DE2051066A1 - Zahnradsatz - Google Patents

Description

OR..IN«. DICL.-IN«. k..»C OIPl.-PMV·. O«. OIPL.-PHVS. HÖQER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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13. Oktober 1970

W,H. Nichols Company

48 Woerd Avenue

Waltham, Massachusetts 02154, USA

Zahnradsatz

Die Erfindung betrifft einen Zahnradsatz mit einem um eine erete Achse umlaufenden, außen veraahnten Innenzahnrad und einem mit diesem kämmenden, innen verzahnten Außenzahnrad, das einen Zahn mehr oder weniger als das Inne ηzahnrad besitzt und um eine zweite, zur ersten parallelen und von dieser räumlich getrennten Achse drehbar ist.

Die bekannten innen verzahnten Zahnradsätze dieser Gattung wurden im Zusammenhang mit mechanischen Triebwerken, Kraftübertragungen, PlüsBigkeitspumpen, mechanischen Flüssigkeitsgetrieben u. dgl, entwickelt. Dabei besitzt ein inneres, außen verzahntes Zahnrad oder Ritzel einen Zahn weniger ala ο in

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innen verzahntes Außenzahnrad. Bei diesen Zahnradsätzen ist es weiterhin bekannt, daß, sobald die Zahnform des einen Zahnrades bestimmt ist, die Zahnform des anderen Zahnrades als konjugierte Form erzeugt werden kann. Zahnradsätze, die durch Erzeugen konjugierter Zahnformen hergestellt sind, haben die Eigenschaft, daß die Zähne des einen Zahnrades ständig in Kontakt mit den Zähnen des anderen Zahnrades sind, wobei dieser Kontakt einen Antrieb vermittelt und zu zwischen den Zähnen gelegenen, expandierenden und kontrahierenden Kammern führt, die im Zusammenhang mit weiteren Mitteln zur Erzeugung eines Mediumstronis ausgenutzt werden können.

Ferner lassen sich ähnliche Eigenschaften realisieren, wenn die erzeugende Zahnform nicht kreisförmig ist, wobei es außerdem gleichgültig ist, ob die erzeugende Form am inneren oder äußeren Zahnrad vorliegt. Diese Eigenschaften lassen sich ferner auch verwirklichen, wenn die Zahnräume der erzeugten Form so ausgespart sind, daß sie außer Kontakt mit der erzeugenden Zahnform oder umgekehrt sind. In diesen Fällen werden die zwischen den Zahnrädern gebildeten Kammern lediglich bis auf eine endliche Größe kontrahiert.

Vorrichtungen, in denen innen verzahnte Zahnsätze der Vorgenannten Art Anwendung finden, sind dadurch charakterisiert, daß die Zahnumrißlinie des Inneneahnrades auf einer Achse zentriert 1st, die räumlich getrennt und parallel zu einer anderen Achse verläuft, auf der der Mittelpunkt der Zahnumrißlinie des äußeren Zahnrades liegt. Der Abstand zwischen den

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beiden Achsen wird die "Exzentrizität" genannt. Ein Zyklus ist definiert als diejenige Drehung, die das Innenzahnrad ausführen muß, um einen Zahn mit Bezug auf das Außenzahnrad vorzurücken; die gesamte volumetrische Expansion (oder Kontraktion) der Räume zwischen den Zahnradzähnen einer bestimmten Dicke innerhalb eines Zyklus wird als die "Verschiebung" des Zahnradsatzes bezeichnet.

Bei gebräuchlichen Vorrichtungen mit innen verzahnten Zahnradsätzen der lier in Rede stehenden Gattung gibt es mehrere Wege, die Zahnräder zu lagern. So können beispielsweise beide Zahnräder um ortsfeste Achsen rotieren; ferner kann ein Zahnrad festgehalten werden, während das andere Zahnrad rotiert und mit Bezug auf das andere Zahnrad auf einer Umlaufbahn geführt ist. Welche Art der Lagerung gewählt wird, hängt von dem betreffenden Anwendungszweck ab.

Die bisher für Pumpen, Motoren, Kraftsteuerverbindungen und andere Anwendungsfälle entwickelten Zahnradsätze unterliegen gewissen Beschränkungen im Hinblick auf Gewicht, Durchmesser, Verschiebung 'und Abnutzungseigenschaften, die sich beispielsweise aus der Anzahl der Zähne, der Exzentrizität und den verwendeten Zahnformen ergeben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Eigenschaften innen verzahnter Zahnradsätze zu verbessern und dabei für vorgegebene Außendurchmesser und Zahnradstärken nicht nur eine größere "Verschiebung" zu erzielen, sondern auch das

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Gewicht und die gleitende Reibung zwischen den Zähnen herabzusetzen, d.h. ein Pressen, Verschweißen und eine Gratbildung herabzusetzen, so daß letzten Endes der Wirkungsgrad eines solchen Zahnradsatzes und dessen Lebensdauer gesteigert werden kann.

Der allgemeine Lösungsgedanke der Erfindung besteht darin, daß das Innenzahnrad eines Zahnradsatzes einen Träger mit . einer bestimmten Anzahl von Aussparungen aufweist, die äquidistant an seinem Umfang angeordnet sind und in denen jeweils ein Zahnglied angeordnet ist} ferner ist ein Außenzahnrad vorgesehen, das gegenüber dem Innenzahnrad eine konjugierte Form besitzt.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient in Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen«

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt einer Rotationspumpe

mit einem innen verzahnten Zahnradsatz gem. der - Erfindung und

Fig. 2 eine Querschnitteansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Da sich die Erfindung lediglich mit der Konstruktion innen verzahnter Zahnradsätze der eingangs beschriebenen Gattung beschäftigt, kann die Erfindung immer dort Anwendung finden,

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wo solche Zahnradsätze nützlich sind. Jedenfalls ist die Erfindung auf bestimmte Anwendungszwecke nicht beschränkt. Die nachstehende Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit einer Schmierölpumpe ist deshalb lediglich beispielhaft zu verstehen.

In Vorrichtungen der dargestellten Art rotieren die inneren und äußeren Zahnräder meist um feste, räumlich von einander getrennte Achsen. Der erfindungsgemäße Zahnradsatz kann jedoch auch bei anderen Vorrichtungen Anwendung finden, in denen ein Zahnrad ortsfest gehalten ist und das andere Zahnrad um seine eigene Achse rotiert, die ihrerseits um die Achse des festgehaltenen Zahnrades auf einer Umlaufbahn geführt ist. Als Vorrichtungen, in denen die Erfindung angewandt werden kann, kommen infrage: Pumpen, Motoren oder Kraft übertragungsorgane der verschiedensten Arten, wie sie dem Fachmann vertraut sind.

Die Pumpe weist eine ringförmige Montageplatte 12 mit Mittelbohrung auf, in welcher eine Lagerhülse H befestigt ist, die eine Antriebswelle 16 aufnimmt. Eine passende Lagerdichtung 18 wird von einer ringförmigen Erweiterung der Mittelbohrung an der einen Seite der Lagerhülse H aufgenommen. Die Montageplatte 12 besitzt ferner eine ebene Fläche 20 und Gewindelöcher 22, um die Pumpe an einer Abstützung befestigen zu können.

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In der Platte 12 sind zwei einander diametral gegenüberliegende und mit Gewinden versehene Blindbohrungen vorgesehen, nämlich eine Drucköffnung 24 und eine Saugöffnung 26. Diese öffnungen nehmen die Druck- bzw. Saugleitungen der Pumpe auf. Die Drucköffnung 24 steht vorzugsweise mit einer erheblich kleineren öffnung 28 in Verbindung, die einen Ölfluß aus den Förderdurchlässen zu den Lagern über eine Bohrung 30 in der Hülse 14 ermöglicht.

Die beiden öffnungen 24 und 26 kommunizieren jeweils mit einer Seite der Platte 12 über eine abgeschrägte, gebogene Öffnung 32 bzw. 34, deren Umrißlinien mit gebrochenen Linien in Fig. dargestellt sind.

Auf die Platte 12 iat mit Hilfe von Schrauben 38 ein Gehäuse 36 aufgeschraubt. Um eine genaue Queranordnung mit Bezug auf die Achse der Welle 16 zu gewährleisten, besitzt das Gehäuse 36 eine genau gearbeitete, ringförmige Schulter 40, die in einen Flansch 42 eingreift, welcher seinerseits von einer genauen Versenkung an der Eingriffs fläche der Platte 12 gebildet ist. Um eine genaue Winkellage zu gewährleisten, besitzen das Gehäuse 36 und die Platte 12 Bohrungen, die die Enden eines Festetellstiftes 44 aufnehmen. Eine kreisförmige 0-Ringdichtung 46 ist außerdem zwischen Gehäuse 36 und Platte.12 vorgesehen.

Das Gehäuse 36 besitzt eine genaue, in der Mitte gelegene Blindbohrung 48, die zur Achse der Welle 16 konzentrisch liegt.

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In diese Bohrung ist eine Lagerhülse 50 eingepaßt, die die Welle 16 aufnimmt. Die Welle 16, deren Achse bezüglich der die Pumpe tragenden Abstützung festliegt, trägt mittels zylindrischer Keile 52 ein Aufnahmeglied 54, welches einen Teil eines Innenzahnrades 56 bildet.

Das Gehäuse 36 weist ferner eine Bohrung 57 auf, die mit Bezug auf die Achse der Welle 16 exzentrisch eingearbeitet ist. In Pig. 2 ist die Achse der Welle 16 bei 58 dargestellt, während die Achse der Bohrung 57 mit dem Bezugszeichen 60 \ versehen ist. Innerhalb der Bohrung 57 ist ein Außenzahnrad 62 in Form eines innen verzahnten Rotors eingepaßt. Ein Ausgleichskanal 54 verläuft diagonal durch das Gehäuse, ausgehend von einem Punkt am Ende der Bohrung 57 an der Innenseite des Außenzahnrades 62 zum Boden der Bohrung 48. Dieser Ausgleichskanal dient dazu, eine Druckbelastung der Welle 16 zu verhüten.

Das Innenzahnrad 56 und das Außenzahnrad 62 sind in folgender Weise ausgebildet. Jedes Zahnrad ist aus einer ebenen Platte mit planparallelen Flächen hergestellt. Das Aufnahmeglied 54 erhält eine Anzahl parallel verlaufender Bohrungen gleichen g Durchmessers, die gleiche radiale und mit Bezug auf die Achoe 58 gleiche Winkelabstände besitzen. Die Kanten der Platte werden anschließend weggeschnitten, so daß flache Oberflächen 66 entstehen, die die Bohrlöcher schneiden und teilzylindrische Aussparungen oder Taschen 68 zurücklassen, welche ihrer~ seits die Räume für die Zähne des Innenzahnrads 56 bilden und

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13. Oktober 1970 - ernach dem Außenumfang hin öffnen. Zahngli.eder in Form massiver Metallzylinder oder Walzen 70 sind gleitend, vorzugsweise mit Schlupf in die Aussparungen oder Taschen eingesetzt. Die Walzen 70 besitzen im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Aussparungen 68, Die Länge der Walzen ist,bei der dargestellten AusfUhrungsform gleich der Dicke dee Aufnahmegliedes 54. Die Länge der Walzen kann jedoch auch etwas größer sein, wenn, entsprechend der nachfolgenden Be-Schreibung, Stirnringe verwendet sind. Auf diese Weise stehen die von den Walzen 70 gebildeten Zahnglieder radial über die Öffnungen am Außenumfang des Innenzahnrades vor und können somit mit dem Außenzahnrad kämmen.

Das Außenzahnrad 62 wird auf einer üblichen Fellow s-Zahnradherstellvorrichtung oder einer anderen Maschine in der gewünschten Gestalt gefertigt. Dabei entstehen Zähne 72 und Zwischenräume 74. Die Anzahl der Zähne 72 ist um eins größer als die Anzahl der Walzen 70 des Innenzahnrades. Die Form der Zähne 72 und Zwischenräume 74 wird in der Weise erzeugt, daß sie die konjugierte Form des Innenzahnrades ist.

Den Herstellvorgang des Außenzahnrads kann man am besten verstehen, wenn man Teile der Fig. 2 als Draufsicht einer handelsüblichen Fellows-Zahnradherstellvofrichtung auffaßt, wobei der Teil 36 das horizontale Maschinenbett darstellt, welches um die in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 60 versehene, ortsfeste Achse rotiert. Der Teil 62 stellt das Werkstück dar, welches anfänglich ein ringförmiger Rohling ist, der auf dem Maschinenbett so befestigt ist, daß er um seine eigene Achse drehbar ist. Die letztere Achse fällt mit der Achse 50 zu-

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sammen. Einer der Teile 70 in Pig. 2 kann als kreisförmiges, Metallschneidewerkzeug mit einer Achse "c" und einem den Walzen 70 gleichen Durchmesser aufgefaßt werden. Das Schneidwerkzeug wird auf der Schneidspindel der Zahnradherstellmaschine befestigt, die eine feste Achse "s" besitzt, welche senkrecht zur Zeichnungsebene gerichtet ist. Die Spindel führt axiale Hübe in der Weise aus, wie es bei Zahnradherstellvorrichtungen (Zahnradstoßmaschine) üblich ist. Anstatt das kreisförmige Schneidwerkzeug mit seiner Spindel koaxial auszurichten, wie dies gewöhnlich bei der Herstellung von λ innen verzahnten Zahnrädern geschieht, wird also das Werkzeug exzentrisch auf der Spindel befestigt, wobei die Achse ^Hc" des Werkzeuges von der Achse "s" der Spindel einen Abstand besitzt. Dieser Abstand (=* Exzentrizität) entspricht der Entfernung zwischen den Achsen 58 und 60 der fertigen Pumpe. Die Achse ^Ms" der Spindel ist ferner von der Achse des durch das Bezugszeichen 60 repräsentierten Rohlings durch den Teilkreisradius des Innenzahnrades getrennt.

Während des Schneidvorganges des Zahnrades rotiert die Achse "c" mit konstanter Geschwindigkeit um die ortsfeste Achse"s". Ferner dreht sich der Rohling um seine ortsfeste Achse 60, und zwar mit konstanter, gegenüber der ersteren | eynchronisierten Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung. Dies wird erreicht durch entsprechende Eins el lung eines Zahnradeatzes an der Maschine zwischen Schneidspindel und Maschinenbett. Man erkennt, daß ein Zahn des das äußere Zahn-

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rad ergebenden Rohlings bei jedem Umlauf der Achse "c" ausgebildet wird. Deshalb ist das verwendete Getriebe so, daß bei einem vollen Umlauf des Rohlings so viele Umläufe der Achse "c" entstehen, als Zähne in das Außenzahnrad eingeschnitten werden sollen, nämlich ein Zahn mehr als Zähne am Innenzahnrad 56 vorhende.n sind.

Auf diese Weise ist es klar, daß im Betrieb der Pumpe jeder von einer Walze 70 gebildete Zahn des Innenzahnrades theoretisch in ständigem Kontakt mit der Fläche des Außenzahnrades bleibt, wodurch ebenso viele expandierende und kontrahierende Zwischenräume oder Kämmern gebildet werden, als Zähne am Innenzahnrad vorhanden sind. In Fig. 2 sind diese Kammern mit 76, 78, 80, 82, 84 und 86 bezeichnet. Wenn die Welle 16 in Pfeilrichtung umläuft, wird das Außenzahnrad 62 gezwungen, um die Achse 60 mit etwas kleinerer Geschwindigkeit umzulaufen, die in Bezug auf die Geschwindigkeit der Welle 16 in demselben Verhältnis Bteht, wie die Zahnzahl des Innenzahnrades zur Zahnzahl des Außenzahnrades. Die Kammern rücken daher im Gegenuhrzeigersinn, wie in Pig. 2 dargestellt, vor. Es ist ersichtlich, daß die Kammern, die mit der Öffnung 32 kommunizieren, in ihrem Volumen abnehmen, d.h. sich kontrahieren, während die mit der Öffnung 34 verbundenen Kammern in umgekehrter Weise expandieren. Infolgedessen pumpt die Anordnung das zu fördernde Medium, vorzugsweise eine Flüssigkeit, von der Saugöffnung 26 zur Drucköffnung 24, wobei jede vorrückende Kammer im Verlauf einer Umdrehung der Welle 16 einen vollständigen Expansions- und Kontraktionszyklus ausführt. Das pro Zyklus von einer Kammer verschobene

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Gesamtvolumen multipliziert mit der Anzahl der Kammern ist gleich der theoretischen Pumpenförderleistung pro Zyklus.

Der hier beschriebene Zahnradsatz ist durch eine Abrollwirkung der einzelnen Zahnglieder oder Walzen 70 auf der Innenfläche des Außenzahnrades 62 gekennzeichnet. Dies steht im Kontrast zu der Gleitwirkung, die bei den herkömmlichen, innen verzahnten Zahnradsätzen der hier in Rede stehenden Gattung verwendet wird. Die Abrollwirkung hat eine Drehgleitung jeder Walze 70 innerhalb der zugeordneten Ausspa- " rung oder Tasche 68 zur Folge. Aufgrund dieses Rollkontaktes ist die Belastbarkeit erheblich gesteigert, weil eine Abnützung, die sich aus einem Einfressen, Verschweißen oder einer Gratbildung im Zusammenhang mit Gleitreibung ergibt, ausgeschaltet ist. Der Abrollkontakt gestattet ferner eine sehr enge gegenseitige Einpassung der beiden Zahnräder, so daß ein Leckfluß des geförderten Mediums reduziert und eine Fördereinheit von hohem volurnetrischem und mechanischem Wirkungsgrad geschaffen ist. Da die Abrollwirkung es auch ermöglicht, daß die beiden Zahnglieder bei höheren Getriebedruckwinkeln als sonst arbeiten, ist außerdem eine größere "Verschiebung" möglich, als dies bei herkömmlichen Vorrich- | tungen der gleichen Größe der Fall ist.

Wenn beide Elemente des Zahnradsatzes rotieren, laufen die Walzen 70 um die Mittellinie der Welle 16 in einem Kreis um, wobei sie sich in ihren Taschen 68 drehen. Fa]Ib gewünscht, können die Enden der Walzen nuch auf beiden Ei ij nsej ti;-, in

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Bohrungen innerhalb aetallischer Stirnringe umlaufen, die eioh ihrereeite mit den Inneneahnrad in ringförmigen Nuten drehen, welche am Gehäuse 36 und an der Platte 12 vorgesehen «Ind. Xn diese» Falle etütsen diese Hinge die Waisen ab und die Welle 16 let von einen grοSen fell der auf ihr infolge des hydraulischen Druakes liegenden Belastung befreit. Daduroh ist ein Betrieb bei höheren Druck möglioh, ohne die Wellenlager Übermäßig au belasten, was bisher bei Fördervorrichtungen der hier behandelten Art eine nachteilige Beschränkung war»

Kin weiterer Vorteil der Brfindung besteht darin, daß ohne Aufgabe an Genauigkeit dae Inneneahnrad verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann. Da aufgrund der einfachen Herstellung sehr enge Toleraneen eingehalten werden können, -bedeutet dies eine Abnahme der aaohanisohen Verluste und eine Steigerung des Geeamtwirkungsgradee.

Abwandlung der beschriebenen Aueführungsform der Erfindung können auoh andere Konstruktionen des Innengahnrades Anwendung finden. Dabei können Anaahl und Durchiaeseer der Waleen 70 an die jeweils su erfüllenden Betriebsbedingungen ohne weiteres angepaßt werden* So kann beispielsweise da« Aufnahaeglied 54 für die Wallten 70 aus den verschiedenartig» sten Materialien und in den unterschiedlichsten Porroen her» gestellt werden, soweit eioh dies ait des Einbringen der Aueeparungen für die Zahnrader vertragt. Auf diese Weise kann «as Gewicht des £ahnradaateea weter reduziert werden. Die

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Zahnglieder können grundsätzlich auch mit den Aussparungen 68 verkeilt oder in diese in Paßeits eingesetzt werden, Jedoch ermöglicht ein Sitz mit Schlupf ein Mitdrehen in den Aussparungen, was im Betrieb, wie oben beschrieben, die Abnützung herabsetzt.

Außerdem können die die Zähne bildenden Walzen 70 auch rohr- oder hUlsenförmig ausgebildet sein, d.h. die Gestalt von Hohlzylindern besitzen, wodurch ebenfalls an Gewicht gespart wird. Die Walzen können auch als Zylinder ausgebildet sein, über welche Verschleißhülsen aus dem gleichen oder einem an- f deren Material im Paßsitz geschoben sind. Die Außenflächen der Walzen können so behandelt werden, daß sie einer Abnutzung widerstehen, und zwar insbesondere dann, wenn gliche Materialien, wie beispielsweise Aluminium, Anwendung finden. Weiterhin können die Flächen der Aussparungen 68 größer oder kleiner als halbzylindriseh sein, da in allen Stellungen das Außenzahnrad 00 bemessen ist, daß es die Zahnglieder des Innenzahnrades in ihren Aussparungen hält.

Obwohl in der voranstellenden Beschreibung der erfindungsgemäße Zahnradsatz im Zusammenhang mit einer Schmiermittelpumpe beschrieben wurde, läßt sich dieser Zahnradsatz auch ohne j oder mit der Förderung eines anderen Mediums anwenden, beispielsweise auch in einem Untersetzungsgetriebe.

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Claims (8)

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   Patentansprüche

   f1,)Zahnradeatz mit einem um eine erste Achse umlaufenden, außen verzahnten Xnnenzahnrad und einem mit diesem kämmenden, innen verzahnten Außenzahnrad, das einen Zahn mehr oder weniger ale das Innenzahnrad besitzt und um eine zweite, zur ersten parallelen und von dieser räumlich getrennten Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenzahnrad (56) ein Aufnahmeglied (54) mit an seiner Umfange fläche äquidietant angeordneten Aussparungen (68) aufweist und in jede Aussparung (68) ein über die Umfangsfläohe des Aufnahmegliedes vorstehendes Zahngfted (70) eingesetzt lab.
2. 2. Zeihnradsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die iorra der Innenverzahnung des AuÖenzahnrades (62) derjenigen Umrißlinie des Innenzahnrades (56) entspricht, die entsteht, wenn die beiden Zahnräder (56, 62) um ihre jeweiligen Achsen (58, 60) mit einem Geschwindigkeitsverhältnis rotieren, das dem umgekehrten Verhältnis der jeweiligen Zahnzahlen gleich ist.

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3. 3. Zahnradsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehenden Abschnitte der Zahnglieder (70) zylindrische Fora haben.
4. 4. Zahnradsatz nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnglieder (70) ale Zylinder ausgebildet sind.
5. 5. Zahnradsatz nach eineiB der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen {%&) teilzylindrische Flächen aufweisen, in die zylindrische Walzen eingesetzt sind.
6. 6. Zahnradsatz nach eines der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnglieder (70) in den Aussparungen (68) festgehalten sind.
7. 7. Zahnradsatz nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Walzen ausgebildeten Zahnglieder (70) in den Aussparungen (68) frei rotieren.
8. 8. Zahnradsatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, da-

   . durch gekennzeichnet, daß die Zahnglieder (70) des Innen- ^ Zahnrades (56) zum Zwecke der Förderung eines Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit, wie Schmieröl o. dgl., ständig mit der inneren ümfangsflache des Außenzahnrades (62)

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   in Kontakt sind und expandierende und kontrahierende Kammern (76, 78, 80, 82, 84, 86) bilden, die beim Rotieren der Zahnräder mit Druck- und Saugöffnungen (24* 26) eines die Zahnräder umschließenden Gehäuses (12, 36) in Verbindung gelangen.

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