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Stand der Technik
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Aus
der Publikation „Ölpumpen
für Verbrennungsmotoren" Pierburg AG, Alfred
Pierburg Straße 1,
41460 Neuss, vgl. Seite 2 ist eine innenverzahnte Zahnradpumpe
in Normalbauweise sowie in extrem flachbauender Bauweise bekannt.
Innenverzahnte Zahnradpumpen werden als Ölpumpen für Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt. Die Ölpumpe
kann als außenverzahnte
Pumpe und als innenverzahnte Pumpe von der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
direkt angetrieben werden oder mittels eines Nebenantriebs, so zum
Beispiel elektrisch angetrieben werden. Verbrennungskraftmaschinen
benötigen
im unteren Drehzahlspektrum durch ölhydraulische Aufgaben, so
zum Beispiel hydraulischen Ventilspielausgleich, Kolbenkühlung, Nockenwellenverstellung
usw. sowie auf Grund von Drehzahlabsenkungen im Leerlauf größere Ölvolumenströme. Diese werden
bei ungeregelten Pumpen im hohen Drehzahlbereich zu erheblichen
Verlustleistungen führen, sodass
bei heute eingesetzten Ölpumpen
diese in der Regel geregelt ausgelegt sind.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Ölpumpen, die zum Beispiel im
Rahmen von ESP-Regelsystemen, die zur Fahrdynamikregelung dienen,
eingesetzt werden, kommen als Ölpumpen eine
innenverzahnte Vorladepumpe, die nach dem Gerotorprinzip ausgelegt
ist, zum Einsatz.
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Das
bei dieser Vorladepumpe mit Innenverzahnung eingesetzte Zahnradpaar
umfasst ein Ritzel sowie ein dieses umschließendes Hohlrad. Sowohl das
Ritzel als auch das Hohl rad stellen gesinterte Bauteile dar, die
nach dem Sintern einem Härtungsvorgang
unterzogen werden. Aufgrund des Fertigungsvorgangs Sintern stellt
sich jedoch zwischen den Zahnköpfen
bzw. Zahnflanken aufgrund der herrschenden Sintertoleranzen ein
unterschiedlich stark streuendes Radialspiel ein. Dieses hat Einfluss
auf den Wirkungsgrad und die erzielbare Förderleistung dieser an ESP-Systemen
zum Beispiel eingesetzten Vorladepumpe, die als Innenzahnradpumpe
ausgelegt ist. Schwanken die Sintertoleranzen sehr stark, so schwankt
zwangsläufig
auch die Förderleistung der
innenverzahnten Vorladepumpe sehr stark, was insgesamt gesehen einen
recht unbefriedigenden Zustand darstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend werden das Ritzel und das dieses umgebende Hohlrad eines
Förderaggregates,
wie zum Beispiel einer Vorladepumpe für ESP-Systeme oder einer Ölpumpe für Verbrennungskraftmaschinen
gesintert oder alternativ dazu im Wege des Metallpulverspritzgusses
gefertigt. Sowohl das Ritzel als auch das Hohlrad werden anschließend einem
Härtungsprozess
unterzogen. Die Verzahnung zwischen dem gesinterten und gehärteten Ritzel
und dem dieses umschließenden
ebenfalls gesinterten und gehärteten
Hohlrad verläuft
konisch. Dies bedeutet, dass die an den Stirnseiten liegenden Enden
der Zahnköpfe bzw.
der Zahnflanken auf unterschiedlichen Teilkreisen in Bezug auf das
Ritzel und das Hohlrad liegen.
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Zum
Schleifen des Ritzels und des Hohlrades an den Stirnflächen wird
das Ritzel spielfrei in das Hohlrad hineingesteckt und danach eine
Schleifoperation an beiden Stirnseiten der beiden Werkstücke durchgeführt. Dabei
wird ein erstes Maß H1 erhalten. Anschließend kann das innenliegend
angeordnete Ritzel (Innenzahnrad) um ein geringes Spiel in der Größenordnung
zwischen 3 und 6 μm
auf ein geringeres Maß HZ,
welches in Bezug auf das Maß H1 geringer ist, geschliffen wurden. Dadurch
entsteht ein Axialspiel zwischen Ritzel und Hohlrad. Durch die konisch
ausgebildete Verzahnung an Ritzel und Hohlrad entsteht ein geringes
Radialspiel in der Größenordnung
weniger μm.
Mit dieser Maßnahme
lässt sich ein
sehr guter hydraulischer Wirkungsgrad einer derart gefertigten innenverzahnten
Pumpe erreichen, der auch bei höheren
Drücken
in der Größenordnung von
50 bar aufrechterhalten werden kann. Auf das Zurückschleifen des Ritzels, d.h.
der Ausbildung des Untermaßes
H2 am Ritzet in Bezug auf das Maß H1 des Verbundes aus Ritzel und Hohlrad kann
dann verzichtet werden, wenn ein Radialspiel zwischen den sich drehenden
Zahnrädern,
d.h. dem relativ zum Hohlrad rotierenden Ritzel sowie dem Pumpengehäuse in axialer
Richtung und ausreichend Radialspiel an den Zahnköpfen gewährleistet
ist und ein Klemmen der miteinander kämmenden Zähnräder ausgeschlossen ist.
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Die
Zahnradpaare, d.h. die Kombination aus Hohlrad und Ritzel, im Bedarfsfall
auch die Ritzel, können
zusammen auf geeigneten Schleifmaschinen gleichzeitig bearbeitet
werden, da die im Wege des Sinterverfahrens oder im Wege der Metallpulverspritzgusstechnik
hergestellten Teile in der Regel werkzeugfallende Teile darstellen.
Eine weitere Möglichkeit,
mit welcher der hydraulische Wirkungsgrad hin zu höheren Drücken in
die Größenordnung
von 50 bar und mehr verschoben werden kann, stellt das Einlaufen
der miteinander kämmenden
Zahnräder, d.h.
des gesinterten und gehärteten
Ritzels und des gesinterten und gehärteten Hohlrades mit einem
Verschleißmittel
so zum Beispiel einer Läppaste
dar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf die konisch verzahnten Bauteile Ritzel und Hohlrad
mit Schnittverlauf A-B und
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2 den
Schnittverlauf A-B entsprechend 1 in gesonderter
Darstellung.
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Ausführungsformen
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1 ist
eine Draufsicht auf ein Zahnradpaar, ein Innenzahnrad und ein Außenzahnrad
umfassend, zu entnehmen.
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Ein
Zahnradpaar 10 gemäß der Darstellung in 1,
welches zum Beispiel innerhalb einer Ölpumpe eingesetzt werden kann,
umfasst ein Innenzahnrad 12 sowie ein Außenzahnrad 14.
Das Innenzahnrad 12 weist eine Mitnahmeverzahnung 18 auf, die
mit einer Gegenverzahnung 20 der Welle 16 kämmt. Die
Welle 16 und das Innenzahnrad 12 sind in einer
Exzentrizität
e, vgl. Bezugszeichen 22 in Bezug auf eine Achse 44 des
Außenzahnrades 14 gelagert.
In der Darstellung gemäß 1 ist
eine Draufsicht auf eine erste Planseite 24 des miteinander
gefügten
Zahnradpaares 10, d.h. des Innenzahnrades 12 und
des Außenzahnrades 14 dargestellt.
Das Innenzahnrad 12 ist spielfrei im das Hohlrad darstellenden
Außenzahnrad 14 gefügt. Das
Innenzahnrad 12 weist eine Anzahl von Zähnen 28 auf, die jeweils Zahnköpfe 30 aufweisen.
Ein sich zwischen den Zahnköpfen 30 und
korrespondierenden Zahnköpfen am
Innenumfang des Außenzahnrades 14 einstellendes
Radialspiel ist durch Bezugszeichen 32 gekennzeichnet.
Eine erste Planseite 24 des Zahnradpaares 10 wird
durch die erste Planseite 34 des Innenzahnrades 12 sowie
die erste Planseite 36 des Außenzahnrades 14 gebildet.
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Analog
verhält
es sich mit einer in 1 aus zeichnerischen Gründen nicht
dargestellten zweiten Planseite 26 des gefügten Zahnradpaares 10 (vgl. 2).
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht
darüber
hinaus hervor, dass das Innenzahnrad 12 und das Außenzahnrad 14 über eine
konische Verzahnung 46 miteinander kämmen. Die in 1 angedeutete
konische Verzahnung 46 ist dadurch charakterisiert, dass
die konische Verzahnung 46 auf der in 1 angedeuteten
ersten Planseite 24 des Zahnradpaares 10 einen
anderen, nämlich
größeren Teilkreisdurchmesser
aufweist, verglichen mit der in 1 nicht
dargestellten, auf der Rückseite
des dort dargestellten Zahnradpaares 10 liegenden zweiten Planseite 26 (vgl. 2).
Die in 1 dargestellten Bauteile Innenzahnrad 12 und
Außenzahnrad 14 werden
aus Kostengründen
im Wege des Sinterverfahrens hergestellt oder alternativ zum Sinterverfahren
durch Metallpulverspritzguss. Nachdem das Innenzahnrad 12 und
das Außenzahnrad 14 gefertigt sind,
werden die beiden genannten Bauteile einem Härtungsverfahren unterzogen.
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Dargestellt
gemäß 2 ist
ein Schnitt durch das in 1 im gefügten Zustand dargestellte Zahnradpaar 10 entlang
des Schnittverlaufs II-II.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass das Innenzahnrad 12 in das Außenzahnrad 14 des
Zahnradpaares 10 eingesteckt ist. Aus der Schnittdarstellung
gemäß 2,
die den in 1 dargestellten Schnittverlauf
II-II repräsentiert,
lässt sich
weiterhin entnehmen, dass die erste Planseite 24 des Zahnradpaares 10 die
erste Planseite 34 des Innenzahnrades 12 sowie
die erste Planseite 36 des Außenzahnrades 14 umfasst.
Mithin zerfällt
die erste Planseite 24 des Zahnradpaares in zwei Planseiten zweier
separater Bauteile. Aus der Darstellung gemäß 2 geht zudem
hervor, dass die erste Planseite 34 des Innenzahnrades 12 um
einen Überstand c über die
erste Planseite 36 des Außenzahnrades 14 übersteht.
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In
analoger Weise wird die zweite Planseite 26 des gefügten Zahnradpaares 10 gemäß der Schnittdarstellung
in 2 durch eine zweite Planseite 38, des
Innenzahnrades 12 dargestellt sowie durch eine zweite Planseite 40,
welche durch das Außenzahnrad 14 des
Zahnradpaares 10 für
eine Ölpumpe
im in 1 dargestellten, gefügten Zustand gebildet. Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
darüber
hinaus noch hervor, dass das Innenzahnrad 12 mit einem
Untermaß d
in Bezug auf seine zweite Planseite 38 angeordnet ist.
Die zweite Planseite 38 des Innenzahnrades 12 liegt
um das Untermaß d
unter der zweiten Planseite 40 des Außenzahnrades 14 des
Zahnradpaares 10 im gefügten
Zustand.
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Der
in 2 dargestellte, gefügte Zustand mit den vorstehend
beschriebenen Überstand
c bzw. dem Untermaß d
stellt den Zustand dar, in dem ein gefügtes Zahnradpaar 10,
das Innenzahnrad 12 und das Außenzahnrad 14 umfassend,
stirnseitig plangeschliffen wird. Vor dem Planschleifvorgang der
Planseiten 24, 26 des Zahnradpaares 10 werden
die Bauteile Innenzahnrad 12 und Außenzahnrad 14 gehärtet.
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Zunächst erfolgt
ein Planschleifen der ersten Planseite 24 des Zahnradpaares 10 im
aus Innenzahnrad 12 und Außenzahnrad 14 gefügten, spielfreien
Zustand. Die erste Planseite 24 wird um das Schleifmaß a abgetragen,
so dass im in 2 dargestellte Zustand eine
plangeschliffene, gemeinsame erste Planseite 24 am Zahnradpaar 10,
d.h. sowohl am Innenzahnrad 12 als auch am Außenzahnrad 14 erhalten
wird. Nach dem Planschlei fen der ersten Planseite 24 der
miteinander gefügten
Bauteile Innenzahnrad 12 und Außenzahnrad 14 zum
gefügten Zahnradpaar 10 erfolgt
ein Planschleifen der zweiten Planseite 26. Dabei wird
eine gemeinsame Planseite 26 erzeugt, d.h. das Untermaß d gemäß der Darstellung
in 2 abgetragen, da das Schleifmaß b das Untermaß d übersteigt,
ebenso wie das Schleifmaß a den Überstand
c an der ersten Planseite 24 des Zahnradpaares 10 im
gefügten
Zustand übersteigt. Nach
dem Planschleifen der ersten Planseite 24 bzw. der zweiten
Planseite 26 werden die Bauteile Innenzahnrad 12 und
Außenzahnrad 14 voneinander
getrennt.
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Während vor
dem Trennen der Bauteile 12 und 14 das gemeinsame
Axialmaß dem
Axialmaß H1 entspricht, welches durch den Materialabtrag
am gefügten
Zahnradpaar 10 durch das Schleifmaß a bzw. das Schleifmaß b entsteht,
kann nach dem Trennen der Bauteile 12, 14 nach
dem Planschleifen eine weitere Schleifbearbeitung des Innenzahnrades 12 erfolgen.
Dabei kann am Innenzahnrad 12 ein Axialspiel in der Größenordnung
von wenigen μm,
bevorzugt innerhalb des Bereiches zwischen 3 μm und 6 μm erreicht werden, so dass das
ggf. diesem weiteren Schleifvorgang zu unterziehende Innenzahnrad 12 ein
auch als Ritzelhöhenmaß bezeichnetes
Axialmaß H2 aufweist, welches vom nach dem Schleifvorgang der
Planseiten 24, 26 erhaltenen gemeinsamen Axialmaß H1 der beiden miteinander gefügten Bauteile Innenzahnrad 12 und
Außenzahnrad 14 um
die genannten wenigen μm
abweicht.
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Aus
dem Axialspiel des Innenzahnrads 12 ergibt sich unter Berücksichtigung
des Konuswinkels der konischen Verzahnung 46 ein wesentlich
kleineres Radialspiel 32 (vgl. Darstellung gemäß 1) zwischen
den Zahnköpfen 30 des
Innenzahnrades 12 und den Zahnköpfen, die am Innenumfang des Außenzahnrades 14 ausgebildet
sind. Je geringer das Radialspiel 32 zwischen den Zahnköpfen des
Innenzahnrades 12 und den Zahnköpfen des Außenzahnrades 14 ist,
ein desto höherer
hydraulischer Wirkungsgrad lässt
sich erzielen. Maßgeblich
für die Verringerung
des Radialspieles sind das Axialmaß und der Konuswinkel der konisch
ausgeführten
Verzahnung 46, wie in 2 dargestellt.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht
zudem hervor, dass der auf der ersten Planseite 24 des
gefügten
Zahnradpaares 10 liegende erste Teilkreisdurchmesser 48 den
an der Rückseite,
d.h. der zweiten Planseite 26 des gefügten Zahnradpaares 10 ausge führten zweiten
Teilkreisdurchmesser 50 übersteigt. Die Durchmesserdifferenz
zwischen den Teilkreisdurchmessern 48, 50 ergibt
sich abhängig
vom gewählten
Konuswinkel der konischen Verzahnung 46 gemäß der Schnittdarstellung
in 2.
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Für den Fall,
dass das Axialspiel zwischen den bewegten Zahnräder, d.h. dem Innenzahnrad 12 und
dem Außenzahnrad 14 und
dem das Zahnradpaar 10 umgebenden Pumpengehäuse für ein Freilaufen
des Innenzahnrades 12 und des Außenzahnrades 14, d.h.
deren Nichtklemmen, ausreichend ist, kann das Zurückschleifen
des innenliegend angeordneten Innenzahnrades 12 um das
genannte Maß,
bevorzugt im Bereich zwischen 3 μm
und 6 μm
liegend, auch unterbleiben. Dies bedeutet, dass bei ausreichendem
Axialspiel zwischen dem bewegten Innenzahnrad 12 und dem
stationären
Außenzahnrad 14 des
Zahnradpaares 10 das Maß H2 dem
gemeinsamem Axialmaß H1 der gefügten
Bauteilen Innenzahnrad 12 und Außenzahnrad 14 entspricht.
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Das
wesentlich verringerte Radialspiel 32 an den einander berührenden
Zahnköpfen 30 des
Innenzahnrades 12 und des Außenzahnrades 14 ist
erforderlich, da zwischen den Zahnköpfen 30 eine Linienberührung auftritt
und demzufolge keine Spaltüberdeckung
eintritt. Eine Spaltüberdeckung stellt
sich hingegen an den axialdichtenden Flächen des Zahnradpaares 10,
d.h. dessen Stirnseiten 12 und 14 und den diesen
jeweils gegenüberliegenden Innenseiten
des Pumpengehäuses
ein. Je länger
die Spaltüberdeckung
zwischen den Planseiten 24, 26, gleichbedeutend
mit der ersten Planseite 34 des Innenzahnrades 12,
der ersten Planseite 36 des Außenzahnrades 14, welche
die erste Planseite 24 darstellen und der zweiten Planseite 38 des
Innenzahnrades 12, die zusammen mit der zweiten Planseite 40 des
Außenzahnrades 14 die
zweite Planseite 26 des Zahnradpaares 10 darstellen
und den gegenüberliegenden
Flächen
des Pumpengehäuses
ist, eine umso größere Abdichtwirkung
ist erzielbar. Da diese Spaltüberdeckung
den miteinander kämmenden Zahnrädern 12 und 14 im
Bereich der Förderräume, d.h.
im Bereich der miteinander kämmenden
Verzahnung fehlt, wird eine Verbesserung des hydraulischen Wirkungsgrads
etahydr durch das minimale Radialspiel 32 im
Bereich der Innenverzahnung aufgrund der oben stehend skizzierten
Maßnahmen
erzielt.
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Damit
stellt die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
ein Zahnradpaar 10 zur Verfügung, welches zum Beispiel
für eine Ölpumpe oder für eine Förderpumpe
für ein
Hydraulikfluid für
ein Schaltgetriebe, um Anwendungsbeispiele zu nennen, eingesetzt
werden kann.