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Die Erfindung betrifft eine Zahnradmaschine, insbesondere eine Außenzahnradpumpe, mit einer Druckumsteuerung. Die Zahnradmaschine weist ein Gehäuse mit Dichtelementen und eine in einem Innenraum gehalterte Zahnradanordnung aus zwei außen verzahnten Zahnrädern auf, die unter Ausbildung eines Zahnzwischenvolumens miteinander kämmen. Die Dichtelemente sind mit Druckumsteuernuten versehen, die im Bereich der Zahnradanordnung Steuerkanten ausbildend enden und über einen Dichtsteg voneinander getrennt angeordnet sind.
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Gattungsgemäße Außenzahnradpumpen sind kompakte und vergleichsweise einfach aufgebaute hydrostatische Verdrängereinheiten mit konstantem Hubvolumen und zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit aus. Außenzahnradpumpen zählen dabei zu den gebräuchlichsten hydrostatischen Verdrängereinheiten in der hydraulischen Antriebstechnik, weisen allerdings häufig vergleichsweise hohe Pulsationen im Saug- und Hochdruckbereich und damit verbunden eine erhöhte Geräuschemission auf, die aus einem sehr hohen Druckabbaugradienten während der Zahneingriffsphase resultiert. Infolge des Doppeleingriffs der Zahnräder wird das zwischen den jeweiligen Eingriffspunkten in den Zahnkammern eingeschlossene Fluidvolumen bei laufender Drehung der Zahnräder komprimiert und entspannt. Zur Verringerung der Pulsationen und damit der Schallemission sowie zur Entlastung der Lager ist eine Ausweichmöglichkeit für das im Zahneingriff zwischen den Zähnen herausgedrückte Fluid vorzusehen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Druck innerhalb des im Zahneingriff eingeschlossenen Fluidvolumens zu begrenzen, was mit der Ausbildung von Umsteuernuten in den Dichtelementen realisiert wird. Die Umsteuernuten verbinden das in den Zahnkammern eingeschlossene Volumen mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Zahnradpumpe, sodass die Kompression und Entspannung des ansonsten eingeschlossenen Fluids nicht in einem abgeschlossenen Volumen stattfinden. Durch die Verbindung sinken der maximale, im eingeschlossenen Volumen auftretende Fluiddruck, der Druckgradient und damit die Schallemissionen. Die Nuten gewähren dabei hochdruckseitig die Verdrängung des Druckmediums aus den Zahnzwischenvolumina sowie saugseitig das Nachströmen in die sich öffnenden Verdrängerräume, wobei eine ausreichende Dichtwirkung beim Abwälzen der Zahnräder zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich zu gewährleisten ist.
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Die hydraulischen Vorgänge im Zahneingriff, insbesondere die Druckumsteuerung vom Hoch- zum Niederdruckbereich, bewirken jedoch auch hochdynamische Kraftwechselvorgänge, die die Zahnräder zu Schwingungen anregen, deren Vibration über die Zahnkopfdichtspalte, die Lager sowie über das in den Zahnkammern eingeschlossene Fluid auf das Gehäuse übertragen und als Luftschall an die Umgebung emittiert werden. Während der abrupten Druckentlastung des im Zahneingriff eingeschlossenen Fluidvolumens ist zudem das Auftreten von Strahlkavitation möglich, die in Überlagerung mit Kavitation infolge von Füllungsverlusten während des saugseitigen Öffnungsvorganges der Zahnkammern Schäden an Pumpenbauteilen hervorrufen kann. In Summe führen die Pulsationen und die Vorgänge der Kavitation weiterhin zu einer erhöhten Geräuschabstrahlung. Auch die Lebensdauer der Außenzahnradpumpen wird dadurch verringert.
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Zudem üben die beispielsweise in den Lagerbrillen der Pumpen integrierten Umsteuernuten neben dem Einfluss auf die Ausprägung der Pulsation und den Druckabbaugradienten auch einen bedeutenden Einfluss auf die Höhe des volumetrischen Wirkungsgrades aus. Bekannte konstruktive Ausbildungen der Druckumsteuergeometrien von Außenzahnradpumpen nutzen einen hydraulischen Kurzschluss während des Druckumsteuervorgangs im Zahneingriff, eine sogenannte negative hydraulische Überdeckung. Dabei besteht für eine kurze Zeit eine Strömungsbrücke zwischen dem Hochdruckbereich und dem Saugdruckbereich der Pumpe.
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Die Druckumsteuerung mit negativer hydraulischer Überdeckung sieht die Entnahme von Druckmedium aus der Hochdruckzone vor. Durch die kurzzeitige Verbindung von Hochdruckanschluss, Zahneingriffsräumen und Sauganschluss werden zwar Druckspitzen des in den Zahneingriffsräumen eingeschlossenen Fluids während der Druckumsteuerung vermindert. Das Druckmedium, das über die Strömungsbrücke in den Saugbereich abströmt, wurde aber zuvor in die Hochdruckzone gefördert und dabei verdichtet. Für diesen Fördervorgang und Verdichtungsvorgang wurde Energie benötigt. Da in den Hochdruckbereich gefördertes Druckmedium teilweise wieder in den Niederdruckbereich zurückgeführt wird, sinken der volumetrische Wirkungsgrad sowie der Energienutzungsgrad der Pumpe. Zudem verstärkt die Entnahme eines Fluidvolumens aus dem Hochdruckbereich die Hochdruckpulsation. Eine Vergrößerung der Strömungsbrücke zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich ist zwar mit einer weiteren Verminderung des Druckabbaugradienten zur Reduzierung der Geräuschemission aber auch mit einer weiteren Verschlechterung des Wirkungs- und Energienutzungsgrades verbunden.
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In der
DE 199 15 784 A1 wird eine Zahnradpumpe, umfassend einen zwei im Eingriff befindliche Zahnräder umschließenden Gehäusekörper mit einer Grundplatte, einer Deckplatte und einem Gehäusemittelteil, beschrieben. Die Zahnräder teilen eine Pumpenkammer in einen Saugraum und einen Druckraum, die über einen Strömungskanal in Verbindung stehen. Der Querschnitt des von einer Ausnehmung unterhalb des Eingriffsbereichs der Zahnräder gebildeten Strömungskanals ist zur Justierung der Pumpe einstellbar. Der Strömungskanal stellt dabei einen jederzeit geöffneten Bypass als energetisch und volumetrisch ungünstigen Kurzschluss zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich der Zahnradpumpe dar.
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Im Stand der Technik sind jedoch auch Maßnahmen bekannt, mit denen die Geräuschentwicklung ohne wesentliche Verringerung des volumetrischen Wirkungsgrades der Außenzahnradpumpe beeinflusst wird.
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In der
US 3,833,317 A wird eine Zahnradmaschine mit hydrostatischen Lagerungen der Zahnräder zur Vermeidung einseitiger Abnutzung und Leckage offenbart. Anstatt der Lagerung der Zahnräder über Wellen, werden ringförmige hydrostatische Druckfelder, welche axial in Seitenplatten ausgebildet sind, vorgesehen. Die hydraulische Versorgung der ringförmigen Druckfelder wird durch Verbindungskanäle zwischen dem hochdruckseitigen Zahnzwischenvolumen und den ringförmigen Druckfeldern gewährleistet. Die Verbindungskanäle münden mit vergrößerten Bohrungen innerhalb der Seitenplatten im Bereich des Zahneingriffs. Damit werden Quetschöldrücke im Zahneingriffsbereich vermieden und die Zahnräder durch zentrierende hydrostatische Kräfte gelagert. Auf der Niederdruckseite ist in den Seitenplatten zusätzlich eine Aussparung ausgebildet, um während der Vergrößerung des Zahnzwischenvolumens eine kavitationsfreie Versorgung der auseinanderkämmenden Zahnräder zu ermöglichen.
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Aus der
DE 42 17 160 A1 geht eine Außenzahnradmaschine ohne einen Kurzschluss zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich mit einer an den Zahnradseitenflächen angeordneten Dichtkörpern hervor, wobei an den Dichtkörpern sacklochartige Vertiefungen ausgebildet sind. Die Vertiefungen befinden sich dabei im Eingriffsbereich der Zahnräder, sodass der zwischen den kämmenden Zähnen umschlossene Raum die Vertiefungen überstreicht. Die Zusatzvolumina in Form der Vertiefungen sind während der Druckumsteuerphase hydraulisch mit dem in den Zahnkammern eingeschlossenen Fluidvolumen verbunden. Die Anordnung der Vertiefungen gewährleistet somit eine Vergrößerung des eingeschlossenen Fluidvolumens und damit eine Verringerung der Druckspitzen und Schallemissionen.
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Die
EP 0 879 962 A1 offenbart eine Weiterentwicklung der
DE 42 17 160 A1 , wobei die sacklochartigen Vertiefungen mit Tilgerelementen versehen sind. Im drucklosen Zustand ist das Tilgerelement unausgelenkt und bündig mit der Oberfläche des Dichtkörpers angeordnet. Unter Druckbeaufschlagung wird die Position des Tilgerelementes verändert, sodass ein größenveränderliches Zusatzvolumen zum zwischen den kämmenden Zahnrädern umschlossenen Raum bereitgestellt wird. Das Zusatzvolumen ist wiederum während der Druckumsteuerphase hydraulisch mit dem in den Zahnkammern eingeschlossenen Fluidvolumen verbunden. Das Tilgerelement weist eine elastische Membran oder einen Kolben auf. Der Kolben ist gegen die von einer Druckfeder aufgebrachte Kraft oder den Systemdruck auf der durch die Zahnkammern eingeschlossenen Fluidvolumens gegenüberliegenden Kolbenseite bewegbar. Die fehleranfälligen Tilgerelemente sind konstruktiv sehr aufwändig und unterliegen auch aufgrund ihrer mechanischen Beweglichkeit erhöhtem Verschleiß und Ermüdung.
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Den im Stand der Technik bekannten Außenzahnradpumpen ist zueigen, dass die Verminderung von Druckpulsationen beziehungsweise Schallemissionen meist auch mit der Verminderung des volumetrischen Wirkungsgrades der Pumpe einhergehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch geeignete Maßnahmen eine Verminderung der Geräuschemission und der Druckpulsation bei gleichzeitiger Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades hydraulischer Außenzahnradpumpen zu erreichen. Die Verminderung der Geräuschemission soll dabei im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erheblicher sein. Durch die Verminderung der Druckpulsation ist die Lebensdauer der Außenzahnradpumpe zu erhöhen, was wiederum die Betriebskosten der Pumpe minimiert.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Zahnradmaschine mit einer Druckumsteuerung gelöst. Die Zahnradmaschine weist ein Gehäuse mit Dichtelementen und einem Innenraum sowie eine in dem Innenraum gehalterten Zahnradanordnung aus zwei außen verzahnten Zahnrädern auf. Die Zahnräder kämmen unter Ausbildung eines Zahnzwischenvolumens miteinander. Das Zahnzwischenvolumen wird im Bereich des Eingriffs der Zähne der Zahnräder gebildet. Die Dichtelemente sind mit Druckumsteuernuten ausgebildet. Die über einen Dichtsteg voneinander getrennt angeordneten Druckumsteuernuten enden im Bereich der Zahnradanordnung und weisen an den Enden Steuerkanten auf.
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Nach der Konzeption der Erfindung ist die Zahnradmaschine mit einer zusätzlichen hydraulischen Kapazität mit Verbindungskanälen ausgebildet. Die Verbindungskanäle stellen eine hydraulische Strömungsbrücke zwischen dem Zahnzwischenvolumen der Zahnräder und aktiven Bereichen der Zahnradmaschine her. Die Zähne der Zahnräder überstreichen dabei erfindungsgemäß die Öffnungen der Verbindungskanäle, sodass die Verbindungskanäle zeitgesteuert geöffnet und geschlossen werden.
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Unter aktiven Bereichen der Zahnradmaschine als zusätzliche hydraulische Kapazität sind innerhalb der Konstruktion vorhandene Volumina zu verstehen, die keinen zusätzlichen Konstruktionsaufwand und Platzbedarf verursachen, sondern Bereiche, die auch bei herkömmlichen Konstruktionen von Zahnradmaschinen ausgebildet sind. Durch eine geeignete Anordnung der Verbindungskanäle werden die aktiven Bereiche als Zusatzvolumen in den Druckumsteuerprozess innerhalb des Zahneingriffs, das heißt innerhalb des Zahnzwischenvolumens der Zahnräder eingebunden.
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Anstelle eines hydraulischen Kurzschlusses zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich, wie bei im Stand der Technik bekannten Zahnradmaschinen, wird bei der erfindungsgemäßen Zahnradmaschine die zusätzliche hydraulische Kapazität für den Druckumsteuervorgang im Bereich des Zahneingriffes über eine Umsteuergeometrie und Verbindungskanäle genutzt. Während des Druckumsteuervorgangs wird im Zahnzwischenvolumen eingeschlossenes, komprimiertes Fluid mit einem ebenfalls mit Druckmedium gefüllten zusätzlichen Volumen verbunden. Das zusätzlische Volumen und damit die Vergrößerung des Zahnzwischenvolumens bewirkt eine Verzögerung des Druckabbaus des innerhalb des Zahnzwischenvolumens eingeschlossenen Fluids. Das eingeschlossene Fluid strömt einerseits in Abhängigkeit des Druckniveaus in die zusätzliche hydraulische Kapazität ein, die andererseits mit zunehmender Vergrößerung des Zahnzwischenvolumens zu dessen hydraulischer Versorgung mit Fluid vorgesehen ist. Die Verbindung des Zahnzwischenvolumens mit der zusätzlichen hydraulischen Kapazität erfolgt dabei vorteilhaft in Abhängigkeit der Stellung beziehungsweise Position der Zahnräder drehwinkelgesteuert und damit auch zeitgesteuert.
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Die zusätzliche hydraulische Kapazität weist erfindungsgemäß ein Dekompressionsvolumen auf. Das Dekompressionsvolumen ist dabei über die Verbindungskanäle, das Zahnzwischenvolumen der Zahnräder und den Niederdruckbereich der Zahnradmaschine verbindend ausgebildet.
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Die drehwinkelgesteuerte Verbindung des Zahnzwischenvolumens mit dem Niederdruckbereich, als aktiver Bereich der Zahnradmaschine, bewirkt beispielsweise, dass nach der Druckumsteuerphase das Zahnzwischenvolumen über die hydraulische Verbindung mit dem Niederdruckbereich zusätzlich mit Fluid versorgt wird.
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Alternativ ist das Dekompressionsvolumen als abgeschlossenes Volumen ausgestaltet und weist lediglich eine hydraulische Verbindung zum Zahnzwischenvolumen der Zahnräder auf. Im Gegensatz zur Verbindung des Dekompressionsvolumens mit einem aktiven Bereich der Zahnradmaschine, wie dem Niederdruckbereich, erfolgt das Ausströmen von komprimiertem und innerhalb des Zahnzwischenvolumens eingeschlossenem Fluid lediglich in das abgeschlossene Dekompressionsvolumen. Auch die Versorgung des Zahnzwischenvolumens mit Fluid nach der Druckumsteuerphase erfolgt lediglich aus dem abgeschlossenen Dekompressionsvolumen.
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Anstatt als Dekompressionsvolumen ist die zusätzliche hydraulische Kapazität erfindungsgemäß als Zahnkammer in einem Druckaufbaubereich der Zahnradmaschine ausgebildet. Das Zahnzwischenvolumen innerhalb des Druckaufbaubereiches stellt das Zusatzvolumen dar, wobei die hydraulische Verbindung mit dem Zahnzwischenvolumen im Bereich des Zahneingriffs durch einen Verbindungskanal gewährleistet ist. Die Zahnkammer im Druckaufbaubereich, als aktiver Bereich der Zahnradmaschine, ist somit über den Verbindungskanal mit dem Zahnzwischenvolumen der Zahnräder im Bereich des Zahneingriffs hydraulisch verbunden. Der Austausch des Fluids innerhalb des Zahnzwischenvolumens, das heißt je nach Druckverhältnis innerhalb der verschiedenen Volumen das Ausströmen oder das Einströmen als Nachversorgung, während der Druckumsteuerphase erfolgt in Kommunikation mit dem Druckaufbaubereich.
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Dabei ist die Lage der hydraulischen Verbindung mit dem Druckaufbaubereich variierbar. Die unterschiedliche Anordnung der Mündung des Verbindungskanals zwischen dem Zahnzwischenvolumen und dem Druckaufbaubereich innerhalb des Druckaufbaubereiches bewirkt andere Druckverhältnisse und damit einen Einfluss auf den Austausch von Fluid innerhalb der Druckumsteuerphase. Damit ist wiederum das Druckniveau innerhalb des Zahnzwischenvolumens variierbar.
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Die hydraulische Verbindung des Zahnzwischenvolumens und dem Druckaufbaubereich erfolgt im Wechselspiel mit der Verzahnung. Sowohl das Öffnen und das Verschließen des Verbindungskanals an der Mündung in das Zahnzwischenvolumen als auch in den Druckaufbaubereich werden mittels des Überstreichens der Zähne der rotierenden Zahnräder realisiert.
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Die zusätzliche hydraulische Kapazität und die Verbindungskanäle sind bevorzugt in den Dichtelementen, das heißt in den Axialspaltbrillen, der Zahnradmaschine angeordnet. Damit sind vorteilhaft keine zusätzlichen Komponenten notwendig. Der Platzbedarf der Zahnradmaschine bleibt im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen unverändert, sodass die Zahnradmaschine eine kompakte Einheit darstellt. Die konstruktiven Veränderungen zum Stand der Technik beschränken sich lediglich auf die zusätzliche Anordnung von Ausnehmungen in Form von Kanälen beziehungsweise Volumen innerhalb der vorhandenen Dichtelemente der Zahnradmaschine.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Ausbildung der Steuerkanten, welche die Enden beziehungsweise den Abschluss der über einen Dichtsteg voneinander getrennt angeordneten Druckumsteuernuten bilden. Die Steuerkanten sind bevorzugt an die Flankengeometrie der Zahnräder angepasst, um das Überströmen des Fluids in das Zahnzwischenvolumen beziehungsweise aus dem Zahnzwischenvolumen in die Druckumsteuernuten in Verbindung mit der zusätzlichen hydraulischen Kapazität und den Verbindungskanälen posititv zu beeinflussen.
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Von Vorteil ist, wenn eine erste Druckumsteuernut oberhalb einer Eingriffslinie der Zahnräder in Richtung einer Achsenverbindungslinie der Zahnräder verlängert ausgebildet ist. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn eine zweite, der ersten Druckumsternut gegenüberliegende Druckumsteuernut unterhalb der Eingriffslinie der Zahnräder in Richtung der Achsenverbindungslinie der Zahnräder verlängert ausgestaltet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Verbindungskanal über eine langgestreckt ausgebildete Druckentlastungsbohrung mit dem Zahnzwischenvolumen der Zahnräder hydraulisch verbunden angeordnet ist. Die Druckentlastungsbohrung stellt dabei die Mündung des Verbindungskanals in das Zahnzwischenvolumen der Zahnräder dar.
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Die langgestreckt ausgebildete Druckentlastungsbohrung in Form eines Langloches ist dabei bevorzugt entlang einer Zahnflanke des Zahnrades, schräg zur Achsenverbindungslinie der Zahnräder ausgerichtet angeordnet. Nach einer alternativen Ausgestaltung erstreckt sich das Langloch der Druckentlastungsbohrung entlang der Achsenverbindungslinie der Zahnräder.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Zahnradmaschine mit der Druckumsteuerung werden die das Zahnzwischenvolumen der Zahnräder und die aktiven Bereiche der Zahnradmaschine hydraulisch verbindende Verbindungskanäle durch Überstreichen der Zähne der rotierenden Zahnräder zeitgesteuert geöffnet und/oder geschlossen. Das Überstreichen der Mündungen der Verbindungskanäle durch die Zähne stellt damit ebenso eine Drehwinkelsteuerung dar, bei der im Wechselspiel mit der Verzahnung die Mündungen der Kanäle freigegeben und/oder verschlossen werden.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist es, dass Fluid durch die Verbindungskanäle aus dem Zahnzwischenvolumen der Zahnräder in die zusätzliche hydraulische Kapazität oder aus der zusätzlichen hydraulischen Kapazität in das Zahnzwischenvolumen der Zahnräder geleitet wird, sodass die Größe des Volumens des innerhalb des Zahnzwischenvolumens eingeschlossenen Fluids variiert wird.
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Die Variation der Größe des Zahnzwischenvolumens, die dazugehörigen konstruktiven Maßnahmen bezüglich der Druckumsteuergeometrie und die damit verbundenen Vorgänge während der Druckumsteuerphase bewirken, dass der Druckumsteuervorgang zeitlich gedehnt abläuft. Unter der zeitlichen Dehnung ist eine Verringerung der Druckänderungsgeschwindigkeit innerhalb des Zahnzwischenvolumens zu verstehen. Die Verringerung der Druckänderungsgeschwindigkeit bedeutet zudem eine Verringerung des Druckabbaugradienten. Die damit verbundene Optimierung der Druckumsteuerphase innerhalb des Zahnzwischenvolumens im Bereich des Zahneingriffs mindern vorteilhaft die Druckstöße und die Schallemissionen der Zahnradmaschine.
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Da außerdem auf eine negative hydraulische Überdeckung zwischen der niederdruckseitigen und der hochdruckseitigen Umsteuergeometrie beziehungsweise den Druckumsteuernuten zugunsten einer Nullüberdeckung verzichtet wird, tritt kein Kurzschlussstrom von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite auf, sodass zudem die Druckpulsationen veringert werden und der volumetrische Wirkungsgrad der Zahnradmaschine ansteigt.
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Die erfindungsgemäße Lösung von Außenzahnradpumpen weist demzufolge zusammenfassend mit
- – der Minderung der Emission von Geräuschen,
- – der Minderung von Pulsationen und
- – der Steigerung des volumetrischen Wirkungsgrades als Teilwirkungsgrad des Gesamtwirkungsgrades der Maschine
diverse Vorteile auf.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: symmetrische Anordnung der Druckumsteuernuten
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1a: mit parallel ausgerichteten Steuerkanten (Stand der Technik) sowie Nullüberdeckung und
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1b: mit Steuerkanten mit negativer hydraulischer Überdeckung,
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2: modifizierte Anordnung der Druckumsteuernuten,
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3: Druckumsteuerung mit Dekompressionsvolumen
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3a: in Kombination mit den Flanken der Zahnräder in der Draufsicht,
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3b: und Druckumsteuernuten in perspektivischer Ansicht,
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4: Druckumsteuerung mit Druckentlastung in den Druckaufbaubereich
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4a: oberhalb der Eingriffslinie,
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4b: unterhalb der Eingriffslinie,
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4c: und Druckumsteuernuten in perspektivischer Ansicht sowie
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5a bis 5d: Variation der Anordnung und des Querschnitts der Öffnung des Verbindungskanals in das Zahnzwischenvolumen.
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1a zeigt eine Druckumsteuerung 1 mit einer symmetrischen Anordnung der Druckumsteuernuten 4a, 4b mit parallel ausgerichteten Steuerkanten 8a, 8b (Stand der Technik) sowie Nullüberdeckung. Die Druckumsteuernuten 4a, 4b sind mittels eines Dichtstegs 6 voneinander getrennt ausgebildet. Für die optimale Förderung des Fluids mit minimaler Pulsation muss zum einen die Dichtstegbreite 7 als Länge des hydraulischen Eingriffes 7, mit der Eingriffsteilung näherungsweise übereinstimmen. Die Eingriffsteilung entspricht dabei dem Abstand zwischen den Eingriffspunkten 10a, 10b auf der Eingriffslinie 5. Zum anderen sind die Druckumsteuernuten 4a, 4b, die als rechteckförmige Taschen ausgebildet sind, symmetrisch zur Achsenverbindungslinie 9 der Zahnräder 2a, 2b anzuordnen. Eine Verschiebung der Steuerkanten 8a, 8b in Richtung des Niederdruckbereiches ND oder des Hochdruckbereiches HD erhöht die Pulsation und verringert den volumetrischen Wirkungsgrad.
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Bei der Anordnung der Druckumsteuernuten 4a, 4b in Symmetriestellung zur Achsenverbindungslinie 9 mit Nullüberdeckung sind die zwischen den Zahnflanken eingeschlossenen Räume 12a, 12b gleich groß. Die Vorgänge innerhalb der eingeschlossenen Räume 12a, 12b, auch als Zahnzwischenvolumen 12a, 12b bezeichnet, sind für Geräuschanregungen maßgeblich. Die Druckumsteuernuten 4a, 4b sind in den axial benachbart zu den Zahnrädern 2a, 2b angeordneten, als Axialspaltbrillen ausgebildeten Dichtelementen der Zahnradpumpe angeordnet.
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In der Symmetriestellung wird das Fluid im Niederdruckbereich ND, das heißt auf der Saugseite der Pumpe, und das Fluid im Hochdruckbereich HD, das heißt auf der Druckseite der Pumpe, über die Dichtpunkte 10a, 10b der sich berührenden Zahnflanken voneinander getrennt, da auch die Steuerkanten 8a, 8b der Druckumsteuernuten 4a, 4b über diesen Punkten angeordnet sind. Die Zahnflanken weisen eine bestimmte Breite auf, über die sie sich berühren. Die Breite der Zahnflanken entspricht in 1a der Tiefenrichtung, sodass es sich bei den dargestellten Dichtpunkten 10a, 10b um Dichtlinien handelt, die in der Tiefenrichtung verlaufen. Die Zahnzwischenvolumina 12a, 12b sind bei den einflankengedichteten Außenzahnradpumpen über einen Zahnflankenspalt 11 hydraulisch miteinander verbunden, sodass ein Austausch von Fluid zwischen den Zahnzwischenvolumina 12a, 12b möglich ist.
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Bei einer Drehung des Zahnrades 2a in Drehrichtung 3a und der damit gekoppelten gleichzeitigen Drehung des Zahnrades 2b in Drehrichtung 3b wird zwischen dem Zahnzwischenvolumen 12a und der Druckumsteuernut 4a des Niederdruckbereiches ND eine Strömungsbrücke frei. Das vorgespannte Fluid entspannt sich nunmehr schlagartig in die Druckumsteuernut 4a. Dieser Vorgang ist mit sehr großen Druckänderungsgeschwindigkeiten verbunden, sodass die im Eingriff stehenden Zähne hochdynamisch zu Schwingungen angeregt werden. Mit zunehmender Drehzahl steigen die Druckspitzen innerhalb des Zahnzwischenvolumens 12a, 12b an.
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Bei der Ausbildung der Druckumsteuerung 1 mit symmetrischer Anordnung der Druckumsteuernuten 4a, 4b sowie negativer hydraulischer Überdeckung zwischen den Steuerkanten 8a, 8b und der Verzahnung in Symmetriestellung nach 1b haben die in das Zahnzwischenvolumen 12a, 12b überlappenden Druckumsteuernuten 4a, 4b während des Druckumsteuervorganges einen Kurzschlussstrom vom Hochdruckbereich HD in den Niederdruckbereich ND zur Folge, sodass ausgeprägte Druckpulsationen auftreten. Zudem beeinflusst der Kurzschlussstrom den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe negativ, da bereits in den Hochdruckbereich HD gefördertes Fluid wieder in den Niederdruckbereich ND zurückströmt. Im Vergleich zur Ausgestaltung nach 1a weisen die Druckumsteuernuten 4a, 4b an den Enden der Steuerkanten 8a, 8b Erweiterungen 16 auf, die die negative hydraulische Überdeckung gewährleisten. Damit werden Druckspitzen verringert und vermieden.
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2 zeigt eine modifizierte Anordnung der Druckumsteuernuten 4a, 4b einer Druckumsteurung 1. Die hochdruckseitige Druckumsteuernut 4b ist in Form einer Tasche unterhalb der Eingriffslinie 5 in Richtung des Niederdruckbereiches ND verlängert ausgebildet, um bis unmittelbar zur Symmetriestellung einen hydraulischen Kurzschluss zwischen dem Zahnzwischenvolumen 12a, 12b und dem Hochdruckbereich HD zu gewährleisten. Zudem ist die niederdruckseitige Druckumsteuernut 4a oberhalb der Eingriffslinie 5 bis zum Zahnzwischenvolumen 12a, 12b verlängert ausgestaltet, damit das Druckmedium während der Vergrößerung des Zahnzwischenvolumens 12a, 12b nach Verlassen der Symmetriestellung nicht nur über eine niederdruckseitige Bohrung einströmt. Die Trennung der niederdruckseitigen und der hochdruckseitigen Druckumsteuernut 4a, 4b unterhalb und oberhalb der Eingriffslinie bewirkt die Verhinderung eines hydraulischen Kurzschlusses während der Einzeleingriffsphase der Zahnräder 2a, 2b. Die Steuerkanten 8a, 8b der Druckumsteuernuten 4a, 4b verlaufen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, wie in den 1a, 1b gezeigt, nicht symmetrisch.
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Die modifizierte Anordnung der Druckumsteuernuten 4a, 4b der Druckumsteuerung 1 führt zur Verringerung von Niederdruckpulsationen und Hochdruckpulsationen und einer Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades der Pumpe.
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In den 3a und 3b wird eine Druckumsteuerung 1 mit einem Dekompressionsvolumen 15 dargestellt, wobei 3a die Druckumsteuerung 1 in Kombination mit den Flanken der Zahnräder 2a, 2b in der Draufsicht und 3b die Druckumsteuernuten 4a, 4b mit einem Dekompressionsvolumen 15 in perspektivischer Ansicht zeigen.
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Das vorgespannte, eingeschlossene Fluid strömt dabei während des Druckumsteuervorganges aus dem Zahnzwischenvolumen 12b durch einen Verbindungskanal 13 in das zunächst abgeschlossene Dekompressionsvolumen 15. Bei fortlaufender Rotation der Zahnräder 2a, 2b öffnet sich ein zweiter Verbindungskanal 14 als weitere Strömungsbrücke, die bis zu diesem Zeitpunkt durch einen Zahn des Zahnrades 2a abgedichtet war, sodass das Dekompressionsvolumen 15 nun mit dem Niederdruckbereich ND, auch als Ansaugbereich bezeichnet, der Pumpe hydraulisch verbunden ist. Der Verbindungskanal 14 wird somit in Abhängigkeit der Position des Zahnrades 2a mit dem Niederdruckbereich ND verbunden oder durch einen Zahn des Zahnrades 2a verschlossen.
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Das im Dekompressionsvolumen 15 eingeschlossene Fluid strömt einerseits in Abhängigkeit des Druckniveaus in den Niederdruckbereich ND aus und trägt andererseits mit zunehmender Vergrößerung des Zahnzwischenvolumens 12a, 12b zu dessen hydraulischer Versorgung mit Fluid bei. Dabei ist über den Verbindungskanal 14 des Dekompressionsvolumens 15 eine betriebspunktunabhängige Nachversorgung aus dem Niederdruckbereich ND gewährleistet.
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Die Größe des Dekompressionsvolumens 15 ist einerseits nach dem maximal zulässigen Druckgradienten und andererseits nach dem maximalen Fülldruck ausgelegt.
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Die hochdruckseitige Druckumsteuernut 4b weist eine Erweiterung 16 in Form einer zusätzlichen Tasche auf, die sich unterhalb der Eingriffslinie 5 in Richtung des Niederdruckbereiches ND erstreckt. Die Steuerkante 8b ist zudem den Konturen der Zahnflanke des Zahnrades 2a angepasst, damit das bis zur Symmetriestellung der Zahnräder 2a, 2b eingeschlossene Fluid in den Hochdruckbereich HD abführbar ist.
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Des Weiteren weist die niederdruckseitige Druckumsteuernut 4a eine an die Form der Zahnflanken der Zahnräder 2a, 2b angepasste, geschwungene Steuerkante 8a auf, um größere Überströmflächen zu gewährleisten und die lokalen saugseitigen Strömungsgeschwindigkeiten zu minimieren.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Druckumsteuergeometrien wird anstelle des hydraulischen Kurzschlusses zwischen dem Hochdruckbereich HD und dem Niederdruckbereich ND eine hydraulische Kapazität in Form eines zusätzlichen Dekompressionsvolumens 15 genutzt. Das innerhalb der Axialspaltbrille angeordnete Dekompressionsvolumen 15 dient während des Druckumsteuervorgangs als zusätzliches Volumen des Zahneingriffsbereichs. Die hydraulische Kapazität ist dabei über einen Verbindungskanal 13 mit dem Zahnzwischenvolumen 12a, 12b im Zahneingriff verbunden. Während des Druckumsteuervorgangs wird das im Zahneingriff beziehungsweise Zahnzwischenvolumen 12a, 12b eingeschlossene komprimierte Druckmedium mit dem mit Druckmedium gefüllten Dekompressionsvolumen 15 verbunden. Das Dekompressionsvolumen 15 stellt eine Kapazität mit einem konstanten Volumen dar, wobei das Volumen entweder komplett abgeschlossen ausgebildet ist oder durch die Anordnung der Verbindungskanäle 13, 14 und das Überstreichen der Öffnungen der Verbindungskanäle 13, 14 durch die Zähne der Zahnräder 2a, 2b je nach gewünschtem Druckumsteuerungsvorgang abwechselnd geöffnet oder geschlossen ist.
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Durch die Ausbildung der Druckumsteuerung 1 mit dem Dekompressionsvolumen 15 werden gegenüber herkömmlichen Systemen die Amplituden des Niederdruckes reduziert, zudem werden die Geräuschemission und Druckpulsationen vermindert.
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Die 4a bis 4c zeigen eine Druckumsteuerung 1 mit einer Druckentlastung jeweils in den Druckaufbaubereich 20 am Gehäuseumfang oberhalb der Eingriffslinie (4a) beziehungsweise unterhalb der Eingriffslinie (4b). In 4c sind die Druckumsteuernuten 4a, 4b mit einem Verbindungskanal 17, 18, 19 in den Druckaufbaubereich 20 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
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Während des Umsteuervorganges ist das Zahnzwischenvolumen 12a, 12b über die Verbindungskanäle 17, 18, 19 mit einer Zahnkammer im Druckaufbaubereich 20 verbunden. Die Verbindungskanäle 17, 18, 19 stellen somit einen hydraulischen Kurzschluss zwischen dem Zahnzwischenvolumen 12a, 12b und dem Druckaufbaubereich 20 dar. Die ausgewählte Position der Bohrung innerhalb des Druckaufbaubereiches 20 ermöglicht dabei die Variation des Druckniveaus. Das in 4c gezeigte Volumen 20 verkörpert das Volumen einer Zahnkammer im Druckaufbaubereich 20 in einer Prinzipdarstellung.
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Der Verbindungskanal 17, 18 mündet mit einer Bohrung im Eingriffsbereich der Zahnräder 2a, 2b, das heißt im Bereich des Zahnzwischenvolumens 12a, 12b, wobei die Lage und Größe der Bohrung die Ausprägung des hydraulischen Kurzschlusses während der Einzeleingriffsphase beeinflusst.
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Über die hydraulische Verbindung, das heißt die Verbindungskanäle 17, 18, 19, wird das Druckniveau im Zahnzwischenvolumen 12a, 12b zunächst abgesenkt, wobei die Druckänderungsgeschwindigkeit unmittelbar durch die Lage und Größe der Verbindungskanäle 17, 18, 19 einstellbar ist. Die im Vergleich zur Entlastung in den Niederdruckbereich ND mittels der Druckumsteuerung 1 nach 3 geringere Druckdifferenz begünstigt bereits in der ersten Druckumsteuerungsphase einen allmählicheren und verzögerten Druckabbau.
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Der Druckabbau läuft in einer größeren Zeitspanne ab, der Druckabbaugradient wird reduziert. In der zweiten Druckumsteuerphase kehren sich die Druckverhältnisse im Zahnzwischenvolumen 12a, 12b und in der Zahnkammer im Druckaufbaubereich 20 um. Dann wird das Zahnzwischenvolumen 12a, 12b von der Zahnkammer im Druckaufbaubereich 20 nachversorgt, sodass ein Druckabfall unterhalb eines kritischen kavitationsinduzierenden Grenzwertes im Zahnzwischenvolumen 12a, 12b verhindert wird, solange die hydraulische Verbindung über die Steuerkante 8a mit dem Zahnzwischenvolumen 12a, das heißt die Strömungsbrücke zum Niederdruckbereich ND, zur Versorgung des Zahnzwischenvolumens 12a, 12b kinematisch bedingt noch unzureichend groß ist.
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Die Druckumsteuerungen 1 mit Druckentlastung in den Druckaufbaubereich 20 nach den 4a und 4b unterscheiden sich bezüglich der Anordnung der Entlastungsbohrung als Anschluss des Verbindungskanals 17, 18 innerhalb der Zahnzwischenvolumina 12a, 12b. Bei der Druckumsteuerung 1 nach 4a mündet der Verbindungskanal 17 in das Zahnzwischenvolumen 12a, 12b oberhalb der Eingriffslinie 5. Die Bohrung ist oberhalb der Eingriffslinie 5 vorgesehen. Im Gegensatz dazu mündet der Verbindungskanal 18 bei der Ausgestaltung nach 4b unterhalb der Eingriffslinie 5 in das Zahnzwischenvolumen 12a, 12b.
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Die Druckumsteuerungen 1 weisen große Überströmflächen und Einströmflächen an den der Zahnkontur nachempfundenen Steuerkanten 8a, 8b der Druckumsteuernuten 4a, 4b auf.
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Durch die Ausbildung der Druckumsteuerung 1 mit einer Druckentlastung des Zahnzwischenvolumens 12a, 12b über ein Kanalsystem in den Druckaufbaubereich 20 werden die Niederdruckpulsation und die Hochdruckpulsation gegenüber herkömmlichen Systemen verringert. Die Druckänderungsgeschwindigkeit und damit die Geräuschemission werden reduziert. Der volumetrische Wirkungsgrad wird erhöht.
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Mit der Veränderung der Lage der hydraulischen Verbindung mit dem Druckaufbaubereich 20 ist das Druckniveau innerhalb des Volumens der zusätzlichen hydraulischen Kapazität variierbar. Das Volumen der Zahnkammern innerhalb des Druckaufbaubereichs 20 dient als zusätzliche hydraulische Kapazität, wobei die hydraulische Verbindung mit dem Zahnzwischenvolumen 12a, 12b durch die in den Axialspaltbrillen angeordneten Verbindungskanäle 17, 18, 19 gewährleistet ist. Die hydraulische Verbindung erfolgt dabei im Wechselspiel mit der Verzahnung der Zahnräder 2a, 2b. Die Verbindungskanäle 17, 18, 19 werden sowohl im Eingriffsbereich der Zahnräder 2a, 2b als auch im Druckaufbaubereich 20 durch Überstreichen ihrer Öffnungen verschlossen und/oder geöffnet.
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In den 5a bis 5d sind verschiedene Varianten der Anordnung und des Querschnitts der Öffnung des Verbindungskanals 17, 18 in das Zahnzwischenvolumen 12a, 12b, des Weiteren auch als Druckentlastungsbohrung 21 bezeichnet, dargestellt, wobei die 5b bis 5d gegenüber 5a weitere Ausgestaltungen zeigen. Die Form und Größe der Druckentlastungsbohrung 21 zielt auf die Ausgestaltung des effektiven freigegebenen beziehungsweise beim Überstreichen durch die Zähne der Zahnräder 2a, 2b verschlossenen Strömungsbereiche und die Dauer der jeweiligen Öffnungszeiten und Verschlusszeiten der Öffnung ab.
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5b zeigt eine entlang der Achsenverbindungslinie 9 langgestreckt ausgebildete Druckentlastungsbohrung 21, während die 5c und 5d entlang der Zahnflanke ausgerichtete und ausgedehnte Druckentlastungsbohrungen 21 offenbaren. Die jeweils als Langloch beziehungsweise langgestreckte Bohrung ausgebildeteten Druckentlastungsbohrungen 21 ermöglichen ein allmähliches Verschließen und Freigeben der Öffnung beim Überstreichen der Zähne.
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Die unterschiedlichen Ausbildungen der Druckentlastungsbohrung 21 führen in Kombination mit den angepassten Steuerkanten 8a, 8b der Druckumsteuernuten 4a, 4b einerseits zur Verminderung von Druckspitzen innerhalb des im Zahnzwischenvolumen 12a, 12b eingeschlossenen Fluids und andererseits zur Verminderung von Kurzschlussströmen. Die Kombinationen der Ausbildungen der Druckentlastungsbohrung 21 mit den Auslenkungen und Erweiterungen der Druckumsteuernuten 4a, 4b in Richtung der Austrittsöffnungen ermöglichen eine optimale Druckumsteuerung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckumsteuerung
- 2a, 2b
- Zahnrad
- 3a, 3b
- Drehrichtung
- 4a, 4b
- Druckumsteuernut
- 5
- Eingriffslinie
- 6
- Dichtsteg
- 7
- Dichstegbreite, hydraulischer Eingriff
- 8a, 8b
- Steuerkante
- 9
- Achsenverbindungslinie
- 10a, 10b
- Eingriffspunkt, Dichtpunkt
- 11
- Zahnflankenspalt
- 12a, 12b
- eingeschlossener Raum, Zahnzwischenvolumen
- 13, 14
- Verbindungskanal
- 15
- Dekompressionsvolumen
- 16
- Erweiterung, Tasche
- 17, 18, 19
- Verbindungskanal
- 20
- Volumen, Druckaufbaubereich
- 21
- Druckentlastungsbohrung
- ND
- Niederdruckbereich
- HD
- Hochdruckbereich
