DE10018348A1 - Zahnradpumpe, insbesondere für eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe - Google Patents
Zahnradpumpe, insbesondere für eine Hochdruck-KraftstoffpumpeInfo
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Abstract
Bei einer Zahnradpumpe mit einem Gehäuse (18), zwei Zahnrädern (14, 16), die in dem Gehäuse angeordnet sind und miteinander in Eingriff stehen, und mindestens einer Nut (22), die im Gehäuse auf der Druckseite der Zahnradpumpe ausgebildet ist, sollen Kaviationsschäden bei hohen Drehzahlen vermieden werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß die Nut einen ersten Abschnitt (24) aufweist, der sich, ausgehend von der Druckseite, erstreckt und in welchem der Boden der Nut (22) einen geringen Abstand von den Spitzen der Zähne (20) des Zahnrades hat, und einen zweiten Abschnitt (26), der sich an den ersten Abschnitt anschließt und in welchem der Boden der Nut (22) einen maximalen Abstand von den Zahnspitzen aufweist, der größer ist als der Abstand im ersten Abschnitt, wobei sich der erste Abschnitt über einen kleineren Winkelbereich (alpha) erstreckt als der zweite Abschnitt und die Nut sich insgesamt über einen Winkelbereich (alpha, beta) erstreckt, der etwas größer ist als der Winkelabstand zwischen zwei Zähnen (20).
Description
Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe mit einem Gehäuse, zwei
Zahnrädern, die in dem Gehäuse angeordnet sind und miteinander in Eingriff
stehen, und mindestens einer Nut, die im Gehäuse auf der Druckseite der
Zahnradpumpe ausgebildet ist.
Eine solche Zahnradpumpe kann insbesondere als Vorförderpumpe für eine
Hochdruck-Kraftstoffpumpe dienen, wobei dieser der Kraftstoff von der
Vorförderpumpe mit einem Druck von etwa 6 bar bereitgestellt wird. Die
Hochdruck-Kraftstoffpumpe erzeugt dann einen Druck, der bis in der
Größenordnung von 1800 bar liegen kann, wie er bei einem sogenannten
Common-Rail-Einspritzsystem verwendet wird.
Die Zahnradpumpe wird mit der gleichen Drehzahl wie die Hochdruck-
Kraftstoffpumpe angetrieben und muß schon bei der Motorstartdrehzahl eine
genügende Kraftstoffmenge fördern. Aus diesem Grunde ist es erforderlich,
daß die Zahnräder mit möglichst kleinem Spiel zum Gehäuse laufen und auch
die Umschlingungslänge der beiden Zahnräder, also der Winkelbereich, über
den die mit dem zu fördernden Kraftstoff gefüllten Zahnzwischenräume
zwischen der Saugseite und der Druckseite der Zahnradpumpe durch das
Gehäuse abgedichtet sind, möglichst groß ist. Bei maximaler Motordrehzahl
jedoch darf die Zahnradpumpe keine zu große Kraftstoffmenge fördern.
Anstelle einer aufwendigen Ventilsteuerung zur Mengenregulierung wird auf
der Saugseite üblicherweise eine Drossel verwendet, welche diese
Fördermenge begrenzt. Dies führt dazu, daß mit Erreichen einer bestimmten
Fördermenge die Zahnzwischenräume nicht mehr vollständig mit Kraftstoff
gefüllt werden.
Wenn ein solcher Zahnzwischenraum, der nicht vollständig mit Kraftstoff gefüllt
ist, auf der Druckseite der Pumpe aus dem Gehäuse in den Druckraum austritt,
besteht die Gefahr, daß es zu Kavitationsschäden an den Zahnflanken der
Zahnradzähne oder dem Gehäuse kommt. Aus diesem Zweck ist die Nut
vorgesehen, die einen möglichst kontinuierlichen Druckanstieg in dem nicht
vollständig mit Kraftstoff gefüllten Zahnzwischenraum ermöglichen soll. Die Nut
wirkt dabei wie eine Drossel, die ein kontrolliertes Rückfließen des Kraftstoffs
von der Druckseite der Pumpe in den sich im Bereich der Nut befindenden
Zahnzwischenraum ermöglicht.
Nachteilig an den bisher bekannten Kraftstoffpumpen ist, daß eine sich über
einen vergleichsweise großen Winkelbereich erstreckende Nut erforderlich
war, um Kavitationsschäden auch bei hohen Drehzahlen zu verhindern. Die
große Winkelerstreckung der Nut bewirkt aber, daß der Umschlingungswinkel
zwischen Gehäuse und Zahnrad absinkt, woraus eine geringere Fördermenge
bei geringeren Drehzahlen resultiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zahnradpumpe der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei geringen Drehzahlen
eine große Fördermenge erreicht wird, während gleichzeitig bei hohen
Drehzahlen Kavitationsschäden vermieden werden sollen.
Bei der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe mit den Merkmalen des Patent
anspruchs 1 bildet die Nut eine Art Vorkammer, die durch den vergleichsweise
engen Spalt, der im ersten Abschnitt zwischen dem Boden der Nut und den
Spitzen der Zahnradzähne gebildet ist, mit der Druckseite in Verbindung steht.
Bei hohen Drehzahlen führt der enge Spalt in Verbindung mit dem
Überströmquerschnitt, der im Bereich des zweiten Abschnittes der Nut gebildet
ist, zu einem kontinuierlichen Druckanstieg des sich jeweils gerade zur Nut
öffnenden Zahnzwischenraumes. Die Nut weist insgesamt eine Erstreckung
über einen vergleichsweise kleinen Winkelbereich auf, so daß sich ein großer
Umschlingungswinkel zwischen Zahnrad und Gehäuse ergibt, was für die
Fördermenge bei geringen Drehzahlen vorteilhaft ist.
Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
ist. In diesen zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Schnittansicht eine Zahnradpumpe in
Verbindung mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
Fig. 2 in einer schematischen, abgebrochenen Schnittansicht eine
Zahnradpumpe nach dem Stand der Technik; und
Fig. 3 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Fig. 2 eine
erfindungsgemäße Zahnradpumpe.
In Fig. 1 ist eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe 5 gezeigt, die Kraftstoff mittels
eines Pumpenelementes 7 auf einen hohen Druck in der Größenordnung von
bis zu 1800 bar verdichten kann. Dem Pumpenelement wird der Kraftstoff über
eine Zahnradpumpe 10 zugeführt, die mit einer Antriebswelle 12 für das
Pumpenelement 7 in Verbindung steht.
Die Zahnradpumpe 10 weist zwei Zahnräder 14, 16 (siehe Fig. 2) auf, die
miteinander in Eingriff stehen und in einem Gehäuse 18 angeordnet sind.
Durch Drehung in der Pfeilrichtung fördern die Zahnräder 14, 16 den Kraftstoff,
der auf der Saugseite S zugeführt wird, mittels des Zwischenraumes zwischen
zwei benachbarten Zahnradzähnen 20 zur Druckseite D.
In Fig. 2 ist eine Nut 22 zu sehen, die im Gehäuse ausgehend von der
Druckseite angeordnet ist. Die Nut 22 dient dazu, einen möglichst
gleichmäßigen, kontrollierten Druckanstieg in den Zwischenräumen zwischen
zwei benachbarten Zahnradzähnen zu ermöglichen, wenn in den
Zahnzwischenräumen beim Austritt aus dem Gehäuse 18 und dem Übertritt zur
Druckseite ein geringerer Druck vorliegt als auf der Druckseite und sie nicht
vollständig mit dem Kraftstoff gefüllt sind. Käme es in diesem Zustand zu einem
abrupten Druckanstieg, würden die Dampfblasen im Kraftstoff in den
Zahnzwischenräumen implodieren, und es könnte zu Kavitationsschäden am
Gehäuse und an den Flanken der Zahnradzähne 20 kommen. Hiervon wäre
insbesondere das gegen Kavitationsschäden empfindliche Material betroffen.
Bei der in Fig. 2 gezeigten, herkömmlichen Ausgestaltung der Nut 22 erfolgt
der Druckausgleich in den Zahnzwischenräumen bei hoher Drehzahl sehr
schnell, so daß eine Druckwelle entsteht, die zum einen starke
Druckschwingungen hervorruft und zum anderen dazu führt, daß die
Kavitationsblasen im Zahnzwischenraum mit hoher Geschwindigkeit
implodieren.
In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Nut 22 gezeigt. Die Nut
besteht hier aus einem ersten Abschnitt 24, der sich über einen Winkelbereich
α erstreckt, sowie einem zweiten Abschnitt 26, der sich über einen
Winkelbereich β erstreckt, wobei der Winkelbereich α viel kleiner als der
Winkelbereich β ist. Im Winkelbereich α ist der Abstand s zwischen den
Spitzen der Zahnradzähne und dem Boden der Nut 22 vergleichsweise klein,
beispielsweise in der Größenordnung von 0,2 mm, während der maximale
Abstand t zwischen den Zahnspitzen und dem Boden der Nut 22 im zweiten
Abschnitt deutlich größer ist, beispielsweise in der Größenordnung von 0,7 mm.
Im ersten Abschnitt verläuft der Boden der Nut 22 etwa konzentrisch mit
der Drehachse des Zahnrades 14, während der Boden der Nut 22 im zweiten
Abschnitt etwa parabelförmig ausgehend vom ersten Abschnitt verläuft. Die
Kontur der Nut im zweiten Abschnitt ist so gewählt, daß sie auf ihrem vom
ersten Abschnitt abgewandten Ende in etwa radialer Richtung in den Bereich
des Gehäuses übergeht, der eng an den Zahnradspitzen anliegt. Bei der
gezeigten Ausführungsform beträgt der Winkelbereich α etwa 5°, während der
Winkelbereich β etwa 36° beträgt. Die Winkelbereiche sind so auf den Abstand
der Zahnradzähne 20 voneinander abgestimmt, daß sich die Nut 22 insgesamt
über einen Winkelbereich erstreckt, der geringfügig größer ist als der
Winkelabstand zwischen zwei Zahnradzähnen. Hieraus ergibt sich ein großer
Umschlingungswinkel γ, also ein großer Winkelbereich, über den die
Zahnzwischenräume vom Gehäuse 18 zwischen der Saugseite und der
Druckseite abgedeckt sind. Dieser große Umschlingungswinkel γ ist vorteilhaft
im Hinblick auf geringe Überströmverluste bei geringen Drehzahlen, also im
Hinblick auf eine große Fördermenge.
Die spezielle Ausgestaltung der Nut 22 führt zu einem kontinuierlichen
Druckanstieg im Bereich der Zahnzwischenräume beim Übertritt eines
Zahnzwischenraums aus dem Bereich der Umschlingung durch das Gehäuse
in den Bereich der Druckseite. Zu Anfang des Druckanstiegs, wenn sich das
Zahnrad 14 also in der in Fig. 3 gezeigten Stellung befindet, in der ein vor
dem betrachteten Zahnzwischenraum 28 liegender Zahnradzahn 20 in den
zweiten Abschnitt 26 der Nut 22 eintritt, ergibt sich ein vergleichsweise enger
Spalt zwischen dem Gehäuse und dem entsprechenden Zahnradzahn, so daß
der Kraftstoff aus einem Bereich mit höherem Druck vergleichsweise langsam
in den Zahnzwischenraum 28 einströmt. Dabei verläuft die Strömung in radialer
Richtung, so daß sie der Zahnradflanke in Richtung zum Zahngrund folgt. Dies
ist gewährleistet durch den Verlauf der Kontur der Nut 22 in diesem Bereich.
Mit dem Überströmen von Kraftstoff in den aufzufüllenden Zahnzwischenraum
sinkt der Druck in dem vorhergehenden Zahnzwischenraum, was wiederum
durch Nachströmen von Kraftstoff durch den engen Spalt zwischen der
Zahnspitze und dem Boden der Nut in deren ersten Abschnitt 24 ausgeglichen
wird. Wenn sich das Zahnrad weiter in der Pfeilrichtung dreht, vergrößert sich
sowohl der Strömungsquerschnitt zwischen dem ersten Abschnitt 24 der Nut 22
und der diesem gegenüberliegenden Zahnspitze als auch derjenige zwischen
dem nachfolgenden Zahnradzahn und dem Ende der Nut 22. Dies ermöglicht
einen vollständigen Druckausgleich im Zahnzwischenraum 28 vor dem Austritt
zur Druckseite hin. Auf diese Weise werden Kavitationsschäden sowohl an den
Zahnradzähnen als auch am Gehäuse der Zahnradpumpe vermieden.
Die beschriebene Nut 22 kann selbstverständlich auch für das zweite Zahnrad
16 vorgesehen sein, um auch dort Kavitationsschäden zu verhindern.
Für die Querschnittsauslegung der Nut 22 gelten die folgenden Regeln:
1/(N . Z) ≧ Tf
Tf = Vd/Vp
AN = Vp/w
wobei
Tf = Füllzeit für einen Zahnzwischenraum durch die Nut
N = Drehzahl Zahnrad
Z = Zähnezahl des Zahnrades
Vd = Dampfvolumen in Zahnzwischenraum
Vp = Volumenstrom von Kraftstoff durch die Nut zum Zahnzwischenraum
w = Strömungsgeschwindigkeit in der Nut
AN = Effektiver Strömungsquerschnitt in der Nut
Tf = Füllzeit für einen Zahnzwischenraum durch die Nut
N = Drehzahl Zahnrad
Z = Zähnezahl des Zahnrades
Vd = Dampfvolumen in Zahnzwischenraum
Vp = Volumenstrom von Kraftstoff durch die Nut zum Zahnzwischenraum
w = Strömungsgeschwindigkeit in der Nut
AN = Effektiver Strömungsquerschnitt in der Nut
5
Hochdruck-Kraftstoffpumpe
7
Pumpenelement
10
Zahnradpumpe
12
Antriebswelle
14
Zahnrad
16
Zahnrad
18
Gehäuse
20
Zahnradzahn
22
Nut
24
erster Abschnitt der Nut
26
zweiter Abschnitt der Nut
28
Zahnzwischenraum
s Abstand Nut/Zahnspitze im ersten Abschnitt der Nut
t Abstand Nut/Zahnspitzen im zweiten Abschnitt der Nut
T maximaler Abstand Nut/Zahnspitze im zweiten Abschnitt der Nut
α Winkelbereich erster Abschnitt der Nut
β Winkelbereich zweiter Abschnitt der Nut
γ Umschlingungswinkel
s Abstand Nut/Zahnspitze im ersten Abschnitt der Nut
t Abstand Nut/Zahnspitzen im zweiten Abschnitt der Nut
T maximaler Abstand Nut/Zahnspitze im zweiten Abschnitt der Nut
α Winkelbereich erster Abschnitt der Nut
β Winkelbereich zweiter Abschnitt der Nut
γ Umschlingungswinkel
Claims (9)
1. Zahnradpumpe mit einem Gehäuse (18), zwei Zahnrädern (14, 16), die in
dem Gehäuse angeordnet sind und miteinander in Eingriff stehen, und
mindestens einer Nut (22), die im Gehäuse auf der Druckseite der
Zahnradpumpe ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut einen
ersten Abschnitt (24) aufweist, der sich ausgehend von der Druckseite
erstreckt und in welchem der Boden der Nut (22) einen geringen Abstand
von den Spitzen der Zähne (22) des Zahnrades hat, und einen zweiten
Abschnitt (26), der sich an den ersten Abschnitt anschließt und in welchem
der Boden der Nut (22) einen maximalen Abstand von den Zahnspitzen
aufweist, der größer ist als der Abstand im ersten Abschnitt, wobei sich der
erste Abschnitt über einen kleineren Winkelbereich (α) erstreckt als der
zweite Abschnitt und die Nut sich insgesamt über einen Winkelbereich (α, β)
erstreckt, der etwas größer ist als der Winkelabstand zwischen zwei Zähnen
(20).
2. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur
des ersten Abschnittes der Nut (22) einen solchen Verlauf hat, daß sich ein
konstanter Querschnitt ergibt.
3. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kontur des zweiten Abschnittes der Nut (22) einen solchen
Verlauf hat, daß sich ein abnehmender Querschnitt ergibt.
4. Zahnradpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur
des zweiten Abschnittes der Nut (22) einen parabelförmigen Verlauf hat.
5. Zahnradpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur
des zweiten Abschnittes (26) auf der vom ersten Abschnitt (24)
abgewandten Seite, bezogen auf die Drehachse des entsprechenden
Zahnrades, etwa radial verläuft.
6. Zahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe (5) zugeordnet ist
und der Abstand (t) zwischen den Zahnspitzen und dem Boden der Nut im
zweiten Abschnitt etwa gleich dem effektiven Strömungsquerschnitt in der
Nut geteilt durch die Zahnradhöhe ist, während der Abstand (s) zwischen
den Zahnspitzen des Zahnrades (14, 16) und dem Boden der Nut (22) im
ersten Abschnitt etwa gleich einem Drittel des Abstandes im ersten Abschnitt
ist.
7. Zahnradpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
(t) zwischen den Zahnspitzen und dem Boden der Nut im zweiten Abschnitt
etwa gleich 0,7 mm ist.
8. Zahnradpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
(s) zwischen den Zahnspitzen des Zahnrades (14, 16) und dem Boden der
Nut (22) im ersten Abschnitt etwa gleich 0,2 mm ist.
9. Zahnradpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der
erste Abschnitt (24) der Nut (22) über einen Winkelbereich von etwa 5°
erstreckt, während sich der zweite Abschnitt (26) über einen Winkelbereich
von etwa 36° erstreckt.
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