DE19721621C2 - Zahnradmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Zahnradmaschine (Pumpe oder Mo­ tor) nach der Gattung des Anspruchs 1 aus. Bei derartigen bekannten Zahnradmaschinen wird während des Doppeleingriffs der Zahnräder das zwischen den jeweiligen Eingriffspunkten in den Zahnkammern eingeschlossene Druckmittelvolumen im Verlauf der Drehung der Zahnräder einer Kompression mit an­ schließender Dekompression unterworfen. Die damit verbundene Druckpulsation führt zu einer relativ hohen Geräuschentwick­ lung. Um diese Geräuschentwicklung zu reduzieren, ist es be­ kannt, den bei dieser Druckpulsation entstehenden Quetschöl­ druck zu begrenzen. Dazu sind in den seitlich angeordneten Dichtelementen der Zahnkammern Vorsteuernuten angeordnet, die so ausgelegt sind, daß der Quetschölraum möglichst lange mit der Ablaufseite der Zahnradmaschine verbunden ist. Kom­ pression und Dekompression des eingeschlossenen Quetschöls finden so nicht im abgeschlossenen Volumen statt. Damit sinkt der auftretende Druckgradient und das daraus resultie­ rende Geräusch.

Nachteiligerweise führt diese Ausbildung der Vorsteuernuten zu einer kurzzeitigen Verbindung der Hochdruckseite mit der Niederdruckseite der Zahnradmaschine, die das volumetrische Verhalten bzw. den volumetrischen Wirkungsgrad der Zahnradmaschine verschlechtert.

Aus der DE 42 17 160 A1 ist es diesbezüglich bekannt, an den die Zahnkammern seitlich begrenzenden Dichtkörpern Vertiefungen anzubringen, die das Volumen des eingeschlossenen Quetschölraums vergrößern. Dies verringert den Quotienten aus der Volumenänderung und dem nichtkomprimierten Ausgangsvolumen und damit die Geschwindigkeit, mit der sich im zeitlichen Verlauf der Zahnraddrehung der Druck im Quetschölraum verändert. Obwohl sich damit das Betriebsgeräusch der Zahnradmaschine senken läßt, ist diese Lösung unbefriedigend, weil die Vertiefungen hydraulische Kapazitäten bilden, die den Förderstrom und damit den Wirkungsgrad der Zahnradmaschine geringfügig verschlechtern. Außerdem ist die geräuschsenkende Wirkung dieser Maßnahme relativ gering, weil lediglich die Amplitude der Druckerhöhung vermindert, die Amplitude selbst aber nicht vermieden wird.

Ferner ist aus der DE 25 54 105 C2 eine Zahnradmaschine bekannt, die einen Drosselkanal aufweist, der die sich öffnenden Zahnkammern mit der Hochdruckseite verbindet. Durch die erfolgende Glättung des Anstiegs des Unterdrucks beim Ansaugvorgang sollen Betriebsgeräusche und Kavitationseffekte abgemildert werden. Von Pulsationen im Quetschöl erzeugte Betriebsgeräusche sind von dieser Maßnahme unbeeinflußt und treten unverändert auf.

Darüber hinaus ist aus der GB 490 963 ein Druckerzeuger in Form einer Flügelzellenpumpe bekannt, der zur Dämpfung von Förderstrompulsationen eine federbeaufschlagte Kolben- /Zylindereinheit aufweist. Diese ist abweichend vom Gegenstand der Erfindung mit dem Auslaß der Flügelzellenmaschine gekoppelt. Die Pumpenflügel liegen sich gegenüber, ihre Führungen sind hydraulisch miteinander verbunden. Quetschölräume bestehen bei dieser Flügelzellenpumpe demnach keine; die der Erfindung zugrunde liegende Geräuschproblematik stellt sich nicht.

Vorteile der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Zahnradmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sie ein weiter reduziertes Betriebsgeräusch bei besserem volumetrischem Wirkungsgrad aufweist. Hierzu sind an der Zahnradmaschine relativ einfach und preisgünstig realisierbare Tilgerelemente ausgebildet, die mit dem Quetschölraum in Wirkverbindung treten. Die Tilgerelemente nehmen das Kompressionsvolumen auf und geben es im Laufe der Zahnraddrehung wieder frei, so daß keine Quetschöldrucküberhöhung entsteht. Dies ermöglicht bei unverändertem Geräuschniveau eine höhere Umsteuerüberdeckung mit der Folge eines besseren volumetrischen Wirkungsgrades der Zahnradmaschine bzw. eine gröbere Tolerierung der Umsteuerung, verbunden mit geringe­ ren Teilekosten für die Lagerbuchsen/-brillen.

Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen oder der Be­ schreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgen­ den Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fig. 1 einen nur teilweise dargestellten Schnitt durch eine vereinfacht dargestellte Zahnradmaschine, in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ein Detail nach Fig. 1. Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III nach Fig. 2 durch eine der Lagerbuchsen mit einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel für ein Tilgerelement, während Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Tilgerelements darstellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 das nur angedeutete Gehäuse einer Zahnradmaschine beschrieben, in dessen Innenraum 11 einander gegenüberliegend ein Zulaufkanal 12 und ein Ablaufkanal 13 münden. Im Innenraum 11 kämmen zwei Zahnräder 14 und 15 im Außeneingriff miteinander. Die Zahnradmaschine ist in diesem Ausführungsbeispiel als Zahnradpumpe ausgebildet, wobei das Zahnrad 15 auf hier nicht näher dargestellte Weise im Ge­ genuhrzeigersinn angetrieben ist. Die Zahnräder 14 und 15 sind mit ihren nicht dargestellten Wellenzapfen in vier La­ gerbuchsen gelagert, von denen in Fig. 1 die Lagerbuchsen 16 und 17 dargestellt sind. Die nicht gezeichneten, gegen­ überliegenden Lagerbuchsen sind entsprechend symmetrisch ausgebildet. Diese Lagerbuchsen liegen auf an sich bekannte Weise an den Zahnradseitenflächen dichtend an. An den anein­ anderliegenden Flachseiten 18, 19 der Lagerbuchsen 16, 17 sind in den den Zahnradseitenflächen zugewandten Stirnseiten jeweils einander gegenüberliegende Vertiefungen 20, 21 bzw. 22, 23 ausgebildet, die paarweise eine Vorsteuernut bilden. Die beiden Vertiefungen 20 und 22 bilden die ablaufseitige Vorsteuernut 24 und die beiden Vertiefungen 21, 23 die zu­ laufseitige Vorsteuernut 25. Die beiden Vorsteuernuten 24, 25 ragen bis in den Eingriffsbereich der beiden Zahnräder 14, 15, ohne einander zu berühren.

In dem in Fig. 2 vergrößert dargestellten Eingriffsbereich der beiden Zahnräder 14, 15 befinden sich zwei Zahnpaare im Eingriff, und zwar in einem Eingriffspunkt E1 und einem zweiten Eingriffspunkt E2. Diese Eingriffspunkte E1 und E2 liegen auf einer gemeinsamen Eingriffslinie E, die bei an sich bekannten Evolventenverzahnungen einen Eingriffswinkel von beispielsweise 20 Grad hat. Zwischen den beiden Ein­ griffspunkten E1 und E2 wird von den beiden Zahnrädern 14, 15 ein Quetschölraum 26 eingeschlossen, dessen Volumen sich über den Drehwinkel ändert. Der Quetschölraum 26 wird beim Einlaufen eines Zahnpaares geschlossen, mit der Drehung der Zahnräder 14, 15 zunächst verkleinert, bei fortschreitender Drehung vergrößert und beim Auseinanderlaufen des anderen Zahnpaars wieder geöffnet. Dieser Kompressions-/Dekom­ pressionsvorgang ist an sich bekannt und läuft jeweils zwi­ schen zwei im Eingriff befindlichen Zahnpaaren ab. Im Ein­ griffsbereich der beiden Zahnräder 14, 15 ist in jeder der Lagerbuchsen 16, 17 eine Ausnehmung 27, 28 ausgebildet, in die ein Tilgerelement 30 eingesetzt ist. Die Ausnehmungen 27, 28 sind zwischen den Vorsteuernuten 25, 24 angeordnet, ohne diese zu berühren und liegen seitlich von der Ein­ griffslinie E.

Wie Fig. 3 zeigt, durchdringen die Ausnehmungen 27, 28 die Lagerbuchsen 16, 17 vollständig. In ihrem Inneren ist das Tilgerelement 30 angeordnet, das aus einem Stützkörper 32 und einer Membran 31 besteht. Der Stützkörper 32 wird von einem plattenartigen Stahlkörper gebildet, dessen Umfangs­ kontur auf die Form der Ausnehmung 27, 28 abgestimmt ist. Dieser Stützkörper 32 ist mit Vorspannung im wesentlichen bündig in die Ausnehmung 27, 28 eingepreßt und befindet sich auf der den Zahnrädern 14, 15 (Fig. 1) zugewandten Seite der Lagerbuchse 16, 17. Der Stützkörper 32 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet und umschließt eine durchgehende Öff­ nung 34. In Richtung der von den Zahnrädern 14, 15 abgewand­ ten Seite der Lagerbuchse 16, 17 schließt sich dem Stützkör­ per 32 die Membran 31 an. Diese Membran 31 erstreckt sich über die gesamte Breite des Stützkörpers 32 und deckt dessen Öffnung 34, die unmittelbar mit dem Quetschölraum 26 verbun­ den ist, ab. Die Membran 31 ist aus einem Elastomer herge­ stellt und ist an den Stützkörper 32 anvulkanisiert, so daß das Tilgerelement 30 ein einteiliges Bauteil ausbildet. Die vom Stützkörper 32 abgewandt liegende Seite der Membran 31 ist exemplarisch mit Hochdruck beaufschlagt. Hierzu mündet die Ausnehmung 27, 28, in die das Tilgerelement 30 einge­ setzt ist, in ein Druckfeld 33, das auf der dem Tilgerele­ ment 30 gegenüberliegenden Seite der Lagerbuchse 16, 17 aus­ gebildet und mit dem Ablaufkanal 13 der Zahnradmaschine ver­ bunden ist.

Bei der Drehung der Zahnräder 14, 15 wird das zunächst un­ komprimierte Ölvolumen im Quetschölraum 26 (Fig. 1) bis auf ein Minimalvolumen komprimiert und anschließend wieder de­ komprimiert. Der sich ergebende Quotient aus der Volumenver­ änderung und dem Ausgangsvolumen des Quetschölraums 26 ist ohne den Einfluß der Vorsteuernuten der daraus resultieren­ den Druckdifferenz proportional. Der sich aus dem entspre­ chenden Druckquotienten über die Zeit ergebende Druckgra­ dient ist proportional zum dabei entstehenden Geräusch der Zahnradmaschine.

Die erfindungsgemäßen Tilgerelemente 30 der Zahnradmaschine werden bei einem Druckanstieg im Quetschölraum 26 elastisch verformt und dämpfen dadurch diese Drucküberhöhung ab. Als Folge davon verringert sich die Geschwindigkeit, mit der sich der Druck im Quetschölraum 26 verändert, was sich in einer Senkung des Betriebsgeräuschs der Zahnradmaschine aus­ wirkt. Durch die elastische Verformung der Tilgerelemente 30 während eines Kompressions-/Dekompressionszykluses des Quet­ schölraums 26 wird demnach eine hydraulische Kapazität ge­ bildet, die die Druckschwankungen im Quetschölraum 26 glät­ tet. Im Unterschied zu bekannten Lösungen baut sich diese hydraulische Kapazität allerdings im Verlauf eines Kompres­ sions-/Dekompresskonszykluses auf und auch wieder ab, so daß sich bezüglich des Fördervolumens und des volumetrischen Wirkungsgrads der Zahnradmaschine keine Verschlechterung ge­ genüber Zahnradmaschinen ohne Tilgerelemente 30 einstellen. Dieser Vorteil wird u. a. auch von der Funktion des Stützkör­ pers 32 bestimmt, die in diesem Zusammenhang darin besteht, daß der Stützkörper 32 in der Dekompressionsphase ein Aus­ wölben der Membran 31 in Richtung der Zahnräder 14, 15 ver­ hindert. Dadurch wird ein der Druckmittelförderrichtung ent­ gegengesetzt strömender Rückfluß von Druckmedium verhindert, der ansonsten die Fördermenge der Zahnradmaschine verringern würde.

Die erzielbare Geräuschreduzierung läßt sich auch in Opti­ mierungen an der Mechanik der Zahnradmaschine umsetzen, die ansonsten einen Anstieg des Betriebsgeräusches hervorrufen würden. So können beispielsweise die Vorsteuernuten 24, 25 der Zahnradmaschine verkürzt ausgeführt werden, wodurch der in Kauf genommene Kurzschluß zwischen der Hoch- und der Nie­ derdruckseite der Zahnradmaschine verringert bzw. vermieden werden kann. Dies wirkt sich ebenso positiv auf den volume­ trischen Wirkungsgrad der Zahnradmaschine aus. Die Vermei­ dung eines hydraulischen Kurzschlusses ist der Grund dafür, daß die Tilgerelemente 30 bzw. die diese Tilgerelemente 30 aufnehmenden Ausnehmungen 27, 28 so angeordnet sind, daß sie von der Eingriffslinie E der Zahnradanordnung nicht ge­ schnitten werden.

Im Übrigen ist die Anordnung und die Ausführung der Ausneh­ mungen 27, 28 nicht auf die hier beschriebene Art und Weise beschränkt. So ist es beispielsweise auch möglich, die Aus­ nehmungen 27, 28 als Sacklochbohrungen auszubilden. Ebenso sind verschiedene Ausführungsvarianten für die Tilgerelemen­ te 30 denkbar.

So ist gemäß Fig. 4 das Tilgerelement 30 als Kolben 35 aus­ gebildet, der verschiebbar in einer Zylinderbohrung 37 ange­ ordnet ist. Exemplarisch ist diese Zylinderbohrung 37 als Sacklochbohrung bzw. als einseitig geschlossene Durchgangs­ bohrung ausgebildet, an deren Grund sich eine den Kolben 35 beaufschlagende Druckfeder 36 abstützt. Der in Richtung der nicht gezeichneten Zahnräder 14, 15 gerichtete Hub des Kol­ bens 35 wird von einem Anschlagring 38 begrenzt, der ver­ gleichbar zum Stützkörper 32 des elastischen Tilgerelements 30 eine Öffnung 34 begrenzt und auf der den Zahnrädern 14, 15 zugewandten Seite der Zylinderbohrung 37 bündig in diese eingepreßt ist. Zur Druckbeaufschlagung der Unterseite des Kolbens 35 ist die Zylinderbohrung 37 exemplarisch über ei­ nen Radialkanal 39 mit der Hochdruckseite der Zahnradmaschi­ ne verbunden. Um eine an den Einsatzfall angepaßte Druck­ schwelle einzustellen, ab der der Kolben 35 auf Druckverän­ derungen im Quetschölraum 26 (Fig. 1) reagiert, lassen sich im Radialkanal 39 nicht dargestellte Drosseln einsetzten, die beispielsweise den Einfluß der Druckfeder 36 auf die Kolbenhubbewegung kompensieren können. Bei einer Druckerhö­ hung im Quetschölraum 26 über einen vom Druckniveau auf der Unterseite des Kolbens 35 abhängigen Schwellwert hinaus, führt dieser eine Hubbewegung aus und schafft dadurch ein Zusatzvolumen, das diese Drucküberhöhung mildert. In der De­ kompressionsphase des Quetschölraums 26 wird die dabei ge­ bildete hydraulische Kapazität wieder abgebaut, so daß sich auch bei diesem beweglichen Tilgerelement 30 die selben Wir­ kungen einstellen, wie sie bereits beim ortsfesten elasti­ schen Tilgerelement 30 beschrieben wurden. Maßgeblich für die Wirkungsweise der Tilgerelemente 30 ist, daß ein Kurz­ schluß von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Zahn­ radmaschine vermieden werden muß. Hierzu ist es notwendig, daß die Ausnehmungen 27, 28 abseits der Eingriffslinie E an­ geordnet sind und nicht von dieser geschnitten werden.

Selbstverständlich sind weitere Verbesserungen oder Ergän­ zungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

So eignen sich die beschriebenen Ausführungsbeispiele sowohl für Zahnradmaschinen mit Lagerbuchsen, mit Lagerbrillen, als auch für solche mit Dichtplatten. Desweiteren zu erwähnen ist, daß die Ausnehmungen 27, 28 der Tilgerelemente 30 grundsätzlich in allen die Zahnkammern begrenzenden Wan­ dungen angebracht werden können. Beispielsweise ist es durchaus vorstellbar, die Tilgerelemente 30 auch in den Zahnflanken der Zahnräder 14, 15 anzuordnen, falls dies auf­ grund der Anforderungen an die Festigkeit der Zahnräder 14, 15 möglich ist.

Claims (10)

1. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit einem Gehäuse (10), in dessen Innenraum (11) eine Zahnradanordnung aus wenigstens zwei Zahnrädern (14, 15) angeordnet ist, deren Verzahnungen derart aufeinander abgestimmt sind, daß sich zumindest zeitweise wenigstens zwei Zahnradpaare gleichzeitig in Eingriff befinden, die zwischen sich wenigstens einen Quetschölraum (26) einschließen, dessen Volumen in Abhängigkeit vom Eingriffswinkel periodisch schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradmaschine wenigstens ein mit dem wenigstens einen Quetschölraum (26) zusammenwirkendes Tilgerelement (30) aufweist, dessen Volumen abhängig vom Druck im Quetschölraum (26) veränderlich ist und das auf seiner vom Quetschölraum (26) abgewandten Seite mit Druck, insbesondere mit Systemdruck der Zahnradmaschine, beaufschlagt ist.

2. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Tilgerelement (30) im nicht druckbeaufschlagten Zustand im wesentlichen bündig auf der dem Quetschölraum (26) zugewandten Seite ei­ ner Ausnehmung (27, 28) angeordnet ist, und daß die Ausneh­ mung (27, 28) abseits der Eingriffslinie (E) der Zahnrad­ anordnung positioniert ist.

3. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspru­ ch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgerelement (30) infolge der Druckbeaufschlagung eine Auslenkung er­ fährt, die kleiner ist, als die Tiefe der das Tilgerelement (30) aufnehmenden Ausnehmung (27, 28).

4. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgerelement (30) aus einer elastischen Membran (31) besteht, die mit ei­ nem ortsfesten Stützelement (32) zusammenwirkt, und daß das Tilgerelement (30) die Ausnehmung (27, 28) verschließt.

5. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membran (31) aus einem Elasto­ mer gefertigt ist, und daß das Tilgerelement (30) durch An­ vulkanisieren der Membran (31) an das Stützelement (32) als einteiliges Bauteil ausgebildet ist, das in die Ausnehmung (27, 28) eingepreßt ist.

6. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgerelement (30) ein Kolben (35) ist, der gegen die Kraft einer Druckfe­ der (36) in einer Zylinderbohrung (37) beweglich geführt ist.

7. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü­ che 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das Tilgerele­ ment (30) aufnehmenden Ausnehmungen (27, 28) an den Zahn­ flanken der Zahnräder (14, 15) ausgebildet sind.

8. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü­ che 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das Tilgerele­ ment (30) aufnehmenden Ausnehmungen (27, 28) in den Bautei­ len der Zahnradmaschine angeordnet sind, die die Zahnkammern der Zahnräder (14, 15) seitlich verschließen.

9. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die die Zahnkammern der Zahnräder (14, 15) verschließenden Bauteile der Zahnradmaschine Lager­ buchsen (16, 17) oder Lagerbrillen sind, die auf ihren von den Zahnrädern (14, 15) abgewandten Seiten mit Systemdruck beaufschlagte Druckflächen (33) ausbilden, und daß die die Tilgerelemente (30) aufnehmenden Ausnehmungen (27, 28) Durchgangsbohrungen sind, die die Lagerbuchsen (16, 17) oder die Lagerbrillen durchdringen und im Bereich der Druckflä­ chen (33) münden.

10. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) der Zahnradmaschine mehrteilig ausgebildet ist und aus einem Antriebsdeckel, einem Ringkörper und einem Verschluß­ deckel besteht.