DE112012004409T5 - Innenzahnradpumpe - Google Patents

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Abstract

Eine Innenzahnradpumpe enthält einen Innenrotor mit n Zähnen und einen Außenrotor mit (n + 1) Zähnen. Ein Zahnprofil des Innenrotors ist eine Hüllkurve einer Gruppe von Ortskreisen (13), die jeweils einen Durchmesser C haben und einen Mittelpunkt auf der Trochoidenkurve (T) haben, wobei die Trochoidenkurve an einem geometrischen Ort eines Fixierpunktes entlang gezogen wird, der um e von einem Mittelpunkt eines Laufkreises (12) entfernt ist, wenn der Laufkreis (12) ohne zu gleiten an einem Grundkreis (11) entlang läuft. Ein Zahnprofil des Außenrotors ist eine Hüllkurve einer Gruppe von Zahnprofilkurven eines Ausbildungs-Innenrotors, wobei die Hüllkurve erzeugt wird, indem zunächst der Ausbildungs-Innenrotor antworten wird, bei dem ein Durchmesser des Ortskreises (13) C' beträgt und mittels des Ausdrucks (C – t) bestimmt wird, ein Mittelpunkt (OI) des Ausbildungs-Innenrotors um eine Runde an einem Kreis (S) entlang gedreht wird, der einen Durchmesser (2e) hat und auf einem Mittelpunkt (OO) des Außenrotors zentriert ist, und der Ausbildungs-Innenrotor während der Drehung 1/n-mal rotiert wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Innenzahnradpumpe, die einen Innenrotor, dessen Zahnprofil unter Verwendung einer Trochoidenkurve ausgebildet wird, und einen Außenrotor enthält, dessen Zahnprofil auf Basis einer Hüllkurve eines geometrischen Ortes (locus) einer Gruppe von Zahnprofilkurven des Innenrotors ausgebildet wird. Das heißt, die vorliegende Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe, mit der auch dann verhindert wird, dass die Einhaltung der Genauigkeit des Zahnprofils erschwert wird, wenn hoher volumetrischer Wirkungsgrad bei hohem Förderdruck erforderlich ist.
  • Technischer Hintergrund
  • Eine Innenzahnradpumpe, die hergestellt wird, indem ein Pumpenrotor, der ausgebildet wird, indem ein Innenrotor mit n Zähnen und ein Außenrotor mit (n + 1) Zähnen zusammengesetzt werden und die Rotoren exzentrisch zueinander angeordnet werden, in einer Rotorkammer eines Gehäuses aufgenommen wird, wird beispielsweise als eine Ölpumpe zum Schmieren eines Fahrzeugmotors oder für ein Automatikgetriebe eingesetzt.
  • Ein Beispiel für eine derartige Innenzahnradpumpe wird in dem unten beschriebenen Patentdokument 1 offenbart.
  • Bei der in Patentdokument 1 offenbarten Innenzahnradpumpe wird zunächst eine Trochoidenkurve an dem geometrischen Ort eines Fixierpunktes entlang gezogen, der um e von dem Mittelpunkt eines Laufkreises entfernt ist, der ohne zu gleiten an einem Grundkreis entlang läuft. Dabei dient eine Hüllkurve einer Gruppe von Ortskreisen, deren Mittelpunkt jeweils auf der Trochoidenkurve liegt, als Zahnprofil des Innenrotors.
  • Ein Zahnprofil des Außenrotors wird unter Verwendung des geometrischen Ortes einer Gruppe von Zahnprofilkurven des Innenrotors ausgebildet. Das heißt, der Mittelpunkt des Innenrotors dreht sich um eine Runde an einem Kreis entlang, der einen Durchmesser (2e + t) hat und auf den Mittelpunkt des Außenrotors zentriert ist (wobei e ein Maß der Exzentrizität des Innenrotors und des Außenrotors zueinander ist und t ein Kopfspiel zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor an einer theoretischen exzentrischen Position ist), während sich der Innenrotor (1/n)-mal dreht. Eine Hüllkurve einer Gruppe von Zahnprofilkurven des Innenrotors dient dabei als das Zahnprofil des Außenrotors.
  • Liste der Anführungen
  • Patentdokument
    • Patentdokument 1: Japanische geprüfte Gebrauchsmuster-Registrierungsanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 6-39109
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Bei einer Innenzahnradpumpe muss, wenn hoher volumetrischer Wirkungsgrad bei hohem Förderdruck erforderlich ist, das erwähnte Kopfspiel t reduziert werden. Um diese Forderung zu erfüllen und gleichzeitig zu verhindern, dass es bei der Pumpe mit den Spezifikationen gemäß Patentdokument 1 zu fehlerhafter Drehung bzw. Rotation des Rotors kommt, müssen die Zahnprofile mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden, um Überlagerung zwischen den Zähnen des Innenrotors und des Außenrotors zu vermeiden. Dadurch wird der Herstellungsprozess erschwert, was sich nachteilig auf Massenfertigung und Kosten auswirkt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ausbilden eines Zahnprofils zu schaffen, das Einhaltung der Genauigkeit des Zahnprofils ermöglicht, die für einen gewünschten Bereich des Kopfspiels selbst bei einer Pumpe geeignet ist, für die hoher volumetrischer Wirkungsgrad bei hohem Förderdruck erforderlich ist.
  • Lösung des Problems
  • Um das aufgeführte Problem zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine Innenzahnradpumpe, die einen Innenrotor mit n Zähnen und einen Außenrotor mit (n + 1) Zähnen enthält. Ein Zahnprofil des Innenrotors ist eine Hüllkurve einer Gruppe von Ortskreisen (13), die jeweils einen Durchmesser C haben und einen Mittelpunkt auf der Trochoidenkurve (T) haben, wobei die Trochoidenkurve an einem geometrischen Ort eines Fixierpunktes entlang gezogen wird, der um e von einem Mittelpunkt eines Laufkreises (12) entfernt ist, wenn der Laufkreis (12) ohne zu gleiten an einem Grundkreis (11) entlang läuft. Ein Zahnprofil des Außenrotors ist eine Hüllkurve einer Gruppe von Zahnprofilkurven eines Ausbildungs-Innenrotors, wobei die Hüllkurve erzeugt wird, indem zunächst der Ausbildungs-Innenrotor entworfen wird, bei dem ein Durchmesser des Ortskreises (13) C' beträgt und mittels des Ausdrucks (C – t) bestimmt wird, ein Mittelpunkt (OI) des Ausbildungs-Innenrotors um eine Runde an einem Kreis (S) entlang gedreht wird, der einen Durchmesser (2e) hat und auf einem Mittelpunkt (OO) des Außenrotors zentriert ist, und der Ausbildungs-Innenrotor während der Drehung 1/n-mal rotiert wird. In diesem Fall gibt e ein Maß der Exzentrizität zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor an, und t bezeichnet ein Kopfspiel zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor.
  • Der Ortskreis-Durchmesser C wird in diesem Fall mit dem im Folgenden dargestellten Verfahren bestimmt. Ein großer Durchmesser des Außenrotors, ein kleiner Durchmesser des Innenrotors und eine Pumpen-Fördermenge werden zunächst auf Basis geforderter Spezifikationen festgelegt.
  • Dann wird ein Durchmesser A des Grundkreises 11, der notwendig ist, um die geforderten Spezifikationen zu erfüllen, anhand des großen Durchmessers des Außenrotors und des kleinen Durchmessers des Innenrotors bestimmt. Des Weiteren werden die Anzahl n von Zähnen des Innenrotors, die erforderlich ist, um die erforderliche Pumpen-Fördermenge zu erbringen, und ein Maß der Exzentrizität des Innenrotors und des Außenrotors zueinander bestimmt.
  • Ein Durchmesser B des Laufkreises entspricht A/n. Des Weiteren wird, wenn der Radius (C/2) des Laufkreises kleiner ist als ein Krümmungsradius ρ der Trochoidenkurve T, die gezogen wird, wenn der Laufkreis an dem Grundkreis entlang läuft, ein Innenrotor mit glatten Zahnflächen erzeugt. Der Ortskreis-Durchmesser C wird bestimmt, indem numerische Werte ausgewählt werden, die die geforderten Spezifikationen erfüllen.
  • Da der Laufkreisdurchmesser B und der Ortskreis-Durchmesser C das Zahnprofil des Innenrotors beeinflussen, werden numerische Werte ausgewählt, die weder zu hoch noch zu niedrig sind und mit denen eine geeignete Form gewährleistet werden kann, wobei beispielsweise Daten aus der Vergangenheit berücksichtigt werden.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Bei einem Erzeugnis der verwandten Technik, bei dem ein Kopfspiel gewährleistet wird, indem der Mittelpunkt eines Innenrotors an einem Kreis mit einem Durchmesser (2e + t) entlang gedreht wird, wenn das Zahnprofil eines Außenrotors auf Basis einer Hüllkurve einer Gruppe von Zahnprofilkurven des Innenrotors entworfen wird, ist der Zwischenraum zwischen Zähnen in der Nähe eines Eingriffsabschnitts, an dem die Zähne des Innenrotors und des Außenrotors miteinander in Eingriff sind, klein, da t zu dem Durchmesser des Kreises addiert wird, an dem der Mittelpunkt des Innenrotors entlang gedreht wird. Der Zwischenraum zwischen den Zähnen wird zu einem Kopfspielabschnitt hin größer, der zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor ausgebildet ist.
  • Wenn sich der Zwischenraum zwischen den Zähnen mehr und mehr ändert, kommt es leichter zu Überlagerung zwischen Zahnspitzen, d. h. zu fehlerhafter Rotation. Als Gegenmaßnahme zur Vermeidung dieser Überlagerung muss die Genauigkeit des Zahnprofils strikt eingehalten werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird der Innenrotor, dessen Ortskreis-Durchmesser C' (= C – t) entspricht, zum Ausbilden des Zahnprofils des Außenrotors eingesetzt, so dass ein gewünschtes Kopfspiel t gewährleistet ist. Daher ist es beim Entwerfen des Zahnprofils des Außenrotors nicht erforderlich, den Wert t zu dem Kreis zu addieren, an dem der Mittelpunkt des Innenrotors entlang gedreht wird.
  • Der zum Ausbilden des Außenrotors verwendete Innenrotor wird rotiert, während der Innenrotor an dem Kreis entlang gedreht wird, der konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Außenrotors ist und einen Durchmesser von 2e hat, so dass eine Hüllkurve gezogen wird. Die Hüllkurve dient als das Zahnprofil des Außenrotors. Dementsprechend kommt es, da die Auswirkung von t, die bei dem Erzeugnis der verwandten Technik auftritt, aufgehoben wird, nicht zu einer Änderung des Zwischenraums zwischen den Zähnen von dem Eingriffsabschnitt zu dem Kopfspielabschnitt hin.
  • Dementsprechend ist es, wenn die Genauigkeit des Zahnprofils bei dem Innenrotor und dem Außenrotor die gleiche ist, bei der vorliegenden Erfindung weniger wahrscheinlich als bei dem Erzeugnis der verwandten Technik, dass Überlagerung zwischen den Zahnspitzen auftritt. Dadurch kann die Genauigkeit des Zahnprofils beim Prozess der Herstellung von Rotoren einfacher eingehalten werden als bei dem Erzeugnis der verwandten Technik.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Stirnflächendarstellung, die ein Beispiel einer Innenzahnradpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt und einen Zustand darstellt, in dem eine Abdeckung von einem Gehäuse entfernt ist.
  • 2 stellt ein Verfahren zum Ausbilden eines Zahnprofils eines Innenrotors bei der Innenzahnradpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • 3 stellt ein Verfahren zum Ausbilden eines Zahnprofils eines Außenrotors bei der Zahnradpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • Beschreibung der Ausführungsform
  • Eine Ausführungsform einer Innenzahnradpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben.
  • Bei einer in 1 gezeigten Innenzahnradpumpe 1 wird ein Pumpenrotor 4 ausgebildet, indem ein Innenrotor 2 mit n Zähnen und ein Außenrotor 3 mit (n + 1) Zähnen kombiniert werden und die Rotoren exzentrisch relativ zueinander angeordnet werden. Der Pumpenrotor 4 wird in einer Rotorkammer 6 in einem Gehäuse 5 aufgenommen. Bezugszeichen OI kennzeichnet den Mittelpunkt des Innenrotors, Bezugszeichen OO kennzeichnet den Mittelpunkt des Außenrotors, und Bezugszeichen e kennzeichnet ein Maß der Exzentrizität des Innenrotors 2 und des Außenrotors 3 zueinander. Ein Ansauganschluss 7 und ein Austrittsanschluss 8 sind an einer Endfläche der Rotorkammer 6 ausgebildet.
  • Der Innenrotor 2 der in 1 gezeigten Innenzahnradpumpe 1 wird auf Basis eines in 2 dargestellten Verfahrens ausgebildet, d. h., unter Verwendung eines Grundkreises 11 mit einem Durchmesser A, eines Laufkreises 12 mit einem Durchmesser B und eines Ortskreises 13 mit einem Durchmesser C.
  • In 1 entspricht, wenn der Außenrotor stationär ist und der Innenrotor in einer Aufwärtsrichtung einer Exzenterachse CL (d. h. der Aufwärtsrichtung in der Zeichnung) in Kontakt mit dem Außenrotor gebracht wird, ein Kopfspiel t einem Zwischenraum, der zwischen den Zähnen des Innenrotors und des Außenrotors entlang der Exzenterachse CL an einer dem Kontaktpunkt gegenüberliegenden Seite (d. h. der dem Kontaktpunkt über den Mittelpunkt des Rotors gegenüberliegende Seite) ausgebildet wird.
  • Im Einzelnen wird eine Trochoidenkurve T an dem geometrischen Ort eines Fixierpunktes C entlang gezogen, der um e von dem Mittelpunkt des Laufkreises 12 entfernt ist, der ohne zu gleiten an dem Grundkreis 11 entlang läuft. Dann wird der Mittelpunkt des Ortskreises 13 auf der Trochoidenkurve T positioniert, und der Ortskreis 13 wird an der Trochoidenkurve T entlang bewegt. Eine so erzeugte Hüllkurve einer Gruppe von Ortskreisen 13 dient als ein Zahnprofil
  • Ein großer Durchmesser des Außenrotors und ein kleiner Durchmesser des Innenrotors werden, wie oben erwähnt, anhand von Vorgaben festgelegt, die auf Anforderungen eines Benutzers beruhen, und der Durchmesser A des Grundkreises 11 wird anschließend auf Basis der festgelegten Werte bestimmt. Des Weiteren werden die Anzahl n von Zähnen des Innenrotors 2, die die geforderten Spezifikationen für die Pumpen-Fördermenge erfüllt, sowie das Maß der Exzentrizität e des Innenrotors 2 und des Außenrotors 3 zueinander bestimmt.
  • Weiterhin wird der Durchmesser B des Laufkreises 12 auf Basis der Beziehung zwischen dem Grundkreisdurchmesser A und der Anzahl n von Zähnen (B = A/n) bestimmt. Der Ortskreis-Durchmesser C des Ortskreises 13 wird anhand der Beziehung (C/2 < p) bestimmt, die er zu einem Krümmungsradius ρ der an dem geometrischen Ort des Fixierpunktes des Laufkreises 12 entlang gezogenen Trochoidenkurve T hat.
  • Es wird ein Ortskreis 13 mit einem Durchmesser C' verwendet, der mit dem Ausdruck (C – t) ermittelt wird, und der Mittelpunkt des Ortskreises 13 wird so auf der oben genannten Trochoidenkurve T positioniert, dass eine Hüllkurve einer Gruppe von Ortskreisen als ein Zahnprofil des Innenrotors dient, das zum Ausbilden des Außenrotors verwendet wird.
  • Da für dieses Zahnprofil der Ortskreis 13 verwendet wird, der den Durchmesser C' hat, der kleiner ist als der Durchmesser C, ist das auf Basis der Ortskurve der Gruppe von Ortskreisen 13 entworfene Profil des Ausbildungs-Innenrotors größer als das des Innenrotors 2, bei dem ein Ortskreis mit dem Durchmesser C verwendet wird.
  • Dann wird, wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, der Mittelpunkt OI des erzeugten Ausbildungs-Innenrotors auf einem Kreis S positioniert, der konzentrisch zu dem Mittelpunkt eines Außenrotors mit einem Durchmesser von 2e ist. Während der Mittelpunkt OI des Ausbildungs-Innenrotors an dem Kreis S entlang gedreht wird, wird der Innenrotor (1(n)-mal pro Umdrehung rotiert. Eine auf diese Weise erzeugte Hüllkurve einer Gruppe von Zahnprofil-Kurven des Ausbildungs-Innenrotors dient als ein Zahnprofil für den Außenrotor.
  • Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann wie bei dem Erzeugnis der verwandten Technik ein gewünschtes Kopfspiel t zwischen dem Innenrotor 2 und dem Außenrotor 3 erzeugt werden.
  • Des Weiteren wird mit diesem Verfahren die Auswirkung von t auf den Durchmesser des Kreises aufgehoben, an dem der Mittelpunkt des Innenrotors beim Ausbilden des Zahnprofils für den Außenrotor entlang gedreht wird, wie sie bei der verwandten Technik auftritt, so dass der Zwischenraum zwischen den Zähnen von einem Eingriffsabschnitt bis zu einem Kopfspiel-Abschnitt konstant ist. Daher ist es im Vergleich zu dem Erzeugnis der verwandten Technik weniger wahrscheinlich, dass Überlagerung zwischen den Zahnspitzen des Innenrotors und des Außenrotors auftritt, so dass Einhaltung der Genauigkeit des Zahnprofils während des Prozesses zum Herstellen des Rotors gegenüber dem Erzeugnis der verwandten Technik vereinfacht wird.
  • Beispiel 1
  • Es wird ein Innenrotor hergestellt, der sechs Zähne hat und dessen Zahnprofil auf Basis des in 2 gezeigten Verfahrens unter Verwendung eines Grundkreises mit einem Durchmesser A von 42 mm, eines Laufkreises 12 mit einem Durchmesser B von 7 mm und eines Ortskreises 13 mit einem Durchmesser C von 14 mm ausgebildet wird.
  • Indem der Innenrotor, dessen Ortskreis einen Durchmesser C' von 13,94 mm hat, rotiert wird und dabei der Mittelpunkt des Innenrotors an einem Kreis entlang gedreht wird, der konzentrisch zu dem Mittelpunkt eines Außenrotors mit einem Durchmesser von 2e ist, wird ein Außenrotor erzeugt, der sieben Zähne hat und dessen Zahnprofil auf Basis des in 3 gezeigten Verfahrens ausgebildet wird. Der Innenrotor und der Außenrotor werden mit einem Maß an Exzentrizität e von 2,8 mm zueinander kombiniert, womit ein Pumpenrotor hergestellt ist. Der Pumpenrotor wird in ein Gehäuse eingesetzt, so dass eine Innenzahnradpumpe mit einer theoretischen Fördermenge von 6 cm3/Umdrehung hergestellt wird. Das Kopfspiel t reicht von 0,02 mm bis einschließlich 0,10 mm, und ein Medianwert desselben ist so ausgelegt, dass er 0,06 mm beträgt.
  • Die Abmessungen der Rotoren bei dieser Innenzahnradpumpe sind wie folgt:
    großer Durchmesser des Außenrotors: 46,26 mm
    kleiner Durchmesser des Innenrotors: 29,4 mm
    Maß der Exzentrizität e: 2,8 mm
  • Wenn für dieses Mustererzeugnis das Kopfspiel t zwischen 0,02 mm und einschließlich 0,10 mm eingestellt wird, muss die Genauigkeit des Zahnprofils des Innenrotors und des Außenrotors theoretisch innerhalb eines Toleranzbereiches von 0,020 mm eingehalten werden.
  • Um diese Anforderung mit der Pumpe zu erfüllen, die ein Zahnprofil hat, das auf Basis des in Patentdokument 1 offenbarten Verfahrens der verwandten Technik gestaltet wird, muss die Genauigkeit des Zahnprofils des Innenrotors und des Außenrotors innerhalb eines Toleranzbereiches von 0,016 mm eingehalten werden, um die Anforderung zu erfüllen, ohne dass es zu Überlagerung der Zähne des Innenrotors und des Außenrotors kommt.
  • Im Unterschied dazu kann bei der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung der Soll-Zwischenraum zwischen den Spitzen erzielt werden, ohne dass die Zähne einander überlagern, indem die Genauigkeit des Zahnprofils des Innenrotors und des Außenrotors innerhalb des theoretischen Toleranzbereiches von 0,020 mm eingehalten wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Innenzahnradpumpe
    2
    Innenrotor
    3
    Außenrotor
    4
    Pumpenrotor
    5
    Gehäuse
    6
    Rotorkammer
    7
    Ansauganschluss
    8
    Austrittsanschluss
    OI
    Mittelpunkt von Innenrotor
    OO
    Mittelpunkt von Außenrotor
    11
    Grundkreis
    12
    Laufkreis
    13
    Ortskreis
    ρ
    Fixierpunkt von Laufkreis, mit dem Trochoidenkurve gezogen wird
    A
    Grundkreis-Durchmesser
    B
    Laufkreis-Durchmesser
    C
    Ortskreis-Durchmesser
    C'
    Ortskreis-Durchmesser von Innenrotor, der zum Ausbilden von Außenrotor verwendet wird
    T
    Trochoidenkurve
    S
    Kreis, an dem Mittelpunkt von Innenrotor während des Prozesses zum Ausbilden des Zahnprofils von Außenrotor entlang gedreht wird
    CL
    Exzenterachse

Claims (1)

  1. Innenzahnradpumpe, die einen Innenrotor mit n Zähnen und einen Außenrotor mit (n + 1) Zähnen umfasst, wobei ein Zahnprofil des Innenrotors eine Hüllkurve einer Gruppe von Ortskreisen (13) ist, die jeweils einen Durchmesser C haben und einen Mittelpunkt auf einer Trochoidenkurve (T) haben, die Trochoidenkurve an einem geometrischen Ort eines Fixierpunktes entlang gezogen wird, der um e von einem Mittelpunkt eines Laufkreises (12) entfernt ist, wenn der Laufkreis (12) ohne zu gleiten an einem Grundkreis (11) entlang läuft, und ein Zahnprofil des Außenrotors eine Hüllkurve einer Gruppe von Zahnprofilkurven eines Ausbildungs-Innenrotors ist, die Hüllkurve erzeugt wird, indem zunächst der Ausbildungs-Innenrotor entworfen wird, bei dem ein Durchmesser des Ortskreises (13) C' beträgt, und mittels des Ausdrucks (C – t) bestimmt wird, ein Mittelpunkt (OI) des Ausbildungs-Innenrotors um eine Runde an einem Kreis (S) entlang gedreht wird, der einen Durchmesser (2e) hat und auf einen Mittelpunkt (OO) des Außenrotors zentriert ist, und der Ausbildungs-Innenrotor während der Umdrehung 1/n-mal rotiert wird, wobei e ein Maß der Exzentrizität des Innenrotors und des Außenrotors zueinander angibt und t ein Kopfspiel zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor bezeichnet.
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