DE4338876C2 - Hydraulische Zahnradmaschine (Hydropumpe oder Hydromotor) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Zahnradmaschine, die als Hydropumpe oder als Hydromotor eingesetzt werden kann und die ein außenverzahntes, erstes Zahnrad und ein mit der ersten Zahnrad kämmendes, zweites Zahnrad aufweist und bei der beide Zahnräder Zähne besitzen, deren wirksame Zahnflankenprofile bis zu einem Kopfkreis Kreisevolventen sind.

Derartige hydraulische Zahnradmaschinen sind sowohl als Außen­ zahnradmaschinen, in denen zwei außenverzahnte Zahnräder mitein­ ander kämmen, als auch als Innenzahnradmaschinen bekannt, in denen ein außenverzahntes Zahnrad mit einem innenverzahnten Zahnrad, dem sogenannten Hohlrad kämmt. Eine Außenzahnradma­ schine, deren Zahnräder eine Evolventenverzahnung haben, ist z. B. in der DE 25 54 105 A1 oder in der DE 27 01 303 A1 gezeigt. Bei diesen bekannten Außenzahnradmaschinen enden die Zähne der Zahnräder an einem Kopfkreis, bis zu dem die Zahnflanken als Evolventen ausgebildet sind. Eine Innenzahnradmaschine mit einer Evolventenverzahnung des außenverzahnten Zahnrads und des Hohl­ rads ist aus dem Typenblatt RD 10 215/04.92 der Anmelderin be­ kannt. Auch bei einer solchen Innenzahnradmaschine gehen die Zähne der Zahnräder nicht über den Kopfkreis hinaus, bis zu dem die Zahnflanken Kreisevolventen sind. Zudem ist bei bekannten Innenzahnradmaschinen mit Evolventenverzahnung der Durchmesser des Kopfkreises des Hohlrades üblicherweise größer als der Durchmesser des Grundkreises des Hohlrades, also des Kreises, zu dem die Zahnflanken des Hohlrades Kreisevolventen sind. D. h., daß die Zähne des Hohlrades im Abstand vor dem Grundkreis enden.

Aus der DE 37 37 403 A1 ist eine Außenzahnradmaschine bekannt, bei der die Zahnräder, um das Verhältnis von Förder- zu Bauvolumen einer Außenzahnradmaschine unter Beibehaltung einer günstigen, also großen Zähnezahl an den Zahnrädern zu verbessern, eine nichtevolventische Verzahnung aufweisen. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffslinie im Wälzpunkt einen kleinen Eingriffswinkel hat, der mit der Entfernung des Eingriffs vom Wälzpunkt zunimmt. Die Zunahme ist so knapp gehalten, daß der Unterschnitt an der Zahnflanke die Überdeckung gerade noch nicht auf Werte unter eins vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte hydrau­ lische Zahnradmaschine mit einer Evolventenverzahnung so weiter­ zuentwickeln, daß ihr spezifisches Hubvolumen, also der Durch­ satz von Druckmittel während einer Umdrehung eines Zahnrads er­ höht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hydraulische Zahn­ radmaschine gelöst, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des An­ spruches 1 aufweist und bei der die Zähne eines Zahnrades an den Zahnköpfen einen über den Kopfkreis, also über die wirksamen, als Kreisevolventen ausgebildeten Zahnflankenprofile hinausge­ henden Fortsatz aufweisen, dessen Breite geringer ist als die Breite des Zahnes auf Höhe des Kopfkreises.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Kopfkreise der beiden Zahnräder, bis zu denen die Zahnprofile Kreisevolven­ ten sind, aufeinander abgestimmt werden müssen, um Kollisionen zu Beginn des Eingriffs der Zahnräder ineinander zu vermeiden, daß die Zähne jedoch nicht notwendigerweise in Kopfkreisab­ schnitten auch enden müssen. Vielmehr können die Zähne eines Zahnrades einen Fortsatz gemäß dem kennzeichnenden Teil des An­ spruches 1 aufweisen. Über die Bestimmung hinaus, daß dieser Fortsatz eine Breite hat, die geringer ist als die Breite des Zahnes auf Höhe des Kopfkreises, befindet sich der Fortsatz bei einem außenverzahnten Zahnrad natürlich innerhalb der beiden die Zahnprofile eines Zahnes beschreibenden Evolventen. Ist bei ei­ nem Hohlrad der Kopfkreisdurchmesser größer als der Grundkreis­ durchmesser, so befindet sich der Fortsatz, soweit er außerhalb des Grundkreises liegt, ebenfalls innerhalb einer gedachten, bis zum Grundkreis gehenden Verlängerung der beiden Kreisevolventen eines Zahnprofils. Selbstverständlich ist der Zahnlückengrund am anderen Zahnrad, das mit dem mit Zahnfortsätzen ausgestatteten Zahnrad kämmt, so groß gemacht, daß zwischen den Zahnköpfen des einen Zahnrades und den Zahnlückengründen des anderen Zahnrads keine Kollision stattfindet.

Das spezifische Hubvolumen einer Zahnradmaschine ergibt sich u. a. daraus, wie tief die Zähne des einen Zahnrads in die Zahn­ lücken des anderen Zahnrads eintauchen. Dadurch, daß die Zähne eines Zahnrads mit einem über den Kopfkreis hinausgehenden Fort­ satz ausgestattet sind, tauchen die Zähne tiefer in die Zahnlüc­ ken des anderen Zahnrads ein, so daß das spezifische Hubvolumen vergrößert ist. Es kann eine Erhöhung um bis zu ca. 30% er­ reicht werden. Eine solche Erhöhung des spezifischen Hubvolumens ist insofern vorteilhaft, als bei gleichem Hubvolumen die Abmes­ sungen der Bauteile verringert und so der Stoffeinsatz für eine Zahnradmaschine und die Herstellkosten reduziert werden können.

Eine hydraulische Innenzahnradmaschine, bei der die Zähne des Hohlrades einen abgesetzten Fortsatz tragen, ist schon aus der JP 52-130006 bekannt. Die Veröffentlichung läßt allerdings nicht die Art der Verzahnung der Zahnräder erkennen.

Aus der DD 115 184 ist eine hydraulische Maschine bekannt, bei der es sich um eine Gerotormaschine handelt, deren Verzahnung nichts mit einer Evolventenverzahnung zu tun hat. Die Zahnkontur der Zähne des außenverzahnten Rades sind seitlich der Zahnkopfmitten über die gesamte Dicke des Rades von der verzahnungsgeometrisch bedingten Kontur zurückgesetzt, so daß ein Zahn weniger einen Fortsatz als zwei Rücksprünge aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen hydrauli­ schen Zahnradmaschine kann man den Unteransprüchen entnehmen.

Es können nur die Zähne eines Zahnrades oder auch die Zähne bei­ der Zahnräder mit einem über den Kopfkreis hinausgehenden Fort­ satz versehen sein. Bei einer Innenzahnradmaschine können sich Fortsätze nur am außenverzahnten, ersten Zahnrad, nur am innen­ verzahnten Hohlrad oder an beiden Zahnrädern befinden. Bevorzugt wird dabei eine Ausführung, bei der das innenverzahnte Hohlrad, vorzugsweise nur das innenverzahnte Hohlrad Fortsätze aufweist. Die Verzahnung des Hohlrades wird nämlich üblicherweise durch ein als Räumen bezeichnendes Verfahren hergestellt, ein Verfah­ ren, bei dem sich durch entsprechende Gestaltung der Räumnadel die Fortsätze ohne weiteres formen lassen. Demgegenüber wird die Verzahnung eines außenverzahnten Zahnrads üblicherweise in einem Wälzverfahren hergestellt, so daß zusätzliche Bearbeitungs­ schritte notwendig wären, um die Fortsätze auszubilden.

Vorteilhafterweise geht gemäß Anspruch 5 der Fortsatz an den Zähnen eines Hohlrades weit über den Grundkreis hinaus, wobei gemäß Anspruch 6 die als Kreisevolventen ausgebildeten Zahnflan­ kenprofile bevorzugt bis zum Grundkreis des Hohlrads reichen, so daß sich der Fortsatz ganz innerhalb des Grundkreises befindet.

Die Ansprüche 8 bis 11 geben an, wie der Fortsatz an den Zähnen vorteilhafterweise gestaltet werden kann. Besonders bevorzugt wird dabei eine Ausführung gemäß Anspruch 8, nach der der Fort­ satz einen radialen Vorsprung aufweist, der gegen eine Zahn­ flanke am Kopfkreis in Richtung auf eine mittig durch den jewei­ ligen Zahn gehende Axialebene zurückgesetzt ist. Dadurch kann Quetschöl, das im Bereich des Zahneingriffes vor der mittigen Axialebene entsteht, axial über einen großen Querschnitt seitlich des Vorsprungs eines Fortsatzes abgeführt werden. Dies senkt das Betriebsgeräusch und verbessert den Wirkungsgrad.

Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrauli­ schen Zahnradmaschine sind zum Teil nur als Ausschnitt eines Zahnprofils in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Zahnradpaar einer Innenzahnrad­ maschine gemäß einer ersten Ausführung,

Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1, der dort strichpunktiert eingekreist ist,

Fig. 3 noch einmal vergrößert einen Ausschnitt aus Fig. 2, der dort strichpunktiert eingekreist ist,

Fig. 4 einen Aussschnitt gemäß demjenigen nach Fig. 3 eines Zahnprofils mit einer anderen Form des Fortsatzes und

Fig. 5 einen Ausschnitt gemäß den Fig. 3 und 4 durch ein drittes Zahnprofil mit einer weiteren Form des Fort­ satzes.

Zu der in Fig. 1 gezeigten Innenzahnradmaschine gehört ein au­ ßenverzahntes, erstes Zahnrad 10, im folgenden als Ritzel be­ zeichnet, das auf einer Antriebswelle 11 befestigt oder einstüc­ kig mit dieser hergestellt ist. Das Ritzel 10 befindet sich in­ nerhalb eines als Hohlrad ausgebildeten zweiten Zahnrads 12, dessen Achse 13 exzentrisch zur Achse 14 des Ritzels 10 angeord­ net ist und das an seinem Außenumfang wie die Welle 11 in einem nicht näher dargestellten Gehäuse gelagert ist. Im Bereich beid­ seits einer durch die beiden Achsen 13 und 14 aufgespannten Sym­ metrieebene 15 kämmen die beiden Zahnräder 10 und 12 miteinan­ der, zwischen denen sich im übrigen ein sichelförmiger Freiraum 16 befindet.

Dieser Freiraum 16 nimmt ein sichelförmiges Füllstück 17 auf, das symmetrisch zur Symmetrieebene 15 ist, in seiner Längsrich­ tung zweigeteilt ist und im wesentlichen aus zwei etwa gleich­ dicken Dichtsegmenten 18, 19 besteht, von denen sich jedes über die gesamte Länge des Füllstücks 17 erstreckt. Das Dichtsegment 18 ist an das Ritzel 10 und das Dichtsegment 19 an das Hohlrad 12 andrückbar. In Umlaufrichtung der Zahnräder 10 und 12 können sich die Dichtsegmente 18 und 19 an zwei Anschlagleisten 20 ab­ stützen, die beidseits der Zahnräder 10 und 12 in Gehäuseteilen schwenkbar gelagert sind. Dabei ist das Dichtsegment 18 etwas kürzer als der lichte Abstand der Anschlagleisten 20 voneinan­ der, so daß es zum Ausgleich von Verschleiß nach innen wandern kann. Auch das Dichtsegment 19 ist etwas kürzer gezeichnet. Das Spiel zwischen dem Dichtsegment 19 und den Anschlagleisten 20 muß jedoch nicht unbedingt vorhanden sein.

Das Ritzel 10 und das Hohlrad 12 haben eine Evolventenverzah­ nung. Die Zahnflankenprofile eines Zahnes 25 des Ritzels 10 sind also in weiten Bereichen konvex bezüglich einer axialen Mittele­ bene 26 eines Zahnes 25 und zwischen einem ersten Grundkreis 27, dessen Mittelpunkt auf der Achse 14 liegt, und einem Kopfkreis 28, an dem die Zähne 25 enden, als Evolventen des Grundkreises 27 ausgebildet und am Kopfkreis 28 durch einen Kreisabschnitt 29. miteinander verbunden. Der Bereich einer Zahnlücke 30 zwischen zwei Zähnen 25 des Ritzels 10, der sich unterhalb des Grundkrei­ ses 27 befindet, ist der Zahnlückengrund 31.

Die Zahnflankenprofile eines Zahnes 35 des Hohlrads 12 sind be­ züglich einer axialen Mittelebene 36 des Zahnes 35 in weiten Be­ reichen konkav gekrümmt und Evolventen eines zweiten Grundkrei­ ses 37, dessen Mittelpunkt auf der Achse 13 des Hohlrades 12 liegt. Die Evolventenabschnitte der Zahnprofile eines Zahnes 35 gehen vom Grundkreis 37 aus bzw. reichen bis an den Grundkreis 37 heran, der somit zugleich auch der Kopfkreis des Hohlrades 12 ist. Die Zähne 35 des Hohlrades 12 enden nicht am Grund- bzw. Kopfkreis 37, sondern besitzen einen Fortsatz 40, der am Grund­ kreis 37 beginnt und in diesen hineinragt. Außerdem ist der Fortsatz 40 symmetrisch bezüglich der mittigen Axialebene 36 ei­ nes Zahnes 35 ausgebildet.

Das Teilprofil eines Zahnes 35 im Bereich eines Fortsatzes 40 ist besonders deutlich aus Fig. 3 ersichtlich. Man erkennt, daß das Profil eines Fortsatzes 40 seitlich durch eine gerade Linie 41 begrenzt ist, die mit einer im Schnittpunkt der Linie 41 und des Grundkreises 37 an diesen gelegten Tangente einen Winkel einschließt, der kleiner als 90 Grad ist. Radial wird der Fort­ satz 40 durch einen kreisförmigen Profilabschnitt 42 begrenzt, dessen Krümmungsmittelpunkt auf der Achse 13 des Hohlrades 12 liegt. Beide Profilabschnitte 41 und 42 werden durch eine Fase 43 miteinander verbunden. Aus den Ausführungen und aus Fig. 3 wird deutlich, daß die Breite des Fortsatzes 40 geringer ist als die Breite eines Zahnes 35 auf Höhe des Grund- bzw. Kopfkreises 37.

Gleiches gilt auch für die gegenüber dem Fortsatz nach Fig. 3 abgeänderten Fortsätze nach den Fig. 4 und 5. Diese Fortsätze 40 weisen einen radialen Vorsprung 44 auf, der gegenüber den an den Grund- bzw. Kopfkreis 37 stoßenden Evolventen 45 in Richtung auf die mittige Axialebene 36 eines Zahnes 35 zurückgesetzt ist. Der radiale Vorsprung 44 steht auf einem Fuß 46 des Fortsatzes 40, der in einem Radius 47 in eine Evolvente 45 übergeht. Die Vorsprünge 44 werden nach radial innen wiederum durch einen Kreisabschnitt 42 begrenzt. Der einzige Unterschied zwischen dem Fortsatz nach Fig. 4 und dem Fortsatz nach Fig. 5 besteht darin, daß sich bei der Ausführung nach Fig. 4 der Vorsprung 44 zum Fuß 46 hin in einer Richtung senkrecht zur Ebene 36 verbrei­ tert, während der Vorsprung 44 nach Fig. 5 zum Fuß 46 hin ein konstante Breite hat. Bei den Fortsätzen nach den Fig. 4 und 5 sind zwischen einem Vorsprung 44 und einem Fuß 46 eines Fort­ satzes 40 Einbuchtungen vorhanden, die Quetschöl, das im Bereich des Zahneingriffes vor der Ebene 36 entsteht, axial gut abflie­ ßen läßt.

Das Profil der Fortsätze 40 ist zunächst so gewählt, daß zu Be­ ginn des Eingriffes der beiden Zahnräder 10 und 12 ineinander keine Kollision zwischen den Zähnen 25 und 35 stattfinden kann. Der Zahnlückengrund 31 einer Zahnlücke 30 des Ritzels 10 schließlich ist so erweitert, daß es auch im Zahnlückengrund keine Kollision zwischen den beiden Zahnrädern gibt.

Claims (11)

1. Hydraulische Zahnradmaschine (Hydropumpe oder Hydromo­ tor) mit einem außenverzahnten, ersten Zahnrad (10) und mit ei­ nem mit dem ersten Zahnrad (10) kämmenden, zweiten Zahnrad (12), wobei beide Zahnräder (10, 12) Zähne (25, 35) besitzen, deren wirksamen Zahnflankenprofile bis zu einem Kopfkreis (28, 37) Kreisevolventen (45) sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (35) eines Zahnrades (12) an den Zahnköpfen einen über den Kopf­ kreis (37) hinausgehenden Fortsatz (40) aufweisen, dessen Breite geringer ist als die Breite des Zahnes (35) auf Höhe des Kopf­ kreises (37).

2. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne beider Zahnräder mit einem über den jeweiligen Kopfkreis hinausgehenden Fortsatz ausgestattet sind.

3. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Zahnrad ein innenverzahntes Hohlrad (12) ist und daß die Zähne (35) dieses Hohlrades (12) einen über den Kopfkreis (37) hinausgehenden Fortsatz (40) auf­ weisen.

4. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Fortsätze (40) in radialer Richtung durch einen Profilabschnitt (42) begrenzt sind, der auf einem Kreis liegt.

5. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (40) nach innen über den Grundkreis (37) des Hohlrades (12) hinausgeht.

6. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kreisevolventen (45) ausgebildeten wirksamen Zahnflankenprofile der Zähne (35) des Hohlrads (12) bis zum Grundkreis (37) des Hohlrads (12) reichen und daß sich der Fortsatz (40) ganz innerhalb des Grundkreises (37) befindet.

7. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (40) symme­ trisch bezüglich einer mittig durch den jeweiligen Zahn (35) ge­ henden Axialebene (36) ausgebildet ist.

8. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (40) seitlich von einer ebenen Fläche (41) begrenzt wird, die vom Kopfkreis (37) aus eine Zahnflanke (45) fortführt.

9. Hydraulische Zahnradmaschine nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (40) einen radialen Vorsprung (44) aufweist, der gegen eine Zahnflankenli­ nie (45) am Kopfkreis (37) in Richtung auf eine mittig durch den jeweiligen Zahn (35) gehenden Axialebene (36) zurückgesetzt ist.

10. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Vorsprung (44) auf einem Fuß (46) des Fortsatzes (40) steht und daß der Fuß (46) vom Kopf­ kreis (37) aus eine Zahnflanke (45) fortführt.

11. Hydraulische Zahnradmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß (46) des Fortsatzes (40) in einem Radius (47) in eine Zahnflanke (45) übergeht.