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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten auf
einfache Weise verschleißarm
zu gestalten.
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Diese
Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
daß das
Zahnrad als gesintertes Element mit eingesinterten Ausnehmungen
gebildet ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugterweise öffnen sich
die Ausnehmungen zur Umfangsfläche
des Zahnrades hin. Die sekundäre
Kommutierung erfolgt also zwischen dem Zahnrad und dem Zahnring.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher 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 und
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4 eine
perspektivische Darstellung des Zahnrades nach 3 aus
einem anderen Blickwinkel.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Gleichgewichtsplatte 16 sorgt für eine Dichtigkeit zwischen
der Ventilplatte 12 und der Kanalplatte 11.
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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.
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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.
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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.
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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 22–25 versehen
sind. Die Ausnehmungen sind dabei beidseits eines Scheitelpunktes
des jeweiligen Zahnes 20 angeordnet.
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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.
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Man
kann nun bei diesem Sinterprozeß weitere
Elemente des Zahnrades erzeugen, beispielsweise die Ausnehmungen 22–25.
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 22–25 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.
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Die
Seitenwände
der Ausnehmungen 22–25 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.
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Auch
ist man in der Wahl der Querschnittsform der Ausnehmungen 22–25 relativ
frei. Der Querschnitt muß nicht
unbedingt rechteckig sein. Auch ein abgerundeter oder gekrümmter Boden
der Ausnehmungen 22–25 ist
möglich.
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Die
Ausnehmungen 22–25 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 22–25 frei gegeben wird,
auf einen Minimalwert reduziert werden kann. Dies wiederum hat positive
Auswirkungen auf die innere Leckage der Maschine.
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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.