DE10117139C2

DE10117139C2 - Hydraulische Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor)

Info

Publication number: DE10117139C2
Application number: DE2001117139
Authority: DE
Inventors: Thomas Schipper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: DE10117139A1

Description

1. Beschreibung

Hydraulische Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit stufenlos veränderbarem Förderquerschnitt.

2. Zweck der Erfindung

Es ist bekannt, dass allgemein nach einer Möglichkeit gesucht wird, für Anwendungen z. B. in Kraft- oder Schienenfahrzeugen ein stufenlos veränderbares Getriebe herzustellen, das in der Lage ist, große Kräfte zu übertragen und dabei möglichst verschleißfrei zu arbeiten.

Dafür gab es bisher noch keine befriedigende Lösung.

Diese Erfindung ersetzt das Getriebe im herkömmlichen Sinne durch eine Kombination aus Hydraulik-Zahnrad-Pumpe und Hydraulik-Zahnrad-Motor. Die Pumpe und der Motor können baugleich und in einem Gehäuse, oder auch räumlich getrennt oder in unterschiedlicher Ausführung sein.

Die Veränderbarkeit der Übersetzung geschieht dabei mittels Veränderung des aktiven Förderquerschnitts, wahlweise vom Motor, der Pumpe oder beider zugleich.

Der Grundgedanke dieser Erfindung ist es, die Zahnräder einer Zahnrad-Pumpe axial verschiebbar zu lagern, um dadurch den aktiven Querschnitt der Pumpe zu verändern.

Dabei sollen die bekannten Probleme bisheriger Konstruktionen aus außenverzahnten Pumpen umgangen werden. Aus der Verwendung einer innenverzahnten Pumpe ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der Ausgestaltung. Insbesondere durch die Kombiation einer innenverzahnten Pumpe mit einer außenverzahnten Pumpe ergibt sich eine mechanisch simple Lösung.

3. Stand der Technik

Bekannt sind stufenlos verstellbare Pumpen, die mit zwei Stirnzahnrädern und diversen Dichtkörpern und Stellgliedern arbeiten.

Hierzu siehe die Patente: DE 41 21 074 A1, DE 4 00 187 C, DE 35 28 651 A1 und US 2645901. Diese und weitere Schriften gehen von einer außenverzahnten Pumpe aus, bei denen eins der Zahnräder axial verschoben wird. Der dadurch notwendige Aufwand an zusätzlichen Dichtkörpern und Stellgliedern, zur Abdichtung von Nebenströmungswegen, ist ganz erheblich.

4. Ausgestaltung der Erfindung 4.1 Innenverzahnte stufenlose Pumpe/Motor

Als Beispiel wird hierzu zunächst eine innenverzahnte Pumpe herangezogen, bei der das innere Rad axial verschiebbar angeordnet ist.

Dabei sind einige Veränderungen gegenüber der bekannten Pumpenform nötig.

4.1.1 (Zg. 1)

Das normalerweise zwischen den beiden Rädern angeordnete Füllstück 3 und 4, welches den Fluidstrom in die Zahnhohlräume zwingt, wird so in zwei Teile unterteilt, dass die Trennlinie konzentrisch zur Achse des nicht verschiebbaren Innenzahnrades 1 der Pumpe liegt und sich zwischen den beiden Teilstücken eine Dichtung bildet (Passung).

Das äußere Füllstückteil 3 wird senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar gelagert und ist länger als die Dicke der Zahnräder. Die Verschiebung erfolgt starr verkoppelt mit dem verschiebbaren Rad 2 und in gleicher Richtung.

Das äußere Füllstückteil 3 greift beim Verschieben durch das Gehäuse, wo es gegen dieses abgedichtet ist. Das innere Füllstückteil 4 bleibt starr an seinem Platz.

4.1.2 (Zg. 2)

Damit das innere Ritzel 2 beim axialen Verschieben weiterhin gegen das Gehäuse abgedichtet bleibt und sich keine Nebenwege bilden, wird auf der einen Seite der Pumpe ein mit einer Innenzahnung versehene Hülse 5 so gelagert, dass es auf der gleichen Achse wie das verschiebbare Ritzel liegt und frei drehbar ist, die gleiche Zahnzahl aufweist wie das verschiebbare Ritzel, gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist, eine Dichtung (Passung) D zum verschiebbaren Ritzel 2 bildet und eine ausreichende Dicke aufweist, um das verschiebbare Ritzel aufzunehmen.

4.1.3 (Zg. 3)

Auf der anderen Seite der Pumpe wird ein Dichtungszahnrad 6 so gelagert, dass es auf der gleichen Achse wie das nicht verschiebbare Innenzahnrad 1 der Pumpe liegt, auf dieser Achse axial verschoben werden kann, eine Dichtung zum nicht verschiebbaren Innenzahnrad bildet (Passung), eine derart große Achsbohrung aufweist, dass durch diese die Welle des verschiebbaren Ritzels 2 und das feststehende Teil des Füllstücks 4 passt, mit dem verschiebbaren Ritzel 2 gemeinsam um den gleichen Weg verschoben wird und eine entsprechende Dicke aufweist.

4.1.4 (Zg. 4)

In der Bohrung dieses Dichtungszahnrades 6 befindet sich ein mit dem Rad synchron verschiebbarer Zylinder 7 der keine Rotationsbewegung ausführt, aber eine Dichtung zu diesem bildet. Mit dem Zylinder 7 wird das verschiebbare Füllstückteil 3 verschoben, außerdem greift das feststehende Füllstückteil 4 durch diesen Zylinder und bildet mit diesem eine Dichtung. Desweiteren bildet der Zylinder 7 eine Dichtung mit der Welle 8 des verschiebbaren Ritzels 2.

4.1.5 (Zg. 5)

In der Zeichnung 5 sind alle verschiebbaren Teile gemeinsam dargestellt. Sie werden im Betrieb gemeinsam um den gleichen Betrag und in gleicher Richtung entlang der Welle 8 verschoben. Rotierende Teile sind hierbei die Welle 8, die starr mit dem Fluid fördernden Ritzel 2 verbunden ist, sowie das Dichtungszahnrad 6, welches frei drehbar gelagert ist. Der Zylinder 7 und das äußere Füllstückteil 3 werden nur verschoben.

4.1.6 (Zg. 6)

In der Zeichnung 6 sind die nicht verschiebbaren Teile dargestellt. Das Innenzahnrad 1 rotiert synchron mit dem Dichtungszahnrad 6. Die innen verzahnte Hülse 5 rotiert synchron mit dem Ritzel 2. Das innere Füllstückteil 4 behält seine Position relativ zum nicht dargestellten Gehäuse.

4.1.7 (Zg. 7)

Mit diesen Modifikationen ist es möglich, durch einfache axiale Verschiebung die als Pumpe funktionierende Dicke der Zahnräder zu verändern, ohne dass dabei die Geometrie einzelner Teile verändert werden muß. Dadurch ist es möglich, die Fördermenge einer Zahnradpumpe bei konstanter Drehzahl stufenlos zu verändern oder bei Verwendung als Motor das Drehmoment und die Drehzahl stufenlos zu verändern.

Weil nur formstabile Teile Verwendung finden, die zudem einer ständigen Schmierung durch das verwendete Fluid unterliegen, kann von einer hohen Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer ausgegangen werden.

Zeichnung 7 zeigt ein Aggregat im Schnitt ohne Gehäuse in den Einstellungen für maximalen und minimalen Förderquerschnitt.

In beiden Fällen muß sichergestellt sein, dass alle vier Zahnräder soweit ineinander greifen, dass eine abhängige Rotation erhalten bleibt.

4.2 Doppelt verzahnte stufenlose Pumpe/Motor 4.2.1 (Zg. 8, 9)

Eine mechanisch besonders einfache Lösung zur Erzeugung einer stufenlos verstellbaren Pumpe bzw. eines stufenlos verstellbaren Motors ist eine Kombination aus einer innenverzahnten und einer außenverzahnten Pumpe.

Hierbei wird das in einer innenverzahnten Pumpe bekannte Füllstück durch die zwei ineinandergreifende Zahnräder 11 und 12 einer außenverzahnten Pumpe ersetzt, deren Modul dem der innenverzahnten Pumpe entspricht und deren Räder in die Räder der innenverzahnten Pumpe 9 und 10 eingreifen. Dies bedeutet, dass die inneren Zahnräder kleiner als üblich sein müssen, da nun drei Zahnräder in das Innenzahnrad 9 passen müssen.

Sind alle Räder gleich dick und in einer Ebene, so erfolgt trotz Rotation keine Fluidförderung. Dies ist jedoch nur bei der Funktion als Pumpe sinnvoll, da dies der Funktion einer Kupplung entspricht. In der Funktion als Motor entspricht dies einem Freilauf, wobei aber der Fluidstrom blockiert ist. Da dieser Zustand zudem unmittelbar nach Erreichen der maximal möglichen Fördergeschwindigkeit durch den Motor eintreten wird, sollte dies mechanisch verhindert werden.

4.2.2

Werden die beiden Zahnräder der außenverzahnten Pumpe 11 und 12 axial synchron verschoben und dabei auf einer Seite durch ein entsprechendes Passteil 13 ersetzt und auf der anderen Seite der Pumpe in ein übliches Pumpengehäuse 14 geschoben, so ergibt sich eine doppelte Pumpe. Eine als innenverzahnte, die Zweite als außenverzahnte.

4.2.3

Um Nebenwege zu vermeiden, wird auf den Wellen der Zahnräder 11 und 12 ein Dichtstück 15 montiert, welches den Hohlraum im Gehäuse 14 gegen den Fluidstrom abdichtet. Das Passteil 13 ist ebenfalls auf den Achsen der Räder 11 und 12 montiert und wird gegen das Gehäuse abgedichtet.

Der Fluidstrom erfolgt in vier Bereichen:

1. Zwischen dem Zahnrad 9 und dem Passteil 13
2. Zwischen dem Zahnrad 10 und dem Passteil 13
3. Zwischen dem Zahnrad 11 und dem Gehäuse 14
4. Zwischen dem Zahnrad 12 und dem Gehäuse 14

Bei maximal eingestelltem Förderquerschnitt müssen alle vier Zahnräder soweit ineinander greifen, dass die Kräfteübertragung sichergestellt bleibt. Als An- bzw. Abtrieb bietet sich die Welle des Zahnrades 10 an.

4.2.4

Diese Version ermöglicht es, durch einfaches Verschieben den Querschnitt der Pumpe und damit die Förderleistung oder den Druck stufenlos zu verändern. Zusätzlich ergibt sich eine einfache mechanische Konstruktion, da die verschiebbaren Teile leicht herzustellen sind, miteinander montiert und gemeinsam auswechselbar sind.

Da auch in dieser Ausbildung der Erfindung alle Teile formstabil, dauergeschmiert und beliebig skalierbar sind, sind für alle Anwendungen die passenden Lösungen berechenbar.

Claims

1. Hydraulische Innenzahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit stufenlos veränderbarem Förderquerschnitt, mit:
einem axial verschiebbarem Ritzel (2);
einem mit dem Ritzel (2) zusammenwirkenden Innenzahnrad (1);
einer auf der einen Seite der Pumpe angeordneten, mit einer Innenverzahnung versehenen Hülse (5);
einem auf der anderen Seite der Pumpe angeordneten Dichtungszahnrad (6);
einem in zwei Teile unterteilten Füllstück (3, 4), von denen eines verschiebbar ist.

2. Hydraulische Innenzahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Dichtungszahnrades (6) ein synchron mit dem Ritzel (2) verschiebbarer, nicht rotierender Zylinder (7) angeordnet ist.

3. Hydraulische Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit stufenlos veränderbarem Förderqerschnitt, mit:
einem Innenzahnrad (9);
drei außenverzahnten Zahnrädern (10, 11, 12), die innerhalb des Innenzahnrades (9) angeordnet sind;
einem Passteil (13), das axial synchron mit zwei Zahnrädern (11, 12) der außen verzahnten Pumpe verschiebbar ist und stirnseitig an den Zahnrädern (11, 12) anliegt.

4. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiebbaren Zahnräder (11, 12) in ein Pumpengehäuse (14) verschiebbar sind.