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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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Nachteilig
bei dieser Lösung ist, dass das gesamte Paket aus Lagerkörpern
und Zahnrädern auf den zweiten Gehäusedeckel der
Zahnradmaschine gepresst ist, wodurch der zweite Gehäusedeckel
und das Gehäuse sehr hoch und ungleichmäßig
belastet sind. Durch das Zusammenpressen der Zahnräder und
der Lagerkörper tritt ein recht hoher Verschleiß zwischen
den Axialflächen der Zahnräder und den Lagerkörpern
auf. Des Weiteren erfordert das Aufbringen der Gegenkraft auf die
Lagerwellen und die Lagerkörper einen hohen vorrichtungstechnischen Aufwand
mit einer Vielzahl von Bauteilen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hydraulische Zahnradmaschine
zu schaffen, die vorrichtungstechnisch einfach und mit einer geringen
Anzahl von Bauteilen aufgebaut ist und einen niedrigen Verschleiß aufweist.
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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 von zwei
miteinander kämmenden, und insbesondere schrägverzahnten
Zahnrädern. Diese sind axial mit Axialflächen
zwischen im Gehäuse aufgenommenen Lagerkörpern und
radial mit jeweils einer in den Lagerkörpern aufgenommenen
Lagerwelle gleitend gelagert. Auf jeweils ein Zahnrad wirkt im Betrieb
der Zahnradmaschine eine Axialkraftkomponente einer aus im Betrieb
auftretenden hydraulischen und mechanischen Kräften resultierenden
Kraft in eine gleiche Axialrichtung. Zumindest ein Druckfeld ist
zwischen zumindest einer in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente liegenden
Axialfläche eines Zahnrads und dem an die zumindest eine
Axialfläche angrenzenden Lagerkörpern vorgesehen.
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Diese
Lösung hat den Vorteil, dass durch das Druckfeld eine gegen
die Axialkraftkomponente wirkende Gegenkraft auf die Zahnräder
ohne zusätzliche Bauteile aufbringbar ist. Des Weiteren
wird durch das Druckfeld die als Anpresskraft wirkende Axialkraftkomponente
der Zahnräder verkleinert, wodurch die Gleittreibung zwischen
den Zahnrädern und den in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente
liegenden Lagerkörpern verringert und Verschleiß minimiert
ist.
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Vorzugsweise
sind die Zahnräder schräg verzahnt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den in Wirkrichtung
der Axialkraftkomponente liegenden Axialflächen der Zahnräder
und der den Axialflächen gegenüberliegenden Gleitflächen des
Lagerkörpers jeweils ein Druckfeld vorgesehen. Dies hat
den Vorteil, dass die Druckfelder eine unterschiedliche Größe
aufweisen können, wodurch die jeweiligen Zahnräder
mit einer unterschiedlichen Druckkraft beaufschlagbar sind.
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Die
Druckfelder können einfach als Drucktaschen ausgebildet
sein.
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Von
Vorteil ist, wenn die Drucktaschen in die Gleitflächen
des in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente liegenden Lagerkörpers
als in der Herstellung kostengünstige Drucknuten eingebracht
sind.
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Vorzugsweise
ist eine erste Drucknut konzentrisch umlaufend um ein erstes Lagerauge
und eine zweite Drucknut einen Teilkreis umgreifend um ein zweites
Lagerauge in die Gleitfläche des in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente
liegenden Lagerkörpers eingebracht, wodurch unterschiedliche
Wirkflächen der Drucknuten realisiert sind.
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Mit
Vorteil sind die Drucknuten über Anschlussnuten mit dem
Hochdruck der Zahnradmaschine in Druckmittelverbindung. Hierdurch
ist die in den Drucknuten wirkende Druckkraft an die Betriebsbedingungen
der Zahnradmaschine koppelbar.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Drucktaschen
in die in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente liegenden Axialflächen
der Zahnräder eingebracht.
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Die
Drucktaschen sind einfach fertigbar entlang eines Umfangabschnitts
um die jeweilige Lagerwelle der Zahnräder ausgebildet,
wodurch auch ein geringer Leckagespalt auftritt.
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Damit
eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Zahnräder
erfolgen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Drucktaschen umlaufend
um die jeweilige Lagerwelle der Zahnräder ausgebildet sind.
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Vorzugsweise
wird zur Erhöhung der Wirkfläche der Drucktaschen
zumindest eine Drucktasche um in den Zahnstirnflächen der
Zähne des Zahnrads eingebrachte Zahntaschenabschnitte erweitert.
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Die
Druckölversorgung der Drucktaschen kann über den
angrenzenden Lagerkörper erfolgen, wobei die Drucktaschen
beispielsweise mit Hochdruck der Zahnradmaschine in Druckmittelverbindung
stehen.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einem Längsschnitt eine vereinfachte Darstellung einer
Zahnradmaschine;
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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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3 in
einer Längsschnittansicht eine vereinfachte Darstellung
von Lagerkörpern und Zahnrädern der Zahnradmaschine
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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4 eine
Draufsicht auf den einen Lagerkörper aus 3 aus
Richtung der Zahnräder; und
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5 eine
Draufsicht auf eine Stirnseite der Zahnräder der Zahnradmaschine
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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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 hydraulische und mechanische
Kräfte auf, was schematisch in der folgenden 2 näher
erläutert ist.
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2 zeigt
in einer Seitenansicht eine vereinfachten Darstellung eines Pakets
aus Zahnrädern 10 und 12 und Lagerkörpern 26 und 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
einer 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 58, 60 beaufschlagt, was
in der 2 mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichnet ist.
Die Pfeile symbolisieren durch ihre Länge und ihre Richtung
den Betrag und die Richtung der Gegenkräfte 58 und 60.
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In
der 3 ist in einer Längsschnittansicht eine
vereinfachte Darstellung von den Lagerkörpern 26, 28 und
den Zahnrädern 10, 12 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Zahnradmaschine 1 aus 1 offenbart.
Zur Beaufschlagung der Zahnräder 10, 12 mit
der Gegenkraft ist ein Druckfeld zwischen den in der Wirkrichtung
der Axialkraftkomponenten 47, 49 liegenden Axialflächen 34 und 36 der
jeweiligen Zahnräder 10 bzw. 12 und den
den Axialflächen 34 und 36 gegenüberliegenden
Gleitflächen 50 bzw. 52 des Lagerkörpers 28 vorgesehen.
Die Lagerkörper 26, 28 können
wie aus den 2 und 3 ersichtlich
zweiteilig aufgebaut sein. Das Druckfeld wird durch in die Gleitflächen 50 und 52 jeweils
eingebrachte Drucknuten 54 bzw. 56 und den jeweiligen Axialflächen 34 bzw. 36 begrenzt.
Durch das Druckfeld auf den Lager körper 28 und
die Zahnräder 10, 12 wirkende Druckkräfte 58, 60 sind
vereinfacht durch Doppelpfeile in der 3 gekennzeichnet,
wobei der Lagerkörper 28 zur besseren Darstellbarkeit
der Druckkräfte 58, 60 nach links versetzt
ist. Die Ausgestaltung der Drucknuten 54, 56 ist
in der folgenden 4 ersichtlich.
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4 offenbart
in einer Draufsicht die Gleitflächen 50, 52 des
brillenförmigen Lagerkörpers 28 aus 3.
Die erste Drucknut 54 ist umlaufend um ein in der 4 oberes
Lagerauge 62 in die Gleitfläche eingebracht. Die
zweite Drucknut 56 ist einen Teilkreis umgreifend um ein
unteres Lagerauge 64 im Wesentlichen im Hochdruckbereich
der Zahnradmaschine 1 aus 1 ausgebildet.
Die Drucknuten 54, 56 sind über Radialnuten 66 mit
dem Hochdruck der Zahnradmaschine 1 in Druckmittelverbindung.
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Durch
die in den 3 und 4 in den Gleitflächen 50 und 52 jeweils
eingebrachte Drucknuten 54 bzw. 56 werden die
Zahnräder 10, 12 und der Lagerkörper 28 mit
den Druckkräften 58, 60 beaufschlagt.
Die Druckkräfte 58, 60 wirken gegen die Axialkraftkomponenten 47, 49 wodurch
die Gleitreibung und der Verschleiß zwischen den Zahnräder 10, 12 und
dem Lagerkörper 28 verringert ist. Die Größe der
Drucknuten 54, 56 ist dabei derart ausgelegt, dass
die die Zahnräder 10, 12 beaufschlagenden
Axialkraftkomponenten 47, 49 durch die Druckkräfte 58, 60 im
Wesentlichen kompensiert werden und die Zahnräder 10, 12 somit
nahezu hydrostatisch gelagert sind. Die in 3 obere
Axialkraftkomponente 47 weist einen größeren
Betrag als die untere Axialkraftkomponente 49 auf, weshalb
die obere Drucknut 54 aus 4 großflächiger
als die untere Drucknut 56 ausgebildet ist und die Druckkraft 58 größer
als die Druckkraft 60 ist.
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Die 5 zeigt
eine Draufsicht auf die Axialflächen 34, 36 der
Zahnräder 10, 12 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Zahnradmaschine 1 aus 1.
Hierbei wird das Druckfeld nicht wie in der 3 durch
in den Lagerkörper 28 eingebrachte Drucknuten 54, 56,
sondern durch jeweils in die Axialflächen 34 und 36 der
Zahnräder 10 bzw. 12 eingebrachte Drucktaschen 68 bzw. 70 begrenzt.
Die in der 5 untere Drucktasche 70 des
Zahnrads 12 ist als Ringnut ausgebildet, die umlaufend
in die Axialfläche 36 zwischen Zahnstirnflächen 72 von
Zähnen 74 des Zahnrads 12 und einer Außenmantelfläche
der Lagerwelle 16 eingebracht ist. Die in der 5 obere Druckta sche 68 des
Zahnrads 10 hat zusätzlich zu einer der Drucktasche 70 entsprechenden
Ringnut in den Zahnstirnflächen 72 eingebrachte
Zahntaschenabschnitte 76, womit die Drucktasche 68 somit
großflächig in die Axialfläche 34 eingebracht
ist. Radial begrenzt wird die Drucktasche 68 dann mit einer
um den Umfang des Zahnrads 10 umlaufenden Wandung 78.
Die Drucktaschen 68, 70 sind mit dem Hochdruck
der Zahnradmaschine 1 aus 1 beispielsweise über
Anschlussnuten in dem angrenzenden Lagerkörper 28 (siehe 1)
in Druckmittelverbindung.
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Durch
die Drucktaschen 68, 70 der Zahnräder 10, 12 werden
die Druckkräfte 58, 60 aus den 2 und 3 im
Wirkbereich der mit Axialkraftkomponenten 47, 49 beaufschlagten
Zahnräder 10, 12 auf den Lagerkörper 28 eingebracht.
Da die in der 5 obere Drucktasche 68 eine
größere axiale Druckangriffsfläche als
die untere Drucktasche 70 aufweist, ist die auf das obere
Zahnrad 10 wirkende Druckkraft höher.
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Alternativ
ist denkbar, dass die Drucktaschen 68, 70 aus 5 nicht
umlaufend, sondern nur einen Teilkreis umgreifend und eine größere
radiale Breite aufweisend in die Zahnräder 10, 12 eingebracht
sind. Hierdurch könnte beispielsweise die Fertigung vereinfacht
sein und ein Leckagespalt verkleinert werden, was zu geringeren
hydraulischen Verlusten führen würde.
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Die
Wirkungsweise der vorstehend erläuterten 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 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 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
hyd raulische und mechanische Kräfte auf, wobei eine Axialkraftkomponente
dieser Kräfte jeweils auf die Zahnräder in eine
gleiche Axialrichtung wirkt. Zum Entgegenwirken dieser Axialkraftkomponente
ist ein Druckfeld zwischen zumindest einer in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente
liegenden Axialfläche eines Zahnrads und dem an die zumindest
eine Axialfläche angrenzenden Lagerkörper vorgesehen.
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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
- Gleitfläche
- 52
- Gleitfläche
- 54
- Drucknut
- 56
- Drucknut
- 58
- Druckkraft
- 60
- Druckkraft
- 62
- Lagerauge
- 64
- Lagerauge
- 66
- Radialnut
- 68
- Drucktasche
- 70
- Drucktasche
- 72
- Zahnstirnfläche
- 74
- Zahn
- 76
- Zahntaschenabschnitt
- 78
- Wandung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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