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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Zahnradmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In
der
EP 1 291 526 A2 ist
eine Zahnradmaschine mit einem Gehäuse gezeigt, in dem
zwei miteinander kämmende und in Lagerbuchsen bzw. Lagerkörpern
gelagerte Zahnräder angeordnet sind, wobei das Gehäuse
mit einem ersten und zweiten Gehäusedeckel jeweils stirnseitig
verschlossen ist. Die schrägverzahnten Zahnräder
sind axial mit jeweils zwei Axialflächen zwischen den Lagerkörpern und
radial jeweils über eine in den Lagerkörpern aufgenommene
Lagerwelle gleitend gelagert. Im Betrieb der Zahnradmaschine wirken
auf die Zahnräder in jeweils die gleiche Zahnradlängsachse
hydraulische und mechanische Kräfte. Damit der in Wirkrichtung der
Kräfte liegende erste Lagerkörper nicht über
die Axialflächen der Zahnräder zwischen die Zahnräder und
den ersten Gehäusedeckel gepresst ist und zwischen den
Zahnrädern und dem zweiten Lagerkörper nur ein
geringer Gleitspalt auftritt, wird auf die Zahnräder und
den ersten Lagerkörper eine Gegenkraft aufgebracht. Diese
ist dabei größer als die hydraulischen und mechanischen
Kräfte, so dass der erste Lagerkörper gegen die
Zahnräder, die Zahnräder gegen den zweiten Lagerkörper
und der zweite Lagerkörper gegen den zweiten Gehäusedeckel
gepresst sind. Die Kraftresultierenden auf die Lagerkörper
und die Zahnräder wirken somit alle in Richtung des zweiten
Gehäusedeckels.
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Die
Gegenkraft auf die Zahnräder wird über an den
Lagerwellen angreifende Kolben aufgebracht. Die Kolben sind dabei
etwa koaxial zur Zahnradlängsachse in einem zwischen dem
ersten Gehäusedeckel und dem Gehäuse angeordneten
Zwischendeckel gleitend aufgenommen und liegen mit einer ersten
Kolbenstirnfläche an einer in Richtung des ersten Gehäusedeckels
weisenden Wellenstirnfläche der Lagerwellen an und werden über
eine zweite Kolbenstirnfläche jeweils mit Druck beaufschlagt.
Auf den ersten Lagerkörper wird die Gegenkraft über
ein zwischen dem Lagerkörper und dem Zwischendeckel ausgebildetes
Druckfeld aufgebracht.
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Diese
Lösung hat den Nachteil, dass das Aufbringen der Gegenkräfte
einen hohen vorrichtungstechnischen Aufwand mit einer Vielzahl von Bauteilen
erfordert. Des Weiteren tritt zwischen den Wellenstirnflächen
der Lagerwellen und den Kolbenstirnflächen der Kolben und
zwischen den Lagerkörpern und den Zahnrädern aufgrund
der Gegenkräfte eine hohe Reibung auf.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, innere hydraulische und
mechanische Kräfte einer Zahnradmaschine mit einem geringen
vorrichtungstechnischen Aufwand, mit einem geringen Verschleiß und
einer hohen Flexibilität zu kompensieren.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine hydraulische Zahnradmaschine
gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß hat
eine Zahnradmaschine ein Gehäuse zum Aufnehmen zweier miteinander kämmender,
insbesondere schrägverzahnter Zahnräder. Diese
sind axial mit Axialflächen zwischen im Gehäuse
aufgenommenen Lagerkörpern und radial vorzugsweise mit
jeweils einer in den Lagerkörpern aufgenommenen Lagerwelle
gleitend gelagert. Auf jeweils ein Zahnrad wirkt eine Axialkraftkomponente einer
aus im Betrieb der Zahnradmaschine auftretenden hydraulischen und
mechanischen Kräften resultierenden Kraft in eine gleiche
Axialrichtung. Eine in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente weisende Druckfläche
ist über einen Außenanschluss mit einem gegen
die Axialkraftkomponente wirkenden Gegendruck beaufschlagt.
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Diese
Lösung hat den Vorteil, dass zumindest ein Zahnrad mit
einem geringen vorrichtungstechnischen Aufwand mit einem Gegendruck
beaufschlagbar ist. Ein Verschleiß zwischen den Lagerwellen
und daran angreifenden Kolben wie im eingangs erläuterten
Stand der Technik ist hier nicht gegeben. Über den zumindest
einen Außenanschluss ist entweder ein von den Betriebsbedingungen
der Zahnradmaschine unabhängiger oder abhängiger
Druck auf die Lagerwellen aufbringbar, wodurch dieser beliebig und
flexibel einstellbar ist.
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Mit
Vorteil sind zwei Außenanschlüsse vorgesehen,
wobei die Druckflächen jeweils mit einem eigenen Außenanschluss
in Druckmittelverbindung sind.
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Die
Druckbeaufschlagung auf die Druckflächen kann über
Ventile beeinflussbar sein, um beispielsweise unterschiedlich hohe
Gegendrücke auf die Druckflächen wirken zu lassen.
Die Gegendrücke können dann jeweils an die unterschiedlichen
Beträge der auf die Lagerwellen wirkenden Axialkraftkomponenten
angepasst und/oder in ihrer Höhe veränderbar sein.
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Um
das Verhältnis der wirkenden Gegendrücke zueinander
etwa konstant zu halten, kann ein Druckverhältnisventil
vorgesehen sein, wobei dieses stromaufwärts von einem Außenanschluss
aus anordbar ist.
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Alternativ
können die jeweils auf die Druckflächen wirkenden
Gegendrücke gleich sein, und dagegen die Druckflächen
unterschiedlich groß.
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Vorzugsweise
wird der Gegendruck einfach über Wellenstirnflächen
von in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente liegenden Wellenenden
aufgebracht, wobei die Wellenstirnflächen die Druckflächen
bilden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Außenanschlüsse
jeweils etwa koaxial zu den Lagerwellen erstreckende, in einen in
Wirkrichtung der Axialkraftkomponenten liegenden Gehäusedeckel eingebrachte
Durchgangsbohrungen. Derartige Durchgangsbohrungen sind kostengünstig
fertigbar.
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Bervorzugterweise
ist der Durchmesser der Durchgangsbohrungen kleiner als der Durchmesser der
Lagerwellen.
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Vorteilhafterweise
sind die Lagerwellen jeweils mit einer axialen Druckkraft über
den auf die Wellenenden der Lagerwellen wirkenden Gegendruck beaufschlagt,
wobei die jeweilige Druckkraft kleiner, größer
oder gleich der jeweiligen auf die Lagerwelle wirkenden Axialkraftkomponente
ist. Somit sind unterschiedliche Formen der Axialspaltkompensation
realisierbar.
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Die
Druckflächen können beispielsweise mit Druckmittel
vom Hochruck der Zahnradmaschine beaufschlagt sein.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
einem Längsschnitt eine vereinfachte Darstellung einer
Zahnradmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
und
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2 in
einer Seitenansicht eine vereinfachte Darstellung eines Pakets aus
Lagerkörpern und Zahnrädern der Zahnradmaschine
aus 1.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
in einem Längsschnitt eine als Zahnradmaschine 1 ausgebildete
hydraulische Arbeitsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Diese weist ein Maschinengehäuse 2 auf, welches
mittels zweier Gehäusedeckel 4 und 6 verschlossen
ist. Der in der 1 rechte Gehäusedeckel 6 der
Zahnradmaschine 1 ist von einer ersten Lagerwelle 8 durchgriffen,
auf welcher ein erstes Zahnrad 10 innerhalb des Maschinengehäuses 2 angeordnet
ist. Das erste Zahnrad 10 steht mit einem zweiten Zahnrad 12 über
eine Schrägverzahnung 14 in Eingriff, wobei das
Zahnrad 12 auf einer zweiten Lagerwelle 16 drehfest
angeordnet ist. Die erste und zweite Lagerwelle 8 und 16 sind
jeweils in zwei Gleitlagern 18, 20 bzw. 22, 24 geführt.
Die in der 1 rechten Gleitlager 20, 24 sind
dabei in einem Lagerkörper 26 und die in der 1 linken
Gleitlager 18, 22 in einem Lagerkörper 28 aufgenommen.
Die Zahnräder 10 und 12 sind in Axialrichtung
jeweils über eine erste Axialfläche 30 bzw. 32 auf
dem zweiten in 1 rechten Lagerkörper 26 und über
jeweils eine zweite Axialfläche 34 bzw. 36 auf
dem linken Lagerkörper 28 jeweils gleitend gelagert.
Gleitflächen zwischen den Zahnrädern 10, 12 und
den Lagerkörpern 26, 28 können
zur Verringerung der Reibung mit einer Gleitbeschichtung, wie MoS2, Graphit oder PTFE versehen sein. Die Lagerkörper 26 und 28 weisen
jeweils mit einer Stirnfläche 38 bzw. 40 zu
den Gehäusedeckeln 6 bzw. 4 hin.
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Die
Gehäusedeckel 4, 6 sind über
Zentrierbolzen 42 an dem Maschinengehäuse 2 ausgerichtet.
Zwischen den Gehäusedeckeln 4 und 6 und
dem Maschinengehäuse 2 ist eine Gehäusedichtung 44 angeordnet.
Des Weiteren ist eine Axialdichtung 46 jeweils in die Stirnflächen 38 und 40 der
Lagerkörper 26 bzw. 28 zur Trennung eines
Hoch- von einem Niederdruckbereich der Zahnradmaschine 1 eingebracht.
Ein Wellendichtring 48 dichtet den Durchgriff der ersten
Lagerwelle 8 durch den in der 1 rechten
Gehäusedeckel 6 ab.
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Im
Betrieb der Zahnradmaschine 1 treten innere hydraulische
und mechanische Kräfte auf, was schematisch in der folgenden 2 näher
erläutert ist.
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2 zeigt
in einer Seitenansicht eine vereinfachte Darstellung eines Pakets
aus Zahnrädern 10, 12 und Lagerkörpern 26, 28 zur
Erläuterung der in der Zahnradmaschine 1 aus 1 im
Betrieb im Wesentlichen durch die Schrägverzahnung 14 auftretenden
hydraulischen und mechanischen Kräfte. Eine Kraftkomponente
einer hydraulischen Kraft wirkt bei beiden Zahnrädern 10, 12 in
die gleiche axiale Richtung in der 2 nach links.
Zusätzlich wirkt auf ein treibendes Zahnrad, das in der 2 das
obere Zahnrad 10 ist, eine mechanische Kraftkomponente der
mechanischen Kraft in Wirkrichtung der hydraulischen Kraftkomponente
und auf ein angetriebenes Zahnrad, das in der 2 das
untere Zahnrad 12 ist, eine mechanische Kraftkomponente
entgegen die Wirkrichtung der hydraulischen Kraftkomponente. Die
hydraulischen und mechanischen Kraftkomponenten ergeben an beiden
Zahnrädern 10, 12 jeweils eine resultierende
Axialkraftkomponente 47, 49 in die gleiche Richtung
(in 2 nach links), allerdings mit einem unterschiedlichen
Betrag.
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Die
mit Axialkraftkomponenten 47, 49 beaufschlagten
Zahnräder 10 und 12 stützen
sich jeweils mit den Axialflächen 34 bzw. 36 an
dem in der 2 linken Lagerkörper 28 ab.
Der rechte Lagerkörper 26 wird von den auf die
Zahnräder 10, 12 wirkenden Axialkraftkomponenten 47, 49 nicht
belastet. Zur Verringerung des Verschleißes zwischen den
Zahnrädern 10, 12 und dem in 2 linken
Lagerkörper 28, werden die Zahnräder
mit einer Gegenkraft 50, 51 beaufschlagt, was
in der 2 mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichnet ist.
Die Vorrichtung zum Aufbringen der Gegenkräfte 50, 51 wird
im Folgenden anhand der 1 erläutert.
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In 1 sind
die Gegenkräfte 50, 51 aus 2 als
Druckkräfte auf in der Wirkrichtung der Axialkraftkomponenten
liegenden Wellenenden 52, 53 der Zahnräder 10, 12 beaufschlagt.
Ein Druck wirkt dabei über Außenanschlüsse 54 und 56 im
Wesentlichen auf eine jeweilige Wellenstirnfläche 58 bzw. 60 der
jeweiligen Lagerwellen 8 bzw. 16. Die Außenanschlüsse 54 und 56 sind
etwa koaxial zur jeweiligen Lagerwelle 8 bzw. 16 als
Durchgangsbohrungen in den in Wirkrichtung der Axialkraftkomponenten 47, 49 (siehe 2)
liegenden Gehäusedeckel 4 eingebracht. Es ist
jeweils ein Gewinde 62 in den Außenanschlüssen 54, 56 vorgesehen,
das zum Anschließen eines Druckanschlusses dient. An einer
Deckelaußenseite 64 sind jeweils im Bereich der
Außenanschlüsse 54, 56 Aussparungen 66 vorgesehen,
die eine etwa ebene Anlagefläche beispielsweise als Auflage
eines Dichtelements der Druckanschlüsse aufweisen. Die
Durchmesser der Außenanschlüsse 54, 56 sind
jeweils geringer als die Durchmesser der Wellenenden 50, 52 der
Lagerwellen 8, 16.
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Der über
die Außenanschlüsse 54, 56 auf
die Lagerwellen 8, 16 beaufschlagte Druck ist
beispielsweise vom Hochdruck der Zahnradmaschine 1 abgreifbar
oder stammt von einer oder mehreren externen Druckquellen. Die auf
die Lagerwellen 8, 16 wirkenden Drücke
können jeweils unterschiedlich sein. Bei einer gemeinsamen
Druckquelle der Außenanschlüsse 54, 56 ist
der auf das in 1 untere Zahnrad 12 wirkende
Druck über ein herkömmliches Druckverhältnisventil
um ein bestimmtes Druckverhältnis zu den auf das obere
Zahnrad 10 wirkenden Druck verringerbar, womit unterschiedlich
hohe Drücke auf die Zahnräder 10, 12 beaufschlagt
sind. Somit wirkt der in 2 größeren
Axialkraftkomponente 47 auch ein größerer
Druck entgegen. Das Druckverhältnisventil ist dabei stromaufwärts
von dem Außenanschluss 56 anordbar.
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Es
ist auch denkbar das an die Außenanschlüsse 54, 56 in 1 jeweils
an getrennten Druckquellen angeschlossen sind oder die Druckwirkflächen
der Lagerwellen 8, 16 eine unterschiedliche Größe
aufweisen, um verschiedene Druckkräfte auf die Zahnräder 10, 12 zu
beaufschlagen. So könnte beispielsweise der Durchmesser
des in
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1 oberen
Wellenendes 52 der Lagerwelle 8 größer
oder der Durchmesser des unteren Wellenendes 53 der unteren
Lagerwelle 16 kleiner als wie in der 1 dargestellt
sein.
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Die
Höhe der über die Außenanschlüsse 54, 56 auf
die Zahnräder 10, 12 wirkenden Gegenkräfte 50, 51 (siehe 2)
ist unterschiedlich einstellbar. Die auf die Zahnräder 10 und 12 wirkenden
Gegenkräfte 50, 51 sind kleiner, größer
oder gleich der jeweiligen auf die Zahnräder 10 bzw. 12 wirkenden
Axialkraftkomponenten 47 bzw. 49.
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Sind
die Gegenkräfte 50, 51 in 2 kleiner, dann
werden die Axialkraftkomponenten 47, 49 teilkompensiert,
wodurch eine Kraftresultierende aus den Gegenkräften 50, 51 und
den Axialkraftkomponenten 47, 49 jeweils auf die
Zahnräder 10, 12 in Richtung des in 1 linken
Lagerkörpers 28 wirkt und die Zahnräder 10, 12 dann
auf diesen gedrückt werden. Die Kraftresultierenden sind
damit als Axialspaltkompensation eines Gleitspalts zwischen den Axialflächen 34, 36 der
Zahnräder 10, 12 und dem Lagerkörper 28 einsetzbar.
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Entsprechen
die Gegenkräfte 50, 51 jeweils etwa den
Axialkraftkomponenten 47, 49, dann sind die Zahnräder 10, 12 im
Wesentlichen hydrostatisch („schwimmend”) gelagert.
Die Gleitreibung zwischen den Zahnräder 10, 12 und
den Lagerkörpern 26, 28 ist minimiert,
was einen geringen Verschleiß zur Folge hat.
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Bei überkompensierten
Axialkraftkomponenten 47, 49, wenn die Gegenkräfte 50, 51 höher
als die jeweilige Axialkraftkomponente 47, 49 sind,
dann wirkt eine Kraftresultierende aus den Gegenkräften 50, 51 und
den Axialkraftkomponenten 47, 49 jeweils auf die
Zahnräder 10, 12 in Richtung des in 1 rechten
Lagerkörpers 26. Hierbei dient die Kraftresultierende
als Axialspaltkompensation zwischen den Zahnrädern 10, 12 und
dem rechten Lagerkörper 26.
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Durch
die wie vorstehend erläutert unterschiedlich einstellbaren
Gegenkräften 50, 51 sind unterschiedliche
Formen der Axialspaltkompensation realisierbar. Wird die Zahnradmaschine 1 aus 1 beispielsweise
als Zahnradmotor eingesetzt, dann kann das Anlaufverhalten positiv
beeinflusst werden.
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Die
Wirkungsweise der vorstehend erläuterten Axialspalt- und
Axialkraftkompensation ist dabei unabhängig von der Bauart
der eingesetzten Lagerelemente und ist daher bei allen, für
die axiale Abdichtung von Zahnradmaschinen geeigneten Bauelementen
anwendbar. Gleiches gilt auch für die Art der Verzahnung
und deren Parameter. Eine derartige Axialspalt- und Axialkraftkompensation
ist sowohl in Außen- als auch in Innenzahnradmaschinen
einsetzbar.
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Die
Zahnradmaschine ist als Zahnradpumpe oder -motor einsetzbar.
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Offenbart
ist eine Zahnradmaschine mit einem Gehäuse zum Aufnehmen
zweier miteinander kämmender und insbesondere schrägverzahnter Zahnräder.
Diese sind axial mit Axialflächen zwischen Gehäuse
aufgenommen Lagerkörpern und radial mit jeweils einer in
den Lagerkörpern aufgenommenen Lagerwelle gleitend gelagert.
Im Betrieb der Zahnradmaschine treten hydraulische und mechanische
Kräfte auf, wobei eine Axialkraftkomponente dieser Kräfte
jeweils auf die Zahnräder in eine gleiche Axialrichtung
wirkt. Zum Entgegenwirken dieser Axialkraftkomponente ist vorgesehen,
dass ein in Wirkrichtung der Axialkraftkomponenten liegendes Wellenende
der Lagerwellen über zumindest einen Außenanschluss
mit einem gegen die Axialkraftkomponente wirkenden Gegendruck beaufschlagt
ist.
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- 1
- Zahnradmaschine
- 2
- Maschinengehäuse
- 4
- Gehäusedeckel
- 6
- Gehäusedeckel
- 8
- Lagerwelle
- 10
- Zahnrad
- 12
- Zahnrad
- 14
- Schrägverzahnung
- 16
- Lagerwelle
- 18
- Gleitlager
- 20
- Gleitlager
- 22
- Gleitlager
- 24
- Gleitlager
- 26
- Lagerkörper
- 28
- Lagerkörper
- 30
- Axialfläche
- 32
- Axialfläche
- 34
- Axialfläche
- 36
- Axialfläche
- 38
- Stirnfläche
- 40
- Stirnfläche
- 42
- Zentrierbolzen
- 44
- Gehäusedichtung
- 46
- Axialdichtung
- 47
- Axialkraftkomponente
- 48
- Wellendichtring
- 49
- Axialkraftkomponente
- 50
- Gegenkraft
- 51
- Gegenkraft
- 52
- Wellenende
- 53
- Wellenende
- 54
- Außenanschluss
- 56
- Außenanschluss
- 58
- Wellenstirnfläche
- 60
- Wellenstirnfläche
- 62
- Gewinde
- 64
- Deckelaußenseite
- 66
- Aussparungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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