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Dokumentenidentifikation DE102005049185A1 19.04.2007
Titel Anordnung zur Lagerung eines Planetenrades eines Planetengetriebes
Anmelder AB SKF, Göteborg, SE
Erfinder Hofmann, Matthias, 97422 Schweinfurt, DE;
Reichert, Jürgen, 97499 Donnersdorf, DE;
Wagner, Rainer, 97525 Schwebheim, DE;
Weidinger, Alfred, 97464 Niederwerrn, DE
Vertreter Gosdin, M., Dipl.-Ing.Univ. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 97422 Schweinfurt
DE-Anmeldedatum 14.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005049185
Offenlegungstag 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse F16H 57/08(2006.01)A, F, I, 20051014, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16C 35/06(2006.01)A, L, I, 20051014, B, H, DE   F03D 9/00(2006.01)A, L, I, 20051014, B, H, DE   F03D 1/00(2006.01)A, L, I, 20051014, B, H, DE   F16C 19/28(2006.01)A, L, I, 20051014, B, H, DE   F16C 33/48(2006.01)A, L, I, 20051014, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Lagerung eines Planetenrades (2) eines Planetengetriebes auf einem Lagerbolzen (3) mittels mindestens drei nebeneinander angeordneten Zylinderrollenlagern (4, 5, 6, 7), wobei das Planetengetriebe insbesonderes Bestandteil einer Windkraftanlage ist. Um eine leichtere Lagerung zu schaffen, ist die Lageranordnung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderrollen (8, 9, 10, 11) der Zylinderrollenlager (4, 5, 6, 7) unmittelbar an mindestens einem zylindrisch ausgebildeten Außenumfangs-Abschnitt (12) des Lagerbolzens (3) und unmittelbar an mindestens einem im Planetenrad (2) eingebrachten, zylindrisch ausgebildeten Bohrungsabschnitt (13, 14, 15, 16) anlaufen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lagerung eines Planetenrades eines Planetengetriebes auf einem Lagerbolzen mittels mindestens drei nebeneinander angeordneten Zylinderrollenlagern, wobei das Planetengetriebe insbesondere Bestandteil einer Windkraftanlage ist.

Bei Windkraftanlagen werden zur Übersetzung der Drehbewegung des die Flügel tragenden Rotors Planetengetriebe eingesetzt. Diese haben in bekannter Weise Planetenräder, die jeweils auf Lagerbolzen gelagert sind und um ein Sonnenrad in einem Hohlrad drehen.

Zur Lagerung der Planetenräder in Planetengetrieben von Windkraftanlagen sind Lösungen bekannt, wie sie aus den 1 und 2 hervorgehen. Mittels der Lageranordnung 1 wird ein Planetenrad 2 auf einem Lagerbolzen 3 gelagert, und zwar sowohl radial als auch axial. Hierfür kommen vier nebeneinander angeordnete Zylinderrollenlager 4, 5, 6, 7 zum Einsatz. Jedes Zylinderrollenlager 4, 5, 6, 7 hat jeweils eine Reihe Zylinderrollen 8, 9, 10, 11, die zwischen Innenringen 26 und Außenringen 27 angeordnet sind. Dabei kann ein Ring auch mehrere Laufbahnen für Zylinderrollen 8, 9, 10, 11 aufweisen. Anlaufborde sowohl an den Innenringen 26 als auch an den Außenringen 27 stellen die axiale Lagerung des Planetenrads 2 relativ zum Lagerbolzen 3 her.

Wie in 2 gesehen werden kann, ist es auch bekannt, auf den Lageraußenring zu verzichten. Die Zylinderrollenlager 4, 5, 6, 7 weisen daher bei dieser Lösung lediglich Innenringe 26 auf. Ansonsten entspricht die Konzeption derjenigen, wie sie aus 1 hervorgeht.

Bei den vorbekannten Lagerungen hat es sich insbesondere bei der Anwendung in Windkraftanlagen als nachteilig herausgestellt, dass die Lastverteilung über die verschiedenen Lagerreihen bzw. über die einzelnen Zylinderrollenlager nicht befriedigend ist, was vor allem bei dem genannten Anwendungsfall problematisch ist. Ferner ergibt sich bei den bekannten Lösungen eine radiale Bauhöhe, die relativ große Abmessungen der Lageranordnung erforderlich macht. Dadurch ergibt sich auch ein teilweise relativ hohes Gewicht der Lageranordnung. Negativ ist es ferner, dass die Lagersteifigkeit teilweise zu wünschen übrig lässt, was durch die immer weiter steigenden Anforderungen an Lagerungen in Windkraftanlagen bedingt ist.

Nachteilig ist es bei den vorbekannten Lagerungen auch, dass es zu Anschmierungen zwischen den Rollen des Lagers und den Laufbahnen bzw. den Borden kommen kann. Die hohen Lagerbelastungen führen darüber hinaus gelegentlich zu problematischen Bordbrüchen. Durch die verfügbare Wandstärke des Planetenrades ist dieses derart geschwächt, dass die Lebensdauer gering ist. Außerdem kommt es gelegentlich zu Relativbewegungen zwischen dem Planetenkranz und den Lageraußenringen, was zu einem Wandern des Außenrings führt. Die Folge davon sind Passungsrost und Kaltverschweißungen, speziell zwischen der Planetenradbohrung und den Außenringen. Insbesondere ist ein axiales Wandern der Außenringe problematisch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die genannten Nachteile überwunden bzw. vermindert werden. Die Lageranordnung soll also steifer ausgebildet werden, wobei dennoch geringere Lagerabmessungen möglich werden sollen. Ferner soll erreicht werden, dass das Gewicht der Lageranordnung geringer wird, verglichen mit vorbekannten Ausführungsformen. Eine besonders angestrebte Eigenschaft der Lagerung soll sein, dass über alle Reihen der einzelnen Zylinderrollenlager eine möglichst gleichmäßige Lastverteilung gegeben ist, so dass die Lagerung optimal dimensioniert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderrollen der Zylinderrollenlager unmittelbar an mindestens einem zylindrisch ausgebildeten Außenumfangs-Abschnitt des Lagerbolzens und unmittelbar an mindestens einem im Planetenrad eingebrachten, zylindrisch ausgebildeten Bohrungs-Abschnitt anlaufen. Dabei ist bevorzugt das Planetengetriebe Bestandteil einer Windkraftanlage.

Um eine möglichst optimale Lastverteilung über die einzelnen Rollenreihen zu erreichen, sieht eine Weiterbildung vor, dass der Laufbahndurchmesser mindestens eines vom axialen Rand des Planetenrades entfernten Bohrungsabschnitts kleiner ist als der Laufbahndurchmesser eines dem axialen Rand des Planetenrades benachbarten Bohrungsabschnitts. Hierbei hat sich ein der Unterschied der Laufbahndurchmesser zwischen 5 &mgr;m und 50 &mgr;m bewährt. Die Durchmesser aller Zylinderrollen sind dabei bevorzugt gleich groß.

Eine alternative Lösung zur Erzielung einer optimalen Lastverteilung der einzelnen Rollenreihen sieht vor, dass der Durchmesser der Zylinderrollen mindestens eines vom axialen Rand des Planetenrades entfernten Zylinderrollenlagers größer ist als der Durchmesser der Zylinderrollen eines dem axialen Rand des Planetenrades benachbarten Zylinderrollenlagers. Dabei hat es sich bewährt, wenn vorgesehen ist, dass der Unterschied der Durchmesser der Zylinderrollen zwischen 2 &mgr;m und 30 &mgr;m beträgt. Bei dieser Lösung sind weiterhin bevorzugt die Laufbahndurchmesser aller Bohrungsabschnitte gleich groß.

Das Planetenrad hat vorzugsweise Anlaufborde für den axialen Anlauf aller Zylinderrollen. Dabei können auf dem Lagerbolzen im axialen Randbereich der äußersten Zylinderrollenreihen Anlaufborde für den axialen Anlauf der Zylinderrollen angeordnet sein.

Als alternative Ausgestaltung hierzu kann vorgesehen sein, dass das Planetenrad einen gemeinsamen Anlaufbord für den axialen Anlauf der Zylinderrollen zweier vom axialen Rand des Planetenrades entfernter Zylinderrollenlager aufweist. Auf dem Lagerbolzen können dabei mehrere Anlaufborde für den axialen Anlauf von Zylinderrollen angeordnet sein.

Die Zylinderrollen eines Zylinderrollenlagers sind mit Vorteil von einem Käfig geführt. Dabei kann Rollenführung vorgesehen sein, d. h. der Käfig liegt zu seiner Führung an den Rollen an. Alternativ ist auch Schulterführung möglich, d. h. der Käfig liegt zu seiner Führung radial an einem Anlaufbord an.

Möglich ist auch eine Kombination dieser Möglichkeiten, d. h. danach wäre vorgesehen, dass der Käfig sowohl rollengeführt als auch auf einem Anlaufbord geführt ist. Diese Mischführung hat zur Folge, dass vorgesehen werden kann, dass der Käfig unter normaler Belastung rollengeführt ist (Abstützung an den Rollen); bei Stoßbelastung oder starker Beschleunigung kommt dann indes die Schulterführung am Anlaufbord zum Tragen (Abstützung auf dem Bordring).

Besonders bevorzugte Lösungen sehen drei oder vier Zylinderrollenlager nebeneinander vor.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden verschiedene Vorteile erreicht:

Die Lageranordnung weist weniger Teile als die vorbekannten Lösungen auf. Dies hat weniger Fügestellen zur Folge, die Passungsrost und Kaltverschweißungen verursachen können.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen unterschiedliche Laufbahn- bzw. Rollendurchmesser erlauben es, ein gleichmäßiges Spannungsniveau in allen Laufbahnen einzustellen.

Da mehrere Laufbahnen mit jeweils relativ kurzen Rollen (Rollenbreite bevorzugt zwischen 13 % und 20 % der Breite des Planetenrades) vorgesehen sind, wird die Reibung in der Lageranordnung gering gehalten.

Es wird ein relativ geringes Rollengewicht möglich, wodurch die Anschmierungsgefahr reduziert wird.

Durch den fehlenden Außenring erhöht sich die Wanddicke des Planetenrades, so dass dieses geringeren Verformungen unterliegt. Der fehlende Innenring lässt dickere Lagerbolzen zu, was zu geringeren Durchbiegungen des Bolzens führt.

Die insgesamt kompakte Bauweise der Planetenradanordnung ermöglicht eine spezifische Leistungserhöhung, so dass bei gleicher zu übertragender Leistung nur noch ein geringerer Bauraum nötig wird. Die Lageranordnung hat ein geringeres Gewicht. Bei gleichbleibender Größe der Lageranordnung und gleichem Gewicht ist daher eine größere Leistungsübertragung möglich.

Die Lagerung hat auch eine höhere Lagersteifigkeit, wodurch sich eine reduzierte Streuung des Radialspiels ergibt. So kann ein kleineres Radialspiel einstellbar gemacht werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 den Radialschnitt durch ein Planetenrad und den dieses tragenden Lagerbolzen gemäß dem Stand der Technik,

2 eine der 1 entsprechende Darstellung für eine alternative Ausgestaltung nach dem Stand der Technik,

3 eine der 1 entsprechende Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

4 eine der 1 entsprechende Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform und

5 eine der 1 entsprechende Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

In 3 ist eine erste Ausgestaltung der Erfindung zu sehen. Die Bezugszeichen entsprechen den Lösungen nach 1 und 2 gemäß dem Stand der Technik, wie sie oben erläutert wurden.

Bei der Lösung gemäß 3 sind vier nebeneinander liegende Zylinderrollenlager 4, 5, 6, 7 vorgesehen, die das Planetenrad 2 radial und axial zum Lagerbolzen 3 lagern. Um die einzelnen Rollenreihen mit den Zylinderrollen 8, 9, 10 und 11 axial festzulegen, weist das Planetenrad 2 vier zylindrisch ausgebildete Bohrungsabschnitte 13, 14, 15 und 16 auf, die jeweils von Anlaufborden 17 begrenzt werden. Die Zylinderrollen 8, 9, 10, 11 laufen indes an einem durchgängigen, zylindrisch ausgebildeten Außenumfangs-Abschnitt 12 auf dem Lagerbolzen 3 an. Die axiale Festlegung am Lagerbolzen 3 erfolgt mittels zweier Anlaufborde 18 und 19, die jeweils mittels nicht näher bezeichneten Fixierungselementen (Schauben) axial am Lagerbolzen 3 festgelegt sind.

Um eine möglichst gleich große Spannung in allen Zylinderrollenlagern 4, 5, 6, 7 infolge der Belastung des Planetenrades 2 zu erreichen, ist vorgesehen, dass zwar alle Durchmesser DR8, DR9, DR10 und DR11 der Zylinderrollen 8, 9, 10 und 11 gleich groß sind, dass jedoch die beiden inneren Laufbahnen 14 und 15 kleiner ausgebildet sind als die beiden äußeren Laufbahnen 13 und 16. Die Laufbahndurchmesser DL13 und DL16 sind also größer als die Laufbahndurchmesser DL14 und DL15 Die radiale Differenz X beträgt dabei zwischen 5 und 50 &mgr;m, was in 3 stark übertrieben dargestellt ist.

In 3 ist auch zu sehen, dass die einzelnen Rollenreihen 4, 5, 6, 7 mittels Käfigen 25 in bekannter Weise geführt sind, wenngleich grundsätzlich auch eine käfiglose, vollrollige Ausgestaltung der Zylinderrollenlager 4, 5, 6, 7 möglich ist.

Die Lösung gemäß 4 sieht ebenfalls vier nebeneinander angeordnete Zylinderrollenlager 4, 5, 6, 7 vor. Die axiale Lagerung des Planetenrades 2 relativ zum Lagerbolzen 3 erfolgt hier jedoch über einen einzigen, mittig angeordneten Anlaufbord 20, an dem die Zylinderrollen 9 und 10 der beiden mittleren Zylinderrollenlager 5 und 6 anlaufen. Die auf dem zylindrisch ausgebildeten Außenumfangs-Abschnitt 12 des Lagerbolzens 3 anlaufenden Zylinderrollen 8, 9, 10, 11 laufen axial an Anlaufborden 21, 22, 23 bzw. 24 an, so dass axiale Kräfte aufgenommen bzw. übertragen werden können.

Auch bei der in 4 gezeigten Lösung sind die Laufbahndurchmesser DL14 und DL15 des zylindrisch ausgebildeten Bohrungs-Abschnitts 14 bzw. 15 wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 kleiner ausgeführt als die Laufbahndurchmesser DL13 bzw. DL1 6 der Abschnitte 13 und 16. Auch hier ist der radiale Differenzbetrag X stark übertrieben eingezeichnet. Die Rollendurchmesser DR8, DR9, DR10 und DR11 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel gleich groß.

Bei der Ausgestaltung gemäß 5 sind nur drei Zylinderrollenlager 4, 5 und 7 nebeneinander angeordnet. Die Lösung entspricht ansonsten derjenigen gemäß der Ausführungsformen nach 3 bzw. 4.

Es ist bereits oben erwähnt worden, dass die Einstellung einer gleich großen Spannung bei Belastung in allen Zylinderrollenlager-Laufbahnen durch entsprechende Modifikation der Laufbahndurchmesser und/oder der Durchmesser der Zylinderrollen erfolgen kann. Die Werte werden entsprechend ausgewählt, wobei beispielsweise mittels numerischer Simulation im Vorfeld die optimalen Werte für die Differenzbeträge X ermittelt werden können. Die Differenzen zwischen 2 und 30 &mgr;m bei den Rollendurchmessern bzw. zwischen 5 und 50 &mgr;m bei den Laufbahndurchmessern ergibt sich auch in Abhängigkeit der absoluten Abmessungen der Bauteile.

Ein Ziel ist, möglichst viele quasi quadratisch ausgebildete Rollen – von einem Käfig separiert – einzusetzen.

Die Laufbahnen am Planetenrad 2 und/oder am Lagerbolzen 3 können gerade, ballig oder logarithmisch gekrümmt ausgebildet sein. Die zum Einsatz kommenden Zylinderrollen 8, 9, 10, 11 (bevorzugt aus durchgehärtetem Wälzlagerstahl) und Käfige 25 (aus Stahlblech oder Kunststoff) entsprechen den ansonsten bei derartigen Lagern üblichen Ausführungen. Hinsichtlich des Materials ist anzumerken, dass übliche Maßnahmen zur Veredelung zum Einsatz kommen können. Bewährt hat sich korrosionsarmes bzw. korrosionsbeständiges Material und eine korrosionsvermindernde bzw. korrosionsbeständige Beschichtung einschließlich Nitrieren, Carbonitieren etc.

1
Lageranordnung
2
Planetenrad
3
Lagerbolzen
4
Zylinderrollenlager
5
Zylinderrollenlager
6
Zylinderrollenlager
7
Zylinderrollenlager
8
Zylinderrolle
9
Zylinderrolle
10
Zylinderrolle
11
Zylinderrolle
12
zylindrisch ausgebildeter Außenumfangs-Abschnitt
13
zylindrisch ausgebildeter Bohrungs-Abschnitt
14
zylindrisch ausgebildeter Bohrungs-Abschnitt
15
zylindrisch ausgebildeter Bohrungs-Abschnitt
16
zylindrisch ausgebildeter Bohrungs-Abschnitt
17
Anlaufbord
18
Anlaufbord
19
Anlaufbord
20
Anlaufbord
21
Anlaufbord
22
Anlaufbord
23
Anlaufbord
24
Anlaufbord
25
Käfig
26
Innenring
27
Außenring
DR8
Durchmesser der Zylinderrolle
DR9
Durchmesser der Zylinderrolle
DR10
Durchmesser der Zylinderrolle
DR11
Durchmesser der Zylinderrolle
DL13
Laufbahndurchmesser
DL14
Laufbahndurchmesser
DL15
Laufbahndurchmesser
DL16
Laufbahndurchmesser
X
radiale Differenz


Anspruch[de]
Anordnung (1) zur Lagerung eines Planetenrades (2) eines Planetengetriebes auf einem Lagerbolzen (3) mittels mindestens drei nebeneinander angeordneten Zylinderrollenlagern (4, 5, 6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderrollen (8, 9, 10, 11) der Zylinderrollenlager (4, 5, 6, 7) unmittelbar an mindestens einem zylindrisch ausgebildeten Außenumfangs-Abschnitt (12) des Lagerbolzens (3) und unmittelbar an mindestens einem im Planetenrad (2) eingebrachten, zylindrisch ausgebildeten Bohrungs-Abschnitt (13, 14, 15, 16) anlaufen. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe Bestandteil einer Windkraftanlage ist. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufbahndurchmesser (DL14, DL15) mindestens eines vom axialen Rand des Planetenrades (2) entfernten Bohrungsabschnitts (14, 15) kleiner ist als der Laufbahndurchmesser (DL13, DL16) eines dem axialen Rand des Planetenrades (2) benachbarten Bohrungsabschnitts (13, 16). Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Laufbahndurchmesser (DL14, DL15; DL13, DL16) zwischen 5 &mgr;m und 50 &mgr;m beträgt. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser (DR8, DR9, DR10, DR11) aller Zylinderrollen (8, 9, 10, 11) gleich groß sind. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (DR9, DR10) der Zylinderrollen (9, 10) mindestens eines vom axialen Rand des Planetenrades (2) entfernten Zylinderrollenlagers (9, 10) größer ist als der Durchmesser (DR8, DR11) der Zylinderrollen (8, 11) eines dem axialen Rand des Planetenrades (2) benachbarten Zylinderrollenlagers (8, 11). Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Durchmesser (DR8, DR11; DR9, DR10) der Zylinderrollen (8, 9, 10, 11) zwischen 2 &mgr;m und 30 &mgr;m beträgt. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahndurchmesser (DL13, DL14, DL15, DL16) aller Bohrungsabschnitte (13, 14, 15, 16) gleich groß sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetenrad (2) Anlaufborde (17) für den axialen Anlauf aller Zylinderrollen (8, 9, 10, 11) aufweist. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Lagerbolzen (3) im axialen Randbereich der äußersten Zylinderrollenreihen (8, 11) Anlaufborde (18, 19) für den axialen Anlauf der Zylinderrollen (8, 11) angeordnet sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetenrad (2) einen gemeinsamen Anlaufbord (20) für den axialen Anlauf der Zylinderrollen (9, 10) zweier vom axialen Rand des Planetenrades (2) entfernter Zylinderrollenlager (5, 6) aufweist. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Lagerbolzen (3) mehrere Anlaufborde (21, 22, 23, 24) für den axialen Anlauf von Zylinderrollen (8, 9, 10, 11) angeordnet sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderrollen (8, 9, 10, 11) eines Zylinderrollenlagers (4, 5, 6, 7) von einem Käfig (25) geführt sind. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (25) rollengeführt ist. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (25) auf einem Anlaufbord (17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24) geführt ist. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (25) sowohl rollengeführt als auch auf einem Anlaufbord (17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24) geführt ist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass drei Zylinderrollenlager (4, 5, 7) nebeneinander angeordnet sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vier Zylinderrollenlager (4, 5, 6, 7) nebeneinander angeordnet sind.






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