DE102005058911B3 - Hydraulische Maschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine hydraulische Maschine angegeben mit einem Außenzähne aufweisenden Zahnrad und einem Innenzähne aufweisenden Zahnring, wobei die Innenzähne durch Rollen gebildet sind, die jeweils in einer Tasche (8) im Zahnring gelagert sind, und das Zahnrad mit den Innenzähnen Druckkammern bildet. Man möchte bei einer derartigen Maschine den Verschleiß klein halten. Hierzu ist vorgesehen, dass jede Tasche (8) mindestens zwei unterschiedliche Radien (R1, R2, Rn) aufweist, wobei ein Radius (R2, Rn) mit einer kleineren Entfernung zum Rand (12) der Tasche (8) größer ist als ein Radius (R1) mit einer größeren Entfernung zum gleichen Rand (12) der Tasche (8).

Description

• Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem Außenzähne aufweisenden Zahnrad und einem Innenzähne aufweisenden Zahnring, wobei die Innenzähne durch Rollen gebildet sind, die jeweils in einer Tasche im Zahnring gelagert sind, und das Zahnrad mit den Innenzähnen Druckkammern bildet.
• Eine derartige hydraulische Maschine ist beispielsweise aus US 3 915 603 bekannt. Das Zahnrad rotiert und orbitiert im Betrieb. Zwischen den Rollen und dem Zahnrad werden Drucktaschen gebildet, von denen etwa eine Hälfte mit Hydraulikflüssigkeit unter einem höheren Druck und die verbleibende Hälfte mit Hydraulikflüssigkeit unter einem niedrigeren Druck gefüllt sind. Die Berührungsstellen zwischen den Rollen und dem Zahnrad müssen insbesondere an zwei Positionen abdichten, nämlich bei der Trennung zwischen den Hochdruck-Taschen und den Niederdruck-Taschen.
• Eine Rolle, die zusammen mit der Spitze eines Zahns des Zahnrades eine Grenze zwischen Hockdruck und Niederdruck bildet, ist einer besonderen Belastung ausgesetzt. Diese Rolle wird nicht nur durch das Zahnrad in die Tasche hineingedrückt, sondern der Druck auf der Hochdruckseite bewirkt, daß die Rolle sozusagen in Umfangsrichtung aus ihrer Tasche herausgedrückt wird. In dieser Situation wird die Berührungsfläche zwischen der Rolle und der Tasche verringert, so daß eine höhere Pressung auf die Rolle wirkt. Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn sich die Rolle praktisch nur noch an der Kante abstützt, die die Tasche in Umfangsrichtung begrenzt. Dies kann unter ungünstigen Umständen dazu führen, daß die Kante einen Abdruck in der Rolle hinterläßt. Gerade diese Rolle neigt dazu, stillzustehen, während alle anderen Rollen, die belastet sind, normalerweise rotieren. Wenn die Rolle stillsteht, gibt es keinen rollenden Kontakt mehr zwischen Zahnrad und Rolle, und der Verschleiß dieser Komponenten wird unverhältnismäßig groß. In den meisten Fällen ergibt sich auch ohne einen derartigen Abdruck ein erheblicher Verschleiß entweder der Kante der Tasche oder der Rolle. Dieser Verschleiß verschlechtert die Dichtigkeit der Maschine und damit den Wirkungsgrad und auch die Lebensdauer.
• Man hat in der obengenannten US 3 915 603 versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß man die Tasche mit einem größeren Radius ausbildet als die Rolle, so daß die Rolle in bestimmten Situationen dem Druck auswei chen kann. Dies wiederum führt aber dazu, daß die Berührungsstelle zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich nicht unbedingt dicht ist, was zu inneren Leckagen führen kann. Um diese Leckagen zu vermeiden, sind aufwendige Druckzuführmaßnahmen in die Tasche erforderlich.
• Auch in US 3 930 766 hat man die Taschen mit einem größeren Radius als die Rolle ausgebildet, was wiederum Dichtigkeitsprobleme nach sich zieht.
• US 4 008 015 zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Tasche wiederum einen größeren Radius als die Kugel hat. Um den Radien-Unterschied auszugleichen, ist die Tasche mit einer Füllung ausgekleidet, die durch ein poröses Material gebildet ist. Dieses poröse Material kann Hydraulikflüssigkeit aufnehmen und so zu einer verbesserten Schmierung beitragen.
• DE 27 32 086 A1 zeigt eine weitere hydraulische Maschine, bei der die Innenzähne des Zahnringes durch Rollen gebildet sind. Diese Rollen sind in Vertiefungen gelagert. Zwischen einander benachbarten Vertiefungen weist der Zahnring Kerben auf, so daß die Wände der Ausnehmungen, die die Rollen aufnehmen, im Betrieb elastisch verformbar sind.
• DE 24 21 304 A1 zeigt eine Rotationskolbenmaschine, deren Zahnring Innenzähne aufweist, die als Rollen ausgebildet sind. Die Rollen sind dabei in Kammern gelagert. In den Wänden der Kammern sind Dichtelemente in Ausnehmungen eingesetzt, die dichtend gegen die entsprechende Rolle anliegen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verschleiß in einer hydraulischen Maschine klein zu halten.
• Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jede Tasche mindestens zwei unterschiedliche Radien aufweist, wobei ein Radius mit einer kleineren Entfernung zum Rand der Tasche größer ist als ein Radius mit einer größeren Entfernung zum gleichen Rand der Tasche.
• Mit dieser Ausgestaltung kann man in einem mittleren Bereich der Tasche den Radius der Tasche genauso groß machen wie den Radius der Rolle, wobei lediglich ein gewisses Spiel vorgesehen ist, um sicherzustellen, daß die Rolle ungehindert drehen kann. Dieses Spiel ist aber sehr klein und liegt in einer Größenordnung von beispielsweise 2 bis 3 Hundertstel Millimeter. Solange die Rolle also im wesentlichen mittig in die Tasche hineingedrückt wird, ergibt sich durch die Übereinstimmung der Radien von Tasche und Rolle eine hervorragende Dichtigkeit. Die entsprechende Kraftbeaufschlagung der Rolle, also eine Kraftbeaufschlagung in die Tasche hinein, ist aber beim größten Teil des Umlaufs des Zahnrades aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse ohnehin vorhanden. Die innere Dichtigkeit der Maschine bleibt also praktisch unverändert erhalten. Wenn die Rolle hingegen einer Kraft ausgesetzt wird, bei der sie seitlich verdrängt wird, dann kann sie zum größeren Radius der Tasche hin ausweichen. In dieser Ausweichposition sieht sich die Rolle dann einem Flächenbereich mit großem Radius gegenüber, bei dem zunächst die Flächenpressung zwischen dem Zahnring und der Rolle geringer ist als beim Auftreffen der Rolle auf eine Kante. Durch die Ausweichbewegung ist auch eine Möglichkeit geschaffen, daß die auf die Rolle wirkenden Kräfte absinken, so daß auch dadurch die Belastung der Rolle verringert wird.
• Vorzugsweise gehen die Radien von unterschiedlichen Achsen aus. Damit ist es auf einfache Weise möglich, die Oberfläche der Tasche, an der die Rolle anliegt, kontinuierlich zu gestalten. Mit anderen Worten gibt es keine Ecke und keinen Sprung in der Oberfläche der Tasche, so daß sich die Rolle in der Tasche beim Auftreten entsprechender Kräfte frei bewegen kann, ohne daß ihre Bewegung gestört wird.
• Vorzugsweise liegen die Achsen auf einer Kreislinie. Dies ist eine besonders einfache Ausgestaltung der Verschiebung der Achsen insbesondere dann, wenn man mehr als zwei Radien innerhalb der Tasche verwendet.
• Bevorzugterweise entspricht ein Radius in der Mitte der Tasche dem Radius der Rolle. Dies ergibt die beste Dichtigkeit. Dabei ist keine exakte Übereinstimmung der Radien erforderlich. Die Radien sind annähernd gleich groß, um die Dichtigkeit zu bewirken.
• Vorzugsweise weist die Tasche bezüglich ihrer Mittelebene in Umfangsrichtung zwei spiegelsymmetrisch gleiche Hälften auf. Die Maschine kann dann in beiden Rotationsrichtungen in gleicher Weise betrieben werden. Die Fertigung wird vereinfacht.
• Vorzugsweise weist ein mittlerer Umfangsabschnitt der Tasche einen konstanten Radius auf. In diesem Fall liegt die Rolle bei einer Belastung radial nach außen nicht nur an einer Linie an dem Zahnring an, sondern über einen gewissen Flächenbereich. Dies verbessert die Dichtigkeit, weil die Dichtzone in Umfangsrichtung vergrößert wird.
• Bevorzugterweise weist der mittlere Umfangsabschnitt eine Erstreckung im Bereich von ± 30° bis 60° auf. Wenn man davon ausgeht, daß die Tasche in Umfangsrichtung eine Erstreckung von mehr als 180°, also bezogen auf die Mittelebene in Umfangsrichtung von ± 90°, aufweist, dann hat man etwa ein Drittel bis die Hälfte dieses Bereichs mit einem konstanten Radius, der vom gleichen Mittelpunkt ausgeht, versehen, so daß hier eine ent sprechend große Dichtlänge geschaffen wird. Der verbleibende Rest der Tasche reicht aus, um der Rolle die notwendige Ausweichbewegung zu erlauben.
• Vorzugsweise weist die Tasche an ihre Ränder anschließend jeweils eine ebene Fläche auf. Dies vermindert das Risiko weiter, daß die Rolle mit der Kante der Tasche in Berührung kommt.
• Vorzugsweise liegt eine innere Grenze der ebenen Fläche auf einem von der Achse des größten Radius ausgehenden ersten Radialstrahl, der mit einem zweiten Radialstrahl, der auf einer die Tasche halbierenden Mittelebene senkrecht steht, einen ersten Winkel im Bereich von 1° bis 6° einschließt. Mit anderen Worten beginnt die ebene Fläche noch innerhalb eines "Halbkreises", den die Tasche beschreibt. Dies reicht für die Bewegung der Rolle innerhalb der Tasche aus.
• Vorzugsweise schließt die ebene Fläche mit der die Tasche halbierenden Mittelebene einen zweiten Winkel im Bereich von 1° bis 6° ein. Die ebene Fläche ist also etwas nach außen geneigt.
• Vorzugsweise sind der erste Winkel und der zweite Winkel gleich groß. Dies vereinfacht die Fertigung.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
• 1 eine schematische Querschnittsansicht einer hydraulischen Maschine,
• 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Tasche und
• 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer abgewandelten Tasche.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung eine hydraulische Maschine 1 im Querschnitt, genauer gesagt einen Verdrängerabschnitt der hydraulischen Maschine 1. Die Maschine 1 weist ein Zahnrad 2 auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel acht Außenzähne 3 aufweist. Um die Außenzähne 3 unterscheidbar zu machen, sind sie mit den Buchstaben a-h markiert. Das Zahnrad 2 ist innerhalb eines Zahnringes 4 angeordnet, der neun Innenzähne 5 in Form von Rollen A-I aufweist. Der Zahnring 4 hat also einen Innenzahn 5 mehr als das Zahnrad 2 Außenzähne 3 hat.
• Im Betrieb rotiert und orbitiert das Zahnrad 2 innerhalb des Zahnringes 4 in an sich bekannter Weise. Dabei liegt das Zahnrad 2, solange kein Druck herrscht, an allen Innenzähnen 5 an. Sobald der Betriebsdruck herrscht, ergibt sich eine dichtende Anlage allerdings prinzipiell nur an zwei Positionen, die eine Trennung zwischen einem Niederdruckbereich 6 und einem Hochdruckbereich 7 bewirken. Der Hochdruckbereich 7 ist aus Gründen der Anschaulichkeit schraffiert dargestellt.
• Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Dichtung bei der dargestellten Position des Zahnrades 2 im Zahnring 4 erforderlich zwischen dem Innenzahn A und einem Bereich des Zahnrades 2 zwischen den Außenzähnen a und h. Auf einer etwa gegenüberliegenden Seite ist die Dichtung erforderlich zwischen der Spitze des Außenzahns e und der Spitze des Innenzahns F.
• Wenn die Maschine 1 als Motor verwendet wird, dann wird der Hochdruckbereich 7 mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck versorgt. In diesem Fall führt der Druck im Hochdruckbereich 7 dazu, daß sich das Zahnrad 2 dreht und gleichzeitig im Zahnring 4 orbitiert. Wird die Maschine 1 als Pumpe eingesetzt, dann wird das Zahnrad 2 von außen angetrieben und verdrängt Hydraulikflüssigkeit unter Druck aus dem Hochdruckbereich 7.
• Die Innenzähne 5 sind wie oben erwähnt, durch Rollen A-I gebildet, die in Taschen 8 drehbar gelagert sind. Um die nachfolgende Erläuterung zu erleichtern, sind schematisch Druckbereiche 9 eingezeichnet, in denen die größte Flächenpressung herrscht, wenn die Rollen A-F in die Taschen 8 gedrückt werden. Pfeile 10 geben schematisch die Richtung und die Stärke an, mit denen das Zahnrad 2 auf die Rollen A-F wirkt. Diese Kräfte beinhalten auch die Wirkung des hydraulischen Drucks aus dem Hochdruckbereich 7. Statisch und ideal, d.h. ohne Reibung, ist die Summe aller Kontaktkräfte (Pfeile 10) gleich der hydraulischen Kraft am Zahnrad.
• Die Rolle F ist durch den Druck im Hochdruckbereich 7 in besonderem Maße in Richtung eines Pfeiles 11 belastet. Die Rolle F ist die Rolle, die kurz vor einem Dichtungs- oder Lastwechsel steht. Bei einer Weiterdrehung des Zahnrades 2 gegenüber dem Zahnring 4 wird die Grenze zwischen dem Niederdruckbereich 6 und dem Hochdruckbereich 7 auf eine andere Rolle übergehen.
• Die durch den Druck im Hochdruckbereich 7 ausgeübte Kraft (Pfeil 11) auf die Rolle F führt dazu, daß die Rolle F aus ihrer Tasche 8 herausgedrängt wird. Dabei besteht die Gefahr, daß die Rolle F in Kontakt mit einer Kante 12 kommt, mit der die Tasche 8 in die Innenwand 13 des Zahnringes 4 übergeht. Dabei könnte sich die Kante 12 in den Umfang der Rolle F einprägen. Auch neigt diese Rolle dazu, zu blockieren, während alle anderen Rollen drehen. Wenn die Rolle F steht, gibt es keinen rollenden Kontakt zwischen Zahnrad 2 und Rolle F, und der Verschleiß von Zahnrad 2 und Rolle F wird unverhältnismäßig groß. Auf jeden Fall ergibt sich ein erhöhter Verschleiß der Taschenkante und/oder der Rolle F. Da letztendlich bei allen Rollen A-I diese Situation auftreten kann, ergibt sich ein Verschleiß aller Rollen A-I. Der Verschleiß vermindert die Lebensdauer und auch den Wirkungsgrad.
• Um diesem Problem zu begegnen, wird nun die Tasche 8 mit einer besonderen Ausgestaltung versehen, die anhand der 2 erläutert werden soll.
• Dargestellt ist eine Tasche 8, die über die Kante 12 in die Innenwand 13 des Zahnringes 4 übergeht.
• Um die nachfolgende Erläuterung zu vereinfachen, ist eine Mittelebene 14 eingezeichnet, die die Tasche 8 in Umfangsrichtung halbiert. Auf der Ebene senkrecht steht ein Radialstrahl 15.
• Die Tasche 8 weist in einem mittleren Bereich, der sich ausgehend von der Mittelebene 14 in einem Bereich von ± 30° bis 60° erstreckt, einen Radius R1 auf. Dieser Radius R1 entspricht im wesentlichen dem Radius der Rollen A-I. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Tasche 8 einen Radius R1 in einem Winkelbereich von –45° bis + 45°, bezogen auf die Mittelebene 14. Der Radius R1 geht dabei von einer Mittellinie 16 aus, die auf der Ebene 14 liegt.
• An den ersten Bereich (Winkel α) schließt sich ein zweiter Bereich an, der sich über einen Winkel β erstreckt. In diesem Bereich (Winkel β) hat die Tasche einen Radius R2, der größer ist als der Radius R1. Dieser Radius R2 geht von einer Mittellinie 17 aus, die gegenüber der Mittellinie 16 versetzt ist und zwar entlang einer Trennebene 18, die den ersten Bereich (Winkel α) vom zweiten Bereich (Winkel β) trennt. Die Mittellinie 17 befindet sich also nicht mehr auf der Mittelebene 14.
• Durch den Versatz der Mittellinien der beiden Radien R1, R2 wird erreicht, daß die Tasche 8 beim Übergang der einzelnen Zylindermantelflächen, die durch die Radien R1 und R2 definiert werden, keine Stufe bzw. keinen Knick zeigt. Der Übergang erfolgt also "weich", so daß ein glattes Abrollen der Rollen A-I in der Tasche 8 gewährleistet ist.
• Der zweite Bereich (Winkel β) erstreckt sich nicht ganz bis zu dem Radialstrahl 15, der auf der Mittelebene 14 senkrecht steht. Der zweite Bereich endet in einer Entfernung vor diesem Radialstrahl 15, der durch einen Winkel γ definiert ist. Der Winkel γ hat eine Größenordnung im Bereich von 1° bis 6°. Der zweite Bereich (Winkel β) endet also an einem Radialstrahl 19. An diesen Radialstrahl 19 schließt sich in Umfangsrichtung eine ebene Fläche 20 an, die mit der Mittelebene 14 einen Winkel δ einschließt. Der Winkel δ hat eine Größe im Bereich von 1° bis 6°. Er ist vorzugsweise genauso groß wie der Winkel γ. Zur Verdeutlichung der Verhältnisse ist eine Gerade 22 eingezeichnet, die parallel zur Mittelebene 14 verläuft.
• Bei einem Zahnring 4, dessen Innenradius ca. 31 mm beträgt, hat der Radius R1 einen Wert von etwa 8 mm und der Radius R2 einen Wert von etwa 9,3 mm. Der Winkel α beträgt 45°. Der Winkel β beträgt 42°. Der Winkel γ und der Winkel δ betragen jeweils 3°.
• 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der sich der Radius der Tasche 8 stetig von einem Radius R1 bis zu einem Radius Rn vergrößert. Die Radien gehen aus von Mittellinien, die alle auf einer Kreislinie 21 liegen. Auch hier entspricht der Radius R1 in der Mittelebene 14 dem Radius der Rollen A-I. Der größte Radius Rn ist dann um etwa 10 bis 20 % größer als der Radius R1.
• Von der dargestellten Radienverteilung kann in vielerlei Hinsicht abgewichen werden. Man kann, wie in 2 dargestellt, zwei Bereiche der Tasche in jeder Hälfte vorsehen, die unterschiedliche Radien R1, R2 aufweisen. Natürlich kann man auch mehr als die zwei dargestellten Bereiche pro Tasche verwenden, wobei die Radien zur Kante 12 hin größer werden. Man kann, wie in 3 dargestellt, eine kontinuierliche Vergrößerung der Ra dien vornehmen. Man kann auch beide Möglichkeiten miteinander kombinieren, d.h. in der Umgebung der Ebene 14 einen Bereich mit einem konstanten Radius vorsehen und dann etwas weiter außerhalb die Radien kontinuierlich vergrößern lassen.
• In jedem Fall erreicht man mit einer derartigen Ausgestaltung, daß ein mittlerer Bereich der Tasche 8 mit der Rolle A-I eine hervorragende Dichtung bietet, wobei gleichzeitig eine Ausweichbewegung der Rolle zugelassen ist, um einen übermäßigen Verschleiß zu vermeiden.
• Wie oben erwähnt, sollte der Kontaktpunkt der Rolle mit der Tasche 8 nie über eine Ebene hinauswandern, die durch den Radialstrahl 19 definiert ist. Es ist daher im Prinzip unerheblich, wie die Verbindung zwischen dem Ende des gekrümmten Bereichs am Radialstrahl 19 und der Kante 12 ausgebildet ist. Wenn diese Verbindung jedoch tangential zur Krümmung ausgerichtet ist, wie die ebene Fläche 20, dann wird die Anordnung auch gegen ein Überschreiten des Radialstrahls 19 durch die Rolle tolerant. Die Kante 12 wird aus praktischen Gründen vielfach abgerundet oder abgeschrägt sein.

Claims (11)

1. Hydraulische Maschine mit einem Außenzähne aufweisenden Zahnrad und einem Innenzähne aufweisenden Zahnring, wobei die Innenzähne durch Rollen gebildet sind, die jeweils in einer Tasche im Zahnring gelagert sind, und das Zahnrad mit den Innenzähnen Druckkammern bildet, dadurch gekennzeichnet, daß jede Tasche (8) mindestens zwei unterschiedliche Radien (R1, R2, Rn) aufweist, wobei ein Radius (R2, Rn) mit einer kleineren Entfernung zum Rand (12) der Tasche (8) größer ist als ein Radius (R1) mit einer größeren Entfernung zum gleichen Rand (12) der Tasche (8).
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien (R1, R2, Rn) von unterschiedlichen Achsen (16, 17) ausgehen.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (16, 17) auf einer Kreislinie (21) liegen.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Radius (R1) in der Mitte der Tasche (8) dem Radius der Rolle (A-I) entspricht.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasche (8) bezüglich ihrer Mittelebene (14) in Umfangsrichtung zwei spiegelsymmetrisch gleiche Hälften aufweist.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Umfangsabschnitt (α) der Tasche (8) einen konstanten Radius (R1) aufweist.
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Umfangsabschnitt (α) eine Erstreckung im Bereich von ± 30° bis 60° aufweist.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasche (8) an ihre Ränder anschließend jeweils eine ebene Fläche (20) aufweist.
9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Grenze der ebenen Fläche (20) auf einem von der Achse (17) des größten Radius (R2) ausgehenden ersten Radialstrahl (19) liegt, der mit einem zweiten Radialstrahl (15), der auf einer die Tasche (8) halbierenden Mittelebene (14) senkrecht steht, einen ersten Winkel (γ) im Bereich von 1° bis 6° einschließt.
10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Fläche (20) mit der die Tasche halbierenden Mittelebene (14) einen zweiten Winkel (δ) im Bereich von 1° bis 6° einschließt.
11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel (γ) und der zweite Winkel (δ) gleich groß sind.