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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem Zahnsatz,
der einen Zahnring mit einer Innenverzahnung, deren Mantelfläche parallel zu
seiner Achse verläuft,
und ein Zahnrad mit einer Außenverzahnung,
deren Mantelfläche
parallel zu seiner Achse verläuft,
aufweist, wobei mindestens eine Zahnflanke eine Kante als axiales
Ende eines Abschnitts aufweist, die zwischen der Mantelfläche und
einer radial einwärts
gerichteten Fläche
angeordnet ist.
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Eine
derartige Maschine ist beispielsweise aus
EP 0 959 248 A2 bekannt.
Diese Maschine weist Ausnehmungen oder Vertiefungen auf, die beispielsweise
durch Fräsen
hergestellt werden können.
Sie sind auf beiden Zahnflanken eines jeden Zahnes der Außenverzahnung
des Zahnrads angeordnet und werden für eine sogenannte sekundäre Kommutierung
verwendet, bei der es zu einem Zeitpunkt kurz vor Erreichen eines
minimalen oder eines maximalen Volumens einer jeden Druckkammer
kurzzeitig eine Verbindung zu einer von den jeweils benachbarten Druckkammern
sichergestellt ist. Im Moment der Kommutierung wird dafür gesorgt,
daß keine
Verbindung zwischen der jeweiligen Druckkammer mit maximalem beziehungsweise
minimalem Volumen und den entsprechenden benachbarten Druckkammern besteht.
Damit soll ein stabilerer Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten
und hohen Drücken
erzielt werden. An den axialen Enden der Ausnehmungen und an den
Stirnkanten geht die Mantelfläche über Kanten
in Endflächen
der Ausnehmungen bzw. Stirnseite des Zahnrades über.
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Man
kann nun bei der derartigen Maschinen in einigen Bereichen des Zahnsatzes
Verschleißprobleme
beobachten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verschleiß zu verhindern.
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Diese
Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
daß eine
Kante in Radialrichtung gegenüber
der Mantelfläche
nach innen versetzt endet.
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Auch
ist von Vorteil, wenn in mindestens einer Flanke eine Ausnehmung
vorgesehen ist, die sich in Axialrichtung über eine vorbestimmte Länge erstreckt,
wobei die Ausnehmung an ihren axialen Enden jeweils eine Kante aufweist.
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Die
Mantelfläche
ist dabei die Fläche,
die die Verzahnung bildet. Die Mantelfläche erstreckt sich also sozu sagen
wellenförmig
um das Zahnrad herum bzw. innerhalb des Zahnringes. Sie definiert
Zähne und
Zahnzwischenräume.
Sie verläuft
zunächst
an jedem Punkt der Verzahnung parallel zur Achse von Zahnrad bzw.
Zahnring. Bisher wurde diese Mantelfläche nur von der Ausnehmung
unterbrochen. Diese Ausnehmung bewirkt, daß zwischen den beiden Verzahnungen
in bestimmten Relativstellungen von Zahnrad und Zahnring eine Verbindung
zwischen benachbarten Druckkammern erfolgt. Im bekannten Fall geht
die Ausnehmung durch eine Kante in die Mantelfläche über, wobei die Kante genau
in der Mantelfläche
liegt. Man hat nun festgestellt, daß die Verzahnung in Axialrichtung
beidseits der Ausnehmung durch einen erhöhten Druck belastet wird. Während sich
zwischen der Ausnehmung und der Stirnseite von Zahnrad bzw. Zahnring
die angreifende kraft auf einen relativ großen Bereich verteilen kann,
ist dies in der Nachbarschaft der Ausnehmung nicht möglich. Dort
konzentriert sich dann die gleiche Kraft auf einen in Axialrichtung
wesentlich kürzeren Bereich.
Man geht nun davon aus, daß diese
erhöhte Flächenpressung
zu dem vergrößerten Verschleiß führt. Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, daß man
die Kante nicht mehr in der Mantelfläche anordnet, sondern sie gegenüber der
Mantelfläche
nach innen versetzt. Dieser Versatz kann sehr klein sein. Er führt dazu,
daß die
erhöhte
Flächenpressung
aus der unmittelbaren Nachbarschaft der Ausnehmung herausgenommen
wird. Dies hat den Vorteil, daß die
axiale Endwand der Ausnehmung nur in einem geringeren Maße belastet
wird. Gerade dort besteht aber erhöht die Gefahr eines Verschleißes.
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Vorzugsweise
ist zwischen der Kante und der Mantelfläche eine stetige Übergangsfläche angeordnet.
Diese Übergangsfläche weist
also keine Stufen auf. Dies hat vorteilhafte Auswirkungen bei der Einleitung
der Anpreßkraft
in das Element des Zahnsatzes, das die mit einer Ausnehmung versehene Verzahnung
aufweist.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß die Übergangsfläche in Axialrichtung
eine konvexe, insbesondere elliptische, oder eine geradlinige Form aufweist.
Beide Ausgestaltungen bewirken, daß keine zusätzliche Kante entsteht, an
der wiederum eine erhöhte
Flächenpressung
auftreten könnte.
Bei einer konvexen Form der Übergangsfläche gibt
es strenggenommen keine "Kante" mehr, weil die Übergangsfläche hier
sozusagen "abgerundet" in die Mantelfläche übergeht.
In diesem Fall wird als Kante die Grenze zwischen der Übergangsfläche und
der Stirn- bzw. Endwand angesehen.
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Vorzugsweise
weist die Kante in Axialrichtung eine Entfernung im Bereich von
1 bis 3 mm zur Mantelfläche
auf. Der Übergangsbereich
ist also außerordentlich
kurz. Dies hat den vorteilhaften Effekt, daß es praktisch keine "Undichtigkeit" gibt.
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Auch
ist von Vorteil, daß die
Kante zumindest an der größten Tiefe
der Ausnehmung im Bereich von 0,01 bis 0,03 mm gegenüber der
Mantelfläche
radial nach innen versetzt ist. Wie oben bereits kurz erwähnt, ist
der Versatz der Kante radial nach innen außerordentlich klein. Er liegt
in der Größenordnung von
einem bis wenigen hundertstel Millimetern. Dies hat den Vorteil,
daß die
Druckspannung oder Flächenbelastung
sich auch noch in den Übergangsbereich
erstrecken können.
Anson sten besteht die Gefahr, daß man das Problem des Verschleißes einfach axial
nach außen
verschiebt.
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Vorzugsweise
ist ein Materialanteil zwischen der Mantelfläche und der Kante durch elektrolytmechanisches
Abgraten abgetragen. Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit,
einen weichen Übergang
zwischen der Vertiefung und der Mantelfläche zu erzeugen. Es wird nur
sehr wenig Material entfernt. Mit dem elektrolytmechanischen Abgraten
ist es möglich,
dieses Material während
der laufenden Produktion von Zahnrad oder Zahnring zu entfernen,
weil das elektrolytmechanische Abgraten nicht sehr lange dauert.
Schließlich
vermeidet man auch Schleifspuren oder Spuren einer sonstigen rein
mechanischen Materialentfernung, die sich ansonsten störend auf den
Betrieb der hydraulischen Maschine auswirken könnten.
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Vorzugsweise
weist die Zahnflanke an mindestens einer Stirnseite eine Endkante
auf, die gegenüber
der Mantelfläche
in Radialrichtung nach innen versetzt endet. An der Stirnseite besteht
im Grunde das gleiche Problem wie an dem Übergang zwischen der Mantelfläche und
der Ausnehmung. Auch an der Stirnseite kann man daher eine Übergangsfläche vorsehen,
die eine konvexe, insbesondere eine elliptische oder eine geradlinige
Form aufweist. Auch an der Steuerungssystem wird dann das Risiko
von Verschleiß vermindert.
In ähnlicher
Weise wie bei der Ausnehmung kann die Kante in Axialrichtung eine
Entfernung von 1 bis 3 mm zur Mantelfläche aufweisen und um wenige
hundertstel Millimeter radial nach innen versetzt sein.
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Besonders
bevorzugt ist hierbei, daß beide Stirnseiten
jeweils eine Endkante aufweisen, die gegenüber der Mantelfläche radial
nach innen versetzt endet. Wenn also beide Stirnseiten und beide
axialen Enden der Ausnehmung nicht unmittelbar mit einer Kante in
die Mantelfläche übergehen,
sondern diese Kante etwas radial nach innen versetzt ist, so daß sich eine Übergangsfläche ergibt,
werden die Verschleißerscheinungen
drastisch vermindert.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine hydraulische Maschine,
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2 einen
Schnitt II-II nach 1,
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Zahnrades,
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4 einen schematischen Schnitt entlang der
Linie IV-IV nach 3 und
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5 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit
V aus 4b
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Eine
in 1 dargestellte Maschine ist als Motor 1 ausgebildet,
der eine Ausgangswelle 2 aufweist. Die Ausgangswelle 2 ist
angetrieben durch ein Zahnrad 3, das eine Außenverzahnung 4 aufweist und
in einem Zahnring 5 rotiert und orbitiert, der eine Innenverzahnung 6 aufweist,
die durch Rollen 7 gebildet ist. Die Ausgangswelle 2 ist
mit dem Zahnrad 3 über
eine Kardanwelle 8 verbunden, die in eine entsprechend
passende Verzahnung 9 im Innern des Zahnrades 3 eingesteckt
ist.
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Auf
der der Kardanwelle 8 abgewandten Seite ist der aus Zahnrad 3 und
Zahnring 5 bestehende Zahnsatz durch eine Deckplatte 10 abgedeckt.
Auf der gegenüberliegenden
Seite ist der Zahnsatz durch eine Kanalplatte 11 abgedeckt,
die mit einer Ventilplatte 12 zusammenwirkt. Die Ventilplatte 12 steht
in Eingriff mit einer Verlängerung 13 der
Ausgangswelle 2, so daß sich
die Ventilplatte 12 synchron mit und in einer vorbestimmten
Winkelbeziehung zu dem Zahnrad 3 dreht.
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Die
Kanalplatte 11 und die Ventilplatte 12 bilden
zusammen eine Ventilanordnung, die die Versorgung von Druckkammern 14,
die zwischen Zahnrad und Zahnring 5 ausgebildet sind (2)
mit einer Anschlußanordnung 15 steuert,
von der lediglich ein Anschluß in 1 zu
erkennen ist. Die Anschlußanordnung 15 weist
einen Hochdruckanschluß auf,
an dem Hydraulikflüssigkeit
unter Druck in den Motor eingeschleust wird, und einen Niederdruckanschluß, durch den
Hydraulikflüssigkeit
aus dem Motor abfließen kann.
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Um
die Dichtigkeit zwischen der Ventilplatte 12 und der Kanalplatte 11 zu
gewährleisten,
ist eine Gleichgewichtsplatte 16 vorgesehen, die auf der
der Kanalplatte 11 gegenüberliegenden Seite der Ventilplatte 12 angeordnet
ist. Die Gleichgewichtsplatte 16 wird durch eine Druckfeder 17 in
Richtung auf die Ventilplatte 12 belastet. Dies sichert
die entsprechende Dichtigkeit zwi schen Kanalplatte 11 und
Ventilplatte 12 beim Start. Später wird dann die erforderliche Kraft
auf die Ventilplatte 12 durch einen Druck in einem Druckraum 18 sichergestellt,
in dem sich beim Betrieb des Motors ein entsprechender Öldruck aufbaut.
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Die
Kardanwelle 8 ist durch eine weitere Verzahnung 19 mit
der Ausgangswelle 2 verbunden. Ein Spiel ist weder bei
der Verzahnung 9 noch bei der Verzahnung 19 vollkommen
zu vermeiden. Insbesondere bei großen Belastungen ist es darüber hinaus auch
möglich,
daß sich
die Kardanwelle 8 verwindet. Die Summe dieser Erscheinungen
trägt nun
dazu bei, daß die
lagerichtige Versorgung der einzelnen Druckkammern 14 zwischen
dem Zahnring 5 und dem Zahnrad 3 relativ zur Ventilkommutierung
nicht mehr so gewährleistet
ist, wie dies an und für
sich erforderlich wäre.
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Probleme
treten vor allem dann auf, wenn das Volumen einer Druckkammer 14 seinen
maximalen Wert erreicht hat und die Druckkammer nach dem Durchlaufen
dieses maximalen Wertes beginnt, sich zu verkleinern. In diesem
Fall ist es erforderlich, daß eine
Verbindung zwischen dieser Druckkammer und dem Auslaß- oder
Niederdruckanschluß besteht.
Ist in diesem Moment die Druckkammer hingegen noch mit dem Hochdruckanschluß verbunden,
entstehen Druckstöße, die
sich negativ auf das Betriebsverhalten der Maschine auswirken. Dies
ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Fall. Das gleiche
Problem tritt auf, wenn das Volumen der Druckkammer 14 einen
Minimalwert durchlaufen hat und beginnt, sich zu vergrößern. In
diesem Fall ist eine Verbindung dieser Druckkammer mit dem Hochdruckanschluß erforderlich.
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Wenn
diese Druckkammer noch mit dem Niederdruckanschluß verbunden
ist, besteht die Gefahr von Kavitationserscheinungen. Probleme treten also
immer dann auf, wenn eine Druckkammer einen Extremwert ihres Volumens
annimmt.
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Um
diesen Problemen abzuhelfen, ist das Zahnrad 3, wie in 3 dargestellt,
mit Ausnehmungen 20 an den Flanken seiner die Außenverzahnung 4 bildenden
Zähne 21 versehen.
Die Ausnehmungen 20 sind dabei etwa in der axialen Mitte
des Zahnrades 3 angeordnet. Sie haben eine axiale Erstreckung im
Bereich von 2 bis 50 % der axialen Länge des Zahnrades 3.
Ihre Erstreckung in Umfangsrichtung wird im Zusammenhang mit den 4 bis 7 erläutert.
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Die
Ausnehmungen 20 dienen der sogenannten sekundären Kommutierung.
Sie stellen sicher, daß bis
zu einem Zeitpunkt kurz vor Erreichen eines minimalen oder eines
maximalen Volumens einer jeden Druckkammer außerhalb der Ventilanordnung
eine Verbindung zu den jeweils benachbarten Druckkammern 14 sichergestellt
ist. In Abhängigkeit von
der Erstreckung der Ausnehmungen 20 in Umlaufrichtung kann
auch dafür
gesorgt sein, daß ein Kurzschluß zwischen
benachbarten Druckkammern erzeugt wird, wenn eine Druckkammer einen
Extremwert ihres Volumens aufweist.
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4a zeigt
nun schematisch einen Schnitt durch das Zahnrad 3 im Bereich
eines Zahnes 21, genauer gesagt, durch eine Flanke des
Zahnes 21, in der die Ausnehmung 20 angeordnet
ist. Der Schnitt verläuft
dabei durch den Bereich der Ausnehmung 20, in der diese
ihre maximale Tiefe aufweist.
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Die
Ausnehmung 20 geht mit einer Kante 22, 23 in
die Mantelfläche 24 des
Zahnrades 3 über.
Die Mantelfläche
entspricht dabei der in 2 dargestellten Umrißlinie des
Zahnrades 3, die senkrecht zur Zeichenebene der 2 extrudiert
worden ist. Diese Mantelfläche 24 verläuft in jedem
Punkt in Umfangsrichtung parallel zur Achse des Zahnrades 3.
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Auch
an den beiden Stirnseiten des Zahnrades 3 ergeben sich
Kanten 25, 26, mit denen die Stirnseiten des Zahnrades 3 in
die Mantelfläche 24 übergehen.
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In 4a ist
nun durch eine Kurve 27 der Verlauf der Druckspannung in
den Berührungsbereichen
zwischen den Zähnen 21 des
Zahnrades 3 und den Rollensatz des Zahnringes 5 aufgetragen.
Es ist zu erkennen, daß die
Kurve 27 der Druckspannung in axialer Richtung weitgehend
konstant ist. Lediglich im Bereich der Kanten 22, 23 ergeben
sich Druckspannungsspitzen 28, 29. Im Bereich
der stirnseitigen Kanten 25, 26 ergeben sich kleinere
Druckspannungsspitzen 30, 31.
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Um
diese Spitzen 28-31 zu vermeiden, sind in der
in 4b dargestellten Ausführungsform die Kanten 22, 23 und 25, 26 gegenüber der
Mantelfläche 24 etwas
radial nach innen versetzt. Dabei ergibt sich beispielsweise zwischen
der Kante 22 und der Mantelfläche 24 eine Übergangsfläche 32,
die in 3 ebenfalls eingezeichnet ist. Bei den übrigen Kanten 23, 25, 26 ergeben
sich Übergangsflächen 33-35.
Diese Übergangsflächen 32-35 sind
in den 3 und 4b übertrieben groß dargestellt.
Ihre Dimensionierung ergibt sich aus der 5.
Die Übergangsfläche 32 in 5a weist
eine Erstreckung X in Axialrichtung auf, die im Bereich von 1 bis
3 mm liegt. Diese Abmessungen gelten für die Kanten 22, 23 im Bereich
der Ausnehmungen 20. Bei den Kanten 25, 26 kann
die axiale Erstreckung x wesentlich kleiner sein, beispielsweise
10 % bis 50 % der Erstreckung X an der Ausnehmung 20. In
radialer Richtung weist sie eine Erstreckung Y auf, die im Bereich
von 0,01 bis 0,03 mm liegt. Die Übergangsfläche 32 in 5a ist
als Gerade oder ebene Fläche
ausgebildet, d.h. sie ist stufenfrei. Der Übergang in die Mantelfläche 24 sollte
möglichst
auch abgerundet erfolgen, also ohne Kante, um keine neue Druckspannungsspitze
zu erzeugen. Die Übergangsfläche 32 weist
eine relativ geringe Steigung von etwa 1 % auf. Dadurch ist es möglich, daß sich die
Druckspannung gemäß Kurve 27' nach 4b in
die Übergangsfläche 32 hinein
erstreckt, so daß man
beim Übergang
von der Übergangsfläche 32 in
die Mantelfläche 24 keine
erhöhten Druckspannungen
bekommt, die wiederum einen Verschleiß zur Folge hätten.
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Die Übergangsfläche 32 nach 5a läßt sich
beispielsweise durch elektrolytmechanisches Abgraten fertigen. Bei
dieser Bearbeitung wird relativ wenig Material abgenommen. Dafür erfolgt
das Entfernen des Materials in einer relativ kurzen Zeit, so daß man diesen Bearbeitungsvorgang
durchaus in den Herstellungsvorgang des Zahnrades 3 integrieren
kann.
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5b zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
der Übergangsfläche 32,
die hier konkav gekrümmt
ist. Als beste Lösung
hat sich eine ellipsenförmige
Krümmung
erwiesen. Die Dimensionierung ist ähnlich wie in 5a,
d.h. die axiale Ausdehnung der Übergangsfläche 32 liegt
im Bereich von 1 bis 3 mm und die radiale Entfernung Y der Kante 22 von
der Mantelfläche 24 liegt
in der Größenordnung von
wenigen hundertstel Millimeter, beispielsweise 1/100 mm bis 3/100
Millimeter. In entsprechender Weise kann man natürlich auch die Übergangsbereiche 33, 34, 35 ausbilden,
so daß die
Druckspitzen 29-31 zuverlässig vermieden werden können. Es
hat sich herausgestellt, daß ein
so hergestelltes Zahnrad 3 wesentlich weniger Verschleiß zeigt
als ein Zahnrad 3 nach 4a, bei
dem die Kanten 22, 23, 25, 26 praktisch
in der Mantelfläche 24 liegen.
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Die
in 5a und 5b dargestellte
Entfernung Y der Kante 22 von der Mantelfläche 24 bezieht
sich etwa auf die umfangsmäßige Mitte
der Ausnehmung 20. Es liegt auf der Hand, daß man zu
den umfangsmäßigen Rändern der
Vertiefung 20 auch noch geringere Abstände zulassen kann, ohne daß hierdurch
die Spannungsverminderung in Frage gestellt wird. Allerdings sollte
die radiale Verlagerung der Kanten 22, 23 relativ
zur Umfangsfläche
die gesamte Breite der Ausnehmung 20 in Umfangsrichtung
abdecken. Die Breite (in Umfangsrichtung) der radial zurückgesetzten
Kanten 25, 26 ist genauso groß.