WO2023062145A1 - Hauptlageranordnung für eine windenergieanlage - Google Patents

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WO2023062145A1
WO2023062145A1 PCT/EP2022/078550 EP2022078550W WO2023062145A1 WO 2023062145 A1 WO2023062145 A1 WO 2023062145A1 EP 2022078550 W EP2022078550 W EP 2022078550W WO 2023062145 A1 WO2023062145 A1 WO 2023062145A1
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inner ring
rotor
fitting
main bearing
face
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PCT/EP2022/078550
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Jörg ROLLMANN
Christian LIEWEN
Bernd LÜNEBURG
Lars Mevius
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thyssenkrupp rothe erde Germany GmbH
Thyssenkrupp Ag
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/31—Wind motors

Definitions

  • the invention relates to a main bearing arrangement for a wind turbine.
  • the rotor of a wind turbine e.g. the rotor shaft, which connects the rotor hub of a wind turbine to a gearbox or directly to a generator to generate electricity
  • the main bearing e.g. the rotor shaft, which connects the rotor hub of a wind turbine to a gearbox or directly to a generator to generate electricity
  • the publication EP 2 947 339 B1 describes that in known main bearing arrangements for mounting a rotatable rotor of a wind turbine, the rotor is mounted via at least one roller bearing so that it can rotate with respect to a non-rotatable connection structure of the wind turbine, the roller bearing having an inner ring which extends over its radial inner peripheral surface is connected to a lateral surface of the rotor via a press fit.
  • EP 2 947 339 B1 deals with the problem of so-called ring creep, which is a relevant problem in particular for large bearings that are used as the main bearing of the rotor/the rotor shaft of wind turbines and that have a diameter of several meters.
  • ring creep is a relevant problem in particular for large bearings that are used as the main bearing of the rotor/the rotor shaft of wind turbines and that have a diameter of several meters.
  • Main bearings of rotors of wind turbines are usually positioned or fastened by means of so-called press fits, i.e. a respective bearing of the roller bearing, i.e. an inner ring and an outer ring, are pressed into a corresponding ring-shaped receptacle on the rotor or on the connecting structure.
  • This is a mating fit with oversize, which creates a force-fit connection (also referred to as an "interference connection").
  • the insufficient press fit between the bearing ring and the rotor/adjoining construction therefore harbors the risk of fretting corrosion and ring creep, which leads to failure of the roller bearing and/or the rotor (rotor shaft) or the adjoining construction (also referred to as the "housing" of the wind turbine nacelle).
  • the damage mechanism usually begins with small relative movements in the bearing seat between this and the bearing ring, which are possible due to insufficient stresses or forces (joint pressure). This results in sliding twisting (in the circumferential direction) and shifting (in the axial direction) of the mating surfaces relative to one another. As a result, surface layer particles are usually sheared off the softer component, resulting in holes and scale-like material particles. This wear mechanism is referred to as adhesive wear.
  • EP 2 947 339 B1 proposes that the rolling elements of the main bearing be supported directly on the rotor shaft or the housing / the adjacent structure without separate storage on a raceway that is an integrated part of the rotor shaft or the housing / the adjacent construction.
  • this measure has several serious disadvantages.
  • the rolling element raceways integrated into the rotor shaft or the housing must be hardened in order to be able to achieve the required service life of the main bearing.
  • the publication DE 10 2017 109 148 A1 describes an anti-rotation device for a roller bearing to prevent ring creep and to simultaneously achieve a desired bearing preload in a housing-shaft arrangement.
  • the shaft is rotatably mounted relative to the housing via the roller bearing.
  • the inner ring of the roller bearing is non-rotatably connected to the shaft.
  • the outer ring of the roller bearing is preloaded in the axial direction relative to the housing via a securing element and secured against twisting.
  • the securing element is designed as a wave spring.
  • the wave spring engages in the inward direction with a first spring arc area protruding in the axial direction. at least one recess of the outer ring of the roller bearing.
  • the wave spring has at least one second spring arc area, which engages in a recess of a component fixed to the housing.
  • the anti-rotation device described in DE 10 2017 109 148 A1 appears to be intended for use in smaller housing-shaft assemblies, for example in motor vehicles.
  • This anti-rotation device is not suitable for use in the main bearing arrangements of wind turbines because it would require a very large wave spring with a diameter of several meters.
  • This additional securing element would greatly increase the overall weight of the main bearing assembly.
  • the installation of such a wave spring would be very difficult and expensive.
  • the international patent application WO 2018/153419 A1 describes a main rotor assembly (10) for a wind turbine according to the preamble of the independent claim, with a main rotor shaft (18) which extends in the axial direction and has a hub connection flange (18a) at its hub connection end, wherein the hub connecting flange (18a) extends radially inward to transition into a generally cylindrical first shaft portion (68) having a first diameter.
  • the first shaft section (68) merges into a second shaft section (70) at a shoulder (72), the second shaft section (70) having a reduced diameter compared to the first shaft section (68).
  • the main rotor assembly further includes a front bearing (24) carried on the main rotor shaft (18) and including an inner race (36), an outer race (38) and a roller set (40), the inner race (36) having a radially inner surface (78) in contact with the second shaft section (70) and defining an inner annular shoulder (79) which abuts the shaft shoulder (72) defined between the first shaft section (68) and the second shaft section (70). is trained.
  • the arrangement described in WO 2018/153419 A1 is intended to fix and hold the main bearing (24) in the correct axial position along the length of the main rotor shaft (18).
  • WO 2018/153419 A1 also describes that the so-called ring migration of the inner ring in the circumferential direction, ie the undesired movement of the inner ring of the bearing 24 on the rotor shaft 18 in the circumferential direction through the use of Pins 80 (“creep prevention pin 80”) can be prevented, which engage in recesses 86 (in the bearing inner ring) and 84 (in a shoulder of the rotor shaft 18) (cf. FIG. 6). It is also disclosed that a serrated structure can also be provided.
  • WO 2018/153418 A1 discloses a main rotor arrangement (10) of a wind power plant, in which, to prevent ring creep of the inner bearing ring in the circumferential direction, a positive connection is made between a retaining element (98) ("retainer element 98") that is non-rotatably connected to the rotor shaft (18). ) and the bearing inner ring (36) is provided.
  • a retaining element (98) (“retainer element 98")
  • the bearing inner ring (36) is provided.
  • the disadvantage of this solution is that a separate holding element (98) is required.
  • the rotor shaft has to be weakened so that the fastening means (108) can be introduced into the rotor shaft in order to fasten the holding element to the rotor shaft. This can result in insufficient service life for the bearing assembly.
  • the present invention is based on the object of making available a main bearing arrangement for the rotatable mounting of a rotor of a wind energy installation which avoids the damage described above, which occurs as a result of ring creep of the roller bearing inner ring, which is arranged on the rotor by means of a press fit.
  • the main bearing arrangement should be robust and simple in design and have a long service life.
  • the invention is based on a main bearing arrangement for mounting a rotatable rotor of a wind turbine, the rotor being mounted via at least one roller bearing so that it can rotate with respect to a connecting structure, the roller bearing having an inner ring which is connected to a lateral surface of the rotor via its radial inner peripheral surface, wherein the inner ring has at least one first positive-locking element on at least one axial surface, with a counter-element which is non-rotatably connected to the rotor being provided, which has an axial surface which faces the axial surface of the inner ring and has at least one second positive-locking element, with between the first and the second form-fitting element is formed in a form-fitting connection that is effective in the circumferential direction of the inner ring.
  • This can be a purely radial bearing, or a bearing that absorbs or transmits both radial and axial forces.
  • the inner ring is connected to the lateral surface of the rotor via its radial inner peripheral surface via a press fit, with the at least one first positive-locking element being arranged on an axial end face of the inner ring that has a large extension in the radial direction, and with the at least one first Form-locking element and the at least one second form-locking element have a large extent in the radial direction.
  • the arrangement according to the invention ensures that the form-fitting connection has a sufficiently large force transmission surface in the circumferential direction in order to keep the surface pressures occurring during operation in the form-fitting connection at a level at which no stress peaks occur that exceed the permissible surface pressure. Overloading and premature wear and tear respectively premature failure of the at least one form-fitting connection is thus prevented and the required service life requirements are met, some of which are very high in wind turbines.
  • the positive-locking elements extend over the entire radial extent of the end face of the inner ring.
  • the wording "whereby the at least one first form-fitting element is arranged on the axial end face of the inner ring, which has a large extension in the radial direction, and the at least one first form-fitting element and the at least one second form-fitting element have a large extent in the radial direction” means that the first form-fitting element is arranged on the continuous annular axial end face of the inner ring. As a result, the first form-fitting element can extend in the radial direction over the entire end face of the inner ring. In the radial direction, the second form-fitting element likewise has an extent in the radial direction that is adapted to the length of the first form-fitting element, preferably of the same length.
  • the length of the interlocking elements in the radial direction can therefore be dimensioned so large that a sufficiently large force transmission surface is available so that the stresses and surface pressures occurring in the interlocking connections under operating loads remain below the permissible stresses and surface pressures and overloads are avoided.
  • the counter-element can be formed by a radial flange formed on the rotor.
  • a ring connected to the rotor in a rotationally fixed manner can also form the counter-element.
  • Such a ring can be rotationally connected to the rotor in different ways, e.g. by means of screw connections, by welding, gluing or soldering, etc.
  • the advantage achieved by the solution according to the invention is that no high-precision production of the axial end faces (groove and nose) is necessary.
  • a circumferential setting of the form-fitting connection between the bearing ring and counter-element during operation of the bearing and an associated increase in the load-bearing circumferential areas of the connection result in an increasing circumferential load-bearing capacity and rigidity of the connection.
  • the settling phenomena are caused by the forces acting in the circumferential direction, which occur between the inner ring and the mating element.
  • the at least one form-fitting element works its way into the components involved in the form-fitting connection, so to speak. In the end, ring wandering and slipping is completely prevented.
  • a plurality of first and second form-fitting elements are distributed over the circumference, with the circumferential sections between adjacent form-fitting elements preferably being of the same length.
  • a large area of the form-fitting connection is made available overall in the circumferential direction.
  • Each individual positive connection is therefore only exposed to comparatively low surface pressures.
  • the service life of bearing arrangements with a plurality of form-fitting connections can be significantly increased compared to embodiments with only a single form-fitting connection.
  • the counter-element is a component non-rotatably connected to the rotor or a flange integrally formed on the rotor, with the component or the flange protruding in the radial direction beyond a lateral surface of the rotor, with the at least one second Form-fitting element is formed on an axial end face of the component or the flange, which faces the axial end face of the inner ring with the at least one first form-fitting element. Due to the fact that the form-fitting elements are arranged on the end faces of the respective structural elements, the form-fitting elements can be designed in such a way that they have a great length in the radial direction.
  • the at least one first form-fitting element is designed as a projection projecting in the axial direction in relation to the end face of the inner ring and the at least one second form-fitting element is designed as a recess set back in the axial direction in relation to the face of the component or the flange, or that the at least one first form-fitting element is designed as a recess that is set back in the axial direction compared to the end face of the inner ring and the at least one second form-fitting element is designed as a projection that projects in the axial direction compared to the end face of the component or the flange, the projection engaging in the recess to form the form-fitting connection that is effective in the circumferential direction .
  • Form-fitting connections formed in this way have form-fitting elements which are formed integrally with the respective component (inner ring or counter-element). Separate connecting elements, which are designed separately from the inner ring or the counter-element, are therefore not required to form the positive connection. The number of the required components is thereby minimized. The installation effort is also comparatively low.
  • the at least one first form-fitting element is designed as a recess set back in the axial direction with respect to the end face of the inner ring and the at least one second form-fitting element is designed as a recess set back in the axial direction with respect to the end face of the component or the flange, with the in the circumferential direction of the inner ring effective positive connection is effected via at least one connecting element, which positively engages both in the recess in the inner ring and in the recess in the component or flange.
  • both positive-locking elements are designed as recesses set back in relation to the respective end face.
  • the form-fitting connection is only brought about by an additional connecting element.
  • Two mutually associated first and second positive-locking elements form a receiving space into which a connecting element can be inserted in such a way that a positive-locking connection that is effective in the circumferential direction is created between the inner ring and counter-element.
  • the connecting element can be designed as a feather key which positively engages both in the recesses of the inner ring and in the recesses of the counter-element.
  • the connecting element is secured against falling out in the radial direction.
  • the securing can take place in that the connecting element is connected to the inner ring or the counter-element or to both components at the same time.
  • the connection can be realized, for example, by screwing or cohesively by welding, soldering or gluing.
  • the connecting element can also be accommodated in the recesses in the inner ring and in the counter-element, for example in a non-positive and positive manner.
  • the connecting element can be wedge-shaped in the radial direction and pressed into the recesses, which are also wedge-shaped or V-shaped in the radial direction.
  • one embodiment of the main bearing arrangement provides that the inner ring is secured against movement relative to the rotor in the axial direction by at least one detachable connection, such as a screw connection.
  • the detachable connection can be formed, for example, between the inner ring and the counter-element.
  • the detachable connection can be arranged, for example, in the peripheral areas between the first and the second positive-locking elements.
  • One or more detachable connections can be provided.
  • the inner ring is a bearing ring made of heat-treated steel with one or more inductively surface-hardened rolling element raceways.
  • the first form-fitting elements can be introduced into the inner ring simply and without great manufacturing effort, because the areas of the inner ring that do not belong to the surface layer-hardened raceway area are not hardened and can therefore be easily machined, e.g.
  • the roller bearing is set up to absorb forces acting in the axial direction during operation of the bearing, the inner ring being pressed in the direction of the counter-element by the forces acting on it in the axial direction in such a way that the at least one first Form-fitting element is pressed in the direction of at least one second form-fitting element.
  • the roller bearing can be designed as a tapered roller bearing.
  • an outer ring of the roller bearing has at least one third positive-locking element on at least one axial end face, with a second counter-element which is non-rotatably connected to the adjacent structure being provided and has at least a fourth positive-locking element, and with between the third and the fourth form-fitting element is formed in a form-fitting connection that is effective in the circumferential direction of the outer ring.
  • form-locking connections effective in the circumferential direction are thus provided both on the inner ring and on the outer ring of the roller bearing, through which ring migration of both the inner ring and the outer ring is effectively prevented.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention with a roller bearing mounted on the rotor
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the invention with connecting elements which produce the form-fitting connection effective in the circumferential direction
  • FIG. 4 shows a detailed view of an inner ring of the roller bearing according to a third embodiment of the invention
  • 5 shows a roller bearing mounted on the rotor according to the third embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a roller bearing mounted on the rotor according to a fourth embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a roller bearing designed according to the first embodiment of the invention, in which the axial forces occurring during operation of the bearing support the form fit of the form fit connection,
  • FIG. 9 is a perspective view of an outer ring constructed in accordance with the fifth embodiment shown in FIG. 8.
  • FIG. 9 is a perspective view of an outer ring constructed in accordance with the fifth embodiment shown in FIG. 8.
  • the rotor 1 shows a first embodiment of the invention.
  • the rotor 1 is mounted via the roller bearing 2 so that it can rotate with respect to a connecting structure that is not shown in FIG.
  • the roller bearing 2 has an inner ring 3 .
  • the inner ring 3 is connected with its inner peripheral surface 4 (see FIG. 2) on the lateral surface 5 of the rotor 1 via a press fit.
  • the press fit has been produced by thermally fitting the inner ring 3 onto the rotor 1 .
  • the outer ring 22 of the roller bearing 2 is connected to a component of a connecting structure, not shown in FIG. 1 , for example a component of the housing of the nacelle of a wind turbine.
  • Rolling elements 23 are arranged between the outer ring 22 and the inner ring 3 .
  • the inner ring 3 has an axial end face 6 .
  • First positive-locking elements 7 are arranged on the axial end face 6 .
  • the first positive-locking elements 7 are designed as projections 15 .
  • the rotor 1 has a radially outwardly extending flange 12 .
  • the flange 12 is integrally formed with the rotor 1 .
  • the flange 12 forms the counter-element 8 which, together with the inner ring 3, forms a positive-locking connection 10 which is effective in the circumferential direction.
  • the Flange 12 has an axial end face 14 which faces the axial end face 6 of the inner ring 3 .
  • the flange 12 has on its end face 14 2nd form-fitting elements 9 which are designed as recesses 16 in the exemplary embodiment shown.
  • the projections 15 of the inner ring 3 engage in the circumferential direction in a form-fitting manner in the recesses 16 of the flange 12 . In this way, ring migration of the inner ring 3 relative to the rotor 1 in the circumferential direction is effectively prevented.
  • the end face 6 has a large extension in the radial direction, i.e. the end face 6 is wide in the radial direction.
  • the first form-fitting elements 7 can likewise have a large extent in the radial direction.
  • the recesses 16 in the flange 12 also have a large extent in the radial direction.
  • form-fitting connections 10 can be formed between the inner ring 3 and the flange 12, which have a large force transmission surface in the circumferential direction.
  • the surface pressure that occurs during operation in the positive-locking connections 10 is kept at a low level, which means that there are no stress peaks that go beyond the permissible surface pressure. This contributes to the positive connections 10 having a long service life and not wearing out prematurely.
  • a plurality of first positive-locking elements 7 are arranged over the circumference of the end face 6 of the inner ring 3 .
  • a plurality of second positive-locking elements 9 are arranged over the circumference of the end face 14 of the flange 12 .
  • the roller bearing 2 shows the roller bearing 2 according to the first embodiment of the invention in a perspective view without the rotor 1 so that the inner peripheral surface 4 of the inner ring 3 can be seen.
  • the first positive-locking elements 7 arranged on the end face 6 of the inner ring 3 are designed as projections 15 projecting forward in the axial direction.
  • the inner ring 3 On its outer peripheral surface, the inner ring 3 has a raceway on which the rolling bodies 23 roll.
  • the rolling bodies 23 are arranged spaced apart from one another via a cage 24 .
  • the inner ring 3 of the roller bearing 2 is in turn connected to the rotor 1 via a press connection.
  • the press connection can in turn be produced by thermally shrinking the inner ring 3 onto the outer surface of the rotor 1 .
  • the counter-element 8 is designed as a component 11 which is connected to the rotor 1 in a rotationally fixed manner.
  • the component 11 is designed as a ring, which is non-rotatably connected to the rotor 1 via connections not shown in FIG.
  • the component 11 has an axial end face 14 in which the second positive-locking elements 9 are formed.
  • the second positive-locking elements 9 are designed as recesses 20 which are set back in relation to the end face 14 .
  • the inner ring 3 has an axial end face 6 which faces the component 11 and in which the first positive-locking elements 7 are arranged.
  • the first positive-locking elements 7 are designed as recesses 19 which are recessed in relation to the end face 6 .
  • Each recess 20 in the component 11 is assigned a recess 19 in the inner ring 3, so that the recesses 19, 20 define a receiving space into which a connecting element 21 can be introduced.
  • the connecting elements 21 only one of which is shown in FIG. 3 for reasons of clarity, produce the form-fitting connection 10 effective in the circumferential direction between the inner ring 3 and the component 11 .
  • the connecting elements 21 are in the form of feather keys.
  • the first and second positive-locking elements 7, 9 and the connecting elements 21 have a large extension in the radial direction, so that a large force transmission surface is available overall in the circumferential direction over the plurality of positive-locking connections 10 distributed over the circumference.
  • FIG. 4 shows a detailed view of an inner ring 3 of the roller bearing 2 according to a third embodiment of the invention.
  • the first positive-locking elements 7 are arranged on an axial end face 6 which has a smaller extent in the radial direction.
  • a plurality of first form-fitting elements 7 is provided distributed over the circumference.
  • the individual form-fitting elements 7 each have the same distance X from their adjacent form-fitting elements 7 in the circumferential direction.
  • the fifth shows a main bearing assembly constructed according to the third embodiment of the invention.
  • the inner ring 3 is connected to the rotor 1 by means of a press fit as described above.
  • the first positive-locking elements 7 formed on the narrow end face 6 are formed as projections 15 which engage in recesses 16 in the flange 12 of the rotor 1 .
  • the flange 12 is formed integrally with the rotor 1 .
  • the form-fitting connections 10 formed in this way prevent the inner ring from creeping in the circumferential direction.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the invention, which is very similar to the third embodiment according to FIG.
  • the second positive-locking elements 9 which are arranged in the end face 14 of the flange 12 facing the end face 6 , are also designed as recesses 20 .
  • a recess 20 in the flange 12 is assigned to each recess 19 in the inner ring.
  • the form-fitting connections 10 effective in the circumferential direction are effected via connecting elements 21 .
  • the connecting elements 21 engage in the circumferential direction in a form-fitting manner both in the recesses 19 of the inner ring 3 and in the recesses 20 of the flange 12 .
  • the connecting elements are designed as feather keys.
  • the form-fitting connections 10 formed in this way prevent ring migration in the circumferential direction.
  • FIG. 7 shows a main bearing arrangement designed according to the first embodiment of the invention, in which the axial forces occurring during operation of the bearing support the positive locking of the positive locking connections 10 .
  • the roller bearing 2 is set up to absorb forces acting in the axial direction during operation of the bearing.
  • the force 25 acting on the inner ring 3 from the rolling bodies 23 has a force component 26 acting in the axial direction, by means of which the inner ring 3 is pressed in the direction of the counter-element 8 .
  • the end face 6 of the inner ring 3 is pressed against the end face 14 of the flange 12 by the forces acting on the inner ring 3 during operation of the main bearing arrangement. This is indicated by the arrow 27 in FIG.
  • the positive-locking elements 7, 9 cannot lose their form-locking engagement.
  • the forces occurring during operation and acting on the inner ring 3 prevent the connection partners of the form-fitting connections 10 from moving away from one another in the axial direction and the form-fitting being lost, without a separate prestressing force having to be applied for this purpose.
  • no separate prestressing elements are required by which the inner ring 3 is prestressed against the flange 12 .
  • Fig. 8 shows a fifth embodiment of the invention, in which both the inner ring 3 and the outer ring 22 of the roller bearing 2 are secured against ring migration in the circumferential direction.
  • the outer ring 22 has, on at least its axial end face 28 , a plurality of third positive-locking elements 29 arranged distributed over the circumference.
  • the second counter-element 30 which is non-rotatably connected to the connecting structure (not shown in FIG. 8 ), has a plurality of fourth positive-locking elements 31 arranged distributed over the circumference. Between the third 29 and the fourth form-fitting elements 31 effective form-fitting connections 32 are formed in the circumferential direction of the outer ring 22 .
  • the forces occurring during operation and acting on the outer ring 22 support the positive locking of the positive locking connections 32.
  • the roller bearing 2 is set up to absorb forces acting in the axial direction when the bearing is in operation.
  • the force 33 acting on the outer ring 22 from the rolling bodies 23 has a force component 34 acting in the axial direction, by means of which the outer ring 22 is pressed in the direction of the second counter-element 30 .
  • the end face 28 of the outer ring 22 is pressed during operation of the main bearing arrangement by the forces acting on the outer ring 22 against the end face 35 of the second counter-element 30 facing the end face 28 . This is indicated by the arrow 36 in FIG.
  • the form-fitting elements 29, 31 can not lose their form-fitting engagement in this way.
  • the second counter-element 30 is in the form of a flange 38 which is integrally formed with a component 37 .
  • the component 37 is in the form of an annular component which is connected in a torque-proof manner to elements of the connecting structure which are not shown in FIG. 8 .
  • the connection structure can, for example, be part of a housing for the nacelle of a wind turbine.
  • FIG. 9 shows an outer ring 22 as can be used in the embodiment of the invention shown in FIG.
  • form-fitting elements 29, 31 can also be designed as projections and/or recesses in the context of the fifth embodiment, and that both form-fitting elements 29, 31 can also be designed as recesses, into which separate connecting elements such as e.g Keys are introduced to form the form-fitting connections effective in the circumferential direction.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hauptlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren Rotors (1) einer Windenergieanlage, wobei der Rotor (1) über mindestens ein Wälzlager (2) drehbar gegenüber einer Anschlusskonstruktion gelagert ist, wobei das Wälzlager (2) einen Innenring (3) aufweist, der über seine radiale Innenumfangsfläche (4) mit einer Mantelfläche (5) des Rotors (1) verbundenen ist, wobei der Innenring (3) an mindestens einer axialen Fläche (6) mindestens ein erstes Formschlusselement (7) aufweist, wobei ein mit dem Rotor (1) drehfest verbundenes Gegenelement (8) vorgesehen ist, welches eine axiale Fläche (14) aufweist, welche der axialen Fläche (6) des Innenrings (3) zugewandt ist und mindestens ein zweites Formschlusselement (9) aufweist, wobei zwischen dem ersten (7) und dem zweiten Formschlusselement (9) eine in Umfangsrichtung des Innenrings (3) wirksame Formschlussverbindung (10) ausgebildet ist. Um eine Hauptlageranordnung zur drehbaren Lagerung eines Rotors einer Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei der die Schäden vermieden werden, die durch Ringwandern des mittels Presssitz auf dem Rotor angeordneten Wälzlagerinnenrings auftreten und eine hohe Lebensdauer erreicht wird, wird vorgeschlagen, dass der Innenring (3) über seine radiale Innenumfangsfläche (4) über einen Presssitz mit der Mantelfläche (5) des Rotors (1) verbunden ist, wobei das mindestens eine erste Formschlusselement (7) auf einer in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweisenden axialen Stirnfläche (6) des Innenrings (3) angeordnet ist, und wobei das mindestens eine erste Formschlusselement (7) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweisen.

Description

Hauptlageranordnung für eine Windenergieanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Hauptlageranordnung für eine Windenergieanlage. Mit einem Hauptlager wird der Rotor einer Windenergieanlage (also z.B. die Rotorwelle, welche die Rotornabe einer Windenergieanlage mit einem Getriebe oder direkt mit einem Generator zur Stromerzeugung verbindet) gelagert.
In der Druckschrift EP 2 947 339 B1 wird beschrieben, dass bei bekannten Hauptlageranordnungen zur Lagerung eines drehbaren Rotors einer Windenergieanlage der Rotor über mindestens ein Wälzlager drehbar gegenüber einer drehfesten Anschlusskonstruktion der Windenergieanlage gelagert ist, wobei das Wälzlager einen Innenring aufweist, der über seine radiale Innenumfangsfläche mit einer Mantelfläche des Rotors über einen Presssitz verbundenen ist.
Die EP 2 947 339 B1 befasst sich mit dem Problem des so genannten Ringwanderns, das insbesondere bei Großlagern, die als Hauptlager des Rotors/der Rotorwelle von Windenergieanlagen eingesetzt werden und die mehrere Meter große Durchmesser aufweisen ein relevantes Problem darstellt. In EP 2 947 339 B1 wird die Problematik des Ringwanderns bei Hauptlagern von Windenergieanlagen sowie aus dem Stand derTech- nik bekannte Maßnahmen zur Verhinderung des Ringwanderns ausführlich wie folgt beschrieben:
Mit immer größeren Wälzlagern hat sich insbesondere ein sicherer Lagersitz als problematisch herausgestellt. Hauptlager von Rotoren von Windenergieanlagen werden üblicherweise mittels so genannter Presssitze positioniert bzw. befestigt, d.h. ein jeweiliger Lagerung des Wälzlagers, also ein Innenring sowie ein Außenring, werden in eine entsprechende ringförmige Aufnahme am Rotor bzw. an der Anschlusskonstruktion eingepresst. Dabei handelt es sich um eine Passungspaarung mit Übermaß, womit ein kraftschlüssiger Verband entsteht (auch als „Pressverband“ bezeichnet).
Bei großen Lagerdurchmessern ergibt sich ein sehr ungünstiges Verhältnis von Durchmesser/Ringquerschnitt, womit eine ausreichende Kraft (Fugenpressung) für einen festen Lagersitz nicht mehr sichergestellt werden kann. Eine weitere Erhöhung des Passungsübermaßes führt nur zu einer geringfügigen Erhöhung der Fugenpressung, da der dünnwandige Lagerring sich leichter aufweitet, wohingegen der massivere Rotor bzw. die massivere Anschlusskonstruktion sich nur geringfügig einschnürt. Eine zu starke Aufweitung des Lagerrings wiederum führt zu hohen Zugspannungen bzw. Druckspannungen im Lagerring, was zu einer negativen Beeinflussung der Laufbahngeometrie durch Formabweichungen des Lagerrings führen kann. Weiterhin wird dadurch auch bei vielen Lagerbauformen die Lagerluft, also ein positives Lagerspiel verändert, was sich direkt auf die Lebensdauer und Laufruhe des Lagers negativ auswirken kann.
Der somit nicht ausreichende Presssitz zwischen Lagerring und Rotor/ Anschlusskonstruktion birgt daher das Risiko von Passungsrost und Ringwandern, was zum Versagen der Wälzlagerung und/oder des Rotors (der Rotorwelle) bzw. der Anschlusskonstruktion (auch als „Gehäuse“ der Windenergieanlagengondel bezeichnet) führt. Der Schadensmechanismus beginnt in der Regel mit kleinen Relativbewegungen im Lagersitz zwischen diesem und dem Lagerring, die aufgrund zu geringer Spannungen bzw. Kräfte (Fugenpressung) möglich werden. Dadurch kommt es zum gleitenden Verdrehen (in Umfangsrichtung) und Verschieben (in Axialrichtung) der Passungsflächen zueinander. Hierdurch werden Randschichtteilchen meist vom weicheren Bauteil abgeschert, wodurch Löcher und schuppenartige Materialteilchen entstehen. Man spricht bei diesem Verschleißmechanismus von adhäsivem Verschleiß. Überlagert und beschleunigt wird dieser Prozess durch eine Oxidation in der Passungsfuge. Aufgrund der Relativbewegungen können Wasser, Sauerstoff und andere Medien in den Kontaktbereich gelangen, was wiederum zu einer chemischen Reaktion führt, die in Kombination mit der Bauteilbewegung als Tribooxidation bezeichnet wird.
In der Regel ermüdet bei diesem Schadensverlauf der weichere Teil in der Verschleißkette, was in der Regel die Welle bzw. das Gehäuse / die Anschlusskonstruktion ist. Oftmals kommt es erst zum großflächigen Materialabtrag unter dem Lager und letztendlich zum Bruch der Welle direkt am Lagersitz aufgrund der Kerbwirkung und hohen Kräfte. Verstärkt wird diese Problematik durch den erforderlichen Leichtbau in der Windkraft. Aufgrund der limitierten Turmkopfmassen, des anspruchsvollen Transportes und der teuren Krankapazitäten wird versucht, die mechanischen Strukturen leichter zu gestalten. Maschinenträger, Welle und Gehäuse sind daher nicht (mehr) als hochsteife Strukturbauteile anzusehen. Doch genau eine sehr steife Umgebung wird bei der Basisauslegung von den Wälzlagerherstellern für jedes Wälzlager gefordert. Die Strukturbauteile moderner Windkraftanlagen verformen sich unter den hohen Windlasten so massiv, dass auch der Wälzlagersitz großflächigen Verformungen unterworfen ist. Diese globalen Verformungen tragen zusätzlich zur Verschärfung der Problematik hinsichtlich Passungsrost und adhäsivem Verschleiß bei.
Weiterhin problematisch an der zunehmenden Lagergröße sind die erhöhten Toleranzen für die Lagersitzflächen. Eine Passung für einen Lagerung von 2,5m Durchmesser weist ein sehr hohes Toleranzfeld auf. Kombiniert mit dem ebenfalls hohen Toleranzfeld für den Lagersitz an der Welle oder am Gehäuse ergibt sich eine hohe Schwankung in der Presspassung. Fallen diese hohen Toleranzen ungünstig zusammen, verbleibt nur noch ein sehr geringer Anteil an Fugenpressung in dem Presssitz. Somit ist dieser Presssitz besonders anfällig auf Relativbewegung, die Passungsrost und adhäsiven Verschleiß auslöst. Dies erklärt auch die unterschiedlichen Ausfallraten bei Schäden durch Passungsrost und Verschleiß im Pressverband.
Insbesondere für Hauptlager von Windenergieanlagen gibt es aktuell noch keine hinreichenden technischen Lösungen für diese Problematik. Spezielle Kunststoffbeschichtungen wie PTFE auf dem Lagerring und/oder am Lagersitz an der Welle bzw. am Gehäuse können die Problematik der chemischen Reaktion zwischen den beiden metallischen Passungsträgem etwas reduzieren. Allerdings wird sich die Problematik des geringen Fugendrucks mit solchen Beschichtungen nicht beheben lassen. Harte Schichten wie DLC (Diamond Like Carbon) oder Hartchrombeschichtung für Lagerring und/oder Welle bzw. Gehäuse können den adhäsiven Verschleiß reduzieren, jedoch bleibt die Problematik der chemischen Reaktion und somit des Passungsrostes bestehen. Da beide Alternativen nur einen der zwei Verschleißmechanismen reduzieren und zudem mit sehr hohen Kosten verbunden sind, werden sie bei Hauptlagerungen nicht eingesetzt.
Alternativ wurden in den letzten Jahren bereits Einlager-Lösungen mit verschraubten Außenringen und später auch des Innenringes der Hauptlagerung eingesetzt. Fokus war jedoch hier nicht der Pressverband, sondern die Schaffung einer voreinstellbaren Lageranordnung.
Die Verschraubung von Lagerungen ist jedoch wie bekannt mit zahlreichen Nachteilen verbunden. Dazu zählen hohe Ringquerschnitte (Gewicht & Kosten), limitierte Steifigkeit der Verschraubung sowie schwierige Montage solcher Wälzlagersysteme.
Die EP 2 947 339 B1 schlägt zur Verringerung oder sogar Unterbindung der beschriebenen Probleme hinsichtlich Passungsrost, adhäsivem Verschleiß und Ringwandern vor, dass sich die Wälzkörper des Hauptlagers an der Rotorwelle bzw. dem Gehäuse / der Anschlusskonstruktion unmittelbar ohne separaten Lagerung an einer Laufbahn abstützen, die integrierter Bestandteil der Rotorwelle bzw. des Gehäuses / der Anschlusskonstruktion ist. Diese Maßnahme hat jedoch mehrere gravierende Nachteile. Zum einen müssen die in die Rotorwelle bzw. das Gehäuse integrierten Wälzkörperlaufbahnen gehärtet werden, um die geforderte Lebensdauer des Hauptlagers erreichen zu können. Dies ist bei integral mit den Rotorwellen und Gehäusebauteilen ausgebildeten Laufbahnen jedoch technisch sehr schwierig, aufwändig und teuer, weil z.B. an der gesamten Rotorwelle nur die integrierte Laufbahn zum Härten selektiv erwärmt und abgeschreckt werden muss, dabei jedoch die gesamte Rotorwelle gehandhabt werden muss. Zum anderen ist es nicht möglich, im Fall eines Lagerschadens das Lager oder einzelne Lagerringe auszutauschen, sondern es ist erforderlich, das gesamte Bauteil mit der integrierten Wälzkörperlaufbahn auszutauschen, was viel aufwändiger und sehr viel höhere Kosten verursacht.
In der Druckschrift DE 10 2017 109 148 A1 wird eine Verdrehsicherung für ein Wälzlager zur Verhinderung des Ringwanderns und zur gleichzeitigen Erreichung einer gewünschten Lagervorspannung in einer Gehäuse-Welle-Anordnung beschrieben. Die Welle ist über das Wälzlager relativ zum Gehäuse drehbar gelagert. Der Innenring des Wälzlagers ist drehfest mit der Welle verbunden. Der Außenring des Wälzlagers ist über ein Sicherungselement relativ zum Gehäuse in axialer Richtung vorgespannt und gegen Verdrehen gesichert. Das Sicherungselement ist als Wellenfeder ausgestaltet. Die Wellenfeder greift mit einem in axialer Richtung hervorstehenden ersten Federbogenbereich in zum in- dest eine Ausnehmung des Außenrings des Wälzlagers ein. Gleichzeitig weist die Wellenfeder zumindest einen zweiten Federbogenbereich auf, der in eine Aussparung eines gehäusefesten Bauteils eingreift.
Die in DE 10 2017 109 148 A1 beschriebene Verdrehsicherung scheint für die Verwendung in kleineren Gehäuse-Welle-Anordnungen zum Beispiel in Kraftfahrzeugen vorgesehen zu sein. Für den Einsatz in Hauptlageranordnungen von Windenergieanlagen ist diese Verdrehsicherung nicht geeignet, weil dazu eine sehr große Wellenfeder mit mehreren Metern Durchmesser erforderlich wäre. Dieses zusätzliche Sicherungselement würde das Gesamtgewicht der Hauptlageranordnung sehr stark erhöhen. Der Einbau einer solchen Wellenfeder wäre sehr schwierig und aufwändig. Außerdem würde es nicht möglich sein, die großen Kräfte, die erforderlich sind, um die Großwälzlager von Hauptlageranordnungen von Windenergieanlagen axial vorzuspannen, über eine gemäß der Lehre der DE 10 2017 109 148 A1 eingebaute Wellenfeder aufzubringen.
Die internationale Patentanmeldung WO 2018/153419 A1 beschreibt eine Hauptrotoranordnung (10) für eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs, mit einer Hauptrotorwelle (18), die sich in axialer Richtung erstreckt und an ihrem Nabenverbindungsende einen Nabenverbindungsflansch (18a) aufweist, wobei sich der Nabenverbindungsflansch (18a) radial nach innen erstreckt, um in einen allgemein zylindrischen ersten Wellenabschnitt (68) mit einem ersten Durchmesser überzugehen. Der erste Wellenabschnitt (68) geht an einer Schulter (72) in einen zweiten Wellenabschnitt (70) über, wobei der zweite Wellenabschnitt (70) einen reduzierten Durchmesser im Vergleich zum ersten Wellenabschnitt (68) aufweist. Die Hauptrotoranordnung umfasst ferner ein vorderes Lager (24), das auf der Hauptrotorwelle (18) getragen wird und einen Innenring (36), einen Außenring (38) und einen Rollensatz (40) umfasst, wobei der Innenring (36) eine radial innere Oberfläche (78) aufweist, die in Kontakt mit dem zweiten Wellenabschnitt (70) steht und die eine innere Ringschulter (79) definiert, die an der Wellenschulter (72) anliegt, die zwischen dem ersten Wellenabschnitt (68) und dem zweiten Wellenabschnitt (70) ausgebildet ist. Die in der WO 2018/153419 A1 beschriebene Anordnung soll dazu dienen, das Hauptlager (24) an der richtigen axialen Position entlang der Länge der Hauptrotorwelle (18) festzulegen und zu halten. Die Schulter (72) der Anordnung, die zwischen zwei Abschnitten (68, 70) der Rotorwelle (18) mit unterschiedlichen Durchmessern definiert ist, reduziert die Notwendigkeit einer zeitaufwendigen und mit einer größeren Menge an Zerspanungsschrott verbundenen Bearbeitung zur Bildung einer aufrecht stehenden Lagerstützrippe, wie sie in bekannten Systemen des Standes der Technik erforderlich ist. Im Zusammenhang mit der aus WO 2018/153419 A1 bekannten Anordnung wird in WO 2018/153419 A1 auch beschrieben, dass das sogenannte Rindwandern des Innenrings in Umfangsrichtung, d.h. die unerwünschte Bewegung des Innenrings des Lagers 24 auf der Rotorwelle 18 in Umfangsrichtung durch die Verwendung von Stiften 80 („creep prevention pin 80“) verhindert werden kann, welche in Ausnehmungen 86 (im Lagerinnenring) und 84 (in einer Schulter der Rotorwelle 18) eingreifen (vgl. Fig. 6). Es wird auch offenbart, dass auch eine Verzahnungsstruktur („serrated structure“) vorgesehen sein könne.
Nachteilig bei der aus der WO 2018/153419 A1 bekannten Anordnung ist, dass die in Axialrichtung des Innenrings nach innen versetzte innere Ringschulter (79) zwingend vorhanden sein muss, um mit der Schulter (72) der Rotorwelle (18) zusammen zu wirken. Dadurch weist der Innenring im Bereich seiner Innenumfangsfläche eine Schwächung auf, weil Material des Innenrings weggenommen werden muss, um die innere Ringschulter (79) zu bilden. Gerade in diesem Bereich können jedoch im Betrieb sehr hohe Spannungen auftreten. Die Anordnung gemäß WO 2018/153419 A1 ist daher wenig robust und kann bei großen Beanspruchungen eine nicht ausreichende Lebensdauer aufweisen.
Aus der WO 2018/153418 A1 ist eine Hauptrotoranordnung (10) einer Windkraftanlage bekannt, bei der zur Verhinderung des Ringwanderns des Lagerinnenrings in Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung zwischen einem mit der Rotorwelle (18) drehfest verbundenen Haltelement (98) („retainer element 98“) und dem Lagerinnenring (36) vorgesehen ist. Nachteilig in Bezug auf diese Lösung ist, dass ein separates Halteelement (98) erforderlich ist. Nachteilig ist auch, das die Rotorwelle geschwächt werden muss, damit die Befestigungsmittel (108) in die Rotorwelle eingebracht werden können, um das Halteelement an der Rotorwelle zu befestigen. Dies kann zu einer nicht ausreichenden Lebensdauer der Lageranordnung führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hauptlageranordnung zur drehbaren Lagerung eines Rotors einer Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei der die voranstehend beschriebenen Schäden vermieden werden, die durch Ringwan- dern des mittels Presssitz auf dem Rotor angeordneten Wälzlagerinnenrings auftreten. Gleichzeitig soll die Hauptlageranordnung robust und einfach aufgebaut sein und eine hohe Lebensdauer aufweisen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Hauptlageranordnung mit den in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die Erfindung geht von einer Hauptlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren Rotors einer Windenergieanlage aus, wobei der Rotor über mindestens ein Wälzlager drehbar gegenüber einer Anschlusskonstruktion gelagert ist, wobei das Wälzlager einen Innenring aufweist, der über seine radiale Innenumfangsfläche mit einer Mantelfläche des Rotors verbundenen ist, wobei der Innenring an mindestens einer axialen Fläche mindestens ein erstes Formschlusselement aufweist, wobei ein mit dem Rotor drehfest verbundenes Gegenelement vorgesehen ist, welches eine axiale Fläche aufweist, welche der axialen Fläche des Innenrings zugewandt ist und mindestens ein zweites Formschlusselement aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Formschlusselement eine in Umfangsrichtung des Innenrings wirksame Formschlussverbindung ausgebildet ist. Dabei kann es sich um ein reines Radiallager handeln, oder auch um ein Lager, welches sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnimmt bzw. überträgt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Innenring über seine radiale Innenumfangsfläche über einen Presssitz mit der Mantelfläche des Rotors verbunden ist, wobei das mindestens eine erste Formschlusselement auf einer in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweisenden axialen Stirnfläche des Innenrings angeordnet ist, und wobei das mindestens eine erste Formschlusselement und das mindestens eine zweite Formschlusselement in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, dass die Formschlussverbindung eine ausreichend große Kraftübertragungsfläche in Umfangsrichtung aufweist, um die im Betrieb auftretenden Flächenpressungen in der Formschlussverbindung auf einem Niveau zu halten, bei dem keine Spannungsspitzen auftreten, die über die zulässige Flächenpressung hinausgehen. Eine Überbelastung und ein vorzeitiger Verschleiß bzw. ein vorzeitiges Versagen der mindestens einen Formschlussverbindung wird so verhindert und die geforderten Lebensdaueranforderungen erfüllt, die bei Windkraftanlagen teilweise sehr hoch sind.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung kommt es nicht zu einer mechanischen Schwächung des Lagerinnenrings, wie dies bei der Lösung gemäß WO 2018/153419 A1 der Fall ist. Das vollständige Volumen des Innenrings bleibt erhalten, weil kein Material für die Bildung einer Ringschulter im Sinne der WO 2018/153419 A1 weggenommen werden muss. Es kommt auch nicht zu einer mechanischen Schwächung der Rotorwelle, wie dies durch die Aufnahmen für die Befestigungselemente 108 zur Befestigung der separaten Halteelemente 98 bei der WO 2018/153418 A1 der Fall ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist robust, einfach im Aufbau und kommt ohne separate Halteelemente aus.
Die Formschlusselemente erstrecken sich bei der Erfindung über die gesamte radiale Erstreckung der Stirnfläche des Innenrings. Dadurch kann die zur Kraftübertragung zur Verfügung stehende Fläche maximiert und die in der Formschlussverbindung bzw. den Formschlussverbindungen im Betrieb entstehende Flächenpressung minimiert werden.
Die Formulierung „wobei das mindestens eine erste Formschlusselement auf der in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweisenden axialen Stirnfläche des Innenrings angeordnet ist, und wobei das mindestens eine erste Formschlusselement und das mindestens eine zweite Formschlusselement in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweist“ bedeutet, dass das erste Formschlusselement auf der durchgehenden kreisringförmigen axialen Stirnfläche des Innenrings angeordnet ist. Dadurch kann sich das erste Formschlusselement in radialer Richtung über die gesamte Stirnfläche des Innenrings erstrecken. Das zweite Formschlusselement weist in Radialrichtung ebenfalls eine an die Länge des ersten Formschlusselements angepasste, vorzugsweise gleich lange Erstreckung in radialer Richtung auf. Die Länge der Formschlusselemente in Radialrichtung kann daher so groß dimensioniert werden, dass eine hinreichend große Kraftübertragungsfläche zur Verfügung steht, so dass die bei Betriebsbelastungen in den Formschlussverbindungen auftretenden Spannungen und Flächenpressungen unter den zulässigen Spannungen und Flächenpressungen bleiben und Überbelastungen vermieden werden. Das Gegenelement kann durch einen an dem Rotor ausgebildeten radialen Flansch gebildet werden. Alternativ kann auch ein mit dem Rotor drehtest verbundener Ring das Gegenelement bilden. Ein solcher Ring kann auf unterschiedliche Weise drehtest mit dem Rotor verbunden sein, z.B. mittels Schraubverbindungen, durch Verschweißung, Verklebung oder Verlötung, usw.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Vorteil erreicht, dass keine hochgenaue Fertigung der axialen Stirnflächen (Nut und Nase) notwendig ist. Durch ein umfangsseitiges, im Betrieb des Lagers auftretendes Setzen der formschlüssigen Verbindung zwischen Lagerring und Gegenelement und eine damit einhergehende Zunahme der tragenden umfangsseitigen Bereiche der Verbindung wird eine steigende umfangsseitige Tragkraft und Steifigkeit der Verbindung erzielt. Mit jeder Setzerscheinung wird die umfangsseitige Relativbewegung von Lagerring und Anschlusskonstruktion kleiner und kommt letztendlich zum Erliegen. Die Setzerscheinungen werden durch die in Umfangsrichtung wirkenden Kräfte, die zwischen Innenring und Gegenelement auftreten, bewirkt. Das mindestens eine Formschlusselement arbeitet sich sozusagen in die an der formschlüssigen Verbindung beteiligten Bauteile ein. So wird letztendlich das Ringwandern und Rutschen vollständig unterbunden.
Durch die Erfindung werden die voranstehend beschriebenen Schädigungen, die durch Ringwandern hervorgerufen werden, zuverlässig verhindert.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von ersten und zweiten Formschlusselementen angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Umfangsabschnitte zwischen benachbarten Formschlusselementen gleich lang sind. Dadurch wird insgesamt in Umfangsrichtung eine große Fläche der formschlüssigen Verbindung zur Verfügung gestellt. Jede einzelne Formschlussverbindung ist daher nur vergleichsweise geringen Flächenpressungen ausgesetzt. Die Lebensdauer von Lageranordnungen mit einer Mehrzahl von formschlüssigen Verbindungen kann gegenüber Ausführungsformen mit nur einer einzigen formschlüssigen Verbindung deutlich gesteigert werden. Sind die einzelnen formschlüssigen Verbindungen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet, d.h. sind die Umfangsabschnitte zwischen benachbarten Formschlussverbindungen gleich lang, so werden die Kräfte in Umfangsrichtung sehr gleichmäßig von dem Innenring in das Gegenelement eingeleitet und eine unerwünschte Verformung des Innenrings durch ungleichmäßig in das Gegenelement eingeleitete Umfangskräfte wird vermieden.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das Gegenelement ein mit dem Rotor drehfest verbundenes Bauteil oder ein an dem Rotor integral ausgebildeter Flansch ist, wobei das Bauteil oder der Flansch in radialer Richtung über eine Mantelfläche des Rotors hinausragt, wobei das mindestens eine zweite Formschlusselement an einer axialen Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches ausgebildet ist, welche der axialen Stirnfläche des Innenrings mit dem mindestens einen ersten Formschlusselement zugewandt ist. Dadurch, dass die Formschlusselemente an den Stirnflächen der jeweiligen Bauelemente angeordnet sind, können die Formschlusselemente so ausgebildet werden, dass sie in Radialrichtung eine große Länge aufweisen. Auf diese Weise wird eine große Kraftübertragungsfläche in Umfangrichtung zur Verfügung gestellt, was wiederum zu relativ geringen Flächenpressungen in der einzigen formschlüssigen Verbindung oder in den einzelnen formschlüssigen Verbindungen beiträgt. Auch sind die an den Stirnflächen der Bauteile angeordneten Formschlusselemente fertigungstechnisch einfach herzustellen, was zur Realisierung geringer Herstellungskosten beiträgt.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das mindestens eine erste Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Innenrings vorspringender Vorsprung und das mindestens eine zweite Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches zurückspringende Ausnehmung ausgebildet ist, oder dass das mindestens eine erste Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Innenrings zurückspringende Ausnehmung und das mindestens eine zweite Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches vorspringender Vorsprung ausgebildet ist, wobei der Vorsprung in die Ausnehmung unter Ausbildung der in Umfangsrichtung wirksamen Formschlussverbindung eingreift. Auf diese Weise ausgebildete Formschlussverbindungen weisen Formschlusselemente auf, die integral mit dem jeweiligen Bauteil (Innenring bzw. Gegenelement) ausgebildet sind. Separate, getrennt von dem Innenring bzw. dem Gegenelement ausgebildete Verbindungselemente sind daher zur Bildung des Formschlusses nicht erforderlich. Die Anzahl der benötigten Bauteile wird dadurch minimiert. Auch der Montageaufwand ist vergleichsweise gering.
Alternativ ist nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung vorgesehen, dass das mindestens eine erste Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Innenrings zurückspringende Ausnehmung und das mindestens eine zweite Formschlusselement als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche des Bauteils oder des Flansches zurückspringende Ausnehmung ausgebildet ist, wobei die in Umfangsrichtung des Innenrings wirksame Formschlussverbindung über mindestens ein Verbindungselement bewirkt wird, welches sowohl in die Ausnehmung im Innenring als auch in die Ausnehmung in dem Bauteil oder Flansch formschlüssig eingreift. Bei dieser Ausführungsform sind also beide Formschlusselemente als gegenüber der jeweiligen Stirnfläche zurückspringende Ausnehmungen ausgebildet. Die formschlüssige Verbindung wird dabei erst durch ein zusätzliches Verbindungselement bewirkt. Zwei einander zugeordnete erste und zweite Formschlusselemente bilden einen Aufnahmeraum aus, in den ein Verbindungselement derart eingesetzt werden kann, dass zwischen Innenring und Gegenelement eine in Umfangsrichtung wirksame formschlüssige Verbindung entsteht. Das Verbindungselement kann dabei nach einer Ausführungsform der Erfindung als Passfeder ausgebildet sein, die formschlüssig sowohl in die Ausnehmungen des Innenrings als auch in die Ausnehmungen des Gegenelements eingreift.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement gegen Herausfallen in radialer Richtung gesichert ist. Die Sicherung kann dadurch erfolgen, dass das Verbindungselement mit dem Innenring oder dem Gegenelement oder mit beiden Bauteilen gleichzeitig verbunden wird. Die Verbindung kann z.B. durch Verschraubung oder stoffschlüssig durch Verschweißen, Verlöten oder Verkleben realisiert werden. Auch kann das Verbindungselement z.B. kraft- und formschlüssig in den Ausnehmungen im Innenring und im Gegenelement aufgenommen sein. Zum Beispiel kann das Verbindungselement in Radialrichtung keilförmig ausgebildet und in die in Radialrichtung ebenfalls keilförmig oder V-förmig ausgebildeten Ausnehmungen eingepresst sein. Durch diese Maßnahmen kann verhindert werden, dass der Formschluss verloren geht und die zugehörige Verbindung in Umfangsrichtung keine Kräfte mehr übertragen kann. Um auch einem Ringwandern in Axialrichtung des Rotors entgegenzuwirken und ein solches axiales Ringwandern zu unterbinden ist nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung vorgesehen, dass der Innenring durch mindestens eine lösbare Verbindung wie z.B. eine Schraubverbindung gegen eine Relativbewegung zum Rotor in Axialrichtung gesichert ist. Die lösbare Verbindung kann z.B. zwischen dem Innenring und dem Gegenelement ausgebildet sein. Die lösbare Verbindung kann z.B. in den Umfangsbereichen zwischen den ersten und den zweiten Formschlusselementen angeordnet sein. Es kann eine oder es können mehrere lösbare Verbindungen vorgesehen sein.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass der Innenring ein Lagerring aus einem Vergütungsstahl mit einer oder mehreren induktiv randschichtgehärteten Wälzkörperlaufbahnen ist. Bei dieser Ausführungsform können die ersten Formschlusselemente einfach und ohne großen fertigungstechnischen Aufwand in den Innenring eingebracht werden, weil die nicht zum randschichtgehärteten Laufbahnbereich gehörenden Bereiche des Innenrings nicht gehärtet sind und daher ohne Weiteres mechanisch bearbeitet, z.B. spanabhebend bearbeitet, werden können, um die ersten Formschlusselemente einzubringen. Grundsätzlich möglich wäre die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung auch an durchgehärteten oder einsatzgehärteten Innenringen, die z.B. aus dem Werkstoff 100Cr6 oder aus Einsatzstahl bestehen, allerdings wäre dann das Einbringen der Formschlusselemente in den gehärteten Innenring deutlich aufwändiger.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass das Wälzlager dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Lagers in Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen, wobei der Innenring durch die auf ihn in Axialrichtung wirkenden Kräfte derart in Richtung des Gegenelements gedrückt wird, dass das mindestens eine erste Formschlusselement in Richtung des mindestens einen zweiten Formschlusselements gedrückt wird. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Kraftfluss durch das Wälzlager die Formschlussverbindung unterstützt. Der Innenring wird im Betrieb des Wälzlagers durch die auf ihn einwirkenden Axialkräfte immer zum Gegenelement hin gedrückt, d.h. immer in Richtung auf die Formschlussverbindung. Dadurch kann der Formschluss nicht verloren gehen, selbst wenn keine mechanischen Sicherungsmaßnahmen zur Vermeidung eines Verlustes des Formschlusses ergriffen worden sind. Die im Betrieb auf das Wälzlager einwirkenden Kräfte stellen bei dieser Ausführungsform also den in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss zwischen Innenring und Gegenelement sicher. Gemäß einer Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung kann das Wälzlager als angestelltes Kegelrollenlager ausgebildet sein.
Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hauptlageranordnung ist vorgesehen, dass ein Außenring des Wälzlagers an mindestens einer axialen Stirnfläche mindestens ein drittes Formschlusselement aufweist, wobei ein mit der Anschlusskonstruktion drehfest verbundenes zweites Gegenelement vorgesehen ist, welches mindestens ein viertes Formschlusselement aufweist, und wobei zwischen dem dritten und dem vierten Formschlusselement eine in Umfangsrichtung des Außenrings wirksame Formschlussverbindung ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform sind somit sowohl an dem Innenring als auch an dem Außenring des Wälzlagers in Umfangsrichtung wirksame formschlüssige Verbindungen vorgesehen, durch die ein Ringwandern sowohl des Innenrings als auch des Außenrings wirksam verhindert wird. Die eingangs beschriebenen Schadensmechanismen, die durch Ringwandern auftreten können, werden auf diese Weise erfindungsgemäß in Bezug auf beide Lagerringe verhindert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit auf dem Rotor montiertem Wälzlager,
Fig. 2 eine Detailansicht des Wälzlagers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit Verbindungselementen, welche die in Umfangsrichtung wirksame Formschlussverbindung herstellen,
Fig. 4 eine Detailansicht eines Innenrings des Wälzlagers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 ein auf dem Rotor montiertes Wälzlager gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 ein auf dem Rotor montiertes Wälzlager gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 ein gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildetes Wälzlager, bei dem die im Betrieb des Lagers auftretenden Axialkräfte den Formschluss der Formschlussverbindung unterstützen,
Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl der Innenring als auch der Außenring des Wälzlagers gegen Ringwandern in Umfangsrichtung gesichert sind,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Außenrings, der gemäß der in Fig. 8 dargestellten fünften Ausführungsform ausgebildet ist.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Der Rotor 1 ist über das Wälzlager 2 drehbar gegenüber einer in Figur 1 nicht dargestellten Anschlusskonstruktion gelagert. Das Wälzlager 2 weist einen Innenring 3 auf. Der Innenring 3 ist mit seiner Innenumfangsfläche 4 (vgl. Fig. 2) auf der Mantelfläche 5 des Rotors 1 über einen Presssitz verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Presssitz durch ein thermisches Auftrumpfen des Innenrings 3 auf den Rotor 1 hergestellt worden.
Der Außenring 22 des Wälzlagers 2 ist mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten Bauteil einer Anschlusskonstruktion, zum Beispiel einem Bauteil des Gehäuses der Gondel einer Windenergieanlage verbunden. Zwischen dem Außenring 22 und dem Innenring 3 sind Wälzkörper 23 angeordnet.
Der Innenring 3 weist eine axiale Stirnfläche 6 auf. Auf der axialen Stirnfläche 6 sind erste Formschlusselemente 7 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die ersten Formschlusselemente 7 als Vorsprünge 15 ausgebildet. Der Rotor 1 weist einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 12 auf. Der Flansch 12 ist integral mit dem Rotor 1 ausgebildet. Der Flansch 12 bildet das Gegenelement 8, welches mit dem Innenring 3 eine in Umfangsrichtung wirksame Formschlussverbindung 10 ausbildet. Der Flansch 12 weist eine axiale Stirnfläche 14 auf, welche der axialen Stirnfläche 6 des Innenrings 3 zugewandt ist. Der Flansch 12 weist auf seiner Stirnfläche 14 2. Formschlusselemente 9 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Ausnehmungen 16 ausgebildet sind. Die Vorsprünge 15 des Innenrings 3 greifen in Umfangsrichtungsform formschlüssig in die Ausnehmungen 16 des Flansches 12 ein. Auf diese Weise wird ein Ringwandern des Innenrings 3 relativ zum Rotor 1 in Umfangsrichtung wirksam verhindert.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Stirnfläche 6 in radialer Richtung eine große Erstreckung auf, d.h. die Stirnfläche 6 ist in radialer Richtung breit ausgebildet. Dadurch können die ersten Formschlusselemente 7 ebenfalls eine große Erstreckung in radialer Richtung aufweisen. Auch die Ausnehmungen 16 im Flansch 12 weisen in radialer Richtung eine große Erstreckung auf. Dadurch können zwischen dem Innenring 3 und dem Flansch 12 Formschlussverbindungen 10 ausgebildet sein, die eine große Kraftübertragungsfläche in Umfangsrichtung aufweisen. Dadurch wird die im Betrieb auftretende Flächenpressung in den Formschlussverbindungen 10 auf einem niedrigen Niveau gehalten, das heißt es treten keine Spannungsspitzen auf, die über die zulässige Flächenpressung hinausgehen. Dies trägt dazu bei, dass die Formschlussverbindungen 10 eine hohe Lebensdauer aufweisen und nicht vorzeitig verschleißen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich sind über den Umfang der Stirnfläche 6 des Innenrings 3 eine Mehrzahl von ersten Formschlusselementen 7 angeordnet. Ebenso sind über den Umfang der Stirnfläche 14 des Flansches 12 eine Mehrzahl von zweiten Formschlusselementen 9 angeordnet. Auf diese Weise verteilen sich die durch die Formschlussverbindungen 10 zu übertragenden Kräfte auf mehrere Paarungen von Formschlusselementen 7, 9, was ebenfalls dazu beiträgt, pro Formschlussverbindung eine geringe Flächenpressung zu erreichen. Auf diese Weise kann auch bei hohen Betriebsbelastungen und damit bei großen auftretenden Umfangskräften ein Überschreiten der zulässigen Flächenpressung in den Formschlussverbindungen 10 zuverlässig verhindert werden.
Fig. 2 zeigt das Wälzlager 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht ohne den Rotor 1 , so dass die Innenumfangsfläche 4 des Innenrings 3 zu erkennen ist. Im rechten Bildteil von Fig. 2 ist der im linken Bildteil mit einem Kreis gekennzeichnete Ausschnitt des Innenrings 3 in einer vergrößerten Darstellung ab- gebildet. Die auf der Stirnfläche 6 des Innenrings 3 angeordneten ersten Formschlusselemente 7 sind als in axialer Richtung nach vorne springende Vorsprünge 15 ausgebildet. Auf seiner Außenumfangsfläche weist der Innenring 3 eine Laufbahn auf, auf der die Wälzkörper 23 abrollen. Die Wälzkörper 23 sind dabei über einen Käfig 24 voneinander beanstandet angeordnet.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Innenring 3 des Wälzlagers 2 ist wiederum über eine Pressverbindung mit dem Rotor 1 verbunden. Die Pressverbindung kann wiederum durch thermisches Aufschrumpfen des Innenrings 3 auf die Mantelfläche des Rotors 1 hergestellt sein.
In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gegenelement 8 als mit dem Rotor 1 drehfest verbundenes Bauteil 11 ausgebildet. Konkret ist das Bauteil 11 als Ring ausgebildet, der mit dem Rotor 1 über in Fig. 2 nicht dargestellte Verbindungen drehfest verbunden ist. Das Bauteil 11 weist eine axiale Stirnfläche 14 auf, in der zweite Formschlusselemente 9 ausgebildet sind. Die zweiten Formschlusselemente 9 sind als Ausnehmungen 20 ausgebildet, die gegenüber der Stirnfläche 14 zurückspringen. Der Innenring 3 weist eine dem Bauteil 11 zugewandte axiale Stirnfläche 6 auf, in der erste Formschlusselemente 7 angeordnet sind. Die ersten Formschlusselemente 7 sind als Ausnehmungen 19 ausgebildet, die gegenüber der Stirnfläche 6 zurückspringen. Jeder Ausnehmung 20 in dem Bauteil 1 1 ist eine Ausnehmung 19 in dem Innenring 3 zugeordnet, so dass die Ausnehmungen 19, 20 einen Aufnahmeraum definieren, in den ein Verbindungselement 21 eingebracht werden kann. Die Verbindungselemente 21 , von denen in Fig. 3 aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit nur ein einziges dargestellt ist, stellen die in Umfangsrichtung wirksame formschlüssige Verbindung 10 zwischen Innenring 3 und Bauteil 11 her. Die Verbindungselemente 21 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als Passfedern ausgebildet. Wiederum weisen die ersten und zweiten Formschlusselemente 7, 9 sowie die Verbindungselemente 21 in radialer Richtung eine große Erstreckung auf, so dass über die Mehrzahl von über dem Umfang verteilt angeordneten Formschlussverbindungen 10 insgesamt eine große Kraftübertragungsfläche in Umfangsrichtung zur Verfügung steht. Die im Betrieb auftretenden Flächenpressungen können so auch bei großen Belastungen auf einem akzeptablen Niveau unterhalb der zulässigen Flächenpressung gehalten werden. In Fig. 4 zeigt eine Detailansicht eines Innenrings 3 des Wälzlagers 2 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 die ersten Formschlusselemente 7 auf einer axialen Stirnfläche 6 angeordnet, die in radialer Richtung eine geringere Erstreckung aufweist. Wiederum ist über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von ersten Formschlusselementen 7 vorgesehen. Die einzelnen Formschlusselemente 7 weisen in Umfangsrichtung jeweils denselben Abstand X zu ihren jeweils benachbarten Formschlusselementen 7 auf.
Fig. 5 zeigt eine gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung ausgebildete Hauptlageranordnung. Der Innenring 3 ist mit dem Rotor 1 wie voranstehend beschrieben mittels Presssitz verbunden. Die an der schmalen Stirnfläche 6 ausgebildeten ersten Formschlusselemente 7 sind als Vorsprünge 15 ausgebildet, die in Ausnehmungen 16 in dem Flansch 12 des Rotors 1 eingreifen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Flansch 12 integral mit dem Rotor 1 ausgebildet. Die auf diese Weise ausgebildeten Formschlussverbindungen 10 verhindern das Ringwandern des Innenrings in Umfangsrichtung.
Fig. 6 zeigt einer vierte Ausführungsform der Erfindung, die der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 sehr ähnlich ist. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Fig.3 sind in Fig. 4 die ersten Formschlusselemente 7 als Ausnehmungen 19 ausgebildet, die gegenüber der Stirnfläche 6 zurückspringen. Auch die zweiten Formschlusselemente 9, die in der der Stirnfläche 6 zugewandten Stirnfläche 14 des Flansches 12 angeordnet sind, sind als Ausnehmungen 20 ausgebildet. Jeder Ausnehmung 19 in dem Innenring ist eine Ausnehmung 20 in dem Flansch 12 zugeordnet. Die in Umfangsrichtung wirksamen Formschlussverbindungen 10 werden über Verbindungselemente 21 bewirkt. Die Verbindungselemente 21 greifen in Umfangsrichtung formschlüssig sowohl in die Ausnehmungen 19 des Innenrings 3 als auch in die Ausnehmungen 20 des Flansches 12 ein. Die Verbindungselemente sind als Passfedern ausgebildet. Die auf diese Weise ausgebildeten Formschlussverbindungen 10 verhindern das Ringwandern in Umfangsrichtung.
In Fig. 7 ist eine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildete Hauptlageranordnung dargestellt, bei dem die im Betrieb des Lagers auftretenden Axialkräfte den Formschluss der Formschlussverbindungen 10 unterstützen. Das Wälzlager 2 ist dazu eingerichtet, im Betrieb des Lagers in Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen. Die von den Wälzkörpern 23 auf den Innenring 3 einwirkende Kraft 25 hat eine in Axialrichtung wirkende Kraftkomponente 26, durch welche der Innenring 3 in Richtung auf das Gegenelement 8 gedrückt wird. Dadurch wird die Stirnfläche 6 des Innenrings 3 im Betrieb der Hauptlageranordnung durch die auf den Innenring 3 einwirkenden Kräfte gegen die Stirnfläche 14 des Flansches 12 gedrückt. Dies ist in Fig. 7 durch den Pfeil 27 angedeutet. Die Formschlusselemente 7, 9 können auf diese Weise ihren formschlüssigen Eingriff nicht verlieren. Die im Betrieb auftretenden, auf den Innenring 3 einwirkenden Kräfte verhindern auf diese Weise, dass sich die Verbindungspartner der formschlüssigen Verbindungen 10 in Axialrichtung voneinander entfernen und der Formschluss verloren geht, ohne dass dazu eine separate Vorspannkraft aufgebracht werden muss. Insbesondere sind keine separaten Vorspannelemente erforderlich, durch welche der Innenring 3 gegen den Flansch 12 vorgespannt wird.
Fig. 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl der Innenring 3 als auch der Außenring 22 des Wälzlagers 2 gegen Ringwandern in Umfangsrichtung gesichert sind. Der Außenring 22 weist an mindestens seiner axialen Stirnfläche 28 mehrere über den Umfang verteilt angeordnete dritte Formschlusselemente 29 auf. Das mit der in Fig. 8 nicht dargestellten Anschlusskonstruktion drehfest verbundene zweite Gegenelement 30 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilt angeordneten vierten Formschlusselementen 31 auf. Zwischen den dritten 29 und den vierten Formschlusselementen 31 sind in Umfangsrichtung des Außenrings 22 wirksame Formschlussverbindung 32 ausgebildet.
Die im Betrieb auftretenden, auf den Außenring 22 einwirkenden Kräfte unterstützen den Formschluss der Formschlussverbindungen 32. Das Wälzlager 2 ist dazu eingerichtet, im Betrieb des Lagers in Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen. Die von den Wälzkörpern 23 auf den Außenring 22 einwirkende Kraft 33 hat eine in Axialrichtung wirkende Kraftkomponente 34, durch welche der Außenring 22 in Richtung auf das zweite Gegenelement 30 gedrückt wird. Dadurch wird die Stirnfläche 28 des Außenrings 22 im Betrieb der Hauptlageranordnung durch die auf den Außenring 22 einwirkenden Kräfte gegen die der Stirnfläche 28 zugewandte Stirnfläche 35 des zweiten Gegenelements 30 gedrückt. Dies ist in Fig. 8 durch den Pfeil 36 angedeutet. Die Formschlusselemente 29, 31 können auf diese Weise ihren formschlüssigen Eingriff nicht verlieren. Die im Betrieb auftretenden, auf den Außenring 22 einwirkenden Kräfte verhindern auf diese Weise, dass sich die Verbindungspartner der formschlüssigen Verbindungen 32 in Axialrichtung voneinander entfernen und der Formschluss verloren geht, ohne dass dazu eine separate Vorspannkraft aufgebracht werden muss. Insbesondere sind keine separaten Vorspannelemente erforderlich, durch welche der Außenring 22 gegen das zweite Gegenelement 30 vorgespannt wird.
In dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweite Gegenelement 30 als mit einem Bauteil 37 integral ausgebildeter Flansch 38 ausgebildet. Das Bauteil 37 ist als ringförmiges Bauteil ausgebildet, welches drehfest mit in Fig. 8 nicht dargestellten Elementen der Anschlusskonstruktion verbunden ist. Die Anschlusskonstruktion kann z.B. Bestandteil eines Gehäuses der Gondel einer Windenergieanlage sein.
Fig. 9 zeigt einen Außenring 22, wie er in der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden kann.
Es verstehet sich, dass auch im Rahmen der fünften Ausführungsform die Formschlusselemente 29, 31 als Vorsprünge und/oder Ausnehmungen ausgebildet sein können, und dass auch beide Formschlusselemente 29, 31 als Ausnehmungen ausgebildet sein können, in die dann wie voranstehend beschrieben separate Verbindungselemente wie z.B. Passfedern eingeführt werden, um die im Umfangsrichtung wirksamen Formschlussverbindungen zu bilden.
Bezugszeichenliste
1 Rotor
2 Wälzlager
3 Innenring
4 Innenumfangsfläche
5 Mantelfläche
6 Stirnfläche
7 Formschlusselement
8 Gegenelement
9 Formschlusselement
10 Formschlussverbindung
11 Bauteil
12 Flansch
13 Mantelfläche
14 Stirnfläche
15 Vorsprung
16 Ausnehmung
17 Ausnehmung
18 Vorsprung
19 Ausnehmung
20 Ausnehmung
21 Verbindungselement
22 Außenring
23 Wälzkörper
24 Käfig
25 Kraft
26 Kraftkomponente
27 Pfeil
28 Stirnfläche
29 Formschlusselement
30 Gegenelement
31 Formschlusselement
32 Formschlussverbindung 33 Kraft
34 Kraftkomponente
35 Stirnfläche
36 Pfeil 37 Bauteil
38 Flansch

Claims

22
Ansprüche
1 . Hauptlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren Rotors (1 ) einer Windenergieanlage, wobei der Rotor (1 ) über mindestens ein Wälzlager (2) drehbar gegenüber einer Anschlusskonstruktion gelagert ist, wobei das Wälzlager (2) einen Innenring (3) aufweist, der über seine radiale Innenumfangsfläche (4) mit einer Mantelfläche (5) des Rotors (1 ) verbundenen ist, wobei der Innenring (3) an mindestens einer axialen Fläche (6) mindestens ein erstes Formschlusselement (7) aufweist, wobei ein mit dem Rotor (1 ) drehfest verbundenes Gegenelement (8) vorgesehen ist, welches eine axiale Fläche (14) aufweist, welche der axialen Fläche (6) des Innenrings (3) zugewandt ist und mindestens ein zweites Formschlusselement (9) aufweist, wobei zwischen dem ersten (7) und dem zweiten Formschlusselement (9) eine in Umfangsrichtung des Innenrings (3) wirksame Formschlussverbindung (10) ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (3) über seine radiale Innenumfangsfläche (4) über einen Presssitz mit der Mantelfläche (5) des Rotors (1 ) verbunden ist, wobei das mindestens eine erste Formschlusselement (7) auf einer in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweisenden axialen Stirnfläche (6) des Innenrings (3) angeordnet ist und wobei das mindestens eine erste Formschlusselement (7) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) in radialer Richtung eine große Erstreckung aufweisen.
2. Hauptlageranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von ersten und zweiten Formschlusselementen (7, 9) angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Umfangsabschnitte zwischen benachbarten Formschlusselementen (7, 9) gleich lang sind.
3. Hauptlageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (8) ein mit dem Rotor (1 ) drehfest verbundenes Bauteil (11 ) oder ein an dem Rotor (1 ) integral ausgebildeter Flansch (12) ist, wobei das Bauteil (11 ) oder der Flansch (12) in radialer Richtung über eine Mantelfläche (13) des Rotors (1 ) hinausragt, wobei das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) an einer axialen Stirnfläche (14) des Bauteils (11 ) oder des Flansches (12) ausgebildet ist, welche der axialen Stirnfläche (6) des Innenrings (3) mit dem mindestens einen ersten Formschlusselement (7) zugewandt ist. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (6) des Innenrings (3) vorspringender Vorsprung (15) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (14) des Bauteils (11 ) oder des Flansches (12) zurückspringende Ausnehmung (16) ausgebildet ist, oder dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (6) des Innenrings (3) zurückspringende Ausnehmung (17) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (14) des Bauteils (11 ) oder des Flansches (12) vorspringender Vorsprung (18) ausgebildet ist, wobei der Vorsprung (15; 18) in die Ausnehmung (16; 17) unter Ausbildung der in Umfangsrichtung wirksamen Formschlussverbindung (10) eingreift. Hauptlageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (6) des Innenrings (3) zurückspringende Ausnehmung (19) und das mindestens eine zweite Formschlusselement (9) als in Axialrichtung gegenüber der Stirnfläche (14) des Bauteils (11 ) oder des Flansches (12) zurückspringende Ausnehmung (20) ausgebildet ist, wobei die in Umfangsrichtung des Innenrings (3) wirksame Formschlussverbindung (10) über mindestens ein Verbindungselement (21 ) bewirkt wird, welches sowohl in die Ausnehmung (19) im Innenring (3) als auch in die Ausnehmung (20) in dem Bauteil (11 ) oder Flansch (12) formschlüssig eingreift. Hauptlageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (21 ) als Passfeder ausgebildet ist. Hauptlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (21 ) gegen Herausfallen in radialer Richtung gesichert ist. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (3) durch mindestens eine lösbare Verbindung wie z.B. eine Schraubverbindung gegen eine Relativbewegung zum Rotor (1 ) in Axialrichtung gesichert ist. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (3) ein Lagerung aus einem Vergütungsstahl mit einer oder mehreren induktiv randschichtgehärteten Wälzkörperlaufbahnen ist. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (2) dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Lagers in Axialrichtung wirkende Kräfte aufzunehmen, wobei der Innenring (3) durch die auf ihn in Axialrichtung wirkenden Kräfte derart in Richtung des Gegenelements (8) gedrückt wird, dass das mindestens eine erste Formschlusselement (7) in Richtung des mindestens einen zweiten Formschlusselements (9) gedrückt wird. Hauptlageranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (2) als angestelltes Kegelrollenlager ausgebildet ist. Hauptlageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenring (22) des Wälzlagers (2) an mindestens einer axialen Stirnfläche 25
(28) mindestens ein drittes Formschlusselement (29) aufweist, wobei ein mit der Anschlusskonstruktion drehtest verbundenes zweites Gegenelement (30) vorgesehen ist, welches mindestens ein viertes Formschlusselement (31 ) aufweist, und wobei zwischen dem dritten (29) und dem vierten Formschlusselement (31 ) eine in Umfangsrichtung des Außenrings (22) wirksame Formschlussverbindung (32) ausgebildet ist.
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