen der ersten Welle 46 und der zweiten Welle 50 oder einer nicht dargestellten dazwischengeschalteten Zwischenwelle ein Kupplungselement 56, insbesondere in Form einer elastischen Kupplung, vorgesehen ist. Dadurch können die Schwingungseigenschaften der Getriebewelle 32 weiter positiv beeinflusst werden. Zwischen der drehfesten Verbindung 48 und der zweiten Koppelstelle 52 ist wiederum ein gemeinsamer axialer Teilbereich der Getriebewelle 32 ausgebildet, in dem der Drehmomentfluss in der ersten Welle 46 und in der zweiten Welle 50 in entgegengesetzte Axialrichtungen fließt und sich in radialer Richtung betrachtet einander überlappen. Dieser gemeinsame axiale Teilbereich der Getriebewelle 32 bildet ein frei schwingendes Wellenende mit einer axialen Erstreckung 1 von ca. 1 = L - A aus. - ZI -
Während die Rotorwelle 34 aufgrund der beiden axial zueinander beabstandeten Lager 38 radial bewegungsfest gelagert ist, kann der gemeinsame axiale Teilbereich der Getriebewelle 32 mit dem U-förmig fließenden Drehmomentfluss in radialer Richtung elastisch schwingen.
Bei den in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen des Antriebsstrangs 10 ist die Getriebewelle 32 von der Getriebeseite her mit der Rotorwelle 34 und dem Rotorträger 40 verbunden. Es ist aber möglich, dass die Getriebewelle 32 auf die Getriebeseite zu direkt oder indirekt mit dem Rotorträger 40 verbunden ist, also die zweite Koppelstelle in Fig. 1, Fig. 2 und/oder Fig. 3 in axialer Richtung rechts von dem Rotorträger 40 vorgesehen ist. Hierbei kann insbesondere die Rotorwelle 34 von dem Rotorträger 40 in Richtung auf das Windgetriebe 12 zu axial abstehen und wie in Fig. 1, Fig. 2 und/oder Fig. 3 dargestellt vergleichbar radial feststehend gelagert sein.
Abweichend zu den in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen des Antriebsstrangs 10 kann sich die zweite Welle 50 von der drehfesten Verbindung 48 her kommend über den Axialbereich der Lager 38 deutlich hinaus erstrecken, insbesondere wenn zwischen der Rotorwelle 34 und dem Planetenträger 23 ein ausreichender axialer Bauraum freigehalten ist. In diesem Fall kann die zweite Welle 50 über eine nicht dargestellte weitere drehfeste Verbindung, die einen Scheibenbereich der Getriebewelle ausbildet, mit einer nicht dargestellten dritten (Hohl-)Welle verbunden sein, die radial außerhalb der zweiten Welle 50 in axialer Richtung zurück zur Rotorwelle 34 verläuft und über die zweite Koppelstelle 52 mit der Rotorwelle 34 befestigt werden kann. Dadurch ergibt sich zusätzlich oder alternativ zu dem in Richtung des Generators 14 frei schwingenden Wellenende ein weiteres frei schwingendes Wellenden, das in einem gemeinsamen axialen Teilbereich zwischen der getriebeseitigen nicht dargestellten weiteren drehfesten Verbindung und der zweiten Koppelstelle 52, wobei in diesem Teilbereich der Drehmomentfluss in der zweiten Welle 50 und in der nicht dargestellten dritten Welle ebenfalls in entgegengesetzte Axialrichtungen fließt und sich in radialer Richtung betrachtet einander überlappen. Es ist auch möglich die dritte Welle zwischen der Rotorwelle 34 und dem Rotorträger 40 über die zweite Koppelstelle 52 mit dem Rotorträger 40 zu befestigen oder die dritte Welle an der von der Rotorwelle 34 weg weisenden Axialseite mit dem Rotorträger 40 über die zweite Koppelstelle 52 mit dem Rotorträger 40 zu befestigen. Dies ermöglicht es axialen und radialen Bauraum für die Ausbildung eines weiteren frei schwingenden Wellenendes zu nutzen und dessen frei schwingende axiale Erstreckung über einen entsprechend gewählten axialen Befestigungsort für die Befestigung mit dem Rotorträger 40 einzustellen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Getriebewelle (32), insbesondere Sonnenwelle, für ein Planetengetriebe, mit einer ersten Koppelstelle (30), insbesondere Verzahnung, zum Einleiten eines Drehmoments und einer zweiten Koppelstelle (52) zum Ausleiten des Drehmoments, insbesondere an eine Rotorwelle (34) eines Generators (14), wobei ein von der ersten Koppelstelle (30) zu der zweiten Koppelstelle (52) verlaufender Weg eines Drehmomentflusses (54) ausgebildet ist und die axialen Anteile des von dem Drehmomentfluss (54) entlangfließenden Wegs größer als ein axialer Abstand zwischen der ersten Koppelstelle (30) zu der zweiten Koppelstelle (52) ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem gemeinsamen axialen Teilbereich, in dem der Drehmomentfluss auf unterschiedlichen Radien in entgegengesetzte Axialrichtungen fließt, ein frei schwingendes Wellenende ausgebildet ist.
2. Getriebewelle (32) nach Anspruch 1, wobei für den Weg W des Drehmomentflusses (54) und dem Abstand A von voneinander wegweisenden Axialseiten der ersten Koppelstelle (30) und der zweiten Koppelstelle (52) 1,1 < W/A < 12,0, insbesondere
1.5 < W/A < 6,0, vorzugsweise 2,0 < W/A < 4,0 und besonders bevorzugt
2.5 < W/A < 3,0 gilt.
3. Getriebewelle (32) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Gesamterstreckung L der Getriebewelle (32) größer als der Abstand A von voneinander wegweisenden Axialseiten der ersten Koppelstelle (30) und der zweiten Koppelstelle (52) ist, wobei 1,01 < L/A < 6,0, insbesondere 1,05 < L/A < 4,0, vorzugsweise 1,10 < L/A < 2,0 und besonders bevorzugt 1,25 < L/A < 1,75 gilt.
4. Getriebewelle (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Getriebewelle (32) eine erste Welle (46), eine zweite Welle (50) und insbesondere mindestens eine Zwischenwelle aufweist, wobei die erste Koppelstelle (30) mit der ersten Welle (46) direkt verbunden ist und die zweite Koppelstelle (52) mit der von der ersten Welle (46) verschiedenen und mit der ersten Welle (46) direkt oder indirekt, insbesondere über die mindestens eine Zwischenwelle, drehfest verbundenen zweiten Welle (50) direkt verbunden ist, wobei die erste Welle (46) und die zweite Welle (50) in radialer Richtung betrachtet sich einander zumindest teilweise in einem gemeinsamen Axialbereich überlappen, wobei insbesondere die mindestens eine Zwischenwelle in radialer Richtung innerhalb des gemeinsamen Axialbereichs in radialer Richtung zwischen der ersten Welle (46) und der zweiten Welle (50) angeordnet ist.
5. Getriebewelle (32) nach Anspruch 4, wobei die erste Welle (46) einen Außendurchmesser dl und die zweite Welle (50) einen Außendurchmesser d2 aufweist, wobei für ein als dl/d2 oder d2/dl definiertes Verhältnis V 1,01 < V < 5,0, insbesondere 1,05 < V < 3,0, vorzugsweise 1,10 < V < 2,0 und besonders bevorzugt 1,25 < V < 1,5 gilt.
6. Getriebewelle (32) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die drehfeste Verbindung (48) der ersten Welle (46) mit der zweiten Welle (50) oder mit der Zwischenwelle in axialer Richtung außerhalb eines Axialbereichs der ersten Koppelstelle (30) und der zweiten Koppelstelle (52) und außerhalb eines axialen Zwischenraums zwischen der ersten Koppelstelle (30) und der zweiten Koppelstelle (52) ausgebildet ist.
7. Getriebewelle (32) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Welle (46) axial neben der ersten Koppelstelle (30) und/oder die zweite Welle (50) axial neben der zweiten Koppelstelle (52) sowie jeweils axial neben der drehfesten Verbindung (48) als Hohlwelle mit einer Wandstärke s ausgebildet ist, wobei bezogen auf eine Länge 1 der ersten Welle (46) und/oder der zweiten Welle (50) außerhalb der jeweiligen Koppelstelle (30, 52) und außerhalb der drehfesten Verbindung (48) 0,01 < s/1 < 0,50, insbesondere 0,02 < s/1 < 0,25, vorzugsweise 0,03 < s/1 < 0,15 und besonders bevorzugt 0,05 < s/1 < 0,10 gilt.
8. Getriebewelle (32) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein die erste Welle (46) und die zweite Welle (50) oder die Zwischenwelle und/oder die zweite Welle (50) und die Zwischenwelle kontaktierendes elastisch verformbares Dämpferelement und/oder, insbesondere schaltbares und/oder regelbares, Kupplungselement (56) vorgesehen ist.
9. Getriebewelle (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zwischen der ersten Koppelstelle (30) und der zweiten Koppelstelle (52) innerhalb des Drehmomentflusses (54) eine elektrische Isolierung ausgebildet ist, wobei insbesondere die zweite Welle (50) und/oder eine/die Zwischenwelle ganz oder zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
10. Planetenstufe (16), insbesondere Planetengetriebe, mit einer Getriebewelle (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Koppelstelle (30) in einem gemeinsamen Axialbereich mit Planetenrädern (22) und/oder einem Hohlrad (18) der Planetenstufe (16) angeordnet ist und die zweite Koppelstelle (52) zu den Planetenrädern (22) und/oder dem Hohlrad (18) axial beabstandet angeordnet ist.
11. Windgetriebe (12) zur Drehzahl Wandlung in einem Antriebstrang (10) einer Windkraftanlage, mit mindestens einer Planetenstufe (16) nach Anspruch 10 und einem Getriebegehäuse (20), wobei insbesondere das Getriebegehäuse (20) in radialer Richtung der Getriebewelle (32) betrachtet die Getriebewelle (32) nur teilweise überdeckt, wobei das Getriebegehäuse (20) sowohl die erste Koppelstelle (30) als auch die zweite Koppelstelle (52) der Getriebewelle (32) überdeckt.
12. Antriebsstrang (10) für eine Windkraftanlage, mit einem Windgetriebe (12) nach Anspruch 11 zum Wandeln eines von einem Windrotor einleitbaren Drehmoments und einem mit dem Windgetriebe (12) gekoppelten Generator (14) zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem mit Hilfe des Windgetriebes (12) eingeleiteten Drehmomentfluss (54), wobei insbesondere der gesamte in den Generator (14) eingeleitete Drehmomentfluss (54) über die Getriebewelle (32) verläuft.
13. Antrieb sstrang nach Anspruch 12, wobei ein Teil der Getriebewelle (32) des Windgetriebes (12) in den Generator (14) hineinragt und die erste Koppelstelle (30) in dem Windgetriebe (12) vorgesehen ist, wobei die die zweite Koppelstelle (52) innerhalb des Windgetriebe (12) oder innerhalb des Generators (14) vorgesehen ist .
14. Verwendung einer Getriebewelle (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Planetengetriebe zu dem Zweck hörbaren Körperschall und/oder Luftschall und/oder Resonanzschwingungen zu reduzieren.
15. Datenagglomerat mit in einer gemeinsamen Datei zusammengefassten oder über verschiedene Dateien verteilten Datenpaketen zur Abbildung der dreidimensionalen Formgestaltung und/oder der Wechselwirkungen sämtlicher in der Getriebewelle (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder der Planetenstufe (16) nach Anspruch 10 oder dem Windgetriebe (12) nach Anspruch 11 oder den Antriebsstrang (10) nach Anspruch 12 vorgesehenen Bestandteile, wobei die Datenpakete dazu hergerichtet sind bei einer Verarbeitung durch eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Betrieb einer Werkzeugmaschine zur additiven Fertigung von Vorrichtungen eine additive Herstellung der Bestandteile der Getriebewelle (32) oder der Planetenstufe (16) oder dem Windgetriebe (12) oder dem Antriebsstrang (10), insbesondere durch 3D-Druck, durchzuführen und/oder bei einer Verarbeitung durch eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Durchführung einer technischen Simulation eine Simulation der Funktionsweise der Getriebewelle (32) oder der Planetenstufe (16) oder dem Windgetriebe (12) oder dem Antriebsstrang (10) durchzuführen und hierbei erzeugte Simulationsergebnisse für eine weitere Verwendung auszugeben, insbesondere zu dem Zweck einen
Dauerfestigkeitsnachweis in Abhängigkeit veränderlicher Lasten und/oder veränderlicher Temperaturbelastungen und/oder zu dem Zweck einer Schwingungsanalyse zu erbringen.
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