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Die Erfindung betrifft Innenzahnradpumpen, die beispielsweise als Ölpumpen zur Versorgung von Verbrennungsmotoren mit Schmieröl zur Anwendung kommen. Innenzahnradpumpen weisen einen innenverzahnten Außenläufer und exzentrisch zu diesem angeordnet einen außenverzahnten Innenläufer auf, wobei die bei Rotation sich periodisch vergrößernden und verkleinernden Zahnzwischenräume die Ölförderung bewirken. Derartige Innenzahnradpumpen sind auch als Gerotorpumpen oder Duocentricpumpen bekannt. Bei herkömmlich ausgebildeten Innenzahnradpumpen wird der Innenläufer angetrieben, während der Außenläufer an seinem großen Durchmesser in einem Gehäuse gleitgelagert ist. Durch den großen Reibradius sowie hohe Umfangsgeschwindigkeiten verursacht der Außenläufer entsprechend hohe Reibungsverluste, weshalb diese Pumpenausbildung für die Ölversorgung moderner Verbrennungsmotoren kaum noch verwendet wird. Alternativ hierzu ausgebildete Innenzahnradpumpen vermeiden die hohen Reibungsverluste des Außenläufers, in dem der Außenläufer entweder in einem hohlen Zapfen einer ihn antreibenden Welle oder aber direkt an einem drehgelagerten Pumpenantriebsrad angeordnet ist.
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Hierzu zeigt die
DE 3504306 A1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Innenzahnradpumpe. Die gegenüberliegend zu einem stirnseitigen Pumpengehäuse direkt in einem hohlen Endzapfen einer Kurbelwelle angeordneten Außen- und Innenläufer müssen ein relativ großes Axialspiel aufweisen, dass zum einen das Kurbelwellenaxialspiel berücksichtigt und zum anderen auch alle axialspielwirksamen verschleiß- und temperaturbedingten Veränderungen während des Motorbetriebs erlaubt. Durch das relativ große Axialspiel von Außen- und Innenläufer ergibt sich nachteilig eine erhöhte Pumpenleckage. In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Innenzahnradpumpe in einem sie antreibenden Zahnrad angeordnet.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die
DE 3506928 C2 für eine in einem Endzapfen einer Kurbelwelle angeordnete Innenzahnradpumpe eine Lösung, bei der der Außenläufer und der Innenläufer zwischen einem äußeren Pumpengehäuse und einem mit diesem verbundenen inneren Deckel rotieren. Das Axialspiel der Außen- und Innenläufer kann gegenüber der
DE 3504306 A1 vorteilhaft niedrig gehalten werden.
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Die
DE 10337847 A1 zeigt eine Hochdruck-Einspritzpumpe, bei der in einem vergrößerten Endzapfen einer Pumpenwelle ein Außenläufer und ein Innenläufer einer Niederdruckpumpe angeordnet sind. Der stirnseitig axial abschließende Deckel ist am Gehäuse der Hochdruckpumpe befestigt. Gegenüberliegend zum Deckel liegt eine von einer Feder vorgespannte Platte axial am Außenläufer und am Innenläufer an. Die an die Förderräder angedrückte, mit der Pumpenwelle rotierende Platte minimiert gegenüber der
DE 3504306 A1 die Leckagen und gegenüber der
DE 3506928 C2 die Reibung.
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Die
DE 102018000533 A1 zeigt für eine Innenzahnradpumpe eine Lösung, bei der ein drehfest in einem rotierenden Hohlzapfen angeordneter Außenläufer einen auf einem exzentrisch zum Außenläufer auf einem Bolzen drehgelagerten Innenläufer antreibt. Ein den Bolzen aufnehmender Pumpendeckel ist im Hohlzapfen mit geringem Spiel axial und radial drehgelagert. Der Pumpendeckel stützt sich durch Formschluss drehfest an einem Gehäusedeckel ab. In einer Ausbildung ist die Innenzahnradpumpe an einem Antriebsrad befestigt, das auf einem gehäusefesten Bolzen drehgelagert ist.
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Generell sind die reibungsarm in einem hohlen Endzapfen einer Welle angeordneten Innenzahnradpumpen in ihrer Baugröße und damit in ihrem Fördervolumen beschränkt. Diesbezüglich vorteilhafter sind direkt an einem Antriebsrad befestigte und dessen Lagerung nutzende Innenzahnradpumpen, die in dieser Ausbildung als reibungsarme Schmierölpumpen für Verbrennungsmotoren geeignet sind. Während reduzierte Axialspiele der Förderräder minimale Leckagen bewirken, rufen sie erhöhte Reibungsverluste hervor. Hier gilt es, den richtigen Kompromiss zu finden. Erschwerend hierbei sind Bauteiltoleranzen, aber auch im Betrieb auftretende Wärmeausdehnungen und Verschleißeffekte maßgeblicher Pumpenbauteile.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Innenzahnradpumpe so auszubilden, dass sie gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht ist, die inneren Ölleckagen gering hält und die Antriebsleistung der Innenzahnradpumpe durch niedrige Reibungsverluste minimiert.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1, Ausgestaltungen hierzu beschreiben die Unteransprüche.
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Bei der bevorzugten Lösung der Innenzahnradpumpe ist diese als Ölpumpe für einen Verbrennungsmotors ausgebildet, um dessen Druckölsystem mit Öl zu versorgen. Die Innenzahnradpumpe ist an einem Antriebsrad angeordnet, dass entweder als Zahnrad oder Kettenrad ausgebildet ist und von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Das Antriebsrad ist bevorzugt auf einem einzigen Kugellager drehgelagert, das auf einem verdrehgesichert mit einem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors verschraubten Bolzen angeordnet ist. Am Antriebsrad ist ein als Außenläufer mit einer Innenverzahnung ausgebildetes Förderzahnrad befestigt. Der Außenläufer steht mit einem Innenläufer in Zahneingriff, der als außenverzahntes Förderzahnrad ausgebildet ist. Der Innenläufer ist auf einem exzentrisch zum Außenläufer angeordneten Lagerzapfen drehgelagert. Der Lagerzapfen ist vorzugsweise einteilig mit dem das Kugellager tragenden Bolzen ausgebildet, so dass die beiden in Zahneigriff befindlichen Förderzahnräder relativ präzise zueinander geführt sind. Die Förderzahnräder sind axial einerseits vom Antriebsrad und gegenüberliegend andererseits von einer Stirnfläche eines Deckels eingeschlossen. Der Deckel ist Bestandteil einer relativ großflächig ausgebildeten Gehäuseabdeckung, die den Ölraum der Innenzahnradpumpe und den von der Kurbelwelle erfolgenden Antrieb umschließt und mit dem Kurbelgehäuse verschraubt ist. Die Innenzahnradpumpe saugt über eine in der Gehäuseabdeckung angeordnete Saugleitung Öl aus einem Ölsumpf des Verbrennungsmotors an, während sie es dann unter Öldruck über eine in der Gehäuseabdeckung angeordnete Druckleitung dem Druckölsystem des Verbrennungsmotors zuführt. Ein bevorzugt in der Gehäuseabdeckung angeordnetes Bypassventil begrenzt in bekannter Weise den Öldruck. Mit einem zusätzlich an ihm angeordneten elektrischen Regler kann den Öldruck des Verbrennungsmotors bedarfsgerecht absenkt werden, um die Antriebsleistung der Innenzahnradpumpe weiterhin zu reduzieren.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Innenzahnradpumpe kann das für deren hydraulischen Wirkungsgrad bedeutsame Axialspiel der Förderzahnräder im Sinne minimaler Leckageverluste sehr genau eingestellt werden. Vorzugsweise weist hierzu der Lagerzapfen zum auf ihm drehgelagerten inneren Förderzahnrad axial einen gewissen Rückstand auf, in dem eine Distanzscheibe mit ausgewählter Dicke angeordnet ist. Deren Dicke wird vor der Montage des Deckels aus dem gemessenen Rückstand des Lagerzapfens und dem axialen Sollspiel ermittelt. Eine Verschraubung drückt den radial ausgerichteten Deckel bei optimalem Axialspiel zu der Förderzahnrädern gegen die Distanzscheibe. Hierbei wird die relativ hohe Elastizität der großflächig am Kurbelgehäuse befestigten Gehäuseabdeckung für eine problemlose Axialspieleinstellung genutzt. Das hinsichtlich Leckagen und Reibung optimal eingestellte Axialspiel ist lediglich durch den minimalen Verschleiß des Kugellagers und der Gleitflächen der Förderzahnräder veränderlich. Temperaturbedingte Bauteilausdehnungen spielen für das Axialspiel der Förderzahnräder keine Rolle, wenn die Wärmedehnungen der Förderzahnräder und des Lagerzapfens, die bevorzugt aus gleichem Stahlwerkstoff bestehen, sich kompensieren.
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Während zwar ein geringes Axialspiel der Förderzahnräder der Innenzahnradpumpe bei Betrieb einen guten hydraulischen Wirkungsgrad durch geringe Leckageverluste erzielt, sind zusätzliche Maßnahmen gegen ein Leerlaufen der Innenzahnradpumpe bei Stillstand des Verbrennungsmotors erforderlich. Durch eine möglichst wirksame Abdichtung mit Ölrückhaltung in der Innenzahnradpumpe wird beim nächsten Motorstart ein schneller Öldruckaufbau erzielt. Hierzu ist der radial positionierte Deckel kolbenartig mit einer zylindrischen Mantelfläche ausgebildet, die im einfachsten Fall von einem am äußeren Förderzahnrad ausgebildeten Hohlzapfen umschlossen ist. Bezüglich des zu wählenden Radialspiels zwischen Hohlzapfen und Deckel ist ein Kompromiss zwischen guter Dichtwirkung und geringer Reibungsverluste zu schließen. Bei im Sinne geringer Reibungsverluste großem Radialspiel kann ein in einer Umfangsnut des Deckels angeordneter Kolbenring eine gute Dichtwirkung erzielen.
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Vorteilhafter ist jedoch eine geschlossene Abdichtung durch einen Elastomer-Dichtring, der am äußeren Förderzahnrad fixiert ist und mit einer Dichtlippe an der Mantelfläche des Deckels mit einer gewissen Vorspannkraft anliegt. Im Betrieb erzeugt die axialspielbedingt geringe Ölleckage der Förderzahnräder am Elastomer-Dichtring einen gewissen Leckagedruck. Bei entsprechend konstruktiver Ausbildung reduziert dieser Leckagedruck die Vorspannkraft der Dichtlippe am Deckel. Zusätzlich mindert auch die Fliehkraft der mit dem äußeren Förderzahnrad rotierenden Dichtlippe deren Vorspannkraft zugunsten minimaler Reibungsverluste.
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Mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Innenzahnradpumpe wird gegenüber dem Stand der Technik durch geringe Reibungsverluste wie auch durch minimale Leckagen ein sehr guter Pumpenwirkungsgrad erzielt. Ihr einfacher Aufbau gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit und eine gute Langlebigkeit bei geringen Herstellkosten.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe für die Ölversorgung eines Verbrennungsmotors dargestellt. In einem Kurbelgehäuse 1 des Verbrennungsmotors ist eine Kurbelwelle 2 drehgelagert. Auf ihrem vorderen Ende ist ein Zahnrad 3 zum Antrieb von Nebenaggregaten oder Nebenwellen aufgeschrumpft. Mit dem Zahnrad 3 steht ein Antriebsrad 4 mit zugehöriger Drehachse 5 in Zahneingriff, das dem Antrieb der Innenzahnradpumpe dient. Das Antriebsrad 4 ist mit einem Kugellager 6 auf einem Bolzen 7 drehgelagert, der verdrehgesichert über eine Mutter mit dem Kurbelgehäuse 1 verschraubt ist. Am Antriebsrad 4 ist ein erstes Förderzahnrad 8, das als Außenläufer mit einer Innenverzahnung ausgebildet ist, mit mehreren Schrauben 9 konzentrisch zur Drehachse 5 verschraubt. Innerhalb von Förderzahnrads 8 ist ein zweites Förderzahnrad 10 angeordnet, das als Innenläufer mit einer Außenverzahnung ausgebildet ist und in Zahneingriff mit dem Förderzahnrad 8 steht. Das Förderzahnrad 10 ist auf einem Lagerzapfen 11 drehgelagert, der Bestandteil des am Kurbelgehäuse 1 verschraubten Bolzens 7 ist. Bei Rotation der in Zahneingriff befindlichen Förderzahnräder 8 und 10 vergrößern und verkleinern sich periodisch wechselnd die Kammern der Verzahnungen, wodurch in bekannter Weise von der Innenzahnradpumpe Öl zur Schmierung des Verbrennungsmotors gefördert wird. Die Förderzahnräder 8 und 10 werden hydraulisch seitlich einerseits vom Antriebsrad 4 verschlossen, während sie gegenüberliegend andererseits von einer Stirnfläche eines kolbenartig ausgebildeten Deckels 12 abgedeckt sind, der zylindrisch von einem Hohlzapfen 13 des Förderzahnrads 8 umschlossen ist. Der Deckel 12 ist Bestandteil einer Gehäuseabdeckung 14, die den Ölraum um die Innenzahnradpumpe mit ihrem Antriebsrad 4 und dem Zahnrad 3 der Kurbelwelle 2 durch Verschraubung am Kurbelgehäuse 1 verschließt. Der Deckel 12 weist an seiner Stirnfläche zu den Förderzahnrädern 8 und 10 eine Saugtasche 15 für den Ölzufluss und eine Drucktasche 16 für den Ölabfluss der Innenzahnradpumpe auf. Diese saugt bei Betrieb über die Saugtasche 15, eine Saugleitung 17 der Gehäuseabdeckung 14 und eine Saugbohrung 18 des Kurbelgehäuses 1 Öl aus einem nicht dargestellten Ölsumpf des Verbrennungsmotors an. Das von der Innenzahnradpumpe geförderte Öl gelangt unter Öldruck über die Drucktasche 16, eine Druckleitung 19 der Gehäuseabdeckung 14 sowie eine Druckbohrung 20 des Kurbelgehäuses 1 in das Druckölsystem des Verbrennungsmotors.
Ein Bypassventil 21 begrenzt in bekannter Weise den Öldruck in der Druckleitung 19. Hierzu leitet es über eine Bohrung 22 der Druckleitung 19 zu viel gefördertes Öl über eine Bohrung 23 in die Saugleitung 17 zurück. Ein auf das Bypassventil 21 einwirkender elektrischer Regler 24 kann zusätzlich den Öldruck absenken und an den betriebsabhängig veränderlichen Öldruckbedarf des Verbrennungsmotors anpassen.
Die Position des in den Hohlzapfen 13 hineinragenden Deckels 12 ist für die hydraulische Abdichtung der Innenzahnradpumpe von wesentlicher Bedeutung. Für die Gewährleistung einer im Hohlzapfen 13 zentrierten Position des Deckels 12 weist der Lagerzapfen 11 einen Zentrierzapfen 25 auf. Eine zwischen dem Lagerzapfen 11 und der Stirnfläche des Deckels 12 angeordnete, bei der Montage hinsichtlich ihrer Dicke ausgewählte Distanzscheibe 26 gewährleistet ein optimales Axialspiel der Förderzahnräder 8 und 10 zum Deckel 12. Von einer am Zentrierzapfen 25 angebrachten Verschraubung 27 wird die aufgrund ihrer Großflächigkeit elastische Gehäuseabdeckung 14 und damit der Deckel 12 an die Distanzscheibe 26 gedrückt. In einer Nut des Deckels 12 ist ein Dichtring 28 angeordnet, um am Hohlzapfen 13 eine zusätzlich radiale Abdichtung der Innenzahnradpumpe zu bewirken.
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In 2 ist die erfindungsgemäße Innenzahnradpumpe in einer vergrößerten Schnittdarstellung durch die Förderzahnräder 8 und 10 mit Blickrichtung auf den Deckel 12 abgebildet. Der Lagerzapfen 11 und das auf ihm mit einer Buchse drehgelagerte Förderzahnrad 10 sind gegenüber dem Förderzahnrad 8 um eine Exzentrizität radial nach oben versetzt angeordnet. Die Zahnköpfe der Förderzahnräder 8 und 10 stehen sich unten abdichtend gegenüber, während oben ein maximaler Zahneingriff besteht. Bei Betrieb treibt das mit mehreren Schrauben 9 am hier nicht sichtbaren Antriebsrad 4 fixierte Förderzahnrad 8 das Förderzahnrad 10 an. Die zwischen den Förderzahnrädern 8 und 10 befindlichen Kammern vergrößern und verkleinern sich periodisch und fördern dadurch in bekannter Weise das Öl. Während das Öl über die im Deckel 12 vertieft ausgebildete Saugtasche 15 und die in ihr mündende, teilweise verdeckt dargestellte Saugleitung 17 aus dem Ölsumpf des Verbrennungsmotors angesaugt wird, fließt es unter Öldruck über die im Deckel 12 vertiefte Drucktasche 16 und überströmend in die teilweise verdeckt dargestellte Druckleitung 19 zum Druckölsystem des Verbrennungsmotors.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe in Schnittdarstellung abgebildet. Die Schnittebene geht durch die senkrechte Mittelachse von 2 und steht um 90° versetzt gegenüber der Schnittebene von 1., so dass der Lagerzapfen 11 mit Förderzahnrad 10 exzentrisch zu einem hier gegenüber 1 veränderten Förderzahnrad 8a dargestellt ist. Anstelle eines radial abdichtenden Hohlzapfens umschließt als Dichtelement ein am Förderzahnrad 8a drehfest fixierter Elastomer-Dichtring 29 mit einer Dichtlippe 30 einen entsprechend angepassten Deckel 12a der Gehäuseabdeckung 14.
Die vor und hinter der Schnittebene verlaufenden Saug- und Druckleitungen der Gehäuseabdeckung 14 sind nicht zu sehen, jedoch das mittig liegende Bypassventil 21. Aufgrund des mittels der Distanzscheibe 26 präzise einstellbaren Axialspiels zwischen den Förderzahnrädern 8a und 10 und der Stirnfläche des Deckels 12a weist die Innenzahnradpumpe nur geringe Ölleckagen auf. Die an der Mantelfläche des Deckels 12a anliegende Dichtlippe 30 des Elastomer-Dichtrings 29 verhindert in erster Linie ein Ölablaufen bei Pumpenstillstand, um für einen späteren Wiederstart des Verbrennungsmotors mit Vorteilen für einen schnellen Öldruckaufbau ein gewisses Restölvolumen in der Innenzahnradpumpe zu halten. Der mit dem Förderzahnrad 8a rotierende Elastomer-Dichtring 29 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er bei Betrieb infolge Fliehkraft und dem wirkenden Leckagedruck die Anlagekraft der Dichtlippe 30 am Deckel 12a reduziert und damit die Reibungsverluste absenkt.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Innenzahnradpumpe weist infolge optimaler Abdichtung und minimierter Reibungsverluste einen sehr guten Gesamtwirkungsgrad auf. Bei resultierend geringer Antriebsleistung gewährleistet sie durch ihren einfachen Aufbau eine hohe Betriebssicherheit bei großer Langlebigkeit. In dieser vorteilhaften Kombination verschiedener Eigenschaften ist sie insbesondere für die Anwendung als Schmierölpumpe in Nutzfahrzeug-Verbrennungsmotoren geeignet.
