DE102007046420B4

DE102007046420B4 - Hydraulische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007046420B4
Application number: DE102007046420.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan Hoppe; Martin Jordan; Jürgen Flörchinger
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2027-09-29
Also published as: CN101153590B; CN101153590A; DE102007046420A1; US8512018B2; JP5395343B2; JP2008082340A; DE202006014930U1; KR101392447B1; US20080166254A1; KR20080030530A

Abstract

Hydraulische Vorrichtung, mit zwei kämmenden Zahnrädern (16, 18), die jeweils eine außenliegende Schrägverzahnung aufweisen und zwischen einer Einlaßseite und einer Auslaßseite angeordnet sind, wobei an einer Stirnseite der Zahnräder (16, 18) wenigstens eine Steuernut (46) vorgesehen ist, die in Verbindung mit der Auslaßseite steht und während der Drehung der Zahnräder (16, 18) periodisch eine Druckausgleichsverbindung herstellt, wobei während der Drehung der Zahnräder (16, 18) jederzeit wenigstens zwei Kontaktstellen (30, 32) zwischen den Zahnrädern (16, 18) bestehen und die Druckausgleichsverbindung während ihres Bestehens zu einem Zwischenraum (36) zwischen den Zahnrädern (16, 18) führt, der zunächst zwischen den beiden Kontaktstellen (30, 32) liegt und im weiteren Verlauf der Drehung der Zahnräder (16, 18) in Verbindung mit der Einlaßseite gelangt, wobei in einer Situation, in der die voreilende Kontaktstelle (30) an der Grenze zu einer Saugausparung (42) und die nacheilende Kontaktstelle (32) im Bereich zwischen der Saugausparung (42) und einer Druckaussparung (44) liegt, die Steuernut (46) für eine Strömungsverbindung zwischen der Druckaussparung (44) und einem an die nacheilende Kontaktstelle (32) angrenzenden Teilraum (40) des Zwischenraums (36) sorgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Vorrichtung mit zwei kämmenden Zahnrädern, die jeweils eine außenliegende Schrägverzahnung aufweisen und zwischen einer Einlaßseite und einer Auslaßseite angeordnet sind, wobei an einer Stirnseite der Zahnräder wenigstens eine Steuernut vorgesehen ist.
Allgemein weisen Zahnräder in einem Getriebe einen deutlich leiseren Lauf auf, wenn abgesehen von der Zahnradqualität und einer guten Lagerung (Achsabstand, Lagerspiel) eine größtmögliche Sprungüberdeckung erzielt wird. Deshalb wird vermehrt angestrebt, Vorrichtungen einzusetzen, bei denen während der Drehung der kämmenden Zahnräder immer wenigstens zwei Zähne des einen Zahnrads gleichzeitig mit zwei Zähnen des anderen Zahnrads in Eingriff stehen.
Für hydraulische Außenzahnradpumpen ist neben der Geräuschoptimierung vor allem der Wirkungsgrad von entscheidender Bedeutung. Um einen guten mechanischen und volumetrischen Wirkungsgrad zu erzielen, sollten der Zahnradaußendurchmesser und der Achsabstand so gewählt sein, daß ein optimales Verhältnis von Zahnraddurchmesser zu (radialer) Zahnlänge gewährleistet ist. Das führt dazu, den Zahnradaußendurchmesser klein auszulegen. Ein kleiner Zahnradaußendurchmesser begrenzt aber die maximale Anzahl der Zähne. Bei Zahnrädern mit Geradverzahnung erlaubt die geringe Zähneanzahl in vielen Fällen keinen permanenten Kontakt zwischen zwei Zahnpaaren. Um einen Doppelkontakt dennoch zu ermöglichen, ist es deshalb notwendig, eine Schrägverzahnung mit ausreichender Neigung der Zähne vorzusehen. Zu den Vorteilen einer Schrägverzahnung gegenüber einer Geradverzahnung gehören zudem eine bessere Laufruhe und eine geringere Geräuschentwicklung, da jedes Zahnpaar mit einem kontinuierlichen Übergang in und aus dem Eingriff läuft und somit die Übertragung des Drehmoments gleichmäßiger verläuft. Außerdem kann im Vergleich zu einem gerade verzahnten Rad gleicher Größe eine höhere Kraft übertragen werden, da die Angriffsflächen der Zähne größer sind. Es ist jedoch zu beachten, daß bei größeren Neigungswinkeln auch die Axialkräfte auf die Zahnräder größer werden, was sich ungünstig auf die Lebensdauer der Lager auswirken kann.
Selbst bei einer optimalen Auslegung der kämmenden Zahnräder kommen bei hydraulischen Vorrichtungen durch das Arbeitsmedium weitere Einflüsse hinzu, die sich negativ auf die Geräuschentwicklung und den Wirkungsgrad auswirken. Die bei hydraulischen Zahnradpumpen typischen Druckpulsationen, die vor allem von der Anzahl der Zähne, der Druckdifferenz zwischen Einlaßseite und Auslaßseite und dynamischen lokalen Druckdifferenzen abhängig sind, können zu einem Rückschlagen oder Vibrieren der Zähne und damit sowohl zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung als auch zu einem unnötigen Fluidrückfluß von der Auslaßseite zur Einlaßseite der Pumpe führen.
Aus der EP 0 769 104 B1 ist eine gattungsgemäße hydraulische Vorrichtung bekannt, bei der auf beiden Stirnseiten der Zahnräder Überdruckaussparungen (Steuernuten) und Fluid-Zuführaussparungen vorgesehen sind, die jeweils entsprechend dem Schrägverzahnungssprung versetzt zueinander angeordnet sind. Die Überdruckaussparungen stehen permanent mit Zwischenräumen zwischen den Zähnen der beiden Zahnräder in Verbindung. Dadurch soll erreicht werden, daß Fluid von den sich während der Drehung der Zahnräder verkleinernden Zwischenräumen zur Auslaßseite hin entweichen kann, um einen Fluidrückfluß zur Einlaßseite zu vermeiden.
Die US 1 719 025 A zeigt eine hydraulische Vorrichtung in Form einer Zahnradpumpe mit zwei kämmenden Zahnrädern, die jeweils eine außenliegende Geradverzahnung aufweisen und zwischen einer Einlaßseite und einer Auslaßseite angeordnet sind. An einer Stirnseite der Zahnräder ist eine Steuernut vorgesehen, die während der Drehung der Zahnräder periodisch eine Druckausgleichsverbindung herstellt.
Auch die US 3 817 665 A zeigt eine Außenzahnradpumpe mit permanent verbundener Druckausgleichsnut an einer Stirnseite der Pumpenzahnräder.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydraulische Vorrichtung mit kämmenden Zahnrädern insbesondere hinsichtlich Laufruhe und Geräuschentwicklung zu optimieren.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine hydraulische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die Steuernut während der Drehung der Zahnräder periodisch eine Druckausgleichsverbindung her. Die durch die Steuernut hergestellte Druckausgleichsverbindung ermöglicht einen Ausgleich von Druckdifferenzen und -schwankungen. Um aber die Funktion der hydraulischen Vorrichtung weiterhin zu gewährleisten, darf der zusätzliche Strömungsweg den ursprünglich vorgesehenen Hydraulikfluß der Vorrichtung nicht zu stark beeinflussen, d. h. der Volumenstromverlust sollte entsprechend begrenzt sein. Die Erfindung sieht daher keine permanente, sondern eine periodisch wiederkehrende Druckausgleichsverbindung vor, so daß ein kontinuierlicher Bypaßstrom vermieden wird. Durch geeignete Positionierung und Auslegung der Steuernut kann somit weiterhin ein ausreichend guter volumetrischer Wirkungsgrad erzielt werden.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit für die periodische Herstellung der Druckausgleichsverbindung wird durch einen Aufbau ermöglicht, bei dem die Steuernut von einem Zahn der Schrägverzahnung vollständig abdeckbar ist. Auf diese Weise wird eine drehzahlabhängiges Öffnen und Schließen der Druckausgleichsverbindung erreicht.
Gemäß der Erfindung steht die Steuernut in Verbindung mit der Auslaßseite, so daß in einem bestimmten Bereich, mit dem die Steuernut in Verbindung steht, der Fluiddruck erhöht werden kann.
Gemäß der Erfindung bestehen während der Drehung der Zahnräder jederzeit wenigstens zwei Kontaktstellen zwischen den Zahnrädern. Es ergibt sich ein besonders ruhiges Laufverhalten durch den erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem die Druckausgleichsverbindung während ihres Bestehens zu einem Zwischenraum zwischen den Zahnrädern führt, der zunächst zwischen den beiden Kontaktstellen liegt und im weiteren Verlauf der Drehung der Zahnräder in Verbindung mit der Einlaßseite gelangt. Auf diese Weise wird über definierte Zeitspannen ein im wesentlichen konstanter Druck zwischen den Zähnen unter Beibehaltung des Doppelkontakts ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine perspektivische Ansicht einer Zahnradpumpe ohne Gehäuse und mit transparenter oberer Lagerbrille;
- 2 eine Draufsicht auf die Pumpe aus 1; und
- 3 eine vergrößerte Darstellung des Eingriffsbereichs der Zahnräder der Pumpe.

In den 1 und 2 ist eine Hydraulik-Zahnradpumpe 10 ohne Gehäuse dargestellt, die zwei Wellen 12, 14 mit drehfest darauf angebrachten Zahnrädern 16, 18 umfaßt, wobei die Zahnräder 16, 18 auch einstückig mit der jeweiligen Welle 12 bzw. 14 ausgebildet sein können. Die Zahnräder 16, 18 weisen außenliegende Schrägverzahnungen auf, die bezüglich der Rotationsachse R gegensätzlich geneigt sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schrägverzahnung des in 1 linken Zahnrads 16, das im folgenden als erstes Zahnrad 16 bezeichnet wird, linksgewunden und die des rechten Zahnrads 18 (zweites Zahnrad) rechtsgewunden. Die Flanken der Zähne 20 der Verzahnungen haben die Form von Evolventen.
Die beiden Wellen 12, 14 sind in Lagerbrillen 22, 24 drehbar gelagert, die entsprechend der in 1 gezeigten Einbaulage der Pumpe 10 als obere Lagerbrille 22 und untere Lagerbrille 24 bezeichnet werden. Die erste Welle 12 ist nach unten verlängert und an einen (nicht dargestellten) Antrieb gekoppelt. Der Antrieb treibt das auf der ersten Welle 12 angebrachte erste Zahnrad 16 in Richtung des Pfeils A an. Das mit dem ersten Zahnrad 16 kämmende zweite Zahnrad 18 dreht sich in entgegengesetzter Richtung (Pfeil B). Diese Drehung der Zahnräder 16, 18 bewirkt in bekannter Weise, daß Fluid von einem einlaßseitigen Saugbereich 26 der Pumpe 10 zu einem auslaßseitigen Druckbereich 28 gefördert wird. Die Neigung der Zähne 20 beider Zahnräder 16, 18 führt dazu, daß das der unteren Lagerbrille 24 zugewandte (antriebsseitige) Ende der Zähne 20 bei einer Drehung der Zahnräder 16, 18 in Richtung des Pfeils A bzw. B dem oberen Ende der Zähne 20 vorauseilt.
Während der Drehung der Zahnräder 16, 18 sind zu jeder Zeit wenigstens zwei Zähne 20 des ersten Zahnrads 16 in Eingriff mit zwei Zähnen 20 des zweiten Zahnrads 18. In 3, die den Eingriffsbereich der Zahnräder 16, 18 in vergrößerter Ansicht zeigt, sind die entsprechenden Kontaktstellen 30, 32 markiert. Es gibt also immer eine bezüglich der Drehrichtung vorauseilende Kontaktstelle 30 und eine nacheilende Kontaktstelle 32. Sobald die vorauseilende Kontaktstelle 30 nicht mehr existiert, wird die bis dahin nacheilende Kontaktstelle 32 zur nächsten voreilenden Kontaktstelle usw. Zwischen den beiden Kontaktstellen 30, 32 bilden die Bäuche der kämmenden Zähne 20 regelmäßig eine Engstelle 34. Die Engstelle 34 unterteilt einen temporären Zwischenraum 36 zwischen den Zahnrädern 16, 18, der durch die beiden Kontaktstellen 30, 32 begrenzt ist, in zwei Teilräume 38, 40.
Wie in den 1 und 2 angedeutet, sind sowohl in der oberen Lagerbrille 22 als auch in der unteren Lagerbrille 24 auf der den Zahnrädern 16, 18 zugewandten Innenseite zwei Aussparungen 42, 44 gebildet, die im folgenden als Saugaussparung 42 bzw. Druckaussparung 44 bezeichnet werden. Die Saugaussparung 42 steht mit dem Saugbereich 26, die Druckaussparung 44 mit dem Druckbereich 28 der Pumpe 10 in Verbindung. Abhängig davon, ob ein Zahnzwischenraum von einer der Aussparungen 42 oder 44 (in der oberen oder der unteren Lagerbrille 22 bzw. 24) überdeckt wird, kann Fluid in den Zwischenraum ein- oder aus diesem herausströmen.
Eine Ausnahme bildet die gemäß der Erfindung vorgesehene Steuernut 46, die sich in der oberen Lagerbrille 22 von der Druckaussparung 44 erstreckt. Die Lage und die Abmessungen der Steuernut 46 sind genau auf die geometrischen Verhältnisse der kämmenden Zahnräder 16, 18 abgestimmt, wie aus der folgenden Funktionsbeschreibung der Steuernut 46 unter Bezugnahme auf die 3 hervorgeht.
In 3 ist eine Momentaufnahme der Drehung der Zahnräder 16, 18 gezeigt, in der die voreilende Kontaktstelle 30 an der Grenze zur Saugausparung 42 liegt, während die nacheilende Kontaktstelle 32 im Bereich zwischen den beiden Aussparungen 42, 44 liegt. In diesem Moment sorgt die Steuernut 46 für eine Strömungsverbindung zwischen der Druckaussparung 44 und dem an die nacheilende Kontaktstelle 32 angrenzenden Teilraum 40 des Zwischenraums 36. Die Steuernut 46 schafft eine Druckausgleichsverbindung und ermöglicht einen Steuerfluß des Fluids, der hauptsächlich von der oberen Lagerbrille 22 entlang der Zähne 20 zur unteren Lagerbrille 24 führt. Da in der unteren Lagerbrille 24 keine Steuernut oder dergleichen vorgesehen ist, ergibt sich dort kein Leckagefluß. Auf diese Weise wird im Zwischenraum 36 ein konstanter Druck gehalten.
Wenn sich die Zahnräder 16, 18 weiterdrehen, verschwindet die bis dahin voreilende Kontaktstelle 30, so daß eine gewisse Menge Fluid aus dem Zwischenraum 36 direkt in den Saugbereich 42 der Pumpe 10 gelangt. Außerdem besteht in diesem Moment eine Strömungsverbindung zwischen dem Druckbereich 28 - über die Steuernut 46, den ersten Teilraum 40, die Engstelle 34 und den nun nicht mehr abgeschlossenen zweiten Teilraum 38 - und dem Saugbereich 26 der Pumpe 10. Die Engstelle 34 wirkt für das Fluid dabei zwar wie eine Drossel, deren Drosselwirkung vom Spiel der Zahnräder 20 abhängt, d. h. je weniger Spiel die Zahnräder 16, 18 haben, desto größer ist die Drosselwirkung; dennoch besteht in diesem Moment eine Art „Kurzschluß“ zwischen der Einlaßseite und der Auslaßseite der Pumpe 10.
Der Kurzschluß besteht zum einen aber nicht kontinuierlich, sondern nur für sehr kurze Zeit, da die Steuernut 46 gleich darauf von einem Zahn 20a des antreibenden ersten Zahnrads 16 vollständig abgedeckt wird; zum anderen erlaubt die verhältnismäßig klein ausgelegte Steuernut 46 nur einen geringen Volumendurchsatz. Somit strömt in der kurzen Zeitspanne, in der die Druckausgleichsverbindung existiert, gerade soviel Fluid durch die Steuernut 46, daß einerseits ein Druckausgleich zu beiden Seiten der Engstelle 34 stattfindet, wodurch ein Rückschlagen oder Vibrieren der Zähne 20 des zweiten Zahnrads 18 verhindert wird; andererseits wird aber der Wirkungsgrad der Pumpe 10 durch den Fluidrückfluß zur Einlaßseite nicht entscheidend beeinträchtigt.
Der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich zyklisch während der Drehung der Zahnräder 16, 18, d. h. durch die Steuernut 46 entsteht periodisch - mit einer durch die Drehgeschwindigkeit und Anzahl der Zähne 20 der Verzahnung bestimmten Frequenz - ein Bypass. Die Dauer jeder Periode hängt vom Abstand der Zähne 20 und von deren Breite in Umfangsrichtung ab.
Die Steuernut 46 muß nicht zwingend in einer der Lagerbrillen 22, 24 gebildet sein. Es ist auch möglich, jeden Zahn 20 des ersten Zahnrads 16 stirnseitig mit einer Steuernut zu versehen, deren Größe und radiale Lage der oben beschriebenen Steuernut 46 entspricht.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung können u.a. eine oder mehrere der folgenden Abweichungen aufweisen:

- die Schrägverzahnung des antreibenden ersten Zahnrads 16 ist linksgewunden, die des angetriebenen zweiten Zahnrads 18 rechtsgewunden;
- die Steuernut 46 ist nicht auf der Seite des antreibenden ersten Zahnrads 16, sondern auf der Seite des angetriebenen zweiten Zahnrads 18 gebildet und von einem Zahn 20 des zweiten Zahnrads 18 vollständig abdeckbar;
- die Steuernut 46 ist nicht in der oberen Lagerbrille 22, sondern in der unteren Lagerbrille 24 gebildet;
- es sind wenigstens zwei Steuernuten 46 in einer der Lagerbrillen 22, 24 vorgesehen;
- es ist wenigstens eine Steuernut 46 in der oberen Lagerbrille 22 und wenigstens eine Steuernut 46 in der unteren Lagerbrille 24 vorgesehen.

In allen Fällen erstreckt sich die Steuernut 46 jeweils von einer der Druckaussparungen 44.

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht möglicher Ausführungsformen der Erfindung an. Die in den 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform entspricht der Kombination 2.

Kombination	Windung der Schrägverzahnung des antreibenden Zahnrads	Anzahl der Steuernuten	Zahnrad, dessen Zähne die Steuernut/en abdecken	Lage der Steuernut/en (Lagerbrille)
1	links	1	antreibend	unten
2	links	1	antreibend	oben
3	links	2	antreibend	unten
4	links	2	antreibend	oben
5	links	1	angetrieben	unten
6	links	1	angetrieben	oben
7	links	2	angetrieben	unten
8	links	2	angetrieben	oben
9	links	2	antreibend, angetrieben	unten, oben
10	links	2	antreibend, angetrieben	unten, oben
11	rechts	1	antreibend	unten
12	rechts	1	antreibend	oben
13	rechts	2	antreibend	unten
14	rechts	2	antreibend	oben
15	rechts	1	angetrieben	unten
16	rechts	1	angetrieben	oben
17	rechts	2	angetrieben	unten
18	rechts	2	angetrieben	oben
19	rechts	2	antreibend, angetrieben	unten, oben
20	rechts	2	antreibend, angetrieben	unten, oben

Da sowohl die Anordnung als auch die Abmessungen der Steuernut 46 sehr präzise sein müssen, um unnötige Leckageströme zu vermeiden, wird die Steuernut 46 vorzugsweise durch Laserstrahlschneiden hergestellt. Diese Art der Herstellung hat die Vorteile, daß sie schnell und serientauglich ist und keine Werkzeugabnutzung verursacht. Die ebenfalls sehr präzise ausgelegten Lagerbrillen 22, 24 werden durch eine nachträgliche Bearbeitung mittels Laserstrahlschneiden nicht beeinflußt, so daß dieser Arbeitsschritt als letzter Schritt bei der Herstellung der erfindungsgemäßen hydraulischen Vorrichtung „off-line“ vorgesehen werden kann.

Claims

Hydraulische Vorrichtung, mit zwei kämmenden Zahnrädern (16, 18), die jeweils eine außenliegende Schrägverzahnung aufweisen und zwischen einer Einlaßseite und einer Auslaßseite angeordnet sind, wobei an einer Stirnseite der Zahnräder (16, 18) wenigstens eine Steuernut (46) vorgesehen ist, die in Verbindung mit der Auslaßseite steht und während der Drehung der Zahnräder (16, 18) periodisch eine Druckausgleichsverbindung herstellt, wobei während der Drehung der Zahnräder (16, 18) jederzeit wenigstens zwei Kontaktstellen (30, 32) zwischen den Zahnrädern (16, 18) bestehen und die Druckausgleichsverbindung während ihres Bestehens zu einem Zwischenraum (36) zwischen den Zahnrädern (16, 18) führt, der zunächst zwischen den beiden Kontaktstellen (30, 32) liegt und im weiteren Verlauf der Drehung der Zahnräder (16, 18) in Verbindung mit der Einlaßseite gelangt, wobei in einer Situation, in der die voreilende Kontaktstelle (30) an der Grenze zu einer Saugausparung (42) und die nacheilende Kontaktstelle (32) im Bereich zwischen der Saugausparung (42) und einer Druckaussparung (44) liegt, die Steuernut (46) für eine Strömungsverbindung zwischen der Druckaussparung (44) und einem an die nacheilende Kontaktstelle (32) angrenzenden Teilraum (40) des Zwischenraums (36) sorgt.
Hydraulische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernut (46) von einem Zahn (20) der Schrägverzahnung vollständig abdeckbar ist.
Hydraulische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Stirnseite der Zahnräder (16, 18) ein Antrieb für eines der Zahnräder (16) angeordnet ist und die Steuernut (46) auf der dem Antrieb zugewandten Stirnseite vorgesehen ist.
Hydraulische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Stirnseite der Zahnräder (16, 18) ein Antrieb für eines der Zahnräder (16) angeordnet ist und die Steuernut (46) auf der dem Antrieb abgewandten Stirnseite vorgesehen ist.
Hydraulische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernut (46) in einem Lagerbauteil (22, 24) gebildet ist.
Hydraulische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steuernut (46) von einer Druckaussparung (44) des Lagerbauteils (22, 24) erstreckt.
Hydraulische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zahn (20) eines Zahnrads (16) auf einer Stirnseite eine Steuernut aufweist.
Hydraulische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Stirnseiten der Zahnräder (16, 18) Steuernuten (46) vorgesehen sind.
Hydraulische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernut (46) durch Laserstrahlschneiden gebildet ist.