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Zahnringmotor
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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Zahnringmotor mit einem
Gehäuse, einem im Gehäuse drehbar gelagerten, innenverzahnten Hohlrad mit . 8 bis
16 Zähnen und einem von einer Abtriebswelle 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 Zahnflanken des Ritzels an den Hohlradzähnen erfolgt, wobei ferner
die Zahnköpfe des Ritzels in den Zahnlücken des Hohlrads frei gehen und die theoretische
Zahnform des Ritzels durch Abwälzen des Ritzelwälzkreises auf dem Hohlradwälzkreis
bestimmt ist, nach Patent ...
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(PatAnm. P 30 26 222.7).
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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 -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 Hohlrads ständig mit einem Zahn des Ritzels im Eingriff ist.
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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.
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Tritt im Laufe des Betriebs Verschleiß auf, so wird die Dichtung zwischen
Nieder- und Hochdruckraum der Maschine, insbesondere gegenüber der Stelle tiefsten
Zahneingriffs, mangelhaft und der Wirkungsgrad der Pumpe bzw. des Motors sinkt erheblich
ab. Die Maschine ist darüber hinaus auch recht verschleiß anfällig, 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 Hertz'sche Pressung besonders groß ist, was wiederum denVerschleiß
begünstigt.
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Ferner ist die Schwankung des instantanen Fördervolumens über dem
Drehwinkel und somit die Förderpulsation dieser Pumpen sehr groß. Bei Verwendung
als Motor schwankt dementsprechend das abgegebene Drehmoment.
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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.
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Schließlich hat der Mehrfach-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 zischen:Ritzel und Hohlrad in Umfangsrichtung 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
hat,
den Achsabstand der beiden Räder zu vergrößern.
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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 Arbeitsdruck wird.
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All dies hat dazu geführt, daß die Eaton-Verzahnung trotz ihres zunächst
bestechend einfachen Aufbaus in der Praxis nur in beschränktem Umfang für relativ
wenig Fälle Eingang gefunden hat. Das gilt sowohl für Pumpen als auch für Motoren.
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Die Nachteile der Eaton-Verzahnung sind bei bekannten Zahnradpumpen
und -motoren mit einer Zähnezahldifferenz von mehr als 1, bei denen die Zähne im
Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs nicht im Eingriff sind, dadurch
behobe daß im Bereich der genannten Stelle ein in der Regel halbmond- oder sichelförmiges
Füllstück angeordnet ist, an dessen konvexer Oberfläche die Zahnköpfe des Hohlrads
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.
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Dieser Maschinentyp 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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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Pumpe mit Eaton-Verzahnung,
wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissen ist,dahingehend weiterzubilden,daß
die in Triebein- -griff miteinander befindlichen Zahnoberflächen von Ritzel und
Hohlrad weniger aufeinander gleiten und groß flächig aneinander anliegen,wodurch
die Hertz'sche Pressung verringert wird, daß dennoch die Förderkammern jeweils zwischen
je einem Zahnpaar von Ritzel und Hohlrad groß sind,daB 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.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe umfaßt die Erfindung den Grundgedanken,
daß die Eingriftsverhältnisse und sonstigen oben dargelegten Verhältnisse bei der
Eaton-Verzahnung dadurch wesentlich verbessert werden, daß innen 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.
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Der erste Schritt gemäß der Erfindung hierzu ist, daß man zwei Eatonß
Dq Verzahnungen mit bogenförmigem Zahnumriß und gegenüber der
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.
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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
Hohlradzähnen
frühestens dann außer Eingriff mit dem Ritzel kommt, wenn der folgende Hohlradzahn
schon im Eingriff mit dem Ritzel ist.
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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.
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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 Wålzkreis des Hohlrades auch etwas außerhalb des Fußkreises des Hohlrades
liegen. Das
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.
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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 unendUschten Zwischenzahneingriffe.
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Die Erfindung ist gemäß obigem dadurch gekennzeichnet, daß bei einem
Zahnringmotor der eingangs umrissenen Art die Zähne des Hohlrades angenäherte Trapezform
mit konvex gewölb-Vor zu sweise 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.
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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
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.
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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 der Motor nur für eine
bestimmte Drehrichtung ausgelegt ist.
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In diesem Falle müssen die beiden Eaton-Verzahnungskonturen, welche
die beiden Zahnflanken der Zähne definieren, nicht gleich sein.
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Die Konstruktion einer Verzahnung nach der Erfindung erdann 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 Zahn lücken keine besonders
präzise Bearbeitung erforderlich ist.
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Bevorzugt wird für das Hohlrad die Zahnform dahingehend bestimmt,
daß die Erstreckung der Hohlradzähne und die Erstreckung der Hohlradzahnlücken in
Umfangs richtung 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.
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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 l,l-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
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 Zahnflankenkriimmungsradius
in diesem Sinne ist das gleiche wie der Krümmungsradius der ursprünglichen Eaton-Verzahnung
durch deren Überlagerung und Versetzung um'jeweils eine halbe Teilung diee ser ursprünglichen
Verzahnung die erfindungsgemäße Zahnflankenprofilierung erreicht wird.
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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.
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Die Kreisbögen haben jedoch den Vorteil der leichten theoretischen
Erfaßbarkeit wegen der Radiuskonstanz.
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Entsprechend der eingangs gegebenen prinzipiellen Erläuterung der
Erfindung liegen vorzugsweise jeweils die einander abgewandten Zahnflanken zweier
benachbarter Zähne
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.
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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.
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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 Hoch-und
Niedcrdruckrau- entsteht. Bei der Konstruktion des Ritzels als Abwälzfigur des Hohlrades
ist die Kantenabrundung mit zugrunde zu legen.
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In der Praxis ist die Zähnezahl eines Zahnringmotors nach der Erfindung
durch die Forderung nach einer großen Leistung des Motors und damit möglichst großen
Zähnen nach oben beschränkt. Dementsprechend sollte die Zähnezahl des Hohlrads 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 Leistung des Motors bei
gegebenem Durchmesser zu gewährleisten.
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Nachfolgend ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der Zeichnungen als erläuterndes Beispiel- beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch die Ansicht eines Hohlrades einer Eaton-Maschine,
von dem bei der Konstruktion eines Motors 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 des Motors nach der
Erfindung; Fig. 4 zeigt in stark vergrößertem Maßstab zur Hälfte den
Bereich
tiefsten Zahneingriffs und läßt die wesentlichen Parameter der gezeigten bevorzugten
Verzahnung erkennen.
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Fig. 5 zeigt einen Znrinc'iroLor nach der Erfindung stark schematisiert
in einem Schnitt, der der Schnittlinie V - V in Fig. 3 entspricht.
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Nachfolgend sei der Motor kurz anhand der Fig. 3 und 5 erläutert.
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Der lilotor besitzt gemäß Fig. 5 ein Gehäuse, welches eine erste linke
Stirnplatte 18 und eine rechte Stirnplatte 19 aufweist Zwischen beiden Stirnplatten
erstreckt sich ein ringförmiges Gehäusemittelteil 20.
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Die drei Gehäuseteile definieren zwischen sich einen flach zylindrischen
Hohlraum, in welchem das Hohlrad 10 mit seiner Außenumfangsfläche auf der Innenumfangsfläche
des Gehäuseteils 20 gleitend gelagert ist. Durch eine zentrale Bohrung des rechten
Gehäusestirnteils 20 erstreckt sich die das Ritzel 12 tragende Ritzelwelle 22, die,wie
durch einen Keil 23 symbolisch angedeutet, drehfest mit dem Ritzel 12 verbunden
ist. Auch in Fig.
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3 sind so wie in Fig. 5 oben die Verzahnungen von Ritzel und Hohlrad
voll im Eingriff, während unten die Zahnköpfe von Ritzel und Hohlrad gerade aufeinander
gleiten.
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Im rechten Gehäusestirnteil 19 erstreckt sich die Ablauföffnung 16,
während die Zulauföffnung 15 in dem in Fig. 5 vor der Zeichenebene liegenden Teil
des Gehäusestirnteils 19 liegt. Von der Ablauf-Öffnung 16 verläuft, wie aus Fig.
5 ersichtlich, ein Anschlußkanal durch einen Stutzen 24.
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Die drei das Gehäuse bildenden Teile 18, 19 und 20 sind durch gleichmäßig
über den Umfang verteilte Schraubenbolzen 25 zusammengespannt.
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In Fig. 5 sind noch die Drehachse MR des Ritzels 12 und Drehachse
MH des Hohlrades 10 eingezeichnet.
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Nach-dem sich die Erfindung mit der Ausbildung der Verzahnung des
Motors: befaßt, ist der allgemein Aufbau desselben hier nicht mehr erläutert.
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Bei der Konstruktion der Verzahnung nach der Erfindung wird von einer
Eaton-Verzahnung ausgegangen, wie sie das Hohlrad 1 der Em.ton-tMschine 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
lfdas letztlich hier nur noch ein theoretisches Hilfsmittel zur Konstruktion der
Erfindung ist, 5 1/2 Zähne 2.
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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.
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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 Zähne zahl ausgegangen
werden.
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Dementsprechend wird bei der Erläuterung der Erfindung anhand von
Fig. 2 allgemein davon ausgegangen, daß die hier
von links oben
nach rechts unten schraffiert gezeichnete Eaton-Hohlradkontur 1 eine unbestimmte
Zähnezahl aufweist.
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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 aus gewölbten 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 dbrig 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
des Ritzels 12 abwälzt. Auf diese Weise entsteht
eine Hüllfigur, die genau gleich dem theoretischen Umriß des Ritzels 12 ist.
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Man erkennt,daß bei der Verzahnung gemäß Fig. 3 ein treibender Eingriff
zwischen Hohlrad 10 und Ritzel 12 nur noch im Bereich tiefsten Zahneingriffs 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.
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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 Zahneingriffs 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 Zahneingriffs erreicht wird.
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In diesem Bereich ändern sich die hier geschlossenen Transporträume
14 zwischen je einer Zahnlücke des Ritzels und des Hohlrads praktisch nicht mehr,
so daß ein gewaltsames Ausquetschen der Förderflüssigkeit aus den Transporträumen
14 praktisch nicht mehr auftritt. Im Bereich der Saugöffnung 15 und im Bereich der
Drucköffnung
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.
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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.Fur 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.
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In Fig. 4 ist die Konstruktion eines Hohlrades und eines Ritzels für
den Zahnradsatz nach der Erfindung näher erläutert.
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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 angenamen 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 Hohlrades von dessen Mittelpunkt MH her im Winkelmaß
sawie die halbierende h dieses Teilungswinkels auf. Dann trägt man um die halbierende
des Teilungswinkels zu beiden Seiten auf dem Kopfkreis KH des Hohlrades 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 liegenden
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 , 1 fache 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 Hohlradzahnkopfes entsteht. Im Ausführungsbeispiel
wurde dieser Radius rm mit rund 13,8 uran, also 2,3 H, gewählt.
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Schließlich werden noch die Kanten zwischen dem KopfkrF s 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 Zahnflankenkreishogen 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 Zahnkopf fe des Hohlrades 10 geformt
wird, die zunächst konstruierte Zahnlücke des Hohlrades, deren Grund von FH gebildet
wurde, bei weitem nicht aus.
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Da hierdurch störende Toträume geschaffen werden, wird der Zwickel
Z zwischen FH und der Zahnkopfkrrve 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
bis 0,05 H zwischen
der Zahnkopfkurve ZKR des Ritzels 12 und dem Zahnlückengrund des Hohlrads 10 verbleibt.
Da an der Stelle tiefsten Zahneingriffs aufgrund der Konstruk- -tion 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.
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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 Hohlrads anliegen würde, wird vom Zahngrund des Ritzels ein geringes Maß åbgenommen,
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.
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Zahnringmotore nach der Erfindung eignen sich für die verschiedensten
Zwecke,z.B. als Hydraulikpumpe,für hydrostatische Antriebe,für Lenkgetriebe und
andere Servoantriebe und für sonstige Sekundärantriebe. Überraschenderweise sind
Zahnradmotoren nach der Erfindung in starkem Maße unempfindlich gegen Schwankungen
des Achsabstandes.
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