DE19713907A1 - Verdrängermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine mit zwei miteinander kämmenden, außenverzahnten Zahnrä­ dern gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verdrängermaschinen der eingangs genannten Art sind bekannt. Derartige Maschinen zeichnen sich durch hohe Laufgeräusche sowie relativ starke Förder­ strompulsationen aus, die störend und daher uner­ wünscht sind. Durch Vorgabe und Toleranzen (Ritzel­ kopfkreis- und Gehäuseinnendurchmesser) entsteht ein Spiel zwischen dem Zahnkopf und dem Gehäuse der Verdrängermaschine beziehungsweise der Gehäusein­ nenfläche, an der der Zahnkopf anliegt. Dadurch kann der auf der Druckseite anstehende Systemdruck teilweise auf den Umfangsbereich der Zahnräder ein­ wirken, so daß diese radial mit einer Kraft beauf­ schlagt werden. Zusätzlich werden die Räder durch ein Antriebsdrehmoment belastet. Die an einem Zahn­ rad angreifenden Kräfte ergeben eine resultierende Kraft, deren Wirkungslinie mit der Wirklinie der resultierenden Kraft des anderen Zahnrades diver­ giert, das heißt die Zahnräder werden durch die voneinander weg gerichteten resultierenden Kräfte auseinandergedrückt. Dadurch ergibt sich ein er­ höhtes Flankenspiel in dem Bereich, in dem die Zähne der Zahnräder miteinander kämmen und die Saugseite von der Druckseite der Verdrängermaschine trennen. Das erhöhte Flankenspiel hat zur Folge, daß ein relativ großes Volumen zwischen den Zähnen eingequetscht wird, wodurch der Fluid-Förderstrom auf der Druckseite pulsierenden Druckstößen unter­ worfen wird, die auch zu einem erhöhten Schallei­ stungspegel führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verdrän­ germaschine zu schaffen, die eine geringe Förder­ strompulsation und einen reduzierten Schallei­ stungspegel aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Verdrängerma­ schine vorgeschlagen, die die in Anspruch 1 genann­ ten Merkmale aufweist. Dadurch, daß der im das hö­ here Druckniveau aufweisenden Anschlußbereich herr­ schende Druck über einen Umfangsbereich der Zahnrä­ der zu dem das niedrigere Druckniveau aufweisenden Anschlußbereich zurückgeführt wird, so daß die Zahnräder durch hydraulische Kräfte gegeneinander­ gepreßt werden, wird auf einfache Weise gewährlei­ stet, daß die auf die Zahnräder wirkenden resultie­ renden Kräfte beziehungsweise deren Wirkungslinien sich in einem auf der Saugseite befindlichen Be­ reich schneiden. Dies führt dazu, daß die Bewegun­ gen der Zahnräder aufeinander zu gerichtet sind, wodurch die Zähne in dem Bereich, in dem sie mit­ einander kämmen, ineinandergeschoben werden, so daß einerseits das Flankenspiel der Zahnräder sowie an­ dererseits der Raum verkleinert ist, den zwei Zähne miteinander einschließen. Die Verringerung des ein­ geschlossenen Raumvolumens führt unmittelbar zu ei­ ner Reduzierung der in diesem Raum ein­ geschlossenen, auch als Quetschvolumen bezeichneten Fluidmenge und somit zu einer erheblichen Verringe­ rung der Förderstrompulsation, also der Druck­ schwingungen in dem das höhere Druckniveau aufwei­ senden Anschlußbereich, aufgrund dessen der Schal­ leistungspegel der Verdrängermaschine wesentlich verringert ist.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der Verdrängermaschine, bei der die Anschlußbereiche durch eine Zweiflankendichtung voneinander getrennt sind: Die Zahnräder werden durch die auf sie wir­ kenden resultierenden Kräfte derart aufeinander zu bewegt, daß die miteinander kämmenden Zähne die Saugseite und Druckseite mittels dreier Berühr- be­ ziehungsweise Dichtpunkte trennen. Die somit ausge­ bildete Zweiflankendichtung wird also dadurch re­ alisiert, daß ein Zahn mit seinen beiden Flanken gleichzeitig an den Flanken von zwei Zähnen des an­ deren Zahnrades abwälzt, wodurch permanent drei Dichtpunkte gegeben sind, die auf einer Eingriffs­ linie angeordnet sind und sich entlang dieser bewe­ gen. Die Zweiflankendichtung führt auch zu einer Verringerung des Quetschvolumens, wodurch die För­ derstrompulsation im Vergleich zu einer Einflanken­ dichtung, die lediglich zwei Eingriffs- beziehungs­ weise Dichtpunkte im Trennbereich zwischen Saug- und Druckseite aufweist, um 75% reduziert ist. Auf­ grund der Proportionalität zwischen Laufgeräusch und Förderstrompulsation ist der Geräuschpegel dementsprechend herabgesetzt.

Bevorzugt wird auch eine Ausführungsform der Ver­ drängermaschine, bei der die Resultierenden aus den hydraulischen Radialkräften und aus den auf auf die Drehachse der Zahnräder wirkenden Drehmomenten be­ ruhenden mechanischen Kräften mit einer Symmetrie­ achse jeweils einen Winkel einschließen, der klei­ ner 90° ist. Dies bewirkt im Bereich des durch die Fertigungstoleranzen möglichen Spiels eine aufein­ ander zu gerichtete Bewegung der beiden Zahnräder, wodurch die Zähne der Zahnräder derart ineinander­ greifen, daß beide Flanken der die Saug- von der Druckseite trennenden Zähne eines Zahnrads an den Flanken eines Zahns des anderen Zahnrads anliegen.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den übri­ gen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der einzigen Figur erläutert, die einen schematischen Quer­ schnitt einer Verdrängermaschine zeigt.

Im folgenden wird rein beispielhaft davon ausgegan­ gen, daß die Verdrängermaschine als Pumpe betrieben wird, das heißt ein Zahnrad wird mit einem An­ triebsmoment beaufschlagt, so daß ein Fluid geför­ dert wird. Es ist möglich, die Funktionsweise der Verdrängermaschine umzukehren und diese auch als Motor zu betreiben. In diesem Fall werden die Zahn­ räder von einem Fluidstrom in Drehung versetzt und das dabei an den Zahnrädern wirkende Drehmoment mittels geeigneter Einrichtungen an den als Ab­ triebswelle wirkenden Drehachsen der Zahnräder ab­ gegriffen. Damit wird also das Drehmoment über die Abtriebswelle des Hydromotors an einen Verbraucher weitergegeben.

Die Figur zeigt eine schematische Schnittansicht einer Verdrängermaschine 1 mit einem Gehäuse, von dem hier lediglich die Gehäuseinnenfläche 3 darge­ stellt ist. Die Gehäuseinnenfläche 3 umschließt einen Innenraum 5, der an seinen Stirnseiten von Dichtflächen begrenzt wird. Die Dichtflächen werden üblicherweise von auch als Druckplatten bezeichne­ ten Deckeln verschlossen. In dieser Darstellung ist der vordere Deckel abgenommen und lediglich der hintere Deckel 7 mit seiner Dichtfläche 9 darge­ stellt. Der Innenraum 5 weist einen Querschnitt in Form einer Acht auf, der durch zwei achsparallele Bohrungen gebildet ist. In dem Innenraum 5 sind zwei außenverzahnte Zahnräder 11 und 13 angeordnet, die drehfest mit Drehachsen 15 und 17 verbunden sind und deren Seitenflächen dicht an den Dichtflä­ chen anliegen. Die Mittelpunkte der Zahnräder 11 und 13 liegen jeweils auf einem Schnittpunkt, der von einer Symmetrieachse 19 und einer Ebene E1 be­ ziehungsweise von der Symmetrieachse 19 und einer Ebene E2 gebildet ist. Die Ebenen E1 und E2 verlau­ fen parallel zueinander und orthogonal zur Symme­ trieachse 19. Die Zahnräder 11 und 13 kämmen in ei­ nem Trennbereich 21 miteinander, der zwei An­ schlußbereiche 23 und 25 voneinander trennt. Das zu fördernde Fluid wird von dem das niedrigere Druck­ niveau aufweisenden Anschlußbereich 23 (Saugseite) zu dem Anschlußbereich 25 (Druckseite) gefördert, der ein höheres Druckniveau als der Anschlußbereich 23 aufweist.

Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden, benach­ barten Zähnen eines Zahnrads und der Gehäuseinnen­ fläche 3 wird ein Förderraum 27 gebildet, in dem das Fluid von der Saugseite zur Druckseite geför­ dert wird. Im Anschlußbereich 23 ist eine Bohrung 29 in das Gehäuse der Verdrängermaschine 1 einge­ bracht, mittels derer der Innenraum 5 mit einer das Fluid anliefernden - hier nicht dargestellten - Lei­ tung verbunden ist. Das Gehäuse weist eine weitere Bohrung 31 auf, die im Anschlußbereich 25 angeord­ net ist und in die das von den Förderräumen 27 an­ gelieferte, unter Druck stehende Fluid aus der Ver­ drängermaschine 1 gefördert und beispielsweise ei­ nem Verbraucher zuführt wird.

In der Dichtfläche 9 des stirnseitigen Deckels 7 sind Druckverteilungsräume 33 und 35 vorgesehen, auf deren Funktion im folgenden näher eingegangen wird. Aufgrund der Symmetrie der Verdrängermaschine 1 bezüglich einer Horizontalen H wird nachstehend lediglich auf die dem oberen Zahnrad 11 zugeordne­ ten Druckverteilungsräume 33 und 35 eingegangen.

Das gewünschte Spiel zwischen den Zahnköpfen 37 der Zahnräder 11 und 13 und der Gehäuseinnenfläche 3 führt dazu, daß von dem das höhere Druckniveau auf­ weisenden Anschlußbereich 25 der Druck sich über den Umfangsbereich der Zahnräder in Richtung des Anschlußbereichs 23 ausweitet. Der auf dem Umfang der Zahnräder anstehende Druck erzeugt an jedem der beiden Zahnräder eine zum Zahnradmittelpunkt ge­ richtete Radialkraft, die von einer durch das An­ triebsdrehmoment erzeugten mechanischen Kraft über­ lagert wird. Die Radialkraft und die mechanische Kraft können durch vektorielle Addition zu einer resultierenden Kraft, im folgenden kurz Resultie­ rende genannt, zusammengefaßt werden, deren Wir­ kungsrichtung beziehungsweise -linie durch den Mit­ telpunkt des entsprechenden Zahnrads verläuft.

Durch die resultierende Kraft werden die Zahnräder verlagert, wodurch einige der Zahnköpfe 37 im Be­ reich der Saugseite an die Gehäuseinnenfläche 3 ge­ preßt werden, so daß eine Trennung des Druckbe­ reichs vom Saugbereich am Umfang der Zahnräder 11 und 13 gegeben ist. Durch die Verlagerung nehmen die Zahnräder 11 und 13 eine exzentrische Lage im Gehäuse der Verdrängermaschine ein. Um den Rich­ tungssinn der Resultierenden gezielt beeinflussen zu können, sind die Druckverteilungsräume 33 und 35 in die Dichtfläche 9 eingebracht. Der im An­ schlußbereich 25 herrschende Druck weitet sich über den Umfangsbereich der Zahnräder aus, wird durch den in der Dichtfläche 9 angeordneten Druckvertei­ lungsraum 33 gezielt weitergeleitet und über einen Umfangsbereich der Zahnräder in Richtung der Saug­ seite geführt. Der Druckverteilungsraum 33 beginnt - entgegen der Förderrichtung betrachtet - circa 90° vor der Bohrung 31 und erstreckt sich teilringartig über einen Winkelbereich von annähernd 70° über die Peripherie des Zahnrads.

Der nutartige Druckverteilungsraum 33 ist symme­ trisch zur Symmetrieachse 19 ausgebildet und in diesem Ausführungsbeispiel in die Dichtfläche 9 eingebracht. Alternativ dazu ist es möglich, den Druck von der Druckseite über eine in der Gehäuse­ innenfläche 3 angeordnete, als Druckverteilungsraum wirkende Ausnehmung, eine Nut, einen Rückströmkanal oder dergleichen zurückzuführen.

Ausgehend von dem Druckverteilungsraum 33 erstreckt sich ein nutartiger Kanal in Richtung des An­ schlußbereichs 23, der hier als Druckverteilungs­ raum 35 bezeichnet ist. Der Druckverteilungsraum 35 weist einen in Richtung zur Saugseite verjüngenden Querschnitt auf und führt den auf der Druckseite herrschenden Systemdruck bis auf circa 45° vor die Bohrung 29 des Anschlußbereichs 23 zurück. Anstelle oder zusätzlich zum Druckverteilungsraum 35 kann, in einem weiteren Ausführungsbeispiel, im Gehäuse der Verdrängermaschine 1 beziehungsweise in die Ge­ häuseinnenfläche 3 ein weiterer Druckrückfüh­ rungskanal, -bohrung, -nut oder dergleichen vor­ gesehen sein. Die Positionierung der Druckvertei­ lungsräume 33 und 35 in oder an der Verdrängerma­ schine ist generell frei wählbar. Wichtig ist, daß der Systemdruck definiert so auf der Peripherie der Zahnräder verteilbar ist, daß die Zahnräder gegen­ einandergepreßt werden.

In der Figur ist der in dieser Zahnräderein­ griffsstellung sich einstellende, momentane Druck­ verlauf am Umfang der Zahnräder 11 und 13 mit einer schraffierten Fläche 39 angedeutet. Je nach Stel­ lung der Zahnräder 11 und 13 ergeben sich unter­ schiedliche Drücke aufweisende Druckfelder an deren Peripherie. So weist das Zahnrad 13 ein erstes Druckfeld D1 auf, das sich von der Druckseite in Richtung der Saugseite über einen Winkelbereich von circa 230° erstreckt. Die Breite des als Kreisring­ segment dargestellten Druckfeldes D1 entspricht dem maximalen, an dem Anschlußbereich 25 wirkenden Druck p1 (Systemdruck). An das Druckfeld D1 schließt sich ein zweites Druckfeld D2 an, das sich über einen Winkelbereich von circa 30° erstreckt und in dem etwa 80% des maximalen Drucks p1 herr­ schen. Der Druck im Druckfeld D2 ist mit p2 be­ zeichnet. Ein weiteres, drittes Druckfeld D3 schließt sich - im Uhrzeigersinn gesehen - an das Druckfeld D2 an und erstreckt sich bis unmittelbar zur Bohrung 29 des Anschlußbereichs 23. In diesem Druckfeld D3 herrscht ein Druck p3, der etwa 10% des maximalen Drucks p1 entspricht. Durch die er­ findungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung der Druckverteilungsräume 33 und 35 ist die Erstreckung der Druckfelder D1 bis D3 über den Umfang des Zahn­ rads 13 sowie deren Drücke p1 bis p3 exakt defi­ niert. Die sich daraus ergebende - hier nicht darge­ stellte - Radialkraft wird - wie oben bereits be­ schrieben - von einer mechanischen Kraft, dem An­ triebs-Drehmoment überlagert. Die daraus gebildete Resultierende R1 greift im Mittelpunkt des Zahnrads 13 an und schließt mit der Symmetrieachse 19 einen Winkel α ein, der kleiner 90° ist. Am Zahnrad 11 erstreckt sich, ausgehend vom Anschlußbereich 25, ebenfalls ein Druckfeld D1 mit dem Druck p1 über einen Winkelbereich von circa 230°. Daran - im Ge­ genuhrzeigersinn gesehen - anschließend ist ein Druckfeld D4 mit einem Druck p4 vorgesehen, der un­ gefähr 60% des maximalen Drucks p1 beträgt. Die Druckkräfte der Druckfelder D1 und D4 ergeben mit der durch das Antriebsmoment hervorgerufenen mecha­ nischen Kraft eine Resultierende R2, die mit der Symmetrieachse 19 einen Winkel β einschließt, der kleiner 90° ist.

Die beiden Resultierenden R1 und R2 beziehungsweise deren Wirkungslinien sind derart zueinander ausge­ richtet, daß sie sich auf der Saugseite der Ver­ drängermaschine 1 in einem Bereich schneiden, der links von der Symmetrieachse 19 zwischen den Ebenen E1 und E2 liegt. Dadurch werden die Zahnräder 11 und 13 im Trennbereich 21 ineinandergeschoben, so daß ein Flankenspiel vermieden wird und sich eine Zweiflankendichtung ergibt. Unter einer Zweiflan­ kendichtung ist - wie oben erläutert - zu verstehen, daß ein Zahn eines Zahnrads mit seinen beiden Flan­ ken an jeweils benachbarten Zähnen des anderen Zahnrads anliegt und sich an diesen abwälzt. Da­ durch ergeben sich drei Eingriffspunkte zwischen den Zahnrädern 11 und 13 im Trennbereich 21, so daß zwei Räume 41 und 43 gebildet werden, in denen ein Volumen eingequetscht und praktisch ständig im Kreis gefördert wird. Die Eingriffspunkte sind im­ mer auf einer gleichbleibenden Eingriffslinie 45 angeordnet und bewegen sich auf dieser entlang. Durch die Zweiflankendichtung wird das einge­ quetschte Volumen in den Räumen 41 und 43 mini­ miert, wodurch sich eine erheblich reduzierte För­ derstrompulsation ergibt.

Das Abdichten der Saugseite von der Druckseite mit­ tels einer Zweiflankendichtung stellt eine Maßnahme entgegen dem in der Fachwelt allgemein verbreiteten Vorurteil dar, daß diese Abdichtung fertigungstech­ nisch zu aufwendig ist. Die in bekannten Verdrän­ germaschinen angewandte Einflankendichtung, mit le­ diglich zwei Eingriffspunkten im Trennbereich, weist eine Förderstrompulsation auf, die um einen Faktor 4 größer ist.

Die Lage der Druckverteilungsräume 33 und 35 sowie deren Ausgestaltung und Erstreckung über den Um­ fangsbereich der Zahnräder ist in Abhängigkeit der Verzahnungsauslegung (Zähnezahl, Zahngeometrie) va­ riabel. Entscheidend ist, daß der im Anschlußbe­ reich 25 herrschende Systemdruck so zurückgeführt und auf den Umfang der Zahnräder verteilt wird, daß sich die Wirkungslinien der Resultierenden R1 und R2 im Bereich der Saugseite - wie oben beschrieben - schneiden beziehungsweise mit der Symmetrieachse 19 jeweils einen Winkel einschließen, der kleiner 90° ist. Auf diese Weise wird ein Flankenspiel vermie­ den und außerdem eine optimale Doppelflanken- oder Zweiflankendichtung zwischen Saug- und Druckseite der Verdrängermaschine erreicht, die allein auf hydraulischen Kräften beruht. Es bedarf keiner zu­ sätzlichen mechanischen Hilfsmittel, die die Zahn­ räder gegeneinanderpressen und die einem erhebli­ chen Verschleiß unterliegen. Überdies wird eine - gegebenenfalls auch nur geringfügige - Reduzierung der Kräfte am Zahnrad erreicht, was den Verschleiß der zugehörigen Lagerung reduziert. Im übrigen wird aufgrund der Zweiflankendichtung eine Aufteilung der resultierenden Kräfte erreicht: Diese werden zum Teil von einem Lager aufgefangen, das dem Wel­ lenzapfen der Zahnräder zugeordnet ist, und zum Teil im Zahnradeingriffspunkt an der Evolvente, das heißt, an den die Zweiflankendichtung bildenden Be­ rührungspunkten der ineinandergreifenden Zahnräder, abgestützt.

Claims (10)

1. Verdrängermaschine mit zwei miteinander käm­ menden, außenverzahnten Zahnrädern, die in einem Gehäuse derart untergebracht sind, daß die Zähne der Zahnräder mit einer Gehäuseinnenfläche dichtend in Eingriff stehen, mit zwei verschiedene Druckni­ veaus aufweisenden Anschlußbereichen, die von den ineinandergreifenden Zähnen der Zahnräder gegenein­ ander abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der im das höhere Druckniveau aufweisenden An­ schlußbereich (25) herrschende Druck über einen Um­ fangsbereich der Zahnräder (11, 13) zu dem das nied­ rigere Druckniveau aufweisenden Anschlußbereich (23) zurückgeführt wird, so daß die Zahnräder (11, 13) durch hydraulische Kräfte gegeneinanderge­ preßt werden.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anschlußbereiche (23,25) durch eine Zweiflankendichtung voneinander getrennt sind.

3. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das hohe auf den Umfangsbereich der Zahnräder (11, 13) wirkende Druckniveau hydraulische Radialkräfte auf­ gebaut werden, die die Zahnräder (11, 13) gegen die Gehäuseinnenfläche (3) verlagern, so daß wenigstens zwei, vorzugsweise drei Zähne des jeweiligen Zahn­ rads (11, 13) an der Gehäuseinnenfläche (3) dichtend anliegen.

4. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Re­ sultierenden (R₁, R₂) aus den hydraulischen Radial­ kräften und aus auf auf die Drehachse der Zahnräder (11, 13) wirkenden Drehmomenten beruhenden mechani­ schen Kräften mit einer Symmetrieachse (19) jeweils einen Winkel (α, β) einschließen, der kleiner 90° ist.

5. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Druck mittels vorzugsweise als Nut ausgebildeten Druckverteilungsräumen (33, 35) gezielt auf die Um­ fangsbereiche der Zahnräder (11, 13) verteilt ist.

6. Verdrängermaschine nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckverteilungsräume (33, 35) - in radialer Richtung gesehen - in zu den Zähnen der Zahnräder (11, 13) benachbarten Bereichen der Ge­ häuseinnenfläche (3) angeordnet sind.

7. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck­ verteilungsräume (33, 35) an den Zahnradseiten­ flächen anliegenden Dichtflächen (9) angeordnet sind.

8. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvertei­ lungsräume (35) einen in Richtung des das niedri­ gere Druckniveau aufweisenden Anschlußbereich (23) verjüngenden Querschnitt aufweisen.

9. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck­ verteilungsräume (33) sich über einen Umfangs­ bereich der Zahnräder (11, 13) von vorzugsweise 70° erstrecken und annähernd symmetrisch zur Symmetrie­ achse (19) angeordnet sind.

10. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverteilungsräume (35) - ausgehend von den Druckverteilungsräumen (33) - sich bis in einen Um­ fangsbereich der Zahnräder erstrecken, der vorzugs­ weise 45° vor dem das niedrigere Druckniveau auf­ weisenden Anschlußbereich (23) angeordnet ist.