DE102013211590A1

DE102013211590A1 - Transmission, in particular gear for a wind turbine

Info

Publication number: DE102013211590A1
Application number: DE102013211590.3A
Authority: DE
Inventors: Manfred Roessler; Hellmut Schmid; Andreas Hebach; Juergen Hackenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-12-24

Abstract

Ein Getriebe, insbesondere ein Getriebe für eine Windenergieanlage, besitzt mindestens zwei sich aufgrund ihrer Anordnung in Eingriff befindliche Zahnräder zur Übertragung einer mechanischen Leistung von einer Eingangswelle an eine Ausgangswelle. Gemäß der vorliegen Erfindung sind Flanken einer Verzahnung mindestens eines der Zahnräder mit einer Gleitlackschicht versehen.A gearbox, in particular a gearbox for a wind turbine, has at least two gearwheels which are in engagement due to their arrangement, for transmitting mechanical power from an input shaft to an output shaft. According to the present invention, flanks of a toothing of at least one of the gearwheels are provided with a lubricating lacquer layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere ein Getriebe für eine Windenergieanlage, mit mindestens zwei sich aufgrund ihrer Anordnung in Eingriff befindlichen Zahnrädern zur Übertragung einer mechanischen Leistung von einer Eingangswelle an eine Ausgangswelle.The invention relates to a transmission, in particular a transmission for a wind turbine, having at least two gear wheels meshed with each other for the purpose of transmitting a mechanical power from an input shaft to an output shaft.

Derartige Getriebe sind aus der Patentliteratur bekannt. Beispielhaft sei auf die DE 10 2009 017 301 A1 verwiesen.Such transmissions are known from the patent literature. Exemplary is on the DE 10 2009 017 301 A1 directed.

Schäden an Getrieben von Windkraftanlagen stellen durch ihre Auftretenshäufigkeit ein ernsthaftes Problem dar. Im Vergleich zu anderen Getriebeanwendungen kommt es häufig zu verfrühten Ausfällen von Verzahnungen. Ursächlich sind wohl die durch wechselnde Windverhältnisse auftretenden Drehmomentwechsel mit entsprechenden hohen Flankenbelastungen.Damage to gearboxes of wind turbines is a serious problem due to their frequency of occurrence. Compared with other gearbox applications, premature failure of gears often occurs. The reason is probably due to changing wind conditions occurring torque change with corresponding high flank loads.

An den Flanken im Eingriffsbereich der Gegenradkanten der Verzahnung und im Zahnfußbereich der Flanken kommt es bei herkömmlichen Getrieben unter den beschriebenen ungünstigen Lastbedingungen oft zur Graufleckigkeit – einem oberflächlichen Ermüdungsschaden, auch unter der Bezeichnung „Micropitting“ bekannt. Neben der konstruktiven Auslegung des Getriebes wird versucht durch Minimierung oder Einstellen einer definierten Rauheit auf den Flanken der Verzahnungen eine Verringerung der Graufleckigkeit zu erreichen. Hierzu kommen aufwendige Verfahren wie Schleifen, Gleitschleifen und chemisch unterstütztes Gleitschleifen zum Einsatz.On the flanks in the area of engagement of the mating gear edges of the toothing and in the tooth root area of the flanks, in conventional transmissions under the unfavorable load conditions described, there is often gray staining - superficial fatigue damage, also known as "micropitting". In addition to the constructive design of the transmission is trying to achieve by minimizing or setting a defined roughness on the flanks of the teeth a reduction in the gray speckle. For this purpose, elaborate methods such as grinding, vibratory grinding and chemically assisted vibratory finishing are used.

Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, ein Getriebe mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiter zu entwickeln, dass die Verzahnung eine längere Standzeit aufweist.The invention is based on the objective to develop a transmission with the features of the preamble of claim 1 so that the teeth have a longer life.

Dieses Ziel wird mit einem Getriebe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 oder mit einem Herstellungsverfahren für ein Getriebe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 erreicht. This object is achieved with a transmission according to the features of claim 1 or with a manufacturing method for a transmission according to the features of claim 9.

Gemäß der Erfindung werden Flanken einer Verzahnung der Zahnräder des Getriebes mit einer Gleitlackschicht versehen. Bereiche der Zahnflanken, insbesondere im Eingriffsbereich der Gegenradkanten der Verzahnung, erfahren beim Betrieb des Getriebes die höchsten Pressungswerte und weisen üblicherweise Mischreibungsbedingungen auf. Gleitlacke unterstützen den Einlaufprozess indem die Reibpartner eingeglättet werden und dadurch die Flächenpressung sinkt. Hierbei dienen die Gleitlacke als Opferschicht. Statt das Grundmaterial zu schädigen werden sie verschlissen. Hierdurch kann die Bildung von Graufleckigkeit unterbunden oder zumindestens stark verzögert werden. Im Gegensatz zu einem mit Additiven versehenen Getriebeöl sind Gleitlacke auf den Zahnflanken fixiert sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass im Moment der größten Pressung tatsächlich auch Verschleißschutzpartikel im Kontakt vorliegen. Zudem kann eine Gleitlackschicht auch einfach auf das Zahnrad aufgebracht werden. Dies wirkt sich insbesondere bei großen Zahnrädern günstig auf die Herstellungskosten aus.According to the invention, flanks of a toothing of the gears of the transmission are provided with a lubricating varnish layer. Areas of the tooth flanks, in particular in the area of engagement of the counter-wheel edges of the toothing, experience the highest pressure values during operation of the gear unit and usually have mixed friction conditions. Bonded coatings support the running-in process by smoothing the friction partners and thereby reducing the surface pressure. Here, the bonded coatings serve as a sacrificial layer. Instead of damaging the base material they are worn out. As a result, the formation of gritty staining can be prevented or at least greatly delayed. In contrast to a transmission oil provided with additives, anti-friction varnishes are fixed on the tooth flanks. This ensures that at the moment of greatest pressure actually wear protection particles are in contact. In addition, a Gleitlackschicht can also be easily applied to the gear. This has a favorable effect on the production costs, especially for large gears.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Teil der Unteransprüche. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Zahnfußbereich mindestens eines der Zahnräder mit einer Gleitlackschicht versehen . Im Zahnfußbereich kommt es sowohl beim Eintreten des Gegenzahns und beim Austreten des Gegenzahns in die Verzahnung zum ersten Kontakt mit der Gegenradkante. An dieser Stelle sorgt eine Gleitlackschicht für einen besonders effizienten Verschleißschutz.Further preferred embodiments of the invention are part of the dependent claims. According to a particularly preferred development of the invention, a tooth root region of at least one of the toothed wheels is provided with a bonded varnish layer. In the tooth root area, the first contact with the counter wheel edge occurs both when the counter teeth enter and when the counter teeth come off the teeth. At this point, an anti-friction coating ensures particularly efficient wear protection.

Ein besonders gutes Anhaften der Gleitlackschicht auf der Oberfläche der Verzahnung bzw. der Zahnflanke oder Zahnfusses kann durch eine Haftvermittlerschicht erzielt werden. Eine solche Schicht kann z.B. durch Phosphatieren erhalten werden.A particularly good adhesion of the bonded coating on the surface of the toothing or the tooth flank or tooth root can be achieved by a bonding agent layer. Such a layer may e.g. be obtained by phosphating.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung enthält die Gleitlackschicht ein anorganisches oder ein organisches Bindemittel und in das Bindemittel eingebundene Festschmierstoffpartikel.According to a preferred development of the invention, the anti-friction coating contains an inorganic or an organic binder and solid lubricant particles incorporated in the binder.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Festschmierstoffpartikel Molybdändisulfid auf. Systeme mit Molybdändisulfid werden für den Einsatz auf Zahnrädern in Windkraftgetrieben mit geringen Gleitgeschwindigkeiten und hohen Drücken bevorzugt, da sie solchen Bedingungen gut standhalten.According to a particularly preferred development of the invention, the solid lubricant particles have molybdenum disulfide. Systems with molybdenum disulfide are preferred for use on gears in wind turbine gearboxes with low sliding speeds and high pressures, since they can withstand such conditions well.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisst die Gleitlackschicht Nanopartikel aus Siliziumdioxid auf. Durch den Zusatz von Nanopartikeln (NP) kann die Lackmatrix derart versteift werden, dass sie den hohen Beanspruchungen in Windkraftgetrieben genügt. Beispielsweise werden hier funktionalisierte NPs auf z.B. SiO2-Basis eingesetzt.According to a particularly preferred development of the invention, the anti-friction coating layer has nanoparticles of silicon dioxide. By adding nanoparticles (NP), the paint matrix can be stiffened so that it meets the high demands in wind power transmissions. For example, here functionalized NPs are displayed at e.g. SiO2-based used.

Bevorzugter Weise hat die die Gleitlackschicht eine Dicke von 2–30 µm, besonders bevorzugt werden Dicken von 5–15 µm. Bei diesen Stärken erzielt man eine ausreichende Standzeit der Beschichtung aufgrund der Menge an darin enthaltenen Festschmierstoffpartikeln und eine gleichmäßig homogene glatte Schicht.Preferably, the lubricating varnish layer has a thickness of 2-30 microns, more preferably thicknesses of 5-15 microns. With these starches, one obtains a sufficient service life of the coating due to the amount of solid lubricant particles contained therein and a uniformly homogeneous smooth layer.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing.

Die einzige Figur zeigt ein Zahnradpaar eines Getriebes einer Windenergieanlage. The single FIGURE shows a pair of gears of a transmission of a wind turbine.

In der Figur ist ein Zahnradpaar mit den Zahnrädern 1 und 3 eines Getriebes einer Windenergieanlage exemplarisch dargestellt. Die Zahnräder befinden sich in Eingriff und sind in der Lage eine mechanische Leistung von einer Eingangswelle zu einer Ausgangswelle zu übertragen. Die Zahnräder weisen jeweils eine Verzahnung 5 auf. Die einzelnen Zähne der Verzahnung 5 besitzten Flanken 7 an denen sich die Kanten 10 und Flanken 7 des jeweils anderen Zahnrads (Gegenzahnrad) während der Drehbewegung abwälzen. Im Zahnfußbereich 8 der Flanken 7 trifft die Kante 10 des Gegenzahns zuerst auf, so dass dort eine hohe Beanspruchung vorliegt. Wie gesagt beobachtet man bei herkömmlichen Getrieben an den Flanken im Eingriffsbereich der Gegenradkanten der Verzahnung und im Zahnfußbereich oft Graufleckigkeit – einen oberflächlichen Ermüdungsschaden. Dies genannten Bereiche entsprechen den höchsten Pressungswerten und weisen üblicherweise Mischreibungsbedingungen auf.In the figure is a gear pair with the gears 1 and 3 a transmission of a wind turbine shown as an example. The gears are engaged and capable of transmitting mechanical power from an input shaft to an output shaft. The gears each have a toothing 5 on. The individual teeth of the toothing 5 owned flanks 7 where the edges are 10 and flanks 7 of the other gear (counter gear) roll during the rotational movement. In the tooth base area 8th the flanks 7 meets the edge 10 of the opposing tooth first, so that there is a high stress. As already mentioned, in conventional gearboxes on the flanks in the area of engagement of the counterrading edges of the toothing and in the root of the tooth, it is often observed that there are gray spots - superficial fatigue damage. These ranges correspond to the highest pressure values and usually have mixed friction conditions.

Erfindungsgemäß wird inbesondere auf diese hoch beanspruchten Stellen eine Gleitlackschicht 9 aufgetragen. Nach ihrer Aushärtung schützt die Gleitlackschicht 9 das Zahnrad vor Verschleiß bzw. ermöglicht ein verschleißarmes Einlaufen der Zahnräder 1 und 3.According to the invention, in particular on these highly stressed sites a Gleitlackschicht 9 applied. After curing, the anti-friction coating protects 9 the gear from wear or allows a low-wear running of the gears 1 and 3 ,

Gleitlacke 9 unterstützen den Einlaufprozess indem die Reibpartner (7, 8, 10) eingeglättet werden und dadurch die Flächenpressung sinkt. Hierbei dienen die Gleitlacke 9 üblicherweise als Opferschicht. Statt das Grundmaterial der Verzahnung 5 zu schädigen werden die Gleitlacke 9 zuerst verschlissen. Hierdurch kann die Bildung von Graufleckigkeit unterbunden oder zumindestens stark verzögert werden. Die für Getriebe im Windenergiebereich eingesetzten Öle enthalten üblicherweise ein EP-Additiv (extreme pressure). Damit versucht man die gleichen Aufgaben zu erfüllen, nämlich den Verschleißschutz der Verzahnung. Der Vorteil der Gleitlacke 9 ist jedoch, dass sie auf den Zahnflanken 7 fixiert sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass im Moment der größten Pressung tatsächlich auch Verschleißschutzpartikel im Kontakt vorliegen.Bonded coatings 9 support the start-up process by allowing the friction partners ( 7 . 8th . 10 ) are smoothed and thereby the surface pressure decreases. Here are the bonded coatings 9 usually as a sacrificial layer. Instead of the basic material of the gearing 5 to damage the lubricating varnishes 9 worn first. As a result, the formation of gritty staining can be prevented or at least greatly delayed. The oils used for gearboxes in the wind energy sector usually contain an extreme pressure (EP) additive. This attempts to fulfill the same tasks, namely the wear protection of the teeth. The advantage of the bonded coatings 9 However, it is on the tooth flanks 7 are fixed. This ensures that at the moment of greatest pressure actually wear protection particles are in contact.

Die Oberflächenbearbeitung der Flanken 7 und Fußbereiche 8 von Zahnrädern 1, 3 für Windkraftgetriebe stellt wegen der Dimension der Bauteile eine Herausforderung dar. So werden Zahnräder 1, 3 mit Durchmessern von 200 cm (und mehr) beim Gleitschleifen vollständig in großvolumigen Bearbeitungsbehältern versenkt und einer teilweise mehrstündigen Behandlung unterzogen. Auch hier bietet Gleitlack durch die von konventionellem Lack bekannten Beschichtungstechniken – Sprühen, Tauchen etc. – Vorteile. The surface treatment of the flanks 7 and foot areas 8th of gears 1 . 3 for wind turbine gearbox is a challenge because of the dimension of the components. So are gears 1 . 3 with diameters of 200 cm (and more) sunk in vibratory finishing completely in large-volume processing containers and subjected to several hours of treatment. Here, too, lubricating varnish offers advantages due to the coating techniques known from conventional varnish - spraying, dipping, etc.

Durch Optimierung der Oberflächentopographie von Zahnflanken 7 und Fußbereichen 8 kann die Schmierfilmausbildung in der Kontaktzone verbessert werden. Das Auftreten von Schmierverhältnissen, die die Entstehung von Graufleckigkeit ermöglichen bis hin zur Unterbrechung des Schmierfilmes, kann allerdings dadurch nicht sichergestellt werden. Hier kann allerdings durch Trockenschmiereigenschaften einer aufzubringenden Beschichtung 9 Sicherheit gewonnen werden. Die bevorzugte Beschichtung für diese Anwendung sind Gleitlacke. Gleitlacke stellen bei geeigneter Systemwahl eine Lebensdauerschmierung dar. By optimizing the surface topography of tooth flanks 7 and foot areas 8th Lubricating film formation in the contact zone can be improved. However, the occurrence of lubrication conditions that allow the formation of grainy dirt until the interruption of the lubricating film, but this can not be ensured. However, this can be due to the dry lubricating properties of a coating to be applied 9 Security can be won. The preferred coating for this application are low friction paints. With a suitable system choice, bonded coatings represent lifetime lubrication.

Die Verschleißeigenschaften eines Gleitlackes werden von verschiedenen Faktoren, wie Gleitgeschwindigkeit, Oberflächenrauheit , Gleitgeschwindigkeit, Temperatur, Feuchtigkeit und Oberflächenbelastung bestimmt. Neue Gleitlacktypen mit eingearbeiteten nanoskaligen Festschmierstoffpartikeln erlauben nun wesentlich höheren Pressungswerte als herkömmliche Gleitlacke und werden erfindungsgemäß für Windenergieanwendungen besonders bevorzugt.The wear characteristics of a lubricating varnish are determined by various factors such as sliding speed, surface roughness, sliding speed, temperature, humidity and surface load. New Gleitlacktypen with incorporated nanoscale solid lubricant particles now allow much higher pressures than conventional bonded coatings and are particularly preferred for wind energy applications according to the invention.

Gleitlacke bestehen aus anorganischen oder organischen Bindemitteln mit dispergierten Festschmierstoffpartikeln. Für den Einsatz auf Zahnrädern 1, 3 in Windkraftgetrieben mit geringen Gleitgeschwindigkeiten und hohen Drücken sind bevorzugt Systeme mit Molybdändisulfid geeignet. Durch den Zusatz von Nanopartikeln (NP) kann die Lackmatrix derart versteift werden, dass sie den hohen Beanspruchungen genügt. Üblicherweise werden hier funktionalisierte NPs auf z.B. SiO2-Basis eingesetzt.Bonded coatings consist of inorganic or organic binders with dispersed solid lubricant particles. For use on gears 1 . 3 In wind power transmissions with low sliding speeds and high pressures, systems with molybdenum disulfide are preferred. By adding nanoparticles (NP), the paint matrix can be stiffened so that it meets the high demands. Usually, functionalized NPs based on eg SiO2 are used here.

Die Oberflächen der Zahnflanken und Zahnfußbereiche werden konventionell auf Rauheiten von mindestens Rz = 1 μm und maximal Rz = 10 μm bearbeitet, bevorzugt aber in einem Bereich von 2 μm < Rz < 5 μm. Der Gleitlack wird dann mit Schichtdicken von 2–30 μm, bevorzugt aber mit 5–15 μm aufgetragen. Der Auftrag kann direkt auf die Metalloberfläche erfolgen oder mit einer zusätzlichen Haftvermittlerschicht (beispielsweise einer Phosphatierungsschicht).The surfaces of the tooth flanks and tooth root regions are conventionally machined to roughnesses of at least Rz = 1 μm and at most Rz = 10 μm, but preferably within a range of 2 μm <Rz <5 μm. The bonded coating is then applied with layer thicknesses of 2-30 microns, but preferably 5-15 microns. The application can be carried out directly on the metal surface or with an additional adhesion promoter layer (for example a phosphating layer).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009017301 A1 [0002]

Claims

Transmission, in particular gearbox for a wind energy plant, having at least two gears which mesh with one another on account of their arrangement ( 1 . 3 ) for transmitting a mechanical power from an input shaft to an output shaft, characterized in that flanks ( 7 ) of a gearing ( 5 ) at least one of the gears ( 1 . 3 ) with a Gleitlackschicht ( 9 ) are provided.

Transmission according to claim 1, characterized in that a tooth root area ( 8th ) of a gearing ( 5 ) at least one of the gears ( 1 . 3 ) with a Gleitlackschicht ( 9 ) is provided.

Transmission according to claim 1 or 2, characterized in that at least the toothing ( 5 ) of the gears is made of a metal, in particular of a tempered steel, in particular steel C45, or in particular a higher quality steel than C45.

Transmission according to claim 3, characterized in that between the metal of the toothing ( 5 ) and the Gleitlackschicht ( 9 ) an adhesion promoter layer, in particular a layer obtained by phosphating, is formed.

Transmission according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-friction varnish layer ( 9 ) has an inorganic or an organic binder and bound in the binder solid lubricant particles.

Transmission according to claim 5, characterized in that the solid lubricant particles have molybdenum disulfide.

Transmission according to claim 5 or 6, characterized in that the anti-friction layer comprises nanoparticles of silicon dioxide.

Transmission according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-friction varnish layer ( 9 ) has a thickness of 2-30 microns, in particular a thickness of 5-15 microns.

A gear manufacturing method according to any one of the preceding claims, comprising the step of producing a gear, characterized by the step of applying a lubricating varnish layer to flanks of a toothing of at least one of the gears and / or applying a lubricating varnish layer to a tooth root region of at least one of the gears.

Manufacturing method for a transmission according to claim 9, characterized in that during manufacture of the gear flanks or tooth root areas on roughnesses of at least Rz = 1 micron to a maximum of Rz = 10 microns, in particular roughness of at least Rz = 2 microns to a maximum of Rz = 5 microns to be edited.

Manufacturing method for a transmission according to claim 9 or 10, characterized in that the gear is subjected to the application of the anti-friction coating of a phosphating.

Manufacturing method for a transmission according to one of claims 9 to 11, characterized in that the anti-friction coating is applied by spraying or dipping.