DE4310210A1 - Hydraulische Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer hydraulischen Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei derarti­ gen hydraulischen Zahnradmaschinen handelt es sich um recht einfache Verdrängermaschinen, bei denen eine (mechanische) Drehbewegung mit einem (hydraulischen) Volumenstrom verknüpft ist. Nachteilig bei diesen Maschinen sind die fehlende bzw. minimale Verstellbarkeit des Verdrängungsvolumens und die relativ hohe Pulsation des Förderstroms bzw. der Winkelgeschwindigkeit und des Drehmomentes an der Abtriebs­ welle. Das Fördervolumen bzw. Verdrängungsvolumen einer derartigen Zahnradmaschine wird im wesentlichen durch die Zahnradbreite, den Kopfkreisdurchmesser der Zahnräder und den Achsabstand vorgegeben. Um das Fördervolumen bzw. Verdrängungsvolumen einer derartigen Zahn­ radmaschine im wesentlichen verlustfrei zu verändern, müßte zumin­ dest eine dieser drei Größen verändert werden. Da die Größen Rad­ breite und Kopfkreisdurchmesser bei gegebenen, herkömmlichen Zahn­ rädern konstant sind, bliebe eine Änderung des Achsabstandes.

Eine wirkungsvolle Achsabstandsveränderung bei derartigen hydrau­ lischen Zahnradmaschinen, die zu einer annehmbaren Veränderung des Fördervolumens bzw. Verdrängungsvolumens führen würde, ist bisher nicht möglich, da die Zahnräder auch im Extremfall nur so weit aus­ einandergerückt werden können, daß die Eingriffsüberdeckung nicht unter den Minimalwert 1 fällt. Damit ist aber nur eine sehr geringe Veränderung bzw. Reduzierung des Fördervolumens möglich. Eine Zu­ rückstellung der Zahnradmaschine auf Nullförderung ist nicht mög­ lich. Darüberhinaus müssen die Zahnräder derartiger Zahnradmaschinen an drei Bereichen mit einem Dichtpartner zusammenwirken. Im Bereich des Zahneingriffes greifen die beiden Zahnräder bzw. das jeweils miteinander kämmende Zahnpaar ineinander. An der Stirnseite und am Kopfkreisdurchmesser der Zahnräder wirken diese mit jeweils orts­ festen Dichtpartnern zusammen. Insbesondere die Abdichtung an den Stirnseiten und an den Kopfkreisen muß über eine relativ große Fläche bzw. einen relativ großen Umfang erfolgen, so daß bei einer derartigen Zahnradmaschine mit veränderbarem Achsabstand hoher fer­ tigungstechnischer Aufwand betrieben werden muß.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße hydraulische Zahnradmaschine mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor­ teil, daß mit relativ geringem Bauaufwand eine Zahnradmaschine ge­ schaffen wird, deren Verdrängungsvolumen bzw. Fördervolumen über weite Bereiche veränderbar ist und daß insbesondere eine Nullförde­ rung eingestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Zahnradmaschine hat darüberhinaus den Vorteil, daß die abzudichtenden Bereiche an den Stirnseiten und Umfangsseiten der Zahnräder relativ klein sind und somit das Zusammenwirken von Dichtpartnern mit entsprechend ge­ ring tolerierten Maßen auf kleine Bereiche beschränkt ist.

Weiterhin wird durch die räumlich eng begrenzte Hochdruckbeaufschla­ gung der Zahnräder die Lagerlast der Zahnräder bzw. der diese füh­ renden Wellen bzw. Achsen verringert. In einer vorteilhaften Ausge­ staltung der Zahnradmaschine kann darüberhinaus der pulsierende An­ teil des Momentanförderstroms bzw. des abgegebenen Drehmomentes ver­ mindert bzw. zu Null kompensiert werden. Damit wird näherungsweise zumindestens im Hauptbetriebsbereich der Zahnradmaschine ein kon­ stanter, pulsationsfreier Betrieb ermöglicht.

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

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnradmaschine in ver­ einfachter Darstellung und in Fig. 2 ein Detail dieser Zahnradma­ schine nach Fig. 1. Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfachter Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 das Gehäuse einer Zahnradmaschine bezeichnet, das an seinen Stirnseiten durch - nicht dargestellte Gehäusedeckel verschlossen ist. Der Innenraum 11 des Gehäuses 10 wird im wesent­ lichen durch drei Zylinderbereiche 12 bis 14 gebildet, von denen die Zylinderbereiche 12 und 13 bzw. 13 und 14 ineinander übergehen.

Der Innenraum schließt weiterhin jeweils einen etwa zwickelförmigen Bereich 15 bzw. 16 zwischen den ineinandergreifenden Zylinderbe­ reichen 12 und 13 bzw. 13 und 14 mit ein. Weiterhin ist ein Zwickel 17 eingeschlossen, der an drei Seiten durch jeweils einen der Zylin­ derbereiche 12 bis 14 definiert ist. Nach außen ist dieser Zwickel 17 durch das Gehäuse 10 bzw. durch die Gehäusewand begrenzt. Zusätz­ lich ist der Innenraum 11 auf der dem Zylinderbereich 12 abgewandten Seite des Zylinderbereiches 13 um einen sichelförmigen Abschnitt 18 erweitert, so daß der Zylinderbereich 13 die Querschnittsform eines Langloches erhält.

Im Innenraum 11 des Gehäuses 10 sind drei Zahnräder 20 bis 22 mit relativ großem Spiel zu den sie umgebenden Gehäusewänden geführt, deren Achsen bzw. Wellen 23 bis 25 in den - nicht dargestell­ ten - Gehäusedeckeln gelagert sind. Das im Zylinderbereich 12 ge­ führte Zahnrad 20 kämmt im Außeneingriff mit dem im Zylinderbereich 1 3 geführten Zahnrad 21. Dieses wiederum kämmt im Außeneingriff mit dem im Zylinderbereich 14 geführten Zahnrad 22.

In den zwickelförmigen Bereich 15 im Innenraum 11 des Gehäuses 10 mündet ein Niederdruckanschluß 27. Im Bereich des Zwickels 17 ist ein hochdruckbeaufschlagter Druckraum 33 ausgebildet, der durch die Zahnräder 20 bis 22 bzw. die im Eingriff befindlichen Zahnpaare der Zahnräder 20 und 21 bzw. 21 und 22 begrenzt ist. Zur weiteren Ab­ dichtung dieses Druckraumes 33 ist in den Zwickel 17 ein Füllstück 34 eingesetzt, das auf einem Teil des Außenumfangs der Zahnräder 20 und 22 anliegt.

In den so begrenzten Druckraum 33 mündet ein Hochdruckanschluß 35, der das Füllstück 34 durchdringt und über einen das Gehäuse 10 durchdringenden Druckkanal 36 mit einem nicht dargestellten Ver­ braucher verbunden ist. Der Hochdruckraum 35 ist bei Verwendung der Zahnradmaschine als Pumpe - wie im nachfolgenden noch näher er­ läutert - ausgangsseitiger Druckraum des durch die Zahnräder 20 und 21 gebildeten Hauptzahnradpaares 38 und gleichzeitig eingangsseitiger Druckraum des durch die Zahnräder 21 und 22 gebildeten Sekundärzahnradpaares 39.

Die beiden Zahnräder 20 und 22 sind mit ihren Wellen bzw. Achsen 23 bzw. 25 ortsfest in den Gehäusedeckeln bzw. im Gehäuse 10 gelagert. Dabei dient die Welle 25 des Zahnrades 22 im Fall des Pumpenbetrie­ bes als Antriebswelle und im Fall des Motorbetriebs der Zahnradma­ schine als Abtriebswelle. Die Achse 24 des gemeinsamen Zahnrades 21 ist dagegen verschieblich in den Gehäusedeckeln gelagert. Die Achse 24 ist dazu in entsprechenden (kreisbogenförmigen) Langlöchern 41 geführt und kann senkrecht zu ihrer Längserstreckung auf einem Kreisbogen 43 um die Achse 25 des Zahnrades 22, von der Verbindungs­ linie 42 zwischen den Achsen 23 und 24 ausgehend, verschoben werden. Das Zahnrad 21 bewegt sich dabei im Zylinderbereich 13 und dem an­ grenzenden sichelförmigen Abschnitt 18.

Um den Betrieb der Zahnradmaschine in jeder der möglichen Positionen der Achse 24 zu gewährleisten, sind die Zahnformen der drei Zahn­ räder 20 bis 22 so ausgebildet, daß in jeder Lage des Zahnrades 21 sich bei Umdrehung der Zahnräder ständig jeweils mindestens ein Zahnpaar der Zahnräder 20 und 21 bzw. 21 und 22 kämmend und dichtend berühren.

Wird die Zahnradmaschine - wie in Fig. 1 dargestellt - als Zahnrad­ pumpe derart betrieben, daß das Zahnrad 22 über die Antriebswelle 25 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Dadurch dreht sich das Zahnrad 21 ge­ gen den Uhrzeigersinn.

Über dieses Zahnrad 21 wird weiterhin das mit diesem zusammenwirken­ de Zahnrad 20 im Uhrzeigersinn verdreht. Die jeweils im Hauptzahn­ radpaar 38 und Sekundärzahnradpaar 39 zusammenwirkenden Zahnräder 20 und 21 bzw. 21 und 22 kämmen jeweils im Eingriffsbereich miteinan­ der, wobei jeweils ein Zahnpaar dichtend im Eingriff steht. Der Ein­ griffsbereich der beiden Zahnräder 20 und 21 ist dafür beispielhaft in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Durch die vorbeschriebene Drehbe­ wegung der Zahnräder wird Druckmittel vom Niederdruckanschluß 27 über die Zahnkammern des Zahnrades 20 an dessen Außenumfangs ent­ lang, der im Bereich des Füllstückes 34 radial abgedichtet ist, zum Druckraum 33 befördert. Dieser Druckraum steht über den Hochdruckan­ schluß 35 und den Druckkanal 36 mit einem Verbraucher in Verbindung, wodurch der Druckanschluß 35 bzw. der Druckraum 33 Ausgangsanschluß des Hauptzahnradpaares ist. Gleichzeitig ist der Druckraum 33 Ein­ gangsanschluß des Sekundärzahnradpaares 39, d. h. Druckmittel aus dem Druckraum 33 wird durch die Zahnkammern des Zahnrades 22 entlang dessen im Bereich des Füllstückes 34 radial abgedichteten Außenum­ fangs zum zwickelförmigen Bereich 16 gefördert. Über den sichelför­ migen Abschnitt 18 und über den Ringraum 44 zwischen Zahnrad 21 und Gehäusewand besteht eine Verbindung zum zwickelförmigen Bereich 15 und damit zum Niederdruckanschluß 27. Dieser steht auf nicht darge­ stellte Weise mit einer Druckmittelquelle in Verbindung. Das Haupt­ zahnradpaar 38 und das Sekundärzahnradpaar 39 werden also ge­ gensinnig betrieben, d. h. in der dargestellten Nutzung der Zahnrad­ maschine als Zahnradpumpe und in der dargestellten Lage und Dreh­ richtung des gemeinsamen Zahnrades 21 wirkt das Hauptzahnradpaar 38 als Pumpe, während das Sekundärzahnradpaar 39 als Motor mitläuft. Der an einen Verbraucher über den Hochdruckanschluß 35 und den Druckkanal 36 abzuführende Volumenstrom setzt sich demnach aus einem (positiven) Hauptvolumenstrom und einem (negativen) Sekundärvolumen­ strom zusammen.

Der (Momentan-) Förderstrom einer Zahnradpumpe mit zwei Zahnrädern ist - wie bereits zuvor angeführt - abhängig vom Kopfkreisdurch­ messer D_K bzw. Kopfkreisradius R_K, der Breite b der Zahnräder, dem Achsabstand a dieser Zahnräder und dem Abstand ρ(ϕ) des momentan dichtenden Eingriffspunktes E vom Wälzpunkt W.

Dabei sind die Größen Kopfkreisradius R_K, Breite b und Achsabstand a unabhängig vom Drehwinkel ϕ. Der Abstand ρ(ϕ) zwischen dem momen­ tan dichtenden Eingriffspunkt und Wälzpunkt (s. Fig. 2) schwankt dagegen periodisch in Abhängigkeit vom Eingriffswinkel ϕ. Der ge­ samte (Momentan-) Förderstrom der in Fig. 1 dargestellten Zahnrad­ maschine setzt sich also zusammen aus den Momentan-Förderströmen des Hauptzahnradpaares 38 und des Sekundärzahnradpaares 39. In diesem Ausführungsbeispiel sind die drei Zahnräder 20 bis 22 so ausgebil­ det, daß ihre Breite b, ihre Zähnezahl z und ihr Kopfkreisradius R_K jeweils gleich sind. Damit ist der gesamte Förderstrom der Zahnradmaschine bei Vernachlässigung der durch den periodisch schwankenden Abstand ρ(ϕ) hervorgerufenen, schwankenden Anteile im wesentlichen abhängig von den Achsabständen a_H des Hauptzahnrad­ paares 38 und a_S des Sekundärzahnradpaares 39. In der in Fig. 1 dargestellten Position des gemeinsamen Zahnrades 21 ist der Achsab­ stand a_H des Hauptzahnradpaares 38 minimal. Der Achsabstand a_S des Sekundärzahnradpaares 39 ist größer, und zwar vorteilhafterweise gerade soviel, daß der Überdeckungsgrad für die Verzahnung des Se­ kundärzahnradpaares 39 nur noch knapp über dem Wert 1 liegt. Damit ergibt sich für das Hauptzahnradpaar 38 ein Teilvolumenstrom, der vom Betrag her maximal ist. Dabei ist der Teilvolumenstrom des Hauptzahnradpaares 38 deutlich größer als der des Sekundärzahnrad­ paares 39, so daß sich aufgrund deren gegensinnigen Zusammenwirkens ein positiver Maximalförderstrom ergibt. Wird das gemeinsame Zahnrad 21 auf der Kreislinie 43 nach außen verschoben, vergrößert sich der Achsabstand a_H des Hauptzahnradpaares 38 um einen Betrag Δa, der in Fig. 1 nur näherungsweise dargestellt ist.

Durch die Vergrößerung des Achsabstandes a_H gegenüber seinem ur­ sprünglichen Wert verringert sich der Momentanförderstrom des Haupt­ zahnradpaares 38 gegenüber dem unveränderten (negativen) Momentan­ förderstrom des Sekundärzahnradpaares 39, so daß der gesamte Förder­ strom kleiner wird.

Wird das gemeinsame Zahnrad 21 bis in seine äußere Endstellung ver­ schoben, wird der Achsabstand a_H des Hauptzahnradpaares 38 maxi­ mal. In dieser äußeren Endstellung sind der Achsabstand a_H des Hauptzahnradpaares 38 und der Achsabstand a_S des Sekundärzahnrad­ paares 39 gleich, so daß sich die beiden Teilförderströme zu Null ergänzen. Würde man das gemeinsame Zahnrad 21 über diese äußere End­ position weiter nach außen verschieben, würde sich der Achsabstand a_H des Hauptzahnradpaares 38 weiter gegenüber dem Achsabstand a_S des Sekundärzahnradpaares 39 vergrößern. Das würde zu einer Umkeh­ rung der Förderrichtung führen (Getriebepumpe). Damit ließe sich die Zahnradmaschine als Getriebepumpe im Mehrquadrantenbetrieb ein­ setzen. Aufgrund der sich durch die Umkehrung der Förderrichtung er­ gebende Umkehr der Druckrichtung müssen jedoch die Zahnräder und ihre Abdichtung so gewählt werden, daß im Eingriffsbereich ein Ver­ tauschen der hochdruckbeaufschlagten Druckräume möglich wäre.

In Abweichung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels lassen sich die Zahnräder auch mit voneinander verschiedenen Ab­ messungen und/oder Zähnezahlen ausbilden, ohne den Einfluß des ver­ änderlichen Achsabstandes zu verlieren. Dabei ist jedoch stets zu gewährleisten, daß in allen möglichen Verstellpositionen des ge­ meinsamen Zahnrades bei beiden Zahnradpaaren ständig mindestens ein Zahnpaar dichtend und kämmend im Eingriff stehen muß.

In Fig. 2 ist die Eingriffsgeometrie der beiden miteinander kämmen­ den Zahnräder 20 und 21 des Hauptzahnradpaares 38 vergrößert darge­ stellt. Die beiden miteinander kämmenden Zahnräder 20 und 21 greifen im Eingriffsbereich so ineinander, daß ständig mindestens ein Zahn­ paar 201, 211 bzw. 202, 212 miteinander im Eingriff steht. Das Zahn­ paar 201, 211 berührt sich dabei im Eingriffspunkt E1(ρ) bzw. auf der Eingriffslinie E, während das zweite Zahnpaar 202, 212 sich im Eingriffspunkt E2(ϕ) bzw. auf der Eingrifflinie E aneinanderlegt. Diese Eingriffspunkte E1(ϕ) und E2(ϕ) sind drehwinkelabhängig und bewegen sich bei der Drehung der Zahnräder entlang der Eingriffs­ linie E. Diese Eingriffslinie E geht durch den Wälzpunkt W, der wie­ derum auf der Verbindungslinie 42 der Mittelachsen der beiden Zahn­ räder 20 und 21 liegt. Beim Durchlaufen der Eingriffslinie E über­ streicht jeder Eingriffspunkt E1(ϕ) bzw. E2(ϕ) den Bereich der Steuernut 46 und den Bereich der Steuernut 47 sowie die dazwischen liegende Dichtzone 48. Beim Überstreichen der Dichtzone 48 liegt dann das jeweils im Eingriff befindliche Zahnpaar dichtend aneinan­ der (in Fig. 2 Zahnpaar 202, 212 bzw. E2(ϕ)). Die Dichtzone 48 bzw. die Steuernuten 46, 47 sind in Abhängigkeit von Zahnform und Zahnge­ ometrie so bemessen, daß jeweils nur ein Zahnpaar dichtend (d. h. im Bereich der Dichtzone 48) im Eingriff steht, d. h., wenn ein vor­ laufendes Zahnpaar (z. B. 202, 212) den Bereich der Dichtzone 48 verläßt, muß das nachfolgende Zahnpaar (z. B. 201, 211) in die Dichtzone einlaufen. Dabei hat jeder dichtende Eingriffspunkt E2(ϕ) einen sich mit dem Drehwinkel ϕ ändernden Abstand ρ(ϕ) zum Wälzpunkt W. Dieser Abstand ρ(ϕ) hat einen ersten Maximalwert beim Einlaufen des jeweiligen Zahnpaares in die Dichtzone 48, d. h. wenn der Ein­ griffspunkt E2(ϕ) den Übergang 49 zwischen Steuernut 46 und Dicht­ zone 48 überstreicht. Zu diesem Zeitpunkt gerät der andere Ein­ griffspunkt E1(ϕ) in den Bereich der Steuernut 47. Der Abstand ρ(ϕ) geht bei fortlaufender Drehung gegen Null (beim Durchlaufen des Wälzpunktes W), um dann wieder gegen den zweiten Maximalwert bei Überstreichen des Überganges 50 zwischen Dichtzone 48 und Steuernut 47 anzusteigen. Zum Betrieb der Zahnradmaschine ist es erforderlich, daß sich ständig mindestens ein Zahnradpaar dichtend im Eingriff befindet, d. h. bevor ein vorlaufendes Zahnpaar (z. B. 202, 212) den Bereich der Dichtzone 48 verläßt, muß das nachfolgende Zahnpaar be­ reits in die Dichtzone 48 einlaufen. Dieser dichtende Eingriff eines Zahnpaares muß in allen Positionen des gemeinsamen Zahnrades 21 ge­ währleistet sein, insbesondere wenn der Achsabstand a_H maximal wird. Die Zahngeometrie der Zahnräder ist entsprechend auszulegen.

In Fig. 3 ist eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiels vereinfacht dargestellt, bei dem der Achsabstand des Sekundärzahnradpaares 39A verändert wird, während der Achsab­ stand des Hauptzahnradpaares 38A unverändert bleibt. Das gemeinsame Zahnrad 21A ist mit seiner Achse 24A dabei so geführt, daß sich diese von der Verbindungslinie 42A ausgehend verschieben läßt.

Diese Verbindungslinie verbindet die Mittelpunkte der Zahnräder 21A und 22. Analog zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Verschiebung entlang einer Kreislinie 43A um den Mittelpunkt des Zahnrades 20, so daß der Achsabstand a_H des Hauptzahnradpaares 38A unverändert bleibt. In der in Fig. 3 dargestellten Position des ge­ meinsamen Zahnrades ist der Achsabstand a_S des Sekundärzahnrad­ paares 39A maximal und größer als der Achsabstand a_H des Haupt­ zahnradpaares 38A. Damit überwiegt (vom Betrag her) der Förderanteil des Hauptzahnradpaares, so daß der maximale Gesamtvolumenstrom er­ reicht wird. Wird das gemeinsame Zahnrad 21A entlang der Kreislinie 43A in Richtung auf das Zahnrad 22 verschoben, verringert sich der Achsabstand a_S des Sekundärzahnradpaares 39A, während der Achsab­ stand a_H des Hauptzahnradpaares 38A gleich bleibt. Dadurch ver­ größert sich der (negative) Teilvolumenstrom des Sekundärzahnrad­ paares 39A, so daß der Gesamtvolumenstrom abnimmt. Wird das gemein­ same Zahnrad 21A bis in seine obere Entstellung verschoben, sind die Achsabstände a_H und a_S der beiden Zahnradpaare gleich, so daß sich die Teilvolumenströme gegenseitig aufheben. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine Verschiebung über die hier dargestellte innere Endstellung hinaus vorzunehmen, womit eine Um­ kehr des Volumenstroms erreicht werden kann. Auch hier gelten die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ge­ machten Einschränkungen.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Zahnradma­ schine mit der Veränderung des Achsabstandes eines der beiden Zahn­ radpaare läßt sich eine annähernd lineare Verstellung des theoreti­ schen Förderstromes ermöglichen. Eine Verstellung mit kürzeren Ver­ stellwegen läßt sich erreichen, wenn die Verschiebung des gemein­ samen Zahnrades so erfolgt, daß die Achsabstände a_H und a_S sich gegenläufig ändern (s. Fig. 4).

Das gemeinsame Zahnrad 21B dieser zweiten Abwandlung des Ausfüh­ rungsbeispiels wird hier in einem Winkel zu beiden Verbindungslinien der Zahnradpaare 38B bzw. 39B so verschoben, daß sich die beiden Achsabstände a_S und a_H gegenläufig ändern, d. h. eine Vergröße­ rung des Achsabstandes a_H des Hauptzahnradpaares 38B führt zu einer Vergrößerung des Achsabstandes a_S des Sekundärzahnradpaares 39B. Die Verschiebungslinie 43B liegt vorteilhafterweise so, daß die Änderungen der Achsabstände vom Betrag her etwa gleich sind. Die notwendige Änderung der einzelnen Achsabstände zum Erreichen der Nullförderung sind somit nur etwa halb so groß wie in den Aus­ führungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig. 3. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß die von der Achsabstandsänderung betroffenen Flankenbereiche der Zahnräder relativ klein bleiben und auch das Flankenspiel der Zahnräder klein ausgeführt werden kann.

Bei den bisherigen Ausführungen wurden die pulsierenden Anteile am Förderstrom bzw. am abgegebenen Drehmoment der Zahnradmaschine ver­ nachlässigt. Mit den hier dargestellten Zahnradmaschinen läßt sich jedoch bei geeigneter Auslegung der Zahngeometrie und des Verschie­ bungsweges auch eine Verminderung bzw. ein Ausgleich des pulsierenden Anteils am Förderstrom bzw. am Drehmoment erreichen. Damit wird es möglich, diese Größen zeitlich vollkommen oder zumin­ dest näherungsmäßig konstant zu machen.

Der theoretische Momentanförderstrom einer Zahnradmaschine mit zwei Zahnrädern ist - wie bereits angeführt u. a. abhängig vom Abstand ρ(ϕ) des momentan abdichtenden Eingriffspunktes E(ϕ) vom Wälzpunkt W der jeweils miteinander kämmenden Zahnräder. Dieser Abstand ρ(ϕ) ist - wie in Fig. 2 ersichtlich abhängig vom Drehwinkel der Zahnräder und schwankt periodisch.

Da alle bei derartigen Zahnradpaarungen realisierbaren Eingriffs­ linien durch den Wälzpunkt W laufen, erhält man aufgrund des quadra­ tischen Einflusses von ρ(ϕ) beim Durchlaufen der Eingriffslinie E einen periodisch schwankenden Förderstrom. Der schwankende bzw. pul­ sierende Anteil verläuft dabei jeweils periodisch und mehr oder we­ niger parabelförmig. Sind die drei Zahnräder der Zahnradmaschine - wie hier beispielhaft dargestellt - in ihren Abmessungen gleich, läßt sich bei geeigneter Wahl der Zahngeometrie eine Pulsation des Gesamtförderstroms bzw. Gesamtdrehmomentes verhindern, wenn gewährleistet ist, daß das Sekundärzahnradpaar und das Haupt­ zahnradpaar phasengleich zusammenwirken. In diesem Fall löschen sich die pulsierenden Anteile der Teilförderströme gegenseitig aus. Da sich die Drehlage der zusammenwirkenden Zahnräder eines bzw. beider Zahnradpaare bei der Achsabstandsveränderung leicht gegeneinander verändern kann, muß die Verschiebungslinie des gemeinsamen Zahnrades so abgestimmt werden, daß die Phasenlage der beiden Zahnradpaare zu­ mindestens annähernd gleichbleibt.

Eine Verminderung bzw. ein Ausgleich des pulsierenden Anteils am Förderstrom bzw. abgegebenen Drehmoment der Zahnradmaschine läßt sich auch erreichen, wenn die Zahnradmaschine mit gegenseitig verschiedenen Zahnrädern ausgeführt wird. Zur Verminderung bzw. zum Ausgleich der Pulsationen muß jedoch gewährleistet werden, daß we­ nigstens näherungsweise gilt:

ρ_S(ϕ)=ρ_H(ϕ)

für Zahnräder mit gleichen Zähnezahlen bzw.

das Übersetzungsverhältnis des Hauptzahnradpaares 38 (38A, 38B) bzw. des Sekundärzahnradpaares 39 (39A, 39B) ist (z=Zähnezahl).

Der Verlauf und die Phasenlage des pulsierenden Anteils sollten also zumindestens annähernd gleich sein, d. h. die jeweils im Eingriff befindlichen Zahnpaare sollten einen phasengleichen und ähnlichen Verlauf des Abstandes ρ(ϕ) zwischen momentan abdichtenden Eingriffs­ punkt E(ϕ) und Wälzpunkt W haben.

Die Verzahnung der Zahnräder der Zahnradmaschine ist so auszulegen, daß diese über den Verstellbereich ein weitgehend zum dem Achsab­ stand unkritisches Eingriffsverhalten zeigen. Die Zahnform kann da­ her beispielsweise zumindestens bereichsweise evolventenförmig sein. Andere Zahnformen sind jedoch möglich, wenn die zuvor genannten Be­ dingungen erfüllt sind.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele der Zahnradmaschine haben weiterhin den Vorteil, daß das gemeinsame Zahnrad in den hier darge­ stellten Ausführungsbeispielen nur über einen kleinen Winkelbereich seines Außenumfangs mit Hochdruck beaufschlagt wird.

Die Hochdruckbeaufschlagung des gemeinsamen Zahnrades erfolgt am Um­ fang nur zwischen den beiden jeweils im Eingriff befindlichen Zahn­ paaren und auch die stirnseitige Dichtfunktion des gemeinsamen Zahn­ rades ist auf diesen relativ kleinen Winkelbereich beschränkt. Damit werden auf das gemeinsame Zahnrad keine hohen hydraulischen Kräfte ausgeübt, so daß eine Achsabstandsänderung relativ einfach erfolgen kann. Insbesondere bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 liegen die aufgrund des Druckes im Druckraum 33 auf das gemeinsame Zahnrad bzw. dessen Achse einwirkenden (hydraulischen) Lagerkräfte im we­ sentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Achse. Damit wird die Verstellung des Achsabstandes kaum von den aufgrund der herrschenden Drücke wirkenden Kräfte beeinflußt, so daß die Stellkräfte nur wenig druckbeeinflußt sind.

Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen kann auch auf die Verwendung eines Füllstückes zur radialen Abdichtung der Zahnräder und zur Begrenzung des Hochdruckraumes verzichtet wer­ den. In diesem Fall muß die Gehäusewandung zumindest im Bereich des mit Hochdruck beaufschlagten Druckraumes 33 die radiale Abdichtfunk­ tion übernehmen, d. h. bis an die Umfangsfläche der Zahnräder heran­ geführt werden.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung stehen die Verbindungslinien der beiden Zahnradpaare etwa rechtwink­ lig aufeinander. Der Winkel zwischen den Verbindungslinien kann je­ doch in gewissen Grenzen, insbesondere in Zahnteilungsschritten, be­ zogen auf das gemeinsame Rad, frei gewählt werden. Um die Pulsation des Förderstromes zu verringern bzw. zu verhindern, sollte der Winkel zwischen den beiden Zahnradpaaren so gelegt werden, daß die Wälzpunkte W der beiden Zahnradpaare jeweils gleichzeitig durch­ laufen werden. Insbesondere durch Minimierung dieses Winkels kann der zwischen den Zahnradpaaren eingeschlossene hochdruckführende Druckraum 33 in seinem eingeschlossenen Winkelbereich verringert werden, so daß damit auch die auf das gemeinsame Zahnrad wirkenden Druckkräfte vermindert werden.

Darüberhinaus sollten die Zahngeometrie der zusammenwirkenden Zahn­ räder und die Verstellbahn des ortsveränderlichen Zahnrades so ge­ wählt werden, daß die winkeltreue Übertragung der Bewegung erhalten bleibt. Damit wird eine besonders gute Unterdrückung der Pulsation erzielt.

Durch die zuvor beschriebene Auslegung der Zahnformen, der Zahnrad­ geometrie und der gegenseitigen Lagezuordnung können die geometrisch bedingten Pulsationen der Zahnradmaschine zumindest näherungsweise ausgeglichen werden. Bei Zahnradmaschinen kommt es darüberhinaus auch zu Sekundärpulsationen aufgrund der Kompressibilität des För­ dermediums. Kommt beim Umlauf der Zahnräder eine mit Druckmittel ge­ füllte Zahnkammer über Steuerkanäle, Steuernuten oder beim Einlauf in den Bereich des mit Hochdruck beaufschlagten Druckraum 33, kommt es aufgrund der Kompressibilität des Druckmediums zu einem Rückströmen in diese mit Druckmitteln geringeren Druckes gefüllte Zahnkammer. Dadurch kommt es zu kurzzeitigen Druckschlägen bzw. zu einem kurzzeitigen Einbrechen des Momentanförderstromes. Diese Sekundärpulsationen lassen sich vermindern, wenn die beschriebene Zahnradmaschine quasi "überkompensiert" wird. Diese Überkompensation ergibt sich, wenn beim Sekundärzahnradpaar der Einfluß oder die Größe des Abstandes ρ(ϕ) zwischen dem momentan dichtenden Eingriffspunkt E(ϕ) und dem Wälzpunkt W gegenüber dem des anderen Zahnpaares vergrößert ist.

Damit ergibt sich dann im Fall der Zahnradpumpe ein Momentanförder­ strom mit geringer Pulsation. Über geeignete Steuernuten bzw. Steuerkanäle kann nun diese Überkompensation genutzt werden um die Sekundärpulsation auszugleichen bzw. zu vermindern. Dazu dienen an sich bekannte Steuernuten bzw.

Steuerkanäle über die eine Zahnkammer vor dem Einlaufen in den Druckraum mit diesem verbunden wird, und zwar zu einem Zeitpunkt zu dem der Momentanförderstrom im Bereich seines Maximums, d. h. im Be­ reich einer Pulsationsspitze ist. Damit kommt es zu einem Ausgleich zwischen dem Druckraum und der Zahnkammer, so daß das die Pulsation hervorrufende Rückströmen des unter Hochdruck stehenden Druckmittels vorgezogen bzw. abgeschwächt wird.

Claims (10)

1. Hydraulische Zahnradmaschine mit einem miteinander kämmenden Hauptzahnradpaar, von dem beim Umlauf ständig mindestens ein Zahn­ paar dichtend im Eingriff ist und mit einem zulaufseitigen Druck­ raum, der über das jeweils im dichtenden Eingriff befindliche Zahn­ paar von einem ablaufseitigen Druckraum getrennt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein mit dem Hauptzahnradpaar zusammen­ wirkendes Sekundärzahnradpaar (39, 39A, 39B) vorgesehen ist, daß eines der beiden Zahnradpaare als Pumpe und das andere Zahnradpaar als Motor wirkt, wobei der ablaufseitige Druckraum des Hauptzahnrad­ paares mit dem zulaufseitigen Druckraum des Sekundärzahnradpaares verbunden ist, und daß bei mindestens einem der Zahnradpaare der Achsabstand (a_S, a_H) veränderbar ist.

2. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hauptzahnradpaar (38, 38A, 38B) und das Sekundär­ zahnradpaar (39, 39A, 39B) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) unter­ gebracht sind.

3. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Hauptzahnradpaar (38, 38A, 38B) und das Se­ kundärzahnradpaar (39, 39A, 39B) ein gemeinsames Zahnrad (21, 21A, 21B) aufweisen, mit dem das jeweils andere Zahnrad (20, 22) der bei­ den Zahnradpaare kämmend im Eingriff steht.

4. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Zahnrades (21, 21A, 21B) senkrecht zur Längserstreckung seiner Achse verschieblich ist.

5. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verschiebung des gemeinsamen Zahnrades (21, 21A, 21B) so erfolgt, daß der Achsabstand des einen Zahnradpaares ver­ ändert wird, während der andere Achsabstand zumindest näherungsweise gleich bleibt.

6. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verschiebung des gemeinsamen Zahn­ rades (21, 21A, 21B) die Achsabstände (a_S, a_H) des Sekundärzahn­ radpaares (39, 39A, 39B) und des Hauptzahnradpaares (38, 38A, 38B) verändert werden.

7. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verschiebung des gemeinsamen Zahn­ rades (21, 21A, 21B) der Achsabstand (a_S bzw. a_H) des einen Zahnradpaares vergrößert und der Achsabstand (a_H bzw. a_S) des anderen Zahnradpaares verringert wird.

8. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Zahnräder (20, 22) eine ortsfeste Achse hat und drehfest mit einer Antriebs- oder Ab­ triebswelle gekoppelt ist.

9. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder und deren geometrische Zu­ ordnung (20-22, 21A, 21B) so ausgebildet sind, daß der Abstand ρ(ϕ) zwischen dem jeweils dichtenden Eingriffspunkt E(ϕ) und dem Wälzpunkt W der zusammenwirkenden Zahnpaare bei beiden Zahnradpaaren zumindestens näherungsweise phasengleich und vom gleichen Betrag ist.

10. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder und die Verschiebungsbahn des ortsveränderlichen Zahnrades (21, 21A, 21B) so ausgebildet sind, daß der Abstand ρ(ϕ) zwischen dem jeweils dichtenden Eingriffspunkt E(ϕ) und dem Wälzpunkt W der zusammenwirkenden Zahnpaare bei beiden Zahnradpaaren zumindestens näherungsweise phasengleich und vom gleichen Betrag ist.