DE4200883C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnradmaschine für Flüssigkeiten oder Gase mit einem Gehäuse, welches eine Zahnradkammer ent­ hält, die Zu- und Abflußöffnungen aufweist, mit einem in der Zahnradkammer angeordneten innenverzahnten Zahnring, und ei­ nem innerhalb des Zahnrings im Gehäuse drehbar angeordneten Ritzel, welches einen Zahn weniger als der Zahnring aufweist, mit diesem im Eingriff ist und bei Drehung zwischen seinen Zähnen und den Zähnen des Zahnrings umlaufende sich vergrößernde und verkleinernde Flüssigkeitszellen bildet, welche Flüssigkeit vom Zufluß zum Abfluß führen, wobei die Zahnköpfe des Ritzels und die Zahnlücken des Zahnrings die Form von Epizykoiden haben, die durch Abrollen eines ersten Rollkrei­ ses (generating circle) auf dem Wälzkreis (pitch circle) des Ritzels bzw. Zahnrings gebildet sind, wobei ferner die Zahn­ lücken des Ritzels und die Zahnköpfe des Zahnrings die Form von Hypozykloiden haben, die durch Abrollen eines zweiten Rollkreises auf dem Wälzkreis des Ritzels bzw. Zahnrings gebildet sind, und wobei schließlich der Radius des ersten Rollkreises anders ist als der des zweiten Rollkreises.

Die Zahnradmaschine gemäß der Erfindung kann sowohl als Pum­ pe für Flüssigkeiten oder Gase als auch als durch unter Druck stehende Flüssigkeiten oder Gase angetriebener Motor einge­ setzt werden. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist jedoch der Einsatz als Flüssigkeitspumpe. In der nachfol­ genden Beschreibung und auch in den Ansprüchen wird der Ein­ fachheit halber lediglich von Flüssigkeit gesprochen. In den Ansprüchen soll der Ausdruck Flüssigkeit daher zugleich auch Gase umfassen.

Die nachfolgende Erläuterung der Erfindung erfolgt ausschließ­ lich anhand einer Pumpe für Flüssigkeiten.

Die Zahnradmaschine gemäß der Erfindung kann eine solche sein, bei welcher der Zahnring fest im Gehäuse angeordnet ist, wo­ bei dann das Ritzel um den Kurbelarm einer Welle umläuft, wel­ che letztere zentral zur Innenverzahnung des Ritzels angeord­ net ist. Bevorzugt ist die Maschine nach der Erfindung jedoch eine solche, bei welcher der Zahnring in der Zahnradkammer umläuft und des exzentrisch zur Achse des Zahnrings und der Zahnradkammer gelagerte Ritzel mit einer ortsfesten Welle oder um eine solche Achse rotiert. Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Verwendung der als Innenzahnringpumpe ausge­ bildeten Maschine als Schmier- und Hydraulikflüssigkeitspumpe für Verbrennungsmotoren und automatische Getriebe, wo Förder­ drücke bis maximal 30 bar auftreten können. Für diesen Ein­ satz, bei welchem das Pumpenritzel vorzugsweise in Verlänge­ rung der Kurbelwelle des Motors bzw. der Hauptwelle des Ge­ triebes angeordnet oder von dieser Welle getragen ist, haben sich Innenzahnringpumpen als leise und schwingungsarme Pumpen bewährt. Die Anforderungen an die Laufruhe derartiger Pumpen steigen jedoch ständig infolge der immer besseren Laufruhe der Motoren und Getriebe.

Die meisten bekannten und realisierten Innenzahnradpumpen oder Zahnringpumpen für Verbrennungsmotoren und automatische Kraft­ fahrzeuggetriebe arbeiten mit Trochoidenverzahnungen, bei wel­ chen die Zahnflanken des Hohlrades oder des Ritzels von Kreis­ bögen begrenzt werden und das Gegenrad durch schlupffreies Abrollen in der durch die Kreisbögen vorgegebenen Verzahnung des anderen Rades definiert ist.

Zahnradpumpen der durch die Erfindung verbesserten Art sind seit langem bekannt, beispielsweise durch die GB-PS 2 33 423 aus dem Jahre 1925, oder die ebenfalls aus den 20er Jahren stammende Veröffentlichung "Kinematics of Gerotors" von Myron S. Hill. Eine moderne Anwendung der Zyloidenverzahnung für die oben erwähnte Verwendung in Verbrennungsmotoren und auto­ matischen Getrieben ist in der DE-PS 39 38 346 des Anmelders beschrieben. Die Pumpe nach dieser deutschen Patentschrift nützt die vorzüglichen kinematischen Eigenschaften der eine vollständige Zykloidenkontur aufweisenden Zähne und Zahnlücken bei einer Innenzahnringpumpe mit der Zähnezahldifferenz eins aus, um den Zahnring mit seiner Verzahnung auf der des Ritzels zu lagern, welches von der Kurbelwelle des Motors bzw. Haupt­ welle des automatischen Getriebes getragen ist. Auf diese Wei­ se kann die relativ starke Radialbewegung der Kurbelwelle aus­ geglichen werden, indem die Umfangslagerung des Zahnringes mit für diesen Ausgleich ausreichender Luft gewählt wird. Ebenso­ gut kann man auch den Zahnring mit geringem Spiel lagern und dann entsprechend großes Spiel zwischen der das Ritzel tragen­ den Welle und dem Ritzel vorsehen, wobei dann das Ritzel mit seiner Verzahnung in der des Zahnrings gelagert ist.

Derartige Pumpen stellen ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung dar.

Für die unerwünschte Geräuschentwicklung und den damit verbun­ denen Wirkungsgradabfall der bekannten Pumpen sind in erster Linie Druckpulsationen, also Förderstrompulsationen, verant­ wortlich sowie das Hämmern der Zähne in radialer und tangen­ tialer Richtung aufeinander. Die Förderstrompulsationen wer­ den durch Quetschöldruckspitzen, die zu Schwingungen im Zahn­ radlaufsatz führen, verstärkt. Im gleichen Sinne wirken Kra­ vitationsgeräusche, die in erster Linie durch das Zusammen­ brechen von Flüssigkeitsdampfblasen im Bereich des Druckraums der Pumpe entstehen.

Die Erfindung hat sich insbesondere die Aufgabe gestellt, die bekannten Zahnringmaschinen leiser zu machen, also die Geräuschentwicklung zu verringern, was einen wesentlichen Vorteil beim Einsatz dieser Maschinen als Schmierölpumpen in Kraftfahrzeugantriebs- und Getriebeaggregaten mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil der durch diese Geräuschverrin­ gerung erreicht wird, liegt in der Wirkungsgradverbesserung und eine Erhöhung der Lebensdauer der Zahnringmaschine.

Die Erfindung löst die Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruchs 1 dadurch, daß die auf dem jeweiligen Wälzkreis gemessene Umfangserstreckung der durch Hypozykloi­ den begrenzten Ritzelzahnlücken und Zahnringzähne das 1,5fache bis 3fache der auf dem jeweiligen Wälzkreis gemessenen Umfangserstreckung der durch Epizykloiden begrenzten Ritzel­ zähne und Zahnringzahnlücken beträgt und daß die Epizykloi­ den und die Hypozykloiden um ein solches Maß zu ihren Wälz­ kreisen hin abgeflacht sind, daß die Summe der beiden Abfla­ chungen dem erforderlichen relativ großen Radialspiel zwi­ schen den Zahnköpfen an der Stelle gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs entspricht, während die Zahnräder an der Stelle tiefsten Zahneingriffs mit sehr geringem Spiel miteinander kämmen.

Das erstgenannte Merkmal läßt sich auch dahingehend formulie­ ren, daß der Radius des die Hypozykloiden erzeugenden Roll­ kreises gleich dem 1,5fachen bis 3fachen Radius des die Epi­ zykloiden erzeugenden Rollkreises ist.

Bei der Verringerung des Zahnringmaschinengeräusches auf ein Mindestmaß geht die Erfindung davon aus, daß für die Förder­ strompulsationen - jedenfalls bei präziser Fertigung und ge­ ringem Spiel - bei Zahnringmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in erster Linie der Verlauf des instantanen Ver­ drängungsvolumens verantwortlich ist. Dieser wiederum hängt in erster Linie ab von der Lage der Abdichtpunkte zwischen dem Druckraum und dem Saugraum der Maschine über dem Drehwin­ kel des Ritzels bzw. des Zahnrings. Theoretisch, also bei ei­ ner spielfreien vollkommenen Verzahnung, fallen die Abdicht­ punkte mit den Schnittpunkten der Zahnflanken mit der Zahn­ eingriffslinie zusammen. Dabei sind die Abdichtpunkte im Be­ reich über den Druck- und Saugöffnungen ohne Belang, da dort die durch die Abdichtpunkte getrennten Flüssigkeitszellen durch die Saug- und Drucköffnungen sowieso miteinander ver­ bunden sind. Entscheidend ist also nur die Lage der Abdicht­ punkte im Bereich tiefsten Zahneingriffs und im Bereich ge­ genüber dieser Stelle. Die theoretische Eingriffslinie setzt sich bei Zahnringmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus drei einander an der Schnittstelle der Wälzkreise und der Verbindungsgeraden der beiden Zahnradmittelpunkte berüh­ renden Kreisen zusammen, welche symmetrisch zur Verbindungs­ geraden der beiden Zahnradmittelpunkte sind und von dieser Geraden halbiert werden.

Optimale Eingriffsverhältnisse im hier vor allem wichtigen Bereich tiefsten Zahneingriffs (in Abb. 1 oben) bietet die Zykloidenverzahnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das gilt allerdings nur dann, wenn das Spiel hier sehr ge­ ring ist. Der Verringerung des Zahnspiels sind allerdings unter anderem dadurch Grenzen gesetzt, daß es ohne übermäßi­ gen technischen Aufwand für die Serienfertigung nicht mög­ lich ist, ein gewisses Maß an Unrundheit des Zahnrings zu unterschreiten. Das hat zur Folge, daß nach dem Stand der Technik das Minimalspiel immer noch groß genug sein muß, um zu verhindern, daß eine metallische Berührung zwischen den Ritzelzahnspitzen und Ringzahnspitzen gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs (in Abb. 1 unten) erfolgt. Das zur Sicherstellung dieses Freigehens der Zähne voneinander ge­ genüber der Stelle tiefsten Eingriffs notwendige Spiel hat wiederum zur Folge, daß bei den bekannten Verzahnungen das "minimale Zahnspiel" immer noch verhältnismäßig groß ist. Das wiederum hat zur Folge, daß der Verlauf des Weges des Dichtpunktes im Bereich tiefsten Zahneingriffs vom theore­ tischen Verlauf erheblich abweicht. Um ein geringstmögliches Zahnspiel in diesem Bereich bei grißem Zahnspiel im Bereich gegenüber zu ermöglichen, werden gemäß dem zweiten kennzeich­ nenden Merkmal des Anspruchs 1 entweder die zusammenwirken­ den Zahnlücken des Zahnrings und Zähne des Ritzels oder aber die zusammenwirkenden Zähne des Zahnrings und Zahnlücken des Ritzels um ein solches Maß abgeflacht, daß die Zahnspitzen im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs mit Sicherheit voneinander freigehen. Die Abflachung der Zähne bewirkt daher das relativ große Zahnspiel im Bereich gegen­ über der Stelle tiefsten Zahneingriffs. Die Abflachung der Zahnlücken um das gleiche Maß gleich die dadurch bewirkte Erhöhung des Zahnspiels im Bereich tiefsten Zahneingriffs wieder aus.

Man kann die Abflachung natürlich auch auf die beiden oben erwähnten Zykloidengruppen, also auf die Epizykloiden und die Hypozykloiden, verteilen. Einfacher ist es jedoch, wenn man sie auf eine der beiden Gruppen beschränkt.

Auf diese Weise können die Zahnräder in Bereichen tiefsten Zahneingriffs mit tatsächlich minimalstem Spiel miteinander kämmen und sehr genau theoretische Höchstwerte annähern. Ein ungünstiger Einfluß der Abweichung der Dichtstellen zwischen miteinander kämmenden Zähnen im Bereich der Stelle tiefsten Zahneingriffs von dem theoretischen Verlauf wird dadurch auf ein Mindestmaß gebracht. Der negative Einfluß einer solchen Abweichung auf die Förderstrompulsation wird damit verringert.

In besonders hohem Maße wird jedoch die Förderstrompulsation durch das gewählte Zahndickenverhältnis gemäß dem ersten Merk­ mal des Anspruchs 1 verringert. Wie umfangreiche Versuche ge­ zeigt haben, ist die Förderstrompulsation also die Schwankung des Durchsatzes pro Zeiteinheit nicht unabhängig von dem ge­ wählten Zahnprofil, welches sich bei einer Zykloidenverzahnung besonders einfach durch die Veränderung des Verhältnisses der Zahndicken von Innenzahnring und Ritzel zueinander verändern läßt, ohne daß dadurch die Vorteile der Zykloidenverzahnung verloren gehen. Von dieser Tatsache macht das erste kennzeich­ nende Merkmal des Anspruchs 1 Gebrauch. Zeichnet man einmal die Schwankung des instantanen Verdrängungsvolumens, also den Quotienten aus der Differenz des maximalen Verdrängungsvolu­ mens und des minimalen Verdrängungsvolumens und dem mittleren Verdrängungsvolumen über dem Verhältnis der Breiten von Hohl­ radzahn und Ritzelzahn zueinander auf, so ergibt sich ein Minimum im Bereich zwischen Zahnbreitenverhältnissen von 1,5 und 3 für die Ungleichförmigkeit des instantanen Verdrängungs­ volumens.

Noch günstiger wird die Ausbildung, wenn man gemäß Anspruch 2 die Umfangserstreckung der Ritzelzahnlücken und Zahnring­ zähne 1,75- bis 2,25mal so groß wählt wie die Umfangser­ streckung der Ritzelzähne und der Zahnringzahnlücken.

Optimal werden die Bedingungen, wenn man gemäß Anspruch 3 die Ritzelzähne halb so dick wie die Zahnringzähne wählt, also den die Epizykloiden erzeugenden Rollkreis halb so groß macht wie den die Zypozykloiden erzeugenden Rollkreis.

Bevorzugt wird bei der Abflachung der Zahnprofile nur eine der beiden Gruppen von Zykloiden, also entweder die Epizy­ kloiden oder die Hypozykloiden, um das volle Maß des erfor­ derlichen Spiels abgeflacht, während die Abflachung der anderen Zykloidengruppe gleich Null ist. Hier wird es wie­ derum bevorzugt, daß gemäß Anspruch 5 die Epizykloiden ab­ geflacht werden.

Bei der Abflachung ist es natürlich wesentlich, daß sowohl die Abflachung der Zahnlücken als auch die Abflachung der mit diesen Zahnlücken zusammenwirkenden Zahnköpfe dem glei­ chen mathematischen Gesetz gehorchen. Die Abflachung kann zum Beispiel dadurch bewirkt sein, daß die radiale Höhe der Zähne und die radiale Tiefe der mit diesen Zähnen zusammen­ wirkenden Lücken des Gegenrades um ein geringes Maß verklei­ nert wird, das von der Zahnmitte bzw. Zahnlückenmitte bis zum Schnittpunkt der Zahnkontur mit dem Teilkreis stetig bis auf Null abnimmt. Dies stellt jedoch eine Abweichung von dem an sich optimalen Zykloidenprofil dar. Am einfachsten wird die Abflachung gemäß Anspruch 6 durch eine geringe radiale Verschiebung des die Zykloiden jeweils beschreibenden Punk­ tes vom Umfang des Rollkreises in Richtung zu dessen Mitte hin bewirkt. So wird eine Zykloidenkontur beibehalten.

Hierdurch entsteht zwar eine geringe Lücke in der Größenord­ nung eines winzigen Bruchteils eines Millimeters zwischen dem Anfangspunkt der abgeflachten Zykloide und dem entsprechenden Fußpunkt der nicht abgeflachten Zykloide auf dem Wälzkreis. Diese Lücke wird gemäß Anspruch 7 vorteilhaft dadurch über­ brückt, daß der Anfangspunkt und der Endpunkt der abgeflach­ ten Zykloide mit dem Anfangs- bzw. Endpunkt der nicht abge­ flachten Zykloide auf dem Wälzkreis durch eine Gerade ver­ bunden werden.

Das es sich bei der Abflachung der Zykloiden ja nur um eine minimale Korrektur zur Verringerung des an sich schon mög­ lichst gering gehaltenen Spiels handelt, genügt es, wenn ge­ mäß Anspruch 8 die Summe der beiden Zykloidenverschiebungen (wobei die eine Verschiebung wie oben gesagt auch gleich Null sein kann und bevorzugt auch ist) in der Zykloidenmitte ge­ messen den 2000sten bis 500sten Teil des Wälzkreisdurch­ messers des Zahnrings beträgt.

Bei relativ großen Zahnringdurchmessern wird man die genann­ te Summe mit einem 1000stel bemessen, während man bei klei­ nen Zahnringdurchmessern bis auf ein 500stel heraufgehen wird. Man erkennt hieraus, daß beispielsweise bei einem Zahn­ ringwälzkreisdurchmesser von 100 mm die Summe der beiden Zy­ kloidenabflachungen und damit auch der Abstände der Anfangs­ punkte der abgeflachten Zykloiden von dem zugehörigen Wälz­ kreis sich nur in der Größenordnung von 0,1 mm bewegt.

Dennoch wird durch diese Abflachungen erreicht, daß im Bereich tiefsten Zahneingriffs die beiden Zahnräder fast spielfrei miteinander kämmen können, während gegenüber dieser Stelle ein Spiel in der Größenordnung von maximal 0,1 mm zwischen den Zahnspitzen freigehalten wird, das in bestimmten Drehlagen der Zahnräder zum Ausgleich von Unrundheiten des Zahnrings und gegebenenfalls auch des Ritzels an der Stelle geringsten Durchmessers des Zahnrings bis gegen Null gehen kann.

Wenn auch gemäß der Erfindung das Zahnspiel an der Stelle tiefsten Eingriffs äußerst gering sein kann, so kann es na­ turgemäß nicht gleich Null sein. Hier kann das erforderliche minimale Zahnflankenspiel in Umfangsrichtung durch eine äquidistante Zurücknahme der Zahnkontur bewirkt sein. Das Maß dieser Zurücknahme kann beispielsweise den 10^-4fachen Durchmesser des Zahnringteilkreises betragen. Aus dieser Zahl erkennt man, wie gering das bei der Erfindung noch er­ forderliche Zahnspiel ist.

Bei Zahnringmaschienen sinkt naturgemäß mit steigender Zahl der Zähne die Förderstrompulsation; leider aber auch der För­ derstrom selbst. Daher ist man bestrebt, die Zähnezahl in der Zahnringmaschine so niedrig wie möglich zu halten, ohne durch allzu niedrige Zähnezahl eine zu große Förderstrompul­ sation und andere Nachteile einzuhandeln. Dementsprechend wird vorteilhaft die Zähnezahl des Ritzels zwischen 7 und 11 gewählt.

Um den Einfluß von abrupten Schwankungen des Druckes im För­ derstrom von Flüssigkeitspumpen zu verhindern, welche durch das Zusammenbrechen von durch Kravitation entstandenen Dampf­ blasen im flüssigen Förderstrom entstehen können, wird gemäß Anspruch 11 vorteilhaft im Zahnlückengrund wenigstens und vorzugsweise des Ritzels je eine schmale Axialnut vorgesehen.

Gemäß Anspruch 12 sind die Nuten vorteilhaft etwa ein Viertel bis ein Sechstel des Rollkreisumfangs vorzugsweise ein Fünf­ tel desselben breit.

Gemäß Anspruch 13 sind die Nuten vorteilhaft 2- bis 3mal so breit wie tief.

Die Axialnuten im Grund der Ritzelzahnlücken gewährleisten ei­ nen gewissen Totraum ohne daß jedoch die optimale Ausfüllung der Zahnlücken durch die Zahnköpfe des Zahnrings und damit auch die optimale Führung der Zahnräder aneinander und damit die einwandfreie Dichtung zwischen den Zähnen in störendem Umfang beeinträchtigt wird. In dem so erzeugten Totraum kön­ nen sich mit Dampf der Betriebsflüssigkeit gefüllte Kravita­ tionsblasen und Quetschöl sammeln ohne daß die Blasen durch die Funktion der Pumpe bzw. des Motors beschleunigt zum Zu­ sammenbrechen gezwungen werden. Da sich die Kravitationsbla­ sen wegen ihrer geringen Masse unter dem Einfluß der Flieh­ kraft nahe dem Zahngrund des Ritzels sammeln, wird die an sich negative Totraumwirkung der gemäß der Erfindung vorge­ sehenen Nuten auf ein vernachlässigbares Restminimum verrin­ gert.

Die oben gegebenen Richtlinien für die Bemessung der Nuten gehen davon aus, daß zu schmale Nuten ein zu geringes Aufnah­ mevermögen haben, während zu tiefe Nuten die Festigkeit des Ritzels beeinträchtigen und zu breite Nuten wiederum das Zu­ sammenwirken der Zahnradkonturen beeinträchtigen.

Gibt man den Nuten Rechteckprofil, so hat dies den Vorteil eines relativ großen Fassungsvermögens; gibt man ihnen ein stark gerundetes Profil, wie etwa ein Kreisbogenprofil, so hat dies den Vorteil einer geringstmöglichen Schwächung der Ritzelfestigkeit. Bei Rechtecknuten sind vorteilhaft die Kanten zwischen den Seitenwänden und dem Grund der Nuten ausgerundet, um Kerbwirkungen zu vermeiden. Auch die Kanten zwischen den Seitenwänden der Nuten und dem anschließenden Zahnlückengrund werden vorteilhaft kantig ausgebildet, um die volle Tragfähigkeit des Zahnlückengrundes so weit wie möglich beizubehalten. Diese Kanten sollen dennoch nicht scharfkantig sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Nuten auch im Zahnlückengrund des Hohlrades vorgesehen. Hier können die Nuten zwar keine Kravitationsblasen, wohl aber Quetschöl aufnehmen, was in manchen Fällen von Vorteil ist. Diese Nuten können meist kleiner gehalten werden als die im Zahnlückengrund des Ritzels.

Die Nuten können beispielsweise im Axialschnitt gesehen Kreis­ bogenprofil haben. Aus Fertigungsgründen wird es jedoch bevor­ zugt, daß die Nuten über die ganze Zahnbreite mit konstantem Profil durchlaufen.

Die beschriebene Nutenanordnung kann natürlich auch mit Vor­ teil bei anderen Zahnradmaschinen als denen nach dem Anspruch 1 eingesetzt werden; sie eignen sich sogar auch für Zahnrad­ maschinen mit Füllstück, bei welchen also die Zähnezahldiffe­ renz größer als 1 ist.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Ansicht auf eine Zahnring­ pumpe nach der Erfindung, wobei der Deckel wegge­ lassen ist, so daß die Zahnradkammer mit den Zahn­ rädern erkennbar ist.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte geometrische Konstruktion für die Abflachnung der Zykloiden in vergrößertem Maßstab.

Fig. 3a zeigt die linke Hälfte einer idealen spielfreien Verzahnung gemäß der Erfindung an der Stelle des tiefsten Zahneingriffs in noch stärker vergrößer­ tem Maßstab.

Fig. 3b zeigt eine ein reales Spiel aufweisende Verzahnung gemäß der Erfindung in gleicher Darstellung wie Fig. 3a.

Fig. 4 und 5 zeigen die Zahnräder der Pumpe gemäß Fig. 1 in verschiedenen Umlaufpositionen.

Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Ungleichförmigkeit des instantanen Fördervolumens in Abhängigkeit vom Ver­ hältnis der Hohlradzahnbreite zur Ritzelzahnbreite für eine Pumpe mit dem Zähnezahlverhältnis 7 : 8.

Die in Fig. 1 gezeigte Zahnringpumpe besitzt ein Gehäuse 1, in welchem eine zylinderförmige Zahnringkammer 2 ausgespart ist. Auf der Umfangsfläche der Zahnringkammer 2 ist mit sei­ ner zylindrischen Umfangsfläche der Zahnring 3 drehbar ge­ lagert. Der Zahnring 3 besitzt acht Zähne 4. Diese Zähne käm­ men mit den Zähnen 5 des Ritzels 6, welches drehfest auf ei­ ner das Ritzel antreibenden Welle 7 sitzt. Die Drehachse des Hohlrades 3 ist mit 8 bezeichnet; die des Ritzels 6 mit 9. Die Pumpe läuft wie durch den Pfeil angedeutet in Fig. 1 im Uhrzeigersinn um. Sie besitzt eine Ansaugöffnung 10 und eine Auslaßöffnung 11. Die Konturen dieser beiden Öffnungen liegen in Fig. 1 hinter den Zahnrädern und sind daher gestrichelt gezeigt.

Die Zu- und Abführkanäle zur Ansaugöffnung 10 und von der Auslaßöffnung 11 sind in Fig. 1 der Übersichtlichkeit hal­ ber nicht dargestellt.

Soweit bisher im Rahmen der Figurenbeschreibung erläutert, ist die Pumpe allgemein bekannt.

Bis auf die Abflachung der Zykloiden, das Verhältnis von Ritzelzahnbreite zu Innenzahnringzahnbreite und die Nuten 16 im Grunde der Ritzelzahnlücken entspricht die dargestellte Pumpe einer Pumpe gemäß dem deutschen Patent Nr. 39 38 346 bzw. der US-Patentanmeldung S. N. 5 93 135 vom 5. Oktober 1990.

Ferner ist in Fig. 4 die Breite der Ritzelzähne BE, die im Bogenmaß auf dem Ritzelwälzkreis TR gemessen wird, sowie die analog auf dem Innenzahnringwälzkreis TH gemessene Breite BH der Innenzahnringzähne eingetragen. In Fig. 4 ist ferner die theoretische Eingriffslinie E eingetragen. Der in Fig. 4 obe­ re Teil dieser Eingriffslinie ist in Fig. 3a noch einmal ver­ größert zu erkennen. Diese Eingriffslinie stellt wie gesagt den Weg des Punktes dar, an dem sich bei Umlauf der Zahnräder die Konturen der Ritzelzähne und Innenzahnringzähne berühren.

Geht man von der in Fig. 3a und Fig. 5 gezeigten Position der Zahnräder aus, so befindet sich der Eingriffspunkt zunächst am Ort EO (Fig. 3a). Von dort wandert der Eingriffspunkt längs des Halbkreises E1 zum Wälzpunkt C, also zu dem Punkt, an dem sich die beiden Wälzkreise TH und TR auf der Verbindungslinie der Zahnradmitten 8 und 9 berühren. Von C wandert der Ein­ griffspunkt auf dem Kreis E3 in Pfeilrichtung. Hat der Ein­ griffspunkt den Scheitelpunkt dieses Kreises auf der Geraden durch EO und C erreicht, so befindet sich die Mittellinie des in Fig. 3a links erkennbaren Ritzelzahnes auf der Geraden EO- C. Nun wandert der Eingriffspunkt weiter längs der linken Hälfte des Kreises E3 wieder zum Punkt C, an dem sich nun die linke Flanke des in Fig. 3a links ersichtlichen Ritzelzahnes befindet. Gleichzeitig wandert der Eingriffspunkt zwischen der Epizykloide des Ritzelzahnkopfes und der Hypozykloide des Innenzahnringes längs des Astes E2 zwischen den beiden Wälzkreisen nach unten in den Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs und dann wieder nach oben zum Punkt C (siehe Fig. 4).

Von diesem theoretischen Verlauf der Eingriffslinie weicht die Eingriffslinie in der Praxis oder, genauer gesagt, der Weg der Dichtstelle zwischen zwei Zähnen jedoch beträchtlich ab wegen des Spiels und der Fertigungsungenauigkeiten.

In Fig. 3a erkennt man ferner, daß in dem dort dargestellten theoretischen Idealfall dann, wenn sich der Hohlradzahn mit seiner Mittellinie auf der Achsabstandslinie der beiden Zahn­ räder befindet, sich zwischen der nacheilenden Zahnflanke des Hohlradzahnes und der treibenden Flanke des Ritzelzahnes bei einer Zykloidenverzahnung nur ein außerordentlich dünner Rest­ volumenstreifen VR befindet. Dieser muß während des noch fol­ genden Drehwinkelbereichs bis zur Optimalstelle verdrängt wer­ den, bis das Verdrängungsmaximum erreicht ist.

In der Praxis kann eine Verzahnung jedoch nicht ganz spiel­ frei laufen. Insbesondere ist deswegen ein relativ großes Spiel bisher erforderlich gewesen, weil im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs in dem dort notwendigen Abdichtbereich zwischen Saug- und Drucknieren ein für die Dichtwirkung an sich unerwünschtes ausreichendes Zahnkopf­ spiel vorhanden sein muß, damit dort kein Hemmen und kein Hämmern der Zähne gegeneinander auftritt. Dieses erforder­ liche Laufspiel am in Fig. 1 unteren Abdichtpunkt führt auch bei der bekannten Zykloidenverzahnung an der Abdichtstelle im Bereich tiefsten Zahneingriffs zu einem unerwünscht großen Spiel. Die Erfindung erlaubt es nun, an der Stelle tiefsten Zahneingriffs tatsächlich mit minimalem Spiel auszukommen, ohne deswegen das erforderliche relativ große Zahnspiel im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs zu beeinträchtigen. Die bevorzugte Möglichkeit zur Erzeugung der hierfür erforderlichen Abflachung der die Zahnlücken- und Zahnkonturen bildenden Zykloiden ist in Fig. 2 übertrieben dargestellt. Dort ist der Teilkreis des zu korrigierenden Zahnrades mit T bezeichnet. Nachfolgend sei angenommen, daß dies der Teilkreis des Ritzels sei.

In Fig. 2 erkennt man ferner den Rollkreis RH. Rollt dieser von der Stelle Z0 auf dem Teilkreis ausgehend auf der Innen­ seite des Teilkreises ab, so beschreibt der anfangs auf dem Punkt Z0 gelegene Punkt Y1 des Umfanges des Rollkreises RH eine Zykloide FR, die hier die Zahnlücke des Ritzels begrenzt. Verschiebt man nun auf dem Radius rH des Rollkreises RH den die Zykloide beschreibenden Punkt ein kleines Stück nach in­ nen auf den Mittelpunkt des Rollkreises RH zu bis in die Po­ sition X1, so befindet sich dieser Punkt X1 zunächst in der Ausgangslage, bei welcher der Punkt Y1 in Z0 ist, in der Po­ sition Z1. Rollt nun der Rollkreis RH auf den Teilkreis T wieder nach links, so beschreibt der Punkt X1 ebenfalls eine Zykloide FR1, deren Endpunkt allerdings in geringem Abstand vom Teilkreis liegen. Dieser Abstand entspricht in Fig. 2 dem Abstand Z1-Z0. In analoger Weise kann durch Abrollen des Rollkreises RE die Epizykloide FH, welche den Zahnkopf des Ritzels begrenzt, abgeflacht werden. In diesem Fall befindet sich der die abgeflachte Zykloide FH1 beschreibende Punkt X2 in der Ausgangsposition bei Z2. Auf diese Weise wurde sowohl der große links befindliche Ritzelzahngrund radial nach außen zum Teilkreis T hin verschoben, während die Ritzelzahnkontur von der Zykloide FH weg radial zum Teilkreis T hin abgeflacht wurde.

In der gleichen Weise werden die Zähne und Zahnlücken des Innenzahnrings abgeflacht. Die Konstruktion erfolgt so wie eben beschrieben, nur daß dann der Teilkreis T der Teilkreis des Innenzahnrings ist und der Rollkreis RH die Zahnkontur und der Rollkreis RE die Zahnlückenkontur erzeugt. Die abge­ flachten Zykloiden beginnen und enden bei der erfindungsge­ mäßen Konstruktion in geringfügigem Abstand vom Teilkreis T. In Fig. 2 ist dies der Abstand Z1-Z2. Dieser Abstand kann einfach durch eine Gerade überbrückt werden, da er gegenüber der stark übertriebenen Darstellung der Fig. 2 sehr gering ist. Hat man die Zähne wie eben beschrieben konstruiert, so erhält man zunächst eine im Bereich tiefsten Zahneingriffs spielfreie ideale Verzahnung, die Fig. 3a entspricht, jedoch gegenüber dem Bereich tiefsten Zahneingriffs ein Zahnspiel SR hat, das in der Position von Fig. 5 der Summe der Strecken Z0-Z1 und Z0-Z2 entspricht. Bei der Festlegung des Zahnspiels im Bereich tiefsten Zahneingriffs braucht nun nicht mehr auf die Unrundheit des Innenzahnringes Rücksicht genommen zu wer­ den, solange die Summe der beiden Verringerungen der Zahnhöhe von Ritzel und Innenzahnring groß genug ist, um eine metal­ lische Berührung der Zähne im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs mit Sicherheit zu verhindern. In der Praxis wird man natürlich nicht sowohl die Zähne des Ritzels als auch die des Hohlrades abflachen sondern lediglich nur ei­ ne dieser beiden Zahngruppen. Das ist einfacher. Jetzt kommt man tatsächlich mit einem nur noch minimalen Zahnspiel aus, das am einfachsten gewonnen wird, indem entweder die Kontur des Innenzahnrings oder die des Ritzels auf eine um einen oder wenige Hundertstel Millimeter hinter der gemäß Fig. 2 gewon­ nenen Zahnkontur FR1, FH1 liegende äquidistante Linie zurück­ genommen wird. In Fig. 5 ist die so gewonnene Zahnradpaarung noch einmal dargestellt. Man erkennt hier, daß das Umfangs­ zahnspiel SU nur einen kleinen Bruchteil des Spiels SR zwischen den Zahnköpfen im Bereich gegenüber der Stelle des tiefsten Zahneingriffs zu betragen braucht.

Fig. 3b zeigt die durch die Erfindung geschaffene Verzahnung in gleicher Darstellung wie Fig. 3a. Man erkennt hier, daß das minimale durch die Zurücknahme einer Zahnkontur um bei­ spielsweise ein Tausendstel des Wälzkreisdurchmessers bewirk­ te Zahnspiel durch das Flüssigkeitsvolumen VR ausgefüllt ist. Das so erzeugte Spiel oder der so erzeugte Spalt zwischen den beiden Zahnrädern in der in Fig. 3b gezeigten Position bewirkt, daß die vom angetriebenen Ritzel ausgeübte Antriebs­ kraft nicht, wie im theoretischen Fall, im Punkt E0 übertra­ gen, sondern über eine recht große Fläche verteilt wird, die dadurch entsteht, daß der minimale Spalt mit Förderflüssig­ keit gefüllt ist und diese Förderflüssigkeitspolster auf großer Breite die Antriebskraft überträgt. Bei den bisher nötigen großen Zahnspielen war die Anschmiegung der beiden Zahnkonturen aneinander sehr viel schlechter, so daß der Flüssigkeitsfilm nur auf wesentlich geringerer Breite trug und die Quetschölmenge wesentlich größer war. Die Berührung zwischen treibendem Ritzelzahn und getriebenem Hohlradzahn erfolgt bei der Erfindung großflächig, da die Dickenunter­ schiede der dünnen Förderflüssigkeitsschicht zwischen den beiden Zahnflanken so gering sind, daß der zum Abquetschen der Förderflüssigkeit aus dem Spalt in Fig. 3b nach links erforderliche Druck ausreicht, um die Drehmomentübertragung auf das Hohlrad zu bewirken. An die Stelle der in Fig. 3a ge­ zeigten Eingriffslinie E1 ist jetzt die in Fig. 3b gezeigte von dem Kurvenbündel E1′ bedeckte Fläche getreten.

Analog das gleiche was eben für das Zusammenwirken von Ritzel­ zahnlücke und Hohlradzahn beschrieben wurde, gilt für das Zu­ sammenwirken von Ritzelzahn und Hohlradzahnlücke. Hier wird die Eingriffslinie E3 zur Eingriffsfläche E3′.

Eine kraftübertragende Zahnberührung findet im Bereich der Eingriffslinienteile E4 und E5 der Fig. 3a nicht mehr statt.

Diese wird durch das große Zahnspiel im Umlaufbereich außer­ halb des Bereiches tiefsten Zahneingriffs verhindert. Ledig­ lich der erste Teil des Astes E2 bleibt noch erhalten für ein kurzes Stück.

Fig. 3b läßt schließlich noch erkennen, daß durch die erfin­ dungsgemäße Ausbildung mit minimalem Spalt VR zwischen den Verzahnungen in der in Fig. 3 gezeigten Position auch eine hervorragende Dichtung gewährleistet ist, da der verbleiben­ de Spalt VR auf seiner ganzen Länge außerordentlich schmal ist.

Wie aus Fig. 2 und 4 erkennbar, ist bei der Erfindung die auf dem Teilkreis T des jeweiligen Zahnrades 3, 6 gemessene Um­ fangserstreckung der durch Hypozykloiden FR1 begrenzten Zahn­ köpfe 4 bzw. Zahnlücken doppelt so groß wie die entsprechende Erstreckung der durch Epizykloiden FH1 begrenzten Zahnlücken bzw. -köpfe 5. Mit anderen Worten: der Rollkreis RH, der die Hypozykloiden FR1 beschreibt, soll einen etwa doppelt so großen Durchmesser haben wie der Rollkreis RE.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt noch darin, daß bei ihr praktisch keine radialen und tangentialen Beschleuni­ gungen und Verzögerungen zwischen den beiden Zahnrädern auf­ treten.

Allgemein gilt, daß für das radiale Laufspiel also die Ver­ kürzung der Zahnprofile, die auch im Bereich tiefsten Zahn­ eingriffs wirksam wird, auf eine einen oder wenige Hundert­ stel Millimeter zurückliegende Äquidistante zur Zykloide oder zur abgeflachten Zykloide in der Regel ein Sechstel bis ein Drittel des Laufspiels im Bereich gegenüber der Stelle tief­ sten Zahneingriffs genügt.

Aus obigem erkennt man schließlich, daß durch die erfindungs­ gemäße Spielverringerung ein besonderer Vorteil bei der Zahn­ radmaschine nach der deutschen Patentschrift Nr. 39 38 346 erreicht wird, bei welcher die Verzahnungen ineinander gela­ gert sind.

Wie Fig. 3b erkennen läßt, ist bei der Erfindung die Rest­ quetschölmenge, die bei der Weiterdrehung der Verzahnung aus der in Fig. 3b gezeigten Position in eine Position bei wel­ cher die Mittellinie des Ritzelzahnes auf der Achsabstands­ linie deckt - jedenfalls bei einer Ölpumpe -, nicht wesent­ lich mehr als der dünne Ölfilm, der sich ohne übermäßig ho­ he Drücke überhaupt nicht mehr von der Oberfläche entfernen läßt. Mit anderen Worten: es muß kaum noch Quetschöl ver­ drängt werden, da die im Spalt verbleibende Ölmenge den dün­ nen das Spiel gerade ausfüllenden Ölfilm mengenmäßig kaum überschreitet.

Das verringert die Förderstrompulsation ganz erheblich. Im gleichen Sinne wirkt die oben dargelegte erfindungsgemäße unterschiedliche Zahnkopfbreite. In Fig. 6 ist in der Abszis­ se das Verhältnis von Zahnbreite des Hohlrades zur Zahnbreite des Ritzels oder mathematisch ausgedrückt das Verhältnis des Durchmessers des die Hypozykloiden erzeugenden Rollkreises zum Durchmesser des die Epizykloiden erzeugenden Rollkreises aufgetragen. Die Ordinate zeigt den Ungleichförmigkeitsgrad des instantanen Fördervolumens A. Der Ungleichförmigkeits­ grad ist dann durch die Formel gegeben:

Fig. 6 zeigt die Verhältnisse bei einem Zähnezahlverhältnis von 7 : 8, wie es in Fig. 1, 4 und 5 gezeigt ist. Fig. 6 zeigt mit der dort erkennbaren Kurve die Abhängigkeit des Ungleich­ förmigkeitsgrades des instantanen Fördervolumens vom Verhält­ nis der Zahnbreiten. Dieses Verhältnis hat bei BH/BE=2 ein ausgeprägtes Minimum. Dort liegt der Ungleichförmigkeitsgrad nur noch bei etwa 2,5%, während er bei gleich breiten Zähnen mehr als 5% beträgt. Auf diese Weise trägt das gewählte Zahn­ breitenverhältnis gemäß der Erfindung ganz erheblich zu einer Verringerung der Förderstrompulsation bei, die wiederum ge­ räuschmindernd wirkt.

Um bei Zahnradmaschinen gemäß der Erfindung, die sich bereits durch geringe Schallentwicklung auszeichnen, die Lärmentwick­ lung auch bei höheren Drehzahlen wesentlich zu verringern, sind jeweils in der Mitte des Zahnlückengrundes des Ritzels 6 die Axialnuten 16 vorgesehen. Diese Nuten haben, wie aus der Zeichnung ersichtlich, Halbkreisprofil und gehen kantig aber nicht scharfkantig in die Zahnlückenoberfläche des Ritzels über.

Rotiert nun die Zahnradmaschine im Uhrzeigersinn, so sammeln sich die bei höherer Drehzahl entstehenden Kravitationsblasen in der Förderflüssigkeit aufgrund der Fliehkraft in den Nuten 16, wo sie mit nur minimalem Totraumeffekt über die Stelle tiefsten Zahneingriffs also den Wälzpunkt C hinweg in den Saugbereich transportiert werden. Ebenso können die Nuten hier Quetschöl aufnehmen. Wie Versuche gezeigt haben, wird hierdurch eine sehr beachtliche Geräuschverminderung und da­ mit auch eine entsprechende Wirkungsgradaufbesserung erreicht.

Zur Aufnahme von Quetschöl können auch analoge Nuten jeweils im Zahnlückengrund des Innenzahnrades bei 17 vorgesehen sein. Diese Nuten sind in Fig. 5 gestrichelt angedeutet.

Claims (13)

1. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor für Flüssigkeiten oder Gase)
mit einem Gehäuse, welches eine Zahnradkammer (2) enthält, die Zu- und Abflußöffnungen (10, 11) aufweist;
und mit einem in der Zahnradkammer (2) angeordneten innen­ verzahnten Zahnring (3) und einem innerhalb des Zahnrings (3) im Gehäuse (1) drehbar angeordneten Ritzel (6), welches einen Zahn (5) weniger als der Zahnring aufweist, mit die­ sem im Eingriff ist und bei Drehung zwischen seinen Zähnen (5) und den Zähnen (4) des Zahnrings (3) umlaufende sich vergrößernde und verkleinernde Flüssigkeitszellen bildet, welche Flüssigkeit vom Zufluß zum Abfluß führen;
wobei die Zahnköpfe des Ritzels (6) und die Zahnlücken des Zahnrings (3) die Form von Epizykloiden (FH) haben, die durch Abrollen eines ersten Rollkreises (RE) auf dem Wälz­ kreis (T) des Ritzels (6) bzw. Zahnrings (3) gebildet sind (Fig. 2);
wobei die Zahnlücken des Ritzels (6) und die Zahnköpfe des Zahnrings (3) die Form von Hypozykloiden (FR) haben, die durch Abrollen eines zweiten Rollkreises (RH) auf dem Wälz­ kreis (T) des Ritzels (6) bzw. Zahnrings (3) gebildet sind (Fig. 2);
und wobei der Radius des ersten Rollkreises (RE) anders ist als der des zweiten Rollkreises (RH);
dadurch gekennzeichnet,
daß die auf dem jeweiligen Wälzkreis (TH, TR) gemessene Um­ fangserstreckung (BH) der durch Hypozykloiden (FR1) begren­ zten Ritzelzahnlücken und Ringzähne (4) das 1,5fache bis 3fache der auf dem jeweiligen Wälzkreis (TH, TR) gemesse­ nen Umfangserstreckung (BE) der durch Epizykloiden (FH1) begrenzten Ritzelzähne (5) und Ringzahnlücken beträgt; und
daß die Epizykloiden (FH1) und/oder die Hypozykloiden (FR1) um ein solches Maß zu ihren Wälzkreisen (TH, TR) hin abge­ flacht sind, daß die Abflachung bzw. die Summe der beiden Abflachungen (Z0-Z1; Z0-Z2) dem erforderlichen relativ großen Radialspiel (SR) zwischen den Zahnköpfen im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs entspricht, während die Zahnräder (3, 6) an der Stelle tiefsten Zahn­ eingriffs mit weitaus kleinerem Spiel miteinander kämmen.

2. Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangserstreckung (BH) der Ritzelzahnlücken und Ringzähne (4) das 1,75fache bis 2,25fache der Umfangs­ erstreckung (BE) der Ritzelzähne (5) und Ringzahnlücken beträgt.

3. Zahnradmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangserstreckung (BH) der Ritzelzahnlücken und Ringzähne das 2fache der Umfangserstreckung (BE) der Ritzelzähne und Ringzahnlücke beträgt.

4. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zykloiden einer der beiden Gruppen von Zykloiden (Hypozykloiden (FR) und Epizykloiden (FH)) um das volle Maß des erforderlichen Spiels abgeflacht sind, während die Abflachung der Zykloiden der anderen Gruppe gleich Null ist.

5. Zahnradmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Epizykloiden (FH) abgeflacht sind.

6. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachung der Zykloiden (FR, FH) durch eine geringe radiale Verschiebung des die Zykloiden jeweils beschreibenden Punktes vom Umfang des Rollkreises (RH, RE) in Richtung zu dessen Mitte hin bewirkt ist (Fig. 2).

7. Zahnradmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangspunkt (Z1, Z2) und der Endpunkt jeder ab­ geflachten Zykloide (FR1, FH1) mit dem Anfangs- bzw. End­ punkt (Z0) der ursprünglichen nicht abgeflachten Zykloide (FR, FH) auf dem Wälzkreis (T) durch eine Gerade verbun­ den sind.

8. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachung bzw. die Summe der bei­ den Zykloidenabflachungen in der Zykloidenmitte gemessen den 2000sten bis 500sten Teil des Durchmessers des Wälz­ kreises (TH) des Zahnrings (3) beträgt.

9. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Stelle des tiefsten Zahnein­ griffs erforderliche minimale Zahnflankenspiel durch eine äquidistante Zurücknahme der Zahnkontur bewirkt ist.

10. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzel (6) sieben bis elf Zähne aufweist.

11. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß im Zahnlücken­ grund wenigstens des Ritzels (6) schmale Axialnuten (16) vorgesehen sind.

12. Zahnradmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (16) etwa ein Viertel bis ein Sechstel des Umfangs des die Zahnlücke erzeugenden Rollkreises (RH, RE) ein Fünftel desselben breit sind.

13. Zahnradmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nuten zweimal bis dreimal so breit wie tief sind.