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Zahnradpumpe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnradpumpe mit einer Bypaß-Kanalführung
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, die in zwei Ausführungsformen bekannt
ist (DE-AS 17 @ 80@: US-PS 2 424 730).
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Zahnradpumpen ohne Bypaß-Kanalführung können nur bis zu bestimmten
hohen drehzahlen mit befriedigenden Betriebsbedingungen betrieben werden. Sobald
diese Drehzahl überschritten wird, ist die füllung der Zahnlücken auf der Saugseite
nicht mehr vollständig. Die teilgefüllten Zahnlücken werden erst nach dem Durchlaufen
der Dichtsrecke zwischen Gehäuse und Zahnrad und nach Erreichen der Druckseite voll
gefüllt.
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Die Bypaß-Kanalführung vermindert oder beseitigt folgende Nachteile:
Der Pumpendruck füllt die unter Vakuum, stehenden Zahnlücken mit sehr hohen Ölgeschwindigkeiten.
Dadurch entstehen erhebliche Geräusche.
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Durch des entstehende Vakuum über dem Gehäuse-Dichtbereich besteht
Kavitationsgefahr.
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Der Druckölfüllstrom ist der Drehrichtung der Pumpe entgegensetzt
bei sehr hohen Differenzgeschwindigkeiten. Die
dadurch bedingte
Behinderung des abfließenden Druckölstroms bewirkt einen Leistungsverlust.
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Der kurze Blindkreislauf, bewirkt durch plötzlichen Druckölzulauf
zur Zahnlücke und die unmittelbare Föderung in den Druckraum erzeugt eine allgemeine
Erhöhnung der Öltemperatur und e eine örtliche Temperaturerhöhung der inneren Pumpenteile
und somit eine ungünstige Veränderung der Ölviskosität.
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Die Spiele zwischen Zahnrädern und Gehäuse müssen größer gewählt werden,
das bewirkt eine Verschlechterung des volumetrischen Wirkungsgrades.
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Diese Nachteile sind durch die Bypaß-Kanalführung beseitigt.
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Bei der ersten bekannten Ausführungsform einer Zahnraspumpe mit zwei
Zahnrädern mit Außenverzahnung (US-PS 2 424 730) geht ein besonderer Ölkanal (Bypaß)
tangential zu beiden Zuhrädern in Drehrichtung vom Druckraum ab, verzweigt sich
in zwei Känale, von denen je einer tangential zu einemm Zahnrad etwa in der Mitte
der Dichtsrecke Gehäuse zu Zahnrad ermündet. Bei der Zweiten bekannten Ausführungsform
einer Zahnradpumpe mit einem Zahnrad mit Außenverzahnung und einem Zahnrad mit Innenverzahnung
mit oder ohne Sichel (DE-AS 17 08 802 geht auch ein besonderer Ölkanal (Bypaß) etwa
tangential zu beiden Zahnrädern vom Druckraum ab und mündet tangential etwa in der
Mitte der Gehäusesichel in die Verzahnung eines Zahnrades (treibendes Zahnrad) oder
auch bei der Zahnräder ein.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun in wesentlichen
darin, eine solche vorteilhafte Zahnradpumpe der eingangs genannten Art weiter zu
verbessern, wobei insbesondere ungleiclier Druckaufbau und axiale Kräfte vermieden
werden sollen.
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Die erläuterte Aufgabe ist gemäß der Erfindung in verteilhafter Weise
mit den kennzeichnung Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Die Ölgeschwindigkeit an der Druckseite wird nach Möglichkeit durch
entsprechende Dimensionierung des Bypaßkanals beibehalten, außerdem kann die Druckenergie
des Bypaßöls durch konische Kanalverengung (@ - 8° Konizität) in Geschwindigkeit
ungesetzt werden.
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Die Füllung der Zahnlücken erfolgt auf der Saugseite im wesentlichen
von außen, d.]i . von der Stirnseite nach innen. Eine Beaufschlagung von beiden
Seiten aus ergibt kürzere Einströmwege.
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Im den Zuströmvorgang auch in Sichelnähe günstig @ gestalten, wird
der Sichelkopf hohl ausgebildet mit gerundeten Kanten.
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Die Verdrängung des Öls aus den Zahnlücken erfolgt auf der Druckseite
in drei Richtungen. Die 0 mittJ.ere Richtun bildet eine Resultierende, die ans den
Tangenten dcibeiden Zahnräder gebildet wird. Diese Ölmenge muß enigegen der Drehrichtung
der Pumpenräder strömen und ist somit verlustreihen. Um diese Strömungsrichtung
im weiteren Verlauf günstig zu verändern, wird der Sichelkopf auf der Druckseite
spitz mit gerundeten Kanten ausgeführt.
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Der Verdrängungswiderstand für die beiden seitlichen, d.h.
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stirnseitigen Abflüsse sollte möglichst gering sein, desalb sind am
Zahnrad mit der Innenverzahnung der Zahnlückengrund
und die nichttragende
Zahnflanke konisch angeschrägt, so daß ich die Querschnitte entsprechend der strömenden
Ölmenge erweitern. Diese Maßnahme verhindert auch die Bildung von sogenannt cm Quetschöl.
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Um den Dichtsteg am inneren Zahnrad nicht zu verkleinern, ist diese
Maßnahme bei diesem Rad nicht möglich. Deshalb werden hier nur die nichttragenden
Zahnflanken nach den Stirnseitei hin konisch halbrund abgeschrägt. Die Zu- und Abführkanäle
werden auf beiden Seiten der Zahnräder weitgehend gleichförmig in den Gehäusen ausgeführt,
um ungleichen Druckaufbau und damit axiale Kräfte zu vermeiden. Um die hohen Ölgeschwindigkeiten,
die sich aus den Emfangsgeschwindigkeiten der Zahnräder ergeben, verlustarm bzw.
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Ini t Druckgewinn abzubauen, wird eine konische Kanalerweitering mit
etwa 6 - 8° Konizität vorgesehen.
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Am Ende des Ölausstoßes aus den Zahnrädern ist im Gehäuse der Austritt
des Bypaßkanele vorgesehen, somit kann an dieser Stelle des Gehäuses keine optimale
Umlenkkontur vorgesehen werden. Die Umlenkung zum Abströmkanal erfolgt deshalb über
ein Schaufelgitter mit partiellen Teilströmen.
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kird eine Zahnradpumpe von einer Antriebsmaschine angetrieben (Nebentrieb),
die in der Hauptfunktion mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen läuft, so wird die
vom Verbraucher geforderte menge oft schon bei niederen Drehzahlen erreicht. In
diesem Fall ist es zweckmäßig, die über schußmenge über den bereits beschriebenen
Bypaßkanal, über ein gesteuertes Ventil und iiber einen weiteren Kanal mit einer
Düse
zur Sauglei tung abzuführen. Dieses Ventil kann nlz Mengenventil aussgeführt sein.
Werden vom Verbraucher sehr unterschiedliche Ölmengen gefordert, so ist es zweckmäßig,
das Bypaßventi 1 über Signale des Verbrauchers zu steuern.
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Das äußere Zahnrad (Innenverzahnung) läuft in einem geschlossen liem
Gehäuse. Ein radialer Leckstrom ist somit nicht möglich; das Zahnrad ist dadurch
partiell druckentlastet. 1je Reibleistung entsteht deshalb im wesentlichen durch
Ölscherkräfte. Diese lassen sicl) durch zurückgelegte Felder in Außenmantel und
an den Stirnseiten des Zahnrades reduzi ere@ Durch Auschrägung der Kanten der Entlastungsfelder
in Drehrichtung des Zahnrades lassen sich bei höheren Drehzahlen hydrodynanmische
Öldruckkeile aufbauen, die eine Zentrieb-und Lagerwirkung hervorrufen und damit
gleichmäßige Ölfülmstärken bewirken. Die durch den Zahneingriff entstehenden radialen
Kräfte werden hier aufgenommen. Durch richtige Wahl von Modul und Zahnkopföhe wird
eine optimale Zahnradbreite erreicht.
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Beim treibenden Zahnrad hat eine Feinrillung oder Feinprofilierung
(Mikrorillung) der seitlichen Stirnflächen drei Wirkungen: 1. wird die benetzte
Oberfläche (Berührungsfläche) mit kleinen Spaltweiten verkleinert, 2. bewirkt diese
AlaBnahme eine Zentrierwirkung, die gleiche Spaltweiten auf bei.den Seiten des Zahnrades
begünstigt und
3. wird die Leckagemenge verringert. Querbohrungen
etwa in Dichtstegmitte bewirken einen Druckausglcich.
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Zahnradpumpen heben auf der Saugseite vorwiegend größere mit dem ölstrom
in Verbindung stehende Flächen (Räume) als auf der Druckseite. Auf der Druckseite
sollen dadurch geringere Öldruckkräfte entstehen, während auf der Saugseite durch
weite Räume und große Zuflußwinkelbereiche die volle Füllung der Zahnliicken auch
bei höheren Drehzahlen noch möglich sein soll.
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Daudurch wird die Geräuschbildung und Kavitationsgefahr auf höhere
drehzahlen verschoben. Bei vorliegender Erfindung können beide Flächen (It;iume)
gleich gehalten werden. eine Geräuschbildung ist nicht möglich und wie Kavitationsgefah@
ist herabgesetzt. Gleiche Flächen vermindern die Förderung durch Andhäsionskräfte.
Da die Adhäsionsförderung Antriebs-Leistung neben der eingentlichen Saugförderleistung
beansprucht, kann bei Verringerung der Adhäsionsförderung Leistung eingespart werden.
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Der Antrieb des treibenden Zahnrades erfolgt bei vielen Pumpenausführungen
über zwei Mitnahmezapfen oder Mitnahmeflächen. Diese Antriebsart kann bei ungünstigen
Spielen und Maßabweichungen (Toleranzen) Schwingungen hervorrufen.
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Es wird deshalb eine Mitnahme über drei oder mehr litnahmezapfen (verzahnung)
oder Mitnahmeflächen, wenn erforderlich mit elastischer Zwischenlage, vorgesehen.
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Muß das treibende Zahnrad aus konstruktiven Gründen fliegend
grelagert
werden und muß ein Gleistlager aus Gründen der Betriebssicherheit ein größes Lagerspiel
erhalten, so liegt die sogenante Übergangsdrehzahl, d.h. die Drehzahl,bei de@ die
Mischreibung in reine Flüssigkeitsreibung übergeht, bei sehr hohen Drehzahlen. In
diesem Fall wo#ird zweckmäßig als letztes Lager neben dem Zahnrad ein Wälzlager
verwendet.
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Eine Lagerung des treibenden Zahnrades auf einem gehansetesten Zapfen
ermöglicht kleine Dichtsoalte und damit einen guten volumetrischen Wirkungsgrad.
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Zahnradpumpen nach Ausführungsform 2 werden of@ konstruktion so ausgeführt,
daß die Zahnlücken des getriebenen Außenrad (Innenverzahnung) durch Zahnkorrektur
und entsprechendet Wahl von Kopf- und Fußkreis möglichst groß werden. @a hier die
Flichkraft zur vollen Füllung beiträgt, während am @@n@@ rad (Außenverzahnung) möglichst
kleine Zahnlücken tgeringete Füllungsverluste bewirken. Diese Maßnahme ist bei vorliegen
der Erfindung nicht nitwendig.
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kann bei einem Getriebe oder einer anderen Maschnine eine Pumpenseite
Getriebe- oder Maschinendeckel (Außensabschluß) sei, so findet eine einseitige Abkühlung
der Pumpe statt.
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Bei hohen Drehzahlen werden die inneren Pumppenteile stark erwärt,
während eine Pumpengehäuseseite kalt bleibt. Dies bedingt große Spiele (Spalte)
für alle Lager und metallischen Dichtungen. Bei Zahnradpumpen für hohe Drehzahlen
ist es daher zweckmäßig, die Pumpe im Getriebene- bzw. Maschineninneren anzubringen
und einem besonderen Abschlußdeckel zu verwenden.
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Die Zahnradpumpe nach der Erfindung ist im folgenden anhand von mehreren
in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. In der
Zeichnung bedeuten: Fig. 1 Gehäuse und Kanalführung nach einer Ausführungsform mit
zwei außenverzahnten Zahnrädern, Fig. 2 Bypaßkanäle im Gehäuse nach der Ausführungsform
der Fig. 1, Fig. 3 Zahnrader und Gehäuse nach einer Ausbei führungsform als Sichelpumpe,
der das eine Zahnrad eine Inneverzahnung aufweist.
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Fig. 4 Kanäle und Bypaßkanal im Gehäuse nach einer Ausführungsform
entsprechend der Fig. 3, Fig. 5 Zahnräder mit beidseitigen Kanälen in den Gehäusen
bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 3, Fig. 6 Sichelköpfe des Gehäuses auf
Snug- und Druckseite bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 3, Fig. 7 Druckraum
mit Leitschaufelgitter bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 3,
Fig.
8 Zahnradpumpe, Zahnräder mit abgeschrägten Zahnflanken, Stirnseiten mit Feinrillung
und Feinprofilierung bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 3, Fig. 9 ein Zahnrad
mit Entlastungsfeldern bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 3, Fig. 10 ein
Zahnrad mit Druckausgleichsbohrung bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 3,
Fig. 11 Gehäusesichel mit Zuführungskanal zu beiden Verzahnungen bei einer Ausführungsform
entsprechend Fig. 3.
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Fig. 12 Gehäuse mit Kanälen und Bypaßventil bei einer Ausführungsform
entsprechend Fig. 3 und Fig. 13 Gehäuse mit Kanälen und fremd gesteuertem Bypaßventil
bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 3.
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Fig. 1 zeigt eine Zahnradpumpe im Schnitt, in diesem lirii Zahnräder
1, Gehäuse 2, Saugkanal 3, Pumpeneingang 5, Druckkanal 4, Pumpenausgang 6, Beschleunigungsstrecke
14 und Verzögerungsstrecke 15.
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Fig. 2 zeigt eine Zahnradpumpe im Schnitt, in diesen liegen Bypaßkanal
7, Bypaßabzweigung vom Druckkanal 8 und Einmündungsstelle 11.
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Fig. 3 zeigt eine Zahnradpumpe im Schnitt, in diesem liegen Zahnräder
9,10, Gehäuse 2, Einmündungsstelle Bypaßkanal 11, Gehäusesichel 12, Saugkanal 3
und Druckkanal 4.
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Fig. 4 zeigt die Kanalführung des Bypaßkanals 7, Bypaßabzweigung vom
Druckkanal 8, Pumpeneingang 5, Pumpenausgang 6.
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Beschleunigungsstrecke 14 und Verzögerungsstrecke 15.
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Fig. 5 zeigt die Zahnräder mit beideseitigen Zu- und Abführungskanälen
23 in den Gehäusen 2.
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Fig. 6 zeigt die genaue Ausführung der Sichelköpfe auf der Saugseite
28 und auf der Druckseite 29.
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Fig. 7 zeigt den Druckraum 4 mit einem Leitschaufelgitter 71.
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Fig. n zeigt die Verzahnung der Zahnräder mit der Außenverzahnung
9 uoid die konisch abgeschrägten Zahnflanken 26, weiter die Verzahnung des Außenzahnrades
(Innenverzahnung) 10, den beideseitig konisch abgeschrägten Zahngrund 24, die abgeschrägten
Zahnflanken 25 und die zurückgelegten Entlastungsfelder 27. Fig. 8 zeigt auch die
abgeschrägten Kanten 34 und die seitlichen Stirnflächen mit einer Feinrillung 32
und einer Feinprofilierung 33.
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Fig. 9 zeigt das Außenzahnrad (Innenverzahnung)10, die
zurückgelegten
Entlastungsfelder 27, die Stege der Außenmantelfläche 35, die Stege der Zahnradstirnflächen
36 und die abgeschrägten Kanten 34.
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Fig. 10 zeigt das Zahnrad mit der Außenverzahnung 1,9 und Querbohrungen
37 in den Dichtstegen.
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Fig. 11 zeigt die Einmündungsstelle des Bypaßkanals in die Verzahnung
des Innenzahnrades (Außenverzahnung 11 und die Einmundungsstelle in die Verzahnung
des Außenzahnrades (Innenverzahnung) 22.
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Fig. 12 zeigt das Bypaßventil 16, den Bypaßventilkorper 17, die Bypasventilfeder
18, die Drosselstelle im Druckkanal 19, der Steuerkanal 20 und die Saugleitungsbohrung
21 mit Diese 13 zum Saugkanal 3.
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Fig. 13 zeigt eine Bypaßventilanordnung 16, bei der das Bypaßventil
von einem Verbraucher 30 gesteuert wird.
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Die Beschriebene Bypaßumleitung 7 (ohne Ventil) tritt bei einer bestimmten
Drehzahl automatisch in Funktion, Dos über die Saugleitung 3 angesaugte Öl wird
über eine Beschleunigungsstrecke 14 auf den höchstmöglichen Geschwindigkeitswert
beschleunigt. Dann wird das Ol auf beiden Seil cit en dem Zahnrad zugefiihrt 23.
Bei niederen Drehzahlen werden die Zahnlücken voll gefüllt. Steigt die Drehzahl
auf einen bestimmten Wert an, so erfolgt nur noch eine Teilfüllung der Zahn lücken
des ZahnrAdes mit der Außenverzahnung 9, während die Zahnliicken des Zahnrades mit
der Innenverzahnung 10
durch die Wirkung der Fliehkraft noch besser
gefüllt werden.
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Nun tritt der Bypaßkanal 7 in Funktion und es fließt soviel Öl zur
Einmündungsstelle 11, bis die Zahnlücken vollständig gefüllt sind.
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Soll nur eine bestimmte Ölmenge effektiv gefördert werden, so muß
ein Bypaßkanal mit Bypaßventil 16 Verwendung finden.
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Sobald die gewünschte effektive Fördermenge erreicht ist, öffnet das
Bypaßventil 16 und daß Öl strömt von der Druckseite 4 über die Bohrung 21 zu einer
Diese 13 und von dort in den Saugkanal 3. Wird eine bestimmte hohe Drehzahl iilelschritten,
so fließt auch Öl über den Bypaßkanal 7 zu den Einmündungsstellen 11 und 22.
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L e e r s e i t e