DE3026222A1 - Zahnringpumpe - Google Patents
ZahnringpumpeInfo
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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- F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
- F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
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Description
DR. BERG DIPL.-INÜ. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SaNDMaTR
PATENTANWÄLTE 3 Q 2 6 2 2
Postfach 860245 · 8000 München 86
Anwaltsakte 30 906
10. Juli 1980
Siegfried Eisenmann Conchesstr. 25
Aulendorf
Zahnringpumpe
988273 VI /-,U BERGSTAPFPATENTVl&önO 6 5/0329 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM
988274 "1VaD TELEX: Bayer Vereinsbank München 453100(BLZ 70020270)
O83310 0524560BERGd Postscheck München 65343-R08 (BLZ 70010080)
3Q26222
Die Erfindung betrifft eine Zahnringpumpe mit einem Gehäuse,
einem im Gehäuse drehbar gelagerten, innenverzahnten Hohlrad mit 8 bis 16 Zähnen und einem von einer
Antriebswelle getragenen, einen Zahn weniger als das Hohlrad aufweisenden mit dem Hohlrad kämmenden Ritzel, wobei
die Abdichtung zwischen Saugraum und Druckraum gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs durch Gleiten der Zahnköpfe
des Ritzels auf den Hohlradzähnen und an der Stelle tiefsten Zahneingriffs durch Anlage der treibenden Zahnflanken
des Ritzels an den Hohlradzähnen erfolgt, wobei ferner die Zahnköpfe des Ritzels in den Zahnlücken des
Hohlrades frei gehen und die theoretische Zahnform des Ritzels durch Abwälzen des Ritzelwälzkreises auf dem Hohlradwälzkreis
bestimmt ist. Derartige Zahnringpumpen sind seit langem bekannt. Es sei beispielsweise auf Lueger,
Lexikon der Technik, Deutsche Verlagsanstalt, Stuttgart, Bd. 7, 1965, S. 218, verwiesen, wo derartige Pumpen unter
der Bezeichnung "Eatonpumpe" beschrieben sind. Diese bekannten Pumpen sind von einfachem Aufbau. Die Zähne des
Hohlrades sind normalerweise in Form von Kreissegmenten ausgebildet; d.h., die ganze Zahnkontur ist durch einen
einzigen Kreisbogen bestimmt. Anstelle der Kreisbogenkontur kann aber auch - ebenso wie bei der vorliegenden Erfindung -
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eine andere Kurve, wie beispielsweise eine Zykloide gewählt werden. Ein wesentliches Problem bei diesen bekannten
Eaton-Verzahnungen liegt nun darin, daß bei ihnen jeder Zahn des Hohlrades ständig mit einem Zahn des Ritzels im Eingriff
ist. Dies ist konstruktiv dadurch bedingt, daß das Ritzel nur einen Zahn weniger hat als das Hohlrad. Diese
Tatsache, daß alle Zähne ständig in Eingriff sind, bringt nicht nur in der Fertigung, sondern auch im Betrieb wesentliche
Probleme mit sich. So muß einerseits die Fertigung sehr genau sein. Tritt im Laufe des Betriebes Verschleiß
auf, so wird die Dichtung zwischen Saugraum und Druckraum der Pumpe, insbesondere gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs
, mangelhaft und der Wirkungsgrad der Pumpe sinkt erheblich ab. Die Pumpe ist darüber hinaus auch recht verschleißanfällig,
da beim Betrieb ein sehr starkes spezifisches Gleiten zwischen den aneinander anliegenden Teilen
von Ritzelzähnen und Hohlradzähnen erfolgt. Dies ist in erster Linie dadurch bedingt, daß die den Zahnflanken eines
normalen Zahnrades entsprechenden Bereiche der Zahnoberflächen des Hohlrades verhältnismäßig stark geneigt sind.
Hinzu kommt, daß gerade an den in erster Linie Drehmoment übertragend an den Hohlradzähnen anliegenden Teilen der
Ritzelzähne, nämlich an deren relativ scharf gekrümmten Kanten zwischen Zahnflanken und Zahnköpfen die Herz'sehe
Pressung besonders groß ist, was wiederum den Verschleiß
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begünstigt.
Ferner ist die Schwankung des instantanen Fördervolumens über dem Drehwinkel und somit die Förderpulsation dieser
Pumpen sehr groß.
Eine weitere Problematik der Eaton-Pumpe liegt darin, daß die einzelnen in Radialrichtung von Hohlrad und Ritzel
begrenzten Förderräume ihr Volumen ständig verändern, da sie durch den mehrfachen Zahneingriff von-einander getrennt
sind. Dies führt zu einer Aufteilung der Arbeitsräume in einzelne Kammern, die nicht erwünscht ist, auch
wenn sie durch seitlich angebrachte Taschen im Gehäuse miteinander in Verbindung stehen.
Schließlich hat der Mahrfach-Zahneingriff der Eaton-Pumpe
noch den Nachteil, daß je nach Fertigungstoleranz der Zahnflankenform sowohl am Hohlrad als auch am Ritzel
der unter Herz'scher Pressung stehende echte Zahneingriff
für die Drehmomentübertragung vom Ritzel auf das Hohlrad in ümfangsrichtung oftmals weit entfernt von der
Stelle des tiefsten Zahneingriffs liegt. Wegen der dann
veränderten Winkellage des Pressungspunktes zwischen den Zahnflanken von Ritzel und Hohlrad entsteht dann eine
Zahnkraftkomponente auf das Hohlrad, die das Bestreben
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- ΊΑ -
hat, den Achsabstand der beiden Räder zu vergrößern.
Dies hat zur Folge, daß sich die Dichtung zwischen den Zähnen gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs verschlechtert,
und das wegen der dann ansteigenden Zahnkräfte umso mehr, je höher der Förderdruck wird.
All dies hat dazu geführt, daß die Eaton-Pumpe trotz ihres
zunächst bestechend einfachen Aufbaus in der Praxis nur in beschränktem Umfang für relativ wenig Fälle Eingang gefunden
hat.
Die Nachteile der Eaton-Pumpe sind bei bekannten Zahnradpumpen mit einer Zähnezahldifferenz von mehr als 1, bei
denen die Zähne im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs nicht im Eingriff sind, dadurch behoben,
daß im Bereich der genannten Stelle ein in der Regel halbmond-
oder sichelförmiges Füllstück angeordnet ist, an dessen konvexer Oberfläche die Zahnköpfe des Hohlrades
entlanggleiten, während an der konkaven Oberfläche des Füllstücks die Zahnköpfe des Ritzels entlanggleiten. Hier
ist man in bezug auf die Zahnform wesentlich freier, so daß die Zahneingriffsbedingungen günstiger gewählt werden
können. Dieser Pumpentyp ist jedoch wegen des Aufwandes für das Füllstück, zu dem auch die genaue Positionierung
und Form des Füllstücks gehört, wesentlich aufwendiger als die Eaton-Pumpe.
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- y- /ο.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Eaton-Pumpe,wie
sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissen ist, dahingehend weiterzubilden, daß die in Triebeingriff miteinander
befindlichen Zahnoberflächen von Ritzel und Hohlrad weniger aufeinander gleiten und großflächig aneinander
anliegen, wodurch die Herz'sehe Pressung verringert
wird, daß dennoch die Förderkammern jeweils zwischen je einem Zahnpaar von Ritzel und Hohlrad groß sind, daß der
wesentliche Nachteil der fortlaufenden Volumenänderung der genannten Förderkammern zumindest weitgehend beseitigt
wird und daß die Verzahnung gegenüber der bekannten Eaton-Verzahnung weniger verzugsempfindlich wird. Ferner
soll mit der Erfindung eine bessere Laufruhe erzielt und die Gefahr des ölfilmabstreifens verringert werden. Schließlich
soll ein eingriffsfreier Bereich geschaffen werden, der die Verquickung des Triebeingriffs mit dem diesem gegenüberliegenden
Dichtungseingriff vermeidet.
Bei der Lösung dieser Aufgabe umfaßt die Erfindung den Grundgedanken,
daß die Eingriffsverhältnisse und sonstigen oben dargelegten Verhältnisse bei der Eaton-Pumpa dadurch wesentlich verbessert werden,
daß nan den Hohlradzahn in zwei Teile unterteilt, nämlich einen treibenden und an der Stelle tiefsten Zahneingriffs dichtenden Bereich
und einen weiteren Zahnkopfbereich, der nur noch die Aufgabe hat, an der der Stelle tiefsten Zahneingriffs gegenüberliegenden
Stelle zu dichten. Der erste Schritt gemäß der Erfindung hierzu ist, daß man zwsi Eaton-Hohlrad-Verzahnungen mit bogenförmigem Zahnumriß
und gegenüber der 130065/0329
gewünschten Zähnezahl halbierten Zähnezahl um eine halbe Zahnteilung in Umfangsrichtung versetzt einander überlagert
und nur die Teile der Zähne stehen läßt, die von den Zähnen beider Verzahnungen bedeckt sind. Auf diese
Weise überspannt jeder Zahnkonturbogen der ursprünglichen Eaton-Verzahnungen zwei der stehengebliebenen Zähne, die
jetzt etwa Dreieckform mit konvex gewölbten Flanken haben. Der Zahnformbogen definiert so jeweils die beiden einander
abgewandten Zahnflanken zweier benachbarter Zähne. Auf diese Weise bleiben für den Zahneingriff zunächst nur die verhältnismäßig
steilen zahnfuß-nahen Bereiche des ursprünglichen Eatonverzahnungsprofils, welche günstige Eingriffsverhältnisse
aufweisen. Das so geschaffene Zahnprofil erlaubt aber noch keine ständige Dichtung an der der Stelle tiefsten Zahneingriffs
gegenüberliegenden Stelle. Um dies zu ermöglichen, wird der Verzahnung nun eine dritte Eatonverzahnung überlagert,
deren Teilung gleich der halben Teilung der ursprünglichen vollständigen Eaton-Verzahnungen ist. Die Mitte des
Zahnformbogens dieser Eatonverzahnung fällt dabei jeweils mit der Mitte der "Dreieckzähne" zusammen und schneidet hierbei
diesen die dreieckige Spitze ab. Dieses Abschneiden in aller Regel
muß/in einer solchen Höhe erfolgen, daß die hierdurch entstehende
Zahnkopffläche in Umfangsrichtung breit genug ist,
um zu gewährleisten, daß gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs der vorauseilende von zwei aufeinanderfolgenden
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Hohlradzähnen frühestens dann außer Eingriff mit dem Ritzel kommt, wenn der folgende Hohlradzahn schon im
Eingriff mit dem Ritzel ist.
Auf diese Weise ist beim Hohlrad der für die Dichtung an der der Stelle tiefsten Zahneingriffs gegenüberliegenden
Stelle sehr vorteilhafte, flache, bogenförmige Zahnkopfverlauf der Eaton-Verzahnung auch bei der neuen Verzahnung
gemäß der Erfindung vorhanden. Dadurch, daß die Zahnspitzen abgeschnitten werden, fällt der theoretische Überdeckungsgrad
zwar unter den Wert Eins. In der Praxis hat dies jedoch bei der Verzahnung nach der Erfindung keinen
störenden Einfluß, solange das Hohlrad nicht weniger als
acht Zähne hat.
Ein weiteres wesentliches Kriterium der Verzahnung gemäß der Erfindung liegt darin, daß der 'Wälzkreis des Hohlrades
im Bereich des "theoretischen" Zahnfußes des Hohlrades und dementsprechend der Wälzkreis des Ritzels im Bereich
des "theoretischen" Zahnkopfes des Ritzels verläuft. Die Forderung in Bezug auf die Wälzkreise muß allerdings
nicht genau erfüllt werden, sie sollte jedoch wenigstens angenähert erfüllt werden. Zumindest sollte der Wälzkreis
des Hohlrades außerhalb des Kreises um den Hohlradmittelpunkt durch das untere Drittel der Zahnhöhe des Hohlrades
verlaufen. Bei größeren Zähnezahlen kann der Wälzkreis des Hohlrades auch etwas außerhalb des Fußkreises des Hohlrades liegen. Das
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gilt insbesondere für Zähnezahlen über zehn. Analog muß dann je nach dem, wo nun der Wälzkreis des Hohlrades
genau liegt, der Wälzkreis des Ritzels ebenfalls um das entsprechende Maß nach innen oder außen
verschoben werden. Dieses nach innen Verschieben der Wälzkreise kann erforderlich werden, wenn die Zähnezahl
des Hohlrades klein wird, also z.B. bei acht Zähnen.
etwa
Durch die Bedingung, daß die Wälzkreise/gleich dem Fußkreis des Hohlrades bzw. dem Kopfkreis des Ritzels sein
sollen, ist gewährleistet, daß die Zähne in den Bereichen zwischen der Stelle tiefsten Zahneingriffs und der gegenüberliegenden
Stelle nicht mehr miteinander in Berührung kommen. Das Problem der sich verändernden Förderkammern
zwischen jeweils zwei Zahnpaaren entfällt damit. Ebenso entfällt damit das Problem der unerwünschten Zwischenzahneingrif fe.
Die Erfindung ist gemäß obigem dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zahnringpumpe der eingangs umrissenen Art die
Zähne des Hohlrades angenäherte Trapezform mit konvex gewölb-
vorzugsweise ten Flanken und Köpfen aufweisen und daß/der Wälzkreis des
Hohlrades etwa mit dessen theoretischem Zahnfußkreis und der Wälzkreis des Ritzels etwa mit dessen theoretischem
Zahnkopfkreis zusammenfällt.
Wenn hier von theoretischem Zahnfußkreis, theoretischem Zahnkopfkreis oder anderen "theoretischen" Parametern der
Verzahnung gesprochen wird, soll durch das Attribut "theoretisch" zum Ausdruck gebracht werden, daß es sich hierbei
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nicht notwendig um die entsprechenden tatsächlichen Parameter handelt, sondern um die Parameter, wie sie bei einer
idealen, völlig spiel- und fehlerfreien Verzahnung ohne Kantenabrundungen entstehen.
Wenn auch bei der Erfindung, wie dies allgemein üblich ist, vorzugsweise die Zahnform vollständig symmetrisch ist,
so kann dem Grunde nach auch eine unsymmetrische Zahnform verwendet werden. Das gilt insbesondere dann, wenn die
Pumpe nur für eine bestimmte Drehrichtung ausgelegt ist. In diesem Falle sind dann die beiden Eaton-Verzahnungskonturen,
welche die beiden Zahnflanken der Zähne definieren, nicht gleich.
Die Konstruktion einer Verzahnung nach der Erfindung er-
dann
gibt sich/relativ einfach. Ist einmal der Durchmesser und die gewünschte Zähnezahl des Hohlrades festgelegt, so ergibt sich aus der Forderung "Zähnezahldifferenz = eins" die Zahnhöhe. Nun läßt sich die theoretische Zahnkontur unter Zuhilfenahme entsprechender Kreisbögen oder Kurvenbögen entwerfen, wobei natürlich - wie bei jeder Eaton-Verzahnung - darauf zu achten ist, daß die entstehende Zahnlücke breit genug ist. Aus dem so geschaffenen theoretischen Hohlradprofil läßt sich das theoretische Ritzelprofil zeichnerisch - heute zumeist rechnerisch - ermitteln.
gibt sich/relativ einfach. Ist einmal der Durchmesser und die gewünschte Zähnezahl des Hohlrades festgelegt, so ergibt sich aus der Forderung "Zähnezahldifferenz = eins" die Zahnhöhe. Nun läßt sich die theoretische Zahnkontur unter Zuhilfenahme entsprechender Kreisbögen oder Kurvenbögen entwerfen, wobei natürlich - wie bei jeder Eaton-Verzahnung - darauf zu achten ist, daß die entstehende Zahnlücke breit genug ist. Aus dem so geschaffenen theoretischen Hohlradprofil läßt sich das theoretische Ritzelprofil zeichnerisch - heute zumeist rechnerisch - ermitteln.
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Nun müssen nur noch die Zahnlücken jeweils geringfügig vertieft werden, damit die Zahnköpfe mit Sicherheit freigehen
und am Fuß der Zahnlücken keine besonders präzise Bearbeitung erforderlich ist.
Bevorzugt wird für das Hohlrad die Zahnform dahingehend bestimmt, daß die Erstreckung der Hohlradzähne und die Erstreckung
der Hohlradzahnlücken in Umfangsrichtung auf dem Kreis durch die halbe Höhe der Hohlradzähne gemessen
etwa gleich ist. Aus dieser Bedingung ergibt sich die weitere Konsequenz, daß die theoretische Zahnkopfbreite der
Hohlradzähne etwa gleich zwei Dritteln der theoretischen Breite der Zahnlücke anderen Fuß ist. Eine solche Bemessung
führt nicht nur zu einem am Pumpendurchmesser gemessen verhältnismäßig großen Fördervolumen, sondern auch zu steilen
Zahnflanken.
Bevorzugt ist die Zahnkopfbreite (ohne die später zu erläuternde Abrundung) des Hohlrades das 0,65-fache bis 0,7-fache
und die Breite der Zahnlücke am theoretischen Fußkreis des Hohlrades (wiederum ohne die später zu erläuternde
Ausrundung) das 1,05- bis 1,1-fache der theoretischen Zahnhöhe des Hohlrades. Bewährt hat sich eine Ausbildung, bei
welcher der Zahnkopfkrümmungsradius des Hohlrades etwa das 2- bis 2,4-fache, besser das 2,2 bis 2,3-fache der
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theoretischen Zahnhöhe des Hohlrades beträgt. Ebenfalls besonders günstig wird die Konstruktion, wenn der Zahnflankenkrümmungsradius
des Hohlrades etwa das 3,3- bis 3,7-fache, besser das 3,4 bis 3,6-fache der theoretischen
Zahnhöhe des Hohlrades beträgt. Der Zahnflankenkrümmungsradius in diesem Sinne ist das gleiche wie der Krümmungsradius
der ursprünglichen Eaton-Verzahnung durch deren überlagerung
und Versetzung um jeweils eine halbe Teilung dieser ursprünglichen Verzahnung die erfindungsgemäße Zahnflankenprofilierung
erreicht wird.
Besonders einfach wird die Konstruktion, wenn die Zahnkopfwölbung des Hohlrades ein Kreisbogen ist, dessen Mittelpunkt
auf der Radiuslinie des Hohlrades durch die Zahnmitte außerhalb des Zahnfußkreises liegt und die Zahnflanken
des Hohlrades längs Kreisbögen verlaufen, deren Mittelpunkte jeweils außerhalb des Zahnfußkreises liegen. Anstelle
von Kreisbögen können hier, wie weiter oben erläutert, auch andere Kurven mit nicht genau konstantem Radius treten.
Die Kreisbögen haben jedoch den Vorteil der leichten theoretischen Erfaßbarkeit wegen der Radiuskonstanz.
Entsprechend der eingangs gegebenen prinzipiellen Erläuterung der Erfindung liegen vorzugsweise jeweils die einander
abgewandten Zahnflanken zweier benachbarter Zähne
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auf einem gemeinsamen Kreisbogen. Diese Bedingung ist jedoch nicht unabdingbar, so können hier beispielsweise
auch zwei Kreisbögen mit gleichem Radius aber verschiedenen Mittelpunkten vorgesehen sein, die sich auf der Linie durch
die Mitte des Hohlrades und die Mitte der Zahnlücke zwischen den beiden benachbarten Zähnen schneiden.
Die Konstruktion wird wesentlich vereinfacht, wenn die Kanten zwischen den Zahnflanken und den Zahnköpfen des
Hohlrades jeweils längs eines Kreisbogens abgerundet werden, der streitig sowohl in den die Zahnflanke definierenden
Bogen als auch in den den Zahnkopf definierenden Bogen übergeht und einen Radius aufweist, der in der Größenordnung
von einem Drittel der theoretischen Zahnhöhe des Hohlrades liegt. Hier hat sich ein Maß vom 0,3-fachen bis
0,33-fachen der theoretischen Zahnhöhe des Hohlrades bewährt. Macht man diesen Radius zu klein, so wird man gezwungen zur
Vermeidung von Kerbwirkungen am Zahnfußritzel diesen verhältnismäßig tief auszunehmen. Macht man den Radius zu
groß, so wird der Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffes in dem die Zahnköpfe von Hohlrad und Ritzel
einwandfrei aneinander anliegen, zu klein, und es besteht die Gefahr, daß hier pulsierend ein Ausgleich zwischen Saugraum
und Druckraum entsteht. Bei der Konstruktion des Ritzels ab Abwälzfigur des Hohlrades ist die Kantenabrundung
mit zugrunde zu legen.
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In der Praxis ist die Zähnezahl einer Zahnringpumpe nach
der Erfindung durch die Forderung nach einer großen Förderleistung der Pumpe und damit möglichst großen Zähnen
nach oben beschränkt. Dementsprechend sollte die Zähnezahl des Hohlrades in der Regel nicht über 15 liegen.
Besser liegt sie unter 13. Ein besonders günstiger Bereich liegt bei 10 bis 12 Zähnen des Hohlrades. Z.Zt. wird eine
Zähnezahl des Hohlrades von 11 als optimal angesehen, um
eine maximale Förderleistung der Pumpe bei gegebenem Durchmesser zu gewährleisten.
Nachfolgend ist die bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung
anhand der Zeichnungen als erläuterndes Beispiel beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch die Ansicht eines Hohlrades einer Eaton-Pumpe, von dem bei der Konstruktion einer
Pumpe nach der Erfindung ausgegangen wird;
Fig. 2 zeigt schematisch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Zahnform des Hohlrades;
Fig. 3 zeigt in gleicher Ansicht wie Fig. 1 den Laufradsatz der Pumpe nach der Erfindung;
Fig. 4 zeigt in stark vergrößertem Maßstab zur Hälfte den
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Bereich tiefsten Zahneingriffs und läßt die wesentlichen Parameter der gezeigten bevorzugten
Verzahnung erkennen.
Bei der Konstruktion der Verzahnung nach der Erfindung wird von einer Eaton-Verzahnung ausgegangen, wie sie
das Hohlrad 1 der Eaton-Pumpe gemäß Fig. 1 enthält. Hier hat jeder Zahn 2 im wesentlichen die Form eines Kreissegments.
Der Zahngrund fällt im wesentlichen mit dem Zahnfußkreis des Hohlrades 1 zusammen. Da die im Beispiel gezeigte
Verzahnung elf Zähne aufweisen soll, besitzt das Hohlrad lf das letztlich hier nur noch ein theoretisches
Hilfsmittel zur Konstruktion der Erfindung ist, 5 1/2 Zähne 2, Zeichnet man beim abgebrochenen Zahn 2a des Hohlrades den
Zahnumriß wie dies in Fig. 1 gestrichelt geschehen ist weiter, so erhält man bereits die erfindungsgemäß angestrebte
Versetzung der gleichen Zahnform um eine halbe Teilung.
Dies gilt jedoch nur bei der Konstruktion von Hohlrädern mit ungerader Zähnezahl. Soll ein Hohlrad gemäß der Erfindung
mit gerader Zähnezahl konstruiert werden, so muß natürlich von einem Eaton-Hohlrad mit ganzer Zähnezahl ausgegangen
werden.
Dementsprechend wird bei der Erläuterung der Erfindung anhand von Fig. 2 allgemein davon ausgegangen, daß die hier
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von links oben nach rechts unten schraffiert gezeichnete Eaton-Hohlradkontur 1 eine unbestimmte Zähnezahl aufweist.
Der Mittelpunkt dieses Hohlrades ist bei 3 gezeigt. Die Teilung t ist nur im Winkelmaß gezeigt. Begrenzt man jetzt
den Zahnumriß der Hohlradkontur 1 zusätzlich durch die gleiche jedoch um eine halbe Zahnteilung versetzte Zahnkontur
2, die in Fig. 2 von rechts oben nach links unten schraffiert ist/ so bleiben nur noch die die Form von
gleichseitigen Dreiecken mit konvex ausgewölbten Flanken aufweisenden Zähne 6 übrig, die sowohl von rechts oben nach
links unten als auch von links oben nach rechts unten schraffiert sind. Als letzter Schritt wird der so geschaffenen Zahnkontur
eine dritte Hohlradkontur 7 überlagert, deren Teilung gleich der halben Teilung t der Konturen 1 und 5 ist. Die
Hohlradkontur 7 ist in Fig. 2 von oben nach unten schraffiert. Die größte Höhe der Zähne der Hohlradkontur 7 ist
geringer als die der Hohlradkonturen 1 und 5, so daß nach überlagerung aller drei Hohlradkonturen ein Zahnprofil übrig
bleibt, das in Fig. 2 von links oben nach rechts unten, von rechts oben nach links unten und senkrecht von oben nach
unten schraffiert ist. Auf diese Weise wird im Prinzip die erfindungsgemäße Hohlradverzahnung gewonnen/ die in ihrer
Gesamtheit in Fig. 3 anhand des Hohlrades 10 gezeigt ist, dessen Zähne 11 die nach Fig. 2 gewonnene Form haben. Nun
wird das Ritzel 12 für den Zahnradsatz gemäß Fig. 3 gewonnen, indem man den Fußkreis FH des Hohlrades 10 auf dem Kopfkreis
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des Ritzels 12 abwälzt. Auf diese Weise entsteht eine Hüllfigur, die genau gleich dem theoretischen Umriß des
Ritzels 12 ist.
Man erkennt, daß bei der Verzahnung gemäß Fig. 3 ein Antrieb des Hohlrades 10 durch das Ritzel 12 nur noch im Bereich
tiefsten Zahneingriffes erfolgt. An der gegenüberliegenden Stelle gleiten nur noch die Zahnköpfe von höchstens
3 Zähnen des Hohlrades bzw. Ritzels aufeinander, während in den dazwischen liegenden Bereichen (rechts und
links in Fig. 3 die Zähne des Ritzels von denen des Hohlrades vollständig freigehen. Auf diese Weise läßt sich die
Zahnflankenkonstruktion optimal in bezug auf die Zahnradmechanik, wie spezifisches Gleiten, Flächenpressung und
dergleichen einerseits, aber auch andererseits in bezug auf die Abdichtung an der Stelle tiefsten Zahneingriffes auslegen,
während der Konstrukteur für die Ausbildung des Zahnkopfes nicht mehr an eine bestimmte Flankenkonstruktion gebunden
ist, sondern die Zahnkopfwölbung ebenfalls so wählen
kann, daß ein praktisch druckloses Gleiten der Zahnköpfe aufeinander gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffes
erreicht wird. In diesem Bereich ändern sich die hier geschlossenen Förderräume 14 zwischen je einer Zahnlücke
des Ritzels und des Hohlrades praktisch nicht mehr, so daß ein gewaltsames Ausquetschen der Förderflüssigkeit
aus den Förderräumen 14 praktisch nicht mehr auftritt. Im Bereich der Saugöffnung 15 und im Bereich der Druck-
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öffnung 16 verändern sich naturgemäß die Förderräume zwischen den Zähnen,
jedoch sind diese Räume als Ganzes über dem Drehwinkel praktisch konstant, da sie nicht durch Zahneingriffe getrennt sind.
Bemerkenswert ist die große Länge der Ein- und Auslaßöffnungen, welche
die Erfindung erlaubt. Jede öffnung erstreckt sich über etwa ein Drittel
des Umfangs. Das erlaubt hohe Drehzahlen.Für sehr hohe Drehzahlen
von z.B. 6000 Upm oder mehr können die nierenförmigen Ein- und Auslässe
gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs noch weiter verlängert
werden.
In Fig. 4 ist die Konstruktion eines Hdhlrades und eines Ritzels für
den Zahnradsatz nach der Erfindung näher erläutert.
Das Hohlrad soll elf Zähne haben. Damit hat das Ritzel zehn Zähne. Als
nächstes wird der Durchmesser des theoretischen Fußkreises FH des Hohlrades
10 gewählt, der, um ein Zahlenbeispiel zu geben, mit 66 mm angenommen
wird. Der Fußkreis des Hohlrades ist auch dessen Wälzkreis; der Kopfkreis KR des Ritzels 12 dessen Wälzkreis. Damit wird die theoretische
Zahnhöhe H des Hohlrades 6 mm. Als nächstes trägt man eine Teilung t des Hdhlrades von dessen Mittelpunkt MH her im Winkelmaß sowie die
halbierende h dieses Teilungswinkels auf. Dann trägt man um die halbierende des Teilungswinkels zu beiden Seiten auf dem Kopfkreis KH des
Hdhlrades 10 das gewünschte Maß B für die theoretische Zahnkopfbreite ein, das hier beispielsweise bei etwa 4 mm liegt, sich also zu beiden
Seiten der Winkel-halbierenden h um 2 mm erstreckt. Auf diese Weise ermittelt man zunächst die Schnittpunkte der Flankenkreise der Zähne mit
dem Hohlradkopfkries KH. Nun schlägt man um einen außerhalb von FH lie-
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genden Punkt auf dem einen Begrenzungsstrahl der Winkelteilung einen
Kreisbogen, welcher so zu bemessen ist, daß die theoretische Breite der Zahnlücke am Fußkreis des Hohlrades etwa das 1,05- bis 1 ,Ifache von
H ist. Um dies zu erreichen, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Radius ro dieses Kreises mit 20,66 mm gewählt. Nun wird noch um einen
Punkt außerhalb von FH auf der Linie h ein Kreis durch den Schnittpunkt von h mit KH geschlagen, dessen Radius so bemessen ist, daß eine an der
Zahnhöhe gemessen vergleichsweise kleine Wölbung des Hdhlradzahnkopfes entsteht. Im Ausführungsbeispiel wurde dieser Radius rm mit rund 13,8
mm, also 2,3 H, gewählt.
Schließlich werden noch die Kanten zwischen dem Kopfkries mit dem Radius
rm und den Flankenkreisen mit dem Radius ro abgerundet. Hierzu ist im Ausführungsbeispiel ein Radius rk von 1,9 mm gewählt, der stetig, also
mit gemeinsamer Tangente, in den Zahnflankenkreisbogen und den Zahnkopfkreisbogen
übergeht, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Nun wird das Ritzel 12 als innere Hüllfigur konstruiert, die durch Abwälzen von
FH auf KR oder umgekehrt entsteht. Die hierbei entstehende Ritzelzahnform ist in Fig. 4 gezeigt. Wie am besten links oben in Fig. 4 ersichtlich,
füllt der Ritzelzahnkopf ZKR, dessen Kontur ja durch die Zahnköpfe des Hohlrades 10 geformt wird, die zunächst konstruierte Zahnlücke
des Hohlrades, deren Grund von FH gebildet wurde, bei weitem nicht aus.
Da hierdurch störende Toträume geschaffen werden, wird der Zwickel Z zwischen FH und der Zahnkopfkurve ZKR, der in Fig. 4 schraffiert gezeichnet
ist, nun so ausgefüllt, daß bei an der Stelle tiefsten Zahneingriffs befindlicher Zahnlücke des Hohlrades nur noch ein Spiel von z.B. 0,04
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bis 0,05 H zwischen der Zahnkopfkurve ZKR des Ritzels 12
und dem Zahnlückengrund des Hohlrades 10 verbleibt. Da an der Stelle tiefsten Zahneingriffs aufgrund der Konstruktion
die Mitte der Zahnkopfkurve des Ritzels 12 den Grund der Zahnlücke des Hohlrades 10 gerade berühren würde, wird
an dieser Mitte vom Material des Hohlrades wie ebenfalls links oben in Fig. 4 angedeutet, eine geringe Materialmenge
abgenommen, so daß der Zahngrund des Hohlrades nun durch die so gewonnene Linie HL begrenzt ist.
Da der Zahnlückengrund am Ritzel 12 aufgrund der Konstruktion des Ritzelumrisses an der Stelle tiefsten Zahneingriffs,
also bei X in Fig. 4, am Zahnkopf des Hohlrades anliegen würde, wird vom Zahngrund des Ritzels ein geringes Maß
abgenommen, so daß der Zahnkopf des Hohlrades auch an der Stelle tiefsten Zahneingriffs um ein Maß von beispielsweise
0,02 bis 0,03 H frei geht. Damit ist die Konstruktion von Hohlrad und Ritzel beendet.
Zahnringpumpen nach der Erfindung eignen sich für die verschiedensten
Zwecke. Insbesondere sind sie als Schmierölpumpen für Kraftfahrzeugkolbenmotoren geeignet, bei denen
das Ritzel unmittelbar auf der Kurbelwelle und das Hohlrad in einem am Motorgehäuse festen Gehäuse sitzt, überraschenderweise
sind Zahnradpumpen nach der Erfindung in so starkem Maße unempfindlich gegen Schwankungen des Achsabstandes, daß
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sie die an den Abmessungen der relativ kleinen Pumpe gemessen großen Verlagerungen der Kurbelwelle einer Zylinderbrennkraftmaschine
aushalten.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Zahnringpumpe ist jedoch nicht auf diesen Zweck beschränkt. Sie ist auch für die
verschiedensten anderen Zwecke brauchbar, wie z.B. als Hydraulikpumpe.
Ende der Beschreibung.
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Claims (10)
- DR. BERG DIPL-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIRPATENTANWÄLTE 3 Q 2 6 2 2 2Postfach 86 02 45 · 8000 München 86Anwaltsakte 30 906Patentansprüche ;Iy Zahnringpumpe mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse drehbar gelagerten innen verzahnten Hohlrad mit acht bis sechzehn Zähnen und einem von einer Antriebswelle getragenen einen Zahn weniger als das Hohlrad aufweisenden mit dem Hohlrad kämmenden Ritzel, wobei die Abdichtung zwischen Saugraum und Druckraum gegenüber der Stelle tiefsten Zahnradeingriffs durch Gleiten der Zahnköpfe des Ritzels auf den Hohlradzähnen und an der Stelle tiefsten Zahnradeingriffs durch Anlage der treibenden Zahnflanken des Ritzels an den Hohlradzähnen erfolgt, wobei ferner die Zahnköpfe des Ritzels in den Zahnlücken des Hohlrads freigehen und die Zahnform des Ritzels durch Abrollen desselben im Hohlrad definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (11) des Hohlrades (10) angenäherte Trapezform mit konvex gewölbten Flanken und Köpfen aufweisen,vorzugsweise
und daß/der Wälzkreis des Hohlrads (10) etwa mit dessen130065/0329Φ (089) 988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850988273 ,. . , BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM988274 VI/aD TELEX: Bayet Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 3310 05 24 560 BERG d Postscheck München 653 43-808 (BLZ 700100 80)theoretischem Zahnfußkreis (FH) und der Wälzkreis des Ritzels (12) etwa mit dessen theoretischem Zahnkopfkreis (KR) zusammenfällt. - 2. Zahnringpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Erstreckung der Hohlradzähne (11) und die Erstreckung der Hohlradzahnlücken in Umfangsrichtung auf dem Kreis durch die halbe Höhe (H) der Hohlradzähne gemessen etwa gleich ist.
- 3. Zahnringpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zahnkopfbreite (ohne Abrundung) des Hohlrades (10) das 0,65- bis 0,7-fache und die Breite der Zahnlücke am theoretischen Fußkreis (FH) des Hohlrades (10) (ohne Abrundung) das 1,05- bis 1,1-fache der theoretischen Zahnhöhe (H) des Hohlrades (10) beträgt.
- 4. Zahnringpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Zahnkopfkrümmungsradius (rm) des Hohlrades (10) etwa das 2- bis 2,4-fache, besser das 2,2- bis 2,3-fache der theoretischen Zahnhöhe (H) des Hohlrades (10) beträgt.
- 5. Zahnringpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Zahnflankenkrüm-130065/0329raungsradius (ro) des Hohlrades (10) etwa das 3,3- bis 3,7-fache, besser das 3,4- bis 3,6-fache der theoretischen Zahnhöhe (H) des Hohlrades (10) beträgt.
- 6. Zahnringpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkopfwölbung des Hohlrades ein Kreisbogen ist, dessen Mittelpunkt auf der Radiuslinie (10) durch die Zahnmitte außerhalb des Zahnfußkreises (FH) liegt, und daß die Zahnflanken des Hohlrades (10) längs Kreisbögen verlaufen, deren Mittelpunkte jeweils außerhalb des Zahnfußkreises (FH) liegen.
- 7. Zahnringpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die einander abgewandten Zahnflanken zweier benachbarter Zähne (11) des Hohlrades (10) auf einem gemeinsamen Kreisbogen liegen.
- 8. Zahnringpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten zwischen den Zahnflanken und den Zahnköpfen des Hohlrades (10) jeweils längs eines Kreisbogens abgerundet sind, der stetig sowohl in den die Zahnflanke definierenden Bogen als auch in den den Zahnkopf definierenden Bogen übergeht und einen Radius aufweist, der in der130065/0329Größenordnung von einem Drittel der theoretischen Zahnhöhe (H) des Hohlrades liegt.
- 9. Zahnringpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Grund der Zahnlücke des Ritzels (12) frei gearbeitet ist.
- 10. Zahnringpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (10) neun bis fünfzehn, besser elf bis dreizehn Zähne hat.130065/0329
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