DE19825667C2 - Hydraulischer Druckerzeuger - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem hydraulischen Druckerzeuger entsprechend der Gattung des Anspruchs 1 aus. Derartige Druckerzeuger sind beispielsweise in Form von Axial-, Radialkolbenpumpen oder in Form von Zahnradpumpen hinlänglich bekannt. Diesen Arten von Druckerzeugern liegt gemeinsam das von ihrem Arbeitsprinzip herrührende Problem zugrunde, daß sie einen Volumenstrom erzeugen, der periodischen Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen verursachen im Fördermedium Druckpulsationen, die in der Umgebung der Druckerzeuger als Betriebsgeräusche wahrnehmbar sind. Ferner belasten Druckpulsationen die Mechanik der angeschlossenen Bauteile und können daher zu Betriebsstörungen oder im Extremfall zu Totalausfällen führen. Es ist daher anzustreben diese Druckpulsationen zu dämpfen oder ganz zu vermeiden.

Diesbezüglich ist in der DE 40 22 500 A1 ein Druckerzeuger in Form einer Außenzahnradpumpe beschrieben, deren Verzahnungskontur eine sich im Verlauf eines Zahneingriffs verändernde Übersetzung aufweist. Nachteilig dabei ist, daß diese Verzahnungskontur relativ aufwendig herzustellen ist und verhältnismäßig empfindlich gegenüber Achsabstandsschwankungen der Zahnräder ist.

Aus der DE 42 42 217 A1 ist eine Zahnradpumpe bekannt, die zur Pulsationsdämpfung zwei getrennte Radpaare aufweist, die in einen gemeinsamen Druckkanal fördern. Mittels unterschiedlichen Zähnezahlen der vier verschiedenen Zahnräder ergeben sich zwei Förderströme, die miteinander überlagert werden. Die Druckpulsationen der beiden Förderströme löschen sich dabei gegenseitig aus. Diese Lösung ist konstruktiv aufwendig und teuer.

Eine Abschwächung der Amplitude von Druckpulsationen ist selbstverständlich auch durch eine Erhöhung der Anzahl der Förderkammern eines Druckerzeugers möglich. Dies geht mit einer Verringerung des Fördervolumens, einem erhöhten Bauaufwand und einer entsprechenden Vergrößerung der Pulsationsfrequenz einher und ist daher nicht befriedigend.

Aus der DE 24 39 358 A1 ist eine hydrostatische Maschine mit vorgeschaltetem Steuergetriebe bekannt. Diese Baueinheit verfügt allerdings über insgesamt drei Wellen, die parallel versetzt zueinander gelagert sind. Die Sekundärwelle des Triebwerks dient nicht zur Führung eines Bauteils des Steuergetriebes.

Die Druckschrift DE 196 49 397 A1 beschreibt ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Verdrängerpumpe. Dabei wird ein Riemengetriebe eingesetzt, das zwischen der Ausgangswelle des Antriebsmotors und der Antriebswelle der Verdrängerpumpe angeordnet ist. Das Riemengetriebe umfaßt zwei Keilriemenscheiben, zwischen denen eine Drehwinkeldifferenz besteht. Die Keilriemenscheiben sind auf der Ausgangswelle des Motors bzw. der Antriebswelle der Verdrängerpumpe montiert und befinden sich somit nicht auf der Antriebswelle bzw. der Sekundärwelle der Verdrängerpumpe.

In der Druckschrift DE 43 20 489 A1 ist ein Zahnradtriebwerk zur Förderung von Druckmittel offenbart, dessen getriebenes Zahnrad aufgrund der Verzahnungskontur mit einer periodisch wechselnden Drehzahl rotiert, während das Antriebszahnrad mit konstanter Drehzahl umläuft. Das Zahnradtriebwerk weist demnach kein vorgeschaltetes Steuergetriebe auf.

Schließlich ist aus der Druckschrift FR 2 093 267 noch eine Zahnradmaschine mit einem dem Triebwerk vorgeschaltenen Steuergetriebe bekannt. Dessen Getriebebauteile sind auf der Antriebswelle und der Sekundärwelle des Triebwerks angeordnet, so daß diese Zahnradmaschine mit zwei Wellen/Achsen auskommt. Allerdings liegen beim Erfindungsgegenstand die Vorderflanken der Zahnräder zur Übertragung des Antriebsdrehmoments mechanisch aneinander an und bilden eine hyraulisch wirksame Dichtstelle, während bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen Gegenstand sowohl zwischen den Vorderflanken als auch zwischen den Rückflanken ein definierter Spalt, das heißt eine hydraulische Verbindung besteht. Ein direkter Flankenkontakt und eine Drehmomentübertragung im Triebwerk findet demnach nicht statt. Vielmehr bilden die beiden fördernden Zahnräder lediglich zwei ineinander greifende Verdränger und die Drehmomentübertragung erfolgt im vorgeschalteten Steuergetriebe. Beide fördernde Zahnräder müssen demzufolge drehfest angeordnet sein, da ansonsten die Spalte zwischen den Vorder- und Rückflanken nicht dauerhaft darstellbar wären. Beim Erfindungsgegenstand ist dagegen nur das treibende Zahnrad des Triebwerks drehfest verankert, während das getriebene Zahnrad frei beweglich auf der Achse geführt ist.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Druckerzeuger mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, daß ein konventionelles Triebwerk durch einen Antrieb, der eine periodisch veränderliche Winkelgeschwindigkeit liefert, relativ pulsationsarm betrieben werden kann. Die Schwankung der Winkelgeschwindigkeit verläuft hierbei komplementär zur Förderstrompulsation und wird durch einen handelsüblichen Elektromotor in Verbindung mit einem nachgeschalteten Steuergetriebe erzeugt. Im Falle einer Zahnradpumpe als Fördereinheit ist dadurch die Verwendung einer herkömmlichen Verzahnungsgeometrie möglich, deren Fördereigenschaften und deren Betriebsverhältnisse ausreichend erprobt und bekannt sind. Neben Teilekosten für die Fördereinheit lassen sich daher insbesondere auch Erprobungskosten einsparen. Die erfindungsgemäße Drehzahlschwankung wird von beiden Zahnrädern gleichermaßen aufgebracht, so daß die Drehzahlschwankung jedes einzelnen Zahnrads im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nur halb so stark ist. Dies wirkt sich günstig auf das dynamische Betriebsverhalten und die Lebensdauer des Druckerzeugers aus. Die Erfindung ist auf Außen- und Innenzahnradpumpen gleichermaßen anwendbar, eignet sich als Nachrüstlösung für bestehende Einrichtungen und läßt sich bauraumsparend wenigstens teilweise in das Gehäuse eines Druckerzeugers integrieren.

Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen hydraulischen Druckerzeuger im Längsschnitt, in Fig. 2 sind Diagramme dargestellt, die das Förderverhalten eines konventionellen Druckerzeugers im Vergleich zu dem eines erfindungsgemäßen Druckerzeugers beschreiben.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 1 dargestellte Zahnradpumpe 10 ist exemplarisch als Außenzahnradpumpe ausgeführt und weist ein Gehäuse 12 auf, das aus einem Mittelteil 14 und aus zwei seitlich daran befestigten Deckelteilen 16 und 18 besteht. Die Deckelteile 16 und 18 verschließen die voneinander abgewandt liegenden Öffnungen zweier sacklochartiger Ausnehmungen 20, 22 des Mittelteils 14. Diese Ausnehmungen 20, 22 sind koaxial zueinander angeordnet und durch eine Wand 24 voneinander getrennt. Die Wand 24 ist in axialer Richtung außermittig und einstückig am Mittelteil 14 angeformt und weist zwei durchgehende Bohrungen 26, 28 auf. In der in axialer Richtung längeren Ausnehmung 22 ist ein Förderradsatz 30 aus zwei im Außeneingriff miteinander kämmenden Zahnrädern 32, 34 angeordnet. Beide Zahnräder 32, 34 sind auf Wellen 36, 38 geführt, die durch die Bohrung 26, 28 der Wand 24 hindurchragen und die sich in beide Ausnehmungen 20, 22 hinein erstrecken. Die als Antriebswelle für die Zahnradpumpe 10 wirkende Welle 36 ist durch einen kegelstumpfförmigen Fortsatz 40 verlängert, der durch eine abgedichtete Öffnung 42 im Deckel 16 nach außen ragt und dort mit einer nicht dargestellten Antriebseinheit, beispielsweise einem Elektromotor, zusammenwirkt. Die die Sekundärwelle bildende zweite Welle 38 verläuft parallel versetzt zur ersten Welle 36, durchdringt die Bohrung 28 und endet innerhalb der beiden Ausnehmungen 20, 22.

Das in Fig. 1 untere Zahnrad 34 des Förderradsatzes 30 wirkt als Ritzel und ist daher drehfest, im Ausführungsbeispiel exemplarisch durch eine Paßfederverbindung, mit der Sekundärwelle 38 verbunden, während das zweite, getriebene Zahnrad 32 frei beweglich auf der Antriebswelle 36 drehbar geführt ist. Die Lagerung der Antriebswelle 36 und der Sekundärwelle 38 erfolgt in Lagerkörpern 44, 46. Letztere sind im Bereich der außenliegenden Enden der Ausnehmungen 20, 22 plaziert und liegen mit ihrem Außenumfang an der Wandung dieser Ausnehmungen 20, 22 an. Für eine besonders reibungsarme Lagerung der Wellen 36, 38 können Gleitbuchsen 48 in die Lagerbohrungen der Lagerkörper 44, 46 eingepreßt sein.

Um die in den Zahnkammern des Förderradsatzes 30 entstehenden hydraulischen Kräfte an das Gehäuse 12 abzuführen, sind in den Bohrungen 26 und 28 Lagerscheiben 25 mit L-förmigem Querschnitt vorgesehen. Diese stützen sich mit einem ihrer beiden Schenkel an der dem Förderradsatz 30 zugewandten Seitenfläche der Wand 24 ab, während der andere Schenkel die Bohrung 26, 28 durchdringt. Die axiale Erstreckung des die Bohrung 26, 28 durchdringenden Schenkels ist größer als die der Wand 24. Dadurch wird ein Verklemmen eines Steuerradsatzes 50, der in der der Antriebseite zugewandten Ausnehmung 20 angeordnet ist, vermieden.

Der Fig. 1 nicht zu entnehmen ist ein gehäuseseitiger Einlaß und ein ebensolcher Auslaß für ein Druckmittel. Ein- und Auslaß sind auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses ausgebildet, sind durch den Förderradsatz 30 hydraulisch voneinander getrennt und führen diesem auf der Saugseite ein Druckmittel zu bzw. leiten dieses auf dessen Druckseite wieder ab.

Der Steuerradsatz 50 ist an der Druckmittelförderung dieser Zahnradpumpe 10 nicht beteiligt, sondern dient lediglich dem erfindungsgemäßen Antrieb für den Förderradsatz 30. Exemplarisch ist der Steuerradsatz 50 ebenfalls als Zahnradgetriebe ausgeführt, es wären jedoch andere Getriebebauformen, beispielsweise Reibrad-, Riemen-, Kettengetriebe oder dergleichen ebenso einsetzbar.

Aufgabe des Steuerradsatzes 50 ist es, eine von einem mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierenden angeflanschten Antriebsmotor - nicht dargestellt - erzeugte Drehbewegung in eine Drehbwegung mit sich periodisch ändernder Winkelgeschwindigkeit umzusetzen. Ferner ist diese pulsierende Drehbewegung auf den Förderradsatz 30 zu übertragen, um Förderstrompulsationen im Druckmittelstrom entgegenzuwirken. Im Falle des dargestellten Zahnradgetriebes ist dies durch eine entsprechende Gestaltung der Flankenkonturen eines oder beider Zahnräder 52, 54 des Steuerradsatzes 50 möglich. Das auf der Antriebswelle 36 drehfest fixierte treibende Zahnrad 52 des Steuerradsatzes 50 wirkt hierfür mit dem auf der Sekundärwelle 38 ebenso drehfest angeordneten, getriebenen Zahnrad 54 zusammen. Über die Sekundärwelle 38 wird diese ungleichförmige Drehbewegung auf das treibende Zahnrad 34 des Förderradsatzes 30 übertragen und von diesem an das getriebene Zahnrad 32 weitergeleitet. Beide Zahnräder 32, 34 des Förderradsatzes 30 rotieren dadurch mit einer periodisch schwankenden Winkelgeschwindigkeit, wobei jedes einzelne Zahnrad 32, 34 jeweils die Hälfte der angestrebten Senkung der Förderstrompulsation übernimmt.

Maßgeblich für die Wirksamkeit der beschriebenen Maßnahmen ist es, daß die Veränderung der Winkelgeschwindigkeit komplementär, d. h. in Gegenphase zur Förderstrompulsation des Förderradsatzes 30 erfolgt. Erreicht wird dies durch eine geeignete Wahl der Relativposition zwischen dem getriebenen Zahnrad 54 des Steuerradsatzes 50 und dem treibenden Rad 34 des Förderradsatzes 30 auf der Sekundärwelle 38. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Maßnahme ist anhand der Fig. 2 zu erkennen. Diese zeigt Diagramme 60, 62, 64, 66, in denen die Winkelgeschwindigkeit und das Fördervolumen zweier Druckerzeuger, nämlich eines konventionellen und im Vergleich dazu eines erfindungsgemäß ausgebildeten Druckerzeugers, jeweils über die Zeit aufgetragen, dargestellt sind. Bei konventionellem Pumpenantrieb (Diagramme 60, 62) rotieren beide Zahnräder des Förderradsatzes mit gleich großer, konstanter Winkelgeschwindigkeit 68. Dadurch ergibt sich ein pulsierender Volumenstrom 70, dessen Pulsationen 72 sich mit jedem stattfindenden Zahneingriff periodisch wiederholen. Zu Beginn und am Ende eines jeden Zahneingriffes ist der Volumenstrom 70 geringer als in der Mitte.

Der erfindungsgemäße ungleichförmige Antrieb treibt die Zahnräder des Förderradsatzes 30 mit sich periodisch ändernden Winkelgeschwindigkeiten 74 an. Diese sind derart auf die stattfindenden Zahneingriffe abgestimmt, daß sich am Anfang und am Ende eine höhere und in der Mitte eines Zahneingriffs eine geringere Winkelgeschwindigkeit einstellt. Dieses Antriebsverhalten wirkt der im Diagramm 62 dargestellten Schwankung des Volumenstroms 70 entgegen und glättet diese. Ein vollständig gelätteter Fördervolumenstromverlauf ist im Diagramm 66 gezeigt.

Die erläuterten Kurvenverläufe der Diagramme 60 bis 66 gehen jeweils von einem Förderzahnradpaar mit einer konstanten Übersetzung i = ω₁ : ω₂ von 1,0 aus. Dies ist jedoch nicht zwingend, es sind durchaus entsprechend abgestimmte, ungleichförmige Förderradsätze mit anderen mittleren und dabei konstanten oder nicht konstanten Übersetzungen möglich. Als konstant übersetzende Förderverzahnung kann eine Evolventenverzahnung mit ihren bekannten Vorteilen, wie einfache Herstellbarkeit und Unempfindlichkeit gegen Achsabstandsänderungen, aber auch jede andere konstant übersetzende Verzahnung eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Hydraulischer Druckerzeuger (10) mit einem Gehäuse (12) und einem darin angeordneten antreibbaren Triebwerk (30), das Zahnräder (32, 34), die auf einer Antriebswelle (36) und einer Sekundärwelle (38) gelagert sind aufweist und das ein Druckmittel von einem Einlaß unter gleichzeitiger Energieumwandlung zu einem Auslaß fördert, wobei das Triebwerk (30) mit einer sich periodisch verändernden und komplementär zur Pulsation im Förderstrom verlaufenden Winkelgeschwindigkeit angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der veränderlichen Winkelgeschwindigkeit ein Steuergetriebe (50) vorgesehen ist, dessen Getriebebauteile (52, 54) auf der Antriebswelle (36) und der Sekundärwelle (38) des Triebwerks (30) gelagert sind und daß das treibende Zahnrad (34) des Triebwerks (30) drehfest auf der Sekundärwelle (38) und das getriebene Zahnrad (32) frei beweglich auf der Antriebswelle (36) angeordnet sind.

2. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergetriebe (50) ein mechanisches, beispielsweise ein Zahnrad-, ein Reibrad-, ein Riemen-, ein Kurbelgetriebe, oder ein elektrisches, oder ein hydraulisches Getriebe ist.

3. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergetriebe (50) wenigstens teilweise in das Gehäuse (12) des Druckerzeugers (10) integriert ist.

4. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (32, 34) des Triebwerks (30) unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen.

5. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Zahnflanken der Zahnräder (32, 34) des Triebwerks (30) einen im Verlauf eines jeden Zahneingriffs periodisch schwankenden Übersetzungsverlauf erzeugt.

6. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (32, 34) mit einer Evolventenverzahnung versehen sind.