DE102006047312A1 - Hydraulische Maschine - Google Patents

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Abstract

Es wird eine hydraulische Maschine angegeben mit einem außen verzahnten Zahnrad (3) und einem innen verzahnten Zahnring, wobei das Zahnrad (3) und der Zahnring miteinander Drucktaschen bilden, die sich im Betrieb vergrößern und verkleinern, und das Zahnrad (3) Ausnehmungen (22-25) aufweist, die Teil einer Sekundärsteuerung bilden. Man möchte das Betriebsverhalten der Maschine auf einfache Weise verschleißarm gestalten. Hierzu ist vorgesehen, daß das Zahnrad (3) als gesintertes Element mit eingesinterten Ausnehmungen (22-25) gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem außen verzahnten Zahnrad und einem innen verzahnten Zahnring, wobei das Zahnrad und der Zahnring miteinander Drucktaschen bilden, die sich im Betrieb vergrößern und verkleinern, und das Zahnrad Ausnehmungen aufweist, die Teile einer Sekundärsteuerung bilden.
  • Eine derartige hydraulische Maschine ist beispielsweise aus DE 102 09 672 B3 bekannt. Die Ausnehmungen bilden dann, wenn eine Druckkammer ihr größtes oder ihr kleinstes Volumen aufweist, einen Kurzschluß mit der benachbarten Druckkammer. Dadurch ist es möglich, Druckspitzen in den Druckkammern zu vermeiden, die sich negativ auf die Lebensdauer der Maschine auswirken könnten.
  • DE 102 00 968 C1 zeigt einen Hydraulikmotor, bei dem ebenfalls eine sekundäre Kommutierung oder Sekundärsteuerung vorgesehen ist. Das Zahnrad weist in einer seiner Stirnseiten Taschen auf, die mit einem dem Zahnsatz aus Zahnrad und Zahnring benachbart angeordneten Motorelement zusammenwirken. Auch hier werden Druckspitzen vermieden, die sich ergeben können, wenn eine Drucktasche ihr kleinstes oder größtes Volumen aufweist, das zugeordnete Ventil aufgrund einer ungenauen Fertigung oder eines nicht zu vermeidenden Spiels aber die entsprechende Drucksteuerung noch nicht bewirken kann.
  • Diese sogenannte sekundäre Kommutierung hat sich in vielen hydraulischen Maschinen bewährt. Sie setzt aber eine relativ genaue Fertigung voraus. Nach dem Herstellen des Zahnrades, das an sich bereits schon relativ kompliziert ist, weil ein Werkzeug bestimmte Kurven nachfahren muß, muß das Zahnrad in eine weitere Bearbeitungsmaschine eingelegt werden, beispielsweise eine Fräsmaschine, um die Ausnehmungen zu erzeugen. Dabei lassen sich mit vertretbarem Aufwand Einspannfehler oder sonstige Ungenauigkeiten praktisch nicht vermeiden. Wenn die Ausnehmungen, die die sekundäre Kommutierung bilden, nicht genau an der vorgesehenen Position liegen, dann können sie die Druckspitzen nicht mit der notwendigen Zuverlässigkeit vermeiden. Dieses Problem kann man zwar dadurch umgehen, daß man die Ausnehmungen so groß macht, daß sie die Druckspitzen auch dann vermeiden können, wenn die Ausnehmungen nicht genau genug positioniert sind. Da damit aber eine gewisse innere Leckage verbunden ist, wird diese Lösung nur ungern gewählt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten auf einfache Weise verschleißarm zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Zahnrad als gesintertes Element mit eingesinterten Ausnehmungen gebildet ist.
  • Mit Hilfe eines Sinterprozesses lassen sich Bauelemente mit einer relativ hohen Genauigkeit herstellen. Hierzu ist es lediglich erforderlich, daß die zum Sintern verwendete Form die gewünschte Genauigkeit aufweist. Dementsprechend wird die Herstellung des Zahnrades, die mit einer hohen Genauigkeit möglich ist, vereinfacht, weil keine oder nur wenige spanabhebenden Prozesse mehr erforderlich sind. Darüber hinaus kann man beim Herstellen des Zahnrades praktisch ohne zusätzlichen Aufwand die gesinterten Ausnehmungen gleich mit fertigen. Hierzu sind dann in der Form, die zum Sintern verwendet wird, nur entsprechende Vorsprünge erforderlich. Zum Herstellen dieser Ausnehmungen sind also keine weiteren Bearbeitungsschritte mehr erforderlich. Dies hat den Vorteil, daß durch eine Abfolge von Bearbeitungsschritten keine weiteren Fehler entstehen können. Insbesondere können keine Einspannfehler entstehen, die die Lage oder Position der Ausnehmungen verändern könnte. Die Lage der Ausnehmungen ist also durch die Herstellung des Sintervorgangs sehr genau festgelegt. Man kann dementsprechend die sekundäre Kommutierung im Betrieb sehr genau durchführen und dabei größere innere Leckagen vermeiden.
  • Vorzugsweise weist das Zahnrad eine Sinteroberfläche auf, die sich in den Ausnehmungen fortsetzt. Wenn man das Zahnrad aus der zum Sintern verwendeten Form entnimmt, dann ist es mit den Ausnehmungen fertig hergestellt. Eine weitere Bearbeitung, etwa ein Schleifen, Fräsen oder Abdrehen, ist nicht erforderlich. Dies hat große Vorteile, nicht nur beim Herstellen, sondern auch im Betrieb, weil die beim Sintern in den Ausnehmungen erzielte Oberflächengüte ausreicht, um ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten zu erreichen.
  • Vorzugsweise gehen die Ausnehmungen von mindestens einer Stirnseite des Zahnrades aus. Dies erleichtert die Herstellung. Man kann eine Form verwenden, aus der das Zahnrad mit einer gradlinigen Bewegung entnommen werden kann. Es sind keine beweglichen Elemente der Form erforderlich, um die Ausnehmungen zu erzeugen.
  • Vorzugsweise weisen die Ausnehmungen Wände auf, die parallel zur Achse des Zahnrades verlaufen. Auch dies erleichtert die Herstellung des Zahnrades. Man kann das Zahnrad mit einer achsparallelen aus der zum Sintern verwendeten Form entnehmen.
  • Bevorzugterweise öffnen sich die Ausnehmungen zur Umfangsfläche des Zahnrades hin. Die sekundäre Kommutierung erfolgt also zwischen dem Zahnrad und dem Zahnring.
  • Vorzugsweise sind an beiden Stirnseiten Ausnehmungen angeordnet. Damit kann man dafür sorgen, daß bei der sekundären Kommutierung die auf das Zahnrad wirkenden Kräfte an beiden axialen Enden des Zahnrades miteinan der im Gleichgewicht stehen. Kippmomente zwischen dem Zahnrad und dem Zahnring, die zu einem Verschleiß führen könnten, werden vermieden.
  • Bevorzugterweise weist das Zahnrad eine Innenverzahnung auf, die aus Sintermaterial gebildet ist. Die Verzahnung wird also ebenfalls bei der Herstellung des Zahnrades gleich miterzeugt. Dies vereinfacht den Herstellungsvorgang weiter. Die Verzahnung kann mit einer relativ hohen Genauigkeit erzeugt werden, so daß später ein Spiel zwischen der Innenverzahnung und einer Außenverzahnung an einer damit in Eingriff stehenden Welle klein gehalten werden kann.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades einer hydraulischen Maschine mit Ausnehmungen, die Teil einer Sekundärsteuerung bilden, bei dem man das Zahnrad durch Sintern erzeugt und beim Sintern die Ausnehmungen erzeugt.
  • Wie oben im Zusammenhang mit der hydraulischen Maschine erwähnt, ist es möglich, durch einen Sinterprozeß das Zahnrad mit einer relativ hohen Genauigkeit herzustellen. Gleichzeitig können die Ausnehmungen im Zahnrad bereits hergestellt werden, so daß die Ausnehmungen im Zahnrad mit hoher Genauigkeit positioniert werden können, ohne daß weitere Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Damit entfällt das Risiko von Umspann- oder Einspannfehlern.
  • Vorzugsweise erzeugt man die Ausnehmungen in mindestens einer Stirnseite. Dies erleichtert die Formgebung. Man kann das Zahnrad dann durch eine achsparallele Bewegung aus der zum Sintern verwendeten Form entnehmen.
  • Auch ist von Vorteil, daß man die Ausnehmungen bis zur Umfangsfläche führt. Auch dies macht die Gestaltung der zum Sintern verwendeten Form relativ einfach. Die Vorsprünge, die zum Herstellen der Ausnehmungen verwendet werden, können zweiseitig abgestützt werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Zahnrad für eine hydraulische Maschine, das Ausnehmungen aufweist, die Teile einer Sekundärsteuerung der hydraulischen Maschine bilden, wobei das Zahnrad als gesintertes Element gebildet ist und die Ausnehmungen eingesintert sind.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt durch eine hydraulische Maschine,
  • 2 einen Schnitt II-II nach 1,
  • 3 eine perspektivische Darstellung eines Zahnrades und
  • 4 eine perspektivische Darstellung des Zahnrades nach 3 aus einem anderen Blickwinkel.
  • Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer hydraulischen Maschine erläutert, die als Motor 1 ausge bildet ist. Man kann eine derartige Maschine in der Regel aber auch als Pumpe verwenden.
  • Der Motor 1 weist eine Ausgangswelle 2 auf, die durch ein Zahnrad 3 angetrieben ist, das eine Außenverzahnung 4 (2) aufweist. Das Zahnrad rotiert und orbitiert in einem Zahnring 5, 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 Inneren des Zahnrades 3 eingesteckt ist.
  • Die Kardanwelle 8 ragt auf einer Seite aus dem Zahnrad 3 heraus. Auf der gegenüber liegenden Seite ist eine Deckplatte 10 angeordnet, die das Zahnrad 3 und den Zahnring überdeckt. Die Kardanwelle durchragt eine Kanalplatte 11, 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.
  • Die Kanalplatte 11 und die Ventilplatte 12 bilden zusammen eine Ventilanordnung, die die Versorgung von Druckkammern 14 steuert, die zwischen der Innenverzahnung 6 des Zahnringes 5 und der Außenverzahnung 4 des Zahnrades 3 gebildet sind. Die Versorgung mit Hydraulikflüssigkeit erfolgt über eine Anschlußanordnung 15, die in nicht näher dargestellter Weise einen Hochdruckanschluß und einen Niederdruckanschluß aufweist.
  • Ein Gleichgewichtsplatte 16 sorgt für eine Dichtigkeit zwischen der Ventilplatte 12 und der Kanalplatte 11.
  • Die Gleichgewichtsplatte 16 wird dabei durch eine Druckfeder 17 in Richtung auf die Ventilplatte 12 belastet. Zusätzlich wirkt im Betrieb der Druck in einem Druckraum 18 auf die Ventilplatte 12.
  • Die Kardanwelle 8 ist durch eine Verzahnung 19 mit der Ausgangswelle 2 verbunden. Weder diese Verzahnung 19 noch die Verzahnung 9, über die die Kardanwelle 8 mit dem Zahnrad 3 verbunden ist, läßt sich vollkommen spielfrei gestalten. Auch ist es möglich, daß sich die Kardanwelle 8 bei größeren Belastungen verwindet. Die Summe der Toleranzen und Fehler kann nun dazu führen, daß die Ventilplatte 12 die Ansteuerung der Druckkammern 14 nicht mehr gewährleistet, wie dies an und für sich erforderlich wäre. Dies ist vor allem kritisch, wenn das Volumen einer Druckkammer 14 seinen maximalen Wert erreicht hat und beginnt, sie zu verkleinern. Wenn in diesem Augenblick die Hydraulikflüssigkeit noch nicht ablaufen kann, weil die Ventilplatte 12 einen entsprechenden Pfad noch nicht freigegeben hat, kommt es zu Druckstößen, die sich negativ auf das Betriebsverhalten der Maschine auswirken. Das gleiche Problem tritt auf, wenn das Volumen der Druckkammer 14 einen Minimalwert durchlaufen hat und beginnt, sich zu vergrößern. Wenn dieser Druckkammer dann noch nicht Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird, kann es zu Kavitationsproblemen kommen.
  • ES ist daher bekannt, eine sogenannte sekundäre Kommutierung oder „Sekundärsteuerung" einzurichten, die zu den Zeitpunkten, an denen eine Druckkammer ein minimales oder maximales Volumen aufweist, einen Kurzschluß mit der benachbarten Druckkammer erzeugt. Durch diesen Kurzschluß kann Druck gedrosselt ausgeglichen werden, so daß Druckspitzen positiver oder negativer Art entschärft werden können.
  • 3 zeigt nun das an Zahnrad 3 mit Außenverzahnung 4, bei dem die Zähne 20 im Bereich ihrer Zahnspitzen und im Bereich der beiden Stirnseiten 21 mit Ausnehmungen 2225 versehen sind. Die Ausnehmungen sind dabei beidseits eines Scheitelpunktes des jeweiligen Zahnes 20 angeordnet.
  • Das Zahnrad 3 selbst ist als Sinterelement ausgebildet, d.h. es ist durch einen Sinterprozeß hergestellt worden. Bei einem Sinterprozeß wird, vereinfacht dargestellt, ein Metallpulver in eine Form gebracht und dann unter Druck gesetzt und erhitzt. Mit einem derartigen Sinterprozeß lassen sich Sinterteile mit einer sehr hohen Genauigkeit herstellen. Die Genauigkeit ist so hoch, daß das Zahnrad 3 nicht mehr weiter bearbeitet werden muß.
  • Man kann nun bei diesem Sinterprozeß weitere Elemente des Zahnrades erzeugen, beispielsweise die Ausnehmungen 2225. Auch die Verzahnung 9 kann in diesem Sinterprozeß erzeugt werden. Dabei ist es lediglich notwendig, auf der Innenseite der zum Sintern des Zahnrades 3 verwendeten Form an den Positionen, wo sich später die Ausnehmungen 2225 befinden sollen, entsprechende Vorsprünge anzuordnen. Diese Vorsprünge können an zwei Wänden der Form abgestützt werden, nämlich einmal an der Wand, die später die Stirnseite 21 definiert, und einmal an der Wand, die die Umfangsfläche des Zahnrades 3 bildet.
  • Die Seitenwände der Ausnehmungen 2225 verlaufen parallel zur Achse des Zahnrades 3, so daß man das Zahnrad 3 parallel zu seiner Achse aus der Sinterform entnehmen kann. Die Sinterform kann also relativ einfach gestaltet werden.
  • Auch ist man in der Wahl der Querschnittsform der Ausnehmungen 2225 relativ frei. Der Querschnitt muß nicht unbedingt rechteckig sein. Auch ein abgerundeter oder gekrümmter Boden der Ausnehmungen 2225 ist möglich.
  • Die Ausnehmungen 2225 können mit genau der gleichen Genauigkeit positioniert werden, mit der auch das Zahnrad 3 durch den Sinterprozeß herstellbar ist. Fehler, die durch ein Einspannen des Zahnrades 3 für eine Bearbeitung entstehen können, mit denen früher die Ausnehmungen erzeugt wurden, entfallen völlig. Dementsprechend kann die Genauigkeit, mit der die sekundäre Kommutierung im Betrieb bewirkt wird, verbessert werden. Dies wiederum hat zur Folge, daß der Strömungsquerschnitt, der durch die Ausnehmungen 2225 frei gegeben wird, auf einen Minimalwert reduziert werden kann. Dies wiederum hat positive Auswirkungen auf die innere Leckage der Maschine.
  • Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt einen Motor 1 als hydraulische Maschine. Unter dem Begriff "hydraulische Maschine" sollten aber auch alle anderen Vorrichtung verstanden werden, bei denen ein Zahnrad verwendet wird, um Hydraulikflüssigkeit unter Druck zu setzen oder unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit verwendet wird, um ein Zahnrad zu bewegen. In diesem Sinn ist auch eine hydraulische Lenkeinheit als hydraulische Maschine anzusehen.

Claims (11)

  1. Hydraulische Maschine mit einem außen verzahnten Zahnrad und einem innen verzahnten Zahnring, wobei das Zahnrad und der Zahnring miteinander Drucktaschen bilden, die sich im Betrieb vergrößern und verkleinern, und das Zahnrad Ausnehmungen aufweist, die Teil einer Sekundärsteuerung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (3) als gesintertes Element mit eingesinterten Ausnehmungen (2225) gebildet ist.
  2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (3) eine Sinteroberfläche aufweist, die sich in den Ausnehmungen (2225) fortsetzt.
  3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (2225) von mindestens einer Stirnseite (21) des Zahnrades (3) ausgehen.
  4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (2225) Wände aufweisen, die parallel zur Achse des Zahnrades (3) verlaufen.
  5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmungen (2225) zur Umfangsfläche des Zahnrades (3) hin öffnen.
  6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Stirnseiten Ausnehmungen (2225) angeordnet sind.
  7. Maschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (3) eine Innenverzahnung (9) aufweist, die aus Sintermaterial gebildet ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades einer hydraulischen Maschine mit Ausnehmungen, die Teile einer Sekundärsteuerung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß man das Zahnrad durch Sintern erzeugt und beim Sintern die Ausnehmungen erzeugt.
  9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausnehmungen in mindestens einer Stirnseite erzeugt.
  10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausnehmungen bis zur Umfangsfläche führt.
  11. Zahnrad für eine hydraulische Maschine, das Ausnehmungen aufweist, die Teile einer Sekundärsteuerung der hydraulischen Maschine bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (3) als gesintertes Element gebildet ist und die Ausnehmungen (2225) eingesintert sind.
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