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Zahnradpumpe oder -motor
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Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe oder einen Zahnradmotor mit
zwei im Eingriff stehenden aussenverzahnten Zahnrädern, auf deren Zahnköpfen über
eine bestimmte Umfangslänge auf der Hochdruckseite zwei voneinander unabhängige
schwimmend gelagerte Dichtelemente aufliegen, die auf ihrer Aussenseite mit dem
Betriebsdruck beaufschlagt und am Gehäuse gegen die Niederdruckseite abgedichtet
sind.
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Um die auf der Hochdruckseite auftretenden Spalte zwischen dem Gehäuse
und dem Aussenumfang der miteinander in Eingriff stehenden-Zahnräder kleinzuhalten
und dadurch den volumetrischen Wirkungsgrad zu steigern, ist es schon bekannt, auf
der Hochdruckseite einen Druckkolben vorzusehen, der im Gehäuse geführt und durch
den Betriebsdruck auf die Zahnköpfe der Zahnräder gedrückt wird. Es ist auch schon
eine Lösung der eingangs geschilderten Art bekannt geworden (US-PS 2 996 999), bei
der in einer Ausnehmung des Gehäuses auf der Hochdruckseite zwei voneinander
unabhängige
schwimmend gelagerte Klötze vorgesehen sind, die mit einer dem Aussenumfang der
Zahnräder angepassten zylindrischen Dichtfläche auf den Zahnköpfen aufliegen, zwischen
sich den Auslasskanal der Zahnradpumpe bilden und auf ihrer Aussenseite vom Betriebsdruck
der Pumpe beaufschlagt sind. Die Klötze liegen mit ihren Flanken an Dichtflächen
des Gehäuses an und dichten somit die Hochdruckseite gegen die Niederdruckseite
hin ab. Zugleich dienen diese Dichtflächen in gewissem Sinne als Führungen für die
Klötze, die durch Druckfedern auseinander und gegen die Dichtflächen gespreizt werden.
Die klotzartige Ausbildung der Dichtelemente und deren Anliegen an den genannten
Dichtflächen ergeben jedoch in Verbindung mit der Auflage auf den Zahnköpfen eine
gewisse Fixierung der Dichtelemente, die deren Beweglichkeit auf eine mehr oder
weniger geradlinige Verschiebbarkeit beschränkt. Die Dichtelemente sind somit nicht
in der Lage, der im Lauf des Betriebes eintretenden Verschiebung der Zahnräder zur
Niederdruckseite hin genau zu folgen, die schräg nach aussen erfolgt. Dies führt
daher im Lauf der Zeit zurVergrösserung der Di cht spalte an den Zahnlröpfen und/oder
an den genannten Dichtflächen. Dariiberhinaus erfordert die klotzartige Ausbildung
der Dichtelemente eine Gehäuseausnehmung, die das Gehäuse vergrössert und dessen
Herstellung verteuert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zahnradmaschine
der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass bei einfachem Aufbau eine schwimmende
Lagerung der Dichtelemente möglich ist, die eine Anpassung der Dichtelemente an
jede Bewegung der Zahnräder und eine feinfühlige Abstimmung der auf die Dichtelemente
wirkenden Druckkräfte gestattet. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Dichtelemente Schalenform haben und sich zwischen den Zahnköpfen und der
Wand der Gehäusebohrung in Umfangsrichtung der Zahnräder erstrecken,und dass zwischen
jedem Dichtelement und der Wand der Gehäusebohrung eine axiale Dichtleiste angeordnet
ist.
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* mindestens
Durch die Gestaltung der Dichtelemente
als Schalen oder Hohlzylindersegmente nehmen diese im Gehäuse vergleichsweise wenig
Raum ein. Da sie sich ein Stück in Umfangsrichtung der Zahnräder erstrecken und
beispielsweise an einem Ende oder an der Dichtleiste gegenüber einer Verschiebung
gesichert werden können, sind sie in der Lage, den Zahnradbewegungen durch Verschiebung
oder Verschwenkung exakt zu folgen und somit für eine Konstanthaltung der ursprwnglich
eingestellten Dicht spalte zu sorgen. Durch die Freiheit bezüglich der Anordnung
der Dichtleiste ist es überdies möglich, die resultierende Andrückkraft der Dichtelemente
an die Zahnköpfe feinfürhlig abzustimmen, z.B. die auf der Zahnradseite im Bereich
der Zahnköpfe geringeren oder fehlenden Druckkräfte zu berucksichtigen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Zahnradpumpe
ist vorgesehen, dass sich auf der den Zahnköpfen zugewendeten Dichtfläche der Dichtelemente
vom niederdruckseitigen Ende her über einen Teil der Länge der Dichtelemente Vorfüllschlitze
erstrecken. Diese Vorfüllschlitze, die zweckmässigerweise einen zur Hochdruckseite
hin zunehmenden Querschnitt aufweisen, bewirken eine sukzessive Rillung der Zahnlücken
nach deren Eintritt in den von den Dichtelementen iiberdeckten Raum und damit einen
sehr geräuscharmen Betrieb der Zahnradpumpe.
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Gemäss einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, dass auf der Aussenseite jedes Dichtelements durch Anordnung mindestens
einer weiteren Dichtleiste Druckfelder abgegrenzt sind, von denen die im Bereich
der Vorfüllschlitze liegenden Druckfelder von der Innenseite des Dichtelements her
mit dem Vorfülldruck beaufschlagt sind. Die Beaufschlagung erfolgt zweckmässigerweise
über eine im Dichtelement selbst vorgesehene Bohrung, die die Aussenseite mit der
Innenseite des Dichtelements verbindet. IIierdurch lässt sich der auf der Aussenseite
des Dichtelements wirksame Druck, der es an
die Zahnköpfe anlegt,
über die Länge des Dichtelements feinfühlig auf den in den Zahnkammern wirksamen
Druck abstimmen, so dass nur ein geringer Verschleiss der Zahnköpfe und des Dichtelements
auftritt. Es ist auch möglich, zusätzlich zur rein hydraulischen Belastung der Dichtelemente
Federkräfte od. dgl.
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auf diese aufzubringen.
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Zwischen den Stirnseiten der Zahnräder bzw. von buchsenförmigen Lagerkörpern
für die Zahnräder und der Gehäusewand ist durch endlose Dichtungen jeweils ein die
Hochdruckseite bis über den Zahneingriff hinaus und den Bereich der Dichtelemente
umgrenzendes axiales Druckfeld gebildet. Bei Verwendung von buchsenförmigen Lagerkörpern
erstreckt sich das axiale Druckfeld über den Spalt zwischen der Gehäusebohrung und
dem Aussenrand der buchsenförmigen Lagerkörper radial hinaus. Ist die erfindungsgemässe
Zahnradmaschine für den Reversierbetrieb eingerichtet, so sind Dichtelemente und
axiale Druckfelder auch an der jeweiligen Niederdruckseite angeordnet, wobei den
auf Hochdruck- und Niederdruckseite liegenden axialen Druckfelder ein gemeinsames,
den Zahneingriff umgrenzendes gesondertes Druckfeld zugeordnet ist.
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Weitere Vorteile und Nerkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie
aus weiteren Unteransprüchen. Sofern in der nachfolgenden Beschreibung auf Einzelheiten
der Zeichnung nicht gesondert eingegangen wird, darf ausdrücklich auf die Zeichnung
selbst verwiesen werden.
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In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Buchsenpumpe
längs der Linie I-I in Fig. 2; Fig. 2 eine Stirnansicht der Buchsenpumpe gemäss
Fig. 1 bei abgenommenem Gehäusedeckel; Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche (halbierte)
Darstellung einer modifizierten
Buchsenpumpe;
Fig. 4 eine Darstellung analog zu Fig. 3 einer weiteren
modifizierten Ausführungsform; Fig. 5 eine Stirnansicht auf eine im Reversierbetrieb
betreibbare Buchsenpumpe bei abgenommenem Gehäusedeckel; Fig. 6 eine Draufsicht
auf die Innenseite eines Dichtelements mit Vorfüilschlitzen und Steuernuten, und
Fig.7,8 den Figuren 1, 2 ahnliche Darstellungen einer Zahnradmaschine in Dreiplattenbauweise.
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Die Buchsenpumpe gemäss den Figuren 1 und 2 besteht im wesentlichen
aus einem Gehäuse 1 mit zwei nebeneinanderliegenden, sich teilweise überschneidenden
Bohrungen 2, in welche buchsenförmige Lagerkörper 3 für die Achs- bzw. Wellenstummel
von Zahnrädern 4 eingesetzt sind. Das Gehäuse 1 ist an beiden Seiten durch Deckel
5 verschlossen. Zwischen den durch die Deckel 5 gebildeten Gehäusewandungen und
den äusseren Stirnseiten der buchsenförmigen Lagerkörper 3 ist jeweils eine endlose
Dichtung 6 angeordnet, deren Form in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Aus der
Fig.
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2 geht auch hervor, dass durch jede Dichtung 6 auf der -in der Zeichnung
links liegenden- Hochdruckseite ein axiales Druckfeld 7 umgrenzt wird, das sich
über den zwischen dem Gehäuse 1 und den buchsenförmigen Lagerkörpern 3 befindlichen
Spalt radial hinauserstreckt und auch den Eingriffsbereich der Zahnräder 4 erfasst.
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Da der Kopfkreisdurchmesser der Zahnräder 4 kleiner als der Durchmesser
der Gehäusebohrungen 2 ist, wird zwischen den Wandungen der Gehäusebohrungen 2 und
dem Aussenumfang der Zahnräder 4 ein Ringraum geschaffen, in welchem auf der Hochdruckseite
Dichtelemente 8 angeordnet sind, die die Form dunner Ereiszylinderschalen oder -segmente
haben. Die Dichtelemente 8 liegen mit ihrer Innenseite auf den Zahnköpfen der Zahnräder
4 auf und stützen sich mit ihren Längsseiten an den buchsenförmigen Lagerkörpern
3 ab (Fig. 1). Mit ihrer Aussenseite bilden sie zur Wand der jeweiligen Gehäusebohrung
einen Spalt 9, über den
sie mit dem Betriebsdruck der Zahnradpumpe
beaufschlagt sind.
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Die Länge der Dichtelemente 8 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel
mehrere Zahnteilungen; kurz vor ihrem niederdruckseitigen Ende sind sie durch eine
Dichtleiste 10 bzw. 10' gegen eine Verschiebung entgegen der Drehrichtung der Zahnräder
4 gesichert. Die Dichtleisten 10, 10' dichten überdies die TT.nch druckseite, die
sich iiber den Spalt 9 bis zur Dichtleiste 10, 10' erstreckt, gegen die Niederdruckseite
der Zahnradpumpe ab.
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Die Fig. 2 zeigt zwei unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten für
die Dichtleisten, wobei in der oberen Hälfte die Dichtleiste 10' einstückig mit
dem Gehäuse 1 ausgebildet ist und in eine Nut 11 des Dichtelements 8 eingreift,
während in der unteren Hälfte die Dichtleiste 10 als gesondert es Teil dargestellt
ist, das sowohl in der Nut 11 des Dichlnents8 als auch in einer Nut des Gehäuses
1 liegt.
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Die Umfangs länge des von den Dichtelementen 8 auf den Zahnrädern
4 iiberdeckten Raumes ist grösser als diejenige des Spaltes 9. Das Verhältnis der
Länge dieser Räume bestimmt sich daraus, dass auf der Aussenseite der Dichtelemente
8 durchwegs der volle Betriebsdruck lastet, während ihre Innenseite infolge der
gleitenden Anlage der Zahnköpfe nicht vollständig dem in den Zahnlücken herrschenden
Druck ausgesetzt ist. Durch die Lage der Dichtleiste 10, 10' lässt sich somit die
Andrückkraft der Dicht elemente 8 an die Zahnköpfe nach den gegebenen Verhältnissen
feinfühlig steuern. Die Dichtelemente 8 können aufgrund der gezeigten Gestaltung
den im Betrieb auftretenden und durch den Verschleiss bedingten Bewegungen der Zahnräder
4 durch Verschwenkung um bzw. Verschiebung längs der Dichtleisten 10, 10' genau
folgen, so dass die bestehenden Spalte stets klein bleiben.
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Die Ausführungsformen gemäss den Figuren 3 und 4 zeigen Dichtleisten
10, die ausschliesslich Dichtfunktion haben; die Abstützung der Dicht elemente 8
erfolgt durch eine Schulter 12 des Gehäuses 1. In diesem Fall sind die Dichtleisten
10 durch
nicht gezeigte Kanäle auf ihrer Rückseite mit dem Betriebsdruck
und gegebenenfalls zusätzlich durch eine nicht gezeigte Blattfeder beaufschlagt,
um sie in Dichtkontakt mit den Dichtelementen 8 zu halten.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird ein Dichtelement 8 gemäss
Fig. 6 verwendet, das auf seiner Innenseite, mit der es auf den Zahnköpfen des zugeordneten
Zahnrades 4 aufliegt, mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Vorfüllschlitzen
13 versehen ist, die in Steuernuten 14 übergehen Die Vorfiilschlitze 13 beginnen
in einem geringen Abstand vor dem niederdruckseitigen Ende 15 des Dichtelements
8, wo sie noch einen sehr kleinen Querschnitt haben, und verlaufen mit zunehmendem
Querschnitt in Richtung auf das hochdruckseitige Ende 16 des Dichtelements. Sie
erstrecken sich auf ungefähr 1/3 der Länge des Dichtelements 8, der "Vorfüllzone",
und gehen dann in die Steuernuten 14 mit konstantem Querschnitt über, die an dem
hochdruckseitigen Ende 16 münden.
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Der Querschnitt der Vorfüllschlitze 13 ist zweckmässigerfease dreieckig.
In Fig. 6 ist gestrichelt die Lage der Dichtleiste 10 in der Vorflillzone angedeutet.
Diese ist so gewählt, dass die auf der Innen- und Aussenseite des Dichtelements
wirksamen Drücke gerade eine so grosse Anlagekraft ergeben, dass kein wesentlicher
Verschleiss an den Zahnköpfen und am Dichtelement auftritt.
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Die Vorfüllschlitze 13 sorgen für eine weiche Füllung und Druckbelastung
der unter das Dichtelement 8 eintretenden Zahnkammern und damit für einen geräuscharmen
Betrieb der Zahnradpumpe.
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Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 4 sind zwei zueinander parallelliegende
Dichtleisten 10 vorgesehen, die zwischen sich ein Druckfeld abgrenzen, das über
eine Bohrung 16 im Dichtelement 8 mit dem Druck der Vorfüllzone beaufschlagt ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist die Abstimmung der auf Aussen- und Innenseite des Dicht
elements wirkenden Drücke und die verschleissfreie Einstellung einfacher.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 3 und 4 sind auch auf
den Stirnseiten der Zahnräder 4 Vorfüllschlitze 13' und daran anschliessende Steuernuten
14' vorgesehen.
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Die Fig. 5 zeigt eine Zahnradmaschine, die einen Reversierbetrieb
ermöglicht. Zu diesem Zweck sind auf beiden Seiten, d.h. auf der jeweiligen Hochdruck-
und der Niederdruckseite, Dichtelemente 8 und Dichtungen 6 angeordnet. Die Form
der Dichtungen 6 geht wieder gestrichelt aus Fig. 5 hervor. Dabei ist erkennbar,
dass von den Dichtungen 6 bei dieser Ausführungsform der Bereich des Zahneingriffes
der Zahnräder 4 nicht erfasst wird. Dieser wird vielmehr durch eine gesonderte rechteckige
Dichtung 6' umschlossen, die somit ein gesondertes axiales Druckfeld 7' bildet.
Das Druckfeld 7' ist den beiden aussenliegenden Druckfeldern 7 gemeinsam, d.h. es
dient in Verbindung mit jeweils einem dieser Druckfelder zur Abgrenzung der jeweiligen
Hochdruckseite gegenüber der Niederdruckseite.
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Die Dicht elemente 8 weisen bei dieser Ausführungsform an ihren einander
zugewendeten Enden einen Absatz 20 auf, der eine Schulter des Gehäuses hintergreift.
Auf dem Absatz 20 zweier zusammengehörender Dichtelemente stützt sich ausserdem
eine Druckfeder 21 ab, die die Dichtelemente auseinanderspreizt. Hierdurch sind
die Dichtelemente 8 bei jeder Drehrichtung der Zahnräder 4 gegen eine Verschiebung
in Umfangsrichtung gesichert. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die mit dem Ansatz
20 der Dichtelemente zusammenwirkende Schulter am Gehäuse etwas abgeschrägt, so
dass die Dichtelemente 8 der im Betrieb auftretenden Verschiebung der Zahnräder
4, deren Richtung durch den Pfeil 22 angedeutet ist, folgen können. Hierbei ist
angenommen, dass die Hochdruckseite in der Zeichnung rechts liegt. Um den Spalt
auf der Aussenseite der Dichtelemente 8 mit dem Betriebsdruck zu beaufschlagen,
sind zwischen dem Vorsprung 20 und der zugehörigen Schulter des Gehäuses nicht gezeigte
Verbindungskanäle vorgesehen. Die Dichtleisten 10 liegen bei dieser Ausfuhrungsform
in Nuten 11 der
Dichtelemente 8 und werden ebenfalls durch nicht
gezeigte Verbindungskanäle, die zum Nutgrund führen, mit Betriebsdruck beaufschlagt,
um eine Dichtanlage an der Wand der Gehäusebohrung zu erzielen. Gegebenenfalls ist
auch hier eine zusätzliche Anlagekraft durch eine in der Nut liegende Blattfeder
vorhanden.
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Die Figuren 7, 8 zeigen die Anwendung des Erfindungsgedankens auf
eine Zahnradmaschine in Dreiplattenbauweise. Hierbei sind die Zahnräder 4 in bekannter
Weise mit ihren Achsstummeln nicht in gesonderten buchsenförmigen Lagerkörpern,
sondern in zwei äusseren Platten 30 gelagert, die zwischen sich eine Mittelplatte
31 mit den die Zahnräder 4 aufnehmenden Gehäusebohrungen einschliessen. Die Zahnräder
4 liegen mit einer Stirnseite unmittelbar an einer der Platten 30, mit der anderen
Stirnseite an einer Dichtplatte 32 an, die in einer Ausnehmung der zugeordneten
Platte 30 gelagert und durch eine Dichtung 6 abgedichtet ist. Durch die Dichtung
6, deren Form aus Fig. 8 hervorgeht, wird ebenfalls ein axiales Druckfeld 7 geschaffen.
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Im übrigen entsprechen Anordnung und Ausbildung der Dichtelemente
8 und der Dichtleisten 10 denjenigen der Ausführung nach Fig. 3.
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Die Länge der Dichtelemente 8 wird jeweils entsprechend den Erfordernissen
gewählt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen beträgt sie etwa 1/4 des Aussenumfangs
der Zahnräder 4.
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Anstelle der in den Ausführungsbeispielen gezeigtaiim Querschnitt
rechteckigen oder quadratischen Dichtleisten 10 können auch kreiszylindrische Dichtleisten
eingesetzt werden, die, wie sich gezeigt hat, ebenfalls eine sehr gute Abdichtung
ergeben. Das hat den Vorteil, dass als Dichtleisten 10 Lagernadeln verwendet werden
können.