DE4320489A1

DE4320489A1 - Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor)

Info

Publication number: DE4320489A1
Application number: DE19934320489
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Nonnenmacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2013-06-22
Also published as: DE4320489C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit einem periodisch variablen Übersetzungsverhältnis nach der Gat tung des Hauptanspruches. Derartige Zahnradmaschinen sind beispiels weise aus der DE-OS 40 22 500 und der nicht vorveröffentlichten DE-OS 42 15 500 bekannt. Bei derartigen Zahnradmaschinen ist das mo mentane Übersetzungsverhältnis i über den Drehwinkel des drehmoment übertragenden Zahnrades nicht konstant, sondern schwankt periodisch um einen Mittelwert von 1. Damit soll ein pulsationsarmer Förder strom erreicht werden. Das treibende Zahnrad (Zahnrad mit An triebs- bzw. Abtriebswelle) dreht sich dabei in der Regel mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit. Das treibende Zahnrad wirkt über die jeweils miteinander kämmenden Zahnpaare so mit dem getriebenen Zahnrad zusammen, daß dessen Winkelgeschwindigkeit periodisch schwankt. Der Ausbildung der dabei kämmenden Zahnpaare bzw. der Zahnflankenform sind dabei in ihrer Ausgestaltung enge Grenzen ge setzt.

Aus der DE-OS 38 99 721 ist weiterhin eine Zahnradmaschine bekannt, bei der zwei Zahnräder mit gleichem Außendurchmesser (Kopfkreis durchmesser) und ungefähr gleichem Fußkreisdurchmesser unterschied liche Zähnezahlen aufweisen. Dabei hat das getriebene Zahnrad trotz unverändertem Achsabstand zum treibenden Zahnrad eine größere Anzahl von Zähnen. Damit soll eine verbesserte Aufteilung des sich aufgrund des hydraulischen Druckes ergebenden Drehmomentes auf die beiden Zahnräder ermöglicht werden. Diese Ausbildung der Zahnradmaschine mit unterschiedlichen Zähnezahlen von treibendem und getriebenem Zahnrad beschränkt sich jedoch auf Zahnradmaschinen, bei denen die Zahnräder gleichen Kopfkreisdurchmesser und ungefähr gleichen Fuß kreisdurchmesser haben, und bei denen - wie bei herkömmlichen Zahn radmaschinen - das innere momentane Übersetzungsverhältnis zwischen treibendem und getriebenem Zahnrad wenigstens näherungsweise gleich ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß sie weitestgehend pulsationsfrei arbeitet, und daß gleichzeitig die eingreifenden Zahnflanken über einen größeren Durchmesserbereich für den Eingriff nutzbar sind. Man erhält dadurch einen wesentlich größeren Spielraum bzw. Gestaltungsfreiraum für die Ausbildung günstiger Zahnformen (Zahnflankenformen). Weiterhin er reicht man dadurch eine sehr viel geringere Flankenbelastung der miteinander kämmenden Zahnpaare.

Insbesondere wenn das getriebene Zahnrad mit mehr Zähnen ausgebildet wird, ergibt sich eine günstigere Verteilung des Betriebsdrehmo mentes auf die beiden Zahnräder, da dieses Betriebsmoment zu einem größeren Anteil zum treibenden Zahnrad verlagert ist. Dadurch wird die zu übertragende Zahnkraft vermindert und der mechanische Wir kungsgrad der Zahnradmaschine verbessert.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Übersetzungsverhältnis zwischen dem treibenden Zahnrad und dem getriebenen Zahnrad einen variablen Anteil hat, bei dem ein sinusförmiger, durch die Zahnfre quenz des treibenden Zahnrades bestimmter Anteil eingeht. Damit können betriebsbedingt auftretende mechanische Geräusche vermindert werden, wie sie insbesondere bei einer Zahnradmaschine nach der DE-OS 40 22 500 aufgrund des stark ungleichförmigen Laufes des ge triebenen Zahnrades auftreten.

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 schematisch die geometrischen Beziehungen zwischen zwei im Außeneingriff mitein ander kämmenden Zahnrädern.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung sind zwei miteinander im Außeneingriff kämmende Zahn räder 10, 11 dargestellt, von denen das Zahnrad 11 das treibende Zahnrad und das Zahnrad 10 das getriebene Zahnrad ist. Dabei bedeu tet hier treibendes Zahnrad die Verbindung mit einer nicht darge stellten drehmomentübertragenden Antriebs- bzw. Abtriebswelle. Im Fall des Betriebes der Zahnradmaschine als Pumpe wird demzufolge über das treibende Zahnrad 11 das Drehmoment zum Antrieb eingelei tet, während beim Betrieb der Zahnradmaschine als Motor über das treibende Zahnrad 11 ein Drehmoment über die Abtriebswelle abgegeben wird.

Die beiden Zahnräder 10 und 11 kämmen im Außeneingriff so miteinan der, daß zwei zusammenwirkende, nicht näher dargestellte, Zahnpaare im momentanen Eingriffspunkt E aneinanderliegen. In diesem Ein griffspunkt E wird die Bewegung des treibenden Zahnrades 11 auf das getriebene Zahnrad 10 übertragen. Dabei dient der eigentlichen Bewe gungsübertragung nur ein Bewegungsanteil, der in Richtung der ge meinsamen Normalen N weist, der restliche Bewegungsanteil führt zu einer Gleitbewegung zwischen den als Zahnpaar zusammenwirkenden Zähnen. Diese Normale N im momentanen Eingriffspunkt E schneidet die Verbindungslinie 12 zwischen dem Mittelpunkt M_G des getriebenen Zahnrades 10 und dem Mittelpunkt M_T des treibenden Zahnrades 11 im Wälzpunkt W. Dieser Wälzpunkt W teilt bei herkömmlichen Zahnradma schinen mit konstanten Übersetzungsverhältnissen bzw. Winkelge schwindigkeiten die Verbindungslinie 12 im Verhältnis dieser Winkel geschwindigkeiten. Bei herkömmlichen Zahnradmaschinen mit konstantem Übersetzungsverhältnis und gleichem Kopfkreisdurchmesser entspricht die Teilung der Verbindungslinie dem Verhältnis der Zähnezahlen. Bei den Zahnradmaschinen mit einem variablen Übersetzungsverhältnis wan dert der Wälzpunkt W periodisch auf der Verbindungslinie 12 und teilt diese jeweils im Verhältnis der momentanen Winkelgeschwindig keiten. Dabei ist der Wälzpunkt W der gedachte Punkt, in dem die Um fangsgeschwindigkeiten der miteinander kämmenden Zahnräder gleich groß sind.

Bildet man um die Mittelpunkte M_G des getriebenen Zahnrades 10 und M_T des treibenden Zahnrades 11 jeweils die momentanen Grundkreise 13 und 14, d. h. die Kreise, an denen die Normale N in den Punkten T_G und T_T tangierend anliegt, erhält man ein an sich bekanntes Fadenmodell. Bei diesem Fadenmodell wird ein Faden von einem momen tanen Grundkreis 13, 14 auf den anderen Grundkreis 14, 13 umgespult. Das Verhältnis der momentanen Grundkreisradien R_GG und R_GT entspricht dabei dem zugehörigen Übersetzungsverhältnis i. Der Faden (Normale N) schneidet dabei - wie bereits angeführt - die Verbin dungslinie 12 im momentanen Wälzpunkt W. Jedem vorgegebenen Über setzungsverhältnis entspricht somit ein bestimmter Wälzpunkt, der wiederum die Richtung der Normalen N durch den momentanen Eingriffs punkt E vorgibt.

Dieser Eingriffspunkt E verschiebt sich bei der Drehung der zu sammenwirkenden Zahnräder 10, 11 entlang einer nicht dargestellten Eingriffslinie. Für jedes konstante Übersetzungsverhältnis i be stimmt der sich dabei ändernde Abstand des momentan dichtenden Ein griffspunktes zum zugehörigen Wälzpunkt der beiden Zahnräder den schwankenden Anteil des Förderstromes. Durch die entsprechende und an sich bekannte Ausgestaltung des inneren Übersetzungsverhältnisses zwischen treibendem Zahnrad 11 und getriebenem Zahnrad 10 soll dieser durch den sich ändernden Abstand zwischen momentan dichtendem Eingriffspunkt E und zugehörigem Wälzpunkt W hervorgerufene schwankende Anteil des Förderstromes ausgeglichen werden. Die dabei möglichen Eingriffslinien und Zahnformen sind in engen Grenzen vari abel. Diese Grenzen werden vor allem durch den Kopfkreisradius R_KG bzw. R_KT des getriebenen Zahnrades 10 und des treibenden Zahnrades 11 und die jeweiligen Zähnezahlen Z_G und Z_T bestimmt. Um hydrau lisch wirksam und vor allem dichtend ineinander greifen zu können, müssen die Konturen der miteinander kämmenden Zahnflanken stetig und knickfrei sein. Der Überdeckungsgrad der miteinander kämmenden Zahn räder muß größer als 1 sein und das Übersetzungsverhältnis i sollte für beide Zahneingriffe identisch sein, wenn ein neues Zahnpaar die Abdichtung übernimmt. Die beiden jeweils kämmenden Zahnflanken wirken dabei bewegungsübertragend und gleitend zusammen. Diese Bewegungsübertragung erfolgt über einen Drehwinkelbereich, der durch den Kopfkreisdurchmesser und vor allem die Zähnezahl vorgegeben ist. Macht man nun erfindungsgemäß die Zähnezahlen der beiden Zahnräder unterschiedlich, können damit die Zahnflanken über einen größeren Durchmesserbereich für den Eingriff nutzbar gemacht werden. Man erhält dadurch einen wesentlich vergrößerten Spielraum für die Gestaltung der Zahnkontur. Dadurch sind erheblich mehr bzw. günsti gere Zahnformen möglich. Darüber hinaus erhält man durch die Ver größerung des für die Übertragung der Bewegung wirksamen Durch messerbereiches eine sehr viel geringere Flankenbelastung. Je kleiner der beim Eingriff überstrichene Bereich der Zahnflanke, desto mehr muß diese gekrümmt sein. Das führt zu einer Zunahme der Hertz′schen Pressung. Umgekehrt ermöglicht eine größere nutzbare Flankenhöhe in der Regel geringere Krümmungen und damit kleinere Pressungen. Das Übersetzungsverhältnis i schwankt in diesem Fall dann nicht mehr um den Wert 1 sondern um den Wert Z_G/Z_T. Insbesondere wenn das getriebene Zahnrad 10 mit einer höheren Zähne zahl Z_G ausgebildet ist, verlagert sich das aufgrund des hydrau lischen Druckes wirkende Betriebsmoment zu einem ganz wesentlichen Teil zum treibenden Zahnrad 11. Dieser Verlagerungseffekt tritt auf, wenn an dem entsprechenden Zahnrad (hier am getriebenen) die mittlere Lage des abdichtenden Eingriffs näher zum Kopfkreis wan dert, also im einfachsten Fall bei gleichbleibendem Kopfkreisdurch messer und höherer Zähnezahl. Dies ermöglicht auch die Ausbildung einer einfach aufgebauten Zahnradmaschine, da bei gleichem Kopf kreisdurchmesser die Gehäuseauslegung für beide Zahnkammern gleich ist. Allgemein gilt, daß das hydraulische Drehmoment an dem Rad ver kleinert wird, an dem die Differenz zwischen dem Kopfkreisradius R_K und dem mittleren Wälzkreisradius R_Wm = a·Z_G,T·(Z_G+Z_T)^-1 den kleineren Wert annimmt (a ist der Achsabstand der Zahnradmittelachsen). Die zu übertragende Zahn kraft wird dabei vermindert und der mechanische Wirkungsgrad der Zahnradmaschine verbessert.

Bei den üblichen Zähnzahlen herkömmlicher Zahnradmaschinen sind bei annähernd gleichen Kopfkreisdurchmessern ohne weiteres Differenzen von ein bis drei Zähnen zwischen treibendem und getriebenem Zahnrad möglich. Diese Differenz kann natürlich größer werden bei stark un terschiedlichen Kopfkreisdurchmessern.

Um einen ungleichförmigen Lauf des getriebenen Zahnrades und dadurch verursachte mechanische Geräusche zu vermeiden, sollte der variable Anteil des Übersetzungsverhältnisses als Sinusfunktion von der Winkelgeschwindigkeit des treibenden Zahnrades 11 abhängen. Dabei sollte das momentane Übersetzungsverhältnis der Beziehung

genügen. Dabei ist ω_t = Z_T · ω d. h. ω_t ist auf die Zahn frequenz bezogen und gleich dem Produkt aus der Winkelgeschwindig keit des treibenden Zahnrades mit seiner Zähnezahl. Der Faktor t entspricht der Zeit, und der Faktor C ist auf die Amplitude der Sinusschwingung abgestimmt. Der Faktor C ist so ausgelegt, daß die Amplitude der Schwingung geeignet ist, die Pulsation auszugleichen bzw. zu minimieren. Der Anteil ϕ_a der Sinusfunktion ist abhängig von den Anfangsbedingungen bzw. Startbedingungen und entspricht dem Phasenwinkel, bei dem das Minimum der verbleibenden Pulsation erreicht wird. Dieser Winkel liegt im Bereich -π ϕ_a π. Mit diesem harmonisch schwankenden Übersetzungsverhältnis werden stoß artige Veränderungen der Winkelgeschwindigkeit des getriebenen Zahnrades vermieden, so daß die mechanischen Geräusche der Zahnrad maschine vermindert werden.

Claims

1. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit mindestens zwei drehbar geführten Zahnrädern (10, 11), deren Verzahnung miteinander im Ein griff stehen, wobei das getriebene Zahnrad (10) mit einem periodisch variablen Übersetzungsverhältnis angetrieben ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zähnezahlen (Z_G, Z_T) der Zahnräder (10, 11) unterschiedlich sind.

2. Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis i wenigstens näherungsweise der Beziehung entspricht, wobei Z_G die Zähnezahl des getriebenen Zahnrades (10), Z_T die Zähnezahl des treibenden Zahnrades (11), ω_t±t das Produkt aus Zahnfrequenz und Zeit, C die durch die auszugleichende Pulsation bestimmte Amplitude der Schwingung und ϕ_a der Anpassungswinkel für die Phasenlage ist.

3. Zahnradmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähnezahl (Z_G) des getriebenen Zahnrades (10) größer ist als die Zähnezahl (Z_T) des treibenden Zahnrades (11).

4. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kopfkreisdurchmesser (R_KG, R_KT) der beiden Zahnräder (10, 11) wenigstens näherungsweise gleich sind.

5. Zahnradmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Zähnezahlen (Z_G, Z_T) kleiner als 4 ist.