DE4310211A1

DE4310211A1 - Hydraulische Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor)

Info

Publication number: DE4310211A1
Application number: DE19934310211
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Nonnenmacher; Klaus Dipl Ing Griese; Horst Dipl Ing Dr Hesse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1994-03-24

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer hydraulischen Zahnradmaschine (Pum pe oder Motor) nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 2. Hydraulische Zahnradmaschinen weisen bauartbedingt ausgangsseitige Pulsationen auf. Bei Zahnradpumpen ist dies bei konstanter Drehzahl der miteinander kämmenden Zahnräder eine Förderstrompulsation. Bei Zahnradmotoren ist bei konstantem zugeführten Volumenstrom die Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle pulsationsbehaftet. So gilt beispielsweise für den Momentanförderstrom q einer Zahnradpumpe mit zwei im Außeneingriff kämmenden gleichen Zahnrädern:

wobei K eine Konstante, R_K der Kopfkreisradius, a der Achsabstand und ρ der richtungsunabhängige Abstand des jeweiligen Eingriffs punktes vom Wälzpunkt ist. Bei drehenden Zahnrädern sind die Kon stante K, der Kopfkreisradius R_K und der Abstand a konstant, während ρ beim Durchlaufen der Eingriffslinie der miteinander kämmenden Zahnräder periodisch schwankt. Damit schwankt bzw. pul siert bei jeder herkömmlichen Zahnradpumpe auch der Momentanförder strom q. Die Schwankungen des Momentanförderstromes q liegen zwischen einem Maximalwert bei ρ = 0 und einem Minimalwert bei ρ = ρ_max. Um den Einfluß des sich periodisch verändernden Ab standes zwischen momentanem Eingriffspunkt und Wälzpunkt zu mini mieren, geht man vielfach dahin, bei Zahnradmaschinen mit vorgegebe ner Zähnezahl einen möglichst großen Kopfkreisradius R_K und einen möglichst kleinen Achsabstand a auszubilden. Damit soll der Kon stantanteil am Momentanförderstrom möglichst groß gemacht werden. Es ist damit jedoch nicht möglich, die absolute Größe des pulsierenden Anteils am Förderstrom zu beeinflussen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße hydraulische Zahnradmaschine mit den kenn zeichnenden Merkmalen eines der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 hat demgegenüber den Vorteil, daß mit einfachen Mitteln ein Pulsieren des Förderstroms vermindert bzw. verhindert werden kann. Durch die Verwendung eines oder mehrerer Kompensationszahnräder kann der pulsationsbehaftete Anteil des Förderstroms wesentlich verringert bzw. ausgeglichen werden. Der konstante Anteil des Förderstroms bleibt dennoch relativ hoch. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, innerhalb einer hydraulischen Zahnradmaschine dem Momentanförderstrom einer Hauptzahnradmaschine (Hauptzahnradpaar) den Volumenstrom einer Kompensationszahnradmaschine (Kompensationszahnradpaar) subtrahierend zu überlagern. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kompensa tionszahnradpaar so ausgelegt, daß der pulsierende Anteil des Momen tanförderstroms in Amplitude und Phase dem des Hauptzahnradpaares entspricht. Weiterhin sollte der Konstantanteil am Momentanförder strom des Kompensationszahnradpaares möglichst gering sein, um einen möglichst großen pulsationsfreien Gesamtförderstrom zu ermöglichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der hydraulischen Zahnradmaschine ist das Kompensationszahnradpaar so ausgelegt, daß sein pulsierender Anteil am Momentanförderstrom dem des Hauptzahn radpaares in Frequenz und Phase entspricht, daß seine Amplitude je doch zumindest teilweise etwas größer ist. Durch diese "Über"-Kom pensation können auch Sekundärpulsationen der hydraulischen Zahnrad maschine ausgeglichen bzw. vermindert werden. Diese druckabhängige Sekundärpulsation wird durch Teilvolumenströme ausgelöst, die in folge der Kompressibilität des Fördermediums von einem unter Hoch druck stehenden Druckraum in einen Zahnzwischenraum bzw. Förderraum geringeren Druckes strömen, sobald diese Räume durch die Drehung der Zahnräder miteinander in Verbindung geraten. Durch dieses periodi sche Rückströmen von unter hohem Druck stehendem Druckmittel kommt es zu kurzzeitigen Einbrüchen des Momentanförderstromes und somit zu Sekundärpulsationen, die selbst bei geometrisch pulsationsfreien Ma schinen auftreten.

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

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fig. 1 einen Schnitt durch eine hydraulische Zahnradmaschine, in verein fachter Darstellung, in Fig. 2 einen Schnitt längs II-II nach Fig. 1 und in Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Details nach Fig. 2. Fig. 4 zeigt qualitativ den Verlauf des Momentanförderstroms bzw. des Drehmoments in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit drei Zahnrädern gleicher Zähnezahl. Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit drei Zahnrädern unter schiedlicher Zähnezahl. Fig. 7 zeigt die schematische Darstellung einer Dreikreispumpe. Fig. 8 zeigt qualitativ den Momentanförder strom in Abhängigkeit vom Drehwinkel eines weiteren Ausführungsbei spiels.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 ist mit 10 das Gehäuse einer in diesem Aus führungsbeispiel als Zahnradpumpe beschriebenen Zahnradmaschine be zeichnet. Dieses Gehäuse 10 wird an seinen beiden Stirnseiten durch einen Gehäuseboden 11 bzw. einen Gehäusedeckel 12 verschlossen. Das Gehäuse 10 wird von zwei parallel verlaufenden Bohrungen 13 bzw. 14 durchdrungen, die sich als Sackbohrungen 15 bzw. 16 im Gehäuseboden 11 fortsetzen. Im Gehäusedeckel 12 setzt sich die Bohrung 14 eben falls als Sackbohrung 17 fort, während die Bohrung 13 mit einer durchgehenden Bohrung 18 verbunden ist. Im Bereich der dem Gehäuse deckel 12 zugewandten Stirnseite des Gehäuses 10 sind die Bohrungen 13 bzw. 14 jeweils von einer zylindrischen Vertiefung 21 bzw. 22 um geben. Diese beiden Vertiefungen 21 und 22 gehen ineinander über und dienen zur Aufnahme zweier Zahnräder 23 bzw. 24. In der gegenüber liegenden, dem Gehäuseboden 11 zugewandten Stirnseite 25 sind um die Bohrungen 13 und 14 ebenso jeweils eine zylindrische Vertiefung 26 bzw. 27 ausgebildet. Die beiden Vertiefungen 26 und 27 gehen eben falls ineinander über, haben jedoch einen geringeren Durchmesser als die Vertiefungen 21 bzw. 22. Auch die Vertiefungen 26 und 27 dienen zur Aufnahme zweier Zahnräder 28 bzw. 29. Jedes der Zahnräder 23, 24 und 28, 29 ist mit einem Wellenzapfen 30 bis 33 verbunden. Der Wellenzapfen 31 dient zur Lagerung des Zahnrades 24 und ist in der Sackbohrung 17 bzw. der Bohrung 14 gelagert. Der achsgleich angeord nete Wellenzapfen 33 dient zur Lagerung des Zahnrades 29 und ist in der Bohrung 14 bzw. der Sackbohrung 16 geführt. Der Wellenzapfen 32 zur Lagerung des Zahnrades 28 ist entsprechend in der Sackbohrung 15 und der Bohrung 13 gelagert. Der Wellenzapfen 30 dient zur Lagerung des Zahnrades 23 und ist in der Bohrung 13 sowie der Bohrung 18 im Gehäusedeckel gelagert. Der Wellenzapfen 30 hat darüber hinaus einen verlängerten Abschnitt 35, der die Bohrung 18 im Gehäusedeckel 12 durchdringt und zum Antrieb des Zahnrades 23 dient. Dazu ist zumin destens das Zahnrad 23 drehfest mit dem Wellenzapfen 30 verbunden. Dieser wiederum ist drehfest mit dem Wellenzapfen 32 bzw. dem Zahn rad 28 gekoppelt.

Die beiden Zahnräder 23 und 24 bzw. 28 und 29 kämmen jeweils im Außeneingriff miteinander, wobei die beiden Zahnräder 23 und 24 ein Hauptzahnradpaar 36 und die beiden Zahnräder 28 und 29 ein Kompen sationszahnradpaar 37 bilden. In die zylindrischen Vertiefungen 21 und 22 münden im Bereich ihres Überganges ein Zulaufkanal 38 bzw. Ablaufkanal 39. Der Zulaufkanal 38 ist in Fig. 2 oberhalb der im Eingriff befindlichen Zähne des Hauptzahnradpaares 36 angeordnet, während der Ablaufkanal 39 sich unterhalb befindet. Der Zulaufkanal 38 ist mit einer nicht dargestellten Zulaufbohrung im Gehäuse deckel 12 verbunden, während der Ablaufkanal 39 mit der im Gehäuse deckel 12 angedeuteten Ablaufbohrung 40 in Verbindung steht. Gleich zeitig ist der Ablaufkanal 39 über eine im Gehäuse 10 verlaufende Schrägbohrung 41 mit dem nicht dargestellten Zulaufkanal des Kom pensationszahnradpaares 37 verbunden. Dieser Zulaufkanal befindet sich in Fig. 2 oberhalb der im Eingriff befindlichen Zahnpaare des Kompensationszahnradpaares 37. Gleichzeitig ist der - nicht darge stellte - Ablaufkanal unterhalb der sich im Eingriff befindlichen Zahnpaare des Kompensationszahnradpaares 37 über einen im Gehäuse 10 angedeuteten zweiten Schrägkanal 42 mit dem Zulaufkanal 38 des Hauptzahnradpaares verbunden. Die beiden Schrägkanäle 41 und 42 sind auf geeignete Weise so im Gehäuse angeordnet, daß sie sich berüh rungsfrei kreuzen.

Das Hauptzahnradpaar 36 und das Kompensationszahnradpaar 37 sind über ihre Antriebs- bzw. Abtriebswelle 35, 30, 32 gekoppelt. Aus der zuvor beschriebenen Anordnung der Zulauf- und Ablaufkanäle und ihrer gegenseitigen Kopplung wird jedoch deutlich, daß das Hauptzahnrad paar 36 und das Kompensationszahnradpaar 37 gegensinnig betrieben werden, d. h. das Hauptzahnradpaar 36 wirkt als Pumpe, während das Kompensationszahnradpaar 37 als Motor wirkt. Bei einer Nutzung der hydraulischen Zahnradmaschine als Motor wären diese Wirkungsweisen entsprechend vertauscht.

Kehrt man in Abwandlung des Ausführungsbeispiels die Drehrichtung eines der beiden Zahnradpaare 36, 37 um, z. B. über einen Kegel trieb, können die einander gegenüberliegenden Zuläufe und Abläufe bzw. die entsprechenden hydraulischen Kammern direkt (kreuzungsfrei) miteinander verbunden werden.

Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Hauptzahnradpaar 36 mit den Zahnrädern 23 und 24 fördert Druckmittel vom Zulaufkanal 38 auf an sich bekannte Weise entlang des Außenumfanges der Vertiefungen 21 bzw. 22 zum Ablaufkanal 39. Dazu wird das Zahnrad 23 von der An triebswelle 35 bzw. 30 in der in den Fig. 1 und 2 gewählten Dar stellungsrichtung gegen den Uhrzeigersinn angetrieben. Die beiden Zahnräder 23 und 24 sind hier der einfachen Übersicht halber als Zahnräder gleichen Durchmessers und gleicher Zähnezahl dargestellt. Der Achsabstand a_H des Hauptzahnradpaares 36, d. h. der Abstand der Mittelpunkte M1 bzw. M2 der beiden Zahnräder 23 bzw. 24 ist dabei gleich dem Achsabstand a_K des Kompensationszahnradpaares 37. Auch das Kompensationszahnradpaar 37 ist aus zwei Zahnrädern mit gleichem Kopfkreisdurchmesser R_KK und gleicher Zähnezahl Z_K zusammenge setzt. Dabei entspricht die Zähnezahl Z_K eines Zahnrades 28 bzw. 29 des Kompensationszahnradpaares 37 der Zähnezahl Z_H eines Zahn rades 23 bzw. 24 des Hauptzahnradpaares 36. Im Gegensatz zum Haupt zahnradpaar 36 ist beim Kompensationszahnradpaar 37 jedoch der Kopf kreisdurchmesser R_KK eines jeden Zahnrades 28 bzw. 29 kleiner als der Kopfkreisdurchmesser R_KH eines der Zahnräder 23 bzw. 24.

Die Eingriffsgeometrie der beiden Zahnradpaare 36, 37 wird hier in Fig. 3 am Beispiel des Hauptzahnradpaares 36 erläutert. Das ange triebene Zahnrad 23 kämmt mit dem mitlaufenden Zahnrad 24 im Ein griffsbereich so, daß ständig mindestens ein Zahnpaar 43 bzw. 44 miteinander im Eingriff steht. Das Zahnpaar 43 berührt sich dabei im Eingriffspunkt E1 bzw. auf der Eingriffslinie E, während das zweite Zahnpaar 44 sich im Eingriffspunkt E2 bzw. auf der Eingriffslinie E aneinanderlegt. Die Eingriffspunkte E1 bzw. E2 sind ortsveränderlich, abhängig vom Drehwinkel ϕ(t) eines Zahnrades. Die jeweiligen Ein griffspunkte E1 überstreichen die in Fig. 3 dargestellte Eingriffs linie E, die durch den Wälzpunkt W läuft. Dieser Wälzpunkt W liegt auf der Verbindungslinie der beiden Mittelpunkte M1 bzw. M2 der Zahnräder 23 und 24. Beim Durchlaufen der Eingriffslinie E über streicht jeder Eingriffspunkt E1 bzw. E2 den Bereich der Steuernut 47 und den Bereich der Steuernut 46 sowie die dazwischen liegende Dichtzone 48. Beim Überstreichen der Dichtzone 48 liegt dann das je weils im Eingriff befindliche Zahnpaar dichtend aneinander. Die Dichtzone 48 bzw. die Steuernuten 46 und 47 sind in Abhängigkeit von Zahnform und Zahnradgeometrie so bemessen, daß jeweils nur ein Zahn paar dichtend (d. h. im Bereich der Dichtzone 48) im Eingriff steht, d. h. wenn ein vorlaufendes Zahnpaar (z. B. 44) den Bereich der Dichtzone 48 verläßt, muß das nachfolgende Zahnpaar (z. B. 43) in die Dichtzone 48 einlaufen. Dabei hat jeder dichtende Eingriffspunkt E1 einen sich mit dem Drehwinkel ϕ ändernden Abstand ρ(ϕ) vom Wälz punkt W. Dieser Abstand ρ(ϕ) hat einen ersten Maximalwert ρ_max1 beim Einlaufen des Zahnpaares 43 in die Dichtzone 48, d. h. wenn der Eingriffspunkt E1 den Übergang 49 zwischen Steuernut 47 und Dichtzone 48 überstreicht. Zu diesem Zeitpunkt gerät der zweite Eingriffspunkt E2 aus der Dichtzone 48 in den Bereich der Steuernut 46. Der Abstand ρ(ϕ) geht bei fortlaufender Drehung gegen Null (beim Durchlaufen des Wälzpunktes W), um dann wieder gegen den zweiten Maximalwert ρ_max2 beim Überstreichen des Überganges 50 zwischen Dichtzone 48 und Steuernut 46 anzusteigen. Das Momentanfördervolumen des Hauptzahn radpaares 36 ist - wie bereits zuvor angeführt -

der Momentanförderstrom q_K des Kompensationszahnradpaares ist ent sprechend

Das Kompensationszahnradpaar 37 und das Hauptzahnradpaar 36 sind so aufeinander abgestimmt, daß der Verlauf des Abstandes ρ_H(ϕ) bzw. ρ_K(ϕ) eines momentanen (dichtenden) Eingriffspunktes E1 zum je weiligen Wälzpunkt W gleich ist. Darüber hinaus werden die beiden Zahnradpaare 36 bzw. 37 so miteinander gekoppelt, daß sie phasen gleich und synchron laufen, so daß sich bei der zuvor beschriebenen gegensinnigen Betriebsweise die aufgrund des sich ändernden Ab standes ρ_H(ϕ) bzw. ρ_K(ϕ) ändernden pulsierenden Anteile des Mo mentanförderstromes q_K bzw. q_H aufheben. Der Verlauf der beiden Momentanförderströme bzw. der Verlauf der zugehörigen Drehmomente beim Betrieb der hydraulischen Zahnradmaschine als Motor sind qua litativ in Fig. 4 dargestellt. Dabei ist der Momentanförderstrom q über dem Drehwinkel ϕ(t) aufgetragen. Die untere Kurve zeigt dabei den Verlauf des Momentanförderstroms q_K(ϕ) des Kompensationszahn radpaares 37 und die obere Kurve den Momentanförderstrom q_H(ϕ) des Hauptzahnradpaares 36. Bei gegensinniger Förderung bzw. Förderrich tung der beiden Zahnradpaare (ein Zahnradpaar wirkt als Pumpe, das andere als Motor) löschen sich die pulsierenden Anteile der jeweili gen Förderströme gegenseitig aus, so daß als nutzbarer Momentanför derstrom die konstante Differenz der beiden Einzelförderströme ver bleibt. Dieser nutzbare Anteil q_N des Momentanförderstromes ist bei gleichem Achsabstand a_H bzw. a_K der beiden Zahnradpaare ab hängig vom Kopfkreisdurchmesser R_KH bzw. R_KK.

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Hauptzahnradpaar 36 und das Kompensationszahnradpaar 37 aus jeweils zwei einzelnen Zahnrädern 23, 24 bzw. 28, 29 zusammengesetzt. Dabei sind die Zahnräder 28 bzw. 29 des Kompensationszahnradpaares 37 vor teilhafterweise durch Abschleifen zweier Zahnräder gebildet, die denen des Hauptzahnradpaares 36 entsprechen. Dazu muß das ursprüng liche Zahnradpaar einen extrem hohen Überdeckungsgrad besitzen, da mit dieser beim Verringern des Kopfkreisdurchmessers nicht unter einen Mindestbetrag absinkt, der wenig über 1 liegen kann.

Die Zahnform der Zahnradpaare kann jede beliebige kinematisch geeig nete sein. Die Anwendung der erfindungsgemäßen hydraulischen Zahn radmaschine ist keineswegs nur auf Zahnräder mit Evolventenverzah nungen beschränkt, es können beliebige, nicht-evolventische Verzah nungen eingesetzt werden. Für den Betrieb der hydraulischen Zahnrad maschine ist es aber wichtig, die Differenz der Verdrängungsvolumina des Hauptzahnradpaares 36 und des Kompensationszahnradpaares 37 mög lichst groß zu wählen. Weiterhin ist es bei der beschriebenen räum lichen Trennung des Hauptzahnradpaares 36 und des Kompensationszahn radpaares 37 möglich, auch den Achsabstand a_K des Kompensations zahnrades zu verändern, insbesondere zu vergrößern, um somit den Konstantanteil des Momentanförderstromes q_K des Kompensationszahn radpaares zu verändern bzw. zu verringern. Es ist selbstverständ lich, daß sowohl die Veränderung des Kopfkreisdurchmessers als auch die Veränderung des Achsabstandes des Kompensationszahnradpaares 37 gleichzeitig vorgenommen werden können.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der hydraulischen Zahnradmaschine vereinfacht dargestellt, das auch hier als Pumpe be schrieben ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wirken drei Zahnräder 51, 52, 53 so zusammen, daß das Hauptzahnradpaar 54 aus den Zahn rädern 51 und 52 und das Kompensationszahnradpaar 55 aus den Zahn rädern 52 und 53 gebildet werden und ein gemeinsames Zahnrad 52 ha ben. Die drei Zahnräder 51 bis 53 haben jeweils gleichen Kopfkreis durchmesser R_K und gleiche Zähnezahl Z. Der Achsabstand a_K des Kompensationszahnradpaares 55 ist dagegen größer als der Achsabstand a_H des Hauptzahnradpaares 54. Die durch die Mittelpunkte M51 und M52 verlaufende Achse A_H des Hauptsystems und die durch die Mittelpunkte M52 und M53 der Zahnräder 52, 53 des Kompensationszahn radpaares 55 verlaufende Achse A_K schließen einen Winkel ϕ_S ein. Der Winkel ϕ_S zwischen den beiden Achsen A_K und A_H orien tiert sich an einem (wählbaren) Vielfachen des Teilungswinkel eines Zahnrades und wird über einen kleinen zusätzlichen Winkel, der ab hängig von der Zahnkontur und Zahndicke ist, einmalig so festgelegt, daß bei beiden jeweils im Eingriff befindlichen Zahnrädern 51, 52 bzw. 52, 53 von den jeweils zugehörigen Zahnpaaren gleichzeitig der Wälzpunkt W_H bzw. W_K durchlaufen wird.

Der Antrieb bzw. Abtrieb der hydraulischen Maschine erfolgt vorzugs weise über das gemeinsame Zahnrad 52. Dieses ist im hier dargestell ten Ausführungsbeispiel der Zahnradpumpe so angetrieben, daß es sich bei der in Fig. 5 gewählten Darstellung gegen den Uhrzeigersinn dreht. Die beiden Zahnräder 51 und 53 sind dabei dann so angeordnet, daß das Zahnrad 51 des Hauptzahnradpaares 54 im Uhrzeigersinn ange trieben wird und das Zahnrad 53 des Kompensationszahnradpaares 55 ebenfalls im Uhrzeigersinn läuft. Somit ist über den Antrieb bzw. Abtrieb über das gemeinsame Zahnrad 52 gewährleistet, daß die Gegen zahnräder 51 bzw. 53 jeweils mit unterschiedlichen Zahnflanken des gemeinsamen Zahnrades 52 kämmen. Damit wird in vorteilhafter Weise eine Optimierung der Verzahnungsgeometrie wesentlich erleichtert. Dabei können die Zahnflanken eines Zahnes des gemeinsamen Zahnrades 52 unsymmetrisch jeweils so ausgebildet werden, daß eine Zahnflanke für die Eingriffsverhältnisse des Hauptzahnradpaares 54 und die andere Zahnflanke jeweils für die Eingriffsverhältnisse des Kompensationszahnradpaares 55 ausgelegt und optimiert wird.

Die beiden Zahnradpaare werden analog zum zuvor angeführten Aus führungsbeispiel so beaufschlagt, daß sie gegensinnig fördern. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Zahnradpumpe liegt der hochdruckführende Druckraum 57 zwischen den beiden Zahnrädern 51 und 53. Dieser Druckraum 57 ist - analog zum zuvor beschriebenen Aus führungsbeispiel - Ausgangsanschluß des Hauptzahnradpaares 54 und Eingangsanschluß des Kompensationszahnradpaares 55. Der Zulauf des Hauptzahnradpaares 54 und der Ablauf des Kompensationszahnradpaares 55 erfolgen über den am Außenumfang der Zahnräder 51 und 52 bzw. 52 und 53 ausgebildeten Ringraum 58. In diesen Ringraum 58 mündet in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Zahnrädern 51 und 52 ein Niederdruckanschluß 61. Der im Pumpenbetrieb hochdruckführende Druckraum 57 wird in radialer Richtung durch die drei zusammenwir kenden Zahnräder 51 bis 53 abgedichtet. Auf der dem Zahnrad 52 ge genüberliegenden Seite ist zwischen den beiden Zahnrädern 51 und 53 ein etwa keilförmiges Abdichtelement 60 eingesetzt, das von einem Hochdruckanschluß 62 durchdrungen wird, der in den Druckraum 57 mün det. Durch entsprechende Wahl des zwischen den Achsen R_K und A_H eingeschlossenen Winkels ϕ_S läßt sich der zwischen den Zahnrädern 51 und 53 liegende gemeinsame Druckraum 57 relativ kleinhalten. Dieser Druckraum 57 ist im wesentlichen durch die einander zugewan dten, jeweils im Eingriff befindlichen Zahnpaare des Hauptzahnrad paares 54 und des Kompensationszahnradpaares 55 begrenzt. Durch ent sprechend kleine Wahl des Winkels ϕ_S zwischen den beiden Achsen R_K und A_H läßt sich der mit Hochdruck beaufschlagte Winkelbe reich bzw. Umfangsbereich am gemeinsamen Zahnrad 52 kleinhalten, so daß die auf die Lagerung dieses Zahnrades wirkende Belastung eben falls klein ist. Das radiale Kopfspiel (Zahnkopf - Gehäuse) dieses gemeinsamen Zahnrades 52 kann darüber hinaus relativ groß gewählt werden, da am Außenumfang des Zahnrades keine Dichtwirkung erfolgen muß. Die Hochdruckbeaufschlagung der beiden anderen Zahnräder 51 bzw. 53 entspricht im wesentlichen der einer herkömmlichen Zahnrad pumpe und reicht vom jeweils dichtenden Eingriff bis zu einem Ab dichtbereich am Außenumfang bzw. am Abdichtelement 60. Durch ent sprechende Gestaltung des Gehäuses kann die Lage und Fläche des Hochdruckfeldes durch dafür geeignete Ausbildungen am Gehäuse beein flußt werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des keil förmigen Abdichtelementes 60 wie in Fig. 5 dargestellt, wodurch so wohl die Lagerbelastung der beiden Zahnräder 51 und 53 als auch die des Gehäuses gering ist. Anstelle des Abdichtelements 60 kann die Dichtwirkung auch durch geeignete Ausbildung des Gehäuses erfolgen, wobei dann die Zahnräder zumindest im Bereich des Druckraumes 57 dichtend an der Gehäusewand anliegen.

In Fig. 6 ist eine Abwandlung des in Fig. 5 dargestellten Ausfüh rungsbeispiels gezeigt, bei dem wiederum drei Zahnräder 51a, 52a und 53a wie beim Ausbildungsbeispiel zuvor miteinander im Eingriff sind. Dabei haben die Zahnräder 51a bis 53a unterschiedliche Zähnezahl, wobei im hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Zähnezahlen des gemeinsamen Zahnrades 52a und des dritten Zahnrades 53a des Kompen sationssystems 55a gleich sind. Dagegen ist die Zähnezahl des ersten Zahnrades 51a des Hauptzahnradpaares 54a verringert. Es ist jedoch auch hier so, daß der Verlauf der Abstände ρ(ϕ) zwischen den jewei ligen Eingriffspunkten und dem Wälzpunkt im Hauptzahnradpaar 54a und Kompensationszahnradpaar 55a für den Ausgleich der Pulsation phasen gleich erfolgen muß, und daß der Betrag der Abstände ρ_K(ϕ) bzw. ρ_H(ϕ) exakt oder zumindestens näherungsweise der Beziehung

folgt. Dabei sind

die Übersetzungsverhältnisse der jeweiligen zusammenwirkenden Zahn radpaare. Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel ist eben falls als Zahnradpumpe dargestellt, wobei der gemeinsame hochdruck führende Druckraum 57a wiederum zwischen den Zahnrädern 51a bis 53a angeordnet ist. Die radiale Abdichtung des in diesem Bereich befind lichen Druckraumes erfolgt wiederum durch die im Eingriff befind lichen Zahnräder 51a und 52a des Hauptzahnradpaares 54a sowie die Zahnräder 53a und 52a des Kompensationszahnradpaares 55a und ein etwa keilförmiges Abdichtelement 60a. Durch Vergrößerung der Zähne zahl des Kompensationszahnradpaares 55a kann beispielsweise der Überdeckungsgrad der im Eingriff befindlichen Zahnräder verbessert werden, wodurch der Achsabstand R_K des Kompensationszahnradpaares 55a gegenüber dem nach Fig. 5 vergrößert werden kann. Beim Haupt zahnradpaar 54a ist u. a. auch aufgrund des geringeren Achsabstandes der Überdeckungsgrad der miteinander kämmenden Zahnräder relativ hoch, so daß das Zahnrad 51a ohne weiteres mit einer geringeren Zähnezahl versehen sein kann. Diese Ausführung der Zahnräder 51a bis 53a hat darüber hinaus den Vorteil, daß der Winkel ϕ_S zwischen den Achsen R_K und A_H gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 verringert werden kann, was zu einer Verkleinerung des Druckraumes führt. Bei entsprechender Abstimmung der Zähnezahlen und der dadurch möglichen Verringerung des Winkels ϕ_S zwischen den Achsen der Zahnradpaare ist auch die Ausbildung einer Mehrkreiszahnradmaschine möglich, wie sie in Fig. 7 vereinfacht dargestellt ist.

Die in Fig. 7 dargestellte Mehrkreiszahnradmaschine ist wie die zu vor dargestellten Ausführungsbeispiele als Zahnradpumpe dargestellt und beschrieben. Sie ist hier als Dreikreispumpe ausgeführt. Diese hat ein zentrales Antriebszahnrad 70, das mit drei Zahnrädern 71 bis 73 mit geringerer, aber untereinander gleicher Zähnezahl kämmt. Die drei Zahnräder 71 bis 73 bilden jeweils zusammen mit dem zentralen Antriebszahnrad 70 ein um jeweils etwa 120° gegeneinander versetztes Kompensationszahnradpaar 74 bis 76. Zwischen jeweils zwei benachbar ten Zahnrädern 71 bis 73 ist jeweils eines von drei Zahnrädern 77 bis 79 angeordnet. Diese drei Zahnräder 77 bis 79 kämmen ebenfalls jeweils mit dem zentralen Antriebszahnrad 70 und bilden somit die drei Hauptzahnradpaare 80 bis 82. Dabei wirken jeweils das Zahnrad 77 und 72 in einem gemeinsamen Kreis mit dem zentralen Antriebszahn rad 70 zusammen, die beiden Zahnräder 78 und 73 bilden einen zweiten Kreis mit dem zentralen Antriebszahnrad 70 und die Zahnräder 79 und 71 bilden den dritten Kreis zusammen mit dem zentralen Antriebszahn rad 70. Die hochdruckseitigen Anschlüsse 84 bis 86 der drei Einzel gruppen der Dreikreispumpe liegen jeweils zwischen dem zentralen An triebszahnrad 70 und den beiden zusammenwirkenden Zahnrädern 77, 72 bzw. 78, 73 bzw. 79, 71. Die radiale Abdichtung der hochdruckführen den Druckräume erfolgt, wie bei den Ausbildungsbeispielen zuvor, je weils über die im Eingriff befindlichen Zahnräder und ein keilförmi ges Abdichtelement 87 bis 89. Die drei Einzelkreise der Dreikreis pumpe können in eine gemeinsame Hochdruckleitung fördern, wobei dann die Hochdruckanschlüsse 84 bis 86 zusammengefaßt werden. Es ist auch möglich, jeden der Einzelkreise einzeln an eine separate Hochdruck leitung anzuschließen. Weiterhin ist es möglich, zwei der drei Ein zelkreise zusammenzufassen. Darüber hinaus ist es möglich, insbeson dere bei der Einzelförderung der Einzelkreise, die Achsabstände auch unter den wirkungsgleichen Zahnrädern, d. h. unter den Zahnrädern je weils der Kompressionszahnradpaare bzw. Hauptzahnradpaare 80 bis 82 zu variieren, um damit unterschiedliche Fördervolumina zu ermög lichen.

Durch die beschriebene Ausbildung einer hydraulischen Zahnradma schine mit mindestens einem Hauptzahnradpaar und einem gegensinnig wirkenden Kompensationszahnradpaar lassen sich die pulsierenden An teile im Förderstrom einer Zahnradmaschine ausgleichen bzw. vermin dern, sofern gewährleistet ist, daß sich die Zahnformen und Zahngeo metrien der beiden Zahnradpaarungen so gleichen, daß wenigstens näherungsweise gilt:

d. h. der Verlauf des Abstandes zwischen einem jeweiligen Eingriffs punkt und dem Wälzpunkt des entsprechenden Zahnradpaares sollte im wesentlichen gleich sein. Bei gegensinniger Beaufschlagung der zu sammenwirkenden Zahnradpaarungen kann somit der variable Faktor für die Größe des Momentanförderstroms einer Zahnradpumpe bzw. des mo mentanen Drehmomentes eines Zahnradmotors in starkem Maße verringert bzw. ausgeglichen werden.

Der sich bei den vorbeschriebenen Zahnradmaschinen ergebende geome trische Verdrängungsvolumenstrom ist bei Einhaltung der obigen Be ziehung zwischen ρ_K und ρ_H pulsationsfrei. Wie bei herkömmlichen Zahnradmaschinen auch ergibt sich jedoch aufgrund der Kompressibili tät des Fördermediums eine druckabhängige, sekundäre Pulsation. Er reicht beispielsweise im Pumpenbetrieb eine mit Druckmittel relativ geringen Druckes gefüllte Zahnkammer aufgrund des Umlaufes den hoch druckführenden bzw. ausgangsseitigen Druckraum oder erhält sie über Steuerkanäle bzw. Steuernuten Verbindung zu diesem hochdruckführen den Druckraum, fließt kurzzeitig ein Kompressionsvolumen vom Hoch druckraum in diese Zahnkammer. Damit kommt es zu einem kurzzeitigen Einbruch des Momentanförderstroms und somit zu einer sekundären Pul sation, die selbst bei geometrisch pulsationsfreien Zahnradmaschinen auftritt. Diese sekundären Pulsationen lassen sich durch gering fügige Änderungen bzw. Abwandlungen der zuvor beschriebenen Zahnrad maschinen ganz bzw. teilweise ausgleichen. Dazu wird das jeweilige Kompensationszahnradpaar so ausgelegt, daß dieses die ursprüngliche Pulsation des mit ihm zusammenwirkenden Hauptzahnradpaares "über kompensiert", d. h. die Pulsation des Kompensationszahnradpaares wird etwas größer gewählt als die des zugehörigen Hauptzahnradpaares. Dies kann beispielsweise durch Wahl eines gegenüber der Auslegung auf exakte Kompensation verkleinerten Eingriffswinkels am Kompen sationszahnradpaar geschehen. Es sind jedoch alle Maßnahmen geeig net, die die Größe oder den Einfluß des Abstandes ρ_K(ϕ), insbe sondere ρ_Kmax erhöhen. Der Momentanförderstrom des Kompensations zahnradpaares wird durch entsprechende Wahl der Zahngeometrie in Be zug auf das Hauptzahnradpaar also so gewählt, daß gilt:

wobei f_ü knapp über 1 liegt und die Überkompensation bewirkt. Da mit ergibt sich im Pumpenbetrieb bei drucklosem Umlauf der Zahnrad maschine ein Momentanförderstrom q(ϕ) mit einer geringen Förder strompulsation unüblichen Verlaufs, wie er qualitativ in Fig. 8 dargestellt ist. Diese zeigt den Momentanförderstrom q über den Drehwinkel ϕ aufgetragen. Um die sekundäre Pulsation zu verringern bzw. zu verhindern, werden die relativ kurzen Förderstrommaxima dazu genutzt, die Einbrüche des Momentanförderstroms aufgrund des Kom pressionsvolumens ganz oder teilweise auszugleichen. Dies erfolgt über Steuernuten oder Steuerbohrungen in den kopf- oder stirn seitigen Dichtflächen der Zahnräder. In Fig. 2 sind zwei derartige Steuernuten beispielhaft dargestellt. Im Bereich des hochdruckbeauf schlagten Ablaufkanals 39 sind beispielsweise an den stirnseitigen Begrenzungsflächen der Zahnräder 23, 24 (Grund der Vertiefungen 21, 22 bzw. Gehäusedeckel 12) zwei Steuernuten 90 bzw. 91 angebracht. Diese Steuernuten sind hier im Gehäusedeckel 12 angeordnet und ver laufen im Bereich des Außenumfangs der Vertiefungen 21 bzw. 22 vom hochdruckführenden Druckraum 93 jeweils am Außenumfang gegen die Drehrichtung der Zahnräder 23 und 24. Die Länge der Steuernuten 90, 91 ist so gewählt, daß sie eine noch nicht zum hochdruckführenden Druckraum 93 geöffnete Zahnkammer 94 vor dem Einlaufen in diesen Druckraum mit diesem verbinden. Eine Zahnkammer 94 oder 95, die noch im Bereich ihres Kopfkreises durch das Gehäuse 10 abgedichtet wird, wird damit über die Steuernut 90 bzw. 91 mit dem hochdruckführenden Druckraum 93 bzw. dem Ablaufkanal 39 verbunden. Dies erfolgt bei spielsweise bei der in Fig. 2 dargestellten Zahnradlage am Zahnrad 24 durch die Steuernut 91 und die Zahnkammer 95. Die Länge der Steuernuten 90 bzw. 91 ist darüber hinaus so gewählt, daß diese Ver bindung einer noch nicht in den Hochdruckraum 93 eingelaufenen Zahn kammer 94 bzw. 95 gerade in der Winkellage erfolgt, in der der Mo mentanförderstrom q(ϕ) (Fig. 8) im Bereich seines Maximums ist. Es ist auch möglich, derartige Steuernuten am Kompensationszahnradpaar einzusetzen, wenn die Zahnradmaschine als Motor verwendet wird. Es ist weiterhin möglich, derartige Steuernuten an beiden Zahnradpaaren auszubilden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden mit jeweils einem der Zahnräder zusammenwirkenden Steuernuten 90 bzw. 91 nicht symmetrisch ausgebildet sind, sondern daß ihre Form und Länge so gewählt wird, daß die an sich vorhandene Phasenverschiebung zwischen den Sekundär pulsationen der beiden zusammenwirkenden Zahnräder ganz oder teil weise mit ausgeglichen wird.

Die erfindungsgemäße Ausbildung einer derartigen Zahnradmaschine ist nicht auf die hier beschriebenen im Außeneingriff kämmenden Zahn radmaschinen beschränkt. Es ist grundsätzlich möglich, den Erfin dungsgedanken auch auf innenverzahnte Zahnradmaschinen zu übertra gen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Pulsation einer innenverzahnten Zahnradmaschine über eine - kleinere - außenver zahnte Zahnradmaschine zu kompensieren.

Claims

1. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit mindestens einem Haupt zahnradpaar (36; 54; 54a; 81 bis 83), von dem ständig mindestens ein Zahnpaar (43) in jeweils einem momentanen, mit dem Drehwinkel ϕ ortsveränderlichen Eingriffspunkt (E1, E2) in Eingriff steht, wobei der Abstand ρ(ϕ) zwischen dem momentan abdichtenden Eingriffspunkt (E1, E2) und dem Wälzpunkt (W) in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ pe riodisch schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zweites Kompensationszahnradpaar (37; 55; 55a; 74 bis 76) mit stän dig mindestens einem im Eingriff stehenden Zahnpaar vorgesehen ist, welches jeweils synchron zu dem entsprechenden Zahnpaar des Haupt zahnradpaares im Eingriff steht, daß das Hauptzahnradpaar (36; 54; 54a; 81 bis 83) und das Kompensationszahnradpaar (37; 55; 55a; 74 bis 76) gegensinnig fördern, und daß die Zahnform des Kompensations zahnrades so ist, daß wenigstens näherungsweise gilt: wobei ρ_H der Betrag des Abstandes zwischen dem momentan abdichten den Eingriffspunkt E1, E2 und dem Wälzpunkt W beim Hauptzahnradpaar, ρ_K der entsprechende Abstand des Kompensationszahnradpaares und i_K und i_H die Übersetzungsverhältnisse des Kompensationszahnrad paares bzw. des Hauptzahnradpaares sind.

2. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit mindestens einem Haupt zahnradpaar (36; 54; 54a; 81 bis 83), von dem ständig mindestens ein Zahnpaar (43) in jeweils einem momentanen, mit dem Drehwinkel ϕ ortsveränderlichen Eingriffspunkt (E1, E2) in Eingriff steht, wobei der Abstand ρ(ϕ) zwischen dem momentan abdichtenden Eingriffspunkt (E1, E2) und dem Wälzpunkt (W) in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ periodisch schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zweites Kompensationszahnradpaar (37; 55; 55a; 74 bis 76) mit ständig mindestens einem im Eingriff stehenden Zahnpaar vorgesehen ist, welches jeweils synchron zu dem entsprechenden Zahnpaar des Hauptzahnradpaares im Eingriff steht, daß das Hauptzahnradpaar (36; 54; 54a; 81 bis 83) und das Kompensationszahnradpaar (37; 55; 55a; 74 bis 76) gegensinnig fördern und daß die Zahnform des Kompensa tionszahnradpaares so ist, daß wenigstens näherungsweise gilt; wobei ρ_H der Betrag des Abstandes zwischen dem momentan abdichten den Eingriffspunkt (E1, E2) und dem Wälzpunkt (W) beim Hauptzahnrad paar, ρ_K der entsprechende Abstand des Kompensationszahnradpaares, i_K und i_H die Übersetzungsverhältnisse des Kompensationszahnrad paares bzw. des Hauptzahnradpaares und f_ü ein Überkompensations faktor, der knapp über 1 liegt, sind, und daß mindestens ein Steuer kanal (90, 91) vorgesehen ist, der eine umlaufende Zahnkammer (94, 95) mindestens eines Zahnradpaares bei einer vorbestimmten Winkel stellung mit einem hochdruckführenden Druckraum (93, 57) verbindet.

3. Zahnradmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal (90, 91) so angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen dem hochdruckführenden Druckraum (93, 57) und der geschlossenen Zahnkammer (94, 95) zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem der Momentan förderstrom und das Momentandrehmoment der Zahnradmaschine den Be reich ihres Maximalwertes durchlaufen.

4. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Hauptzahnradpaar (54; 54a; 80 bis 82) und das Kom pensationszahnradpaar (55; 55a; 74 bis 76) ein gemeinsames Zahnrad (52; 52a; 70) haben.

5. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Hauptzahnradpaar (36) und das Kompensationszahn radpaar (37) jeweils ein drehfest miteinander verbundenes Zahnrad (23, 28) haben.

6. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß ein zentrales Zahnrad (52; 52a; 70) mit einer An triebswelle oder Abtriebswelle verbunden ist.

7. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens ein Zahnrad (28, 29; 53; 53a; 71 bis 73) des Kompensationszahnradpaares (37; 55; 55a; 74 bis 76) im wesent lichen baugleich zu den Zahnrädern (23, 24; 51; 51a; 77 bis 79) des Hauptzahnradpaares (36; 54; 54a; 81 bis 83) ist, wobei der Kopf kreisdurchmesser des Zahnrades des Kompensationszahnradpaares durch Materialabtrag verkleinert ist.

8. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zähnezahl mindestens eines der nicht angetriebenen Zahnräder des Hauptzahnradpaares kleiner ist als die Zähnezahl des kleineren Zahnrades des Kompensationszahnradpaares.

9. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß jeweils der zulaufseitige Druckmittelanschluß des Hauptzahnradpaares mit dem ablaufseitigen Druckmittelanschluß des Kompensationszahnradpaares und der ablaufseitige Druckmittelanschluß des Hauptzahnradpaares mit dem eingangsseitigen Druckmittelanschluß des Kompensationszahnradpaares verbunden ist.

10. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das Hauptzahnradpaar und das Kompensationszahnrad paar einen gemeinsamen hochdruckseitigen Druckmittelanschluß haben.

11. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Hauptzahnradpaar und das Kompensationszahnrad paar einen gemeinsamen niederdruckseitigen Druckmittelanschluß haben.

12. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der An- bzw. Abtrieb über ein Zahnrad des Kompensa tionszahnradpaares erfolgt.

13. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens das gemeinsame Zahnrad Zähne mit nicht symmetrischen Zahnflanken aufweist, wobei die eine Flanke für die Eingriffsverhältnisse des Hauptzahnradpaares, die andere Zahnflanke auf die Eingriffsverhältnisse des Kompensationszahnradpaares ausge legt ist.