DE2927828A1

DE2927828A1 - Zahnradpumpe bzw. -motor

Info

Publication number: DE2927828A1
Application number: DE19792927828
Authority: DE
Inventors: James M Eley; James R Mcburnett
Original assignee: Tyrone Hydraulics Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1979-07-10
Publication date: 1980-01-31
Also published as: GB2029904B; FR2431046B1; IT7924240A0; US4266915A; AU537979B2; FR2431046A1; AU4872679A; IT1122105B; CA1144422A; GB2029904A; BR7904379A

Description

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Zahnradpumpe bzw. -motor

Die Erfindung betrifft Zahnradpumpen bzw. Zahnradmötören. Die erfindungsgemäßen Merkmale zielen auf eine Verringerung der Lagerbelastung und der an den wichtigen Pumpenteilen angreifenden Kräfte und Belastungen ab, so daß sich insgesamt eine vergrößerte Lebensdauer, ein höherer Wirkungsgrad und geringerer Verschleiß und weniger Reparaturanfälligkeit ergeben.

Derartige Pumpen haben eine außerordentlich starke Verbreitung, insbesondere bei großen und schwer beanspruchten hydraulischen Ge- ; raten gefunden, bei denen Kräfte zur Anwendung kommen, die In den letzten Jahren eine außerordentliche Steigerung erfahren haben. Dies führt zu höheren Belastungen und einem erhöhten Verschleiß, wodurch sich Schadensfälle häufen. Gerade bei solchen Maschinen erfolgt dies in der Regel ohne Vorwarnung, so daß ein Ausfall gerade dort stattfindet, wo in der Regel Ersatzteile nicht ohne weiteres greifbar sind. Insbesondere hat sich als häufiger Schadensfall die hohe Lagerbelastung herausgestellt, welche die Folge des hohen Druckunterschiedes zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Pumpe bzw. des Motors im Betrieb ist. So sind zwischen den Zahnrädern oft Druckunterschiede von mehreren Tausend p.s.i. anzutreffen. Dadurch werden die Zahnräder und die seitlichen Diehtplatten an die inneren Wandabschnitte des Gehäuses auf der Einlaßseite angedrückt, also auf der Niederdruckseite der Zahnräder. So hat man es bei der Herstellung von Zahnradpumpen und Motoren in Kauf genommen, daß beim Einlaufen der Maschine die Gehäusewandung auf der Niederdruckseite der Zahnräder allmählich durch die Zähne selbst eingeschliffen und abgetragen wird. Dies trägt aber nicht immer zur Verbesserung der

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Laufeigenschaften bei, weil an kleineren Fehlstellen des gegossenen Gehäuses Unregelmäßigkeiten auftreten, nämlich ein Herausbrechen von kleinen Gußteilen aus dem Gehäuse, was letztlich zu einer Zerstörung der Pumpe führt. Wenn aber das Pumpengehäuse während des Einlaufens nicht beschädigt wird, so wird dann anschließend im Gebrauch die eingearbeitete Lauffläche des Gehäuses allmählich abgetragen und verschlissen. Das unweigerliche Resultat ist ein fortschreitender Wirkungsgradverlust, da die Abdichtung zwischen den Zähnen und der Gehäusewandung immer schlechter wird, bis schließlich ein entscheidender Schaden auftritt. Obwohl man diese Schwierigkeiten bei einer sorgfältigen Herstellung und überwachung teilweise vermeiden kann, auch durch Auswahl verbesserter Werkstoffe, so stellt dieses Problem nach wie vor einen erheblichen Nachteil dar.

Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, eine Pumpe bzw. einen Motor mit positiver Verdrängung so auszubilden, daß die nachteiligen Wirkungen des Differenzdruckes erheblich verringert werden. Es soll also eine Pumpe bzw. ein Zahnradmotor geschaffen werden, bei dem Schadensfälle in wesentlich geringerer Anzahl auftreten, die von Druckunterschieden an den Zahnrädern herrühren. Ferner zielt die Erfindung auf eine Verringerung des Verschleißes und auf eine längere Lebensdauer ab.

Ferner soll bei gegebener Größe einer Zahnradpumpe das Volumen der Pumpeneinlaßkammer vergrößert sein, wodurch sich der Wirkungsgrad gegenüber bekannten Anordnungen verbessert.

Auch sollen die Belastungen verringert werden, die auf die Gußtei-

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le, die Lager und andere Teile der Maschine ausgeübt werden, ohne daß die Betriebssicherheit leidet.

Ferner soll die Einlaufzeit entscheidend abgekürzt werden, bzw. kann man auf die Einlaufzeit völlig verzichten.

Die Maschine soll so ausgelegt werden, daß sich an den Zahnspitzen während des Betriebs ein ganz geringes Spiel, vorzugsweise ein Nullspiel oder ein nur einen Ölfilm zulassendes Spiel einstellt, wodurch sich die Leckmenge verringert und außerdem der Zahnverschleiß entscheidend verringert wird wie auch die Zerspanung der Gehäuseinnenwand unter Last.

Ferner soll die Maschine auch hohe Temperaturunterschiede vertragen können, wenn verschiedene Werkstoffe für das Gehäuse und die Zahnräder verwendet werden, wenn beispielsweise Stahlräder im Aluminiumgehäuse laufen. -

Ferner sollen die Auswirkungen eines Betriebs mit verunreinigter Flüssigkeit vermindert werden, indem man die Länge der Dichtflächen verringert und damit der der verunreinigten Hochdruckflüssigkeit ausgesetzte Bereich verkleinert wird.

So sind bei der erfindungsgemäßen Maschine Dichteinsätze vorgesehen, deren Werkstoff außerordentlich widerstandsfähig gegen Erosion ist, ohne daß die Kosten der Pumpen merkbar ansteigen.

Insgesamt ergibt sich ein einfacherer und wartungsfreundlicher Aufbau der Maschine als beim Stand der Technik.

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Im Fall eines Lagerschadens soll die Pumpenflüssigkeit nur wenig oder gar nicht verunreinigt werden. Erfindungsgemäß sind auf der Hochdruckseite der Pumpe bzw. des Motors Dichteinsätze oder Wandabschnitte vorgesehen, die vom Auslaßdruck belastet und gegen die Zähne der Zahnräder gedrückt sind. Mit dieser Bauweise stellt sich ein minimales Zahnspitzenspiel im Bereich der Dichteinsätze bzw. der Wandabschnitte ein. Die Dichteinsätze haben den Vorteil, daß sie leicht auswechselbar sind und aus Werkstoffen herstellbar sind, die sehr hohe Verschleißfestigkeit besitzen, so daß sich auch der Betriebsdruck der Maschine erheblich vergrößern läßt. In den Ausführungsbeispielen ist eine Pumpe dargestellt, doch können die gleichen Dichteinsätze auch bei einem Motor auf der Einlaßseite, also auf der Hochdruckseite vorgesehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Außenansicht einer Zahnradpumpe mit teilweise weggebrochenen Teilen des Gehäuses;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Zahnradpumpe längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht in Teilrichtung 4-4 der Fig. 2, und Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 2 der Pumpe in einer abgeänderten Ausführungsform mit flexiblen Wandabschnitten zur Abdichtung der Hochdruckseite.

Die beiden Zahnräder 10 und 11 in der Ausführungsform nach den Fig« 1 und 3 sind auf parallelen Wellen 12 und 13, wie in Fig. 2 dargestellt, befestigt und sind im Gehäuse 14 in Lagerbüchsen ge-

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lagert. Auf beiden Seiten der Zahnräder sind seitliche Druckplatten 15 bekannter Bauweise schwimmend angeordnet. Das Gehäuse 14 besteht in üblicher Weise aus zwei oder mehreren Gehäuseteilen, in der dargestellten Ausführungsform besteht es aus drei Gehäuseteilen 14a,14b und 14c, die über Schraubbolzen 16 miteinander verbunden sind.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Welle 13 nach außen geführt und wird über eine Verzahnung 17 mit einem Antrieb wie mit einem Motor verbunden, der nicht dargestellt ist.

Eine in Fig. 1 dargestellte Einlaßleitung 18 mündet in eine Einlaßöffnung 19, die mit der Pumpenkammer 20 in Verbindung steht, in der die Zahnräder in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise angeordnet sind. Auf der dem Einlaß 19 entgegengesetzten Seite der Zahnräder 10 und 11 hat die Kammer einen Auslaß 21, der in einen Auslaßkanal 21a mündet. Das Gehäuseinnere ist so ausgebildet, daß ein erhebliches Spiel zwischen dem von den Zahnspitzen eingeschlossenen Kreis 10a und 11a und der inneren Pumpenkammerwand 22 vorhanden ist. Dieser Abstand erstreckt sich vom Einlaßbereich 19 dem umfang jedes Zahnrades nach zu einem Punkt, an dem radiale Dichtmittel neben dem Auslaß 21 angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist der Abstand zwischen den Zahnspitzen und der Wandung 22 auf der Niederdrückseite der Zahnräder derart gewählt, daß unter allen vorhersehbaren Lastbedingungen die Zähne nicht an der Wandung streifen.

Die Abdichtung besteht vorzugsweise aus Einsätzen 23, die geteilt ausgebildet sind, um unabhängig voneinander neben jeder Auslaßsei-

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te positioniert zu werden. Vorzugsweise sind die Einsätze 23 in einer im Gehäuseteil 14b vorgesehenen halbkreisförmigen Ausnehmung schwimmend angeordnet und erstrecken sich längs der Zahnräder. Die Enden der Einsätze greifen über die inneren Kanten der Druckplatten hinaus und sind so bemessen, daß die Druckplatten die einzige Abstützung für die Einsätze vermitteln, welche in der halbkreisförmigen Ausnehmung schwimmend angeordnet sind. Wie aus Fig. 3 ersichtlicht ist, besitzt jeder Einsatz eine gekrümmte Fläche 24, deren Radius gleich dem Radius der gekrümmten Kantenflächen der Druckplatten ist.

In der Ausnehmung sind die Einsätze mit einem Abstand 25 voneinander angeordnet, der für die Verbindung zwischen den Zahnrädern und der Auslaßöffnung 21 sorgt. Vorzugsweise ist ein Stift 25a in einem Einsatz befestigt und steht zum gegenüberliegenden Einsatz vor, um bei stillgesetzter Pumpe die Einsätze in der richtigen Lage zu halten. Ist die Pumpe im Betrieb, so stellt sich ein kleiner Abstand zwischen der Stirnseite des Stiftes und der gegenüberliegenden Fläche des anderen Einsatzes ein. Um die Höhe des auf die Einsätze wirkenden Auslaßdruckes zu bestimmen und zu begrenzen,ist an der Rückseite jedes Einsatzes eine nachgiebige Abdichtung 26 vorgesehen, die in einer sich in Längsrichtung der Einsätze erstreckenden Ausnehmung 27 liegt. Die Enden des Dichtgliedes überlappen die Enden der Dichtungen 28, die in Nuten auf den Seitenabschnitten der Gehäuseteile 14a und 14c eingesetzt sind, von denen eine in Fig. 4 dargestellt ist, um hinter den Einsätzen abgedichtete Druckbereiche zu bilden. Nach Fig. 3 ist nun der Auslaßdruck in diesem Bereich auf der Rückseite der Einsätze, wie er durch die Dichtungen 26 und 28 abgegrenzt ist, wirksam, um die Einsätze gegen die Ränder

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der Seitenplatte!! und in Abdichtung mit den--Zahnspitzen zn drücken = Vorzugsweise sind die Einsätze bei ihrer Herstellung so bemessen,, ■ daß beim endgültigen"Zusammenbau der Pumpe die Zahnräder leicht an den Einsätzen-streifen und das für eine gute Abdichtung zwischen den Sahnen und den Einsätzen erforderliche.Spiel selbst einschleifen ."--.".·"

Ferner besitzen die Seitenplatten vorzugsweise abgeschrägte Abschnitte neben den Einsätzen und in leichter Überlappung mit den Einsätzen. Diese Abschnitte sorgen für einen gleichmäßigeren und weniger plötzlichen Aufbau von Druck, wenn die Zähne in Dichteingriff mit den Einsätzen gelangen.

Aus obigem ist ersichtlich, daß die Einsätze eine Abdichtung darstellen zusammen mit den Spitzen der Zähne 1Ga und 11a in dem Teilbereich unmittelbar neben der Hochdruckseite der Zahnräder, nämlich dem Auslaß 21. Nach Fig. 3 unterteilen die Dichteinsätze das Gehäuseinnere in eine verhältnismäßig große Einlaßkammer, die sich vom Einlaß 19 bis dorthin erstreckt, wo die Zahnspitzen die Fläche eines Einsatzes 23 berühren, wobei der Druck im wesentlichen Null ist/ sowie andererseits in eine verhältnismäßig kleine Auslaßkammer, in der der Druck auf den vollen Auslaßdruck ansteigt.

Obwohl die dichtende Fläche der Einsätze 23 länger als in Fig. 3 dargestellt ausgebildet werden kann, ist die bevorzugte Länge der Dichtfläche jedes Einsatzes so gewählt, daß die Spitzen von nicht mehr als zwei Zähnen jeweils in vollem Dichteingriff an den Dichtflächen der Einsätze sind. Im Betrieb der Pumpe heißt das, daß der volle Auslaßdruck in dem Bereich dieser unmittelbar neben dem Aus-

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laß befindlichen Zähne wirksam ist. Dieser Brück preßt die Einsätze wie in Fig. 3 gezeigt auseinander und drückt auf die Rückseiten der Einsätze innerhalb des durch die Dichtungen 26 abgedichteten Bereiches. Dadurch werden die Einsätze in Dichteingriff mit den Zähnen gedrückt. Es ist zu beachten, daß der Druck im Hohlraum zwischen jeweils zwei Zähnen, die in Dichteingriff mit den Einsätzen 23 stehen, ein Druckzwischenwert etwas unterhalb des Auslaßdruckes ist, während das restliche Volumen des Hohlraums 20, der sich über zwei Drittel des Umfangs der Zahnräder erstreckt, einen niedrigen Druckwert besitzt.

Die Einsätze bzw. Schuhe können aus Werkstoffen hergestellt werden, die für das gesamte Gehäuse nicht in Frage kommen. In diesem Zusammenhang verdienen insbesondere Werkstoffe mit sehr hoher Verschleißfestigkeit und Erosionswiderstand Beachtung. So führt gerade die an den Zahnspitzen auftretende Erosion bei schwierigen Druck- und Temperaturverhältnissen zur Zerstörung bekannter Zahnradpumpen. Daher lassen sich zur Herstellung der Einsätze hochkorrosionsfeste Werkstoffe wie Hartbronze oder Stahl verwenden, die sonst zur Herstellung der gesamten Gehäuse viel zu teuer wären. Solche Werkstoffe sind auch bei Drücken zwischen 3000 und 4000 p.ai. nicht schadensanfällig.

Außerdem bewirkt die in den Fig. 1-4 dargestellte Ausfuhrungsform eine Verringerung der Lagerbelastung, da der dem Auslaßdruck ausgesetzte Bereich der Zahnräder wesentlich geringer ist. Damit wird auch die Belastung anderer Pumpenteile entsprechend verringert. Die Dichteinsätze neben der Hochdruckseite der Pumpe bzw. des Motors ergibt ein Spiel gegenüber den Zahnspitzen, das an sich Null ist

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bzw. einen Ölfilm zuläßt. Da die Zahnräder nicht in Berührung mit den Gehäusewandungen gepreßt werden, wird die Einfahrzeit verringert und ergeben sich keine Verschleißprobleme im Einlaßbereich. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß bei einem Lagerschaden nur eine geringe Verunreinigung eintritt, weil bei einem solchen Schaden die Zahnräder in den Raum mit größerem Spiel_auf der Wiederdruckseite der Maschine bewegt werden. Dadurch kommen die Zahnräder von den Dichteinsätzen auf der Hochdruckseite frei und der Pumpendurchsatz fällt auf Null. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei eingetretenem Verschleiß die Maschine leicht repariert werden kann, solange sie keinen Lagerschaden hat. Zahnräder, Druckplatten und Dichteinsätze können leicht ersetzt-werden und die Kosten sind niedriger als für eine neue Pumpe.

Ferner sind die erfindungsgemäß hergestellten Maschinen verhältnismäßig unempfindlich auf Temperaturänderungen. Da das Spiel zwischen den radialen Dichtschuhen und den Zähnen durch die Druckplatten bestimmt ist, an denen die Einsätze abgestützt sind, und da die Druckplatten und die Zahnräder vorzugsweise aus Werkstoff mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten wie Stahl hergestellt werden, bleibt der Abstand konstant auch bei großen Temperaturänderungen, obwohl das Gehäuse aus Aluminium mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt ist.

Es ist offensichtlich, daß die erfindungsgemäßen Merkmale auch bei Maschinen Verwendung finden können, die entweder umkehrbar oder nichtumkehrbar sind. Bei umkehrbaren Maschinen werden dann schwimmend angeordnete Dichteinsätze auf beiden Seiten der Zahnräder angeordnet.

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In Fig. 5 erfolgt die Abdichtung auf der Hochdruckseite im Bereich jeweils zweier Zähne der Zahnräder nicht durch Einsätze, sondern durch eine Verformung der Wandabschnitte des Gehäuses. Die Wandabschnitte zu beiden Seiten des Auslasses sind so ausgebildet, daß sie allmählich mit dem von den Zahnspitzen eingeschlossenen Kreis konvergieren. Zwecks Verformung der Wandungen sind hinter den dichtenden Flächen Kanäle eingearbeitet, die mit der Auslaßseite der Pumpe in Verbindung stehen. Die Kanäle vermitteln eine ausreichende Nachgiebigkeit der Wandabschnitte, so daß der Auslaßdruck ein leichtes Durchfedern der Wandabschnitte verursacht und die Dichtflächen an die Zahnspitzen nahe der Auslaßöffnung angedrückt werden. Hierzu dient ein Loch 25 im Gehäuseteil 14b auf der Auslaßseite des Gehäuses, von dem sich Schlitze 26a und 26b auf der Rückseite der Dichtflächen erstrecken. Ein weiterer Schlitz oder Kanal 27 verbindet die Bohrung 25 mit der Auslaßseite der Pumpenkammer, so daß der Auslaßdruck auf der Rückseite der Dichtwandabschnitte wirkt. Die Seitenplatten sind leicht ausgenommen, wo ihre Kanten die Flächen der Dichtwandabschnitte berühren, um die Bewegung der Dichtflächen in Dichteingriff mit den Zähnen zu gestatten. Aus Darstellungsgründen ist das Spiel 28a zwischen den Kanten der Seitenplatten und den Dichtflächen etwas übertrieben dargestellt.

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Claims

Patentansprüche

.J Zahnradpumpe mit zwei drehbar gelagerten, ineinandergreifenden Zahnrädern, einem eine Pumpenkammer bildenden Gehäuse, in dem die Zahnräder angeordnet sind, einem Einlaß auf der einen Seite der Zahnräder zum Zuführen von Pumpflüssigkeit bei niedrigem Druck, einem gegenüberliegenden Auslaß für Pumpflüssigkeit unter hohem Druck, und mit Dichtmitteln zum flüssigkeitsdichten Abdichten zwischen dem Niederdruckeinlaß und dem Hochdruckauslaß, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Auslasses (21) radiale Dichtglieder (23) schwimmend angeordnet sind, deren bogenförmige Fläche gegenüber den Zahnspitzen der Zahnräder (10, 11) eine flüssigkeitsdichte Abdichtung im Auslaßbereich vermitteln, daß die Abmessungen des Gehäuseinneren so gewählt sind, daß zwischen den Zahnspitzen auf der Einlaßseite und der Gehäuseinnenwandung bei Arbeiten der Pumpe ein ausreichender Abstand vorgesehen ist, daß zwischen den Dichteinsätzen (23) und dem Auslaß (21) ein Durchlaßkanal vorgesehen ist und der Pumpenauslaß mit den Seiten der radialen Dichteinsätze gegenüber den Zahnrädern in Verbindung steht, wodurch die Dichteinsätze durch

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ORIGINAL INSPECTED

den Auslaßdruck in Dichteingriff mit den neben dem Auslaß liegenden Zähnen gedrückt wird.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur seitlichen Abdichtung der Zahnräder auf deren gegenüberliegenden Stirnseiten in axialem Abstand voneinander seitliche Dichtplatten (15) vorgesehen sind, an deren Rädern Abstützflächen im Auslaßbereich für die Dichteinsätze (23) vorgesehen sind, wobei die Abstützflächen die Verschiebbarkeit der Dichteinsätze gegenüber den Zahnrädern begrenzen.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangslänge der bogenförmigen Flächen der Dichteinsätze (23) nicht größer als der Abstand zwischen zwei Zähnen der Zahnräder ist.
4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der radialen Dichteinsätze (23) Dichtstreifen (26) auf der den Zahnrädern abgekehrten Seite der Dichteinsätze vorgesehen sind, wobei die Dichtstreifen den Bereich des Auslaßdruckes eingrenzen.
5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Dichteinsätzen (23) ein Abstand mit einem Abstandsglied (25) vorgesehen ist.
6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteinsätze (23) aus hochverschleißfestem Werkstoff hergestellt sind.

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