DE4309859C2 - Zahnradmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zahnradmaschine nach der Gattung des Hauptanspruches. Derartige Zahnradmaschinen mit mindestens zwei Zahnrädern, von denen das getriebene Zahnrad mit einem harmonisch variablen Übersetzungsverhältnis angetrieben wird, sind beispiels­ weise aus der DE 40 22 500 A1 bekannt. Wird eine derartige Zahnrad­ maschine als Zahnradpumpe betrieben, wird aufgrund der variablen Übersetzung zwischen treibendem und getriebenem Zahnrad ein nahezu pulsationsfreier Förderstrom erzeugt. Dazu wird das treibende Zahn­ rad mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit angetrieben, während das getriebene Zahnrad seine Winkelgeschwindigkeit jeweils über den Verlauf einer Zahnteilung ändert. Die Verzahnungen derartiger Zahn­ radpumpen weisen in der Praxis ein mehr oder weniger großes Flanken­ spiel auf, so daß insbesondere bei drucklosem Betrieb der Pumpe das getriebene Zahnrad vom treibenden Zahnrad infolge seiner Trägheit bei Winkelgeschwindigkeitsänderungen abhebt. Dadurch kommt es zu einer stärkeren Geräuschentwicklung, die unter anderem durch den beim Abheben der Zahnflanke entstehenden hydraulischen Kurzschluß verursacht wird.

Zahnradmaschinen mit zwei im Außeneingriff kämmenden Zahnrädern sind darüberhinaus aus den Druckschriften DE 24 32 180 A1 und US 31 39 834 bereits bekannt. Deren Zahnräder sind zwar im Sinne der Erfindung als Hohlräder ausgeführt und im Falle des angetriebenen Zahnrads auf einem Bolzen oder einer gehäuseseitigen Achse drehbar gelagert, allerdings ist in keiner der beiden Druckschriften die der Erfindung zugrundeliegende Problematik angesprochen, wonach ungleichmäßig übersetzte Zahnräder während eines Zahneingriffs trägheitsbedingt voneinander abheben und ein Betriebsgeräusch verursachen können. Demzufolge sind für einen Durchschnittsfachmann diesen Druckschriften auch keine Hinweise in Bezug auf eine mögliche Geräuschverbesserung durch Verringerung der Massenträgheit der angetriebenen Zahnräder zu entnehmen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zahnradmaschine mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ohne merkliche Einbußen beim mechanischen und hydraulischen Wirkungsgrad die Geräuschbildung erheblich reduziert wird. Darüberhinaus kann in gewissem Umfang der Wirkungsgrad der Zahnradmaschine gesteigert wer­ den, da hydraulische Kurzschlüsse vermieden bzw. verringert werden.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß am getriebenen Zahnrad der Zahnradmaschine ein aufgrund des vorherrschenden Druckes und der Reibung einwirkendes Moment und das Massenträgheitsmoment zusammen­ wirken. Das sich aufgrund des vorherrschenden Druckes ergebende Mo­ ment und das Reibmoment wirken der Drehrichtung des Zahnrades ent­ gegen. Dabei ist das sich aufgrund des vorherrschenden Druckes erge­ bende Moment abhängig von der Lage des Dichtpunktes der beiden Zahn­ räder. Das Massenträgheitsmoment des Zahnrades wirkt der Winkelbe­ schleunigung entgegen. Im Betrieb der Zahnradmaschine bzw. Zahnrad­ pumpe wird das getriebene Zahnrad zum Beginn eines jeweiligen Zahn­ eingriffes relativ zum treibenden Zahnrad abgebremst. Ist in diesem Betriebszustand das sich aufgrund der Massenträgheit ergebende Dreh­ moment größer als das Betriebsmoment, hebt die getriebene Zahnflanke von der treibenden Zahnflanke ab. Um bei einer derartigen Zahnrad­ pumpe bzw. Zahnradmaschine das Abheben der getriebenen Zahnflanke wirksam zu verhindern, muß daher das Betriebsmoment erhöht werden oder das Massenträgheitsmoment des getriebenen Zahnrades muß ver­ ringert werden. Dabei führt ein Vergrößern des Betriebsmomentes (Reibmoment) zu einer Erhöhung der Verluste, d. h. zu einer Verringe­ rung des Wirkungsgrades. Auch eine Erhöhung des Gegendruckes (Ab­ laufdruckes) führt zu größeren Verlusten. Eine Erhöhung des Be­ triebsmomentes durch mechanisches Bremsen führt ebenfalls zu über­ höhten Verlusten und wäre aufwendig und teuer. Erfindungsgemäß wird daher das Massenträgheitsmoment des getriebenen Zahnrades dadurch verringert, daß das Zahnrad als Hohlrad ausgebildet und drehbar auf der im Gehäuse geführten Achse gelagert ist.

Darüberhinaus ist es vorteilhaft, wenn die Achse des getriebenen Zahnrades im Gehäuse gelagert ist. Dadurch kann die Lagerbemessung zwischen Achse und Zahnrad verringert werden, da bei steigendem Be­ triebsdruck und damit höherer Lagerpressung die Achse vom getriebe­ nen Zahnrad mitgenommen werden kann und eine Lagerung im Gehäuse er­ folgt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, die Lagerung des Zahnrades auf der Achse hydrostatisch zu entlasten. Dazu können im Zahnrad Bohrungen angebracht werden, die dieses im Bereich des Zahnfußes radial durch­ dringen. Damit wird eine Reduzierung der Lagerbelastung bzw. Lager­ reibung erreicht.

Um das Massenträgheitsmoment des getriebenen Zahnrades weiter zu verringern, ist es vorteilhaft, den Werkstoff des getriebenen Zahn­ rades so zu wählen, daß seine Dichte geringer ist als die herkömm­ lich dafür genutzter Materialien (z. B. Stahl).

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Be­ schreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Zahnradmaschine in vereinfachter Dar­ stellung und in Fig. 2 einen Schnitt längs II-II nach Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung ist mit 10 das Gehäuse einer Zahnradpumpe be­ zeichnet, das stirnseitig durch jeweils einen Deckel 11 bzw. 12 ver­ schlossen ist. Im Innenraum 10a des Gehäuses 10 kämmen zwei Zahn­ räder 13 und 14 im Außeneingriff miteinander. Das Zahnrad 14 ist drehfest mit einer Welle 16 verbunden, von der ein Wellenstumpf 16a ausgeht, der das Gehäuse 10 bzw. den Deckel 11 durchdringt. Die Welle 16 dient im Pumpenbetrieb der Zahnradmaschine als Antriebs­ welle. Das mit der Welle 16 verbundene Zahnrad 14 wird im nachfol­ genden als treibendes Zahnrad bezeichnet.

Das Zahnrad 13 (im nachfolgenden als getriebenes Zahnrad bezeichnet) ist drehbar auf einer Achse 15 gelagert. Die Achse 15 und die Welle 16 sind jeweils beiderseits der Zahnräder 13 bzw. 14 über Gleitlage­ rungen 20, 21 in Lagerkörpern 17 bzw. 18 gelagert. Diese Lagerkörper 17, 18 sind im Innenraum 10a des Gehäuses 10 angeordnet.

Das getriebene Zahnrad 13 ist - wie bereits zuvor angeführt - dreh­ bar auf der Achse 15 gelagert. Dazu ist das Zahnrad 13 als Hohlrad ausgebildet. Zur Lagerung dient ein die Achse 15 im Bereich des ge­ triebenen Zahnrades 13 umfassender Gleitlagerring 22.

Durch die Trennung von Zahnrad 13 und Achse 15, d. h. durch die dreh­ bare Lagerung des getriebenen Zahnrades auf der Achse wird das Massenträgheitsmoment erheblich reduziert, so daß das Abheben der getriebenen Zahnflanke von der treibenden Zahnflanke verhindert bzw. vermindert wird. Insbesondere bei kleinen Pumpengrößen mit schmalen Zahnrädern kann jedoch unter Umständen die Gleitlagerung des ge­ triebenen Zahnrades 13 auf der Achse 15 für längere Lebensdauern nicht ausreichen. Dann ist es vorteilhaft, die Achse 15 selbst dreh­ bar über die Gleitlagerungen 20 bzw. 21 in den Lagerkörpern 17 bzw. 18 zu lagern. Bei geringem Förderdruck und damit niedrigem Anpreß­ druck des getriebenen Zahnrades 13 an die Achse 15 bzw. an den Gleitlagerring 22 bewegt sich das getriebene Rad relativ zu der Achse. Dabei erfolgt die ungleichförmige Bewegung des getriebenen Rades relativ zu der Achse, die mit einer mittleren Winkelgeschwin­ digkeit rotiert. Steigt der Betriebsdruck bzw. Förderdruck an, führt dies zu einem höheren Anpreßdruck des Zahnrades 13 an den Gleit­ lagerring 22 bzw. die Achse 15, so daß diese vollständig mitgenommen wird und sich in den Gleitlagern 20 bzw. 21 dreht. Damit wird eine Lagerung erreicht, wie sie der herkömmlicher Zahnradmaschinen ent­ spricht.

Es ist auch möglich, die Lagerung des getriebenen Zahnrades 13 auf der Achse 15 hydrostatisch zu entlasten. Die dazu nötige Druckölver­ sorgung kann beispielsweise über radiale Bohrungen 23 erfolgen, die jeweils im Bereich eines Zahnfußes 24 das getriebene Zahnrad 13 durchdringen.

Zur weiteren Reduzierung des Massenträgheitsmomentes des getriebenen Zahnrades 13 kann dessen Durchmesser kleiner sein als der des trei­ benden Zahnrades 14. Darüberhinaus ist es für bestimmte Anwendungs­ gebiete vorteilhaft, die Dichte des Werkstoffes des getriebenen Zahnrades 13 zu verringern, indem Werkstoffe mit geringerer Dichte als die herkömmlicher Stähle verwendet werden. Mögliche Werkstoffe wären etwa Titan oder auch Kunststoffe, letztere vor allem bei An­ wendung mit geringen Drücken.

Eine weitere Reduzierung des Massenträgheitsmomentes kann durch eine Reduzierung der Masse an der Rückflanke des getriebenen Zahnrades erfolgen. Eine derartige Reduzierung ist beispielhaft an der Rück­ flanke 25 eines Zahnes 13a gestrichelt dargestellt.

Weiterhin kann das Massenträgheitsmoment des getriebenen Zahnrades 13 über eine entsprechende Anpassung des Verlaufes der Winkelge­ schwindigkeit über die Zeit erreicht werden. Durch einen unsymmetri­ schen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit, bei dem die Beschleunigungsphasen mit großer Winkelbeschleunigung und die Ab­ bremsphasen möglichst sanft ausgeführt sind, kann eine Geräuschmin­ derung erzielt werden bzw. ist eine Reduzierung des erforderlichen Gegenmomentes möglich. Das Übersetzungsverhältnis von treibendem Zahnrad 14 zu getriebenem Zahnrad 13 ist entsprechend auszubilden.

Dies führt allerdings zu einer Erhöhung der Pulsation, da von der idealen (für pulsationsfreie Förderung) Bewegung des Zahnrades abge­ gangen werden muß.

Um die beim Betrieb der Zahnradpumpe auftretende Lagerbelastung zu verringern, kann die radiale Abdichtung der Zahnradpumpe druckseitig erfolgen, statt wie üblich saugseitig. Dazu können - wie an sich be­ kannt - die Lagerkörper 17, 18 über radiale Druckfelder zwischen Lagerkörper und Gehäuse 10 im Bereich der Niederdruckseite der Zahn­ radmaschine gegen die Hochdruckseite des Gehäuses gepreßt werden. Dadurch kann die im Betrieb auftretende Lagerbelastung deutlich re­ duziert werden, womit die Lebensdauer der Gleitlagerung des ge­ triebenen Zahnrades wesentlich erhöht wird.

Claims (7)

1. Zahnradmaschine mit mindestens zwei in einem Gehäuse (10) drehbar geführten Zahnrädern (13, 14), von denen das treibende Zahnrad (14) drehfest mit einer Antriebs- bzw. Abtriebswelle (16) verbunden ist, deren Verzahnungen miteinander im Eingriff stehen, wobei das ge­ triebene Zahnrad (13) mit einem harmonisch variablen Übersetzungs­ verhältnis angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ge­ triebene Zahnrad (13) als Hohlrad ausgebildet und drehbar auf einer im Gehäuse (10) geführten Achse (15) gelagert ist.

2. Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (15) drehbar im Gehäuse gelagert ist.

3. Zahnradmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das getriebene Zahnrad (13) durch etwa radial verlaufende Boh­ rungen (23) im Zahnfuß (24) durchdrungen ist.

4. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das getriebene Zahnrad (13) aus einem Werkstoff be­ steht, dessen Dichte geringer ist als die von Stahl.

5. Zahnradmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das getriebene Zahnrad (13) aus Kunststoff besteht.

6. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das getriebene Zahnrad (13) einen kleineren Außen­ durchmesser als das treibende Zahnrad (14) hat.

7. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lagerung des getriebenen Zahnrades (13) auf der Achse (15) als Gleitlagerung ausgeführt ist.