DE2242269C3

DE2242269C3 - Zahnradpumpe oder -motor

Info

Publication number: DE2242269C3
Application number: DE2242269A
Authority: DE
Inventors: Jiro Hida; Yasuo Kita
Original assignee: SHIMADZU SEISAKUSHO Ltd KYOTO (JAPAN)
Current assignee: SHIMADZU SEISAKUSHO Ltd KYOTO (JAPAN)
Priority date: 1971-08-28
Filing date: 1972-08-28
Publication date: 1981-02-19
Also published as: DE2242269B2; JPS50702B2; FR2151943A5; GB1400577A; JPS4832201A; US3817117A; DE2242269A1

Description

Die Erfindung betrifft eine zahnradpumpe oder •motor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei Zahnradpumpen oder -motoren ist die momentan •usgestoßene Fördermenge eine Funktion der Zeit Sie erreicht ihren Maximalwert in dem Moment, in dem die Zahnräder am Wälzpunkt miteinander in Eingriff stehen Auf diese Weise ergeben sich kurzzeitige Schwankungen der Fördermenge, welche zu einer unerwünschten Geräuschbildung im Betrieb führen. Dies gilt insbesondere dort, wo die Pumpe bzw. der Motor bei höheren Betriebsdrucken arbeitet.

Das unerwünschte Betriebsgeräusch der Pumpe bzw. des Motors läßt sich verringern, indem die Pulsationen der ausgestoßenen Fördermenge verkleinert werden. Denkbar ist, hierzu die Zahl der Zähne der miteinander kämmenden Zahnräder zu vergrößern. Wenn jedoch die Zähnezahl eines Zahnrades bei gleichem Teilkreis erhöht wird, nimmt die Zahnhöhe in umgekehrtem Verhältnis ab. Die Fördermenge der Pumpe (nachfolgend auch als »Verdrängungsvolumen« bezeichnet) hängt jedoch unmittelbar proportional von der Zahnhöhe ab Wenn somit die Zähnezahl der miteinander kämmenden Zahnräder unter Beibehaltung der Teilkreise der Zahnräder erhöht wird, wird das Verdrängungsvolumen verringert. Wenn ein bestimmtes Verdrängungsvolumen aufrecht erhalten werden soll, muß die Zahnradpumpe größer gebaut Werden.

Aufgabe der Vorliegenden Erfindung ist es, eine Zahnradpumpe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welche eine größere Anzahl Von Zähnen aufweist, ohne daß die wirksame Höhe der Zähne vermindert werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird somit die unbelastete Flanke der Zähne gegenüber der Begrenzungsfläche vergleichbarer symmetrischer Zähne zurückgenommen. Dies erfolgt nicht gleichförmig, sondern an der Zahnspitze verhältnismäßig wenig, am Zahnfuß, welcher das Näheraneinanderrücken der Zähne letztlich behindert,

ίο mehr. Durch die Unterschneidung des Fußabschnittes der unbelasteten Flanke können sich die Soitzen der Zähne des Gegenzahnrades frei hindurchbewegen.

Eine Zahnradpumpe der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art ist aus der US-PS 34 39 625

!=> bekannt Auch die dortigen Zahnräder besitzen eine unbelastete Flanke, welche hinter der Begrenzungsfläche eines entsprechenden symmetrischen Zahnes zurückspringt Die Modifikation der Zähne ist jedoch gerade umgekehrt, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen: Die modifizierte unbelastete Flanke der Zähne verläuft parallel hinter der Begrenzungsfläche, welche ein entsprechender symmetrischer Zahn hätte, und weiche man durch Spiegeln der belasteten Flanke an der durch die Teilung vorgegebenen Radialebene erhält Hierdurch kann zwar das zwischen zwei Zahnpaaren der beiden Zahnräder eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen vergrößert werden; es kann auch ein Klemmen der Zahnräder verhindert werden. Die Anzahl der Zähne ist bei dieser bekannten Zahnradpumpe aber insgesamt genauso groß wie bei einer entsprechenden Zahnradpumpe mit symmetrischen Zähnen. Das Problem der zu unerwünschten Geräuschen führenden Druckstöße am Pumpenausgang liegt somit unverändert vor.
In der US-PS 34 69 531 ist eine Zahnradpumpe beschrieben, bei welcher die belasteten Flanken modifiziert sind. Hier sind die belasteten Flanken zu den Zahnspitzen hin etwas zurückgenommen. Hierdurch wird erreicht, daß die Zahnflanken in den Fußabschnitten und den kopfseitigen Abschnitten gleichförmiger abgenützt werden. Dabei wird au h von den elastisch federnden Eigenschaften des Materials, aus welchem die Zahnräder gefertigt werden. Gebrauch gemacht. Die US-PS 34 69 531 betrifft somit ein von der vorliegenden Erfindung abliegendes Problem und gibt keinen Hinweis auf die im Kenn/eichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale.

Die US-PS 26 Ol 004 betrifft das Problem des völligen Einschließens von Flüssigkeit in ihre Größe ändernden Zwischenräumen zwischen den Zähnen der beiden

w Zahnräder einer Zahnradpumpe. Hier/u sind radial weiter innen als die Zahnfüße gelegene nutförmige Ausnehmungen vorgesehen, über welche zwei benachbarte, abschließbare Arbeitsräume, von denen der eine expandiert, der andere sich verkleinert, ein l.eckpfad geschaffen wird. Diese Ausnehmungen haben somit eine andere Funktion als die erfindungsgemäLS vorgeschlagenen Unterschneidungen. Zudem sind die in der US-PS 26 01 004 gezeigten Zähne symmetrisch, besitzen also keine steiler verlaufende unbelastete Flanke.

Im »Technischen Hilfsbuch«. 13. Auflage. Springerverlag. Berlin/Göttingen/Heidelberg. 1953. S. 716 wird eine Zahnform beschrieben, die im wesentlichen der Zahnform nach der oben behandeilen US-PS 34 39 625 entspricht Dabei ist offensichtlich auch die effektive Zahnhöhe vermindert

Die US'PS 1 71 651 schließlich betrifft eine einer Zahnradpumpe ähnliche Wässerpumpe, bei der die beiden Rotationskolben durch außenliegende Zahnrad-

paare gekoppelt sind. Das Problem einer mechanisch stabilen Ausbildung der Zähne bei gleichzeitig großer Zahnzahl stellt sich bei einer derartigen Pumpe nicht,

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer Zahnradpumpe mit erfindungsgemäß ausgebildeten, miteinander kämmenden Zahnrädern,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Zahnstangen-Normwcrkzeuges gemäß dem Stand der Technik,

Fig.3 eine der Fig.2 ähnliche, schematische Darstellung eines weiteren Zahnstangen-Normwerkzeuges, das eine erhöhte Zähnezahl mit dem gleichen Teilkreisdurchmesser und der gleichen Zahnhöhe, jedoch einer geringeren Teilkreisteilung als das Normwerkzeug gemäß F i g. 2 aufweist,

Fig.4 eine der Fig.2 ähnliche, schematische Darstellung eines weiteren Zahnstangen-Normwerkzeuges, bei dem der Eingriffswinkel an der belasteten Zahnflanke größer als der Eingriffswinkel an der unbelasteten Zahnflanke ist,

Fig.5 eine Seitenansicht zweier erfindungsgemäß ausgebildeter, miteinander kämmender Zahnräder für eine Zahnradpumpe (oder -motor),

F i g. 6 eine vergrößerte Teildarstellung des Zahnprofils eines der miteinander kämmenden Zahnräder gemäß F i g. 5.

In den Figuren, insbesondere der Fig. 1, ist die Erfindung anhand einer Zahnradpumpe gezeigt; sie läßt sich jedoch auch in Verbindung mit einem Zphnradmotor verwenden.

Die Pumpe enthält zwei miteinander kämmender Zahnräder 11 und IZ die in einem zylindrischen Gehäuse 13 angeordnet sind. Das Gehäuse 13 besteht aus einem zylindrischen Mantelteil 14 und Stirnplatten 15 und 16 an den entgegengesetzten Enden des Mantelteils 14. Die Stirnplatte 15 wird nachfolgend als Kopfplatte und die Stirnplatte 16 als Deckel bezeichnet Das zylindrische Mantelteil 14 ist zwischen der Kopfplatte 15 und dem Deckel 16 durch vier Schrauben (von dener lediglich eine bei 17 gezeigt ist) festgespannt, die sich vom Deckel 16 durch das Mantelteil 14 zur Kopfplatte 15 erstrecken. Die Schrauben 17 können in der Kopfplatte 15 enden und mit dieser verschraubt sein.

Die Kopfplatte 15 ist mit einer Ausnehmung zur Aufnahm^ eines nicht gezeigten Rollenlagers und einer Öl-Dichtanordnung 18 versehen. Eine Antriebswelle 21 erstreckt sich durch die Öl-Dichtanordnung IS in die Innenkammer des Gehäuses 13 und ist mit dem Zahnrad 11 antriebsschlüssig veibunden. Das Zahnrad 11 ist in üblicher WeLe mit der Welle 21 verkeilt. Die Antriebswelle 21 ist beioseits des Zahnrades 11 durch zwei Lager 26 und 27 abgestützt, die ihrerseits auf der Innenseite des Mantelteils 14 sitzen. Eine angetriebene Welle 25 ist beiaseits des getriebenen Zahnrades 12 durch zwei Lager 30 und 31 abgestützt, die ihrerseits auf der Innenseite des Mantelteils 14 sitzen.

Zwischen den Lagerpaaren 26 und 27 bzw. 30 und 31 sind ebenfalls die miteinander kämmenden Zahnräder 11 und 12 abgestützt Die Lager 26 und 30 stehen an ihren inneren Enden in gleitender und dichtender Berührung mit der linken Stirnseite der miteinander kämmenden Zahnräder 11 und 12 und liegen an ihren äußeren Enden an der Stirnwand 36 der Kopfplatte 15. Die Lager 27 und 31 stehen an ihren inneren Enden in gleitender und dichtender Berührung mit der rechten Stirnfläche der Zahnrädrr 11 und 12 und liegen an ihren äußeren Enden an der Stirnwand 37 des Deckels 26. Dichtungen 40 und 41 sind zwischen der Stirnwand 36 der Kopfplatte 11 und den Lagern 26, 30 bzw. der Stirnwand 37 des Deckels 16 und den Lagern 27, 31 angeordnet.

Nicht gezeigte Ein- und Auslässe für das Druckmittel sind im Gehäuse 13 vorzugsweise in der Kopfplatte 15 ausgebildet und stehen in üblicher Weise über Strömungsmittelkanäle mit der Saug- bzw. der Druckseite der miteinander kämmenden Zahnräder in Verbindung. Die Strömungsmittelkanäle können jeden geeigneten Verlauf haben, sind jedoch vorzugsweise derart gelegt, daß das Druckmitte! in Axialrichtung der Zahnräder zur Saugseite der Zahnräder 11, 12 hin und von deren Druckseite abströmt. Um ferner einen Strömungsmittelstau zu vermeiden, wenn die beiden Zahnräder an zwei Punkten gleichzeitig miteinander in Eingriff stehen, können in den Lagern 26,27, 30 und 31 entsprechende Entlüftungskanäle für das eingefangene Strömungsmittel ausgebildet sein.

Die miteinander kämmenden ZaHräder sind entweder gerad- oder schrägverzahnr Zumindest das Zahnprofil an der belasteten Zahnfranke hat eine Evolventenform. Vorzugsweise hat jedoch das Zahnprofil sowohl an der belasteten als auch an der unbelasteten Zahnflanke eine Evolventenform. In diesem Fall ist das Evolventen-Zahnprofil derart bemessen, daß der Eingriffswinkel an der belasteten Zahnflanke größer als der Eingriffswinkel an dor nicht-belasteten Zahnflanke ist. Aufgpind dieser besonderen Zahnprofilform ergibt sich ein Zahnrad mit schlanken Evolventenzähnen auf dem kleinstmöglichen Teilkreis ohne Verringerung der eigentlichen Zahnhöhe. Bei Verwendung in einer Zahnradpumpe (oder einem Zahnradmotor) werden durch die schlanke Evolventenverzahnung die Fördermengenschwankungen der Zahnradpumpe beträchtlich verringert, wodurch das Betriebsgeräusch der Zahnradpumpe auf einen Minimalwert herabgesetzt wird.

Die Evolven'.enverzahnung, die zu einer Geräuschdämpfung führt, wird im einzelnen anhand der in den F ■ g. 2 bis 4 schematisch gezeigten Zahnstangen-Normwerkzeuge erläutert.

Bei einem Evolventenzahnprofil normaler Zahnhöhe mil einer Teilkreisteilung von nm ist die Kopf- bzw. Fußhöhe gleich m. F i g. 2 zeigt ein derartiges, herkömmliches Zahnstangennormwerkzeug. Um die Zähnezahl um das K-fache (K>0) unter Beibehaltung des Teilkreisdurchmessers und der Zahnhöhe des Zahnstangen-Normwerkzeugs gemäß Fig. 2 zu erhöhen, wird die Teilkreisteilung um den Faktor MK verkleinert. Dieses Zahnstangen-Werkzeug ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.

Bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Zahnstangen-

Y, weriizeugen, bei denen die Eingriffswinkel an den beiden Zahnflanken des Profils gleich grr-U sind, ut die mögliche Erhöhung de^r Zähnezahl durch die minimal zulässige Zahnkopfdicke vorgegeben und begrenzt. Falls K über diesen oberen, zulässigen Grenzwert ohne

Änderung der u-iprünglich gewählten Eingriffswinkel erhöht wird, verringert sich die Zahnkopfhöhe beträchtlich. Falls andererseits die Eingriffswinke! verringert werden, führt der sich ergebende Untersohnitt zu einer Reduzierung der wirksamen Länge der Evolventenlinie am Zahnfuß, Falls die wirksame Länge der Evolventenlinie am Zahnfuß «is unterhalb eines vorgegebenen Grenzpunktes verkürzt wird, wird die Eingriffsdauer der miteinander kämmenden Zahnräder kleiner als Eins,

so daß kein kontinuierlicher Zahneingriff mehr gewährleistet wird. Aus diesen beiden Gründen lassen sich für K bei den hoch entwickelten, üblichen Zahnprofilen nur in einem sehr kleinen Bereich Werte größer als Eins auswählen. ί

Anders bei dem Zähnpfofil, das in Fig.4 gezeigt ist, und zwar aufgrund der Tatsache, daß in beinahe sämtlichen Anwendungsfällen die Hochdruckseile von Zahnradpumpen unveränderlich festliegt und somit diejenige Zahnflanke des Zahnrades, die infolge ihres Eingriffs mit dem anderen kämmenden Zahnrad die Antriebskraft überträgt, ebenfalls vorgegeben ist (die gegenüberliegende Zahnflanke ist von der entsprechenden Zahnflanke des Gegenzahnrades um eine dem Drehspiel entsprechende Spaltbreite entfernt). Dabei hängt die Fördermenge einer Zahnradpumpe (auch der Momentanwert der Fördermenge) im wesentlichen vom Profil der lastübertragenden Zahnflanke ab.

Bei dem in Fig.4 gezeigten Zahnstangenwerkzeug ist der Eiii^riifsv/iiike! .^s* der belasteten Zshnf!⁰*!!"* ^co ^m groß gehalten, daß sich eine Eingriffsdauer von mindestens Eins ergibt, während der Eingriffswinkel &2 der nicht belasteten Zahnflanke im Verhältnis zum Eingriffswinkel «i kleiner, jedoch immer noch so groß ausgebildet ist, daß eine ausreichende Dicke am 2Ί Zahnkopf gewährleistet wird. Selbst wenn die Eingriffsdauer an der unbelasteten Zahnflanke infolge des größeren Unterschnitts auf unter Eins verringert wird, führt dies zu keiner Beeinträchtigung des gegenseitigen Kämmens der Zahnräder. 3«

Nachfolgend wird ein Beispiel für die bevorzugte Ausbildung des Zahnrades gegeben:

Eingriffswinkel on an der belasteten
Zahnflanke =14.5°.

bei einer Zähnezahl von 12 ist
Zahnhöhenmodul/Teilungsmodul

1,3.

Dies bedeutet, daß das Verdrängungsvolumen um 30% vergrößert wird. Falls man versucht, die gleiche Zahnhöhe wie beim erfindungsgemäß ausgebildeten Zahnrad mit Hilfe eines herkömmlichen Zahn-Normprofils mit dem gleichen Teilkreisdurchmesser zu erzielen, ist die Zähnezahl:

12/1.3 = 9.

Die prozentuale Schwankung oder Pulsation des Momentanwerts der Fördermenge einer Zahnradpumpe mit zwei miteinander kämmenden Zahnrädern mit jeweils neun Zähnen beträgt etwa 24%, während sie bei Verwendung von miteinander kämmenden Zahnrädern mit jeweils zwölf Zähnen etwa 18% beträgt. Durch Verwendung des beschriebenen Zahnprofils wird somit die Schwankung der Strömungsmittel-Fördermenge gegenüber dem herkömmlichen Zahnprofii auf 3/4 verringert Dies führt zu einer beträchtlichen Geräuschdämpfung während des Betriebs der Zahnradpumpe (oder des Zahnradmotors). Dieses Zahnprofil ist oben anhand der Zahnstangen-Werkzeuge erläutert worden. Tatsächlich sind zwei Zahnräder, deren Zähne das oben erläuterte Profil aufweisen, in miteinander kämmendem Eingriff in einem Zahnradpumpen- oder -möforgehäuse angeordnet, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. F i g. 6 zeigt in vergrößertem Maßstab das Profil lediglich eines Zahnes eines der miteinander kämmenden Zahnräder gemäß F i g. 5. Gemäß F i g. 5 steht das treibende Zahnrad 1 i in kämmendem Eingriff mit einem getriebenen Zahnrad 12 und dreht sich im Uhrzeigersinn, so daß das getriebene Zahnrad entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben wird. Im Eingriffsfeld der Zahnräder ist die im Sinne der Fig.5 links gelegene Zahnflanke jedes Zahns des treibenden Zahnrads 11 belastet während die rechten Zahnflanken des gleichen Zahnrads nicht-belastet sind. Das umgekehrte ist bei dem getriebenen Zahnrad 12 der Fall. Die belasteten Zahnflanken der Zahnräder 11 und 12 sind mit 41 und die nichtbelasteten Zahnflanken mit 42 bezeichnet. Wie die Zeichnung zeigt, ist der Eingriffswinkel der belasteten Zahnflanken 41 größer als der Eingriffswinkel der übrigen, unbelasteten 7 nVin(]ar\ban Al aiiccr*aHilH«>t !nTrhlcrfvlpccfin icl Hnc

Zahnprofil auf der unbelasteten Seite steiler geneigt als ein imaginäres Profil, das symmetrisch zu dem Zahnprofil auf der belasteten Seite verläuft.

Gemäß F i g. 6 hat die belastete Zahnflanke 41 eine Evolventenform mit einem Eingriffswinkel von 23°. Auf der unbelasteten Seite hat die Zahnflanke 42 eine Evolventenform mit einem Eingriffswinkel von 14,5" längs Jes Zahnkopfabschnitts 42a. Der Zahnfußabschnitt XIb der unbelasteten Zahnflanke 42 ist ünterschnitten. um ein störungsfreies Eingreifen der Zähne des Gegenzahnrades zu gewährleisten.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der größere Eingriffswinkel auf der belasteten Seite bei 23". während der kleinere F.ingriffswinkel auf der unbelasteten Seite bei 14,5° liegt. Es lassen sich jedoch auch andere Eingriffswinkel verwenden. In der Praxis kann der Eingriffswinkel auf der belasteten Seite im Bereich zwischen 14 und 30" liegen. Da die unbelastete Zahnflanke nicht am kämmenden Eingriff teilnimmt, läßt sich deren Eingriffswinkel in geeigneter Weise in Abhängigkeit von Faktoren, wie der Größe der Unterschneidung, der minimal zulässigen Zahnkopfweite und der zum Erreichen der erforderlichen Zahnfestigkeit benotigten Zahndicke festlegen, in der Praxis iiegt der Eingriffswinkel auf der unbelasteten Seite vorzugsweise im Bereich zwischen 0 und 20°. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat das Zahnprofii auf der belasteten Seite zumindest längs der Zahnkopfhöhe eine Evolventenform. Jedoch ist das Zahnprofil auf der belasteten Seite nicht notwendigerweise auf ein Evolventenzahnprofil beschränkt.

Von entscheidender Bedeutung ist daß das Zah-profil auf der unbelasteten Seite steiler als ein imaginäres Zahnprofil ausgebildet ist, das symmetrisch zum Zahnprofil auf der belasteten Seite verläuft, um die Zahndicke auf den kleinstmöglichen Wert zu verringern und dadurch miteinander kämmende Zahnräder von schlanker Zahnform mit einer größtmöglichen Zähnezahl zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zahnradpumpe oder -motor mit einem Gehäuse und zwei in diesem gelagerten und im gegenseitigen Eingriff stehenden Zahnrädern mit asymmetrischen Zähnen, bei welchen die unbelastete Flanke hinter einer Fläche liegt, weiche man dun-h Spiegeln der belasteten Flanke an der durch die Teilung vorgegebenen Radialebene des Zahnes erhält, dadurch gekennzeichnet, daß die unbelastete Flanke (42) am Kopfabschnitt (42a) steiler geneigt ist als die belastete Ranke (41) und an ihrem Fußabschnitt (426) unterschnitten ist

2. Zahnradpumpe oder -motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnprofil sowohl an der belasteten als auch an der unbelasteten Zahnflanke (41, 42) eine Evolventenform aufweist und der Zahneingriffswinkel an der belasteten Zahnflanke (41) größer als der an der unbelasteten Zahnflanke (42) ausgebildet ist

3. Zahnradpumpe oder -motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel an der belasteten Zahnflanke (41) im Bereich zwischen 14 und 30° und der Eingriffswinkel an der unbelasteten Zahnflanke (42) im Bereich zwischen 0 und 20° liegt

4. Zahnradpumpe oder -motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel an der belasteten Zahnflanke (41) 24° und an der unbelasteten Zahnflanke (42) 14,5° beträgt