DE19961400A1 - Hydraulische Maschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine hydraulische Maschine (1) angegeben mit einem Zahnsatz (2), der ein Zahnrad (3) aufweist, das rotierend und orbitierend in einem Zahnring (4) angeordnet ist, und der in Axialrichtung zwischen zwei Platten (10, 11) angeordnet ist, wobei der Zahnring (4) Zähne aufweist, die durch Rollen (9) gebildet sind. DOLLAR A Hierbei möchte man die Herstellung vereinfachen können. DOLLAR A Dazu ist die axiale Länge der Rollen (9) größer als die des Zahnrades (3), und die Rollen (9) sind in mindestens einer Platte (10, 11) gelagert.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem Zahnsatz, der ein Zahnrad aufweist, das rotierend und orbitierend in einem Zahnring angeordnet ist, und der in Axialrichtung zwischen zwei Platten angeordnet ist, wobei der Zahnring Zähne aufweist, die durch Rol­ len gebildet sind.

Eine derartige Maschine ist aus US 2 672 824 bekannt. Die Rollen weisen zapfenartige Fortsätze auf, mit denen sie in den Platten gelagert sind. Die Zapfen können entweder einstückig mit den Rollen hergestellt oder einfach in stirnseitige Bohrungen der Rollen einge­ steckt werden.

Derartige Maschinen können sowohl als Pumpen als auch als Motoren eingesetzt werden. In letzten Fall werden sie üblicherweise auch als Gerotormotor bezeichnet. Wenn das Zahnrad im Zahnring rotiert und orbitiert, er­ geben sich einzelne Druckkammern zwischen dem Zahnrad und dem Zahnring mit wechselnden Volumina. Die Abdich­ tung zwischen dem Zahnrad und dem Zahnring in Umfangs­ richtung erfolgt praktisch ausschließlich über die Be­ rührung zwischen dem Zahnrad und den Rollen.

Bei einer derartigen Maschine ist die Fertigung relativ aufwendig, weil die einzelnen Teile sehr genau zusam­ menpassen müssen. Eine Abdichtung ist nicht nur an den Berührungsstellen zwischen Zahnrad und Zahnring erfor­ derlich, sondern auch an den beiden Stirnseiten des Zahnsatzes, d. h. an der Kontaktstelle mit den beiden Platten oder Deckeln. Dies hat zur Folge, daß die Stirnseiten der Rollen sehr genau bearbeitet werden müssen. Darüber hinaus muß man sehr genau darauf ach­ ten, daß man die Rollen passend zum Zahnrad wählt. Dies macht den Herstellungsvorgang relativ aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstel­ lung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die axiale Länge der Rollen größer als die des Zahnrades ist und die Rollen in mindestens einer Platte gelagert sind.

Mit dieser Ausgestaltung erreicht man, daß zumindest die Stirnseiten der Rollen, die über das Zahnrad über­ stehen und somit in der Platte gelagert sind, mit einer verminderten Genauigkeit bearbeitet werden müssen. Es verbleibt die Umfangsbearbeitung der Rollen, die aber ohnehin notwendig ist, weil der Umfang der Rollen nach wie vor mit dem Zahnrad zusammenwirkt. Eine Dichtung zwischen der Platte und einer eingesteckten Rolle läßt sich mindestens mit der gleichen Qualität erreichen wie eine stirnseitige Abdichtung. In der Regel ist es sogar möglich, hier eine verbesserte Abdichtung zu erzielen. Es ist lediglich erforderlich, daß die Rollen über ihre gesamte Länge, also auch am über die Dicke des Zahnra­ des überstehenden Teil, den gleichen Durchmesser auf­ weisen. Die Endflächenbearbeitung der Rollen an der Stirnseite entfällt fast völlig. Es reicht aus, wenn man, gegebenenfalls nach dem Bearbeiten des Umfangs der Rollen, diese ablängt. Vor allem entfällt aber der Schritt, daß man eine Paarung zwischen den Rollen und dem Zahnrad im Hinblick auf ihre axiale Länge vornehmen muß. Die Längentoleranzen der Rollen sind also weitaus größer.

Vorzugsweise sind die Rollen zumindest in der Platte gelagert, die Kommutierungsöffnungen aufweist. Dadurch erhält man automatisch eine verbesserte Zuordnung zwi­ schen den Kommutierungsöffnungen und den einzelnen Kam­ mern, die zwischen dem Zahnring und dem Zahnrad gebil­ det sind. Diese Zuordnung wird dadurch erzielt und auf­ rechterhalten, daß die Rollen in die entsprechende Platte, die auch als "Ventilplatte" bezeichnet werden kann, eingesteckt sind.

Vorzugsweise sind die Rollen in beiden Platten gela­ gert. Auf die Rollen können also keine Kippkräfte wir­ ken, die den Verschleiß erhöhen könnten. Die Bohrungen, in denen die Rollen gelagert sind, verschleißen daher weniger schnell.

Vorzugsweise sind die Rollen in beide Platten im we­ sentlichen gleich tief eingesteckt. Dies ergibt eine verbesserte Gleichgewichtssituation, was ebenfalls zu einer Verminderung des Verschleißes beiträgt.

Mit Vorteil sind die Rollen mit axialem Spiel in den Platten angeordnet. Die Maschine wird dann weniger an­ fällig gegen unterschiedliche thermische Ausdehnungen einzelner Teile. Die Dichtigkeit bleibt in jedem Fall erhalten.

Vorzugsweise sind die Rollen drehbar gelagert. Die drehbare Lagerung einer Rolle in einer Bohrung ist pro­ blemlos möglich, ohne daß größere Schwierigkeiten bei der Abdichtung entstehen. Wenn sich die Rollen drehen, wird das Betriebsverhalten der Maschine verbessert.

Vorzugsweise ist mindestens eine Rolle aus einem Mate­ rial gebildet, das wesentlich härter als das Material des Zahnrades ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die hydraulische Flüssigkeit, mit der die Maschine arbeitet, der Gefahr von Ver­ schmutzungen ausgesetzt ist. Verschmutzungen hinterlas­ sen unter Umständen kleine Beschädigungen an der Ober­ fläche des Zahnrades, beispielsweise einen kleinen Kratzer. Dieser kleine Kratzer führt dann zu einer par­ tiellen Undichtigkeit, die auf Dauer weitere Schäden nach sich zieht. Wenn man nun mindestens eine Rolle verwendet, deren Material wesentlich härter ist, dann wird die beschädigte Stelle beim nächsten Umlauf wieder egalisiert oder "glattgebügelt". Der Zahnsatz wird da­ her weniger schmutzempfindlich und erhält eine längere Lebensdauer. Hierbei spielt unter anderem die Erkennt­ nis eine Rolle, daß bei Beschädigungen des Zahnrades in der Regel keine Materialentfernung erfolgt, sondern le­ diglich eine Materialverlagerung, die wieder rückgängig gemacht werden kann. Aber auch bei geringfügigen Mate­ rialentfernungen ist die härtere Rolle in der Lage, die Beschädigung auszugleichen oder zumindest zu verrin­ gern. Natürlich muß man darauf achten, daß auch die Rolle aus dem härteren Material ähnliche Eigenschaften wie die anderen Rollen aufweist, also beispielsweise einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine ähnliche Festigkeit und einen ähnlichen Reibungskoeffi­ zienten. Eine exakte Übereinstimmung wird allerdings nicht erforderlich sein.

Vorzugsweise ist die Rolle aus keramischem Material ge­ bildet oder weist eine keramische Oberflächenschicht auf. Keramisches Material weist die erforderliche Härte auf. Bei einer entsprechenden Auswahl kann man auch die übrigen Eigenschaften weitgehend mit denen der Rollen aus Stahl gleich halten. Geeignete Materialien für das keramische Material sind beispielsweise Siliciumnitrid, Siliciumcarbid (SiC) oder Zirconiumdioxid (ZrO₂), auch PSZ genannt. Derartige Materialien sind als Pulver er­ hältlich, und man kann ein derartiges Pulver pressen, sintern, schleifen und zuletzt polieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind in mindestens einer Platte längliche Kommutierungsöffnungen vorgese­ hen, die zwischen den Rollen angeordnet sind. Aufgrund der Bohrungen, die für die Rollen zur Verfügung stehen, steht für die Kommutierungsöffnungen weniger Platz zur Verfügung. Um dennoch den gewünschten Strömungsquer­ schnitt für die hydraulische Flüssigkeit bereitzustel­ len, macht man die Kommutierungsöffnungen länglich.

Auch ist von Vorteil, daß das Material der Platte, in das die Rollen eingesteckt sind, weicher ist als das Material der Rollen. Dies gilt auch dann, wenn sich die Rollen drehen. Die Reibung zwischen dem Umfang der Rol­ len und der Zylinderwand der Bohrung bewirkt in der Re­ gel weniger Verschleiß als die bislang erforderliche stirnflächige Reibung zwischen den Rollen und der Plat­ te.

Vorzugsweise sind die Rollen in einem Rollenträger des Zahnringes gehalten, dessen Material zumindest im Be­ reich der Rollen eine geringere Festigkeit als das des Zahnrads aufweist. Der Rollenträger mußte bisher zwei Funktionen erfüllen, nämlich einmal die Rollen abdich­ ten und zum zweiten als Gleitlager dienen, also die Po­ sition der Rollen im Zahnring definieren. Die letzte Funktion ist nun nicht mehr erforderlich, weil die Rol­ len in den Platten gehalten werden. Die Platten nehmen auch die Kräfte auf, die vom Zahnrad auf die Rollen ausgeübt werden. Der Rollenträger muß also nur noch die Dichtfunktion erfüllen. Dies ist aber wesentlich einfa­ cher, weil die wechselnde Belastung des Rollenträgers entfällt oder weitgehend verringert wird. Damit lassen sich die Kosten der Herstellung des Zahnringes be­ trächtlich reduzieren. Es ist eine geringere Genauig­ keit erforderlich, weil die Platten die genaue Position der Rollen sichern.

Hierbei ist von Vorteil, daß der Rollenträger Rollenla­ gerflächen aus Kunststoff aufweist. Ein Kunststoff ist in vielen Fällen für eine Abdichtung der Rollen besser geeignet, weil er weicher ist. Wie oben ausgeführt, muß der Kunststoff Kräfte nur noch in einem sehr geringen Maße aufnehmen können. Die Bearbeitung eines Kunst­ stoffs ist in vielen Fällen einfacher als die Bearbei­ tung einer Metallfläche.

Auch ist von Vorteil, daß die Rollenlagerflächen in Segmenten ausgebildet sind, die in einen Rollenträger­ ring eingesetzt sind. Der Rollenträgerring vermittelt dem Zahnring hierbei die Festigkeit, die notwendig ist, um die hydraulischen Drücke aufnehmen zu können. Dem­ entsprechend besteht er vorzugsweise nach wie vor aus einem Metall. Die Bearbeitung dieses Metallringes kann aber mit verminderter Genauigkeit erfolgen. Die einzel­ nen Segmente, die beispielsweise aus Kunststoff gebil­ det sein können, können einzeln bearbeitet und dann in den Rollenträgerring eingesetzt werden. Dies verein­ facht die Herstellung und hält die Kosten niedrig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung näher beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsansicht einer hydraulischen Maschine,

Fig. 2 eine Stirnseitenansicht und

Fig. 3 einen Schnitt III-III nach Fig. 2.

Eine in Fig. 1 in Explosionsansicht dargestellte hy­ draulische Maschine 1 weist einen Zahnsatz 2 mit einem Zahnrad 3 auf, das in einem Zahnring 4 rotiert und or­ bitiert, d. h. der Mittelpunkt 5 des Zahnrades läuft um den Mittelpunkt 6 des Zahnringes um. Gleichzeitig ro­ tiert das Zahnrad 3 um seinen Mittelpunkt. Hierbei ver­ größern und verkleinern sich Drucktaschen 7, die zwi­ schen dem Zahnrad 3 und dem Zahnring 4 ausgebildet sind. Wenn den sich vergrößernden Drucktaschen Flüssig­ keit unter Druck zugeführt wird, dann arbeitet die Ma­ schine 1 als Motor. Das Zahnrad weist eine Keilstruktur 8 in seinem Innern auf, in die eine Kardanwelle oder ein anderes Abtriebsteil eingesetzt werden kann. Wenn hingegen das Zahnrad von außen angetrieben wird, dann arbeitet die Maschine 1 als Pumpe. Die Arbeitsweise und der grundsätzliche Aufbau derartiger "Gerotor"-Maschi­ nen ist an sich bekannt.

Der Zahnring 4 weist als Zähne Rollen 9 auf. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, liegt das Zahnrad 3 mit seinem Außenumfang ausschließlich an den Rollen 9 an. Die Drucktaschen 7 sind also in radialer und in Umfangs­ richtung durch das Zahnrad 3, die Rollen 9 und den ver­ bleibenden Innenumfang des Zahnringes 4 begrenzt. Die Begrenzung in axialer Richtung erfolgt durch zwei Plat­ ten 10, 11.

Wie aus den Fig. 1 und 3 zu erkennen ist, haben das Zahnrad 3 und der Zahnring 4 zumindest in dem Bereich, wo die Platten 10, 11 anliegen, dieselbe axiale Er­ streckung oder Dicke. Die Rollen 9 haben jedoch eine wesentlich größere axiale Länge, so daß sie in entspre­ chende Bohrungen 12, 13 der Platten 10, 11, die auch als "Deckel" bezeichnet werden können, eintauchen kön­ nen. Die Rollen 9 sind hierbei in die beiden Platten 10, 11 im wesentlichen gleich weit eingesetzt. Die Boh­ rungen 12, 13 sind geringfügig tiefer als es die axiale Länge der Rollen 9 erfordert, wodurch ein kleines axia­ les Spiel 14 verbleibt, so daß eine Längenänderung der Rollen 9 nicht unbedingt gleichlaufend mit einer Dic­ kenänderung von Zahnrad 3 oder Zahnsatz 4 erfolgen muß, beispielsweise aus thermischen Gründen.

Die Rollen 9 können sich in den Bohrung 12, 13 in den Platten 10, 11 drehen. Dementsprechend ergibt sich bei einer Bewegung des Zahnrades 3 an den Rollen 9 entlang im wesentlichen nur Rollreibung.

Die Abdichtung zwischen den Rollen 9 und den Platten 10, 11 erfolgt nicht mehr an den Stirnseiten der Rollen 9, sondern an deren Umfangsfläche. Dort ist aber eine Abdichtung auch bei drehenden Rollen wesentlich einfa­ cher zu erzielen. Eine stirnseitige Abdichtung würde erfordern, daß die Stirnseiten zum einen mit hoher Ge­ nauigkeit plangeschliffen sind und zum anderen sehr ge­ nau unter einem rechten Winkel zur Zylindermantelfläche der Rollen verlaufen.

Der Zahnring 4 weist einen Rollenträgerring 15 auf, in den Kunststoffsegmente 16 eingesetzt sind. Dies ist möglich, weil die Rollen 9 in den Platten 10, 11 gehal­ ten sind. Die Kunststoffsegmente 16 müssen also nicht mehr als Gleitlager dienen, die die Rollen 9 im Zahn­ ring 4 positionieren. Sie müssen lediglich in der Lage sein, die Rollen 9 auch bei ihrer Drehbewegung abzu­ dichten und dem hydraulischen Druck in den Drucktaschen 7 zu widerstehen. Dementsprechend muß nur der Rollen­ trägerring 15 eine Festigkeit aufweisen, die vergleich­ bar ist mit der Festigkeit von bisher verwendeten Zahn­ ringen. Er kann aber mit einer weitaus geringeren Ge­ nauigkeit gefertigt werden.

Die Platte 10 weist eine Reihe von Kommutierungsöffnun­ gen 17 auf, die an sich bekannter, aber nicht näher dargestellter Weise von einer Ventilscheibe in Abhän­ gigkeit von der Stellung des Zahnrades 3 gegenüber dem Zahnring 4 mit Flüssigkeit unter Druck versorgt werden. Da für die Rollen 9 in den Platten 10, 11 die Bohrungen 12, 13 zur Verfügung stehen müssen, ist der Platz für die Kommutierungsöffnungen 17 etwas begrenzt. Sie sind daher, wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, als längliche Öffnungen ausgebildet, so daß ihr Strömungsquerschnitt groß genug gehalten werden kann. Hierbei ergibt sich ein weiterer Vorteil der Lagerung der Rollen 9 in der Platte 10. Über die Rollen 9 wird nämlich eine eindeu­ tige Zuordnung zwischen den Drucktaschen 7 und den Kom­ mutierungsöffnungen 17 hergestellt, so daß das Risiko fehlerhafter Kommutierungen mit dem damit verbundenen Verschließ klein gehalten werden kann.

Das Material der Platten 10, 11 kann nunmehr auch etwas weicher gewählt werden als das Material der Rollen 9. Der Verschleiß bei einer rotierenden Bewegung der Rol­ len 9 in den Platten 10, 11 ist wesentlich geringer als eine Stirnseitenreibung.

Eine der Rollen 9' ist als Keramikrolle ausgebildet oder weist zumindest eine Oberflächenschicht aus einem keramischen Material auf. Damit ist das Material dieser Rolle 9' wesentlich härter als das Material des Zahnra­ des 3. Falls sich aufgrund einer Verschmutzung der Hy­ draulikflüssigkeit kleinere Beschädigungen an der Ober­ fläche des Zahnrades 3 ergeben, können diese beim näch­ sten Umlauf durch die Keramikrolle 9' wieder egalisiert werden. Die Keramikrolle 9' bügelt die Umfangsfläche des Zahnrades 3 also wieder glatt. Natürlich kann man auch alle Rollen 9 aus dem keramischen Material machen oder mit einer keramischen Oberflächenschicht versehen. Dies ist aber in der Regel nicht notwendig. Als kerami­ sches Material kommt beispielsweise Siliciumnitrid, Si­ liciumcarbid oder Zirconiumdioxid in Betracht. Derarti­ ge Materialien liegen in Pulverform vor, so daß sie in die gewünschte Form gepreßt, dann gesintert, geschlif­ fen und zuletzt poliert werden können. Da auch die ke­ ramische Rolle 9' meinem Kunststoffsegment 16 gela­ gert ist, bestehen im Hinblick auf die Reibung zwischen bewegten Teilen keine größeren Risiken.

In an sich bekannter Weise sind Bohrung 18 im Zahnring 4 und in den beiden Platten 10, 11 vorgesehen, durch die nicht näher dargestellte Bolzen geführt werden kön­ nen, um den Zahnsatz 2 mit den beiden Platten 10, 11 zu verbinden.

Von der dargestellten Ausführungsform kann in vielerlei Hinsicht abgewichen werden. Insbesondere kann der Zahn­ rad 4, abgesehen von den Rollen 9, einteilig ausgebil­ det werden. Man kann alle Rollen 9 aus Metall fertigen und dafür einem entsprechenden Umfangsabschnitt des Zahnrades 3, vorzugsweise an einen Zahn, mit einer Ke­ ramikschicht belegen oder sogar das ganze Zahnrad 3 aus keramischem Material herstellen. In diesem Fall können Beschädigungen an den Rollen 9 ausgeglichen werden.

Claims (13)

1. Hydraulische Maschine mit einem Zahnsatz, der ein Zahnrad aufweist, das rotierend und orbitierend in einem Zahnring angeordnet ist, und der in Axial­ richtung zwischen zwei Platten angeordnet ist, wo­ bei der Zahnring Zähne aufweist, die durch Rollen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Rollen (9, 9') größer als die des Zahnrades (3) ist und die Rollen (9, 9') in minde­ stens einer Platte (10, 11) gelagert sind,

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (9, 9') zumindest in der Platte (10) gelagert sind, die Kommutierungsöffnungen (17) auf­ weist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rollen (9, 9') in beiden Platten (10, 11) gelagert sind.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (9, 9') in beide Platten (10, 11) im wesentlichen gleich tief eingesteckt sind.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (9, 9') mit axialem Spiel (14) in den Platten (10, 11) angeordnet sind.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (9, 9') drehbar ge­ lagert sind.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Rolle (9') aus einem Material gebildet ist, das wesentlich härter als das Material des Zahnrades (3) ist.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (9') aus keramischem Material gebil­ det ist oder eine keramische Oberflächenschicht aufweist.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Platte (10) längliche Kommutierungsöffnungen (17) vorgesehen, die zwischen den Rollen (9) angeordnet sind.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Platte (10, 11), in das die Rollen (9, 9') eingesteckt sind, weicher ist als das Material der Rollen (9, 9').

11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (9, 9') in einem Rollenträger (15, 16) des Zahnringes (4) gehalten sind, dessen Material zumindest im Bereich der Rol­ len (9, 9') eine geringere Festigkeit als das des Zahnrads (3) aufweist.

12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenträger (15, 16) Rollenlagerflächen aus Kunststoff aufweist.

13. Maschine nach Anspruch 11 oder 13 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rollenlagerflächen in Segmenten (16) ausgebildet sind, die in einen Rollenträger­ ring (15) eingesetzt sind.