DE1426751A1

DE1426751A1 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE1426751A1
Application number: DE19651426751
Authority: DE
Inventors: Hansen Gunnar Lyshoj
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1965-03-04
Filing date: 1965-03-04
Publication date: 1968-11-21
Also published as: US3424095A; CH447213A; DK137554C; SE317088B; NL6602352A; DK137554B; GB1142156A

Description

Die Erfindung "betrifft eine Drehkolbenmaschine, sei- es eine Pumpe oder ein Motor, bei der sich ein erstes Zahnrad und ein zUreites Zahnrad aufeinander derart abwälzen, daß sich zumindest teilweise von den Zähnen begrenzte Kammern ergeben, von denen mindestens eine mit dem Druck- und mindestens eine weitere mit dem Miederdruck- bzw. Sauganschluß in Verbindung steht.

Bei den bekannten Konstruktionen sind die verschiedensten Zahnformen angewendet worden, z. B. Evolventenverzahnung, Zykloidenverzahriung usw. All diese Maschinen haben einen schwerwiegenden Kaehteil:

Wenn eine Pumpe mit konstanter Drehzahl angetrieben wird, gibt sie eine mit der Zahnfrequenz schwankende Menge ab. Diese Mengenänderung führt zu Druckschwankungen, die wiederum Geräusche verursachen können. Bisher hat man diesen !fachteil durch nachgeschaltete Speicherräume oder Dämpfungsmittel, ζ. B. durch Reibung im Druckregelventil, abzuhelfen versucht.

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Bei einem mit konstanter Bructaaittelmenge gespeisten Motor treten mit der Zahnfiequenz Drehmoment änderung en auf. Hier . ■■ * >. behalf man sich dadurch,, daß entweder der Motor überdimen- _v ,-< < sioniert wurde, so daß das kleinste erzielbare Drehmoment . noch bei allen Betriebszuständen ausreichte, dies ist aber unwirtschaftlich oder man verwendete einen Schnellauf enden Motor, dessen Trägheit über die Punkte kleinen Drehmoments hinweghalfen» Im allgemeinen muß man ,aber dann solchen Motoren ein Untersetzungsgetriebe nachgehalten. So war es beispielsweise bisher nicht möglich, einen langsam laufenden. Motor mit beispielsweise 10 U/Min, zu bauen, ohne ihn einerseits üb er zudimensionier en oder andererseits mit einem Unter- , , Setzungsgetriebe zu vereinigen. _. ,·-.-.,-

Erfindungsgemäß können die geschilderten Probleme - auf. ■ einfache Weise dadurch behoben werden, daß der Radius der Wälzkurve jedes der beiden Zahnräder mit der Periode der Zahnteilung .-derart gegenüber einem konstanten Wert korrigiertest, daß bei einem Motor ,das abgegebene Drehmoment bzw. beimeiner Pumpe die abgegebene Menge zumindest armähernd konstant 1st», _Si(!. ,, _;

Bei allen Zahnrädern von Drelikolbenmaschinen war bisher Wälzkurve ein Kreis. Wenn man aber einen Wälzkreis legt, ist es nicht möglich, durch irgendeine G-estaltung der Zähne die Abgabe einer konstanten Menge bzw. eines konstan#e%v-Drehmoments zu erzielen. Erst wenn man den Wälzkreis innerhalb jeder Zahnteilung also mit der Periode der Zahnteilung korrigiert, also von der Ereisform abweicht, gelingt es, die angestrebten Bedingungen zu erfüllen»-

Insbesondere eignet sich eine Wälzkurve, die durch einen polygonähnlichen Linienzug gebildet wird. Die Ecken des Poljgons entsprechen dabei sehr ,ausgeprägten Betriebspunkten, wie später in Verbindung mit den Zeichnungen noch näher erläutert

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Selbstverständlich können die Ecken gerundet sein. Die Linien selber brauchen nicht gleich lang zu sein_o Zumindest bei einem Zahnrad wird die polygonähnliche Walzkurve durch leicht gekrümmte Kurvenabschnitte zusammengesetzt sein müssen.

Mit besonderem Torteil liegt jeweils ein Kniekpunkt des polygonähnlichen Linienzuges auf der Mittellinie eines Zahnes bzw. einer Zahnlücke. Außerdem empfiehlt es sich, zwischen zwei Knickpunkten auf den Mittellinien benachbarter Zahne bzw. Zahnlücken einen weiteren Knickpunkt in polygonähnliehen linienzug vorzusehen,, Auf diese V/eise ergibt sich immer dann ein neuer Korrekturmodus, wenn eine der beiden Dicht stellen, welche die Druckseite und die Saugseite voneinander trennen, im Verlauf der Zahnraddrehung um eine Zahnteilung springen.

Insbesondere macht es nunmehr auch keine Schwierigkeiten, den Abstand des Berührungspunktes zwischen den Zahnflanken der beiden Zahnräder zum Wälzpnnkt, beim Wechsel von einem Zahnflankenpaar zu dem Zahnflankenpaar der angrenzenden Zahnteilung etwa konstant bleiben zu lassen. Mit dieser Maßnahme ist ein weiterer sehr störender Faktor beseitigt, der sich auf die Mengen- bzw. Drehmoment-Änderung auswirkte.

Bei einer Drehkolbenmasc-hine mit einem innen und außen verzahnten Zahnrad ist es vorteilhaft, wenn die Zähne durch zwei voneinander unabhängige Kurven für die Zahnköpfe und die Zahn.— flanken begrenzt sind, von denen jweils nur die Zahnköpfe und nur die Zahnflanken zusammenwirken. Auf diese Weise wird die eine Dichtstelle zwischen Druck- und Saugseite nur durch die Zahnköpfe und die andere Dichtsteile nur durch die Zahnflanken gebildet. Man kann daher beide Berührungsflächen entsprechend den dort geforderten Bedingungen ausgestalten. In der Zahnlücke kann luft bleiben. Dies ist ohne Bedeutung, weil wegen der übrigen ärfindungsgemässen Vorlsehrungen ein auch recnt weites "Springen" der Dicht- oder Berührungsstelle ohne nachteilige Folgen ist.

Für die Flanken empfiehlt sich/eine S-förmige Krümmung, aber mit der speziellen Maßgabe, daß die äußeren und inneren Abschnitte einen kleineren Winkel zum zum Zahnrädmittelpnnkt führenden Radius als der mittlere Abschnitt aufweisen. Auf diese Weise stehen die Zahnräder gerade im Zeitpunkt des "Springens" des Berührungspunktes zwischen benachbarten Zahnflanken in einem besonders kräftigen Eingriff miteinander.

Des weiteren ermö^icht es die erfindunggemäße Ausgestaltung auch, daß wenigstens einige der zwischen den Zfihnen gebildeten Kammern miteinander verbunden sind. Dies wiederum macht kleinere Druck- und Saugkanalanschlüsse möglich und vereinfacht vor allem den Anschluß, wenn sowohl das Aus-sen—als auch das Innenzahnrad sich drehen.

Der Erfxndungsvorschlag ist für sämtliche bisher bekannten Drehkolbenmaschinen mit Zahnrädern anwendbar,Die Vorteile erweisen sich insbesondere bei langsam laufenden Drehkolbenmaschinen, z. B. bei solchen mit Innen- und Außenzahnrad, von denen das eine eine feste Mittelachse besitzt, die Mittelachse des anderen aber ihrerseits eine Kreisbewegung durchführt,

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: ·

Fig. 1 in einem Diagramm das Drehmoment eines mit

konstanter Druckmittelmenge gespeisten Motors über dem Drehwinkel,

Fig. 2 das Zahnradpaar eines Drehkolbenmotors in einer ersten Betriebsstellung,

Fig. 3 das gleiche Zahnradpaar in einer zweiten Betriebsv stellung,

* insbesondere bei kleinen Zähnezahlen um die Eingriffstrecke zu verlängern, ~ J-M* .

■BAD ORIOINAt-..

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Fig. 4 das Zahnradpaar in der ersten Betriebsstellung, aber mit entgegengesetzter Drehrichtung, und

Mg. 5 eine vergrößerte Darstellung der Zähne aus Figur 3.

Die in den Figuren 2 "bis 5 veranschaulichte Drehkolbenmaschine besitzt ein inneres Zahnrad 1 , das sich um den Mittelpunkt M -j drehen läßt, und ein äußeres Zahnrad 2, dessen Mittelachse Mp feststeht. Das Innenzahnrad weist acht Zähne 3 bzw. Zahnlücken auf. Das Außenzahnrad 2 besitzt neun Zähne 5 bzw. Zahnlücken 6. Zwischen den Zähnen und Zahnlücken beider Zahnräder werden Kammern 7, 8 gebildet. Die Kammern 7 auf der rechten Seite der Zeichnung^ stehen mit einer nicht veranschaulichten Druekquelle in Verbindung, die Kammern 8 auf der linken Seite der Zeichnung sind mit einem Abfluß verbunden. Dann vermag sich das Innenzahnrad 1 im Sinne des Pfeiles zu drehen, wobei der Mittelpunkt M ₁ auf einer Kreisbahn um den Mittelpunkt Mp läuft.

Die- Kammern 7 und 8 sind voneinander durch mindestens zwei einander etwa diametral gegenüber liegende Dichtstellen voneinander getrennt, wobei diese Dichtstellen durch Berührungsstellen zwischen dem Innenzahnrad und dem Außenzahnrad gebildet werden. In Figur 2 ist eine untere OerührungsFtel]οΦ und eine obere Berührungsstelle 10 gezeigt, von denen die letztere gerade zum Punkt 11 überspringen will. Der Wälzpunkt 12 in diesem Augenblick ergibt sich im Schnittpunkt der senkrecht in den Berührungspunkten errichteten Linien k_q, k^Q und k.,.. Der Wälzpunkt bewegt sich beim Innenzahnrad 1 auf einer polygonähnlichen Wälzkurve 13 und beim Außenzahnrad 2 auf einer polygonähnlichen 'Wälzkurve 14. Während die einzelnen Abschnitte der Wälzkurve 14 geradlinig sind, haben die Abschnitte der VJä kurve 13 eine leichte Krümmung,

Zum besseren Verständnis sei nunmehr auf Figur 1 verwiesen. Die Linien k_Q und k._n .. wirken bei der Drehmomenterzeugung

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als Hebelarm. Hierbei erzeugt der längere Hebelarm Ic₁₀ ein= welliges Drehmoment gemäß. Kurve I, da sich die Länge dieses Hebelarms zwangsläufig innerhalb einer Zahnteilung t ändert. Dieses Drehmoment hat intern in figur 2 gezeigten Augenblick sein Minimum, weil der Hebelarm von k.^ zu k. springt.und dann wieder zunimmt. Sine ähnliche Kurve ergibt sich-auch beiden "bekannten -Zahnrädern, nur daß der Unterschied zwischen dem maximalen und dem minimalen ^lTert wegen der kreisförmigen Wälzkurve größer ist. Hier am leitet sich auch der ftrund her, weshalb der eine Knickpunkt der polygonr.hnlichen Wälzkurve etwa auf der Mittellinie eines Zahnes bzw. einer Zahnlücke liegen soll.

dieser Drehmomentenkurve I ist der Einfluß .des entgegen*·- gesetzt gerichteten Hebelarms k„ abzuziehen. Erstrebt ist eine etwa gerade Drehmomentenlinie II. Demzufolge ist-in optimalen EnIl der Einfluß von k~ gleich den senkrechten Abständen HI zwischen den Linien I und II zu .machen. Das . , . bedeutet; ■

a) der Kleine Hebelarm k^ sdDteim Zeitpunkt des ümspringensdes Berührungspunktes 10 zur Stelle 11, also im Diagramm bei x, seinen kleinsten Wert haben, . . - - .

b) k~ sollte seine Größe möglichst stetig und nicht sprung-

• haft ändern.. - ..--·-

Diese beiden Forderungen lassen sich nicht erfüllen, wenn die Wälzkurve ein Kreis ist. Ohne Schwierigkelten dagegen ,sind diese Bedingungen zu, erfüllen, wenn eine gegenüber dem Kreis korrigierte Wälzkurve benutzt=wird. ■ ·

Auch 'der kürzere Hebelarm k„ muß im Verlaufe der Zahnraddrehung, von dem Berührungspunkt 9 ZU^ einem davon entfernten Berührungspunkt 15 springen. Dieser Betriebszustand ist'in - "-

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Figur 3 dargestellt. Es läßt sich einrichten, daß der in diesem Augenblick "vorhandene Wrilzpunkt von den Berührungs stell en 9 und den gleichen Abstand hat, so daß die Hebelarme k_q und k_1tgleich groß sind. Da nach dem Springen der Korrekturmodus etwas - geändert werden muß, befindet sich auch an Sieger Stelle der Polygonkurven ein Knick. Dieser Knick liegt zwischen den Knicken 12, an denen sich der Ifälzpunkt "beim Springen des längeren Hebenarms befindet. Bei "bekannten Zahnrädern springt der kürzere Hebelarm derart, daß sich seine länge verändert, wodurch ein starker Sprung in der Drehmomentcharakteristik auftritt.

Auf diese Weise entstehen polygonartige Wälzkurven, die innerhalb der Zahnteilung jeweils einen kurzen Abschnitt 17 und einen längeren Abschnitt 18 zwischen jeweils zwei Knickpunkten aufweisen. Sie sind daher innerhalb einer Zahnteilung nicht symmetrisch.

Dies fällt insbesondere dann auf, wenn, wie es in Figur 4 dargestellt ist, das Zahnradpaar 1,2 mit seinen linken Kammern an eine Druckmittelquelle angeschlossen ist, während die rechten Kammern 7 mit dem Abfluß in - Verbindung stehen. Dang, dreht sich das innere Zahnrad in entgegengesetzter Richtung und es ergeben sich die Berührungspunkte 9¹» 1-0-¹ und 11^f. mit den Hebelarmen k_q,, k_1QI und k ..,. Bei dieser Drehrichtung sind, obwohl die Zahnräder im übringen unverändert gelassen sind, die kürzeren Abschnitte 17* auf der rechten Seite eines Knickpunktes 12', während sie sich sonst auf der linken Seite dieses Knickpunktes befinden .

Jeder Zahn 3 besitzt, wie Figur 5 zeigt einen Kopf 19 und zwei einander gleiche Flanken 20 und 21. Der Boden 23 der zugehörigen Zahnlücken ist ausgefräst. Jeder Zahn 5 "besitzt ebenfalls einen Zahnkopf 24 und zwei einander gleiche Flanken 25 und 26, wobei wiederum der Boden 27 der zugehörigen Zahnlücken ausgespart ist. Im Betrieb bilden jeweils die Zahnköpfe 19 und

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die eine Dientstelle, ζ. B. 10, 11. und die Planken 20, 25 bzw. 21, 26 die andere Dichtstelle, z, B. 9, 15. Da jede Dichtstelle nur über einen Teil des ümfangs.benötigt wird, - die Kammern 7 bzw.. 8 können jeweils miteinander verbunden sein-, braucht nicht für einen dichtwirksanten Übergang zwischen Kopf und Planke gesorgt zu werden.

Die Planken 20, 2,1, 25 und 26 der Zähne haben S-Porm. Im _v ..,ν Gegensatz zu den bekannten S-förmigen Planken steht, aber hier jeweils der innere und äußere Abschnitt jeder Planke in einem kleineren Winkel zum Zahnradmittelpunkt führenden Radius.<\^_ν·;^Γ als der mittlere Abschnitt. Auf diese Weise liegen die Zahnräder im Augenblick des Sprengens des kleinen Hebelarms- k_q mit einer den Druck fast senkrecht aufnehmenden Pläche aufeinander, was sehr zu einem, sicheren Betrieb beiträgt.

Selbstverständlich führen die geschilderten Maßnahmen, die bei einem mit konstanter Druckmittelmenge gespeisten Motor ein etwa konstantes Drehmoment ergeben, bei einer Pumpe dazu, daß sie beim Antrieb mit konstantem Drehmoment eine etwa konstante Menge abgibt. .. ■■ . -,:v...; "

Die Herstellung solcher Zahnräder ist trotz der andersartigen Porm ohne, weiteres durch Abwälzfräsen möglich. Die Konstruktion der Zahnradkurve kann, wenn nicht eine mathematisch bekannte Kurve verwendbar ist, punktweise erfolgen, wenn manvon-der

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Gleichung k._Q ~ ^kq ⁼ konstant ausgeht.

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Claims

— Q — Patentansprüche

1. ^Drehkolbenmaschine, bei der sich ein erstes Zahnrad und

ein zweites Zahnrad aufeinander derart abwälzen, daß sich zumindest teilweise von den Zähnen begrenzte Kammern ergeben, von denen mindestens eine mit dem Druck- und min- -■ destens eine weitere mit dem Niederdruck bzw. Sauganschluß in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Wälzkurve jedes der beiden Zahnräder mit der Periode der Zahnteilung derart gegenüber einem konstanten Wert korrigiert ist, daß bei einem Motor das abgegebene Drehmoment bzw. bei einer Pumpe die abgegebene Menge zumindest annähernd konstant ist.

2. Drehkolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkurve durch einen polygonähnlichen linienzug gebildet wird.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Kniekpunkt des polygonähnlichen Linienzuges auf der Mittellinie eines Zahnes bzw. einer Zahnlücke liegt.

4. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Knickpunkten auf den Mittellinien benachbarter Zähne bzw. Zahnlücken ein weiterer Kniekpunkt im polygonähnlichen Linienzug vorgesehen ist.

5. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Berührungspunktes zwischen den Zahnflanken der beiden Zahnräder zum Wälzpunkt beim Wechsel von einem Zahnflankenpaar zu dem Zahnflankenpaar der angrenzenden Zahnteilung etwa konstant bleibt.

6. Drehkolbenmaschine mit einem innen- und einem außen verzahnten Zahnrad, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Zähne durch zwei -voneinander unabhängige Kurven für die -Zahnfcö'pfe und die Zahnflanken "begrenzt sind, von denen jeweils nur die Zahnköpfe und nur die Zahnflanken zusammenwirken.

7. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6- mit S-förmig gekrümmten Zahnflanken, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren und die inneren Abschnitte einen kleineren Winkel zum zum Zahnradmittelpunkt führenden Radius als der mittlere Abschnitt aufweisen.

8. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der zwischen den Zähnen gebildeten Kammern miteinander verbunden sind.

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