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Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Zahnringmotor nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
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In vielen mobilen und stationären Systemen steht in irgendeiner Form hydrostatische Leistung zur Verfügung. Das beginnt mit der Motorschmierpumpe bei Automobil- und Bootsmotoren über Auxiliary-Hydraulik bei landwirtschaftlichen Schleppern und Baumaschinen bis hin zu stationären Hydraulikaggregaten für Werkzeugmaschinen und hydraulischen Pressen. Als Hydraulik-Energiespeicher kommen außer Pumpen auch Hydraulik-Speicher infrage, die beispielsweise bei Doppelkupplungsgetrieben für das Schalten der Gänge kurzzeitig schnell Hydroenergie liefern können, mit der ebenfalls Hydromotoren betrieben werden können anstelle von Elektromotoren.
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Viele dieser Systeme benötigen beispielsweise Kühllüfter mit höheren Drehzahlen, die bis zu 8000 U/min aufweisen. Der Antrieb solcher hochdrehenden Komponenten erfolgt konventionell mittels Elektromotoren, deren Abmessungen, Gewichte und Kosten verhältnismäßig hoch sind. Hochdrehende hydraulische Motoren haben wegen den großen Viskositäts- und Panschverluste einen schlechten Gesamtwirkungsgrad.
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Eine einfache Form eines Hydromotors ist ein Zahnring-Motor, bestehend aus einem Innenläufer oder auch Ritzel genannt und einem Außenläufer oder auch Hohlrad genannt. Hierbei sind das Hohlrad im Gehäuse und das Ritzel auf einer Welle drehbar gelagert, wobei beide Mittelpunkte um einen Achsabstand oder auch Exzentrizität genannt versetzt sind. Wegen des Gesamtwirkungsgrades und der Lebensdauer sind solche Hydromotoren für sehr hohe Leistungen und Drehzahlen nicht geeignet. Auch ist der Arbeitsdruck des Fluids begrenzt, weil die Abdichtung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich lediglich durch die Leckspalte zwischen den Zähnen erfolgt, im Gegensatz zu den Füllstücks- oder Sichelpumpen.
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Sofern die Leistungsanforderungen nicht allzu hoch sind, sind solche Zahnringmotoren sehr beliebt, weil sie äußerst kostengünstig herzustellen sind, kleine Abmessungen haben und eine weitgehend zentrische Bauweise aufweisen.
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Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Zahnringmotor mit einem Gehäuse und einem darin laufenden Zahnringlaufsatz. Letzterer setzt sich zusammen aus einem Innenläufer und einem Außenläufer. Der Innenläufer ist auf einer Ritzelwelle um eine Innenläuferachse gelagert und als außenverzahntes Ritzel ausgebildet. Der Außenläufer ist einem in dem Gehäuse mittels einer Hohlradlagerung um eine Hohlradachse drehbar gelagert und als innenverzahntes Hohlrad ausgebildet, das mit dem Ritzel kämmt. Die Innenläuferachse und die Hohlradachse verlaufen entsprechend der Exzentrizität des Zahnringlaufsatzes parallel beabstandet zueinander. Die Zähnezahl der Innenverzahnung des Hohlrades ist größer ist als die Zähnezahl der Außenverzahnung des Ritzels, insbesondere um die Zähnezahl 1. Zwischen der Innenverzahnung und der Außenverzahnung sind axial begrenzte, sich vergrößernde und verkleinernde Arbeitsräume gebildet, die sich in einen mit einem ersten Hydraulikanschluss verbundenen ersten Arbeitsraum und einen hiervon dichtend getrennten, mit einem zweiten Hydraulikanschluss verbundenen zweiten Arbeitsraum unterteilen. Eine Abtriebswelle verläuft konzentrisch zu der Hohlradlagerung.
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Damit jedoch solche hydraulische Zahnring-Motoren aus dem Stillstand unter hydraulischem Druck problemlos anlaufen können, sollte zumindest das Ritzel wälzgelagert sein, damit es nicht durch zu hohe Anfahrreibung sich selbst blockiert.
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Umfangreiche Versuche haben gezeigt, dass bei richtiger Konstruktion des Hohlrades und bei optimiertem Radial- und Axialspiel im Gehäuse dieses keine Wälzlagerung benötigt. Der Grund liegt darin, dass die Projektionsfläche des Hohlradlagers im Gehäuse größer ist als die Projektionsfläche der inneren unter Druck stehenden Arbeitsfläche zwischen den Verzahnungen. Der Arbeitsdruck gelangt über das Axialspiel auch in den Radialspalt des Hohlradlagers, sodass ein hydrostatischer Kraftausgleich gegeben ist. Die Lagerreibung ist dadurch minimalisiert, auch im Anfahrzustand.
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Bei einer solchen Kombination eines wälzgelagerten Ritzels und einer hydrostatischen Lagerung des Hohlrades im Gehäuse laufen solche Zahnringmotoren problemlos an, sofern das geforderte Anlaufdrehmoment nicht sehr hoch ist. Dies ist beim Antrieb beispielsweise eines Lüfters der Fall.
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Erfindungsgemäß erfolgt der Abtrieb des Zahnringmotors nicht am Ritzel, sondern am Hohlrad. In diesem Fall ist das Abtriebsmoment im Verhältnis der Zähnezahlen zwischen Hohlrad und Ritzel höher. Da das Hohlrad im Gehäuse hydrostatisch gelagert ist, ist die Abtriebswelle dann frei von Seitenkräften und muss somit nur noch das Hohlradmoment übertragen. Im Grunde ist dann eine kräfteaufnehmende Radiallagerung nicht erforderlich, wenn nicht andere Umstände vorliegen.
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Somit ist die Ritzelwelle erfindungsgemäß im Gehäuse feststehend angeordnet und mindestens ein Wälzlager ist zwischen der Ritzelwelle und dem Ritzel angeordnet. Mittels dieses Wälzlagers ist das Ritzel in seinem Innern reibungsarm auf der Ritzelwelle drehgelagert.
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Um das Drehmoment des Hohlrades übertragen zu können, ist eine Axialwand verdrehfest mit dem Hohlrad gekoppelt. Diese Axialwand begrenzt die Arbeitsräume axial, umläuft konzentrisch und drehzahlgleich mit dem Hohlrad und dient als Abtrieb des Zahnringlaufsatz.
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In einer Ausführungsform ist die Axialwand als Mitnehmerplatte ausgebildet, die in die Innenverzahnung des Hohlrades passgenau und dichtend eingreift und mit der Abtriebswelle drehfest verbunden ist.
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Alternativ können jedoch die Axialwand, also die Mitnehmerplatte, und das Hohlrad einstückig ausgebildet sein. Dies ist insbesondere möglich, wenn dieses einstückige Teil ein Kunststoffteil ist.
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Da nun die Abtriebswelle konzentrisch ist zum Hohlrad, ergibt sich eine absolut konzentrische Konstruktion zwischen Gehäuse und Welle. Damit deckt sich diese Motorenkonstruktion weitgehend mit dem Elektromotor und seiner Einbauweise. Als Alternative zum Elektroantrieb ist dies ein großer Vorteil. Je nach Höhe des Hydraulikdruckes baut ein solcher Hydromotor kleiner und leichter als ein Elektromotor bei gleicher Leistung.
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Die Außenverzahnung des Ritzels und die Innenverzahnung des Hohlrades können als „DUOCENTRIC”-Verzahnung oder als „DUO-IC”-Verzahnung ausgeführt sein. In letzterem Fall setzen sich die Zahnformen aus Epizykloiden und Hypozykloiden zusammen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung liegt die Wanddicke des Hohlrades im Bereich von maximal 5% bis 6,5% des Hohlradaußendurchmessers, wobei die Wanddicke der Abstand zwischen dem Fußkreis der Innenverzahnung und dem Hohlradaußendurchmesser der als Hohlradlagerung dienenden, zylindrischen Außenfläche ist.
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In einer Ausführungsform treibt die Axialwand, insbesondere die Mitnehmerplatte, direkt die Abtriebswelle mit 1:1-Übersetzung an, indem sie verdrehfest mit der Abtriebswelle gekoppelt ist. Es ist möglich, dass die Axialwand einstückig mit der Abtriebswelle, insbesondere als Kunststoffteil, ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft aber auch in Erweiterung einen hydrostatischen Hochtrieb, bei dem der Hydraulikmotor mit einer moderaten Drehzahl mit optimiertem Gesamtwirkungsgrad läuft. Besonders bei mobilen Geräten spielt dies eine Rolle. Dieser optimierte Hydraulikmotor treibt nun z. B. den Steg eines Planetengetriebes an, das in der Lage ist, die Drehzahl des Hydromotors mit sehr gutem Wirkungsgrad auf wesentlich höhere Drehzahl zu steigern, z. B. für einen Lüfter.
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Hierzu ist die insbesondere als Mitnehmerplatte ausgebildete Axialwand als Planetenträger eines Planetengetriebes ausgebildet, dessen innenverzahntes Planetengetriebe-Hohlrad im Gehäuse fest ist und dessen außenverzahntes Planetengetriebe-Sonnenrad mit der Abtriebswelle drehfest gekoppelt ist. Hierdurch ist es möglich, dass das Planetengetriebe als Hochtrieb des Zahnringlaufsatz dient. Die als Planetenträger ausgebildete, insbesondere als Mitnehmerplatte ausgebildete Axialwand ist vorzugsweise durch ein Wälzaxiallager axial am Gehäuse abgestützt. Die Sonnenradwelle des Planetengetriebe-Sonnenrades ist insbesondere mittels eines Nadellagers innerhalb der feststehenden Ritzelwelle gelagert.
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Im Falle eines solchen Hochtriebs mittels eines Planetengetriebes bietet es sich an, die Mitnehmerplatte gleich als Planetenträger auszubilden. Dadurch entsteht eine äußerst kompakte Konstruktion mit besonders kurzer Bauweise.
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Somit ist auch ein konzentrischer hydrostatischer Zahnring-Reduziertrieb möglich. Die insbesondere als Mitnehmerplatte ausgebildete Axialwand ist im Hohlrad konzentrisch mit einem außenverzahnten Planetengetriebe-Sonnenrad eines Planetengetriebes drehfest gekoppelt, dessen innenverzahntes Planetengetriebe-Hohlrad im Gehäuse fest ist und dessen Planetenträger mit der Abtriebswelle drehfest gekoppelt ist. Somit kann das Planetengetriebe als Reduziertrieb des Zahnringlaufsatz dienen.
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In diesem Falle treibt also die Mitnehmerplatte des Hohlrades des Zahnringmotors das Sonnenrad eines Planetengetriebes an, bei dem ebenfalls das innenverzahnte Hohlrad im Gehäuse feststeht, der Planetenträger jedoch mit der Abtriebswelle drehfest gekoppelt ist. Damit erhöht sich das Drehmoment des Zahnringmotors um den Faktor i = 1 + Z2/Z1 ins Langsame an der Abtriebswelle des Systems. Dabei ist wiederum Z1 die Zähnezahl des Sonnenrades und Z2 die Zähnezahl des im Gehäuse feststehenden innenverzahnten Hohlrades des Planetengetriebes. Dadurch entsteht quasi ein langsamlaufender hydrostatischer Zahnringmotor mit beträchtlich erhöhtem Abtriebsdrehmoment. Das Schluckvolumen des Zahnringmotors pro Umdrehung der Abtriebswelle erhöht sich entsprechend dem Faktor i = 1 + Z2/Z1. Auch hier entsteht eine äußerst kompakte, absolut konzentrische Konstruktion.
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Die Anwendung solcher Systeme sind überall dort interessant, wo hohe Momente gefordert sind bei kleinen Abmessungen und Gewichten, z. B. zum Antrieb der Schaltwalzen bei Doppelkupplungsgetrieben, bei denen die hydrostatische Leistung von anderweitigen Ölpumpen oder Hydraulikspeichern ohnehin zur Verfügung steht. Bei solchen Doppelkupplungsgetrieben werden zurzeit Elektromotoren verwendet, deren kleines Drehmoment einen großen Aufwand in der Form eines Reduziergetriebesystems benötigt.
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Der erfindungsgemässe hydrostatische Zahnringmotor wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben, wobei auch auf weitere Vorteile der Erfindung eingegangen wird.
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1 zeigt als Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A in der 2 einen hydrostatische Zahnringmotor mit einem Zahnringlaufsatz 3 und 4 in der Form einer DUOCENTRIC-Verzahnung, bekannt aus der Fachliteratur (D. und F. Findeisen „Ölhydraulik", 4. Auflage, Springer Verlag, Seite 204), während 2 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B aus 1 zeigt.
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Der hydrostatische Zahnringmotor hat ein Gehäuse 1, in welche ein Zahnringlaufsatz 3 und 4 angeordnet ist. Dieser Zahnringlaufsatz setzt sich aus einem auf einer Ritzelwelle 2 um eine Innenläuferachse 21 gelagerten, als Ritzel 3 ausgebildeten, außenverzahnten Innenläufer und einem in dem Gehäuse 1 mittels einer Hohlradlagerung 15 um eine Hohlradachse 22 drehbar gelagerten, als Hohlrad 4 ausgebildeten, mit dem Ritzel 3 kämmenden, innenverzahnten Außenläufer zusammen.
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Die Innenläuferachse 21 und die Hohlradachse 22 verlaufen entsprechend der Exzentrizität E des Zahnringlaufsatzes 3 und 4 parallel beabstandet zueinander, wie in 1 gezeigt.
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Die Zähnezahl der Innenverzahnung 6 des Hohlrades 4 ist um einen Zahn größer als die Zähnezahl der Außenverzahnung 5 des Ritzels 3.
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Zwischen der Innenverzahnung 6 und der Außenverzahnung 5 sind zwei axial begrenzte, sich vergrößernde und verkleinernde Arbeitsräume 16 und 17 gebildet, nämlich ein sich mit einem ersten Hydraulikanschluss 23 verbundener erster Arbeitsraum 16 und ein hiervon dichtend getrennter, mit einem zweiten Hydraulikanschluss 24 verbundener zweiter Arbeitsraum 17, wie in den 1 und 2 gezeigt.
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Erfindungsgemäß steht die Ritzelwelle 2 im Raume still und das Ritzel 3 ist über Wälzlager 7 auf ihr mit äußerst kleinem Reibwert gelagert. Durch den großen Durchmesser der feststehenden Ritzelwelle 2 ist die Tragzahl des Wälzlagers 7 besonders groß für eine große nominelle Lebensdauer der Lagerung.
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Die Wanddicke 20 des Hohlrades 4 zwischen dem Fußkreis 25 seiner Innenverzahnung 6 und dem Hohlradaußendurchmesser 26 seiner als Hohlradlagerung 15 dienenden, zylindrischen Außenfläche liegt im gezeugten Ausführungsbeispiel im Bereich von maximal 5% bis 6,5% des Hohlradaußendurchmessers 26.
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Wie in 1 und 2 erkennbar, ist die von links oben nach rechts unten schraffierte Abtriebswelle 9 genau konzentrisch zur Hohlradlagerung 15 im Gehäuse. Die Achsen des Hohlrades 4 und der Abtriebswelle 9 liegen also aufeinander, wie in den 1 und 2 gezeigt. Die Abtriebswelle 9 ist außerdem frei von Seitenkräften, weshalb sie keine tragfähige radiale Lagerung benötigt. Das radiale Wälzlager 7 des Ritzels 3 übernimmt die hydrostatische Radialkraft des Ritzels 3 mit einem Reibwert, der um Zehnerpotenzen niedriger ist als bei Gleitlagern, besonders im Anlauf. Deshalb läuft dieser hydraulische Zahnringmotor aus dem Stillstand problemlos an.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch den Zahnringmotor entlang der Schnittlinie B-B der 1. Die feststehende Ritzelwelle 2 ist mit einem O-Ring 29 abgedichtet im Anschlussgehäuse 30 fest eingepresst ist. Gleichzeitig erkennt man, dass die zum Hohlrad 4 konzentrische Abtriebswelle 9 darin drehbar gelagert ist.
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Drehfest mit der Abtriebswelle 9 ist eine Mitnehmerplatte 8 konzentrisch verbunden, z. B. mit einem Presssitz und gesichert mit einem Stift. Diese Mitnehmerplatte 8 dient als Axialwand für die Arbeitsräume 16 und 17 und begrenzt diese axial. Sie ist verdrehfest mit dem Hohlrad 4 gekoppelt, indem sie in die Innenverzahnung 6 des Hohlrades 4 passgenau und dichtend eingreift, so dass sie konzentrisch und drehzahlgleich mit dem Hohlrad 4 umläuft. Somit ist die Mitnehmerplatte 8 als Abtrieb des Zahnringlaufsatz 3 und 4 ausgebildet.
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Die Mitnehmerplatte 8 besitzt axiale Bohrungen, damit sich der hydrostatische Druck und somit deren axiale Kraft ausgleichen kann. Gezeigt sind auch der erste und zweite Hydraulikanschluss 23 und 24 für das Arbeitsfluid, die zu den Hochdruck- und Niederdrucknieren in den ersten bzw. zweiten Arbeitsraum 16 bzw. 17 des Zahnringlaufsatzes 3 und 4 führen.
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Sofern der Motor nur für eine Drehrichtung konzipiert ist, genügt zur Entlastung der Wellendichtung eine Verbindungsbohrung zwischen dem Dichtungsraum und der Niederdruck-Niere. Soll der Motor für beide Drehrichtungen geeignet sein, sollte diese Verbindungsbohrung durch so genannte Check-Ventile ersetzt werden, die in den Figuren der Einfachheit halber wegelassen sind.
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3 zeigt in der Ansicht C aus 2 die Mitnehmerplatte 8, die mit ihrer Mitnehmerplatten-Außenverzahnung 31 passgenau in die Innenverzahnung 6 des Hohlrades 4 hineingreift. Somit ist die axiale Lage der Abtriebswelle 9 genau definiert und benötigt somit keine besondere Axiallagerung.
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4 ähnelt der 1, jedoch ist die Abtriebswelle 9 durch ein radiales Planetengetriebe-Wälzlagers 28 in Form eines Nadellagers in der feststehenden Ritzelwelle 2 gelagert. Der Grund dafür wird im Folgenden erläutert.
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5 stellt einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie D-D der 4 dar und zeigt eine erfindungsgemäße Variante des Zahnringmotors. Hierbei ist die Mitnehmerplatte 8 im Hohlrad 4 als Planetenträger 10 eines Planetengetriebes ausgebildet. Das Gehäuse weist ein innenverzahntes Planetengetriebe-Hohlrad 11 auf und die Abtriebswelle 9 ist in diesem axialen Bereich als außenverzahntes Planetengetriebe-Sonnenrad 12 ausgebildet. Zusammen mit den im Planetenträger 10 drehbar gelagerten Planetenrädern 32 entsteht somit ein übliches Planetengetriebe. Bei feststehendem Innenzahnrad im Gehäuse und angetriebenem Planetenträger 10 erhält das Sonnenrad 12 auf der Abtriebswelle 9 eine Übersetzung ins Schnelle mit i = 1 + Z2/Z1, wenn Z1 die Zähnezahl des Sonnenrades 12 und Z2 die Zähnezahl der Innenverzahnung ist.
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Das Sonnenrad 12 und somit die Abtriebswelle 9 nehmen u. U. sehr hohe Drehzahlen an, sodass es zweckmäßig ist, diese Abtriebswelle 9 mit reibungsarmen Wälzlagern zu versehen. Die Sonnenradwelle 27 des Planetengetriebe-Sonnenrades 12 ist mittels eines Planetengetriebe-Wälzlagers 28 innerhalb der feststehenden Ritzelwelle 2 gelagert, wie in 5 gezeigt.
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Um Pansch- und Reibungsverluste so klein wie möglich zu halten, sollte dieser Getrieberaum ölfrei gehalten werden. Dies ist möglich, wenn die Wälzlager mit einer Lebensdauer-Fettfüllung geschmiert werden. In diesem Falle ist es dann nicht mehr möglich, die hydraulische Axialkraft auf die Mitnehmerplatte 8 hydrostatisch auszugleichen wie in 2. Notwendig wird deshalb ein axial wirkendes Wälzaxiallager 13, z. B. in Form eines axialen Nadellagers. Eine axiale Wälzlagerplatte kann dann in ihrer Dicke so ausgewählt werden, dass die axialen Toleranzen für das Einhalten des Axialspieles des hydrostatischen Zahnringmotors eingehalten werden können.
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6 zeigt die Mitnehmerplatte 8 als Planetenträger 10 in der Ansicht G der 5. Die Zahnräder des Planetengetriebes sind dabei nur als Teilkreise der Verzahnungen dargestellt.
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7 zeigt einen Längsschnitt durch einen hydrostatischen Zahnringmotor-Reduziertrieb als weitere Variante des konzentrischen Zahnringmotors. Im Gegensatz zum hydrostatischen Zahnring-Hochtrieb ist hier das Sonnenrad 12 des Planetengetriebes mit der Mitnahmeplatte 8 drehfest und der Planetenträger 10 drehfest mit der Abtriebswelle 9 verbunden, die hier einstückig mit dem Planetenträger 10 ausgeführt ist. Das innenverzahnte Planetengetriebe-Hohlrad 11 ist im Gehäuse 1 verdrehfest angeordnet. Wegen des wesentlich höheren Abtriebsmomentes ist die Abtriebswelle 9 im Durchmesser dicker dimensioniert. In einer 1:1-Ausführung des Motor-Reduziertriebs gemäß dieser 7 wäre das Abtriebsmoment bei einem Öldruck von 10 bar bei einem theoretischen Wert von nahezu 8 Nm, einem sehr hohen Moment bei so kleinen Abmessungen und so kleinem konstruktivem Aufwand.
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8 zeigt einen Zahnring-Laufsatz, bei dem die Außenverzahnung 5 des Ritzels 3 und die Innenverzahnung 6 des Hohlrades 4 als „DUO-IC”-Verzahnung ausgeführt sind, bei der sich die Zahnformen 18 und 19 aus Epizykloiden und Hypozykloiden zusammensetzen. Mittels dieser Zahnformen 18 und 19 ergibt sich ein besonders leisester Lauf des Zahnringmotors.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- D. und F. Findeisen „Ölhydraulik”, 4. Auflage, Springer Verlag, Seite 204 [0026]
