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Diese Erfindung betrifft eine volumetrische Maschine, die mit einem Betriebsfluid zusammenwirkt. Es handelt sich dabei um eine Pumpe oder einen Motor. Daher ermöglicht sie/er die Übertragung eines Betriebsfluids zwischen zwei Umgebungen, zwischen denen ein Druckunterschied besteht. Bei einer Pumpe wird das Fluid von einem Bereich mit niedrigerem Druck zu einem Bereich mit höherem Druck übertragen. Bei einem Motor wird das Fluid von einem Bereich mit höherem Druck zu einem Bereich mit niedrigerem Druck übertragen.
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Bekannt sind Zahnradpumpen, bei denen zwei Zahnräder innerhalb eines Sitzes miteinander eingreifen und die Übertragung eines Betriebsfluids von einem Einlass zu einem Auslass ermöglichen. Auf dieser Strecke befindet sich das Betriebsfluid (typischerweise Öl) zwischen den Paaren von Zähnen dieser Zahnräder. Der sich an seinem Kopf befindliche Zahn berührt ein Gehäuse, das den Sitz begrenzt, in dem die Zahnräder untergebracht sind. Zahnradpumpen vom in
DE2200547 ,
NL1016283 ,
US2601003 ,
WO2004/109110 beschriebenen Typ sind ebenfalls bekannt.
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Dabei könnte bei einer ausreichend breiten Breite des Zahnkopfes die Gefahr bestehen, dass zwischen dem den Kopf der Zähne definierenden Material und dem Material des Gehäuses ungewollte Haftungen auftreten. Dies könnte die beweglichen Teile beschädigen und die Effizienz der volumetrischen Maschine irreversibel beeinträchtigen. Sie könnten auch Geräusche erzeugen.
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In diesem Zusammenhang ist es die technische Aufgabe dieser Erfindung, eine volumetrische Maschine bereitzustellen, die mit einem Betriebsfluid zusammenwirkt, das es erlaubt, die oben beschriebenen Nachteile zu minimieren.
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Die angegebene technische Aufgabe und die angegebenen Ziele werden im Wesentlichen durch eine volumetrische Maschine, die die Merkmale nach einem oder mehreren der beigefügten Ansprüche aufweist, erfüllt bzw. erreicht.
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Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich deutlicher aus der ungefähren und daher nicht einschränkenden Beschreibung einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform einer volumetrischen Maschine gemäß der schematischen Darstellung in den beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:
- - 1 eine Schnittansicht einer volumetrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
- - 2 eine perspektivische Ansicht einer Komponente der volumetrischen Maschine von 1;
- - 3 und 4 Schnittansichten von Abschnitten der Komponente von 2;
- - 5, 6, 7, 8 Schnittansichten alternativer Lösungen in Bezug auf 4.
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In den beigefügten Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine volumetrische Maschine, die mit einem Betriebsfluid zusammenwirkt. Es handelt sich dabei um eine fluiddynamische volumetrische Maschine. Die volumetrische Maschine ist eine Pumpe oder ein Motor. Außerdem könnte sie einen unidirektionalen oder umkehrbaren Betrieb aufweisen und sowohl als Pumpe als auch als Motor arbeiten. Daher könnte sie (alternativ) sowohl als Pumpe als auch als Motor arbeiten.
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Es handelt sich dabei also um eine Pumpe oder einen Getriebemotor. Das Betriebsfluid ist typischerweise Öl. Es könnte sich jedoch auch um ein anderes inkompressibles oder schlecht kompressibles Fluid handeln.
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Zweckmäßigerweise umfasst die volumetrische Maschine 1 ein erstes und ein zweites Zahnrad 21, 22, die miteinander eingreifen und mit dem Betriebsfluid zusammenwirken. Vorzugsweise drehen sich das erste und das zweite Zahnrad um zueinander parallele Drehachsen. Bei der bevorzugten Lösung befinden sich sowohl das erste als auch das zweite Rad 21, 22 außerhalb des anderen. In diesem Fall sind die Zähne an einer Außenumfangsfläche eines jeden Rads 21, 22 (typischerweise am Außenumfang) angeordnet. Zweckmäßigerweise sind das erste und das zweite Rad 21, 22 Zahnräder vom „zylindrischen“ Typ (daher beispielsweise nicht konisch). In einer nicht bevorzugten alternativen Lösung könnte eines der beiden Räder zumindest teilweise von dem anderen umgeben sein. Daher würde in diesem Fall eines der beiden Zahnräder 21, 22 mit dem anderen eingreifen, da es sich in dessen Innenseite befindet. In diesem Fall würden also die Zähne eines der beiden Zahnräder nach außen und die Zähne des anderen nach innen weisen.
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Die volumetrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 300, das einen Sitz 3 zum Unterbringen des ersten und zweiten Rads 21, 22 definiert. Dieses Gehäuse 300 besteht typischerweise aus mehreren zusammengebauten Komponenten, beispielsweise einem Grundkörper und einem oder zwei Verschlussdeckeln oder zwei Halbschalen oder dergleichen. Das Gehäuse 300 ist statisch.
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Das Gehäuse 300 umfasst zumindest einen Einlass 33 für das Betriebsfluid in dem Sitz 3 und einen Auslass 34 für das Betriebsfluid aus dem Sitz 3.
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In der bevorzugten Lösung mündet der Einlass 33 in einen Raum 200, der zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad 21, 22 angeordnet ist. Das erste und das zweite Rad 21, 22 drehen sich in entgegengesetzter Richtung, entnehmen zumindest einen Teil des Fluids aus diesem Raum 200 und befördern es zum Auslass 34. Um dies zu tun, tritt das Fluid allmählich in Räume, die zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen eines jeden der beiden Zahnräder 21, 22 angeordnet sind, ein. Das erste und das zweite Zahnrad 21, 22 befördern das Fluid entlang zweier alternativer Pfade, die sich nahe dem Auslass 34 wieder treffen. Der Einlass 33 und der Auslass 34 befinden sich typischerweise in zwei gegenüberliegenden Bereichen des Sitzes 3.
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Das erste Rad 21 umfasst zumindest eine erste Gruppe 4 von Zähnen. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Gruppe 4 von Zähnen alle Zähne des ersten Zahnrads 21 oder mit ihnen zusammenfällt. In einer alternativen Lösung könnte sie nur einen Teil davon umfassen. Zum Beispiel, aber nicht notwendigerweise, betragen die Zähne des ersten Zahnrads 21 zwischen 8 und 15, vorzugsweise zwischen 10 und 13, vorzugsweise 11 oder 12. Die Zähne der ersten Gruppe 4 sind vorteilhafterweise an einer Außenumfangsfläche des ersten Zahnrads 21 ausgebildet.
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Ein jeder der Zähne der ersten Gruppe 4 enthält wiederum:
- - zwei Seitenflanken 41, 42;
- - einen Kopf 43, der die beiden Seitenflanken 41, 42 verbindet. Dieser Kopf 43 ist vorteilhafterweise abgestumpft. Zweckmäßigerweise definiert er eine Diskontinuität (zum Beispiel durch entsprechende Kanten) in Bezug auf das Profil der Seitenflanken 41, 42. Der Kopf 43 kann als ein Abschnitt einer Seitenfläche eines Zylinders (typischerweise mit einem großen Krümmungsradius) geformt sein. Zweckmäßigerweise ist der Kopf 43 im Wesentlichen flach. Er hat die Form etwa eines Streifens. Zweckmäßigerweise verbinden die beiden Seitenflanken 41, 42 den Kopf 43 und eine Basis 23, von der die Zähne der ersten Gruppe 4 freitragend vorstehen. Die Zähne der ersten Gruppe 4 stehen von der Basis 23 in Richtung einer radial äußersten Position freitragend vor. Die Basis 23 ist daher der Boden der Räume, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen angeordnet sind. Zweckmäßigerweise stehen die Zähne der ersten Gruppe 4 in radialer oder im Wesentlichen radialer Richtung nach außen vor.
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Zweckmäßigerweise erstrecken sich die beiden Seitenflanken 41, 42 (zumindest für ein Teilstück ihres Profils oder über die gesamte Länge ihres Profils) gemäß einem Evolventenprofil. Das sich als Kreisevolvente erstreckende Teilstück einer der beiden Flanken 41, 42 betrifft vorteilhafterweise mehr als 1/3, vorzugsweise zumindest 1/2 der Höhe der Zähne der ersten Gruppe 4. Unter Zahnhöhe versteht man die Differenz zwischen dem Radius des Kopfes und dem Radius des Fußes.
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Unter einem Evolventenprofil werden entsprechend der gängigen Praxis der Technik auch Profile verstanden, die eine Korrektur von wenigen Hundertstel Millimetern gegenüber der theoretischen Evolventenlinie aufweisen (im vorliegenden Fall beträgt die Abweichung weniger als 5 % vom Normalmodul des Zahns). Es sei daran erinnert, dass im technischen Bereich der Normalmodul eines Zahns definiert ist als: d/Z cos β, wobei:
d: Flankendurchmesser;
Z: Zähnezahl;
β: Schrägungswinkel am Flankendurchmesser (entspricht 0° bei geradem Zahn).
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Zweckmäßigerweise umfasst ein jeder der Zähne der ersten Gruppe 4 eine Nut 44, die sich entlang des abgestumpften Kopfes 43 befindet. Vorzugsweise definiert dieser Kopf 43 einen Bereich, in dem die Nut 44 ausgebildet ist. Dieser Bereich ist beispielsweise als Abschnitt der Seitenfläche eines Zylinders (geeigneterweise mit einem großen Krümmungsradius versehen) geformt. Zweckmäßigerweise ist der Kopf 43 im Wesentlichen flach (beispielsweise ist er eben oder mit einer leichten Konvexität versehen, die durch einen großen Krümmungsradius definiert ist). Die Nut 44 definiert zweckmäßigerweise eine Konkavität, die nach innen zu einem der Zähne der ersten Gruppe 4 vorsteht.
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Bei der bevorzugten Lösung erstreckt sich die Nut 44 in einem jeden Zahn der ersten Gruppe 4 ohne Unterbrechung. Zweckmäßigerweise ist am Kopf 43 eines jeden Zahns der ersten Gruppe 4 nur eine Nut 44 vorhanden. Die Nut 44 ermöglicht es, einen kleinen Tank des Betriebsfluids zu definieren. Dieses Betriebsfluid wirkt schmierend. Dadurch wird die Haftung zwischen dem Material, das den Kopf der Zähne der ersten Gruppe 4 definiert, und dem Material des Gehäuses 300 verhindert.
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Die Nut 44 weist ein Innenvolumen (zur Nut hin) auf, das weniger als 3% (vorzugsweise weniger als 1,5%, noch bevorzugter weniger als 1%) eines Volumens eines Raums 30 beträgt, der zwischen dem ersten Rad 21 und dem Gehäuse 300 enthalten ist und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen der ersten Gruppe 4 angeordnet ist. Das Volumen der Nut 44 einzudämmen, ermöglicht es, die Abnahme des Hubraums der volumetrischen Maschine 1 einzudämmen. Tatsächlich ist der Hubraum bei dieser Art von Maschine als das x-fache der Differenz zwischen dem Volumen definiert, das das Fluid in einem Raum zwischen zwei Zähnen einnehmen kann, wenn er leer ist und in demselben Raum in einer Konfiguration, in der der Zahn des anderen Rades, das in ihm vorstehen soll, es so viel Platz wie möglich abzieht (x bedeutet die doppelte Zähnezahl eines Zahnrades). Mit anderen Worten, der Hubraum wird auf der Grundlage der maximalen Volumenänderung definiert, die der Raum zwischen zwei Zähnen bei einer vollständigen Drehung um die Achse erfährt. Wenn der in diesen Raum hineinragende Zahn eine große Nut 44 aufweist, ist daher der Subtrahend größer. Der leere Raum ist in einer Konfiguration definiert, in die keine Zähne des anderen Rades vorstehen.
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Bei der bevorzugten Lösung weisen die Zähne der ersten Gruppe 4 eine schraubenförmige Erstreckung. Tatsächlich ermöglicht die Verwendung eines ausreichend großen Kopfes (in einer Richtung quer zur axialen Richtung) eine größere Freiheit bei der Dimensionierung des Zahns, was insbesondere bei Zahnrädern mit einer begrenzten Anzahl von Zähnen geschätzt wird. In einer alternativen Lösung könnten die Zähne der ersten Gruppe 4 jedoch gerade Zähne sein (mit einer die Drehachse enthaltenden Ebene ausgerichtet).
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Zweckmäßigerweise könnte es sich beim Eingriff zwischen den Zähnen der ersten Gruppe 4 um einen einfachen oder einen doppelten Kontakt handeln (im letzteren Fall kommen die eingreifenden Zähne in zwei unterschiedlichen Bereichen auf gegenüberliegenden Flanken in Kontakt). Die Nut 44 weist eine überwiegende Längserstreckung auf. Die Nut 44 kann sich in Längsrichtung entlang einer geraden Linie oder entlang einer Linie (die nicht einmal gerade sein kann, aber zumindest ein krummliniges Teilstück aufweist) erstrecken. Entlang dieser Längserstreckung definiert die Nut 44 einen Abschnitt 31, der quer zu dieser Längserstreckung verläuft. Der Querschnitt erstreckt sich in Höhe 311 und Breite 312.
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Zweckmäßigerweise liegt das Verhältnis zwischen der Höhe 311 und der Breite 312 zwischen 0,5 und 2 über die gesamte Längserstreckung der Nut 44.
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Vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen der Höhe 311 und der Breite 312 zwischen 0,8 und 1,5 über die gesamte Längserstreckung der Nut 44. Die Breite 312 ist über die gesamte Längserstreckung der Nut 44 größer als die Höhe 311.
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Die Höhe 311 definiert die Tiefe der Nut 44 in Bezug auf eine Oberfläche, von der sich die Nut 44 zur Innenseite des ersten Rads 21 erstreckt. Die Höhe 311 erstreckt sich in einer im Wesentlichen radialen Richtung. Die Breite 312 definiert den Abstand zwischen zwei Seitenwänden der Nut 44. Solche Seitenwände sind typischerweise durch einen Boden verbunden. Zweckmäßigerweise ist der Boden flach oder weist jedenfalls eine Breite (quer zur Längserstreckung) ungleich Null auf. Die Seitenwände erstrecken sich entlang dieser Längserstreckung. Indem sie zum Boden vorstehen, könnten sie parallel bleiben oder sich einander nähern. Die Nut 44 auf der diesem Boden gegenüberliegenden Seite ist über ihre gesamte Längserstreckung nach außen offen. Zweckmäßigerweise ist ein jeder beliebige Querschnitt der Nut 44 in Bezug auf die beiden Flanken 41, 42 des Zahns gleich weit entfernt.
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Vorteilhafterweise betrifft die Nut 44 zwischen 25% und 75% des Kopfes 43, vorzugsweise zwischen 25% und 50% des Kopfes 43.
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In einer als Beispiel dienenden, jedoch nicht einschränkenden Lösung liegt ein jeder Querschnitt zumindest 1 Millimeter von den beiden Flanken 41, 42 des Zahns entfernt. Die Nut 44 mündet zweckmäßigerweise nicht in einen oder zwei Räume, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise bleibt die Breite und/oder die Höhe des Querschnitts 31 über die gesamte Längserstreckung konstant. Zweckmäßigerweise bleibt bei der bevorzugten Ausführungsform der Querschnitt 31 über die gesamte Längserstreckung konstant. Dies erleichtert die Ausführung der Nut 44. Vorteilhafterweise bleibt der Querschnitt 31 in zumindest einem der Zähne der ersten Gruppe mit einem konstanten Querschnitt. Vorzugsweise ist der Querschnitt 31 in allen Nuten der Zähne der ersten Gruppe 4 gleich groß. Daher sind Nuten, die zu verschiedenen Zähnen gehören, die jedoch zur ersten Gruppe 4 gehören, untereinander identisch.
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Das erste Zahnrad 21 umfasst eine erste und zweite gegenüberliegende Flächen 211, 212.
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Das erste Rad 21 erstreckt sich axial zwischen der ersten und der zweiten Fläche 211,212. Die Nut 44 verbindet die erste und die zweite Fläche 211, 212 miteinander. Die Nut 44 ist daher vorteilhafterweise an den beiden gegenüberliegenden Enden offen. Die Nut 44 öffnet sich nach außen an den ersten und zweiten Flächen 211, 212 (in denen die Enden der Nut 44 ausgebildet sind). Die Nut 44 ist zweckmäßigerweise durchgehend. In der bevorzugten Ausführungsform verläuft die Nut 44 daher von einer Seite zur anderen durch das erste Rad 2. Der Zahn erstreckt sich entlang der Dicke (geeigneterweise als axiale Länge verstanden) des ersten Zahnrads 21, um die erste und die zweite Fläche 211, 212 zu verbinden. Die Nut 44 zum Verbinden der ersten und zweiten Fläche 211, 212 folgt dem Verlauf, den eine Erstreckungslinie des Zahns entlang der Dicke des ersten Zahnrads 21 einnimmt. Insbesondere ist die Nut 44 geradlinig, wenn der Zahn gerade ist, sie ist krummlinig (insbesondere schraubenförmig), wenn der Zahn schraubenförmig ist. Die erste und die zweite Fläche sind jeweils zwei unterschiedlichen seitlichen Ausgleichsplatten oder Deckeln zugewandt. Zweckmäßigerweise umfasst auch das zweite Zahnrad 22 einen ersten Satz Zähne; ein jeder der Zähne des ersten Satzes enthält wiederum:
- - zwei Seitenflanken;
- - ein abgestumpfter Kopf, der die beiden Seitenflanken verbindet;
- - eine Nut, die entlang des abgestumpften Kopfes angeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise können eine oder mehrere Merkmale, die für die Zähne der ersten Gruppe 4 des ersten Rads 21 beschrieben wurden, für die Zähne der ersten Baugruppe des zweiten Rads 22 wiederholt werden. Insbesondere kann das für die Nut 44 der Zähne des ersten Rads 21 Beschriebene für die Nut der Zähne des zweiten Rads 22 wiederholt werden.
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Diese Erfindung beinhaltet bedeutende Vorteile.
Tatsächlich ermöglicht es, das Risiko von Haftungen des Materials der Radzähne am Gehäuse zu minimieren, den geräuscharmen Betrieb zu optimieren und Schäden oder Rillen zu vermeiden, die den optimalen Betrieb beeinträchtigen.
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Die so konzipierte Erfindung unterliegt zahlreichen Änderungen und Varianten, die alle unter ihr Erfindungskonzept fallen. Alle Einzelteile können außerdem durch andere, technisch gleichwertige Elemente ersetzt werden. Praktisch können alle eingesetzten Materialien sowie die Abmessungen je nach Bedarf beliebig sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2200547 [0002]
- NL 1016283 [0002]
- US 2601003 [0002]
- WO 2004/109110 [0002]
