EP0619430B1

EP0619430B1 - Innenzahnradpumpe für grossen Drehzahlbereich

Info

Publication number: EP0619430B1
Application number: EP93121068A
Authority: EP
Inventors: Siegfried A. Dipl.-Ing. Eisenmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-05
Filing date: 1993-12-29
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2013-12-29
Also published as: JP2739034B2; JPH06299972A; CA2115795A1; CN1040352C; CN1103136A; EP0619430A1; CA2115795C; US5413470A

Description

Die Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe, die sowohl als Zahnringpumpe als auch als Füllstückpumpe ausgebildet sein kann gemäß, dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Innenzahnradpumpen müssen einen sehr großen Drehzahlbereich durchfahren. Sie sollen bei niedriger Drehzahl einen guten volumetrischen Wirkungsgrad aufweisen, müssen also mit engen Leckspalten ausgeführt sein. Sie sollen aber gleichzeitig bei hoher Drehzahl möglichst keine Kavitationsgeräusche infolge Dampf- und Luftblasenkavitation beim Übergang des Fördermediums von der Saugseite in die Druckseite der Pumpe verursachen. Diese Zahnradpumpen werden bevorzugt als Schmier-, Förder- und Schaltpumpen in Verbrennungsmotoren und automatischen Getrieben eingesetzt, bei denen insbesondere Kavitationsgeräusche als sehr lästig empfunden werden.
Diese Zahnradpumpen haben in der Regel eine kritische Drehzahl ab der die Förderlinie vom linearen Verlauf abweicht und zunehmend flacher wird. Das Diagramm nach der beiliegenden Figur 1 zeigt den Förderstrom QH (Ordinate) als Funktion der Drehzahl n (Abzisse) und das Abweichen der Förderlinie vom linearen Bereich ab einer kritischen Drehzahl n_krit . Die Förderlinie wird dann zunehmend flacher.
Von der kritischen Drehzahl n_krit ab wird deshalb der Füllgrad kleiner als 1, so daß gegenüber dem geometrischen Fördervolumen ein Fördermediumdefizit in den Zahnkammern entsteht. Der Defizitraum ist teils mit Dampf des Fördermediums, teils mit aus dem Medium ausgeschiedener Luft und teils mit durch Undichtigkeiten angesaugter "Falschluft" ausgefüllt. Diese kritische Drehzahl wird im Grunde durch eine kritische Umfangsgeschwindigkeit im Verzahnungsbereich bestimmt, bei der nach dem Gesetz von Bernoulli der statische Druck in der Flüssigkeit mehr und mehr durch den Geschwindigkeitsdruck (dynamischer Druck) aufgezehrt wird. Fällt der statische Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, entstehen Blasen, die unter dem reduzierten statischen Druck stehen und erst dann wieder kondensieren, wenn der statische Druck der Blase über dem Dampfdruck ansteigt.
Es ist bemerkenswert, daß die kritische Drehzahl der hier betrachteten Zahnradpumpen fast nicht von der Viskosität des Mediums abhängt. Normalerweise würde man erwarten, daß die kritische Drehzahl bei sehr zähem Medium wesentlich niedriger wäre als bei dünnflüssigem Medium. Dies ist aber nicht der Fall. Eine plausible Erklärung für dieses Phänomen wird darin gesehen, daß der Geschwindigkeitsdruck nur von der spezifischen Masse linear und vom Quadrat der Geschwindigkeit abhängt. Deshalb liegt bei ähnlichen Pumpen mit etwa gleicher Umfangsgeschwindigkeit auch die kritische Drehzahl ziemlich genau am gleichen Punkt, unabhängig von der Zähigkeit und der Konstruktion der Pumpe (z.B. ob mit oder ohne Füllstück). Es ist so gut wie in keinem Fall gelungen, durch Modifikation der Zahnflankenformen oder des Zulaufkanals im Gehäuse oder durch sonstige konstruktive Maßnahmen den Wert der kritischen Drehzahl, oberhalb der die Pumpen deutlich lauter werden, wesentlich zu beeinflussen.
Bei einer besonders einfachen Konstruktion einer solchen Pumpe hat das Ritzel nur einen Zahn weniger als der Zahnring, die Pumpe ist also eine sogenannte Gerotorpumpe, bei welcher jeder Zahn des Ritzels ständig mit der Verzahnung des Zahnrings dichtend zusammenwirkt. Hierbei kann dem Grunde nach jede Form der Verzahnung angewandt werden, die sich für eine Gerotorpumpe eignet und eine genügende Dichtung zwischen den Zähnen von Ritzel und Zahnring auch im Druckbereich der Pumpe gewährleistet. Besonders geeignet für eine solche Gerotorpumpe ist eine reine Zykloidenverzahnung, bei welcher die Zahnköpfe und - lücken der Räder das Profil von Zykloiden aufweisen, welche durch Abrollen von Rollkreisen an konzentrisch zu den jeweiligen Radachsen verlaufenden Festkreisen gebildet sind, die Zahnköpfe des Ritzels und die Zahnlücken des Zahnrings jeweils die Form von Epizykloiden haben, die durch Abrollen eines ersten Rollkreises gebildet sind, die Zahnlücken des Ritzels und die Zahnköpfe des Zahnrings jeweils die Form von Hypozykloiden haben, die durch Abrollen eines zweiten Rollkreises gebildet sind, und die Summe der Umfänge der beiden Rollkreise jeweils gleich der Zahnteilung der Räder auf deren Festkreisen ist. Beispiele derartiger Verzahnungen sind in der deutschen Auslegeschrift 39 38 346.6 und der deutschen Patentanmeldung P 42 00 883.2-15 beschrieben.
Die Differenz der Zähnezahlen von Ritzel und Zahnring kann jedoch auch größer als eins sein. Sie soll allerdings nicht groß sein, damit man mit einer relativ kleinen mittleren Zähnezahl auskommt und so große Förderzellen beibehält. Es wird daher bevorzugt, daß die Zähnezahldifferenz nicht größer als drei ist.
Ist die Zähnezahldifferenz größer als eins, so muß man im Bereich gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs in üblicher Weise ein Füllstück vorsehen, das zumindest den in Umfangsrichtung mittleren Teil des Freiraumes zwischen den Kopfkreisen der beiden Zahnräder ausfüllt und so dort für die erforderliche Dichtung sorgt. Dieser Pumpentyp zeichnet sich durch besonders große Laufruhe aus.
Solche Pumpen eignen sich z. B. zur Speisung von Hydrauliksystemen. Insbesondere werden solche Pumpen jedoch als Öl- oder Hydraulikpumpen für Kraftfahrzeug-Motoren und/oder -Getriebe eingesetzt. Kraftfahrzeug-Motoren und -Getriebe werden in einem großen Drehlzahlbereich betrieben. Die Drehzahl-Eckwerte können sich wie 12 : 1 und darüber verhalten.
Das Liefersoll der Schmierpumpe eines Kfz-Motors, die bei Automatikgetrieben zusätzlich die Funktion der Druckversorgung der hydraulischen Schaltelemente und der Wandlerbefüllung zum Schutz gegen Kavitation übernehmen muß, ist sowohl beim Motor als auch beim Getriebe nur im unteren Drittel des Betriebsbereichs etwa proportional der Drehzahl. Im oberen Drehzahlbereich steigt der Ölbedarf weitaus geringer als die Drehzahl des Motors. Erwünscht ist somit eine antriebsgeregelte Schmier- oder Hydraulikpumpe oder eine solche mit drehzahlabhängig verstellbarer Fördermenge.
Die gebräuchlichste Form der Öl- und/oder Schmierpumpe ist die Zahnradpumpe, weil sie einfach, billig und zuverlässig ist. Nachteilig ist, daß die theoretische Fördermenge pro Umdrehung konstant, also drehzahlproportional ist.
Der bisher einzige praktikable Weg, die nicht benötigte Pumpenleistung ab einer bestimmten Pumpendrehzahl verlustarm zu vermeiden, ist die Saugregelung. Da die Strömungswiderstände mit zunehmender Ölgeschwindigkeit überproportional zunehmen, fällt bei einer Drossel in der Saugleitung mit wachsender Drehzahl der statische Druck in der Ansaugöffnung der Zahnradkammer mehr und mehr ab, bis die sogenannte Kaviationsdruckschwelle erreicht ist, d.h. bis der Dampfdruck des Öles unterschritten ist. Der Förderzelleninhalt besteht dann teils aus flüssigem Öl, teils aus Öldampf, teils auch aus angesaugter Luft, wobei er unter einem statischen Druck steht, der deutlich unter dem Atmosphärendruck liegt. Es ist kein Problem, z.B. durch entsprechend enge Saugleitungen oder durch eine Blende oder auch regelbar durch einen Saugschieber die Strömungswiderstände im Saugrohr so festzulegen oder zu steuern, daß eine weitgehende Anpassung der Nutzfördermenge der Zahnradpumpe an die Bedarfslinie des Verbrauches erzielt wird.
Nachteilig bei dieser Regelung ist ebenfalls die auftretende Kavitation. Wird nämlich der unter niedrigem absolutem Druck stehende, aus Flüssigkeit und Gas bestehende Zelleninhalt schlagartig in Zonen höheren Druckes überführt, wie dies bei derartigen Pumpen systembedingt der Fall ist, dann implodieren die gasförmigen Bestandteile des Zelleninhaltes so heftig, daß unerwünschte Geräusche, und was noch schlimmer ist, Zerstörungen an den Zellenwänden die Folge sind.
Um diese Implosionen zu vermeiden, läßt man durch Verkürzen der Auslaßmündung im Bereich der sich verkleinernden Förderzellen dem Zelleninhalt genügend Zeit, durch graduelle Kompression den statischen Druck in ausreichendem Maße so zu steigern, daß dann, wenn eine Zelle mit dem Auslaßkanal in Verbindung tritt, in ihr keine Implosionen von Gasblasen mehr stattfinden können, weil letztere durch stetige Verringerung des Zellenvolumens bereits wieder zu Flüssigkeit kondensiert sind oder sich in der Flüssigkeit gelöst haben. Dabei müssen die sich verkleinernden Förderzellen so gut gegeneinander abgedichtet sein, daß sich der Ausschubdruck durch den Spalt zwischen den beiden, zwei aufeinanderfolgende Förderzellen voneinander trennenden Zähnen nicht wesentlich gegen die Förderrichtung fortpflanzen kann. Die Verhinderung extrem hoher Quetschöldrücke bei niedriger Drehzahl wird konstruktiv dadurch sichergestellt, daß auf der Verdrängerseite der Pumpe die Zellen über Rückschlagventile mit dem Förderdruckraum in Verbindung treten, so daß bei nicht voll mit Flüssigkeit gefüllter Zelle der Förderdruck nicht darin wirksam werden kann. Sind jedoch die Zellen schon auf der Ansaugseite ganz mit Flüssigkeit gefüllt, was im unteren Drehzahlbereich der Fall ist, dann öffnet der höhere Quetschdruck in der Zelle das Rückschlagventil in Richtung Druckförderraum, so daß das verdrängte Öl mit nur leicht erhöhtem Zellendruck gegenüber dem Förderdruck entsprechend dem Öffnungsdruck des Rückschlagventils und dessen Strömungswiderstand in den Druckraum strömen kann.
Eine solche Konstruktion ist aus der DE-PS 30 05 657 bekannt. Dort erstrecken sich über die ganze Druckhälfte der Pumpe im Gehäuse zum Auslaßkanal führende Axialbohrungen, die im Abstand von der Zahnradkammer Rückschlagventile enthalten, die nur dann öffnen, wenn der Druck der vor der jeweiligen Bohrung liegenden Zelle den Druck im Auslaßkanal überschreitet.
Diese Pumpe hat eine entsprechend große axiale Erstreckung. Die verwendeten Federventile können brechen. Auch ist der unstetige Anschluß der Förderzellen an den Auslaßkanal nachteilig. Schließlich ist die Druckverteilung in Bezug auf die Vermeidung der kavitationsbedingten Implosionen ungünstig, und die Pumpe arbeitet laut.
Wesentlich vorteilhafter ist die aus der deutschen Patentschrift 39 33 978 bekannte Gerotorpumpe, bei welcher das Problem der Quetschölabführung in den sich verkleinernden Förderzellen bei niedriger Drehzahl und kavitationsfreiem Betrieb dadurch gelöst wird, daß in den Zähnen wenigstens eines Zahnrades die dem jeweiligen Zahn benachbarte Förderzellen verbindende Kanäle vorgesehen sind, in denen sich Rückschlagventile befinden, die eine Strömung durch den jeweiligen Kanal lediglich in Förderrichtung erlauben. Auch diese Pumpe arbeitet jedoch bei höheren Drehzahlen noch unerwünscht laut.
Aus der JP 05-44651 ist eine Innenzahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei dieser Pumpe erstreckt sich ein von der Auslaßmündung kommender, in Umfangsrichtung verlaufender, schmaler und in der Stirnseite des Pumpengehäuses eingebrachter Kanal durch den Bereich der Förderzellen auf der Druckseite. Nachteiligerweise ist dieser Kanal nicht in der Weise ausgestaltet, daß sein Strömungswiderstand im hohen Drehzahlbereich der Entstehung von Kavitation in besonderem Maße entgegenwirken könnte.
Obiges gilt auch für eine aus der CH-A-493 740 bekannte Innenzahnradpumpe, welche eine breitflächige Nut als Verlängerung der Auslaßöffnung aufweist, deren Strömungswiderstand durch das Abdecken mittels der Zähne der Zahnräder im hohen Drehzahlbereich nicht in ausreichender Weise vergrößert werden kann.
Aus der CH A-157 744 ist eine Außenzahnradpumpe mit radialen Verbindungskanälen bekannt, die über einen in Umfangsrichtung verlaufenden Verbindungskanal mit dem Auslaß verbunden sind. Die hier vorgeschlagene Kanalanordnung befindet sich radial außerhalb des Zahnradbereichs und vergrößert somit die radiale Ausdehnung der Pumpe. Andererseits können die hier beschriebenen Kanäle nicht von den Stirnflächen der Zahnräder überlaufen werden, so daß auch hier eine unzureichende Vergrößerung des Schein-Strömungswiderstandes in den Kanälen im hohen Drehzahlbereich nicht erreicht werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Innenzahnradpumpe der angegebenen Gattung die durch Kavitation entstehenden Geräusche merklich zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Ausführugnsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: Die Zeitspanne des statischen Druckanstiegs in den Förderzellen wird in Umfangsrichtung in ausreichendem Maße verlängert werden, damit der Druckgradient dp/dt kleiner wird. Dadurch haben die Blasen genügend Zeit, noch im Niederdruckbereich wieder in Lösung zu gehen bzw. zu kondensieren. Die gefürchtete heftige Implosion der Blasen unter hohem Druck, die zu Geräuschen und zu den Kavitationsschäden führt, ist dadurch vermieden. Diese Verlängerung der Kompressionsphase darf aber nicht dazu führen, daß bei 100%iger Füllung der Zellen mit kompakter Flüssigkeit, also im unteren Drehzahlbereich, Verquetschung eintritt. Dies würde dann zu andersartigen Geräuschen und zu Leistungsverlusten führen.
Bei einer solchen Pumpe kann durch eine Öffnung aus den sich verkleinernden Förderzellen Quetschöl in einen Auslaßkanal abströmen. Läuft die Pumpe mit niedriger Drehzahl, so werden alle Förderzellen im Saugbereich der Pumpe voll mit Arbeitsflüssigkeit gefüllt. Diese vollen Förderzellen schneiden im Druckbereich, bevor sie sich wesentlich verkleinern können, die Öffnung bzw. Öffnungen an. Während der dann stattfindenden Verkleinerung der Förderzellen strömt das Quetschöl durch einen Verbindungskanal in den Auslaßkanal. Steigt die Drehzahl weiter bis zum Auftreten von Kavitation in der Einlaßmündung und dem Bereich der sich vergrößernden Förderzellen an, so verlangsamt sich der Strom im Verbindungskanal zum Auslaßkanal, um bei weiter steigender Drehzahl zum Stillstand zu kommen und sich schließlich sogar umzukehren. Dieser umgekehrte Strom von Arbeitsflüssigkeit aus dem Auslaßkanal in die sich verkleinernden Förderzellen bleibt aber gering, da durch das mit wachsender Drehzahl immer schneller abwechselnde Öffnen und Schließen der Öffnung bzw. Öffnungen durch die darüberhinstreichenden Zähne die Arbeitsflüssigskeitssäule im Verbindungskanal ständig auf Null abgebremst und wieder beschleunigt werden muß, was zu einem sehr hohen scheinbaren Strömungswiderstand in diesem Kanal bei hoher Drehzahl der Pumpe führt. Der so verbleibende schwache Flüssigkeitsstrom vom Auslaßkanal in die sich verkleinernden Kavitationsblasen enthaltende Förderzellen ist zu gering, um diese Kavitationsblasen auf dem Weg von Beginn der Förderzellenverkleinerung bis zur Mündung des Auslaßkanals schlagartig zusammenfallen zu lassen, so daß die die gefürchteten Kavitationsschäden und auch Kavitationsgeräusche verhindernde langsame Druckerhöhung beibehalten wird.
Bei niedriger Drehzahl der Pumpe spielt der durch das ständige Beschleunigen und Abbremsen der Flüssigkeitssäule im Verbindungskanal erzeugte Scheinwiderstand noch keine Rolle, da hier die Vorgänge entsprechend langsamer ablaufen. Das Quetschöl kann durch die Öffnung(en) und den Verbindungskanal abströmen. Der Übergang von einem Zustand zum anderen im Verbindungskanal ist stetig.
Jede Öffnung wird bei jedem Überlaufen durch einen Zahn von diesem ganz oder wenigstens zum Großteil abgedeckt.
Der Verbindungskanal führt bevorzugt über die Auslaßmündung in den Auslaßkanal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hält man die Öffnung im Vergleich mit der Mündung des Auslaßkanals und den Querschnitt des Verbindungskanals im Vergleich mit dem des Auslaßkanals klein. Je kleiner die Öffnung und der Querschnitt des Verbindungskanals sind, umso größer wird der hydraulische Scheinwiderstand. Das Verhältnis der Größe der Öffnung zu der der Mündung des Auslaßkanals und des Querschnitts des Verbindungskanals zu dem des Auslaßkanals kann beispielsweise 5 % oder 10 % betragen. Um die bei der Erfindung ausgenützte Abhängigkeit des Strömungsscheinwiderstandes von der Drehzahl der Pumpe zu erhalten, ist natürlich auch eine gewisse Länge des Verbindungskanals angezeigt. Diese ergibt sich jedoch von selbst, da die Öffnung naturgemäß einen gewissen Abstand von der Auslaßkanalmündung haben muß. Allgemein läßt sich sagen, daß die Länge des Verbindungskanales ein Vielfaches der kennzeichnenden Länge seines Querschnitts betragen soll.
Die Höhe des Scheinwiderstandes läßt sich auch durch die Anordnung der Öffnung in Radialrichtung beeinflussen. Je näher die Öffnung dem Fußkreis des Zahnrades liegt, umso größer wird auch der Zeitraum, in welchem die Öffnung durch Zähne abgedeckt wird, im Vergleich zu dem Zeitraum, in welchem die Öffnung gegenüber Zahnlücken liegt,also zu Förderzellen hin offen ist.
Es wird daher bevorzugt, daß die Öffnung als in Umfangsrichtung nahe dem Fußkreis der Verzahnung des Ritzels, oder besser, des Hohlrades, verlaufende Nut in einer Stirnwand der Zahnradkammer ausgebildet ist. Die Ausbildung im Bereich des Fußkreises des Hohlrades wird deswegen bevorzugt, weil man hier mehr Platz für die Anordnung der Öffnung und des Verbindungskanales hat. Durch die Ausbildung der Öffnung als in Umfangsrichtung verlaufende Nut in einer Stirnwand der Zahnradkammer hat man die Bemessung der Öffnung in Bezug auf die Impedanzwirkung sehr gut in der Hand.
Die Erstreckung der Öffnung in Radialrichtung beträgt bevorzugt ein Fünftel bis ein Drittel der Höhe der sie überstreichenden Zähne.
Der Verbindungskanal kann beispielsweise unmittelbar in den Auslaßkanal münden und als röhrenförmiger Kanal in die Wandung des Pumpengehäuses eingegossen sein. Bevorzugt wird jedoch, daß der Verbindungskanal als vom die überstreichenden Zähne tragenden Körper des Zahnrades abgedeckte Nut in der Wandung der Zahnradkammer ausgebildet ist. Diese Nut befindet sich vorteilhaft in der Stirnwand der Zahnradkammer und nicht in der Umfangswandung. Letzteres wird bei mechanischer Ausarbeitung der Nut aufwendiger.
Ist die mittlere Zähnezahl der Pumpe gering, befinden sich also im Bereich sich verkleinernder Förderzellen vor der Mündung immer nur eine oder zwei zur Mündung noch nicht offene Förderzellen, so wird man mit nur einer Öffnung auskommen. Bei relativ großer Zähnezahl, bei der die Zahl der sich verkleinernden Förderzellen vor der Mündung des Auslaßkanals verhältnismäßig groß ist, empfiehlt es sich, mehrere Öffnungen in Umfangsrichtung versetzt anzuordnen, da anderenfalls die Öffnung, um genügend Zellen bedienen zu können, so lang werden müßte, daß der Scheinwiderstand wiederum zu gering wird, da ein wenigstens angenähert vollständiges Abdecken der Öffnung nicht mehr möglich wäre.
Allgemein gilt, daß die Zahl der Öffnungen bevorzugt höchstens um eins kleiner ist als die maximale Zahl der geschlossenen Förderzellen zwischen dem Anfangspunkt der Förderzellenverkleinerung und dem Beginn der Druckmündung.
Sind mehrere Öffnungen vorhanden, so können diese vorteilhaft in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet werden und einen Abstand in dieser Richtung von etwa 1/2 Zahnteilung voneinander haben. Hiermit ist nicht der Abstand der Öffnungsmitten gemeint, sondern jeweils der Abstand der einander zugekehrten Öffnungsränder voneinander.
Dem Grunde nach kann jede Öffnung - groß wird ihre Zahl in der Praxis jedenfalls bei Pumpen für Kraftfahrzeug-Motoren und -getriebe nicht sein - über einen gesonderten Verbindungskanal mit dem Auslaßkanal verbunden sein. Bevorzugt sind jedoch die Öffnungen über einen gemeinsamen Verbindungskanal mit dem Auslaßkanal verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Innenzahnradpumpe mit der Zähnezahldifferenz 1 ist der Abstand der Öffnung von der Mündung des Auslaßkanals in Umfangsrichtung etwa gleich dem halben Abstand zwischen dem Ende der Mündung des Einlaßkanals und dem Ende der Mündung des Auslaßkanals.
Ist die Zähnezahldifferenz größer als 1, hat also die Pumpe ein Füllstück, so ist der in Förderrichtung gemessene Abstand der Öffnung vom Füllstück bevorzugt etwa gleich Null.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe weist eine Saugregelung mit einer im Einlaßkanal vorgesehenen festen oder veränderlichen Drossel auf. Die oben beschriebenen Vorteile einer Saugregelung lassen sich so in die erfindungsgemäße Innenzahnradpumpe integrieren.
Bevorzugt ist die Erstreckung der Öffnungen in Umfangsrichtung in etwa gleich der Dicke der sie überstreichenden Zähne auf der radialen Höhe der Öffnung. Dies gewährleistet bei niedriger Drehzahl einen ausreichenden Quetschölstrom und bei hoher Drehzahl eine ausreichend hohe Drosselung.
Wesentlich ist auch die Anordnung der Öffnung in Umfangsrichtung. Bevorzugterweise ist der Abstand der Öffnung von der Mündung des Auslaßkanals in Umfangsrichtung etwa gleich der Zahnteilung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei in den Zeichnungen als Ausführungsbeispiele dargestellten bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Diagramm Förderstrom/Drehzahl für eine Zahnradpumpe;
Fig. 2: eine Aufsicht auf die als Gehäuse ausgebildete Stirnwand der Zahnradkammer einer Innenzahnradpumpe;
Fig. 3: schematisch eine Gerotorpumpe gemäß der Erfindung, bei welcher der Gehäusedeckel abgenommen ist und der besseren Übersicht halber die Zahnräder nur zum Teil dargestellt sind;
Fig. 4: in ähnlicher Darstellung wie Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Pumpe gemäß der Erfindung, bei welcher das Ritzel zwei Zähne weniger als der Zahnring hat und daher ein Füllstück vorgesehen ist;
Fig. 5: den Förderstrom QH als Funktion der Drehzahl n für eine erfindungsgemäße Pumpe;
Fig. 6: den Leckölstrom QL im Verbindungskanal als Funktion der Drehzahl n für eine solche Pumpe; und
Fig. 7: den Saugdruck PS in der Einlaßmündung als Funktion der Drehzahl n für eine solche Pumpe; und
Fig. 8: den Zwischendruck PI und die Druckdifferenze PI-PH als Funktion der Drehzahl n für eine solche Pumpe.

In der Figur 2 ist die Stirnwand der zylindrischen Zahnradkammer 2, als Gehäuse ausgeführt, gezeigt. Auf der rechten Seite der Figur 2 befindet sich die als Mulde im Deckel ausgebildete, nierenförmige Einlaßmündung 11; die Strömungsrichtung in der Einlaßmündung 11 ist durch einen Pfeil angedeutet. Auf der linken Seite des in Figur 2 gezeigten Gehäuse ist mit dem Bezugszeichen 20 die ebenfalls als Mulde in der Gehäusenwand ausgebildete Auslaß-Mündung oder -Niere 20 bezeichnet. Unterhalb der Mündung 20 ist der dort ausgebildete Verbindungskanal 33 und an seinem der Strömungsrichtung entgegenliegenden Ende dessen Öffnung 30 angedeutet.
Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Pumpe besitzt ein Pumpengehäuse 1, von dem der Deckel abgenommen ist, so daß die zylindrische Zahnradkammer 2 offen und zu sehen ist, in welcher ein Zahnring 3 mit seinem Umfang auf einer Umfangswandung 8 der Zahnradkammer 2 gelagert ist. Ebenfalls in der Zahnradkammer 2 befindet sich ein Ritzel 4, welches von einer Antriebswelle 13 der Pumpe getragen ist. Es sind insoweit auch andere Lagerungen möglich. Das Ritzel besitzt zehn Zähne, und der Zahnring 2 besitzt elf Zähne. Die Verzahnung ist eine solche, bei welcher sämtliche Zähne des Ritzels 4 ständig mit der Verzahnung des Zahnrings 3 im Eingriff sind. Dadurch sind alle durch die Zahnlücken von Ritzel und Hohlrad gebildeten Förderzellen 13 und 17 ständig gegen die benachbarten Förderzellen ausreichend abgedichtet. Die Drehrichtung der Pumpe ist im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil auf der Welle 13 angedeutet.
Die Verzahnung der Zahnräder ist eine reine Zykloidenverzahnung. Bei dieser weisen die Zahnköpfe und Zahnlücken sowohl des Zahnrings als auch des Ritzels das Profil von Zykloiden auf, welche durch das Abrollen von kleinen Rollkreisen, deren Umfang jeweils gleich einer halben Zahnteilung ist, auf dem Teilkreis des jeweiligen Rades gebildet sind. Die Zahnköpfe des Ritzels und die Zahnlücken des Zahnrings haben dabei jeweils die Form von Epizykloiden, während die Zahnlücken des Ritzels und die Zahnköpfe des Zahnrings jeweils die Form von Hypozykloiden haben. Die Durchmesser der die Epizykloiden bildenden Rollkreise sind gleich dem Durchmesser der die Hypozykloiden bildenden Rollkreise. Eine solche Verzahnung ist im einzelnen in der DE-OS 39 38 346 beschrieben.
In der in Fig. 3 hinter der Zeichenebene liegenden Stirnwand 22 der Zahnradkammer 2 ist eine Ansaugöffnung 11 vorgesehen, die in Fig. 3 teilweise von den abgebrochen gezeigten Zahnrädern 3 und 4 verdeckt ist. Die Zahnkontur der beiden Zahnräder in Fig. 1 ist strichpunktiert über dem restlichen Umfang dargestellt. Die Mitte des Zahnrings 3 ist bei 5, die Mitte des Ritzels 4 bei 6 angedeutet.
Die Stelle tiefsten Zahneingriffs ist bei 7 gezeigt; die Stelle 23 der Zahnscheitelberührung liegt dem Punkt 7 diametral gegenüber.
In der rechten Figurenhälfte erkennt man in der dem Beschauer zugewandten Stirnwand 22 der Zahnradkammer 2 die in dieser Stirnwand als Vertiefung ausgearbeitete Mündung 11 des Zulaufkanals 12, in den eine der Saugregelung dienende Blende 14 eingesetzt ist. Die Mündung 11 wird auch als Saugniere bezeichnet. Sie erstreckt sich in Umfangsrichtung von einem Punkt nahe der Stelle 7 tiefsten Zahneingriffes bis nahe an die Stelle 23 der Scheitelberührung.
In der in Fig. 3 linken Figurenhälfte befindet sich ebenfalls als Vertiefung in der sichtbaren Stirnwand 22 der Zahnradkammer 2 ausgebildet die Mündung 20 des Auslaßkanals 21. Wie ersichtlich, ist die Auslaßmündung oder -niere 20 wesentlich kleiner als die Einlaßmündung 11. Während das in Drehrichtung liegende Ende der Auslaßmündung 20 etwa den gleichen Abstand von der Stelle 7 tiefsten Zahneingriffes hat wie die Einlaßmündung 11, hat das der Drehrichtung entgegenliegenden Ende der Auslaßmündung 20 von der Stelle 7 tiefsten Zahneingriffs nur einen Abstand von etwa 80°. Soweit bisher im Rahmen des Ausführungsbeispiels beschrieben, ist die Ausbildung des Pumpengehäuses bekannt.
In Fig. 3 erkennt man auf dem Wege von der Stelle 23 der Zahnscheitelberührung zum Beginn der Auslaßmündung 20 drei von den strichpunktierten Linien umgebene Förderzellen 17, 17.1 und 17.2, die im Uhrzeigersinn wandernd Flüssigkeit von der Einlaßmündung 11 zur Auslaßmündung 20 fördern. Im Wege der Förderzellen, und zwar nahe dem Zahnfußkreis des Zahnrings 3, sind entsprechend der hier relativ großen Zähnezahl in der Stirnwand 22 der Zahnradkammer 2 zwei Öffnungen 30 und 31 vorgesehen, die sich in dieser Stirnwand in Umfangsrichtung erstrecken. Die Öffnungen 30 und 31 verlaufen nahe dem Fußkreis der Verzahnung des Zahnrings 3 innerhalb dieses Fußkreises. Jede der beiden Öffnungen 30 und 31 ist über ein kurzes, radial nach außen verlaufendes Kanalstück mit dem in Umfangsrichtung verlaufenden Verbindungskanal 33 verbunden, welcher an die Mündung 20 des Auslaßkanals angeschlossen ist. Die radialen Kanalteile, die Öffnungen 30, 31 und der Verbindungskanal 33 sind als Nuten in der Stirnwand 22 der Zahnradkammer 2 ausgebildet. Sie können beispielsweise Rechteckquerschnitt mit abgerundeten Ecken haben, wobei die Tiefe etwa gleich der gezeigten Breite der Nut ist. Der Verbindungskanal 33 ist ständig durch den die Zähne tragenden Ringteil des Zahnrings 3 abgedeckt.
Da kurz nach dem Verlassen der Stelle 23 der Zahnscheitelberührung die Förderzellen sich noch langsam verkleinern, kann das dieser Stelle zugewandte Ende der ersten Öffnung 30 in Umfangsrichtung von dieser Stelle einen relativ großen Winkelabstand haben, der hier etwa gleich zwei Dritteln der im Winkelmaß gemessenen Zahnteilung des diese Öffnung 30 überstreichenden Zahnkranzes ist. Demgegenüber ist das in Förderrichtung gelegene Ende der Öffnung 31 vom zugewandten Ende der Auslaßmündung 20 wesentlich weiter entfernt, nämlich geringfügig mehr als eine Zahnteilung, so daß immer dann, wenn eine Förderzelle den Kontakt mit der Öffnung 31 verliert, sie alsbald beginnt, sich in die Auslaßmündung 20 zu öffnen. Der Abstand der einander zugekehrten Enden der beiden Öffnungen 30 und 31 ist so groß, daß die beiden Öffnungen 30 und 31 niemals durch eine Förderzelle verbunden sind; er kann auch etwas größer sein, wenn die Öffnungen schmal sind.
Bei der Auslegung der Öffnungen 30 und 31 ist auch die Radiallage dieser Öffnungen zu berücksichtigen. So muß, um gleiche Öffnungs- und Schließzeiten zu erhalten, die Erstreckung der Öffnungen 30, 31 in Umfangsrichtung umso kleiner werden, je mehr die Öffnung vom Zahnfußkreis des Zahnrings 3 abliegt. Um dies anzudeuten, ist die Öffnung 30 radial etwas weiter innen liegend als die Öffnung 31, dafür aber auch etwas kürzer als letztere gezeigt. Beide Öffnungen sind im gezeigten Beispiel relativ kurz, vielfach wird man sie auch etwas länger ausbilden können.
Im Betrieb der Zahnringpumpe gemäß Fig. 3 mit niedriger Drehzahl entspricht der Quetschölstrom QL durch den Kanal 33 dem Verdrängungsvolumen der Förderzellen 17, 17.1 und 17.2. Mit zunehmender Drehzahl wächst nun der Strömungsscheinwiderstand für die Strömung durch den Kanal 33, da die Offenzeiten für die Öffnungen 30 und 31 immer kürzer werden. Dementsprechend steigt der Druck PI in den Zellen 17, 17.1 und 17.2 bei gleichzeitigem Abfallen des Quetschölstroms QL durch die Leitung 33. Diese Verhältnisse gelten jedoch nur bis zu der Drehzahl, bei welcher noch keine Kavitation in der Ansaugmündung 11, also in den Förderzellen 13, auftritt. Im Kavitationsbereich bei höherer Drehzahl, wo dementsprechend die Förderlinie (Fig. 5) vom linear ansteigenden Verlauf in einen angenähert waagerechten Verlauf übergegangen ist, sinken die Drücke PI in den Förderzellen ab bis in die Nähe des Atmosphärendruckes. Da der Ansaugdruck über die Drehzahl konstant gehalten wird, durchläuft nun die QL-Kurve den Nullpunkt und wird sogar geringfügig negativ. D.h. es strömt Öl in geringem Umfang von der Auslaßmündung 20 durch den Verbindungskanal 33 zurück in die Förderzellen 17, 17.1 und 17.2. Bei sehr hoher Drehzahl, wie sie in der Praxis nicht infrage kommt, würde sich der negative Leckölstrom QL von der Auslaßmündung 20 zu den Öffnungen 30 und 31 wegen des Anwachsens des Strömungsscheinwiderstandes wieder der Nullinie nähern (Fig. 6).
Fig. 7 zeigt den entsprechenden Saugdruck PS in der Einlaßmündung als Funktion der Drehzahl, während Figur 8 den Zwischendruck PI und die Druckdifferenz Pi-PH als Funktion der Drehzahl n für eine solche Pumpe darstellt.
Es sind viele Abwandlungen des gezeigten Beispiels möglich. So können z. B. die Öffnungen 30, 31 und der Kanal von einer einzigen schlangenförmig verlaufenden Nut gebildet sein, die (im Uhrzeigersinn) in Fig. 3 vom rechten Ende der Öffnung 30 zum linken Ende derselben, dann waagerecht nach links in den Kanal 33 verläuft und diesem folgt, bis sie etwa senkrecht nach oben zum unteren Ende der Öffnung 31 verläuft, dieser bis zum oberen Ende folgt und von diesem schließlich wieder nach links in den Kanal 33 führt, dem sie dann bis zur Öffnung 20 folgt. Auch können z.B. die Öffnungen 30, 31 in Spiralrichtuung verlaufend ausgebildet werden oder auch kreisrund.
Die in Fig. 4 gezeigte Pumpe besitzt so wie die Pumpe gemäß Fig. 3 ein Gehäuse 41, in welchem ein Zahnring 43 gelagert ist, der mit einem Ritzel 44 kämmt. Ein Zulauf 52, in dem eine Blende 54 zur Saugregelung vorgesehen ist, speist eine Zulaufmündung 51, während eine Ablaufmündung 60 mit einem Ablaufkanal 61 verbunden ist. Im Gegensatz zur Pumpe gemäß Fig. 3 besitzt hier jedoch das Ritzel 44 zwei Zähne weniger als der Zahnring 43, so daß gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs, also in Fig. 4 unten, ein Füllstück angeordnet sein muß, um dort die erforderliche Dichtung zu bewirken. Wie aus obigem hervorgeht, ist auch hier die Drehrichtung der Pumpe im Uhrzeigersinn.
Das Füllstück 60 ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, an beiden Ende verkürzt, da ein allzu dünnes Auslaufen des an sich schon schmalen Füllstücks zu unerwünschten Flattererscheinungen führen würde. Die Enden des Füllstücks sind so abgeschnitten, daß jeweils ein Zahn des Ritzels und ein Zahn des Zahnrings gleichzeitig in und außer Eingriff mit dem Füllstück kommen.
Die Verzahnung ist so ausgebildet, daß die Zähne erst spät vor Beginn des Füllstücks und früh nach dem Ende des Füllstücks außer bzw. in Eingriff miteinander kommen. D.h. die Punkte des Außer- und in Eingriffkommens der Verzahnung liegen nahe an den Schnittpunkten der Kopfkreise der beiden Zahnräder. Vor und nach diesen Schnittpunkten, also in Fig. 4 grob gesagt innerhalb der beiden oberen Drittel des Umlaufweges der Zahnräder, ist ständig jeder Zahn des Ritzels mit der Verzahnung des Zahnrings im Eingriff. Gemäß der Erfindung sind nun auch hier zwei Öffnungen 70 und 71 im Bereich zwischen dem in Förderrichtung liegenden Ende des Füllstücks 60 und dem der Förderrichtung entgegengesetzt liegenden Ende der Auslaufmündung 60 vorgesehen. Die beiden Öffnungen 70 und 71 sind über den Verbindungskanal 73 mit der Mündung 60 des Auslaufkanals 61 verbunden. Für die Funktion und Wirkung dieser Konstruktion gilt im wesentlichen das Gleiche wie für die Pumpe gemäß Fig. 3. Lediglich erstreckt sich hier der durch die Öffnungen 70 und 71 bei niedriger Drehzahl der Pumpe zu entlastende Bereich der sich verkleinernden Förderzellen nur zwischen dem in Fig. 4 linken Ende des Füllstücks 60 und dem unteren Ende der Auslaufmündung 62.
Im übrigen ist hier die Anwendung des Prinzips der Erfindung die gleiche wie bei der Pumpe gemäß Fig. 3.

Claims

Innenzahnradpumpe für großen Drehzahlbereich
- mit einem eine Zahnradkammer (2) enthaltenden Gehäuse (1, 41),

- mit einem Zahnring (3, 43) in dem Gehäuse (1, 41),

- mit einem einen Zahn oder nur wenige Zähne weniger als der Zahnring (3, 43) aufweisenden, mit dem Zahnring (3, 43) kämmenden, in diesem angeordneten Ritzel (4, 44),

- dessen Zähne zusammen mit den Zähnen des Zahnrings (3, 43) sich vergrößerende und wieder verkleinernde aufeinanderfolgende Förderzellen (13, 17, 17.1, 17.2) für die Arbeitsflüssigkeit bilden und gegeneinander abdichten,

- mit das Gehäuse (1, 41) durchsetzenden Ein- und Auslaßkanälen (12, 21, 52, 61) für die Zufuhr und Abfuhr der Arbeitsflüssigkeit,

- welche in die Zahnradkammer (2) zu beiden Seiten der Stelle (7) tiefsten Zahneingriffs münden,

- wobei diese Mündungen (11, 20, 51, 62) von den Förderzellen (17, 17.1, 17.2, 13) überstrichen werden,

- und wobei ferner das der Stelle (7) tiefsten Zahneingriffs abliegende Ende der Mündung (20, 62) des Auslaßkanals (21, 61) sich so nahe an der Stelle (7) tiefsten Zahneingriffs befindet, daß sich zwischen ihm und der Stelle, an der die Förderzellen (17) beginnen, sich zu verkleinern, ständig mehr als eine Förderzelle (17, 17.1, 17.2) befindet,
dadurch gekennzeichnet,
- daß im Bereich sich verkleinernder Förderzellen in der Wandung der Zahnradkammer (2) in Umfangsrichtung im Abstand von der Mündung (20, 62) des Auslaßkanals (21, 61) wenigstens eine abwechselnd von Förderzellen (17, 17.1, 17.2) und diese begrenzenden Zähnen überstrichene Öffnung (30, 31, 70, 71) liegt,

- daß die Öffnung (30, 31, 70, 71) über einen Verbindungskanal (33, 73) mit dem Auslaßkanal verbunden ist,

- daß die Öffnung (30, 31, 70, 71) bei jedem Überlaufen durch einen Zahn von diesem ganz oder wenigstens zum Großteil abgedeckt wird, und

- daß die Öffnung (30, 31, 70, 71) als in Umfangsrichtung nahe dem Fußkreis der Verzahnung des Ritzels (4) oder, wie dies bevorzugt wird, des Hohlrades (3), verlaufende Nut in einer Stirnwand (22) der Zahnradkammer (2) ausgebildet ist.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (30, 31, 70, 71) im Vergleich mit der Mündung (20, 62) des Auslaßkanals (21, 61) und der Querschnitt des Verbindungskanals (33, 73) im Vergleich mit dem des Auslaßkanals (21, 61) klein ist.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Öffnungen (30, 31, 70, 71) in Radialrichtung ein Fünftel bis ein Drittel der Höhe der sie überstreichenden Zähne beträgt.
Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (33, 73) als vom die überstreichenden Zähne tragenden Körper des Zahnrades (3, 43) abgedeckte Nut in der Wandung (22) der Zahnradkammer (2) ausgebildet ist.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (33, 73) radial von der Öffnung (30, 31, 70, 71) abzweigt.
Innenzahnradpumpe mit der Zähnezahldifferenz eins nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Öffnung (30, 31, 73) von der Mündung (20, 62) des Auslaufkanals (21, 61) in Umfangsrichtung etwa gleich dem halben Abstand zwischen dem Ende der Mündung des Einlaßkanals und dem Ende der Mündung des Auslaßkanals ist.
Innenzahnradpumpe mit der Zähnezahldifferenz von mehr als eins und mit einem Füllstück (60) im Raum zwischen den Kopfkreisen der Zahnräder (43, 44) gegenüber der Stelle tiefsten Zahneingriffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in Förderrichtung gemessene Abstand der Öffnung (70) vom druckseitigen Ende des Füllstücks (60) etwa gleich Null ist.
Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Öffnungen (30, 31, 70, 71) diese einen Abstand von etwa einer halben Zahnteilung voneinander haben.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (30, 31, 70, 71) über einen gemeinsamen Verbindungskanal (33, 73) mit der Auslaßmündung (20, 62) verbunden sind.
Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Saugregelung mit einer im Einlaßkanal (12, 52) angeordneten festen oder veränderbaren Drossel (14, 54) aufweist.
Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Öffnung (30, 31, 70, 31) in Umfangsrichtung angenähert gleich der Dicke der sie überstreichenden Zähne auf der Höhe der Öffnung ist.
Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Öffnung (31, 73) von der Mündung (20, 62) des Auslaßkanals in Umfangsrichtung etwa gleich der Zahnteilung ist.