B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung für ein Planetengetriebe, umfassend eine Welle, ein mit der Welle über eine Steckverzahnung um eine Hauptrotationsachse AR antriebsverbundenes und die Welle außenumfänglich umgebendes Nabenelement, wobei ein bezüglich der Hauptrotationsachse feststehendes Gehäuseelement vorgesehen ist und in dem Gehäuseelement und dem Nabenelement ein im Bereich der Steckverzahnung mündender Ölkanal verläuft, um über den Ölkanal zumindest der Steckverzahnung Schmieröl zur Beölung zuzuführen.

Planetengetriebe, beispielsweise als Windanlagengetriebe vorgesehen, können Steckverzahnungen zwischen zwei miteinander rotierenden Bauteilen umfassen. Die ausreichende Versorgung derartiger Metall-Metall-Kontakte mit Schmiermittel ist wichtig, um den Verschleiß zu vermindern. Die nur indirekte Zugänglichkeit der Schmierstellen und die durch die Rotation der Bauteile verursachte Fliehkraftwirkung macht eine ausreichende Schmierstoffversorgung mittels einer Ölspritz- bzw. Ölsprüheinrichtung schwierig. Bisherige Lösungen sahen beispielsweise ein Einspritzen eine Ölstrahles in einen Spalt der Verzahnungspaarung zwischen Wellen- und Nabenelement vor. Das Wellenelement ist in der Ausführung eines Windanlagengetriebes in der Regel eine Sonnenradwelle, die einen Kraftfluss an ein hohles Nabenelement einer Stimradstufe überträgt. Die Stirnradstufe ist in dem Windanlagengetriebe generatorseitig angeordnet und somit bezogen auf das Planetengetriebe ausgangsseitig angeordnet. Das Dokument CN 205446657 U zeigt ein Planetengetriebe bei dem Schmieröl ausgangseitig über ein Gehäuseelement zugeführt wird. Das Schmieröl wird über das Gehäuseelement in das rotierende Nabenelement eingeleitet. Die WO 2017/032558 Al zeigt eine Planetenstufe und eine nachfolgende Stirnradstufe. Zwischen der Planetenstufe und der Stirnradstufe ist ausgehend von dem radial äußeren Gehäuse ein Ölkanal nach radial innen zu der Steckverzahnung geführt. Die US 2016/223073 Al zeigt eine Ölübergabe von dem generatorseitigen Abstützflansch der letzten Planetenstufe nach radial innen in die Hohlwelle, in der das Öl zu der Steckverzahnung geleitet wird. Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Ölzuführung zu der Steckverzahnung weiter zu verbessern.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine verbesserte Ölzuführung zu der Steckverzahnung ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Welle-Nabe-Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Wenn ein Merkmal in Kombination mit einem anderen Merkmal dargestellt wird, dient dies nur der vereinfachten Darstellung der Erfindung und soll keinesfalls bedeuten, dass dieses Merkmal nicht auch ohne das andere Merkmal eine Weiterbildung der Erfindung sein kann.

Eine Ausführungsform betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung für ein Planetengetriebe, umfassend eine Welle, ein mit der Welle über eine Steckverzahnung um eine Hauptrotationsachse AR antriebsverbundenes und die Welle außenumfänglich umgebendes Nabenelement, wobei ein bezüglich der Hauptrotationsachse feststehendes Gehäuseelement vorgesehen ist und in dem Gehäuseelement und dem Nabenelement ein im Bereich der Steckverzahnung mündender Ölkanal verläuft, um über den Ölkanal zumindest der Steckverzahnung Schmieröl zur Be- ölung zuzuführen, wobei der Ölkanal zwischen dem Gehäuseelement und dem Nabenelement einen Schmierspalt zur Übergabe von Schmieröl ausbildet und im Bereich des Schmierspaltes von radial innen nach radial außen verläuft.

Die Hauptrotationsachse AR legt vorliegend die Axialrichtung fest, so dass sich aus dieser Axialrichtung die jeweiligen Radialrichtungen ergeben. Das Naben el em ent kann je nach zugrundliegender Konfiguration als Hohlwelle ausgeführt sein. Die Steckverzahnung, die die Welle und das Nabenelement zur Übertragung eines Drehmoments formschlüssig miteinander verbindet, kann als Kurzverzahnung bezeichnet werden. Die Verzahnung kann schrägverzahnt ausgeführt sein. Das Nabenelement und die Welle können über Lageranordnungen beispielsweise gegenüber einer Getriebegehäusestruktur, die das Gehäuseelement umfasst, gelagert sein, wobei eine der Lagerungen dazu ausgebildet ist Axialkräfte aufzunehmen bzw. abzustützen. Die Welle kann zentrisch ein Pitchrohr in sich aufnehmen, durch das elektrische Leitungen hindurchgeführt sind.

Bei dem Gehäuseelement kann es sich um einen Deckel eines Getriebegehäuses handeln. Der Deckel kann gegen das Getriebegehäuse angesetzt und verschraubt sein. In dem Gehäuseelement kann eine hauptsächliche Ölversorgung vorgesehen sein, wobei der Ölkanal von dieser Ölversorgung abzweigt. Über den Schmierspalt erfolgt eine Abdichtung zwischen dem stillstehenden Gehäuseelement und dem sich im Betrieb drehenden Nabenelement. Über den Schmierspalt erfolgt eine Ölübergabe von einer stillstehenden Komponente in eine rotierende Komponente. Dem Schmierspalt kommt demzufolge die Funktion einer Ölübergabe von einer still stehenden und einer rotierenden Komponente. Bevorzugt ist ein Getriebegehäuse vorgesehen ist, in dem die Welle-Nabe-Verbindung aufgenommen ist und das Gehäuseelement als endseitig angeordneter Gehäusedeckel des Getriebegehäuse ausgebildet ist. Insbesondere kann die Anordnung derart getroffen sein, dass das Gehäuseelement radial innerhalb in dem Nabenelement einsitzt bzw. dass das Gehäuseelement radial innerhalb in dem Nabenelement eingeschoben ist. Es kann vorgesehen sein, dass auf einer Innenumfangsfläche des Gehäuseelements oder einer Außenumfangsfläche des Nabenelements eine Beschichtung aus einem gleitfähigen Material aufgebracht ist. Die Gleitbeschichtung ist insbesondere zum Schutz vor Schäden durch Anlaufen der Komponenten.

In einer alternativen Ausgestaltung kann zwischen dem Gehäuseelement und dem Nabenelement eine Buchse angeordnet sein und der Schmierspalt zwischen der Buchse und dem Nabenelement gebildet sein. Die Buchse besteht bevorzugt aus einer Kupfer-Zinn-Legierung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Wellen-Nabe-Verbindung führt umlaufend zumindest eine radiale Bohrung zu mindestens einer umfänglich verlaufenden Ölnut am Schmierspalt. Bevorzugt sind eine Mehrzahl radialer Bohrungen vorgesehen. Hierbei können die radialen Bohrungen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sein. Die Bohrungen können kreisförmig oder oval ausgebildet sein. Die Bohrungen können auch in Umfangsrichtung schlitzförmig ausgeformt sein. Hierbei können beispielsweise drei oder vier Schlitze über den Umfang vorgesehen sein.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Wellen-Nabe-Verbindung sieht vor, dass bei Einsatz der zusätzlichen Buchse, diese an dem Gehäuseelement drehfest gehalten ist. Insbesondere ist bevorzugt, dass ein definiert radialer Abstand zwischen dem Gehäuseelement oder der optionalen Buchse und dem Nabenelement besteht bzw. eingestellt ist, so dass sich hier ein Schmierspalt zwischen Gehäuseelement oder der optionalen Buchse und rotierendem Nabenelement einstellt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Buchse auf einer In- nenumfangsfläche und/oder auf einer Außenumfangsfläche eine umfänglich verlaufende Ölnut ausbildet. Hierbei erscheint es dann zweckmäßig, wenn die radialen Durchgangsbohrungen in einer Axial ebene mit der zumindest einen Ölnut liegen. D.h. die Durchgangsbohrung verlaufen ausgehend von einem Grund der Ölnut. Bei der Variante der außenumfänglichen und innenumfänglichen Ölnut liegen diese bevorzugt in einer Axialebene der Buchse.

In einer alternativen Ausgestaltung der Welle-Nabe-Verbindung kann vorgesehen sein, dass eine Innenumfangsfläche des Nabenelements eine umfänglich verlaufende Ölnut ausbildet und die Ölnut in einer Axialebene mit den radialen Durchgangsbohrungen der Buchse liegt.

Um die Ölmenge zu regulieren, die von der hauptsächlichen Ölversorgung in den Ölkanal abgezweigt wird, kann in dem Gehäuseelement der Ölkanal durch eine Blendbohrung geführt sein. Die Blendenbohrung kann optional auch erst hinter dem Schmierspalt im Ölkanal innerhalb des Nabenteils eingebracht sein.

Bei einer ersten Variante des Ölkanals kann vorgesehen sein, dass dieser in dem Nabenelement über einen axialen Verlauf im Bereich der Steckverzahnung mündet. Bei einer zweiten Variante des Ölkanals kann vorgesehen sein, dass dieser in dem Nabenelement über einen radialen Verlauf im Bereich der Steckverzahnung mündet.

Die Welle-Nabe-Verbindung ist zudem bevorzugt dahingehend ausgebildet, dass die Welle und das Nabenelement über eine Paarung von Axialkontaktflächen aneinander anliegen. Bevorzugt mündet der Ölkanal in einem axialen Bereich zwischen der Steckverzahnung und der Paarung von Axialkontaktflächen. Es ist also in vorteilhafter Weise möglich, über den Ölkanal sowohl die Steckverzahnung als auch die Paarung von Axialkontaktflächen während eines Betriebs zu beölen und den Verschleiß zu verringern. In den beiden Axialkontaktflächen können Schmiemuten eingebracht sein, um die Schmierung der Kontaktflächen der beiden Teile zu verbessern. Alternativ oder in Kombination könnte man die Schmierung der Kontaktflächen ggf. auch über eine Balligkeit in einer der beiden Kontaktflächen, oder auch in beiden Flächen, erreichen. Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Getriebe für eine Windkraftanlage, bestehend aus mindestens einer Planetenstufe und einem mit der zumindest einen Planentenstufe antriebsverbundenen Nabenelement, wobei zumindest eine Antriebsverbindung zwischen mehreren Planetenstufen und/oder zwischen der zumindest einen Planetenstufe und dem Nabenelement als Welle-Nabe-Verbindung wie zuvor beschrieben ausgeführt ist. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die nachfolgende Planetenstufe gegenüber der vorangestellten Planetenstufe schneller drehend ist.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Antriebsstrang für eine Windkraftanlage, umfassend eine Rotorwelle, die drehmomentübertragend mit einem Getriebe verbunden ist und einen mit dem Getriebe drehmomentübertragend verbundenen Generator, wobei das Getriebe wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Darüber hinaus können das Planetengetriebe und der Generator auch ineinander integriert ausgebildet sein, also als ein Generatorgetriebe ausgebildet sein.

Gleichermaßen wird die zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine Windkraftanlage, umfassend eine Gondel, an der drehbar ein Mehrblattrotor angeordnet ist, der mit einem Antriebsstrang drehmomentübertragend verbunden ist, wobei der Antriebsstrang wie zuvor beschrieben ausgebildet ist.

Die Lösung der zugrundeliegende Aufgabenstellung erfolgt zudem durch ein Datenagglomeration mit in einer gemeinsamen Datei zusammengefassten oder über verschiedene Dateien verteilten Datenpaketen zur Abbildung der dreidimensionalen Formgestaltung und/oder der Wechselwirkungen sämtlicher in einer wie vorstehend beschriebenen Welle-Nabe-Verbindung vorgesehenen Bestandteile, wobei die Datenpakete dazu hergerichtet sind bei einer Verarbeitung durch eine Datenverarbeitungseinrichtung eine additive Herstellung der Bestandteile der Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere durch 3D-Druck mittels eines 3D-Druckers, und/oder eine Simulation der Funktionsweise der Welle-Nabe-Verbindung durchzuführen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von Prototypen und/oder computerbasierten Simulationen, um die Funktionsweise der Welle-Nabe-Verbindung zu studieren, Probleme im konkreten Anwendungsfall zu identifizieren und Verbesserungen zu finden.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

Fig. 1 : einen strukturellen Aufbau einer Welle-Nabe-Verbindung;

Fig. 2 bis 4: eine erste, zweite und dritte Ausgestaltung mit einer zwischen Gehäuseelement und Nabenelement einsitzenden Buchse;

Fig. 5: eine weitere Ausgestaltung ohne Buchse zwischen Gehäuseelement und Nabenelement;

Fig. 6a), 6b): Ansichten des Nabenelements und der Welle;

Fig. 7: ein Planetengetriebe in einem Antriebsstrang für eine Windkraftanlage und Fig. 8: eine perspektivische Darstellung einer Windkraftanlage.

In der Figur 1 ist ein struktureller Aufbau einer möglichen Konfiguration einer Welle-Nabe- Verbindung 10 gezeigt, die bezüglich ihrer Details im Verlauf anhand der weiteren Figuren beschrieben wird. Die Welle-Nabe-Verbindung 10 ist vorliegend als Antriebsverbindung zwischen einer Planetenstufe 6 und einer Stimradstufe 8 vorgesehen. Von der Planetenstufe 6 ist lediglich ein Planetenradträger PT und der Verzahnungseingriff von Planetenrädern PR mit einer Welle 12 gezeigt, wobei die Welle 12 als Sonnenwelle ausgeführt ist. Von der Stirnradstufe 8 ist lediglich ein Nabenelement 14 und ein mit diesem drehfest verbundenes Zahnrad ZR gezeigt. Die Lagerung des Nabenelements 14 erfolgt über eine Lageranordnung LI gegenüber einem Getriebegehäuse GG. Über die Lageranordnung LI können in das äußere Nabenelement 14 eingeleitete Axialkräfte abgestützt werden. Die Lagerung der Welle 12 erfolgt zum einen über eine Steckverzahnung 16, über die die Welle 12 mit den außenumfänglich angeordneten Nabenelement 14 antrieb sverbunden ist. Zum anderen erfolgt die Lagerung der Welle 12 mittelbar über eine Lageranordnung L2 des Planetenradträgers PT in dem Getriebegehäuse GG. Eine Drehung der Welle 12 und des Nabenelements 14 kann um eine Hauptrotationsachse AR erfolgen. Bei einer Anwendung, in der die Welle-Nabe-Verbindung 10 beispielsweise in einem Planetengetriebe für eine Windkraftanlage zum Einsatz kommt, kann innerhalb der Welle 12 ein nicht mitdrehendes Pitchrohr verlaufen. Das Nabenelement 14 ist vorliegend auch als Hohlwelle ausgeführt. Die Welle 12 und das Nabenelement 14 liegen über eine Paarung von Axialkontaktflächen 20, 22 aneinander an. Über die Axialkontaktflä- chen 20, 22 kann eine Axialkraft abgestützt werden, die während eines Betriebs in das Nabenelement 14 eingeleitet wird.

Die Figur 2 zeigt eine Detailierung des endseitigen Bereichs der Einheit aus Planetengetriebe 2 und Stirnradstufe 8. Es handelt sich um den Bereich, der einer Generatoreinheit zugewandt ist, die allerdings nicht dargestellt ist. Das Getriebegehäuse 3 weist hier ein Gehäuseelement auf, das als Gehäusedeckel 42 ausgeführt ist. Der Gehäusedeckel 42 kann beispielsweise gegenüber dem restlichen Getriebegehäuse 3 verschraubt sein. In der Struktur des Gehäusedeckels 42 ist eine Ölverteilung 44 vorgesehen, die beispielsweise mit einer externen Ölpumpe verbunden ist, die unter einem Druck stehendes Schmieröl bereitstellt.

Es ist ein Ölkanal 24 vorgesehen, der ausgehend von der Ölverteilung 44 verläuft und im Bereich der Steckverzahnung 16 mündet. Vorliegend ist dargestellt, dass der Ölkanal 24 in einem axialen Bereich zwischen der Steckverzahnung 16 und der Paarung von Axialkontaktflächen 20, 22 münden kann. Über den Ölkanal 24 ist es möglich zunächst der Steckverzahnung 16 Schmieröl zur Beölung zuzuführen. Der Ölkanal 24 verläuft von dem drehfest angeordnet Gehäusedeckel 42 zu dem sich im Betrieb drehenden Nabenelement 14. Zur Übergabe des Schmieröls ist zwischen dem Gehäusedeckel 42 und dem Nabenelement 14 eine berührungslose Buchse 26 angeordnet. Die Buchse 26 weist zumindest eine radiale Durchgangsbohrung 28 auf. Vorliegend ist zu erkennen, dass die Buchse 26 umlaufend mehrere radiale Durchgangsbohrungen 28 ausbildet. Über die zumindest eine Durchgangsbohrung 28 ist sichergestellt, dass das Schmieröl über die Buchse 26 von dem Gehäusedeckel 42 in das Nabenelement 14 strömen kann und die Buchse 26 gleichzeitig als Abdichtung zwischen Gehäusedeckel 42 und Nabenelement 14, zwischen denen im Betrieb eine Relativdrehung herrscht, dient. Die Buchse 26 ist in dem Gehäusedeckel 42 drehfest gehalten. Zwischen der Buchse 26 und dem Nabenelement 14 ist ein Schmierspalt 54 eingestellt. In dem Gehäusedeckel 42 ist in dem Ölkanal 24 eine Blendbohrung 40 vorgesehen, welche auch als Verjüngung des Querschnitts bezeichnet werden kann und durch die der Öldurchfluss eingestellt werden kann.

In der Figur 2 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der die Buchse 26 auf einer Innenumfangs- fläche 30 und auf einer Außenumfangsfläche 32 jeweils eine umfänglich verlaufende Ölnut 34i, 342 ausbildet. Die beiden Ölnuten 34i, 342 liegen hierbei bevorzugt in einer Axialebene. Ferner ist zu erkennen, dass der Ölkanal 24 in dem Nabenelement 14 über einen radialen Verlauf im Bereich der Steckverzahnung 16 mündet.

In der Figur 3 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der Ölkanal 24 in dem Nabenelement 14 über einen axialen Verlauf im Bereich der Steckverzahnung 16 mündet. Im Übrigen entsprechen sich die Ausgestaltungen der Figuren 2 und 3.

In der Figur 4 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der die Buchse 26 auf einer Innenumfangsfläche 30 eine umfänglich verlaufende Ölnut 34 ausbildet und eine Innenumfangsfläche 36 des Naben elements 14 eine umfänglich verlaufende Ölnut 38 ausbildet. Zudem kann auch hier die Ölnut 38 in einer Axial ebene mit der zumindest einen radialen Durchgangsbohrungen 28 der Buchse 26 liegen. Im Übrigen entsprechen sich die Ausgestaltungen der Figuren 2, 3 und 4.

In der Figur 5 ist eine Ausgestaltung ohne Buchse 26 gezeigt. Stattdessen ist unmittelbar zwischen einer Innenumfangsfläche 58 des Gehäuseelements 3 und einer Außenumfangsfläche 36 des Nabenelements 14 der Schmierspalt 54 zur Übergabe von Schmieröl gebildet. Hierbei kann eine Beschichtung aus einem gleitfähigen Material vorgesehen sein, die entweder auf der Innenumfangsfläche 58 des Gehäuseelements 3 oder der Außenumfangsfläche 36 des Nabenelements 14 aufgebracht ist.

Die Figur 6 zeigt eine Axialansicht der Welle 12 - Fig. 6a) - und eine perspektivische Schnittansicht des Nabenelements 14 - Fig. 6b). In der Figur 6a) ist eine Anlageschulter 46 zu erkennen, auf der die Axialanlagefläche 20 angeordnet ist. Auf der Axialanlagefläche 20 sind eine Mehrzahl radial verlaufende Ölnuten 48 angeordnet. Die Mehrzahl an Ölnuten 48 sind über den Umfang der Axialanlagefläche 20 gleichmäßig verteilt angeordnet. Vorliegend sind acht Ölnuten 48 vorgesehen, wobei die Anzahl hiervon auch abweichen kann. In der Figur 6b) ist eine Anlageschulter 50 des Nabenelements 14 gezeigt, wobei seitlich auf der Anlageschulter 50 die Axialanlagefläche 22 angeordnet ist. Auf einer Zylinderfläche 56 der Anlageschulter 50 sind eine Mehrzahl axial verlaufende Ölnuten 52 angeordnet. Die Mehrzahl an Ölnuten 52 sind über den Umfang der Zylinderfläche 56 gleichmäßig verteilt angeordnet.

Die Figur 7 zeigt rein exemplarisch ein Planetengetriebe 2, beispielsweise für eine Windkraftanlage. In einem Getriebegehäuse 3 sind einander nachgeschaltet eine erste und zweite umlaufende Planetenstufe 4, 6 und eine Stirnradstufe 8 aufgenommen. Vorliegend ist zwischen der zweiten Planetenstufe 6 und der Stirnradstufe 8 eine Welle-Nabe-Verbindung 10 als Antriebsverbindung vorgesehen. Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Planetenstufe 6 gegenüber der ersten Planetenstufe 4 schneller drehend ausgelegt ist.

In der Figur 8 ist eine Ausführungsform einer Windkraftanlage 70 dargestellt. Die Windkraftanlage 70 umfasst eine Gondel 71, an der drehbar ein Mehrblattrotor 72 angebracht ist. Der Mehrblattrotor 72 ist mit einer Hauptwelle 74 drehmomentübertragend verbunden, wobei die Hauptwelle 74 zu einem Antriebsstrang 76 gehört. Der Antriebsstrang 76 umfasst ferner ein Planetengetriebe 2, das drehmomentübertragend mit der Hauptwelle 74 verbunden ist. Das Planetengetriebe 2 weist zumindest eine Planetenstufe 6 und eine Stimradstufe 8 auf und ist mit einem Generator 80 gekoppelt. Vorliegend ist zwischen der Planetenstufe 6 und der Stirnradstufe 8 eine Welle-Nabe-Verbindung 10 als Antriebsverbindung vorgesehen, wobei die Welle-Nabe-Verbindung 10 wie zuvor beschrieben ausgeführt sein kann.

Bezugszeichenliste

PR Planetenrad

PT Planetenträger

LI, 2 Lageranordnungen

ZR Zahnrad

GG Getriebegehäuse

2 Planetengetriebe

3 Getriebeelement

4 Planetenstufe

6 Planetenstufe

8 Stimradstufe

10 Welle-Nabe-Verbindung

12 Welle

14 Nabenelement

16 Steckverzahnung

18 Stirnfläche

20 Axialkontaktfläche

22 Axialkontaktfläche

24 Ölkanal

26 Buchse

28 Durchgangsbohrung

30 Innenumfangsfläche

32 Außenumfangsfläche

34 Ölnut

36 Innenumfangsfläche

38 Ölnut

40 Blendbohrung

42 Gehäusedeckel 44 Ölverteilung

46 Anlageschulter

48 Ölnut

50 Anlageschulter 52 Ölnut

54 Schmierspalt

56 Zylinderfläche

58 Innenumfangsfläche

70 Windkraftanlage 71 Gondel

72 Mehrblattrotor

74 Hauptwelle

76 Antrieb sstrang

80 Generator