DE4112291C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zahnradsatz für hydraulische Zwecke mit einem Zahnkranz mit n Innenzähnen und einem Zahnrad mit n-1 Außenzähnen, dessen Mittelpunkt um eine Exzentrizität gegenüber dem Mittelpunkt des Zahnkranzes versetzt ist und um diesen rotiert, wobei sich das Zahn­ rad auf dem Zahnkranz abwälzt und auf den Zahnflanken jeden Zahnes jeweils eine Ausnehmung vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammen­ bauen dieses Zahnradsatzes.

Bei einer bekannten hydraulischen Gerotorvorrichtung (DE 38 31 283 A1) dienen die Ausnehmungen dazu, beim Orbitieren des Zahnrades im Zahnkranz nicht eine Vielzahl von relativ kleinen Kammern für die Hydraulikflüssigkeit, sondern nur noch zwei Kammern, also zwei Druckbereiche, zu schaffen. Hierdurch soll der Hydraulikflüssigkeit ein geringerer Strömungswiderstand entgegengesetzt wer­ den. Die Ausnehmungen weisen hierbei ein Profil auf, das im wesentlichen durch zwei Geraden begrenzt ist. Lediglich am zahnfußseitigen Ende der Ausnehmung ist eine als Verstärkung bezeichnete Ausbuchtung vorgesehen, die in Richtung des ungestörten Zahnprofiles hervorragt. Damit soll Verschleiß verhindert und die Lebensdauer und die Betriebscharakteristik des Zahnradsatzes ver­ bessert werden.

Zahnradsätze dieser Art werden unter anderem auch als hydraulische Motoren verwendet. Bei diesen Motoren ist es erwünscht, daß sie möglichst verschleißarm und ohne größere Reibung laufen, d. h. die durch die Hydraulik­ flüssigkeit übertragene Energie in mechanische Energie ohne Verluste umsetzen. Hierzu ist es üblich, daß die Innenzähne als Rollen ausgebildet sind, die sich im Zahnkranz frei drehen können und gegebenenfalls ge­ schmiert werden. In neuerer Zeit ist aber zunehmend die Forderung aufgestellt worden, daß derartige Motoren eine Selbsthemmung aufweisen, d. h. bei unterbrochener Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit gebremst sind. Mit ande­ ren Worten soll eine der Antriebskraft entgegengerichtete Kraft bei Ausbleiben des Hydraulikdruckes nicht in der Lage sein, den Motor rückwärts zu drehen. Beispielsweise soll eine durch einen derartigen Motor angehobene Last in der angehobenen Stellung verharren, auch wenn die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit unterbrochen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zahnradsatz anzugeben, der bei normalem Verschleiß eine Bremswirkung bei Ausbleiben des Hydraulikdrucks erzeugt.

Diese Aufgabe wird bei einem Zahnradsatz der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Zahnrad Übermaß aufweist und jede Ausnehmung drei aufeinanderfolgende Krümmungsabschnitte mit abwechselnder Krümmungsrichtung aufweist und mit der gleichen Tangente wie der ungestörte Zahnverlauf beginnt und endet.

Die Bremswirkung wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß das Zahnrad Übermaß aufweist. Es ist also so groß, daß es unter normalen Umständen nicht mehr reibungsfrei im Zahnkranz orbitieren kann. Hierbei reichen schon relativ geringe Vergrößerungen des normalen Zahnrades aus. Um ein Orbitieren des Zahnrades im Zahnkranz aber zu ermöglichen, sind die Ausnehmungen vorgesehen. Diese Ausnehmungen haben durch die drei aufeinanderfolgenden Krümmungsabschnitte mit abwechselnder Krümmungsrichtung eine derartige Form, daß sie beim Orbitieren des Zahn­ rades im Zahnkranz an den Innenzähnen des Zahnkranzes vorbei bewegt werden können. Hierzu ist allerdings erfor­ derlich, daß das Zahnrad durch die Hydraulikflüssigkeit entsprechend mit Druck beaufschlagt wird. Wenn der Druck ausbleibt, d. h. die Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit unterbrochen wird, herrscht ein Druckgleichgewicht zwi­ schen der Zufluß- und der Abflußseite der Hydraulikflüs­ sigkeit. In diesem Zustand hat das Zahnrad im Zahnkranz eine relativ große Reibung, so daß hierdurch eine Brems­ wirkung erzielt wird. Die Bremswirkung muß nicht bedeu­ ten, daß das Zahnrad im Zahnkranz blockiert. Bei größe­ ren Kräften ist eine Bewegung des Zahnrades durchaus möglich, wenn die antreibenden Kräfte die Bremskraft überwinden. Die Ausnehmungen schmiegen sich in die Zahn­ flanke hinein. Zwischen dem Zahn und der Ausnehmung entstehen keine Knicke oder Kanten. Der ungestörte Zahn­ verlauf ist der Zahnverlauf, der sich ohne Ausnehmungen ergeben würde. Dadurch, daß die Tangenten an die Aus­ nehmung und an den Zahnverlauf an den beiden Enden der Ausnehmung gleich sind, ergibt sich im Betrieb ein sehr weiches und verschleißfreies Laufverhalten.

Bevorzugterweise beträgt die Maximaltiefe der Ausnehmung nur einige hunderstel Millimeter. Die Korrektur des Zahnes läßt sich also bereits mit ganz geringen Eingrif­ fen in das Profil des ungestörten Zahnverlaufs bewirken.

Bevorzugterweise liegt die größte Tiefe der Ausnehmung im Bereich des Scheitelpunkts des mittleren Krümmungs­ abschnitts vor. Dies muß nicht notwendigerweise bedeuten, daß die Ausnehmung symmetrisch aufgebaut ist.

Auch ist bevorzugt, daß im Betrieb die Innenzähne die Außenzähne im Bereich der Ausnehmungen nicht berühren. Die Dichtung zwischen dem Zahnrad und dem Zahnkranz erfolgt also immer außerhalb der Ausnehmungen. Die Aus­ nehmungen bewirken hierbei, daß das Zahnrad trotz des Übermaßes problemlos an den Innenzähnen des Zahnkranzes vorbeigeführt werden kann.

Bevorzugterweise ist die Tangente an die tiefste Stelle der Ausnehmung parallel zur Tangente an die Stelle der ungestörten Zahnform, die der tiefsten Stelle gegenüber­ liegt. Das Profil der Ausnehmung ist damit so einge­ stellt, daß eine hohe Reibung erzielt wird, wenn das Zahnrad drucklos ist und stillsteht, daß die Reibung aber im Prinzip nicht größer als normal ist, wenn der Motor durch den Druck einer Hydraulikflüssigkeit betrie­ ben wird.

Bevorzugterweise ist ein Ende der Ausnehmung durch einen Punkt im Bereich der Zahnspitze definiert, der bei einem Abwälzen des Zahnrades auf dem Zahnkranz zu dem Zeitpunkt Berührung mit einem Innenzahn des Zahnkranzes hat, an dem der nächste Außenzahn des Zahnrades mit dem nächsten Innenzahn des Zahnkranzes in Berührung kommt. Im Bereich der Zahnspitze ergeben sich daher zwei Punkte, nämlich auf jeder Zahnflanke einer zwischen denen eine Berührung des Außenzahnes des Zahnrades mit dem Innenzahn des Zahnkranzes erfolgt. Dieser Abschnitt der Zahngeometrie ist für die Abdichtung der Außenzähne mit den Innenzähnen des Zahnkranzes verantwortlich. Dadurch, daß die Ausneh­ mung unmittelbar neben diesem Bereich beginnt, ist sichergestellt, daß beim Betrieb, also in dem Fall, wo das Zahnrad durch den Druck an der Hydraulikflüssig­ keit angetrieben wird, unmittelbar neben dem Dichtungsbe­ reich bei einer Drehung sofort genügend Platz zur Ver­ fügung steht, um eine Berührung zwischen dem Außenzahn des Zahnrades und dem Innenzahn des Zahnkranzes zu ver­ meiden.

Auch ist bevorzugt, daß das andere Ende der Ausnehmung durch einen Punkt auf der Zahnflanke definiert ist, der bei einem Abwälzen des Zahnrades auf dem Zahnkranz zu dem Zeitpunkt Berührung mit einem Innenzahn des Zahn­ kranzes hat, an dem die andere Zahnflanke in Kontakt mit dem nächsten Zahn des Zahnkranzes kommt. Die Außen­ zähne des Zahnrades bilden mit den Innenzähnen des Zahn­ kranzes eine Dichtung zwischen zwei Druckzonen mit ver­ schiedenem Druck. Da es nur zwei Druckzonen geben muß, müssen nicht alle Zähne gleichzeitig dichten. Die Geo­ metrie der orbitalen Bewegung, d. h. die relative Bewe­ gung des Zahnkranzes und des Zahnrades, läßt sich mit Hilfe zweier Kreise simulieren, die aufeinanderrollen. Der Radius dieser Kreise ist die Exzentrizität, d. h. der Abstand der beiden Mittelpunkte der beiden Kreise, multipliziert mit der Anzahl der jeweiligen Zähne, d. h. der n Innenzähne des Zahnkranzes bzw. der n-1 Außenzähne des Zahnrades. Die Bewegung hat dabei einen Drehpunkt, der sich den beiden Kreisen entlang bewegt, wenn im Zahnradsatz das Zahnrad gegenüber dem Zahnring verdreht wird. Die Dichtung erfolgt hierbei immer an zwei Punkten, wobei der eine Punkt jeweils der Punkt des geringsten Abstandes der Zahnradoberfläche von dem Drehpunkt ist, während der andere Punkt der Punkt des größten Abstandes des Drehpunkts von der Zahnradoberfläche ist. Jedesmal dann, wenn zwei Punkte den gleichen Abstand vom Drehpunkt haben, "springt" die Dichtung von einem Zahn zum näch­ sten. Unmittelbar nach dem Springen der Dichtung sieht sich der Innenzahn des Zahnkranzes dann wieder der Aus­ nehmung gegenüber, so daß hier im Betrieb keine höhere Reibung erzeugt wird.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Zusammenbau des Zahnradsatzes beansprucht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Innenzähne einzeln montiert werden, wobei das Zahnrad nach der Montage eines jeden Innenzahnes in eine andere Lage gedreht wird, um Platz für den näch­ sten zu montierenden Zahn zu schaffen und die Innenzähne in axialer Richtung eingeführt werden. Der Zahnradsatz läßt sich bei diesem Verfahren also problemlos zusammen­ bauen, obwohl das Zahnrad Übergröße hat, also eigentlich gar nicht in den Zahnkranz "hineinpassen" würde.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Zahnradsatzes,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt II aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Skizze zur Bestimmung der Grenzpunkte der Ausnehmung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Zusammenbaus des Zahnradsatzes.

Ein Zahnradsatz 1 weist einen Zahnkranz 2 und ein Zahnrad 3 auf. Der Zahnkranz 2 weist sieben Innenzähne 4 auf, die im vorliegenden Fall als Rollen 5 ausgebildet sind, die in einem nur schematisch dargestellten Gehäuse 15, das den Zahnkranz 2 bildet, drehbar gelagert sind. Das Zahnrad 3 weist sechs Außenzähne 6 auf. Jeder Außenzahn 6 weist eine Zahnspitze 7 und zwei Zahnflanken 8, 9 auf. In jeder Zahnflanke 8, 9 ist eine Ausnehmung 10, 11 angeordnet. Der Außenzahn 6 weist ein Profil 12 auf, das durch die Ausnehmungen 10, 11 unterbrochen ist. Jede Ausnehmung 10, 11 weist drei aufeinanderfolgende Krümmungsabschnitte 16, 17, 18 mit abwechselnder Krüm­ mungsrichtung auf. Beginnend von der Zahnspitze 7 ver­ läuft die Oberfläche des Zahnes 6 in einem Krümmungsab­ schnitt 16 zunächst (von außen betrachtet) konvex, d. h. in Richtung auf die Mitte des Zahnrades 3 zu, dann in einem weiteren Krümmungsabschnitt 17 konkav, d. h. die Krümmung wendet sich wieder nach außen, und sodann in einem dritten Krümmungsabschnitt 18 wieder konvex. Im ersten und im dritten Krümmungsabschnitt 16, 18 geht die Ausnehmung 10, 11 übergangslos in das Profil 12 des Zahnes über, d. h. an den beiden Enden haben Zahn 6 und Ausnehmung 10, 11 die gleichen Tangenten. Es ent­ steht also kein Knick zwischen dem Zahnprofil 12 und der Ausnehmung 10, 11.

Die Tangente 13 an die tiefste Stelle der Ausnehmung ist parallel zur Tangente an die Stelle der ungestörten Zahnform, die der tiefsten Stelle gegenüberliegt. Mit anderen Worten lassen sich diese beiden Tangenten durch eine Linie 19 verbinden, die auf beiden Tangenten senk­ recht steht.

Die Tiefe der Ausnehmung 10, 11 ist übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit beträgt die maximale Tiefe der Ausnehmung nur einige hunderstel Millimeter.

Die Ausnehmung 10, 11 erstreckt sich in einem Bereich, der in Fig. 2 durch eine Schraffur 20 dargestellt ist. An den beiden Enden der Ausnehmung 11 ist ein Übergang zwischen der Ausnehmung 11 und der Flanke 9 bzw. der Zahnspitze 7 praktisch nicht erkennbar.

Die genaue Lage der Ausnehmung 10, 11 soll anhand von Fig. 3 erläutert werden.

Die relative Bewegung des Zahnrades 3 und des Zahnkranzes 2 läßt sich durch zwei Kreise 21, 22 darstellen, die aufeinander bzw. ineinander rollen. Der innere Kreis 21 hat einen Mittelpunkt, der sich hierbei auf einem Mittel­ punktskreis 23 bewegt. Der Radius des Mittelpunktkreises 23 entspricht hierbei einer Exzentrizität, d. h. dem Versatz zwischen den Mittelpunkten von dem Bewegungs­ kreis 21 des Zahnrades 3 und dem Bewegungskreis 22 des Zahnkranzes 2. Der Radius der Kreises 21 entspricht der Exzentrizität multipliziert mit der Anzahl der Zähne des Zahnrades 3. Der Radius des Kreises 22 entspricht der Exzentrizität multipliziert mit der Anzahl der Innen­ zähne des Zahnkranzes 2. Der Berührungspunkt der beiden Kreise 21, 22 bildet einen Drehpunkt O, der entlang des Kreises 22 wandert, wenn sich das Zahnrad 3 im Zahn­ kranz 2 dreht.

Wenn der Zahnradsatz als Verdrängungselement, beispiels­ weise als Motor verwendet wird, existieren mindestens zwei Druckzonen mit verschiedenen Drücken, die durch die Innenzähne 4 des Zahnkranzes 2 und die Außenzähne 6 des Zahnrades 3 gegeneinander abgedichtet sein müssen. Prinzipiell sind hierbei nur zwei Druckzonen erforder­ lich, so daß auch nur an zwei Stellen eine Dichtung erfolgen muß. Die Dichtung erfolgt hierbei an zwei defi­ nierten Stellen, nämlich am Punkt A, der der Punkt der Oberfläche des Zahnrades 3 ist, der zum Punkt O die geringste Entfernung hat, und am Punkt B, der der Punkt auf der Zahnradoberfläche ist, der zum Punkt O die größte Entfernung hat.

Fig. 3a zeigt eine willkürlich gewählte Stellung von Zahnrad 3 zu Zahnkranz 2. In Fig. 3b ist eine Position gezeigt, in der zwei Punkte, nämlich A′ und A′′ die glei­ che Entfernung zum Drehpunkt Null aufweisen. An dieser Stelle springt die Dichtung vom Außenzahn 4′ zum nächsten Außenzahn 4′′. Oberhalb der Punkte A′ und A′′, d. h. zwi­ schen den beiden Punkten A′ bzw. A′′ und der Zahnspitze 7 wird niemals eine Dichtung, d. h. eine Berührung mit den Innenzähnen des Zahnkranzes 3 notwendig sein. Die beiden Punkte A′ und A′′ bilden also auf jeder Zahnflanke 8, 9 die unteren Grenzen für die Ausnehmung 10, 11. Die obere Grenze wird durch den Punkt der Zahnspitze 7 gebildet, der in Fig. 3 mit B bezeichnet ist. Die Konstruktion der Punkte B′ und B′′ erfolgt analog zur Konstruktion der Punkte A′ und A′′, d. h. B′ und B′′ haben jeweils die gleiche Entfernung zum Punkt O, wenn die Dichtung vom Außenzahn 4′ zum nächsten Außenzahn 4′′ springt, wie dies in Fig. 3c schematisch dargestellt ist. Obwohl in Fig. 3b die Begrenzungspunkte A′ und A′′ sowie B für gegenüberliegende Zähne dargestellt sind, ist es selbstverständlich, daß eine derartige Konstruk­ tion der Begrenzungspunkte für alle sechs Zähne des Zahnrades 3 ermittelt werden kann. Fig. 3c zeigt den Beginn der Konstruktion für weitere Zähne.

Die größte Tiefe der Ausnehmung 10, 11 ist im Bereich des Scheitelpunkts des mittleren Krümmungsabschnitts 17 angeordnet. Wenn das Zahnrad 3 im Zahnkranz 2 orbitiert, können die Innenzähne 4 des Zahnkranzes 2 soweit in die Ausnehmung 10, 11 eintauchen, daß die Innenzähne 4 die Außenzähne 6 im Bereich der Ausnehmungen nicht be­ rühren. Auf diese Weise ist es möglich, daß das Zahn­ rad 3 trotz eines gewissen Übermaßes mit genau der glei­ chen geringen Reibung im Zahnkranz 2 orbitiert, wie ein Zahnrad mit der passenden Größe. Voraussetzung dafür ist lediglich, daß in einer Druckzone ein höherer Druck herrscht als in der anderen Druckzone, die mit Hilfe der Dichtung zwischen Außenzähnen 6 und Innenzähnen 7 voneinander getrennt sind. Herrscht ein Druckgleichge­ wicht zwischen den beiden Druckzonen, ergibt sich an den einzelnen Dichtungsstellen, beispielsweise an der in Fig. 2 dargestellten, eine so große Reibung zwischen Zahnrad 3 und Zahnkranz 2, daß der Zahnradsatz sehr stark gebremst wird.

Fig. 4 zeigt die Montage des Zahnradsatzes. Die Innen­ zähne 4 sind hierbei als Rollen 5 ausgebildet, also als zylindrische Körper, die sich im Zahnkranz 2 frei drehen können. Durch eine entsprechende Schmierung der Rollen 5 im Zahnkranz 2 läßt sich eine sehr geringe Reibung erreichen. Sollte diese Reibung nicht weiter stören, können die Rollen 5 auch durch andere teilzylin­ drische Körper ersetzt werden, die dann bewegungslos im Zahnkranz 2 angeordnet sind.

In Fig. 4a sind drei Innenzähne I, II, III bereits im Zahnkranz montiert. Ein vierter Innenzahn soll nun in der freien Position ganz rechts montiert werden. Hier fehlt allerdings der notwendige Platz, da die Zahnspitze 7 in die Montageposition hineinragt. Um den Innenzahn IV einbauen zu können, ist der Rotor 3 in Fig. 4b um einen entsprechenden Winkel weiter gedreht worden. Die Position für den Innenzahn IV ist nun dadurch in ausreichendem Maße frei geworden, daß eine Ausnehmung 10 auf dem Rotor 3 vorhanden ist, so daß der Innenzahn IV eingeführt werden kann. Um den Innenzahn V des Zahnkranzes 2 ein­ bauen zu können, wird der Rotor 3 erneut weiter gedreht, so daß eine entsprechende Ausnehmung auf dem Rotor 3 der Montageposition für den Innenzahn V gegenübersteht (Fig. 4c). Gleiches gilt für die Innenzähne VI und VII, die nach entsprechender Drehung des Rotors eingesetzt werden können (Fig. 4d, 4e). Das Einsetzen der Innenzähne erfolgt dabei in axialer Richtung, d. h. die Innenzähne werden parallel zur Drehachse des Zahnrades 3 in den Zahnkranz 2 eingeschoben.

Claims (8)

1. Zahnradsatz für hydraulische Zwecke mit einem Zahn­ kranz n Innenzähnen und einem Zahnrad mit n-1 Außen­ zähnen, dessen Mittelpunkt um eine Exzentrizität gegenüber dem Mittelpunkt des Zahnkranzes versetzt ist und um diesen rotiert, wobei sich das Zahnrad auf dem Zahnkranz abwälzt und auf den Zahnflanken jeden Zahnes jeweils eine Ausnehmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (3) Übermaß aufweist und jede Ausnehmung (10, 11) drei aufeinan­ derfolgende Krümmungsabschnitte (16, 17, 18) aufweist und mit der gleichen Tangente wie der ungestörte Zahnverlauf (12) beginnt und endet.

2. Zahnradsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe der Ausnehmung (10, 11) einige hunderstel Millimeter beträgt.

3. Zahnradsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die größte Tiefe der Ausnehmung (10, 11) im Bereich des Scheitelpunkts des mittleren Krümmungs­ abschnitts (17) vorliegt.

4. Zahnradsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb die Innenzähne (4) die Außenzähne (6) im Bereich der Ausnehmungen (10, 11) nicht berühren.

5. Zahnradsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangente (13) an die tiefste Stelle der Ausnehmung parallel zur Tangente (14) an die Stelle der ungestörten Zahnform (12) ist, die der tiefsten Stelle gegenüberliegt.

6. Zahnradsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Ausnehmung durch einen Punkt (B′, B′′) im Bereich der Zahnspitze (B) definiert ist, der bei einem Abwälzen des Zahnrades (3) auf dem Zahnkranz (2) zu dem Zeitpunkt Berührung mit einem Innenzahn (4′) des Zahnkranzes (2) hat, an dem der nächste Außenzahn (6′) des Zahnrades (3) mit dem nächsten Innenzahn (4′′) des Zahnkranzes (2) in Berührung kommt.

7. Zahnradsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der Ausnehmung (10, 11) durch einen Punkt (A′, A′′) auf der Zahnflanke (8, 9) definiert ist, der bei einem Abwälzen des Zahnrades (3) auf dem Zahnkranz (2) zu dem Zeitpunkt Berührung mit einem Innenzahn (4) des Zahnkranzes (2) hat, an dem die andere Zahnflanke (9, 8) in Kontakt mit dem nächsten Zahn des Zahnkranzes (2) kommt.

8. Verfahren zum Zusammenbauen des Zahnradsatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenzähne (I-VII) einzeln montiert werden, wobei das Zahnrad (3) nach der Montage eines jeden Innenzahnes in eine andere Lage gedreht wird, um Platz für den nächsten zu montierenden Innenzahn zu schaffen und die Innenzähne in axialer Richtung eingeführt werden.