DE202009017371U1 - Gear pump with aluminum rotors - Google Patents
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Abstract
Zahnradpumpe (5, 15) mit einem Pumpengehäuse (6, 16), mindestens einem angetriebenen, außenverzahnten Zahnrad (7, 8, 17, 18, 31, 32) als Rotor, wobei das Zahnrad (7, 8, 17, 18, 31, 32) ein pulvermetallurgisch hergestelltes Zahnrad (7, 8, 17, 18, 31, 32) ist, einem Zulauf (9, 19) zur Zuführung eines Mediums und einen Ablauf (10, 20) zum Abführen des Mediums, wobei mittels des Zahnrads (7, 8, 17, 18, 31, 32) das Medium vom Zulauf (9, 19) zum Ablauf (10, 20) durch die Zahnradpumpe (5, 15) hindurch fördert, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (7, 8, 17, 18, 31, 32) aus einem Aluminium-Werkstoff gebildet istGear pump (5, 15) with a pump housing (6, 16), at least one driven, externally toothed gear (7, 8, 17, 18, 31, 32) as a rotor, wherein the gear (7, 8, 17, 18, 31 , 32) is a powder metallurgy produced gear (7, 8, 17, 18, 31, 32), an inlet (9, 19) for supplying a medium and a discharge (10, 20) for discharging the medium, wherein by means of the gear (7, 8, 17, 18, 31, 32) conveys the medium from the inlet (9, 19) to the outlet (10, 20) through the gear pump (5, 15), characterized in that the gear (7, 8 , 17, 18, 31, 32) is formed from an aluminum material
Description
Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe mit einem Pumpengehäuse, mindestens einem angetriebenen, außen verzahnten Zahnrad als Rotor, wobei das Zahnrad ein pulvermetallurgisch hergestelltes Zahnrad ist, einem Zulauf zur Zuführung eines Mediums und einen Ablauf zum Abführen des Mediums, wobei das Zahnrad das Medium vom Zulauf zum Ablauf durch die Zahnradpumpe hindurch fördert.The The invention relates to a gear pump with a pump housing, at least one driven, externally toothed gear as a rotor, wherein the gear is a powder metallurgy produced gear is a feed to a medium and a Process for discharging the medium, wherein the gear is the Medium from inlet to drain through the gear pump promotes through.
Aus der Praxis sind verschiedene Zahnradpumpen bekannt. Sie werden unterschieden in Außenzahnradpumpen, bei denen mindestens zwei außenverzahnte Räder im Eingriff sind, und Innenzahnradpumpen, die aus einem innen verzahnten und mindestens einem außenverzahnten Rad aufgebaut sind. Obwohl die Beschreibung sich ausschließlich auf Zahnradpumpen beschränkt, ist die Erfindung auch auf Zahnradmotoren anwendbar. Zahnradpumpen und Zahnradmotoren weisen im wesentlichen die gleichen Konstruktionsmerkmale auf.Out In practice, various gear pumps are known. They are differentiated in external gear pumps, where at least two externally toothed Wheels are engaged, and internal gear pumps that out an internally toothed and at least one externally toothed Wheel are constructed. Although the description is based exclusively on Limited gear pumps, the invention is also on gear motors applicable. Gear pumps and gear motors essentially have the same design features.
Bei der Konstruktion und Auslegung von Zahnradpumpen spielt der auf das Verdrängungsvolumen bezogene Wirkungsgrad eine entscheidende Rolle. Beeinflusst wird der Wirkungsgrad unter anderem durch die Temperatur, die Spaltbreiten zwischen den bewegten Teilen, der konstruktiven Auslegung der Zahnräder und dem eingesetzten Werkstoff. Da sich die Zahnräder im Pumpengehäuse bewegen müssen, sind zwangsläufig Spaltmaße zwischen den sich bewegenden Teilen vorzusehen. Die Spaltmaße variieren je nach Temperatur und/oder Druck, so dass Hochdruckzahnradpumpen mit Ausgleichselementen versehen sind, die zum Beispiel einer Gehäusedeformation entgegenwirken.at The construction and design of gear pumps plays on the displacement volume related efficiency plays a crucial role. Among other things, the efficiency is influenced by the temperature, the gap widths between the moving parts, the constructive Design of the gears and the material used. Since the gears must move in the pump housing, are inevitably gap sizes between themselves to provide moving parts. The gaps vary depending according to temperature and / or pressure, so that high-pressure gear pumps with Equalizing elements are provided, for example, a housing deformation counteract.
Um
den spaltbedingten Leckageverlusten entgegenzuwirken und unabhängig
von dem konstruktiv aufwendigen Ausgleichselementen zu werden, ist
in der
Einen
weiteren Einfluss auf den Wirkungsgrad von Zahnradpumpen kann durch
eine konstruktive Ausgestaltung der Zahnradpumpe genommen werden.
So ist in der
Aus
der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Zahnradpumpe bereitzustellen, die die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet, kostengünstig hergestellt werden kann, konstruktiv einfach aufgebaut ist und die Leckageverluste minimiert.task the invention is to provide an improved gear pump, which overcomes the disadvantages of the prior art, can be inexpensively manufactured, structurally simple is constructed and minimizes the leakage losses.
Diese Aufgabe wird durch eine Zahnradpumpe gemäß dem Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Die einzelnen Merkmale in den Ansprüchen sind jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern können mit anderen Merkmalen aus der nachfolgenden Beschreibung wie auch aus den Unteransprüchen zu weiteren Ausgestaltungen verknüpft werden.These Task is by a gear pump according to the Claim 1 and a method according to the Claim 8 solved. Further advantageous embodiments are to be taken from the respective subclaims. The single ones However, features in the claims are not limited to these but can with other characteristics from the following Description as well as from the dependent claims to further Embodiments are linked.
Eine Zahnradpumpe, die die genannte Aufgabe löst, ist eine Zahnradpumpe mit einem Pumpengehäuse, mindestens einem angetriebenen außenverzahnten Zahnrad als Rotor, wobei das Zahnrad ein pulvermetallurgisch hergestelltes Zahnrad ist, einem Zulauf zur Zuführung eines Mediums und einem Ablauf zum Abführen des Mediums, wobei das Zahnrad das Medium vom Zulauf zum Ablauf durch die Zahnradpumpe hindurch fördert und das Zahnrad aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet ist. Der Einsatz eines Aluminiumwerkstoffes als Basiswerkstoff für das pulvermetallurgisch hergestellte Zahnrad bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich.A Gear pump that solves the above problem is a gear pump with a pump housing, at least one driven externally toothed gear as a rotor, the gear a A gear produced by powder metallurgy is a feed to the Feeding a medium and a drainage process of the medium, the gear being the medium from the inlet to the outlet through the gear pump through and promotes the gear an aluminum material is formed. The use of an aluminum material as a base material for the powder metallurgy produced Gear has a lot of advantages.
Aluminium ist das am dritthäufigsten vorkommende Element, wird weltweit neben Eisen als zweithäufigsten eingesetzt und steht daher als kostengünstiger Werkstoff in vielen Legierungsvarianten zur Verfügung. Darüber hinaus zeichnet sich Aluminium durch eine geringe spezifische Dichte aus, was sich wiederum positiv auf das Gewicht der Zahnradpumpe auswirkt. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Aluminiumwerkstoffen als Zahnräder für die Zahnradpumpe ist die hohe Korrosionsbeständigkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Nach einer Bearbeitung oder Formgebung bildet sich in atmosphärischer Umgebung nahezu unmittelbar eine dünne korrosionsbeständige Oxidschicht aus. Die dünne eine Korrosion hemmende Schicht wird aus der stabilen chemischen Verbindung Al2'O3 gebildet, dessen Reduktion einen hohen Energieaufwand erfordert, so dass Zahnräder aus pulvermetallurgisch hergestellten Aluminiumwerkstoffen äußerst resistent gegen eine Vielzahl von Medien sind. Ein weiterer Vorteil, der sich durch den Einsatz der Aluminiumwerkstoffe ergibt, ist der passende Ausdehnungskoeffizient. Vielfach werden die Pumpengehäuse der Zahnradpumpe aus Aluminiumdruckgusswerkstoffen gefertigt, so dass die Zahnräder und das Pumpengehäuse einen identischen oder nahezu identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, was sich wiederum positiv auf das Leckageverhalten der Zahnradpumpe auswirkt. Als zusätzlicher Vorteil ist die sehr gute Formgebung der Aluminiumwerkstoffe zu nennen. Aufgrund der geringen Schmelztemperatur können Aluminiumwerkstoffe leicht im pulvermetallurgischen Herstellverfahren produziert werden, was sich einerseits positiv auf die Kosten der Zahnräder auswirkt und andererseits eine beliebige konstruktive Ausgestaltung der Zahnräder ermöglicht.Aluminum is the third most common element and is the second most used in the world alongside iron, making it available as a low-cost material in many alloy variants. In addition, aluminum is characterized by a low specific gravity, which in turn has a positive effect on the weight of the gear pump. Another advantage of using aluminum materials as gears for the gear pump is the high corrosion resistance of aluminum and aluminum alloys. After machining or shaping, a thin corrosion-resistant oxide layer is formed almost immediately in an atmospheric environment. The thin corrosion-resistant layer is formed from the stable chemical compound Al 2 'O 3, the reduction requires a high energy input, so that gears are extremely resistant powder-metallurgically produced from aluminum materials against a variety of media. Another advantage that results from the use of aluminum materials is the appropriate expansion coefficient. In many cases, the pump housing of the gear pump made of die-cast aluminum materials, so that the gears and the pump housing have an identical or nearly identical thermal expansion coefficient, which in turn has a positive effect on the leakage behavior of the gear pump. An additional advantage is the very good shape of the aluminum materials. Due to the low melting temperature aluminum materials can be easily produced in the powder metallurgical manufacturing process, which on the one hand has a positive effect on the cost of the gears and on the other hand allows any structural design of the gears.
In einer Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dann ein Vorteil, wenn das Zahnrad aus einem Aluminium-Basis-Werkstoff gebildet ist, der zumindest Kupfer und/oder Silizium und/oder Magnesium und/oder Zink enthält. Der Einsatz verschiedener Legierungselemente zur Beeinflussung der Eigenschaften des eingesetzten Aluminiumwerkstoffes bietet den Vorteil, dass die Zahnräder an unterschiedliche Aufgabengebiete und Anforderungen in der Zahnradpumpe anpassbar sind. So sind beispielsweise Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen sehr korrosionsbeständig und schweißbar. Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen sind beständig gegenüber chemischer Beanspruchung und bieten einen guten Kompromiss hinsichtlich Festigkeit und Korrosionseigenschaft. Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer-Legierungen erreichen höchste Festigkeiten. So können die Eigenschaften des Zahnrads nach Auswahl einer Aluminiumlegierung leicht variiert werden. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich hierbei, dass auf herkömmliche leicht verfügbare Pulverwerkstoffe zurückgegriffen werden kann, so dass eine kostengünstige Herstellung der Zahnradpumpe ermöglicht wird.In an embodiment of the invention then results Advantage, if the gear formed from an aluminum-based material is at least copper and / or silicon and / or magnesium and / or Contains zinc. The use of different alloying elements to influence the properties of the aluminum material used the advantage that the gears to different job roles and requirements in the gear pump are customizable. Such are, for example Aluminum-magnesium-silicon alloys very resistant to corrosion and weldable. Aluminum-zinc-magnesium alloys are resistant to chemical stress and provide a good compromise in terms of strength and corrosion properties. Aluminum-zinc-magnesium-copper alloys achieve the highest Strengths. So can the properties of the gear can be easily varied after selecting an aluminum alloy. When additional advantage arises here that conventional readily available powder materials are used can be, so that cost-effective production of the Gear pump is enabled.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dann, wenn das Zahnrad aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet ist, der für die Erhöhung der Verschleißfestigkeit feine Partikel, insbesondere Partikel der Form Al2O3 und/oder SiC und/oder Si und/oder vergleichbare Partikel, enthält. Wird beispielsweise die Zahnradpumpe als außenverzahnte Zahnradpumpe ausgebildet, bei der zwei Zahnräder zur Förderung des Mediums sich kontinuierlich im Eingriff befinden, so spielt eine Verschleißbeständigkeit der Zähne der Zahnräder eine entscheidende Rolle bei der Standfestigkeit der Zahnradpumpe. Um die Verschleißbeständigkeit der im Eingriff miteinander stehenden Zähne der Zahnräder zu erhöhen, ist es vorteilhaft, eine verschleißfeste Legierung einzusetzen. Die in vorteilhafter Weise in die Legierung eingebrachten Partikel erhöhen die Verschleißfestigkeit, da die Partikel als harte Phasen als Verschleißpartner zur Verfügung stehen.A further advantage results when the gear wheel is formed from an aluminum material which contains fine particles, in particular particles of the form Al 2 O 3 and / or SiC and / or Si and / or comparable particles, for increasing the wear resistance. For example, if the gear pump is formed as an externally toothed gear pump in which two gears for conveying the medium are continuously engaged, a wear resistance of the teeth of the gears plays a crucial role in the stability of the gear pump. In order to increase the wear resistance of the intermeshing teeth of the gears, it is advantageous to use a wear-resistant alloy. The advantageously introduced into the alloy particles increase the wear resistance, since the particles are available as hard phases as wear partners.
In
einer bevorzugten alternativen Ausführungsform weist das
Zahnrad eine evolvente oder zykloidische Verzahnung auf. Der Einsatz
eines pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrads aus einem Aluminiumwerkstoff
bietet den Vorteil, dass die Formgebung des Zahnrads nicht an eine
nachfolgende Bearbeitung beziehungsweise Herstellung einer gewünschten
Zahngeometrie gebunden ist. Das pulvermetallurgische Herstellverfahren
ermöglicht eine beliebige Ausbildung der Zähne
des Zahnrads. Je nach Einsatzzweck kann eine zykloidische oder evolvente Verzahnung
ausgebildet werden, ohne dass hierdurch höhere Fertigungskosten
entstehen. Der in der
Das günstigere Eingriffsverhältnis der zykloidischen Verzahnung bewirkt einerseits ein geringeres Geräusch und gleichzeitig eine Minimierung der Hertzschen Pressung zwischen den gegeneinander anliegenden Zähnen. So ist die Hertzsche Pressung, die die größte Spannung in der Mitte der Berührungsfläche zweier elastischer Körper definiert, bei einer zykloidischen Verzahnung dreimal geringer als bei einer evolventen Verzahnung. Bedingt ist dies durch das günstigere Abrollverhalten der Zähne zueinander. Das günstigere Abrollverhalten und die geringere Hertzsche Pressung bewirken wiederum eine verbesserte Standzeit der Zahnradpumpe und einen geringeren Verschleiß.The favorable engagement ratio of the cycloidal Gearing on the one hand causes a lower noise and at the same time a minimization of the Hertzian pressure between the against each other teeth. That's the Hertzian Pressing, which is the biggest tension in the middle the contact surface of two elastic bodies defined, with a cycloid gearing three times less than with an involute toothing. This is due to the cheaper Rolling behavior of the teeth to each other. The cheaper Rolling behavior and the lower Hertzian pressure in turn cause an improved service life of the gear pump and a lower Wear.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dann, wenn das Zahnrad schräg verzahnt ausgebildet ist. Ein schräg verzahntes Zahnrad mit Evolventen- oder Zykloidenverzahnung bietet den Vorteil, dass eine noch höhere Laufruhe erreicht werden kann. Die höhere Laufruhe wird dadurch erzielt, dass das Eingreifen der Zähne ineinander fließend erfolgt. Fließend bedeutet, dass im Falle einer Schrägverzahnung die Zähne sukzessive in einen Eingriff gelangen. Dies bezieht sich auf außen wie auch innen verzahnte Zahnradpumpen mit mindestens zwei Zahnrädern, die miteinander in Eingriff stehen.One Another advantage arises when the gear obliquely toothed is formed. A helical gear with involute or cycloidal toothing offers the advantage that an even smoother running can be achieved. The smoother running is achieved by the intervention of the teeth into each other fluent. Fluent means that in case a helical teeth gradually in the teeth get an intervention. This refers to outside like also internally toothed gear pumps with at least two gears, the engage each other.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass im Falle einer Schrägverzahnung eine sehr viel höhere Passgenauigkeit zwischen den Drehachsen der miteinander im Eingriff stehenden Zahnräder erfolgen muss. Hier spielt der identische Ausdehnungskoeffizient zwischen Gehäuse und Zahnrädern eine entscheidende Rolle. Ist beispielsweise das Pumpengehäuse ein Aluminiumdruckgussgehäuse und die Zahnräder sind aus einer Aluminiumknetlegierung gefertigt, so ergibt sich für das aus Aluminium bestehende Pumpengehäuse und die Zahnräder ein nahezu identischer Wärmeausdehnungskoeffizient, wodurch im Falle der Erwärmung der Zahnradpumpe eine gleichmäßige Ausdehnung von Pumpengehäuse und Zahnrädern erfolgt. Daraus folgt, dass einerseits die hohe Passgenauigkeit, das heißt eine Ausrichtung der miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern eingehalten werden kann und andererseits die Leckageverluste minimiert werden. Bei nahezu identischen oder identischen Ausdehnungskoeffizienten bleibt das Passungsspiel der Bauteile der Zahnradpumpe zueinander ebenfalls identisch. Auf weitere Maßnahmen zur Eliminierung von Leckageverlusten kann bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Zahnradpumpe weitestgehend verzichtet werden. Dieser Vorteil ergibt sich nicht nur bei außenverzahnten Zahnradpumpen, bei denen zwei oder mehr Zahnräder miteinander in Eingriff stehen, sondern auch bei innen verzahnten Zahnradpumpen steht ein außenverzahntes Zahnrad mit einem innen verzahnten Zahnrad im Eingriff. Sind die im Eingriff befindlichen Zahnräder ebenfalls schräg verzahnt, so muss auch in diesem Fall eine hohe Passgenauigkeit zwischen den Drehachsen der miteinander in Eingriff stehenden Zahnräder gewährleistet sein. Die geringe Toleranz beim Einbau und Ausrichten der Zahnräder zueinander kann hierbei lediglich durch eine Verwendung von Werkstoffen mit nahezu identischem Wärmeausdehnungskoeffizienten gewährleistet werden, so dass ein annähernd konstanter Wirkungsgrad eingehalten werden kann, wie im weiteren näher ausgeführt ist.One Another advantage of the invention is that in the case of Helical gearing a much higher accuracy of fit between the axes of rotation of the meshing gears must be done. Here plays the identical expansion coefficient between housing and gears a crucial Role. For example, if the pump housing is an aluminum die-cast housing and the gears are made of an aluminum wrought alloy made, this results for the existing aluminum Pump housing and the gears a nearly identical Coefficient of thermal expansion, resulting in the case of heating the gear pump a uniform expansion of pump housing and gears. from that follows, on the one hand, the high accuracy of fit, that is an orientation of the meshing gears can be maintained and on the other hand minimizes leakage losses become. At almost identical or identical expansion coefficients remains the fit clearance of the components of the gear pump to each other also identical. On further measures for the elimination Leakage losses can occur at one of the Invention trained gear pump are largely dispensed with. This advantage does not only occur with externally toothed Gear pumps in which two or more gears with each other are engaged, but also with internally toothed gear pumps is an externally toothed gear with an internally toothed Gear engaged. Are the meshing gears also obliquely interlinked, so must also in this case a high accuracy of fit between the axes of rotation of each other ensured in meshing gears be. The low tolerance when installing and aligning the gears to each other can only by using materials with ensures almost identical thermal expansion coefficient be maintained so that an approximately constant efficiency can be, as explained in more detail below is.
Ist das Pumpengehäuse aus Aluminium gefertigt und es handelt sich um eine außenverzahnte Zahnradpumpe mit zwei auf parallelen Achsen angeordneten im Eingriff befindlichen Zahnrädern aus Aluminiumlegierung, so hat eine Temperaturänderung nahezu keinen Einfluss auf die Toleranz der Wellen zueinander und somit auf das Spiel zwischen den im Eingriff befindlichen Zahnrädern. Erhöht sich die Temperatur der Zahnradpumpe, so dehnt sich das Pumpengehäuse in nahezu gleicher Weise wie die Zahnräder aus, so dass die Toleranz oder das Spiel zwischen den Zahnflanken der Zahnräder erhalten bleibt. Durch eine Ausdehnung des Pumpengehäuses werden die Mittelpunkte der Drehachsen der Zahnräder zueinander verschoben, wobei eine Ausdehnung der Wellen und/oder Achsen nahezu keinen Einfluss auf das Spiel zwischen den im Eingriff befindlichen Zahnrädern ausübt.is the pump housing is made of aluminum and it acts It is an externally toothed gear pump with two parallel ones Axes arranged in meshing gears Made of aluminum alloy, so has a temperature change almost no influence on the tolerance of the waves to each other and thus on the game between the meshing gears. If the temperature of the gear pump increases, it will expand the pump housing in almost the same way as the gears out, so that the tolerance or the play between the tooth flanks the gears are preserved. By extension of the Pump housing become the centers of the axes of rotation of the gears shifted to each other, wherein an extension of the waves and / or Axes almost no effect on the game between the engaged located gears exerts.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dann ein Vorteil, wenn mindestens zwei Zahnräder in der Zahnradpumpe angeordnet sind, wobei das erste Zahnrad um eine erste und das zweite Zahnrad um eine zweite Drehachse drehbar sind und die Zähne der Zahnräder ineinander eingreifen, so dass eine außenverzahnte Zahnradpumpe gebildet ist. Insbesondere aber nicht nur bei außenverzahnten Zahnradpumpen kommt der Vorteil einer günstigen Werkstoffpaarung zwischen Pumpengehäuse und Zahnrad zum Tragen. Sind zwei Zahnräder auf unterschiedlichen Drehachsen miteinander im Eingriff, so spielt der Ausdehnungskoeffizient eine entscheidende Rolle bei einem Abwälzen der Zahnräder aufeinander. Selbst geringfügige Abweichungen der Drehachsen zueinander bewirken, dass das Abrollverhalten zwischen den Zähnen der Zahnräder verändert wird. Besonders gravierend ist dies bei dem Einsatz von zykloidisch ausgebildeten Zahnrädern. Kommt es zu einer Versetzung der Achsen zueinander so ist ein gleich bleibendes Abrollen in einem optimalen Eingriffswinkel nicht mehr gewährleistet. Die Folge ist ein erhöhter Verschleiß und somit eine geringere Standfestigkeit der Zahnradpumpe.In one embodiment of the invention, there is an advantage if at least two gears are arranged in the gear pump, wherein the first gear around a first and the second gear are rotatable about a second axis of rotation and the teeth of the gears mesh with each other, so that an externally toothed Gear pump is formed. In particular, but not only with externally toothed gear pumps has the advantage of a favorable material pairing between the pump housing and gear to wear. If two gears are engaged with each other on different axes of rotation, then the expansion coefficient plays a decisive role in a rolling of the gears to each other. Even minor deviations of the axes of rotation cause each other that the rolling behavior between the teeth of the gears is changed. This is particularly serious in the use of cycloidically designed gears. If there is an offset of the axes to each other so a constant unrolling in an optimal pressure angle is no longer guaranteed. The result is an increased wear and thus a lower stability of the gear pump.
Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens ein innenverzahntes und ein außenverzahntes Zahnrad in der Zahnradpumpe angeordnet sind, wobei das außenverzahnte Zahnrad in das innenverzahnte Zahnrad eingreift, so dass eine innenverzahnte Zahnradpumpe gebildet ist. Auch bei innenverzahnten Zahnradpumpen spielt das Zusammenspiel der Zahnräder und somit die Werkstoffpaarung eine entscheidende Rolle. Auch hier bewirkt eine Temperaturänderung eine Verschiebung der Drehachsen der miteinander in Eingriff befindlichen Zahnräder zueinander. Auch bei innenverzahnten Zahnradpumpen kann somit der Vorteil der Werkstoffkombination Pumpengehäuse und Zahnräder aus Werkstoffen mit identischen oder nahezu identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten als Vorteil genutzt werden.Advantageous It is also when at least one internally toothed and one externally toothed Gear are arranged in the gear pump, wherein the externally toothed Gear engages the internal gear, so that an internally toothed gear pump is formed. Even with internal gear pumps that plays Interaction of the gears and thus the material pairing a crucial role. Here, too, causes a temperature change a displacement of the axes of rotation of the engaged with each other Gears to each other. Even with internal gear pumps can thus the advantage of the material combination pump housing and gears made of materials with identical or nearly identical coefficients of thermal expansion used as an advantage become.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dann ein Vorteil, wenn das Pumpengehäuse aus einem Aluminium-Werkstoff gebildet ist. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Pumpengehäuse einen zum Zahnrad identischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Ein identischer Ausdehnungskoeffizient bietet den Vorteil, dass sich Pumpengehäuse und Zahnrad gleichmäßig ausdehnen und so das Eingriffsverhältnis unverändert bleibt. Wie nachfolgend näher ausgeführt ist, wird der Wirkungsgrad von der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der in der Zahnradpumpe eingesetzten Bauteile mitbestimmt. Dabei reduziert sich das Spaltmaß in Abhängigkeit von der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten. Ein aus der Summe des Spaltmaßes und eines Produkts aus Temperatur und vom Ausdehnungskoeffizienten abhängigen Radius geht als Dritte Potenz in die Formel für numerische Bestimmung des Wirkungsgrads mit ein. Letztlich vermindert auch das vom Ausdehnungskoeffizienten abhängige Produkt den Wirkungsgrad. Wird nun ge mäß der vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise das Pumpengehäuse und das mindestens eine Zahnrad aus einem Aluminium-Basiswerkstoff gebildet und besitzen das Pumpengehäuse und das mindestens eine Zahnrad einen identischen Ausdehnungskoeffizienten, so ist der Wirkungsgrad letztlich alleine vom konstanten Spaltmaß abhängig. In einer bevorzugten Ausführungsform tendiert die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten gegen Null, so dass der Einfluss der Ausdehnung der Bauteile in der Zahnradpumpe gegen Null konvergiert.In Another embodiment of the invention results then an advantage if the pump housing made of an aluminum material is formed. Furthermore, it is advantageous if the pump housing having an identical to the gear expansion coefficient. An identical coefficient of expansion offers the advantage that Pump housing and gear evenly expand and so the engagement ratio unchanged remains. As explained in more detail below, The efficiency of the difference of the expansion coefficient co-determined the components used in the gear pump. there the gap reduces depending on the difference of the expansion coefficients. One out of the sum of Gap and a product of temperature and the coefficient of expansion dependent radius goes as a third power in the formula for numerical determination of the efficiency. Ultimately also reduces the coefficient dependent on the expansion coefficient Product's efficiency. Will now ge according to the advantageous embodiment for example, the pump housing and the at least one Gear made of an aluminum base material and own the pump housing and the at least one gear identical coefficients of expansion, so the efficiency is ultimately solely dependent on the constant gap. In a preferred embodiment, the difference of Expansion coefficients close to zero, so the influence of expansion the components in the gear pump converge to zero.
Zahnradpumpen können in die Klasse der Umlaufverdrängermaschinen eingeordnet werden. Hierbei fallen unter den Wortlaut des Patentanspruchs 1 Zahnradpumpen mit Außenverzahnung und Zahnradpumpen mit Innenverzahnung, wobei das Verdrängerelement der Zahn ist. Der Vorteil des Einsatzes einer Werkstoffkombination mit nahezu identischem oder identischem Wärmeausdehnungskoeffizienten ermöglicht es darüber hinaus die Erfindung auch auf andere Umlaufverdrängermaschinen, wie beispielsweise Schraubenpumpen einzusetzen. Vorteilhaft ist es hierbei, das Pumpengehäuse aus einem Aluminiumbasiswerkstoff und die miteinander im Eingriff befindlichen Zahnräder aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrad aus Basis eines Aluminiumwerkstoffs auszubilden.gear pumps can into the class of rotary displacement machines be classified. This fall under the wording of the claim 1 gear pumps with external teeth and gear pumps with Internal toothing, wherein the displacer element is the tooth. The advantage of using a material combination with almost identical or identical thermal expansion coefficient allows Moreover, the invention also applies to other rotary displacement machines, such as For example, use screw pumps. It is advantageous here the pump housing made of an aluminum base material and the meshing with each other gears a powder metallurgically produced gear made of aluminum material train.
Um eine Leistungsfähigkeit einer Umlaufverdrängermaschine, wie beispielsweise eine Zahnradpumpe, numerisch zu ermitteln, kann der auf das Verdrängungsvolumen bezogene Wirkungsgrad einer Zahnradpumpe numerisch bestimmt werden. Die Formel zur Berechnung des auf das Verdrängungsvolumen bezogenen Wirkungsgrads für eine Zahnradpumpe mit Außenverzahnung lautet wie folgt: In order to numerically determine a performance of a recirculating displacement machine such as a gear pump, the efficiency of a gear pump related to the displacement volume can be numerically determined. The formula for calculating the displacement-related efficiency for an external gear pump is as follows:
Hierin bedeutet:
- – κ Wirkungsgrad
- – ν0 Verdrängungsvolumen pro Umdrehung,
- – n Drehzahl,
- – a0 Spaltmaß bei 0°C (radial und axial),
- – r Rotor oder Zahnradaußenradius,
- – p Druck,
- – η Viskosität,
- – Δα Wärmeausdehnungskoeffizient,
- – T Temperatur in °C,
- – A Geometriekoeffizient (~1)
- - κ efficiency
- - ν 0 displacement volume per revolution,
- - n speed,
- - a 0 gap at 0 ° C (radial and axial),
- Rotor or outer gear radius,
- - p pressure,
- - η viscosity,
- - Δα coefficient of thermal expansion,
- T temperature in ° C,
- - A geometry coefficient (~ 1)
Wie deutlich aus der Formel ableitbar ist, geht einerseits das Spaltmaß a und andererseits der vom Wärmeausdehnungskoeffizient α abhängige Radius r mit einer dritten Potenz in die Berechnung des Wirkungsgrads κ mit ein. Bei einer Werkstoffkombination, bei der das Pumpengehäuse aus Aluminium und die Zahnräder aus Eisen gefertigt sind, ist der Wirkungsgrad somit abhängig von der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten Δα der eingesetzten unterschiedlichen Werkstoffe. Bei einem Spaltmaß bei 0°C von 10–2 bis 10–1 mm können geringfügige Temperaturschwankungen bereits zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Zahnradpumpe führen, insbesondere deshalb, weil der temperaturabhängige Radius der Zahnräder als dritte Potenz in die Berechnung des Wirkungsgrades mit einfließt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium beträgt beispielhaft für reines Aluminium 23,8 × 10–6K–1 und für Stahl 13,0 × 10–6K–1. Hieraus ergibt sich eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Eisen und Aluminium von Δα ~ 10–5K–1.As can be clearly deduced from the formula, on the one hand the gap dimension a and on the other hand the radius r, which is dependent on the thermal expansion coefficient α, enters the calculation of the efficiency κ with a third power. In a material combination in which the pump housing made of aluminum and the gears are made of iron, the efficiency is thus dependent on the difference of the thermal expansion coefficient .DELTA..alpha. Of the different materials used. With a gap at 0 ° C of 10 -2 to 10 -1 mm slight temperature fluctuations can already lead to a deterioration of the efficiency of the gear pump, especially because the temperature-dependent radius of the gears as the third Potency is included in the calculation of the efficiency. The coefficient of thermal expansion of aluminum is 23.8 × 10 -6 K -1 for pure aluminum and 13.0 × 10 -6 K -1 for steel. This results in a difference between the thermal expansion coefficients between iron and aluminum of Δα ~ 10 -5 K -1 .
Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades der außenverzahnten Zahnradpumpe ändert sich gravierend, wenn eine Werkstoffpaarung Aluminium-Aluminium in der Zahnradpumpe zum Einsatz kommt. Die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten Δα beträgt hierbei 0 oder strebt gegen 0, so dass der Einfluss der Wärmeausdehnung zu vernachlässigen ist. Daher ergibt sich der Wirkungsgrad einer außenverzahnten Zahnradpumpe mit einem Pumpengehäuse aus Aluminium und Zahnrädern aus einem Aluminiumwerkstoff wie folgt:The Formula for calculating the efficiency of the externally toothed Gear pump changes gravely when a material pairing Aluminum-aluminum is used in the gear pump. The difference the thermal expansion coefficient Δα is here 0 or strives towards 0, so that the influence of thermal expansion is negligible. Therefore, the efficiency of a external gear pump with a pump housing made of aluminum and gears made of aluminum material as follows:
Wie aus der Formal ersichtlich, ist der Wirkungsgrad bei einer Kombination des Werkstoffs Aluminium-Aluminium nicht mehr vom Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe abhängig. Es ergibt sich folglich ein konstantes Spaltmaß und lediglich ein vom Druck, der Viskosität und der Drehzahl abhängiger Wirkungsgrad. Eine unabhängig von der Wärmeausdehnung der Bauteile arbeitende Zahnradpumpe bietet den Vorteil, dass einerseits stets ein konstantes Spaltmaß eingehalten werden kann und andererseits stets ein optimaler Eingriff der aneinander anliegenden Zähne der Zahnräder gewährleistet wird. Dies bietet insbesondere dann einen Vorteil, wenn zykloidisch ausgebildete Zahnräder zum Einsatz kommen, da in diesem Fall auch geringfügige Änderungen der Ausrichtung der miteinander im Eingriff befindlichen Zähne zu einem suboptimalen Abrollen der Zähne aufeinander führt. Dieser Nachteil wird durch eine Werkstoffpaarung Pumpengehäuse Aluminium und Zahnrad oder Zahnräder aus Aluminium überwunden.As from the formal view, the efficiency is a combination of the material aluminum-aluminum is no longer of the expansion coefficient dependent on the materials. This results in a constant Gap and only one of the pressure, the viscosity and the speed dependent efficiency. An independent offers by the thermal expansion of the components working gear pump the advantage that on the one hand always maintained a constant gap and on the other hand always an optimal engagement of each other Ensures adjacent teeth of the gears becomes. This offers an advantage, especially when cycloidal trained gears are used because in this Case also minor changes of registration the meshing teeth to a Suboptimal rolling of the teeth leads to each other. This disadvantage is due to a material pairing pump housing Aluminum and gear or aluminum gears overcome.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnradpumpe mit zumindest einem pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrad bereitgestellt wird, bei dem als Werkstoff für das Zahnrad ein Aluminiumwerkstoff verwendet wird. Im Vergleich zum Eisen besitzt Aluminium eine sehr starke Affinität zu Sauerstoff und bildet an der Oberfläche eine dünne und feste Al2O3-Schicht. Die Schicht verweigert weitere Oxidation der Oberflächen und wird als Vorteil des Werkstoffes betrachtet. Für Pulvermetallurgie ist diese Eigenschaft von Nachteil: Oxidschicht an der Oberfläche von Pulverpartikeln verweigert Diffusionsvorgänge beim Sintern. Aufbrechen der Oxidschicht und Bildung von Sinterbrücken werden durch die Bildung von Flüssigphasen beim Sintern ermöglicht. Die Legierungszusätze (Cu, Zn, Mg, Si) ermöglichen ein Flüssigphasensintern in meisten Al-Sintermischungen.In procedural terms, the object of the invention is achieved in that a method for producing a gear pump is provided with at least one powder-metallurgically produced gear in which an aluminum material is used as a material for the gear. Compared to iron, aluminum has a very strong affinity for oxygen and forms a thin and solid Al 2 O 3 layer on the surface. The layer refuses further oxidation of the surfaces and is considered as an advantage of the material. For powder metallurgy, this property is disadvantageous: oxide layer on the surface of powder particles refuses diffusion processes during sintering. Cracking of the oxide layer and formation of sintered bridges are made possible by the formation of liquid phases during sintering. The alloying additives (Cu, Zn, Mg, Si) enable liquid phase sintering in most Al sintered mixtures.
Ein Vorteil in Bezug auf das Verfahren ergibt sich dann, wenn das Herstellverfahren ein Sinterverfahren ist. Sinterverfahren ermöglichen es, Bauteile mit komplizierten Geometrien oder Formen herzustellen. So überwindet der Sinterprozess den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil der kostenintensiven Herstellung zykloidisch ausgebildeter Zahnräder.One Advantage with respect to the method results when the manufacturing process is a sintering process. Sintering processes make it possible Produce components with complicated geometries or shapes. Thus, the sintering process overcomes the state of the art known disadvantage of costly cycloidal production trained gears.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dann, wenn während des Herstellens des Zahnrads mindestens eine zweite Verdichtung und/oder eine Homogenisierung und/oder eine Abschreckung und/oder einer Formgebung und/oder eine Alterung durchgeführt wird. Eine Prozessoptimierung in Bezug auf eine Verdichtung, Homogenisierung, Abschreckung, Formgebung und/oder Alterung bewirkt, dass höhere Dichten, Härten und Verschleißbeständigkeiten eingestellt und erzielt werden können. Somit ist es möglich, die Zahnräder der Zahnradpumpe an höchste mechanische Anforderungen anzupassen.One Another advantage arises when during manufacturing of the gear at least a second compression and / or homogenization and / or a deterrent and / or a shaping and / or a Aging is performed. A process optimization in Regarding compaction, homogenization, quenching, shaping and / or aging causes higher densities, hardening and wear resistance adjusted and can be achieved. Thus it is possible the Gears of the gear pump to highest mechanical To adapt requirements.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Tabellen, Schliffbildern, Figuren und Diagrammen näher erläutert, aus denen weitere Ausgestaltungen hervorgehen. Die dort dargestellten Weiterbildungen sind jedoch nicht beschränkend, vielmehr können die dort jeweils beschriebenen Merkmale untereinander und mit den oben beschriebenen Merkmalen zu weiteren Ausgestaltungen kombiniert werden. Des Weiteren sei darauf verwiesen, dass die in den Tabellen, Schliffbildern, Diagrammen und Figuren angegebenen Bezugszeichen den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, sondern lediglich auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verweisen. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass das Ausführungsbeispiel zwar eine außenverzahnte Zahnradpumpe darstellt, die Erfindung ist aber nicht auf eine außenverzahnte Zahnradpumpe beschränkt, sondern kann, wie einleitend dargestellt, bei jeglicher Art von Umlaufverdrängermaschinen eingesetzt werden. Es zeigt:following The invention is based on tables, micrographs, figures and diagrams, from which further Embodiments emerge. The further developments shown there are but not limiting, but they can be there respectively described features with each other and with those described above Characteristics are combined to form further embodiments. Furthermore It should be noted that the tables in the tables, micrographs, Diagrams and figures indicated reference numerals the scope not limited to the present invention, but only to the embodiments illustrated in the figures refer. It should also be noted that the embodiment Although an externally toothed gear pump represents, the invention but not limited to an externally toothed gear pump, but, as shown in the introduction, in any kind of Circulating displacement machines are used. It shows:
Die
Die.
Im
Falle der Ausbildung der Zahnräder
Das
innen verzahnte Zahnrad
In
der
In
der
Die
Zahnräder
Die
In
der
Einen
konstant höheren Wirkungsgrad für eine Zahnradpumpe
mit Zahnrädern aus einem Aluminiumwerkstoff zeigt ebenfalls
das Diagramm in der
Letztlich
kann aus den Diagrammen der
In
den
In
der
In
der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 29516780 U1 [0004, 0013] - DE 29516780 U1 [0004, 0013]
- - EP 0667454 B1 [0005] - EP 0667454 B1 [0005]
- - DE 499675 [0006] - DE 499675 [0006]
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DE (1) | DE202009017371U1 (en) |
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WO2023011918A1 (en) | 2021-08-05 | 2023-02-09 | Hydraulik Nord Technologies GmbH | Internal gear machine |
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- 2009-12-21 DE DE200920017371 patent/DE202009017371U1/en not_active Expired - Lifetime
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