(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの歯車段（１）を備えた歯車伝動装置であって、少なくとも１つの歯車（２ａ，２ｂ）が中空軸（３）に同軸的に固定されていて、該中空軸（３）が、少なくとも２つの軸受（４ａ，４ｂ）を介して伝動装置ハウジング（５）内に回転可能に支承されている形式のものに関する。中空軸（３）の半径方向外側に、包帯形の歯車（２ａ）の半径方向内側を当接させるための着座部としての突起段部（８）が一体成形されている。
2012518756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの歯車段（１）を備えた歯車伝動装置であって、少なくとも１つの歯車（２ａ，２ｂ）が中空軸（３）に同軸的に固定されていて、該中空軸（３）が、少なくとも２つの軸受（４ａ，４ｂ）を介して伝動装置ハウジング（５）内に回転可能に支承されている形式のものにおいて、
前記中空軸（３）の半径方向外側に、包帯形の歯車（２ａ）の半径方向内側を当接させるための着座部としての突起段部（８）が一体成形されていることを特徴とする、歯車伝動装置。
【請求項２】
前記中空軸（３）の内壁（６）が、該中空軸（３）を包帯形に取り囲む前記歯車（２ａ）の領域に、環状若しくはリングセグメント状の切欠（７）を有している、請求項１記載の歯車伝動装置。
【請求項３】
前記切欠（７）は、前記歯車（２ａ）の歯が噛み合うことにより発生する、前記中空軸（３）の噛み合い負荷に合わせた縦断面形状を有している、請求項２記載の歯車伝動装置。
【請求項４】
前記切欠（７）の縦断面形状が左右非対称である、請求項３記載の歯車伝動装置。
【請求項５】
前記突起段部（８）の段高さ（ｒＨ）が、前記中空軸（３）の平均的な管厚味（ＳＲ）よりも大きい、請求項１から４までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項６】
前記中空軸（３）が、原型技術を用いて鋳造材料より製造されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項７】
前記中空軸（３）が、球状黒鉛鋳鉄、特にＧＧＧ４０．３より製造されている、請求項６記載の歯車伝動装置。
【請求項８】
前記中空軸（３）が、成形法、特に鍛造特に落し鍛造により製造されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項９】
前記中空軸（３）が、焼入れされた鋼、特に鋼Ｃ４５、又は特にＣ４５よりも高価値の鋼より製造されている、請求項８記載の歯車伝動装置。
【請求項１０】
前記歯車（２ａ）が肌焼き鋼より成っている、請求項１から９までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１１】
前記包帯形の歯車（２ａ）が、軸とハブとの結合を介して中空軸（３）に固定されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１２】
対応する中空軸（３）の軸直径（ｄｗ）に対する前記歯車（２ａ）のピッチ円直径（ｄｚ）の比が、１．５よりも大きい、請求項１から１１までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１３】
前記歯車段（１）が、はすば平歯車として構成されている複数の歯車（２ａ，２ｂ）より成っている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１４】
前記歯車段（１）が、前記複数の歯車（２ａ，２ｂ）の寸法、及びそれぞれ所属の軸に関連して、１キロワット以上の高い出力が得られるように設計されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１５】
電気エネルギーを発生させるための風力発電装置において、請求項１から１４までのいずれか１項記載の歯車伝動装置が、風力によって駆動されるロータの低い回転数を、電気的な発電機に適した高い回転数に変換することを特徴とする、風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの歯車段を備えた歯車伝動装置であって、少なくとも１つの歯車が中空軸に同軸的に固定されていて、該中空軸が、少なくとも２つの軸受を介して伝動装置ハウジング内で回転可能に支承されている形式のものに関する。また、本発明は、このような歯車伝動装置を有する風力発電装置に関する。
【０００２】
本発明の有利な使用分野は、風力発電技術である。特に、約１．５メガワット以上の高い出力の風力発電装置においては、一般的に、風によって負荷されるロータの低い回転数を高い回転数に変えるために、非常に大型の歯車伝動装置が使用され、相応の高い回転数で、電気エネルギーを発生させるための電気的な発電機を駆動することができる。またこのような形式の歯車伝動装置は、上記のような特に高い出力レベルの大型の歯車伝動装置に関するものであれば、その他の技術分野、例えば海洋技術、自動車技術等にも用いられる。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許公開第３４２３９９３号明細書によれば、冒頭に述べた形式の複数の歯車段を有する大型の歯車伝動装置について開示されている。この歯車伝動装置は、出力分岐型のマルチウエイ伝動装置として構成されていて、複数の出力分岐部に出力を分岐するための調節可能なピニオン装置を有しており、このピニオン装置は、遊星歯車伝動装置の形式に従って、別の負荷分配装置に前置接続されている。従って、所定の出力分岐部を有する２つ又はそれ以上の同軸的に配置されたピニオンを設けることができる。ピニオンの数に応じて、出力分岐部の数は増やされる。これによって、出力密度の高い非常にコンパクトな伝動装置が得られる。しかしながら、このような構造原理では、中空軸の使用は制限される。中空軸では、中空軸の内部通路を通って別の軸がガイドされる。中空軸は、出力流を１対の平歯車によってさらに転送するために、半径方向外側で歯車を備えている。ドイツ連邦共和国特許公開第２７３９５９６号明細書によれば、別の歯車伝動装置について開示されており、この別の歯車伝動装置では、中空軸に配置されているのは、ピニオンではなく、ピニオンと噛み合う大型の歯車である。具体的には、歯車伝動装置の被駆動軸に結合された２つの大型歯車が、互いに整列され、それぞれ別個に伝動装置ハウジング内に支承された中空軸に配置されている。２つの同軸的な中空軸の互いに向き合う端部は、歯車カップリングを介して被駆動軸に接続されている。各中空軸は、それぞれ端部側に配置された２つの軸受を介して回転可能にバルブハウジング内に支承されている。各中空軸は、原則的には同じ管状の直径を有していて、それぞれ所属の大型歯車が、軸直径と比較して数倍のピッチ円直径を有している。このような幾何学的な比によって、運転中の負荷に耐えられる、高価値の、歯車噛み合い部の材料より製造された、中実な歯車が形成される。これに対して、所属の中空軸は原則的に焼入れ鋼より製造されている。
【０００４】
このような形式の中実な歯車は、それによって、歯車伝動装置の総重量が著しく高くなるという欠点がある。さらに、高価値の鋼例えば焼入れ鋼より製造された中空軸は、相応の熱処理及びその後の高価な加工を伴う高価な材料を必要とするという欠点がある。
【０００５】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の歯車伝動装置を改善して、製造が簡単で、材料節約が得られるようにする、という点にある。
【０００６】
この課題は、請求項１の上位概念部及び特徴部に記載した歯車伝動装置によって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施態様が記載されている。
【０００７】
本発明は、中空軸の半径方向外側に、包帯形の歯車の半径方向内側を当接させるための着座部としての突起段部が一体成形されていることを特徴としている。突起段部の段高さによって、包帯形の歯車の厚味を変化させることができる。材料をできるだけ多く節約するために、突起段部の段高さはできるだけ大きく、有利には中空軸の平均的な管厚味よりも大きくなければならない。本発明の解決策の利点は、特殊な中空軸に配属された歯車を、包帯形、つまり非常に薄い壁状のリングとして構成するだけでよいので、そのために必要な硬質の鋼材料を節約することができる、という点にある。本発明の解決策は、材料節約及びひいては重量節約の他に、従来技術のものと比較して安価な、中空軸及び歯車のための異なる材料の新たな組み合わせが可能である。実験により、本発明による解決策は、総重量を１０％以上削減することができると同時に、焼入れ及び熱処理された鋼の重量を３５％以上削減することができたことが分かった。包帯形の歯車を固定するために収縮ばめ工程を用いた場合、加熱しようとする包帯形の歯車の削減された体積及び重量は、特にプロセスの確実性の観点で見て有利に作用する。
【０００８】
包帯形の歯車は、有利な形式で軸とハブとの結合を介して中空軸に固定される。この場合、摩擦結合（摩擦による束縛）も形状結合（形状による束縛）も考えられる。例えば歯車が、中空軸に収縮ばめによって摩擦結合式に固定される場合、高いモーメントによる相対運動を避けるために、付加的に形状結合式に固定してもよい。このような形式の形状結合式の固定は、キー溝結合を介して、又は最も簡単な場合少なくとも１つのフェザーキーを介して行うことができる。
【０００９】
中空軸は、有利な形式で、鋳造材料より製造される。鋳造材料としては特に、球状黒鉛鋳鉄例えばＧＧＧ４０．３が適している。球状黒鉛鋳鉄は、基本組織が球の形のグラファイト相であるノジュラー鋳鉄である。グラファイトを球状に構成したことによって、材料は、非常に高い引っ張り強さ、延性及び衝撃強さを有している。
【００１０】
選択的に、中空軸は、焼入れされた鋼、例えば鋼Ｃ４５、又はＣ４５よりも高価値の鋼より鍛造されている。鍛造技術として、鍛造型内の鍛造が用いられる。落し鍛造においては、寸法に関連して要求された標準的な精度が得られる。材料は、高い引っ張り強さ、高い延性に基づいて、場合によっては球状黒鉛鋳鉄と比較して、中空軸の材料厚さの減少が得られる。本発明の改善された手段によれば、中空軸の内壁が、中空軸を包帯形に包囲する歯車の領域内で、環状の材料切欠を有している。
【００１１】
このような手段によって、歯車を中空軸に取り付けることによって得られる材料隆起部を、中空軸の内レースから材料を半径方向外方に向かって切欠くために利用することができるので、重量の削減が得られる。重量の削減は、平歯車段の強度特性を損なうことがない箇所において行われる。原則的に、本発明による中空軸の解決策によれば、強度に関する最適な輪郭形状が得られるので、この中空軸は、焼入れ鋼よりもはるかに簡単な材料から製造することができる。
【００１２】
最適な形式で、中空軸の内壁に設けられた切欠は、歯車の歯が噛み合うことにより発生する、中空軸の噛み合い負荷に適合された、中空軸に関連した縦断面形状を有している。強度試験によれば、このような最適な縦断面形状は、有利な形式で左右非対称に構成されている。一般的に、歯車の歯の噛み合い部と中空軸の端部との間の出力流は、中空軸から半径方向外方に向かって歯車への移行範囲内において、歯車平面に関連して左右非対称に構成されている。これに適合された切欠の左右非対称の縦断面形状は、強度特性を損なうことなしに最大の材料切欠を可能にする。この場合、縦断面形状は、種々異なる面及び曲率半径の連続より形成される。特に、真っ直ぐな内壁と切欠との間の移行部の傾斜から、前記特性が得られる。従って、切欠のトルク入口の、有利には壁部に、できるだけ鈍角な角度、鈍角に設定された壁部、鈍角な移行部若しくは丸味の付けられた移行部を形成することができる。中空軸のトルク入口に関連して反対側に設定された、歯車の縁部に侵入する、切欠の壁部の想定延長線は、強度を考慮して有利である。このような切欠の構成においては、使用された鋳造材料のための許容されたダイナミックな負荷限界値が維持されるように考慮する必要がある。
【００１３】
段高さが大きければ大きい程、必要な最小壁厚を下回ることなしに、環状の切欠は中空軸の内壁内に侵入する。この場合、構造的な限界は、包帯形の歯車の得ようとする最小厚さである。歯車の得ようとする最小厚さを下回ると、歯車は破壊される。切欠の深さは、例えば中空軸の平均的な管厚味に相当し、これよりも厚くても薄くてもよい。
【００１４】
本発明によるその他の手段は、従属請求項に記載されているか、又は以下に図示の実施例を用いて詳しく説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】歯車伝動装置の、平歯車段として構成された歯車段の概略図である。
【図２】図１に示した歯車伝動装置の中空軸に固定された歯車の部分断面図である。
【００１６】
図１に示されているように、歯車伝動装置（図面には詳細が示されていない）が歯車段１を有しており、該歯車段１は、２つの歯車２ａ及び２ｂから構成されている。２つの歯車２ａ及び２ｂは、はすば平歯車として構成されている。歯車２ａは、中空軸３に同軸的に固定されていて、中空軸３は、歯車２ａの両側で、２つの軸受４ａ，４ｂを介して伝動装置ハウジング５に対して回転可能に軸受されている。２つの軸受４ａ，４ｂは、転がり軸受として構成されている。
【００１７】
図２によれば、中空軸３の内壁６の、中空軸３の外側が歯車２ａによって包囲されている領域に、環状の切欠７が設けられており、該切欠７は、左右非対称の縦断面形状を有する材料凹部として構成されている。
【００１８】
切欠７の縦断面形状は、中空軸に固定された歯車２ａの歯の噛み合い、及び伝達しようとするトルクにより発生する、中空軸３の噛み合い負荷に適合されている。
【００１９】
歯車２ａを、できるだけ薄い壁状つまり包帯形に構成するために、歯車２ａは、中空軸３の半径方向外側の突起段部８に取り付けられている。この場合、突起段部８の段高さｒＲは、中空軸３の平均的な管厚味ＳＲの約２倍である。これによって、材料節約のために、できるだけ薄い壁状の歯車２ａを有し、かつ十分な深さを有する環状の切欠７が得られる。
【００２０】
この実施例においては、中空軸３が球状黒鉛鋳鉄より成っており、これに対して、包帯形の歯車２ａは肌焼き鋼より成っている。有意義な材料節約効果を得るために、所属の中空軸３の軸直径ｄｗに対する歯車２ａのピッチ円直径ｄｚの比は、少なくとも係数≧１．５である。
【００２１】
選択的に、中空軸を、落し鍛造技術（Gesenkschmiedetechnik）を使用して焼入れした鋼例えばＣ４５より製造することもできる。鋼の引張強さは、球状黒鉛鋳鉄材料と比較して高いので、中空軸の材料厚味を減少させることができる。従って場合によっては、より深い切欠７を形成するか、又は突起段部８に、最大の軸方向切欠又は長手方向で凹状の輪郭形状を設けることができる。
【００２２】
本発明は、図示の実施例のみに限定されるものではない。従属請求項の保護範囲を含む変化実施例も可能である。従って、例えば、はすば平歯車以外の歯車を、本発明に従って形成された歯車段、つまり少なくとも１つの所属の中空軸に配置され、中空軸側に設けられた環状の切欠と協働して本発明に基づく機能を実施する歯車段の枠内で使用することも考えられる。しかしながらこの場合、環状の切欠の縦断面形状が、それぞれの歯車形式並びに歯の噛み合い形状に適合させられていることを、考慮する必要がある。環状の切欠は、本発明の枠内で、リングセグメント状に形成することもできる。
【符号の説明】
【００２３】
１  歯車段、  ２ａ，２ｂ  歯車、  ３  中空軸、  ４  軸受、  ５  伝動装置ハウジング、  ６  内壁、  ７  切欠、  ８  半径方向外側の突起段部、  ＳＲ  管厚味、  ｄｗ  中空軸３の軸直径、  ｄｚ  歯車２ａのピッチ円直径、  ｒＲ  突起段部８の段高さ
【図１】
2012518756.tif 000003
【図２】
2012518756.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月16日(2011.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの歯車段（１）を備えた歯車伝動装置であって、少なくとも１つの歯車（２ａ，２ｂ）が中空軸（３）に同軸的に固定されていて、該中空軸（３）が、少なくとも２つの軸受（４ａ，４ｂ）を介して伝動装置ハウジング（５）内に回転可能に支承されている形式のものにおいて、
前記中空軸（３）の半径方向外側に、包帯形の歯車（２ａ）の半径方向内側を当接させるための着座部としての突起段部（８）が一体成形されており、前記中空軸（３）の内壁（６）が、該中空軸（３）を包帯形に取り囲む前記歯車（２ａ）の領域に、環状若しくはリングセグメント状の切欠（７）を有していることを特徴とする、歯車伝動装置。
【請求項２】
前記切欠（７）は、前記歯車（２ａ）の歯が噛み合うことにより発生する、前記中空軸（３）の噛み合い負荷合わせた縦断面形状を有している、請求項１記載の歯車伝動装置。
【請求項３】
前記切欠（７）の縦断面形状が左右非対称である、請求項２記載の歯車伝動装置。
【請求項４】
前記突起段部（８）の段高さ（ｒＨ）が、前記中空軸（３）の平均的な管厚味（ＳＲ）よりも大きい、請求項１から３までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項５】
前記中空軸（３）が、原型技術を用いて鋳造材料より製造されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項６】
前記中空軸（３）が、球状黒鉛鋳鉄より製造されている、請求項５記載の歯車伝動装置。
【請求項７】
前記中空軸（３）が、ＧＧＧ４０．３より製造されている、請求項５記載の歯車伝動装置。
【請求項８】
前記中空軸（３）が、成形法により製造されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項９】
前記中空軸（３）が、鍛造により製造されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１０】
前記中空軸（３）が、焼入れされた鋼より製造されている、請求項６記載の歯車伝動装置。
【請求項１１】
前記中空軸（３）が、鋼Ｃ４５より製造されている、請求項６記載の歯車伝動装置。
【請求項１２】
前記中空軸（３）が、Ｃ４５よりも高価値の鋼より製造されている、請求項６記載の歯車伝動装置。
【請求項１３】
前記歯車（２ａ）が肌焼き鋼より成っている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１４】
前記包帯形の歯車（２ａ）が、軸とハブとの結合を介して中空軸（３）に固定されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１５】
対応する中空軸（３）の軸直径（ｄｗ）に対する前記歯車（２ａ）のピッチ円直径（ｄｚ）の比が、１．５よりも大きい、請求項１から１４までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１６】
前記歯車段（１）が、はすば平歯車として構成されている複数の歯車（２ａ，２ｂ）より成っている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１７】
前記歯車段（１）が、前記複数の歯車（２ａ，２ｂ）の寸法、及びそれぞれ所属の軸に関連して、１キロワット以上の高い出力が得られるように設計されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の歯車伝動装置。
【請求項１８】
電気エネルギーを発生させるための風力発電装置において、請求項１から１７までのいずれか１項記載の歯車伝動装置が、風力によって駆動されるロータの低い回転数を、電気的な発電機に適した高い回転数に変換することを特徴とする、風力発電装置。
【国際調査報告】
2012518756.tif 000005
2012518756.tif 000006
2012518756.tif 000007
2012518756.tif 000008