DE19882149C2 - Zahnradpumpe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe.

Bisher sind Zahnradpumpen, die einen in Eingriff stehenden bzw. kämmenden Zahn­ radsatz verwenden, benutzt worden, um Fluid von einem Einlaß- oder Ansaugdurch­ laß innerhalb eines Pumpengehäuses anzusaugen und um das Fluid unter Druck zu setzen und an einen gegenüberliegenden Auslaß- oder Druckdurchlaß innerhalb des Pumpengehäuses weiterzuleiten. Üblicherweise weisen solche Zahnradpumpen zwei längliche, kämmende Zahnräder auf, die sich längs des Pumpengehäuses zwischen dem Ansaug- und Druckdurchlaß erstrecken, die auf gegenüberliegenden Seiten der kämmenden Zahnräder angeordnet sind. Die Zahnräder sind eingebaut, um in Zahn­ radkammern im Pumpengehäuse zu rotieren und sich beim Rotieren gegeneinander in den Bereichen, wo die Zähne der Zahnräder kämmen, abzudichten, so daß Fluid von der Ansaugöffnung um den Umfang einer Zahnradkammer zum Druckdurchlaß trans­ portiert wird. Dieser Vorgang setzt das Fluid, das dem Druckdurchlaß zugeführt wird, unter Druck, und der resultierende Druckgradient zwischen dem Druck- und An­ saugdurchlaß führt zu einer Fluidleckage durch alle Zwischen- bzw. Spielräume, die zwischen den Zähnen der kämmenden Zahnräder vorhanden sind. Diese Spiel- bzw. Zwischenräume treten ausnahmslos auf aufgrund eines Zahnradzahnsteigungsfehlers, der ein Welligkeits- oder Profilfehler der Abwicklungskurve bzw. Evolvente entlang der Länge des Zahnrads ist. Der Steigungszahnfehler stellt einen Fluidströmungsweg zur Verfügung, der sich im Querschnitt vergrößert, wenn sich die axiale Länge der Zahnräder vergrößert, woraus eine Verringerung des volumetrischen Wirkungsgrades der Zahnradpumpen, die nur zwei kämmende Zahnräder verwenden, resultiert.

Der volumetrische Wirkungsgrad bekannter Zahnradpumpen wird weiter durch Flu­ idleckage zwischen den Ansaug- und Druckdurchlaß um die Enden der Zahnräder herum verringert. Der Steigungsfehler bei der Herstellung von Zahnradzähnen und die Toleranz bzw. das Spiel des Zahnradendes relativ zum Zahnradgehäuse resultie­ ren daher in signifikanten internen Pumpverlusten für eine Zahnradpumpe.

Zahnradpumpen werden oftmals als Kraftstoffpumpen für Innenverbrennungsmoto­ ren eingesetzt. Um die Anforderungen bzw. Nachfrage nach immer steigender Kraft­ stoffsystemeffizienz, Motorleistung und geringeren Emissionen zu erfüllen, ist es notwendig geworden, den volumetrischen Wirkungsgrad bzw. die volumetrische Leistung der zahnradartigen Kraftstoffpumpen zu vergrößern. Um dies zu erreichen muß die Fluidleckage zwischen den Niederdruck- und Hochdruckabschnitten der Pumpe minimiert werden.

Die SU 1420244 A1 offenbart eine Zahnradpumpe mit zwei Zahnradpaaren, wobei die Zahnräder paarweise koaxial auf einer Achse angeordnet sind. Die Zahnradpum­ pe umfaßt zwei Wellen, mit denen jeweils ein Zahnrad fest verbunden ist. Die koaxial angeordneten Zahnräder sind jeweils axial miteinander verzahnt, wobei zwischen den beiden Zahnrädern elastische Dichtungselemente angeordnet sind. Ziel ist es, daß ein Teil der Pumpenflüssigkeit die Spalte zwischen den koaxialen Zahnrädern passiert und dadurch diese separiert und deren Stirnseiten zum Gehäuse drückt. Hierdurch sollen die auftretenden Kräfte ausgeglichen werden. Die bekannte Zahnradpumpe bedarf einer verhältnismäßig aufwendigen Herstellung und gestattet keine optimale Effizienz.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optimierte Zahn­ radpumpe anzugeben, die eine Minimierung der inneren Fluidleckage und damit eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades bzw. der volumetrischen Leistung ermöglicht, wobei die Zahnradpumpe insbesondere hinsichtlich einer Vorbelastung der Wellen in eine Achsrichtung universell einsetzbar ist.

Die obige Aufgabe wird durch eine Zahnradpumpe gemäß Anspruch 1 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine hochleistungsfähige Zahnradpumpe mit einer schwimmenden bzw. frei beweglichen, geteilten Zahnradanordnung vor, um die Pumpleistung zu vergrößern.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Zahnrad­ pumpe zu schaffen, die geteilte Zahnräder verwendet, um einen Herstellungszahnrad- zahnsteigungsfehler und eine daraus resultierende, interne Fluidleckage zu minimie­ ren.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Zahnradpumpe bereitzustellen, die einen verbesserten volumetrischen Wirkungsgrad bzw. eine verbesserte volumetrische Leistung bereitstellt, indem die Möglichkeit ei­ nes Zahnradendspielraums bzw. einer Zahnradendtoleranz, eine innere Fluidleckage zu verursachen, reduziert wird.

Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesser­ te Zahnradpumpe bereitzustellen, die zwei geteilte koaxiale Antriebszahnräder und zwei geteilte koaxiale, mit den Antriebszahnrädern kämmende, lose mitgenommene Zahnräder verwendet. Die geteilten antreibenden und lose mitgenommenen Zahnrä­ der sind zur schwimmenden axialen Bewegung eingebaut.

Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesser­ te Zahnradpumpe bereitzustellen, die eine Pumpenkammer mit beabstandeten End­ wänden aufweist. Zwei geteilte koaxiale Antriebszahnräder und zwei geteilte ko­ axiale, mit den Antriebszahnrädern kämmende, lose mitgenommene Zahnräder sind zur Rotation in die Pumpenkammer zwischen den Endwänden eingebaut, wobei die Rotationsachsen der Antriebs- und lose mitgenommenen Zahnräder senkrecht zu den Pumpenkammerendwänden verlaufen. Die geteilten Antriebs- und lose mitgenomme­ nen Zahnräder sind zur schwimmenden axialen Bewegung relativ zueinander und, zu den Pumpenkammerendwänden eingebaut und durch einen einzigen Sprengring zwischen jedem Satz von Zahnrädern getrennt, um ein Abdichten mit den Kammer­ endwänden sicherzustellen.

Insbesondere wird ein Pumpengehäuse bereitgestellt wird, das eine interne bzw. inne­ re Pumpenkammer mit ersten und zweiten, beabstandeten Endwänden definiert. Zwi­ schen den Endwänden weist die Pumpenkammer gegenüberliegende, erste und zwei­ te, gestreckte Zahnradaufnahmebereiche, beabstandet von gegenüberliegenden Sei­ ten eines mittigen bzw. zentralen Kammerbereichs auf. Die ersten und zweiten Zahn­ radaufnahmebereiche weisen jeweils eine gewölbte bzw. gebogene Umfangswand auf, die sich zwischen einem Niederdruckbereich oder -durchlaß und einem Hoch­ druckkammerbereich oder -durchlaß, die auf entgegengesetzten Seiten des zentralen bzw. mittigen Kammerbereichs zwischen dem ersten und zweiten Zahnradaufnahme­ bereichen angeordnet sind, erstreckt.

Eine Antriebswelle zur Rotation ist in das Pumpengehäuse eingebaut, um sich zwi­ schen den ersten und zweiten Endwandungen der Pumpenkammer zu erstrecken. Erste und zweite Pumpenantriebszahnräder mit Zähnen die in Anlage oder in losem Verhältnis mit bzw. zu der gewölbten Umfangswand des ersten Zahnradaufnahmebe­ reichs rotieren, sind mit der Antriebswelle zur Rotation mit dieser verkeilt. Die vorlie­ gende Erfindung ist nicht bestimmt hinsichtlich eines bestimmten Keilaufbaus (Schei­ benkeil, viereckig, rund u. dgl.). Das Merkmal oder die Eigenschaft von Wichtigkeit ist die Tatsache, daß die Keilpassung ein axiales Schwimmen der Zahnräder nicht ver­ hindert. Die ersten und zweiten Pumpenantriebszahnräder sind koaxial zur freien bzw. schwimmenden axialen Bewegung relativ zueinander und zu den Pumpenkam­ merendwandungen eingebaut, und ein einziger Sprengring ist dazwischen angeord­ net. Eine Leerlaufwelle ist in im wesentlichen parallelem, beabstandetem Verhältnis zu der Antriebswelle in das Pumpengehäuse angebaut, um sich zwischen den ersten und zweiten Endwandungen der Pumpenkammer zu erstrecken. Dritte und vierte, lose mitgenommene Pumpenzahnräder mit Zähnen, die mit den Zähnen der ersten bzw. zweiten Pumpenantriebszahnräder in dem zentralen bzw. mittigen Kammerbereich kämmen, sind zur Rotation auf der Leerlaufwelle angebracht. Die Zähne der dritten und vierten, lose mitgenommenen Pumpenzahnräder rotieren in Kontakt oder losem Verhältnis mit bzw. zu der gewölbten Umfangswand des zweiten Zahnradaufnahme­ bereichs. Die dritten und vierten, lose mitgenommenen Pumpenzahnräder sind zur losen bzw. schwimmenden, axialen Bewegung relativ zueinander und zu den Pum­ penkammerendwandungen eingebaut und ein einziger Sprengring ist dazwischen angeordnet.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht der Zahnradpumpe der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Zahnradpumpe von Fig. 1;

Fig. 3 eine Längsschnittansicht der Zahnradpumpenkammer von Fig. 1, die die Sprengringe, die die geteilten Zahnräder separieren, zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, das die durch die Zahnradpumpe der vorliegenden Erfin­ dung bereitgestellte Zahnradzahnsteigungsfehlerleckageverbesserung illustriert;

Fig. 4a ein Diagramm eines anderen möglichen Steigungsfehlers und

Fig. 5 ein Diagramm, das die durch die Zahnradpumpe der vorliegenden Erfin­ dung bereitgestellte verbesserte Endtoleranz-Leckagereduktion illu­ striert.

Bezugnehmend auf die Zeichnung weist die Zahnradpumpe der vorliegenden Erfin­ dung, generell mit 10 bezeichnet, ein Pumpengehäuse 12 auf, das eine interne bzw. innere Pumpenkammer 14 umgrenzt bzw. definiert. Die Enden der Pumpenkammer sind durch beabstandete Endwandungen 16 und 18 und eine drehbare Antriebswelle 20, die in die Pumpenkammer 14 zwischen die Endwandungen 16 und 18 eingebaut ist, geschlossen. Die Antriebswelle erstreckt sich aus dem Pumpengehäuse 12 heraus und trägt eine Antriebskupplung 22 für einen externen Antriebsaufbau (nicht darge­ stellt).

Eine Leerlaufwelle 24, die zur Rotation zwischen die Endwandungen 16 und 18 ein­ gebaut ist, erstreckt sich über bzw. durch die Pumpenkammer 14 im wesentlichen parallel zu der Antriebswelle 20 und in beabstandeter Relation zu dieser. Sowohl die Antriebswelle 20 als auch die Leerlaufwelle 24 können oder können nicht zu den Endwandungen 16 und 18 durch Wellenlager 26 und 28 abgedichtet sein. Glatte Lager tendieren dazu, eine Leckage aufgrund geringer ringförmiger Toleranz bzw. geringem ringförmigen Spiel zu beschränken, wie in anderen Aufbauten von der Cummins Engine Company, Inc. verwendet. Einige Pumpen benutzen Nadellager, die einen größeren Fluß ermöglichen. Diese Erfindung ist unabhängig von dieser Unter­ scheidung.

Die Pumpenkammer 14 weist einen ersten, gestreckten bzw. länglichen Zahnradauf­ nahmebereich 30 mit einer gewölbten bzw. gebogenen Umfangswand 32 und einen gegenüberliegenden, zweiten Zahnradaufnahmebereich 34 mit einer gewölbten bzw. gebogenen Umfangswand 36 auf. Die Zahnradaufnahmebereiche 30, 34 erstrecken sich zwischen den Endwandungen 16 und 18 und öffnen sich zu einem mittigen bzw. zentralen Kammerbereich 38, der sich auch zwischen den Endwandungen 16, 18 erstreckt. Auf gegenüberliegenden Seiten des mittigen Kammerbereichs 28 ist ein Niederdruckbereich oder -durchlaß 40 und ein Hochdruckbereich oder -durchlaß 42 vorgesehen. Der Niederdruckbereich ist an eine Endkammer 43 angeschlossen, die mit einem Fluideinlaß 44 kommuniziert, während der Hochdruckbereich 42 an einen Fluidauslaß 46 angeschlossen ist. Der Niederdruckansaugkammerbereich 40 ist vom Hochdruckkammerbereich 42 durch einen Pumpenzahnradaufbau 48 getrennt, der zwei geteilte Pumpenzahnradsätze aufweist, die in dem mittigen Kammerbereich 38 ineinander eingreifen bzw. kämmen und die auf der Antriebs- und Leerlaufwelle 20, 24 montiert sind.

Der Pumpenzahnradaufbau 48 weist zwei Antriebszahnräder 50 und 52, die auf der Antriebswelle 20 in einem Seite an Seite, koaxialen Verhältnis zwischen den End­ wandungen 16 und 18 montiert sind, auf. Diese Antriebszahnräder 50, 52 sind vor­ zugsweise von gleicher Größe und haben Zähne, die mit den Zähnen von lose mitge­ nommenen Zahnrädern 54 und 56 kämmen, die auch vorzugsweise von gleicher Grö­ ße koaxial auf der Leerlaufwelle 24 montiert sind. Diese Antriebs- und lose mitge­ nommenen Zahnräder 50, 56 sind zur losen bzw. schwimmenden Bewegung axial auf der Antriebs- und Leerlaufwelle 20, 24 montiert bzw. angebracht und bilden geteilte, schwimmende Zahnradpaare.

Die Antriebszahnräder 50 und 52 und die lose mitgenommenen Zahnräder 54 und 56 sind dimensioniert, um sich über bzw. durch die Pumpenkammer 14 zwischen den Endwandungen 16 und 18 zu erstrecken, wobei ein kleiner Zwischenraum bzw. ein geringes Spiel zwischen den benachbarten Endwandungen 16, 18 verbleibt, wie in Fig. 3 und 5 gezeigt. Die Antriebszahnräder 50, 52 sind mit der Antriebswelle 20 durch einen Keil 58 verkeilt, der in einem Schlitz 62 der Antriebswelle 20 entlang gleitet. Dieser Keil 58 und der Schlitz 62 sind ausgebildet bzw. konfiguriert, um eine freie axiale Bewegung der Antriebszahnräder 50, 52 entlang der Antriebswelle 20 zu ermöglichen, wobei die Antriebszahnräder 50, 52 zwangsweise durch die Antriebs­ welle 20 angetrieben werden. Ähnlich sind die lose mitgenommenen Zahnräder 54 und 56, die mit den Antriebszahnrädern 50 bzw. 52 kämmen, zur axialen Bewegung entlang der Leerlaufwelle 24 angebracht bzw. montiert. Daher können sich die käm­ menden bzw. in Eingriff stehenden Antriebs- und Leerlaufzahnräderpaare axial rela­ tiv zueinander bewegen, und es kann auch eine limitierte axiale Bewegung zwischen einem kämmenden Antriebszahnrad 50, 52 und einem Leerlaufzahnrad 54, 56 auftre­ ten.

Die lose mitgenommenen Zahnräder 54 und 56 können montiert oder angebracht sein, um frei um die Leerlaufwelle 24 zu rotieren. Um die Reibung zwischen den lose mitgenommenen Zahnrädern 54, 56 und der Leerlaufwelle 24 zu reduzieren, sollte die Leerlaufwelle 24 aber idealerweise mit den lose mitgenommenen Zahnrädern 54, 5 6 rotieren, jedoch den lose mitgenommenen Zahnrädern 54, 56 noch ermöglichen, rela­ tiv zum Radius der Leerlaufwelle 24 als auch axial zu schwimmen bzw. sich zu be­ wegen. Um dies zu erreichen, ist ein Stift 57, der ein Feder vorgespannter Stift sein kann, auf der Leerlaufwelle 24 montiert bzw. angebracht und steht reibungsmäßig mit einem der lose mitgenommenen Zahnräder 54 oder 56 in Eingriff. Der Stift 57 kann massiv oder als Feder, gepreßt oder lose bzw. schwimmend in der Leerlaufwelle 24 sein. Die wesentliche Eigenschaft ist, daß er beim Kontakt mit dem Zahnrad 54 oder 56 nicht die axiale Bewegung des Zahnrades 54 oder 56 auf der Welle 24 be­ schränkt. In Fig. 1 steht der Stift 57 mit dem lose mitgenommenen Zahnrad 56 in Ein­ griff, und da dieses lose mitgenommene Zahnrad 56 von dem Antriebszahnrad 52 angetrieben ist verursacht der "Kontakt" zwischen dem lose mitgenommenen Zahn­ rad 56 und dem Stift 57, daß die Leerlaufwelle 24 rotiert. Jedoch können beide lose mitgenommenen Zahnräder 54 und 56 immer noch relativ zu der Leerlaufwelle 24 rotieren.

Wie in Fig. 3 illustriert, liegt ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung darin zu verhindern, daß die geteilten Antriebs- und Leerlaufzahnräder 50-56 durch axiale Kräfte auf den Wellen 20 und 24 zusammengedrückt werden, wodurch das Erreichen der freien axialen Bewegung der Antriebs- und Leerlaufzahnräder 50-56 auf den Wellen 20, 24 verhindert würde. Die meisten Zahnradpumpen sind so kon­ struiert, daß eine axiale Kraft auf die Antriebswelle 20 aufgrund der Tatsache ausge­ übt wird, daß ein Ende der Antriebswelle 20 mit der Antriebskupplung 22 im Kurbel­ wellengehäuse eines externen Antriebsaufbaus angeordnet ist und atmosphärischen Druck oder einem positiven Druck ausgesetzt ist, während das gegenüberliegende Ende dem Saugen der Pumpe oder einem unterschiedlichen Druck ausgesetzt ist. Da­ her ist beim Betrieb der Zahnradpumpe 10 die Antriebswelle nach rechts in Fig. 1 be­ lastet. Wenn die geteilten Zahnräder frei zwischen zwei Sprengringen schwimmen bzw. sich bewegen können, die auf der Antriebswelle außenseitig der geteilten Zahn­ räder angeordnet sind, um die Zahnräder zwischen den Sprengringen zu fangen bzw. zu halten, wird eine axiale Belastung der Welle die zwei Zahnräder zusammendrüc­ ken, um eine axiale Bewegung der Zahnräder zu verhindern. Dies ermöglicht dann, daß Fluid um mindestens ein äußeres Ende der Zahnräder herum zwischen den Zahn­ rädern und einer Kammerendwandung 16 leckt.

Normalerweise ist die Leerlaufwelle einer Zahnradpumpe in einer axialen Richtung ausgeglichen. Bei der Zahnradpumpe 10 ist die Leerlaufwelle 24 jedoch axial nach rechts in Fig. 1 belastet. Dies wird erreicht, indem eine Kammer 59 am linken Ende der Leerlaufwelle in Fig. 1 vorgesehen wird und indem die Kammer 59 mit dem Lager­ hohlraum 61 für die Antriebswellenlager verbunden wird. Die Betätigung bzw. Be­ wegung der Antriebszahnräder 50 und 52 setzt den Lagerhohlraum 61 unter Druck, um in die Kammer 59 weitergeleitet zu werden, um einen positiven Druck auf das lin­ ke Ende der Leerlaufwelle 24 zu erzeugen, während das rechte Ende der Leerlauf­ welle 24 der Saugwirkung, die in der Endkammer 43 auftritt, ausgesetzt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine einziger Sprengring 60 auf der Antriebs­ welle 20 zwischen den Antriebszahnrädern 50 und 52 angeordnet, und ein einziger Sprengring 60' ist auf der Leerlauf bzw. lose mitgenommenen Welle 24 zwischen den lose mitgenommenen Zahnrädern 54 und 56 angeordnet. Keinen externen bzw. äußeren Sprengringe oder andere Halter sind auf der Antriebs- und der Leerlaufwelle 20, 24 zwischen den äußeren Enden der Antriebs- und lose mitgenommenen Zahnrä­ der 50-56 und den Pumpenkammerendwandungen 16 und 18 montiert. Die Spreng­ ringe 60 und 60' gestatten den Antriebszahnrädern 50 und 52 und den lose mitge­ nommenen Zahnrädern 54 und 56 sich zu separieren und ermöglichen eine Endflä­ chendichtung sogar in den Fällen, in denen die Wellen 20, 24 axial vorgespannt sind. Diese einzigen, innen angeordneten Sprengringe 60, 60' tragen die axiale Kraft bzw. Belastung durch die rückwärtigen bzw. rückseitigen Zahnräder 52 und 56 allein, die durch eine solche Kraft bzw. Belastung gegen die benachbarte Endwandung 18 der Pumpenkammer 14 gedrückt bzw. gepreßt werden. Dies erzeugt eine Dichtung in einer zu beschreibenden Weise zwischen den Zahnrädern 52 und 56 und der End­ wandung 18, aber läßt die Zahnräder 50 und 54 unbelastet, um zu schwimmen bzw. sich frei zu bewegen, sich zu separieren und eine Dichtung mit der Kammerendwan­ dung 16 zu erzeugen.

Die Antriebszahnräder 50 und 52 sind bei 63 und 65 mit einem Werkzeug gesenkt bzw. zylindrisch vertieft, um den Sprengring 60 aufzunehmen, während die lose mit­ genommenen Zahnräder 54 und 56 bei 67 und 69 mit einem Werkzeug gesenkt bzw. zylindrisch vertieft sind, um den Sprengring 60' aufzunehmen. Dies gestattet den Zahnrädern 50-56, sich zueinander zu bewegen, um den zentralen bzw. mittigen Spalt dazwischen zu schließen. Die Sprengringe 60 und 60' können entweder durch elastische O-Ringe oder federartige Zwischenlegscheiben ersetzt werden, die in die Senkbohrungen bzw. zylindrischen Vertiefungen 63, 65, 67 und 69 eingebaut sind, um die Zahnräder 50-56 auseinander zu drücken bzw. vorzuspannen, aber die den Zahnrädern 50-56 ermöglichen, gegen die Vorspannung sich zueinander zu bewe­ gen. Im Falle von O-Ringen oder federartigen Zwischenlagscheiben stellen diese Komponenten eine Zahnradseparationskraft zur Verfügung, die erforderlich ist, um die Zahnradkompressionskraft zu überwinden, die durch eine axiale Wellenvorspan­ nung verursacht wird, die durch externe bzw. außen angeordnete Sprengringe wirkt.

Bezugnehmend nun auf Fig. 4 weist eine konventionelle Zahnradpumpe ein einziges Antriebszahnrad 64 anstelle der geteilten Antriebszahnräder 50 und 52 und ein ein­ ziges, lose mitgenommenes Zahnrad 66 anstelle der geteilten, lose mitgenommenen Zahnräder 54 und 56 auf. Wenn das einzelne Antriebszahnrad 64 und das einzelne, lose mitgenommene Zahnrad 66 verwendet werden, um Fluid zwischen den Nieder­ druck- und Hochdruckbereichen der Pumpenkammer zu bewegen, verursacht der Druckgradient zwischen diesen Bereichen, daß Fluid innen durch Zwischen- bzw. Spielräume zwischen den Zähnen des kämmenden Antriebs- und lose mitgenomme­ nen Zahnrades leckt. Diese Zwischen- bzw. Spielräume werden gebildet durch einen Zahnradzahnherstellungssteigungsfehler, der ein Welligkeits- oder Profilfehler der Abwicklungskurve bzw. Evolvente entlang der Länge der Zahnräder ist und einen Leckageweg bietet. Wenn ein ungeteiltes, einstückiges Antriebszahnrad 64 und ein ungeteiltes, einstückiges, lose mitgenommenes Zahnrad 66, die an der Antriebswelle und der Leerlaufwelle befestigt sind, verwendet werden, wird die Leckagespaltfläche bzw. der Leckagespaltquerschnitt 68 zwischen den in Eingriff stehenden bzw. käm­ menden Zähnen der zwei Zahnräder durch den Steigungsfehler LE definiert. Das durch den Steigungsfehler hervorgerufene Spiel bzw. der durch den Steigungsfehler hervorgerufene Spalt und die dadurch hervorgerufene Leckagefläche vergrößert sich mit axialer Zahnradlänge, wie in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4. stellt lediglich eine Darstellung für die Steigungsfehlergeometrie dar. Andere Geometrien existieren, wie in Fig. 4a illustriert, aber die Endeffekte bzw. Endergebnisse sind unabhängig von der genauen Steigungsfehlergeometrie.

Wenn die einstückigen Antriebs- und lose mitgenommenen Zahnräder 64 und 66 durch die geteilten Antriebszahnräder 50 und 52 ersetzt werden, die mit den geteil­ ten, lose mitgenommenen Zahnrädern 54 und 56 kämmen, um einen Pumpenzahnrad­ aufbau 48 zu bilden mit einer Größe, die identisch zu derjenigen ist, die von den ein­ stückigen Antriebs- und lose mitgenommenen Zahnrädern 64, 66 gebildet wird, nimmt die Leckagespaltfläche bzw. der Leckagespaltquerschnitt 68 ab. Das "geteilte Zahnrad"-Konzept, bei dem jedes Zahnrad axial unabhängig von den anderen Zahn­ rädern verschiebbar ist, reduziert den Steigungsfehler LE, indem es den Zahnradzäh­ nen von jedem Zahnradsatz gestattet zu kämmen und sich axial zu verschieben, um sich gegeneinander unabhängig von dem anderen Zahnradsatz abzudichten. Aus Pulvermetall bzw. als Metallkeramik hergestellte Antriebszahnräder 50 und 52 und lose mitlaufende Zahnräder 54 und 56 führen typischerweise zu geringeren Stei­ gungsfehlern pro Längeneinheit bei Zahnrädern von derart reduzierter Länge und sind ideal für die Verwendung in der Zahnradpumpe 10.

Fig. 1 und 5 illustrieren einen zweiten Weg, auf dem die frei beweglichen bzw. schwimmenden geteilten Zahnräder 50-56 der vorliegenden Erfindung wesentlich die Fluidleckage zwischen den Niederdruck- und Hochdruckbereichen oder -öffnungen 40 und 42 reduzieren, um die volumetrische Leistung bzw. den volumetri­ schen Wirkungsgrad der Zahnradpumpe 10 zu verbessern. Wenn einstückige An­ triebs- und lose mitgenommene Pumpenzahnräder 64 und 66 in einer Zahnradpumpe 10 verwendet werden, tritt ein Endzwischenraum bzw. eine Endtoleranz 70 an bei­ den Enden des Zahnradsatzes und einer der Pumpenkammerendwände 16 oder 18 auf. In dem zentralen bzw. mittigen Kammerbereich 38, wo die einstückigen Antriebs- und lose mitgenommenen Zahnräder 64, 66 kämmen, bewegen sich die rotierenden Endoberflächen bzw. Stirnflächen des Zahnradsatzes in einer durch den Pfeil 72 an­ gedeuteten Richtung, die entgegengesetzt der Richtung des durch den Pfeil 74 an­ gedeuteten Leckagefluidflusses durch jeden Endzwischenraum bzw. jede Endtole­ ranz 70 verläuft. Jedoch sind die Endwandungen 16 oder 18, die auch Grenzen für den Endzwischenraum 70 bilden, stationär, so daß die Fluidleckage entlang der sta­ tionären Endwandung durch den Endzwischenraum 70 auftritt.

Wenn der frei bewegliche bzw. schwimmende, geteilte Pumpenzahnradaufbau 48 der vorliegenden Erfindung die einstückigen Antriebs- und lose mitgenommenen Pum­ penzahnräder 64 und 66 ersetzt, existiert ein Zahnradendzwischenraum 70 ur­ sprünglich an beiden äußeren Enden des geteilten Zahnradsatzes und noch ein ande­ rer Endzwischenraum 76 zwischen den Zahnradsätzen. Da die Pumpenantriebszahn­ räder 50 und 52 und die lose mitgenommenen Pumpenzahnräder 54 und 56 in einer Gegenuhrzeigerrichtung in Fig. 2 rotieren, wird Kraftstoff aus dem Niederdruckbe­ reich oder -durchlaß 40 angesaugt und durch die Pumpenantriebszahnräder 50 und 52, die mit der Umfangswand 32 in Eingriff stehen bzw. an dieser anliegen, und die lose mitgenommenen Pumpenzahnräder 54 und 56, die mit der Umfangswand 36 in Eingriff stehen bzw. an dieser anliegen, um die jeweilige Umfangswand zu der Hoch­ druckkammer oder -öffnung 42 gefördert. Dieser Vorgang bewirkt, daß der Kraftstoff unter Druck gesetzt wird, bevor er die Pumpe 10 von der Hochdruckkammer verläßt. Wenn die geteilten Zahnradsätze auf der Antriebs- und Leerlaufwelle 20 und 24 fi­ xiert wären, würde normalerweise der Druckgradient zwischen der Niederdruck- und der Hochdruckkammer 40 und 42 zu einer Leckage sowohl durch die Zahnradend­ zwischenräume 70 als auch zu einem geringeren Grad durch den Endzwischenraum 76 führen. Fixierte geteilte Zahnräder können sich auch nicht unabhängig axial ver­ schieben, um abzudichten und dadurch die Leckage aufgrund von Zahnradstei­ gungsfehlern zu reduzieren. Da jedoch die geteilten Zahnradsätze der Zahnradpumpe 10 axial auf diesen Wellen schwimmen bzw. sich frei bewegen, ist festzustellen, daß der Endzwischenraum 76 durch Zahnradflächen begrenzt ist, die sich mit der glei­ chen Geschwindigkeit bewegen, so daß die Relativgeschwindigkeit zwischen den Zahnradflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Endzwischenraums 76 null ist. Umgekehrt sind die Endzwischenräume 70 jeweils durch sich bewegende Zahnrad­ flächen auf einer Seite und einer stationären Endwandung 16 oder 18 auf der ande­ ren Seite begrenzt. Die axiale Separation bzw. Trennung, die durch die Verwendung der inneren Sprengringe 60, 60' ermöglicht wird, bewirkt, daß im wesentlichen der gesamte Zwischenraum bei 76 auftritt und es ist anzumerken, daß im zentralen bzw. mittigen Kammerbereich 38 die Zahnradflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Endzwischenraums 76 sich beide in eine durch die Pfeile 78 angedeutete Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des durch den Pfeil 80 angedeuteten Fluidleckage­ flusses bewegen. Dies hemmt den Leckagefluß durch den Endzwischenraum 76, während kein oder nur ein geringer Leckagefluß durch die Endzwischenräume 70 auftritt. Im Betrieb ist der Leckagefluß durch den Endzwischenraum 76 bei dem frei beweglichen bzw. schwimmenden, geteilten Zahnradsatz viel geringer als der Lecka­ gefluß, der durch die Endzwischenräume 70 auftritt, wenn das einstückige Antriebs- und das einstückige lose mitgenommene Zahnrad 64 und 66 verwendet werden. Die Einschränkung, verursacht durch die Zahnradbohrung bzw. -vertiefung zum Wellen­ spiel, schränkt die Leckage durch den Endzwischenraum 76 zusätzlich ein. Daher verringert die Verwendung der axial frei beweglichen bzw. schwimmenden geteilten Pumpenantriebs- und lose mitgenommenen -zahnräder der vorliegenden Erfindung sowohl die Leckage aufgrund eines Zahnradzahnsteigungsfehlers als auch die End­ zwischenraumleckage, um eine Zahnradpumpe 10 mit einer erhöhten volumetrischen Leistung bzw. einem erhöhten volumetrischen Wirkungsgrad bereitzustellen.

Industrielle Anwendbarkeit

Die Hochleistungspumpe weist axial frei bewegliche bzw. schwimmende, geteilte Zahnradsätze auf, die es der Pumpe gestatten, Fluid unter Druck zu setzen und zu pumpen, während die innere Fluidleckage minimiert wird, die die volumetrische Lei­ stung bzw. den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe verringert. Die Leckage aufgrund sowohl eines Zahnradzahnsteigungsfehlers als auch eines Endzwischen­ raums bzw. Endspiels wird durch die Verwendung der axial frei beweglichen bzw. schwimmenden, geteilten Zahnradsätze reduziert.

Claims (6)

1. Zahnradpumpe (10) mit folgenden Merkmalen:

• - ein Pumpengehäuse (12) mit beabstandeten Endwandungen (16, 18);
• - eine in dem Pumpengehäuse (12) gebildete Pumpenkammer 14, die einen Niederduckbereich (40) und einen vom Niederdruckbereich (40) beab­ standeten Hochdruckbereich (42) aufweist;
• - kämmende Zahnräder, die in der Pumpenkammer (14) zwischen dem Niederdruckbereich (40) und dem Hochdruckbereich (42) eingebaut ist;
• - die kämmenden Zahnräder weisen ein erstes Pumpenzahnrad (50) und ein zweites Pumpenzahnrad (52) auf, die koaxial auf einer ersten Welle (20) angeordnet sind;
• - ein Sprengring (60) ist auf der ersten Welle (20) zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenzahnrad (50, 52) angeordnet;
• - die ersten und zweiten Pumpenzahnräder (50, 52) sind auf der ersten Welle (20) zwischen dem Sprengring (60) und der jeweiligen Endwan­ dung (16, 18) frei axial beweglich und von der ersten Welle (20) an­ treibbar;
• - ein drittes und ein viertes Pumpenzahnrad (54, 56) sind koaxial auf einer zweiten Welle (24) angeordnet, wobei das dritte Pumpenzahnrad (54) mit dem ersten Pumpenzahnrad (50) und das vierte Pumpenzahnrad (56) mit dem zweiten Pumpenzahnrad (52) kämmt;
• - ein Sprengring (60') ist auf der zweiten Welle (24) zwischen dem dritten und dem vierten Pumpenzahnrad (54, 56) angeordnet;
• - die dritten und vierten Pumpenzahnräder (54, 56) sind auf der zweiten Welle (24) zwischen dem Sprengring (60') und der jeweiligen Endwan­ dung (16, 18) frei axial beweglich;
• - die Pumpenzahnräder (50-56) weisen zylindrische Ausnehmungen (63, 65, 67, 69) zur Aufnahme der Sprengringe (60, 60') auf.

2. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpenzahnräder (50-56) im we­ sentlichen gleich ist.

3. Zahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (20) antreibbar ist und Antriebsverbindungsmittel vorgesehen sind, um die ersten und zweiten Pumpenzahnräder (50, 52) mit der ersten Welle (20) zu verbinden, um zwangsweise von der ersten Welle (20) gedreht zu werden, wobei die Antriebsverbindungsmittel eine axiale Bewegung zwischen den er­ sten und zweiten Pumpenzahnrädern (50, 52) und der ersten Welle (20) gestat­ ten.

4. Zahnradpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ triebsverbindungsmittel durch einen Schlitz (62) und einen Keil (58) gebildet sind.

5. Zahnradpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Verbindungsmittel zwischen der zweiten Welle (24) und mindestens einem der lose mitgenommenen dritten und vierten Pumpenzahnrä­ der (54, 56) vorgesehen ist, um eine Rotation der zweiten Welle (24) durch eine Rotation der dritten und vierten Pumpenzahnräder (54, 56) zu bewirken, aber eine axiale Beweglichkeit der dritten und vierten Pumpenzahnräder (54, 56) re­ lativ zu der zweiten Welle (24) zu gestatten.

6. Zahnradpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbin­ dungsmittel ein federgespannter Stift (57) ist.