-
Hochdruckflüssigkeitspumpe oder -motor nach Art einer Zahnradpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruckflüssigkeitspumpen oder -motoren nach Art
von Zahnradpumpen und betrifft eine Anordnung, um in axialer Richtung einstellbare
Flansche oder Flanschbüchsen in dichtender Berührung mit den Zahnrädern zu halten.
-
Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Auslaßdruck oder einen Teil
desselben der Rückfläche einer axial einstellbaren Flanschbüchse zuzuführen, um
eine dichtende Berührung mit dem zugehörigen Zahnrad zu erzielen. Arbeiten diese
bekannten Anlagen als Pumpe, so werden bei hohen Drücken die Flansche der Flanschbüchsen
von den Zahnradflächen.und den Zähnen weggeschoben, so daß der volumetrische Wirkungsgrad
wesentlich herabgesetzt wird. Bei den bekannten Anlagen fehlte die erfindungsgemäße
Lösung des Problems, das darin besteht, zwischen den arbeitenden Druckflächen der
Flansche oder Flanschbüchsen einen genau bemessenen, einseitig wirkenden Druck zu
erzeugen. Hierbei muß berücksichtigt werden, daß die der Erfindung zugrunde liegende
Anlage mit außergewöhnlich hohen Drücken arbeitet, die beispielsweise im Bereich
von 75 bis 375 kg/cm2 liegen, daß die Anlage in der Hauptsache aus Leichtmetall
besteht, da sie als Pumpe oder Motor in Flugzeugen verwendet werden soll, daß die
Anlageeine verhältnismäßig kleine Flüssigkeitsmenge von 0,13 bis 138 cms fördern
soll und daß die Anlage arbeiten soll, ohne daß übermäßiger Verschleiß
zwischen
den Flanschen oder den Flanschbüchsen und den Zahnrädern auftritt, während gleichzeitig
ein angemessener volumetrischer Wirkungsgrad beibehalten wird. Für eine als Pumpe
auf einem Flugzeug zu verwendende Anlage müß außerdem der zum Antrieb der Pumpe
erforderliche Kraftbedarf in bestimmten Grenzen gehalten werden. Die bisherigen
Versuche; die Verschleißfestigkeit, den Kraftaufwand und den Wirkungsgrad günstiger
'zu gestalten, haben zu einer Verbesserung eines dieser Faktoren nur auf Kosten
der anderen Faktoren geführt. Wurde beispielsweise der Wirkungsgrad durch festes
Anpressen der Flanschhülsen gegen die Zahnradflächen erhöht, so hatte dies einen
erhöhten Verschleiß und eine unzulässige Erhöhung der zum Antrieb der Pumpe notwendigen
Kraft zur Folge.
-
Alle oben aufgezählten Faktoren können richtig zueinander abgestimmt
und die gewünschten Ergebnisse erzielt werden, wenn die auf die verschiedenen Flächen
der Flansche oder Flanschbüchsen einwirkenden Flüssigkeitsdrucke einseitig geregelt
zur Einwirkung gebracht werden. Durch diese Drücke werden die Flanschbüchsen und
die Zahnräder mit einem kleinen Druckunterschied gegeneinandergedrückt, der bei
einem verhältnismäßig niedrigen Druck oder bei einem verhältnismäßig sehr hohen
Druck, z. B. bei 375 kg/cm2 oder höher, nur einen Bruchteil des Gesamtdruckes der
Pumpe ausmacht.
-
Hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zwischen jedem der
in an sich bekannter Weise vorgesehenen Flansche und dem angrenzenden Zahnrad radial
einwärts von den Zähnen neben den Zahnradzapfen eine Entlastungsnut in Form einer
kreisringförmigen Vertiefung vorzusehen, die in Verbindung mit einer Flüssigkeitszone
geringeren Druckes als dem in dem Pumpenauslaß bzw. Motoreinlaß herrschenden Druck
steht.
-
Ziele, Vorteile und Verwendungszwecke der Erfindung ergeben sich aus
der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
-
In den Zeichnungen ist Fig. i ein Axialschnitt einer Zahnradpumpe
bevorzugter Ausführungsform nach Linie i-i der Fig. 4, Fig.2 ein vor allem die Anordnung
der Verteilungskanäle in der Deckelplatte des Gehäuses zeigender Querschnitt nach
Linie 2-2 der Fig. i, Fig. 3 ein Querschnitt nach Linie 3-3 der Fig. i, der die
Anordnung zur übertragung von Druck von der Hochdruckseite der Pumpe zur Rückseite
der Flanschbüchsen erkennen läßt, Fig. 4 ein Querschnitt nach Linie 4-4 der Fig.
i, der die Anordnung von zur Druckflüssigkeitsverteilung dienenden Kanälen in der
Deckelplatte zeigt, Fig. 5 ein Querschnitt nach Linie 5-5 der Fig. i, der zwei nebeneinanderliegende
Flanschbüchsen zeigt, Fig. 6 ein Querschnitt nach Linie 6-6 der Fig. 4 mit den Flüssigkeitskanälen,
die in der Deckelplatte mit gegenüberstehenden Seiten der Pumpe verbunden sind,
wobei die Kanäle j e nach der Umlaufrichtung der Zahnräder wahlweise Einlaß oder
Auslaß sein können, Fig. 7 ein Querschnitt nach Linie 7-7 der Fig. 4, der ebenfalls
die Anordnung der Kanäle in der Deckelplatte zeigt, Fig. 8 ein Axialschnitt, der
vereinfacht die Lage der wichtigsten Teile der bevorzugten Ausführung erkennen läßt;
Fig. g bis 12 sind Teilquerschnitte mehrerer abgeänderter Ausführungsformen zur
Regelung des auf die Flanschbüchsen wirkenden Arbeitsdruckes.
-
In den Zeichnungen bezeichnet io allgemein eine Zahnradpumpe, die
von einer Antriebswelle eines Flugzeugmotors (nicht dargestellt) getrieben wird
und die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das aus Leichtmetall,
z. B. Aluminium, bestehende Pumpengehäuse i i enthält zwei parallele, sich überlappende,
zylindrische Kammern 12 und 13 zur Aufnahme der Zahnräder 14 und 15, die in dem
sich überlappenden Teil der Kammern 12 und 13 im Eingriff miteinander stehen. Eine
Deckelplatte 17 aus dem gleichen Leichtmetall ist mit dem offenen Ende des Gehäuses
ii beispielsweise mittels Gewindebolzen i8 befestigt. Die innere freiliegende Oberfläche
des Deckels 17 besitzt den Zahnradklammern 12 und 13 zugehörende Stirnwände 19
und 2o, die radial sowie parallel zu den gegenüberliegenden Stirnwänden 21 und 22
stehen. Die Breite der Zahnräder ist etwas kleiner als die Breite der Kammern 12
und 13, so daß an beiden Seiten der Zahnräder kreisringförmige Räume vorhanden sind.
Die Stirnwände ig, 2o, 21 und 22 der Kammern 12, 13 haben Bohrungen 26, 27, 28,
2g, in die die Zahnräder 14 und 15 mit ihren Zapfen 31, 32, 33 und 34. eingreifen,
deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Bohrungen.
-
Von besonderer Wichtigkeit für die Erfindung ist der Ein- und Ausbau
der Flanschbüchsen 36 (Fig. i bis 8). Diese Flanschbüchsen sind zwischen das Gehäuse
und die Zahnräder eingesetzt und bestehen aus einem Lagermaterial, z. B. Bronze.
Es sind vier gleiche Flanschbüchsen 36 vorhanden, deren Büchsen 37 um jeden Zahnradzapfen
innerhalb der zugehörenden Bohrung liegt und deren Flansch 38 in dem Raum zwischen
der Zahnradstirnfläche und der Zahnradkammerstirnwand sich befindet. Ein elastischer
Dichtungsring 39 liegt zwischen der Büchse 37 jeder Flanschbüchse und der
umgebenden Wand der Bohrung, um den Durchtritt von Flüssigkeit zwischen diesen Teilen
zu verhindern: Die Flanschbüchsen 36 können sich wie Kolben begrenzt axial in den
Kammern 12 und 13 und den Bohrungen 26, 27 nach einer Seite der Zahnräder hin bewegen,
um die Zahnräder und die Flansche in dichtende Berührung miteinander zu bringen,
so daß zwei Flüssigkeitsdruckkammern 41 und 42 zwischen den Stirnwänden ig, 2o und
der Außenseite der angrenzenden Flansche 38 gebildet werden. Die kreisringförmigen
Druckkammern 41 und 42 werden mit Druckflüssigkeit von der Hochdruckseite der Zahnräderzähne
aus über eine besonders geformte Gruppe von Leitungen und Ventilen
versorgt,
die im einzelnen später noch beschrieben werden.
-
Die Stirnseite der Flansche 38 weist eine parallel zu der nebenliegenden
Seitenfläche des zugehörigen Zahnrades verlaufende Fläche 44 auf, die für gewöhnlich
das Zahnrad abdichtend berührt. Das Arbeiten ist nicht einwandfrei, wenn die Fläche
44 die gleiche Länge hat wie das eigentliche Zahnrad, gemessen vom Zapfen radial
nach auswärts bis zur Kante der Zahnradzähne. Sobald hohe Drücke erreicht werden,
wird der zwischen der Flanschfläche 44 und der nebenliegenden Zahnradfläche wirkende
Druck so hoch, daß der Flansch von der Zahnradfläche weggedrückt wird und der volumetrische
Wirkungsgrad fällt. Zum Beheben dieser Schwierigkeit mußte daher eine Anordnung
geschaffen werden, um den Arbeitsdruck in den Ringkammern 41 und 42 stets größer
zu halten als den Arbeitsdruck, der zwischen den Flanschflächen 44 der Flanschbüchsen
und den nebenliegenden Zahnradflächen erzeugt wird. Es mußte ein verhältnismäßig
kleiner Differentialdruck von einer Größe sein, die keinen übermäßigen Verschleiß
zwischen den Flanschflächen und den Zahnradflächen erzeugt, da bei Verschleiß übermäßiger
Kraftaufwand zum Drehen der Pumpenzahnräder notwendig ist.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einer zwischen
den Zahnradflächen und den nebenliegenden Flanschflächen 44 sich befindenden Stelle
eine Entlastungsnut46 vorgesehen wird. Vorzugsweise wird' eine Entlastungsnut 46
zwischen jeder Flanschfläche 44 und der nebenliegenden Zahnradstirnfläche vorgesehen,
jedoch wird das gleiche Ergebnis erzielt, wenn eine Entlastungsnut 46 in den an
nur einer Seite der Zahnräderliegenden Flanschflächen 44 vorgesehen wird, nämlich
in denjenigen Flanschbüchsen, deren Flansche 37 einen Teil der kreisringförmigen
Druckkammern 41 und 42 bilden. Entlastungsnuten 46 werden in den Flanschbüchsen
lediglich auf der Druckkammerseite vorgesehen, wenn sehr kleine Pumpen, z. B. eine
Pumpe mit einer Fördermenge von 1,6 cm3, verwendet werden. In diesem Falle würde
das Einarbeiten von Nuten in allen Flächen 44 wegen der Kleinheit der Nuten unpraktisch
sein.
-
In der in den Fig. i bis 8 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Entlastungsnut 46 eine kreisringförmige Vertiefung rechteckigen
Querschnitts, die in der Flanschfläche 44 radial einwärts von den Zähnen neben den
zugehörigen Zahnradzapfen liegt. Die wichtige Aufgabe dieser Entlastungsnut 46 besteht
darin, den Flächendruck zwischen der Flanschfläche 44 und der nebenliegenden Zahnradfläche
auf einen Wert zu vermindern, der unterhalb des Druckes liegt, der innerhalb der
kreisringförmigen- Druckkammern 41 und 42 auf die Rückfläche des Flansches 38 wirkt.
Dieser Druckunterschied braucht nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des innerhalb
der kreisringförmigen Druckkammern 41, 42 herrschenden Gesamtdruckes zu sein, da
die Flanschbüchse, solange dieser kleine Unterschied besteht, von den Zahnradflächen
nicht weggeschoben wird, auch wenn der Druck außergewöhnlich hoch ist. Die Flansche
38 haben auf der Druckkammerseite daher immer einen etwas höheren Druck, um einen
höheren Druck in Richtung des Zahnrades aufrechtzuerhalten und dadurch die erforderliche
Abdichtung zu erzielen, ohne daß der Druck so hoch ist, daß ein nachteiliger Verschleiß
eintritt.
-
Von jedem Flansch 38 ist ein Segment weggenommen; um flache aufeinanderliegendeFlächen
38a in der Eingriffszone der Zahnräderzähne zu bilden. Da infolge unvollkommener
Herstellung die Flansche an den Endabschnitten der Flächen 38a nicht genau aufeinanderpassen
und infolgedessen ein Durchsickern von Flüssigkeit von der Hochdruckseite der Zahnradzähne
zur Niederdruckseite erfolgt und hierdurch Fehler entstehen, sind an diesen Berührungsstellen
Dichtungsstreifen 38c eingesetzt.
-
Die Hauptkanäle 48 und 49 für die Förderflüssigkeit sind an gegenüberliegenden
Seiten der Zahnräderzähne in der Eingriffszone vorhanden, um den Flüssigkeitsstrom
den Zahnrädern zuzuführen und von den Zahnrädern wieder abzuleiten. Diese Kanäle
48 und 49 können wechselweise, je nach der Drehrichtung der Zahnräder, den Einlaß
oder Auslaß bilden, da die Teile selbsttätig auf den auf der Hochdruckseite der
Zahnräder herrschenden Druck ansprechen, so daß weiter keine besondere Einstellung
oder Auswechslung von Teilen erforderlich ist. Diese Anordnung stellt sich auch
darauf ein, ob die Zahnräder durch einen Motor getrieben werden und demgemäß als
Pumpe arbeiten oder ob die Zahnräder durch Zuführen von Druckflüssigkeit zu den
Leitungen 48 oder 49 wie ein Flüssigkeitsmotor gedreht werden.
-
Zur Durchführung dieser selbsttätigen Umkehrung ist eine besondere
Anordnung von Verteilerleitungen und Ventilen in dem Deckel 17 vorgesehen. Angenommen,
die Zahnräder 14 und 15 (Fig. i bis 8) werden als Pumpe in solcher Richtung angetrieben,
daß der Kanal 48 die Niederdruckeinlaßseite und der Kanal 49 die Hochdruckauslaßseite
ist, von dem ein Kanal 51 zu einem federbeaufschlagten Kugelrückschlagventil 52
führt, das durch Druckflüssigkeit geöffnet wird und dann durch Kanal 53 zur Druckkammer
41 strömt. Eine zweite Leitung 5ia führt vom Kanal 48 zum federbeaufschlagten Kugelrückschlagventi152a
und von da durch Leitung 53a zur Druckkammer 41. Die Kugelrückschlagventile 52 und
52a arbeiten also in entgegengesetzten Richtungen. Das Öffnen des Kugelrückschlagventils
52 durch den in dem Kanal 49 herrschenden hohen Druck schließt das Kugelrückschlagventi152a,
so daß immer das eine Ventil durch den Druck geschlossen wird, der das andere Ventil
öffnet. Es ist deshalb gleichgültig, welche Seite die Hochdruckseite ist, dadurch
diesen Hochdruck das richtige Ventil der beiden Ventile 52 und 52a geöffnet und
das entsprechende andere Ventil geschlossen wird. Das federbeaufschlagte Rückschlagventil52
oder das Rückschlagventil 52a verursacht einen kleinen Druckabfall beim Durchgang
der
Flüssigkeit, jedoch ist dieser Druckabfall gegenüber der normalen Druckhöhe des
Ventils so klein, daB dadurch das Arbeiten der Flanschbüchse nicht merklich beeinflußt
wird. Der Druckabfall, der durch das Rückschlagventi152 oder 5211 verursacht wird,
beträgt z. B. für gewöhnlich nicht mehr als i bis 3 kg/cm2, während der Hochdruck
auf der Auslaßseite der Zahnradzähne im Bereich von 75o bis 22oo kg/cm2 liegt.
-
Die Entlastungsnut 46 muß mit einer Druckquelle verbunden werden,
deren Druck niedriger ist als der auf der Hochdruckseite der Pumpe oder in der Druckkammer
41 herrschende Druck. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Entlastungsnut
46 mit der Niederdruckseite der Pumpe oder dem Kanal 48 verbunden, jedoch nicht
unmittelbar, sondern unter Einschaltung einer zweiten Gruppe von Kugelrückschlagventilen,
die einen Druckabfall zwischen der Entlastungsnut 48 und der Niederdruckseite der
Pumpe erzeugen und auf diese Weise eine Zwischendruckzone schaffen. Eine Leitung
56 führt von dem Hochdruckkanal 49 zum federbeaufschlagten Rückschlagventi157, das
geschlossen gehalten wird, um den Durchtritt von Flüssigkeit durch die Leitung 58
hindurch zur Bohrung 26, 27 zu verhindern, während Kanal 56a von dem Niederdruckkana148
zu dem federbeaufschlagten Kugelrückschlagventi157a führt, das durch einen vorbestimmten,
innerhalb der Bohrung 26, 27 herrschenden Druck durch den Kanal 58" wirkenden
Zwischendruck geöffnet wird. Die Rückschlagventile 57, 57a halten also abwechselnd
den Hochdruck am Eintritt in die Bohrung 26, 27 ab und verhindern, daß in der Bohrung
ein oberhalb einer bestimmten Größe befindlicher Druck entsteht, indem die Druckflüssigkeit
je nach der jeweiligen Hochdruckseite der Pumpe nach einem der Kanäle 48 oder 49
abgelassen wird, ohne daß eine besondere Einstellung oder Auswechslung von Teilen
erforderlich ist. Die Bohrungen 26 und 27 stehen miteinander durch einen Kanal 61
in Verbindung. Unterlagscheiben 62 liegen in den Bohrungen 26, 27 und werden in
Berührung mit den Enden der Büchse 37 durch Federn 63 gehalten, wodurch eine Berührung
zwischen den Zahnradflächen und den Flanschen der Büchsen erfolgt. Ein koaxial durch
Zapfen 32, Zahnrad 15 und Zapfen 33 verlaufender Kanal 66 führt Druckflüssigkeit
durch einen Kanal 67 zu einer von Druckflüssigkeit betätigten biegsamen Kupplung
68. Ein koaxial durch Zapfen 31, Zahnrad 14 und Zapfen 34 verlaufender Kanal
71 verbindet die Zwischendruckzone mit der biegsamen Kupplung 68. Der Zahnradzapfen
34 besitzt einen Ansatz 72, der durch die Wand des Gehäuses i i durchtritt und auf
seinem Umfang koaxiale Nuten und Keile 73 trägt. Ein Kupplungsteil 74 besitzt in
seinem Innern komplementäre Nuten und Keile, die mit den Nuten und Keilen 73 zusammenarbeiten.
Er besitzt außerdem einen Flansch 75, auf dem ein Lagerring 76 liegt. Die gegenüberliegende
Seite dieses Ringes drückt gegen eine elastische Ringdichtung 77, die in einem Gehäuseteil
eingebettet ist. Der Kupplungsteil 74 endet an seiner Außenseite in einer Nutenwelle
oder einem Verbindungszahnrad 7q.a, das in Treibverbindung mit einer Hilfswelle
des Flugzeugmotors zusammenarbeitet. Das eine Ende einer Druckfeder So liegt gegen
eine in der Bohrung 71 des Zahnrades 14 befindliche Schulter, und das andere Ende
der Feder liegt gegen den Kupplungsteil 74, um ein anfängliches Spiel auszuschalten
und eine erste Abdichtungsberührung von Flansch 75, Ring 76 und nachgiebiger Abdichtung
77 herbeizuführen. Die durch die Leitung 67 zugeführte sowie die durch die Leitung
71 zugeführte und zwischen den Keilen 73 hindurchtretende Zwischendruckflüssigkeit
bewirkt das Arbeiten der Abdichtung.
-
Die zwischen den Zahnradflächen und den Flanschflächen 44 liegenden
Entlastungsnuten 46 müssen zum Arbeiten mit einer Druckzone verbunden werden, deren
Druck wesentlich niedriger als der in den Druckkammern 41, 42 herrschende Druck
ist. Erfindungsgemäß wird die Entlastungsnut 46 mit der Zwischendruckflüssigkeitszone
verbunden, an die die biegsame Kupplung angeschlossen ist, da dies für die einwandfreie
selbsttätige Umkehrbarkeit der Pumpe wichtig ist. Diese Verbindung wird dadurch
erreicht, daß jede Flanschbüchse einen in koaxialer Richtung sich erstreckenden
Kanal 81 aufweist. Ein solcher Kanal ist in der Darstellung für jede Flanschbüchse
vorgesehen, da hierdurch die Verteilung verbessert wird und ein kleinerer Querschnitt
des Kanals möglich ist. Bei Pumpen sehr kleiner Leistung, bei denen die Entlastungsnut
nur in den auf einer Seite der Zahnräder liegenden Flanschbüchsen vorhanden ist,
haben die an der gegenüberliegenden Seite der Zahnräder befindlichen Flanschbüchsen
keinen Kanal.
-
Fig. 9 zeigt eine abgeänderte Ausführung von Zahnrad und Flanschbüchse
zur Veränderung der Druckhöhe der Druckflüssigkeit. Zahnrad 114 hat eine vertiefte
Nut 115, die radial einwärts der Zahnradzähne neben dem Zahnradzapfen liegt. Die
Flanschbüchse i 16 besitzt dann keine Vertiefung in ihrer Fläche. Die Entlastungsnut
115 kann nur auf einer Seite des Zahnrades 114 neben der Flanschbüchse 116, wie
dargestellt, liegen, oder es werden auf beiden Seiten des Zahnrades Nuten 115 vorgesehen.
Im ersteren Falle muß natürlich die einzige Nut i 15 breiter sein als bei Anordnung
von Nuten auf beiden Seiten des Zahnrades. Der dem Kanal 81 gemäß Fig. i bis 8 entsprechende
Kanal ist mit 117 bezeichnet.
-
Fig. io zeigt eine abgeänderteFlanschbüchse, bei der die Flanschbüchse
126 eine abgeschrägte Nut 127 besitzt mit einem Kanal 1::8.
-
Fig. i i zeigt eine weitere abgeänderte Ausführung, bei der die Entlastungsnut
46 einer der vorstehend dargestellten Formen mit der Saugseite der Pumpe mittels
eines in der Flanschfläche der Flanschbüchse liegenden radialen Kanals 131 verbunden
ist. Diese abgeänderte Form ist natürlich nur dort anwendbar, wo eine selbsttätige
Umkehr der Arbeitsrichtung nicht notwendig ist.
Ein Weg zur Bestimmung
der richtigen Größe der in der Flanschbüchse oder in dem Zahnrad einzuarbeitenden
Entlastungsnut besteht darin, nach und nach kleine Mengen, beispielsweise durch
Abdrehen auf einer Drehbank, zu entfernen, bis es sich beim Zusammenbau ergibt,
daß die Flanschbüchsen mit den Zahnradflächen bei hohen Drücken in dichter Berührung
gehalten werden. Sobald auf diese Weise die richtige Größe für eine besondere Pumpe
bestimmt worden ist, erfolgt die weitere Herstellung durch Kopieren.
-
Fig. 1a zeigt eine der Ausführung nach Fig.9 ähnliche abgeänderte
Form, bei der der Entlastungskanal 115a durch das Zahnrad 115 hindurch zur Unterdruckseite
geführt ist, während in Fig. 9 diese Verbindung durch einen in der Flanschbüchse
liegenden koaxialen Kanal erfolgt.
-
Die Erfindung ist zwar an bestimmten Durchführungsformen erläutert
worden, jedoch sind diese Formen nur als Beispiele zu werten, nicht aber als Begrenzungen
aufzufassen. Die Erfindung wird durch den Rahmen und den Bereich der nachstehenden
Patentansprüche bestimmt.