CN1823224A - 具有优化的轴向间隙的齿轮泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种泵，特别是用于内燃机的油泵，其由一个泵壳组成，其中该泵壳由一个泵盖(2)以及一个泵法兰(3)组成，其中在泵盖(2)和泵法兰(3)之间布置至少一组齿轮组(4)，并且该泵盖和泵法兰通过至少一个间隔件(5)连接。

Description

具有优化的轴向间隙的齿轮泵
本发明涉及一种泵，特别是用于内燃机的油泵，该泵由一个泵壳组成，其中该泵壳由一个泵盖和一个泵法兰组成，其中在泵盖和泵法兰之间布置至少一组齿轮组，并且泵盖和泵法兰通过至少一个间隔件连接。
低油耗汽车的开发要求优化汽车组件以及发动机组件。在此由辅助机组的驱动装置引起的损失对于经常出现的短途交通和城市交通的汽车能耗是有特殊的意义的。另外油泵的驱动功率可能导致发动机本身功率的降低，由此使得燃油消耗大大增加，其中该油泵保证了发动机的润滑。
在低达零下40℃的情况下，必须保证发动机润滑的功能以及足够快速地润滑发动机，而在高达160℃的高温时的怠速运行的情况下，对于机油供给不能缺少。在高温怠速运行的情况下其特征为油泵内部渗漏高以及发动机相对高的机油需求。高温怠速运行对于油泵的尺寸确定是一个重要的工作点。
一般情况下对于典型的泵的设计，油泵是对于该工作点进行设计的。在汽车正常行驶时，这可能会导致油泵尺寸过大，因为内燃机的油吸收曲线是随着转速递减的，其中油泵的供油特性曲线是随着转速接近线性地递增的。由此导致的供油过量通过过压限制阀消耗能量才能克服。
上述问题由此被激化，即特别是在汽车工业中希望使用流态的机油。由此虽然改进了泵在负温度时的功能，其中在高温下体积效率变差了。
另外一个问题在于，几乎所有的泵壳都用与所使用的齿轮组不同的材料制成。许多泵壳例如出于减轻重量的原因由铝压铸而成，而齿轮组由钢，特别是烧结钢制成。由于泵壳和齿轮组不同的热膨胀系数，齿轮组和泵壳之间需要设计的轴向间隙在温度升高和/或温度下降的时候会改变。在温度升高时，轴向间隙大致线性的增加，这样会导致体积效率的进一步损失，可能会达到50％至60％。泵的体积效率在温度上升时大致呈线性下降。
上述的问题例如在具有下述特征值的叶片泵上会更加明显：
外壳：铝压铸件
齿轮组：烧结钢
齿轮组高度：46mm
温度范围：-40℃至150℃
热膨胀系数      铝壳：0.0000238℃-1
                烧结钢齿轮组：0.000012℃-1
泵的轴向间隙在20℃时设计为0.07mm。
温度差130℃(20℃至150℃)：
铝壳的膨胀：
46.07mm+46.07mm*0.0000238℃-1*130℃＝46.213mm
烧结钢齿轮组的膨胀：
46.00mm+46.00mm*0.000012℃-1*130℃＝46.07mm
得到的轴向间隙为0.143mm。
温度差60℃(-40℃至20℃)：
铝壳的收缩：
46.07mm-46.07mm*0.0000238℃-1*60℃＝46.004mm
烧结钢齿轮组的收缩：
46.00mm-46.00mm*0.000012℃-1*60℃＝45.967mm
得到的轴向间隙为0.037mm。
由于材料不同的热膨胀，轴向间隙在150℃时增加到0.143mm，而在-40℃时减小到0.037mm。轴向间隙的倍增以及介质粘度的减小导致体积效率损失50％至60％。在低温下，由于轴向间隙的减小可能会使得功能受到干扰以及机械效率显著变差。在100℃、5.5bar、550U/min的条件下，0.01mm的轴向间隙增加意味着大约1L/min的输送量的减少(Aussage TV-H Nov.98)。在设计油泵时，必须考虑这个体积损失，并将泵相应设计的更大点。由于泵设计的较大，可能在高速转动时导致供油过量，过量的机油必须通过消耗功率来排出。
本发明的任务是构造一种泵，其在负40℃至160℃的温度范围内具有微小的轴向间隙变化，并且在这个温度范围内体积效率下降很小。
该任务根据本发明通过一种泵、尤其是用于内燃机的油泵来解决，该泵由一个泵壳组成，其中该泵壳由一个泵盖和一个泵法兰组成，其中在泵盖和泵法兰之间布置至少一组齿轮组，并且泵盖和泵法兰通过至少一个间隔件连接，其中该间隔件的热膨胀系数比泵盖、泵法兰以及/或者齿轮组的热膨胀系数小。
根据本发明设计的泵相对于具有由铝压铸件制成泵壳和由钢制成齿轮组的泵实现了将泵的体积效率改进了40％至50％。按照本发明泵的体积效率相对于泵壳和齿轮组都用钢制成的泵提高了大约20％至25％。另外改进了在低温下的机械效率。另一个优点是对于泵的设计的影响，因为泵的尺寸可以减小。另外也可以减小泵的功率消耗和重量，并且最重要的是可以降低燃油消耗。通过本发明的泵的设计，其最佳的轴向间隙可以对几乎所有类型的泵都能以其最佳的效率进行计算。对于许多泵的类型这种优化能够成本经济地进行补充装备。
按本发明的泵的结构的优点例如在对现有技术的叶片泵的评价中体现：
优化的叶片泵：
热膨胀系数不变钢＝0.0000015℃-1
不变钢(镍钢)间隔件的膨胀：
46.09mm+46.09mm*0.0000015℃-1*130℃＝46.098mm
烧结钢齿轮组的膨胀：
46.00mm+46.00*0.000012℃-1*130℃＝46.072mm
由此得到轴向间隙为0.026mm。
不变钢(镍钢)间隔件的收缩：
46.09-46.09*0.0000015℃-1*60℃＝46.086mm
烧结钢齿轮组的收缩：
46.00mm-46.00mm*0.000012℃-1*60℃＝45.96mm
由此得到轴向间隙为0.119mm。
通过安装热膨胀系数为0.0000015℃-1的间隔件，轴向间隙在150℃时减小到0.026mm，而在负40℃时轴向间隙增加到0.119mm。由此显示出，通过将例如由含36％的镍的镍钢(不变钢)(热膨胀系数为0.0000015)制成的间隔件安装到泵壳中，负的热膨胀会转变成有正的热膨胀，也就是说，在高温下，轴向间隙减小，而在低温下轴向间隙增大。
热膨胀对轴向间隙变化的影响与温度的关系在下面的图表中再一次给出。
                    轴向间隙-优化
               泵壳：铝或钢；齿轮组：烧结钢
图表示出，在泵壳由钢制成、而齿轮组也由钢制成的组合中，所设计的轴线间隙随着温度的变化保持不变，因为泵壳和齿轮组具有相同的热膨胀系数。在质量方面优化的由铝压铸件制成的泵壳与由烧结钢制成的齿轮组的组合随着温度升高，所显示出的轴向间隙也越大，由此引起内部渗漏，这是不希望的。根据本发明，由铝压铸件制成的轻质的泵壳与烧结钢齿轮组以及具有比齿轮组和泵壳更小的热膨胀系数的间隔件的组合在温度升高时所显现出的轴向间隙是变小的。
另外，通过下面的图表还示出了在压力和温度升高时，按现有技术制造的泵的体积效率是如何变化的，其中试验条件如下：
泵壳：      灰铸铁
齿轮组：    烧结钢
齿轮组类型：行星齿轮组
齿轮组宽度：18.00mm
排量：      5.40cm3/U
介质：自动变速器油
转速：500U/min
           未进行轴向间隙优化的泵试验
            外壳：钢；齿轮组：烧结钢
可以清楚地看出，按现有技术制造的泵的体积效率在20℃下压力升高时下降了大约7％。在温度升高到80℃时，体积效率下降了大约30％。
相应的，在下面的图表中示出了按本发明的泵在压力和温度升高时其体积效率的变化情况，其中试验条件如下：
泵壳：      灰铸铁，带有由不变钢(含36％镍的镍钢)制成的
            间隔衬套
齿轮组：    烧结钢
齿轮组类型：行星齿轮组
齿轮组宽度：18.00mm
排量：      5.40cm3/U
介质：      自动变速器油
转速：      500U/min
             轴向间隙优化后的泵试验
             外壳：钢；齿轮组：烧结钢
可以看出按本发明的泵的体积效率在压力升高时下降了大约7％，但是与温度几乎无关。
在本发明优选的结构方案中规定，在泵盖和泵法兰之间布置一个泵环形板，至少一组齿轮组支承在其中，其中泵环形板具有相同的或者比间隔件更大的热膨胀系数。
在本发明的另一种优选的结构方案中，间隔件的热膨胀系数比泵盖、泵法兰、齿轮组以及/或者泵环形板的热膨胀系数小一个系数10。
在本发明的特别优选的结构方案中，间隔件的热膨胀系数小于0.00002℃-1。
在本发明有利的结构方案中规定，间隔件由镍钢制成，优选含36％的镍。
在本发明另一种有利的结构方案中规定，间隔件是烧结零件。该烧结的金属构件采用相应的合金元素，以使得间隔件获得与应用情况相匹配的热膨胀系数。
在本发明优选的结构方案中规定，在泵环形板中偏心地支承一行星齿轮组，其中内齿轮与驱动轴相连接，并且泵盖、泵环形板以及泵法兰相互密封的隔开，其中设置间隔件，其高度比行星齿轮组的高度大一个所设计的轴向间隙的值，而泵环形板的高度比间隔件的高度小一个热膨胀差值，其中在泵盖、泵环形板和泵法兰之间形成的膨胀间隙通过密封件来密封。
在本发明特别优选的结构方案中规定，泵盖设有卷边，其伸入泵环形板中，而在泵环形板中支承着一行星齿轮组，其中泵环形板由至少一个间隔件穿过，该间隔件与泵盖和泵法兰保持接触。
在本发明另一种优选的结构方案中规定，泵盖和泵法兰设有卷边，其伸入泵环形板中，而在泵环形板中支承着一行星齿轮组，其中泵环形板由至少一个间隔件穿过，该间隔件与泵盖和泵法兰保持接触。
下面根据附图来说明本发明的实施例。
附图示出：
图1.1示出了按本发明板焊接结构的泵沿图1.2中A-A线的剖面图；
图1.2示出了图1.1的俯视图；
图1.3示出了按图1.1的细节图X1；
图2.1示出了按本发明第一种变型方案的剖面图；
图2.2示出了按图2.1的细节图X2；
图3.1示出了按本发明第二种变型方案的剖面图；
图3.2示出了按图3.1的细节图X3；
图4.1示出了按本发明第三种变型方案的剖面图；
图4.2示出了按图4.1的细节图X4；
图5.1示出了按本发明第四种变型方案的剖面图；
图5.2示出了按图5.1的细节图X5。
图1.1示出了板焊接结构泵壳的剖面图，其由一个泵盖2、一个泵环形板6以及一个泵法兰3组成。在泵环形板6中偏心地支承着一行星齿轮组4，该行星齿轮组由一个外齿轮16、行星齿轮17以及一个内齿轮7组成。内齿轮7通过驱动轴9驱动。在泵环形板6中设有用于间隔衬套5的支承孔14。在泵盖2和泵法兰3中设置一个O型环槽12，其中插入一个密封环11(O型环)，该密封环防止了向外的渗漏。
间隔衬套5与行星齿轮组的高度匹配，使得间隔衬套5正好比行星齿轮组4的高度高出所设计的轴向间隙24的量。间隔衬套5和行星齿轮组4之间的高度差在环境温度下与轴向间隙24对应。
泵环形板6与间隔衬套5匹配，使得泵环形板6比间隔衬套5小一个热膨胀量(热膨胀系数(泵环形板)*高度(泵环形板)*温度)。这相应于膨胀间隙15。
在泵1拧在一起时，泵盖2和泵法兰3被压在间隔衬套5上。在泵盖2、泵环形板6和泵法兰3之间形成一个膨胀间隙15，其通过弹性O型环11.1和11.2进行密封。
这样选择间隔衬套5的材料，使得其热膨胀系数总是小于齿轮组4和泵环形板6的热膨胀系数。在这种情况下，优选使用含36％镍的镍钢作为间隔衬套5的材料(不变钢)。这种材料的热膨胀系数为0.0000015℃-1，由此比烧结钢或者钢的热膨胀系数小一个系数10。当齿轮组4由烧结铝硅14构成时也是有利的。
图1.2示出，在泵盖2中，在节圆上设有八个通孔13，而在泵法兰3中设有八个螺纹孔用于借助于螺纹件14进行拧紧。在泵环形板6中，在泵盖2的同一个节圆上以及与通孔13相同的位置上，设有支承孔14用于间隔件，所述间隔件是间隔衬套5。
图1.3示出了按图1.1的细节图，其中在泵盖2和泵法兰3之间偏心地支承着一个泵环形板6、一组行星齿轮组4，该行星齿轮组4由一个外齿轮16、行星齿轮17以及一个内齿轮7组成。在泵盖2和泵法兰3中设置一个0型环槽12.1、12.2，其中插入一个密封环11.1、11.2(O型环)，密封环防止了向外的渗漏。间隔件5的高度比泵环形板6的高度大，这样就得到一个膨胀间隙15.1、15.2。
在按本发明的泵中，根据图1.1、1.2和1.3，在泵试验时得到下面的数据：
20℃时轴向间隙：               0.05mm
由烧结钢制成的齿轮组：         20.00mm高
由镍钢(36％镍)制成的间隔衬套： 20.05mm高
温度差130℃                    (20至150℃)
齿轮组膨胀到：                 20.0312mm
间隔衬套膨胀到：               20.0539mm
由此在150℃时产生的轴向间隙为0.0227mm。
温度差60℃：                    (-40至20℃)
齿轮组收缩到：                  19.9856mm
间隔衬套收缩到∶                20.0482mm
由此在负40℃时产生的轴向间隙为0.0625mm。
自动变速器油在150℃时大约为3.4mm2/s(cSt)
自动变速器油在-40℃时大约为100002/s(cSt)
图2.1示出了本发明另一个实施例，其实现了与按图1的泵1相同的性能。这种结构对于狭窄的齿轮组是最优的。泵盖2设有卷边18，其伸入泵环形板6中。该卷边18配合在泵环形板6中。因为泵盖2支承在间隔衬套5上，在温度升高时，卷边长度19在齿轮组4的方向上增大，并影响轴向间隙24。在设计轴向间隙24时，这样设计卷边长度19，使得在泵盖2的卷边长度19膨胀时调节所需的轴向间隙24。泵盖2由铝压铸件制成，而齿轮组由钢或者烧结钢制成。泵环形板6由铝压铸件制成，而间隔衬套5由含36％镍的镍钢制成(不变钢)。在这种结构中，泵法兰3的材料对膨胀没有影响。卷边18的热膨胀系数应该尽可能的高。
图2.2示出了按图2.1的细节图。
对于按本发明的结构得到下面的数据：
20℃时轴向间隙：    ＝0.04mm
齿轮组宽度：        ＝5.0mm
卷边长度：          ＝7.0mm
间隔衬套长度：齿轮组宽度+卷边长度+轴向间隙
                    ＝12.04
温度差：            ＝130℃
间隔衬套的膨胀(不变钢)：
12.04mm+12.04mm*0.0000015℃-1*130℃＝12.0423mm
齿轮组的膨胀(烧结钢)：
5.0mm+5.0mm*0.000012℃-1*130℃＝5.0078mm
铝卷边长度的膨胀：
7.0mm+7.0mm*0.0000238℃-1130℃＝7.021mm
由此在150℃时产生的轴向间隙为：
12.0423mm-5.007gmm-7.021mm＝0.013mm
另一种结构方案为，将泵环形板用含36％镍的镍钢(不变钢)制造。作为替代方案，泵环形板也可以用黄铜或者炮铜制造，其中热膨胀系数大约为0.000018℃-1。
图3.1示出了与图2.1类似的结构的剖面图，其中在这种结构中，泵盖2与泵法兰3两个都设有卷边18.1、18.2。泵盖2和泵法兰3由铝制成，或者由一种具有相类似热膨胀系数的材料制成。卷边18的热膨胀系数应该尽可能大。
图3.2示出了按图3.1的细节图。
图4.1示出了另一种结构的剖面图，其中泵环形板6和泵法兰3由一个紧凑的泵壳20代替。泵壳20的材料例如可以是灰铸铁或者铝压铸件。间隔衬套5的支承孔21的深度应当与齿轮组宽度22相应。另外可以通过改变支承孔21的深度以及间隔衬套5相应的长度来附加影响轴向间隙24。
图4.2是按图4.1的细节图。
图5.1示出了图4.1中本发明的一种结构方案，其中支承孔21的深度和间隔件相应的高度比齿轮组宽度22小。特别是对于宽的齿轮组4，例如＞30mm，就会出现问题，齿轮组4和间隔件5的材料之间的热膨胀差太大，由此轴向间隙24会趋向于零。一种解决措施是，使得间隔件5具有比齿轮组宽度22小的高度。间隔件5的膨胀这样计算：
L2*热膨胀系数(外壳)*温度+L1*热膨胀系数(间隔件)*温度
图5.2示出了按图1.1的细节图。

Claims (9)

1.泵(1)，特别是用于内燃机的油泵，由一个泵壳组成，其中该泵壳由一个泵盖(2)和一个泵法兰(3)组成，其中在泵盖(2)和泵法兰(3)之间布置至少一组齿轮组(4)，并且该泵盖(2)和泵法兰(3)通过至少一个间隔件(5)连接，其中该间隔件(5)的热膨胀系数比泵盖(2)、泵法兰(3)以及/或者齿轮组(4)的热膨胀系数小。
2.按权利要求1所述的泵(1)，其特征在于：在所述泵盖(2)和泵法兰(3)之间布置一个泵环形板(6)，其中支承至少一组齿轮组(4)，其中该泵环形板(6)具有相同或者比间隔件(5)大的热膨胀系数。
3.按权利要求1或者2所述的泵(1)，其特征在于：所述间隔件(5)的热膨胀系数比泵盖(2)、泵法兰(3)、齿轮组(4)以及/或者泵环形板(6)的相应的热膨胀系数至少小一个系数10。
4.按权利要求1至3任一项所述的泵(1)，其特征在于：所述间隔件(5)的热膨胀系数小于0.00002℃-1。
5.按权利要求1至4任一项所述的泵(1)，其特征在于：所述间隔件(5)由镍钢制成，优选含有36％的镍。
6.按权利要求1至5任一项所述的泵(1)，其特征在于：所述间隔件(5)是烧结零件。
7.按权利要求1至6任一项所述的泵(1)，其特征在于：在所述泵环形板(6)中偏心地支承着一组行星齿轮组(4)，其中内齿轮(7)与一驱动轴(9)连接，并且泵盖(2)、泵环形板(6)以及泵法兰(3)相互密封地隔开，其中设有间隔件(5)，其高度比行星齿轮组(4)的高度大一个所设计的轴向间隙的数值，而泵环形板(6)的高度比间隔件(5)的高度小一个热膨胀差值，其中在泵盖(2)、泵环形板(6)和泵法兰(3)之间存在的膨胀间隙(10)通过密封件(11)密封。
8.按权利要求1至7任一项所述的泵(1)，其特征在于：所述泵盖(2)设有一个卷边(12)，其伸入泵环形板(6)中，并且在泵环形板(6)中支承着一组行星齿轮组(4)，其中泵环形板(6)被至少一个间隔件(5)穿过，该间隔件(5)与泵盖(2)和泵法兰(3)保持接触。
9.按权利要求1至8任一项所述的泵(1)，其特征在于：所述泵盖(2)与泵法兰(3)设有卷边(12)，其伸入泵环形板(6)中，并且在泵环形板(6)中支承着一组行星齿轮组(4)，其中泵环形板(6)被至少一个间隔件(5)穿过，该间隔件(5)与泵盖(2)和泵法兰(3)保持接触。
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