EP1261806B1 - Inverser verzahnungsrotorsatz - Google Patents

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EP1261806B1
EP1261806B1 EP01907521A EP01907521A EP1261806B1 EP 1261806 B1 EP1261806 B1 EP 1261806B1 EP 01907521 A EP01907521 A EP 01907521A EP 01907521 A EP01907521 A EP 01907521A EP 1261806 B1 EP1261806 B1 EP 1261806B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tooth
rotor
toothed
rotor assembly
gearing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01907521A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1261806A1 (de
Inventor
Josef Bachmann
Eberhard Ernst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GKN Sinter Metals GmbH
Original Assignee
GKN Sinter Metals GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by GKN Sinter Metals GmbH filed Critical GKN Sinter Metals GmbH
Publication of EP1261806A1 publication Critical patent/EP1261806A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1261806B1 publication Critical patent/EP1261806B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member

Definitions

  • the invention relates to a toothed rotor set for a Pump or a motor, which consists of a rotatable outer rotor with in this mounted inner rotor, wherein the inner rotor Has bearing pockets for planetary gears.
  • the gear rotor set is similar to a gerotor pump with toothed Embodiment, wherein the function and mode of operation of the toothed rotor set, which corresponds to a gerotor pump.
  • the pressure chamber from the suction chamber does not separated by a crescent-shaped filler, but a special one Training of the teeth - based on the trochoid toothing - Ensures the seal between-toothed ring and externally toothed pinion.
  • the internal toothed ring has a tooth more than the pinion, so that with appropriate Design of the teeth, the tooth heads exactly opposite touch the tooth engagement point. This ensures unwinding is, must between the tooth head of the external rotor and The head of the inner rotor a head clearance be present.
  • the disadvantage of gerotor pumps is that by this headgear in the gerotor pumps internal leaks and thus a poor volumetric efficiency occurs. hereby can not build up high pressures at low speeds become.
  • the pump forms a Gear rotor set, consisting of a bearing ring with a Internal teeth and an eccentric recorded therein Gear with external toothing, wherein the internal toothing through in the bearing ring rotatably mounted rollers is formed and a Tooth more than the external teeth, wherein the external teeth of the gear fine teeth with a significant smaller module is superimposed and each roll up Their circumference has a fine toothing with the same module, in which engage the teeth of the gear.
  • the function of the toothed rotor set results from that a drive torque via a drive shaft to the inner rotor works and turns this. From the toothed inner rotor becomes a force transmitted to the planet, on the one hand a Impact force through the center of the planetary gear and a circumferential force results, which causes a torque of the planetary gear. Due to the impact force acting on the bearing ring is this set in rotation.
  • the known Veriereungsrotorsatz has the disadvantage that a high number of planet gears must be used to to enable the function and conditioned by the use of high number of planet gears a relatively high proportion of friction consisting of the torque of one with the inner rotor connected drive shaft must be overcome. Further has in the known Veriereungsrotorsatz disadvantageous proved that relative to a rotational movement of the inner rotor in the same direction turning lubricating oil in the tooth gaps of the Planetary gear is conveyed from the pressure side to the suction side, whereby the efficiency of the pump decreases.
  • the results Task to make a gear rotor set that style is that with a similar size a smaller number of Planet wheels used to reduce friction. It is another object of the invention to provide a toothed rotor set to form, which has a higher delivery volume and greater efficiency at comparable size of the known gear rotor set having.
  • a toothed rotor set for a pump or a motor consisting of a rotatable outer rotor, which is an approximately star-shaped Bore with an internal fine toothing and one in the bore eccentrically mounted inner rotor, the storage bags for Having planet gears, the planetary gears have a fine toothing on with you in the fine toothing of the outer rotor unroll, whereby the planetary gears give a toothing, which forms an outer toothing, wherein the outer toothing one tooth less than the internal toothing of the Outer rotor.
  • toothed rotor set designed in this way is that the toothed rotor set according to the invention compared to the prior art known Veriereungsrotorsatz with a smaller number can be operated by planetary gears.
  • less planet gears are used with the same size than in the prior art gear rotor set known in the art,
  • There are fewer friction surfaces such as between the planetary gear and the bearing pocket of the inner rotor, and between the teeth of the planet gear and the teeth of the outer rotor. Due to the lower friction has a pump or a motor with the invention
  • the gear rotor set according to the invention also a larger delivery volume compared to the one from the state The technology known Veriereungsrotorsatz.
  • the toothed rotor set according to the invention has a higher efficiency, as with a rotation of the inner rotor clockwise, the planetary gears rotate in the opposite direction go through and thus additional lubricating oil in the tooth gaps of the planet gears from the suction side to the pressure side is encouraged.
  • Another problem of fine toothing is that the forces and moments occurring in the generic Gear rotor set not optimal by the previously used Involute toothing.
  • the known gearing the shock and Circumferential forces not without large surface pressure in the form of a Line management transfers.
  • the previously known gearing are suitable only for the transmission of high circumferential forces and not for the transmission of large impact forces caused by the Run center of the planetary gear.
  • the outer and / or inner fine toothing at least In some areas of the tooth shape of the toothing an arcuate Share has.
  • the tooth shape in the region of the tooth tip and / or the tooth root Tooth shape is arcuate.
  • the tooth shape in the region of the tooth head and / or the Tooth base makes it possible that very large impact forces (radial forces) be transferred, the proportion of transmitting circumferential force can be low.
  • the tooth head and the tooth base unlike those at Veryakungsrotoren known involute gears in the Rolling process, i. the rolling of the toothed planet wheels on the splined outer rotor curve, with included.
  • the convexly curved tooth flank of the planetary gear and the concave curved tooth flank of the outer rotor form during meshing a relatively large sealing surface, the passage of the Displacement chamber from the suction in the pressure range, the displacement chamber seals. Also deviations of squareness of the rotor do not lead to leakage of the displacement chamber.
  • the region of the tooth head and / or the Tooth base the tooth shape of the fine toothing a flattening having.
  • the Torque through the inner rotor via the toothed planetary gears on the toothed outer rotor acts it comes, geometrically conditionally, almost to a stop of the planetary gear. at the described relative standstill and the simultaneous Transfer of a large force there is a risk that the Lubricating film between the Planetenradtechnikkopf and the bearing pocket of the inner rotor collapses.
  • the planet gear teeth were flattened. The size of the flattening depends on the field of application of the toothed rotor.
  • the tooth shape has a large radius of curvature having.
  • the area of the tooth head and / or tooth root an area with to provide a large radius of curvature.
  • the arcuate portion at least partially is designed as a cycloid.
  • the cycloid has proven to be special advantageous in terms of the rolling behavior and the Transferring the impact forces proved. This cycloid toothing guaranteed even with significant changes in curvature and small radii of curvature ongoing low-friction unrolling, which in turn reduces the wear.
  • the fine toothing has a low-wear surface.
  • the low-wear surface can be replaced by a chemical, in particular thermochemical and / or physical Surface treatment can be achieved.
  • the surface can continue to be galvanized. Further advantageous surface treatment methods are caburation and nitration and / or nitrocarburizing, boriding and / or chromating.
  • At least one fluid channel is arranged in the region of the bearing pockets.
  • the fluid channel can communicate with the pressure side of the pump be connected, so that continuously lubricating oil between Planetary and storage bag is fed to an improved Lubricant structure to ensure.
  • all moving parts of the gear rotor set in particular the outer rotor and / or the Planetary gears and / or the inner rotor on at least one Front side of a circumferential bridge on.
  • This circular walkway serves as a seal within the housing, in which the Gear rotor set is added.
  • Such movable parts have a sealing surface on their end faces on, which extends over the entire surface.
  • the inventive seal by means of the circumferential ridge has to the advantage that occurring in the known seals high friction forces are greatly reduced and so the Gear rotor set lighter and therefore more efficient.
  • the circumferential ridge has a width which the Represents optimum between sealing effect and friction force.
  • the invention relates to a process for the preparation a toothed rotor set, this being used in a molding process, preferably by means of powder metallurgy Method, plastic injection molding, extrusion, die casting, in particular Alu réelleguß, and punching process is produced.
  • a complex toothing as the inventive Has Zahnahnungsrotorsatz is by means of these methods simple and inexpensive to produce.
  • a production by machining, for example by grinding, milling, Bumping and sawing, which is known to be commonplace Gears can be used in the invention find no application, because the toothing too complicated is trained.
  • the toothed rotor set in a pump in particular a Lubricating oil pump for combustion engines, transmissions, hydraulic power units and high pressure cleaning equipment used becomes.
  • FIG. 1 shows a toothed rotor set 0.1 according to the state the technology, consisting of a rotatable outer rotor 0.2 with Storage bags 0.3, in which rotatably mounted planet gears 0.4 are arranged, which form an internal toothing, with a eccentric to the outer rotor 0.2 mounted inner rotor 0.5 with approximately star-shaped outer contour, with an outer fine toothing 0.6 is provided, wherein the star-shaped Au texveriereung one tooth less than the internal toothing.
  • the gear rotor set 0.1 has seven planet gears 0.4 on.
  • FIG. 2 shows a toothed rotor set 1 according to the invention for a pump or a motor, consisting of a rotatable External rotor 2, which is an approximately star-shaped bore. 3 with a réellefeinveriereung 4 and one in the bore. 3 eccentrically mounted inner rotor 5, the bearing pockets 6 for Planet wheels 7, the planet gears 7 have a Fine toothing on with them in the fine toothing of the outer rotor 2 roll, the planetary gears 7 a toothing 8, which forms an outer toothing, wherein the External teeth one tooth less than the internal teeth 4 of the outer rotor 2.
  • the Veriereungsrotorsatz 1 points a suction region 9 and a pressure region 10 and displacement chambers 11 on. Compared to that shown in Fig. 1 teeingungsrotorsatz 0.1 according to the prior art, be for the gear rotor set 1 according to the invention only 6 planet wheels 7 needed so that less friction occurs.
  • a drive torque M1 acts via a drive shaft 12 the inner rotor 5. This causes an impact force F2 on the Storage pocket 6 of the inner rotor 5 on the planet 7.
  • the Impact force F3 in the planetary gear 7 is divided into two components, the radial force F4 and the torque M4.
  • the impact force F3 acts through the center of the toothed planetary gear 7 the toothed outer rotor 2 and puts this in rotation.
  • the torque M4 the toothed planetary gear 7 in Rotation offset.
  • the planet 7 transmits above all the Impact force F3 and learns by a friction in the bearing pocket caused low friction torque MR.
  • the toothed rotor 1 according to the invention can be used as a pump for Pressure generation can be used, in which the inner rotor. 5 is driven via a drive shaft 12.
  • the toothed rotor set 1 according to the invention can also be used as a motor be used, in which the pressure area 10 with pressure is acted upon, so that the inner rotor 5 is set in rotation and drives the drive shaft 12.
  • FIG. 2a shows the toothed rotor set 1 in a second working position. Here is the sealing effect of the fine toothing very clearly visible.
  • FIG. 2b shows a plan view of the toothed rotor set 1, wherein both a suction side 14 and a pressure side 15th are shown.
  • the suction side 14 opens an inlet opening 16 a, for example, laterally as a hole in the Be formed toothing rotor set receiving housing can.
  • an outlet opening opens into the pressure side 15 17 one.
  • the diameter of the outlet opening 17 may be less than that of the inlet opening 16, since in the latter a higher Flow rate is given.
  • Fig. 3 shows a variant I of the toothing according to the invention according to the detail "X" in Fig. 2.
  • the shown in Fig. 2 large impact force F3 and the only small friction torque MR need be transmitted.
  • this toothing are tooth head 18th and tooth root 19 in the rolling process, d. H. the rolling of the toothed planetary gear 7 on the toothed outer rotor curve 2 included.
  • the surface portions of the teeth were chosen so that they correspond to the distribution of forces.
  • the tooth tip 18.1 of the toothed outer rotor 2 is calculated in such a way that that he exactly meshed with the tooth base 19.2 of the tooth Planet gear 7 applies, and ensures a smooth unrolling. Conversely, the tooth tip engages 18.2 of the toothed Planetary gear 7 in the tooth root 19.1 of the toothed outer rotor 2 on. It comes through the convex tooth head 18.1 of the toothed outer rotor 2 and the concave executed Tooth 19.2 of the toothed planetary gear 7 to a Touchpad and not to a touch line. By This pairing therefore greatly reduces the Hertzian pressure.
  • Fig. 4 shows a second position of the toothing according to the invention.
  • the size of the Flattening 22 depends on the field of application of the toothed rotor 1 from. At low speeds and high pressures must be a strong Flattening 22 are provided. At a high speed and low pressures, a moderate flattening 22 is sufficient, to build up a continuous lubricating film.
  • a cycloid 23 was used which was the lubricating film construction more favorable than a simple transition radius.
  • FIG. 5 shows a third variant of the toothing according to the invention, the tooth flanks 21 of the toothed outer rotor 2 and the toothed planet gears 7 by an involute 24th be formed.
  • the tooth head 18 of the planetary gear 7 is against it formed as a cycloid 25.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verzahnungsrotorsatz für eine Pumpe oder einen Motor, der aus einem drehbaren Außenrotor mit in diesem gelagerten Innenrotor besteht, wobei der Innenrotor Lagertaschen für Planetenräder aufweist. Der Verzahnungsrotorsatz ist ähnlich einer Zahnringpumpe mit verzahnter Ausführung, wobei die Funktion und Wirkungsweise des Verzahnungsrotorsatzes, der einer Zahnringpumpe entspricht.
Bei Zahnringpumpen wird der Druckraum vom Saugraum nicht durch ein sichelförmiges Füllstück getrennt, sondern eine besondere Ausbildung der Zähne - basierend auf der Trochoiden-Verzahnung - gewährleistet die Abdichtung zwischen-Zahnring und außenverzahntem Ritzel. Der innenverzahnte Zahnring besitzt einen Zahn mehr als das Ritzel, so daß bei entsprechender Gestaltung der Zähne sich die Zahnköpfe genau gegenüber dem Zahneingriffspunkt berühren. Damit ein Abrollen gewährleistet ist, muß zwischen dem Zahnkopf des Außenläufers und dem Zahnkopf des Innenläufers ein Kopfspiel vorhanden sein. Der Nachteil von Zahnringpumpen ist, daß durch dieses Kopfspiel bei den Zahnringpumpen innere Leckagen und somit ein schlechter volumetrischer Wirkungsgrad auftritt. Hierdurch können bei niedrigen Drehzahlen keine hohen Drücke aufgebaut werden.
Vorteilhafter im Vergleich zu Zahnringpumpen ist ein Pumpe nach der Lehre der DE-A-196 46 359. Die Pumpe bildet einen Verzahnungsrotorsatz, bestehend aus einem Lagerring mit einer Innenverzahnung und einem darin exentrisch aufgenommenen Zahnrad mit Außenverzahnung, wobei die Innenverzahnung durch im Lagerring drehbar gelagerte Rollen gebildet wird und einen Zahn mehr als die Außenverzahnung aufweist, wobei der Außenverzahnung des Zahnrades eine Feinverzahnung mit einem wesentlich kleineren Modul überlagert ist und jede Rolle auf Ihrem Umfang eine Feinverzahnung mit dem gleichen Modul aufweist, in die die Zähne des Zahnrades eingreifen.
Die Funktion des Verzahnungsrotorsatzes ergibt sich dadurch, daß ein Antriebsmoment über eine Antriebswelle auf den Innenrotor wirkt und diesen dreht. Vom verzahnten Innenrotor wird eine Kraft auf das Planetenrad übertragen, die einerseits eine Stoßkraft durch das Zentrum des Planetenrades und eine Umfangskraft ergibt, die ein Drehmoment des Planetenrades bewirkt. Durch die Stoßkraft, die auf den Lagerring wirkt, wird dieser in Rotation versetzt.
Der bekannte Verzahnungsrotorsatz weist den Nachteil auf, daß eine hohe Anzahl von Planetenräder eingesetzt werden muß, um die Funktion zu ermöglichen und bedingt durch den Einsatz der hohen Anzahl an Planetenräder ein relativ hoher Reibungsanteil besteht, der durch das Drehmoment einer mit dem Innenrotor verbundenen Antriebswelle überwunden werden muß. Ferner hat sich bei dem bekannten Verzahnungsrotorsatz als nachteilig erwiesen, daß bei einer Drehbewegung des Innenrotors relativ gleichsinnig drehend Schmieröl in den Zahnlücken des Planetenrads von der Druckseite zur Saugseite gefördert wird, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpe sinkt.
Aus den Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe, einen Verzahnungsrotorsatz zu bilden, der so gestaltet ist, daß bei ähnlicher Baugröße eine geringere Anzahl von Planetenrädern zur Verminderung der Reibung eingesetzt wird. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, einen Verzahnungsrotorsatz zu bilden, der ein höheres Fördervolumen und größeren Wirkungsgrad bei vergleichbarer Baugröße des bekannten Verzahnungsrotorsatzes aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verzahnungsrotorsatz für eine Pumpe oder einen Motor, bestehend aus einem drehbaren Außenrotor, der eine annähernd sternförmige Bohrung mit einer Innenfeinverzahnung und einem in der Bohrung exzentrisch gelagerten Innenrotor, der Lagertaschen für Planetenräder aufweist, die Planetenräder weisen eine Feinverzahnung auf mit der Sie in der Feinverzahnung des Außenrotors abrollen, wobei die Planentenräder eine Verzahnung ergeben, die eine Außenverzahnung bildet, wobei die Außenverzahnung einen Zahn weniger aufweist als die Innenverzahnung des Außenrotors. Der Vorteil eines derart gestalteten Verzahnungsrotorsatzes liegt darin, daß der erfindungsgemäße Verzahnungsrotorsatz im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verzahnungsrotorsatz mit einer geringeren Anzahl von Planetenrädern betrieben werden kann. Dadurch, daß weniger Planetenräder bei gleicher Baugröße eingesetzt werden als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verzahnungsrotorsatz, bestehen weniger Reibflächen wie beispielsweise zwischen dem Planentenrad und der Lagertasche des Innenrotorssowie zwischen der Verzahnung des Planetenrads und der Verzahnung des Außenrotors. Aufgrund der geringeren Reibung weist eine Pumpe oder ein Motor mit dem erfindungsgemäßen Verzahnungsrotorsatz einen höheren Wirkungsgrad auf als die aus dem Stand der Technik bekannte Pumpe mit Verzahnungsrotorsatz, da ein geringeres Drehmoment aufgewendet werden muß, um die Reibung im System zu überwinden. Konstruktionsbedingt ermöglicht der erfindungsgemäße Verzahnungsrotorsatz ferner ein größeres Fördervolumen im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verzahnungsrotorsatz.
Ferner weist der erfindungsgemäße Verzahnungsrotorsatz einen höheren Wirkungsgrad auf, da bei einer Drehung des Innenrotors im Uhrzeigersinn die Planetenräder eine Drehung im Gegendrehsinn durchlaufen und somit zusätzliches Schmieröl in den Zahnlücken der Planetenräder von der Saugseite zur Druckseite gefördert wird.
Ein weiteres Problem der Feinverzahnung besteht darin, daß die auftretenden Kräfte und Momente bei dem gattungsgemäßen Verzahnungsrotorsatz nicht optimal durch die bisher verwendete Evolventenverzahnung aufgenommen werden. Insbesondere besteht das Problem, daß die bekannte Verzahnung die Stoß- und Umfangskräfte nicht ohne große Flächenpressung in Form einer Linienführung überträgt. Die bisher bekannten Verzahnungen eignen sich nur für die Übertragung hoher Umfangskräfte und nicht für die Übertragung großer Stoßkräfte, die durch das Zentrum des Planetenrades verlaufen.
Als nachteilig erweist sich bei dem gattungsbildenden Verzahnungsrotor, daß nicht unter allen Betriebsbedingungen ein sauberes Abrollen ohne Eingriffsstörungen gewährleistet ist. Die Bewegung der Planetenräder relativ zum Lagering kommt in einer Position zum Stillstand.
In diesem Zustand, in dem das Planetenrad nahezu stillsteht und gleichzeitig eine große Kraft übertragen wird, besteht die Gefahr, daß der Schmierfilm zwischen Planetenradzahnkopf und Lagerring zusammenbricht, wodurch die Couetteströmung zum Stillstand kommt. Hierbei entsteht Festkörperkontakt durch den Verlust des Schmiermediums im Spalt. Es besteht somit nicht mehr eine günstige hydrodynamische Schmierung, sondern es entstehen Mischreibungszustände und im ungünstigsten Fall Haftreibung. Im Falle der Misch- und Haftreibung treten Verschleißerscheinigungen auf und die Standzeit des Verzahnungsrotorsatzes sinkt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Außen- und/oder Innenfeinverzahnung zumindest in Teilbereichen der Zahnform der Verzahnung einen bogenförmigen Anteil aufweist. Der Vorteil eines derart gestalteten Verzahnungsrotorsatzes besteht darin, daß durch den bogenförmigen Anteil an der Zahnform im wesentlichen Rollreibung und keine Gleitreibung auftritt, so daß der Verschleiß an der Verzahnung minimal wird.
Durch den konvex ausgebildeten Zahnkopf des feinverzahnten Planetenrads und den konkav ausgebildeten Zahnfuß des feinverzahnten Außenrotors kommt es zu einer Berührungsfläche und nicht zu einer Berührungslinie. Die Hertzsche Pressung wird durch diese Wälzpaarung sehr stark reduziert. Durch Einbeziehen eines Flankenspiels zwischen dem Zahn des Planetenrads und der Zahnlücke des Außenrotors ist gewährleistet, daß die großen Stoßkräfte nur über Zahnkopf und Zahnfuß übertragen werden. Dadurch wird verhindert, daß auf die Zahnflanken große Keilkräfte wirken, die zur Zerstörung der Flankenoberflächen führen können. Zusätzlich kann durch das Flankenspiel das Fördermedium aus den Zahnlücken abfließen, da es sonst zu Quetschöl kommt, was zu sehr hohem Druckaufbau führen kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich des Zahnkopfes und/oder des Zahnfußes die Zahnform bogenförmig ausgebildet ist. Eine Derartige Gestaltung der Zahnform im Bereich des Zahnkopfes und/oder des Zahnfußes ermöglicht es, daß sehr große Stoßkräfte (Radialkräfte) übertragen werden können, wobei der Anteil der zu übertragenden Umfangskraft gering sein kann. Es werden hierbei der Zahnkopf und der Zahnfuß, im Gegensatz zu den bei Verzahnungsrotoren bekannten Evolventenverzahnungen in den Abrollvorgang, d.h. dem Abwälzen der verzahnten Planetenräder auf der verzahnten Außenrotorkurve, mit einbezogen.
Die konvex gekrümmte Zahnflanke des Planetenrads und die konkav gekrümmte Zahnflanke des Außenrotors bilden beim Zahneingriff eine relativ große Dichtfläche, die beim Übertritt der Verdrängerkammer vom Saugbereich in den Druckbereich die Verdrängerkammer abdichtet. Auch Abweichungen der Rechtwinkligkeit des Rotors führen nicht zu Leckverlusten der Verdrängerkammer.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß insbesondere der Bereich des Zahnkopfes und/oder des Zahnfußes die Zahnform der Feinverzahnung eine Abflachung aufweist. In der Hauptzone der Kraftübertragung, in der das Drehmoment durch den Innenrotor über die verzahnten Planetenräder auf den verzahnten Außenrotor wirkt, kommt es, geometrisch bedingt, fast zum Stillstand des Planetenrades. Bei dem beschriebenen relativen Stillstand und der gleichzeitigen Übertragung einer großen Kraft besteht die Gefahr, daß der Schmierfilm zwischen dem Planetenradzahnkopf und der Lagertasche des Innenrotors zusammenbricht. Um dem entgegenzuwirken, wurden die Planetenradzahnköpfe abgeflacht. Die Größe der Abflachung hängt vom Einsatzgebiet des Verzahnungsrotors ab. Bei kleine Drehzahlen und hohen Drücken ist eine starke Abflachungen notwendig, um einen Schmierfilmaufbau auch bei geringen Gleitgeschwindigkeiten zu gewährleisten. Bei großen Drehzahlen und niedrigen Drücken ist eine geringere Abflachung notwendig. Für den Übergang vom Zahnkopf des Planetenrads zur Abflachung, wurde eine spezielle Kurve, eine Zykloide, verwendet, die den Schmierfilmaufbau stärker begünstigt, als ein einfacher Übergangsradius.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß insbesondere der Bereich des Zahnkopfes und/oder des Zahnfußes die Zahnform einen großen Krümmungsradius aufweist. Anstelle einer Abflachung ist es auch zweckmäßig, im Bereich des Zahnkopfes und/oder Zahnfußes eine Fläche mit einem großen Krümmungsradius vorzusehen.
Durch die Abflachung der Planetenradzahnköpfe wird auch eine Verbesserung der Kraftübertragung (Hertzsche Pressung) vom Planentenrad auf den Innenrotor bewirkt.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der bogenförmige Anteil wenigstens teilweise als Zykloide ausgebildet ist. Die Zykloide hat sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf das Abrollverhalten und das Übertragen der Stoßkräfte erwiesen. Diese Zykloidenverzahnung gewährleistet auch bei erheblichen Krümmungsänderungen und kleinen Krümmungsradien einwandfreies gleitarmes Abrollen, das wiederum den Verschleiß herabsetzt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß wenigstens im Bereich der Zahnflanken die Zahnform als Evolvente ausgebildet ist. Bei dieser Verzahnung werden die Zahnflanken des verzahnten Außenrotors und der verzahnten Planetenräder durch eine Evolvente gebildet, wobei bei dieser Ausführungsform jedoch leichter Eingriffsstörungen auftreten können, als bei einer Ausführungsform, deren Zahnflanken als Zykloide ausgebildet sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Feinverzahnung eine verschleißarme Oberfläche aufweist. Die verschleißarme Oberfläche kann durch eine chemische, insbesondere thermochemische und/oder physikalische Oberflächenbehandlung erzielt werden. Die Oberfläche kann weiterhin auch galvanisiert sein. Weitere vorteilhafte Öberflächenbehandlungsverfahren sind Caburierung und Nitrierung und/oder Nitrocarburierung, Borieren und/oder Chromieren.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich der Lagertaschen wenigstens ein Fluidkanal angeordnet ist. Der Fluidkanal kann mit der Druckseite der Pumpe verbunden sein, so daß kontinuierlich Schmieröl zwischen Planentenrad und Lagertasche zugeführt wird, um einen verbesserten Schmierfilmaufbau zu gewährleisten.
Vorteilhafterweise weisen alle beweglichen Teile des Verzahnungsrotorsatzes, insbesondere der Außenrotor und/oder die Planetenräder und/oder der Innenrotor auf wenigstens einer Stirnseite einen umlaufenden Steg auf. Dieser umlaufende Steg dient als Dichtung innerhalb des Gehäuses, in welchem der Verzahnungsrotorsatz aufgenommen ist. Üblicherweise weisen derartige bewegliche Teile eine Dichtfläche auf ihren Stirnseiten auf, die sich über deren gesamte Fläche erstreckt. Die erfindungsgemäße Dichtung mittels des umlaufenden Steges hat zum Vorteil, daß die bei den bekannten Dichtungen auftretenden hohen Reibungskräfte stark vermindert werden und so der Verzahnungsrotorsatz leichter und damit effizienter arbeitet. Dabei weist der umlaufende Steg eine Breite auf, welche das Optimum zwischen Dichtwirkung und Reibungskraft darstellt.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verzahungsrotorsatzes, wobei dieser in einem Formgebungsverfahren, bevorzugt mittels pulvermetallurgischer Verfahren, Kunststoffspritzguß, Fließpressen, Druckguß, insbesondere Aludruckguß, und Stanzverfahren hergestellt wird. Eine derart aufwendige Verzahnung, wie sie der erfindungsgemäße Verzahnungsrotorsatz aufweist, ist mittels dieser Verfahren einfach und kostengünstig herzustellen. Eine Herstellung durch Zerspanen, beispielsweise durch Schleifen, Fräsen, Stoßen und Sägen, welches bekanntermaßen bei den üblichen Verzahnungen Verwendung findet, kann bei der Erfindung keine Anwendung finden, da die Verzahnung hierzu zu kompliziert ausgebildet ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verzahnungsrotorsatz in einer Pumpe, insbesondere einer Schmierölpumpe für Verbrennungsmotoren, Getrieben, Hydraulikaggregaten und Hochdruckreinigungsanlagen, verwendet wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verzahnungsrotorsatz als Motor verwendet wird.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen Verzahnungsrotorsatz nach dem Stand der Technik,
Fig. 2
einen erfindungsgemäßen Verzahnungsrotorsatz,
Fig. 2a
einen erfindungsgemäßen Verzahnungsrotorsatz in einer zweiten Arbeitsstellung,
Fig. 2b
eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Verzahnungsrotorsatz mit Saugseite und Druckseite,
Fig. 3
eine Variante I der erfindungsgemäßen Verzahnung gemäß der Einzelheit "X" in Fig. 2,
Fig. 4
eine Variante II der erfindungsgemäßen Verzahnung,
Fig. 5
eine Variante III der erfindungsgemäßen Verzahnung.
Fig. 1 zeigt einen Verzahnungsrotorsatz 0.1 nach dem Stand der Technik, bestehend aus einem drehbaren Außenrotor 0.2 mit Lagertaschen 0.3, in denen drehbar gelagerte Planetenräder 0.4 angeordnet sind, die eine Innenverzahnung bilden, mit einem exzentrisch zum Außenrotor 0.2 gelagerten Innenrotor 0.5 mit annähernd sternförmiger Außenkontur, die mit einer Außenfeinverzahnung 0.6 versehen ist, wobei die sternförmige Au-ßenverzahnung einen Zahn weniger aufweist als die Innenverzahnung. Der Verzahnungsrotorsatz 0.1 weist sieben Planetenräder 0.4 auf. Es zeigt sich als nachteilig, daß bei einer Drehbewegung des Innenrotors 0.5 in Richtung des Uhrzeigersinns Schmieröl in den Kammern, die aus den Zahnlücken des gleichsinnig drehenden Planetenrads und der Wand der Lagertasche 0.3 gebildet werden, von der Druckseite zur Saugseite gefördert wird, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpe sinkt.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verzahnungsrotorsatz 1 für eine Pumpe oder einen Motor, bestehend aus einem drehbaren Außenrotor 2, der eine annähernd sternförmige Bohrung 3 mit einer Innenfeinverzahnung 4 und einem in der Bohrung 3 exzentrisch gelagerten Innenrotor 5, der Lagertaschen 6 für Planetenräder 7 aufweist, die Planetenräder 7 weisen eine Feinverzahnung auf mit der sie in der Feinverzahnung des Außenrotors 2 abrollen, wobei die Planetenräder 7 eine Verzahnung 8 ergeben, die eine Außenverzahnung bildet, wobei die Außenverzahnung einen Zahn weniger aufweist als die Innenverzahnung 4 des Außenrotors 2. Der Verzahnungsrotorsatz 1 weist einen Saugbereich 9 und einen Druckbereich 10 und Verdrängerkammern 11 auf. Im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten verzahnungsrotorsatz 0.1 nach dem Stand der Technik, werden für den erfindungsgemäßen Verzahnungsrotorsatz 1 nur 6 Planetenräder 7 benötigt, so daß weniger Reibung auftritt.
Über eine Antriebswelle 12 wirkt ein Antriebsmoment M1 auf den Innenrotor 5. Dadurch wirkt eine Stoßkraft F2 über die Lagertasche 6 des Innenrotors 5 auf das Planetenrad 7. Die Stoßkraft F3 im Planetenrad 7 teilt sich in zwei Komponenten, die Radialkraft F4 und das Drehmoment M4 auf. Die Stoßkraft F3 wirkt durch das Zentrum des verzahnten Planetenrads 7 auf den verzahnten Außenrotor 2 und versetzt diesen in Rotation. Durch das Drehmoment M4 wird das verzahnte Planetenrad 7 in Rotation versetzt. Das Planetenrad 7 überträgt vor allem die Stoßkraft F3 und erfährt dabei ein durch Reibung in der Lagertasche verursachtes geringes Reibmoment MR.
Der erfindungsgemäße Verzahnungsrotor 1 kann als Pumpe zur Druckerzeugung eingesetzt werden, in dem der Innenrotor 5 über eine Antriebswelle 12 angetrieben wird. Andererseits kann der erfindungsgemäße Verzahnungsrotorsatz 1 auch als Motor verwendet werden, in dem der Druckbereich 10 mit Druck beaufschlagt wird, so daß der Innenrotor 5 in Rotation versetzt wird und die Antriebswelle 12 antreibt.
In der Hauptzone der Kraftübertragung 13, in der das Drehmoment durch den mit Lagertaschen 6 ausgestatteten Innenrotor 5 über das verzahnte Planetenrad 7 auf den verzahnten Außenrotor 2 wirkt, kommt es, geometrisch bedingt, fast zum Stillstand des Planetenrads 7. Bei dem beschriebenen relativen Stillstand und der gleichzeitigen Übertragung einer großen Kraft besteht die Gefahr, daß der Schmierfilm zwischen Planetenradzahnkopf und Innenrotor 5 zusammenbricht.
Fig. 2a zeigt den Verzahnungsrotorsatz 1 in einer zweiten Arbeitsstellung. Hier ist die Dichtwirkung der Feinverzahnung besonders gut ersichtlich.
Fig. 2b zeigt eine Aufsicht auf den Verzahnungsrotorsatz 1, wobei sowohl eine Saugseite 14 als auch eine Druckseite 15 gezeigt sind. In die Saugseite 14 mündet eine Einlaßöffnung 16 ein, die beispielsweise seitlich als Bohrung in das den Verzahnungsrotorsatz aufnehmende Gehäuse ausgebildet sein kann. Ebenso mündet in die Druckseite 15 eine Auslaßöffnung 17 ein. Der Durchmesser der Auslaßöffung 17 kann geringer als derjenige der Einlaßöffnung 16, da bei letzterer eine höhere Fließgeschwindigkeit gegeben ist. Es ist ferner ersichtlich, daß bei einer Drehung des Innenrotors 5 im Uhrzeigersinn die Planetenräder 7 eine Drehung im Gegendrehsinn durchlaufen und somit zusätzliches Schmieröl in den Zahnlücken der Planetenräder 7 von der Saugseite 9 zur Druckseite 10 gefördert wird.
Fig. 3 zeigt eine Variante I der erfindungsgemäßen Verzahnung gemäß der Einzelheit "X" in Fig. 2. Die in Fig. 2 dargestellte große Stoßkraft F3 und das nur kleine Reibmoment MR müssen übertragen werden. Bei dieser Verzahnung werden Zahnkopf 18 und Zahnfuß 19 in den Abrollvorgang, d. h. das Abwälzen des verzahnten Planetenrads 7 auf der verzahnten Außenrotorkurve 2 mit einbezogen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Verzahnung wurden die Flächenanteile der Verzahnung so gewählt, daß sie der Kräfteaufteilung entsprechen.
Der größte Anteil, der bogenförmige Anteil 23, der Verzahnung besteht somit am Zahnfuß 19 und Zahnkopf 18, die die Stoßkraft F3 zwischen dem verzahnten Planetenrad 7 und dem verzahnten 2 Außenrotor übertragen. Nur ein kleiner Anteil der Verzahnungsflächen besteht aus Gleitflächen im Bereich der Zahnflanken, die das Reibmoment MR in eine Drehbewegung des verzahnten Planetenrads 7 umwandeln.
Der Zahnkopf 18.1 des verzahnten Außenrotors 2 ist so berechnet, daß er sich genau in den Zahnfuß 19.2 des verzahnten Planetenrads 7 anlegt, und ein problemloses Abrollen gewährleistet. Umgekehrt greift der Zahnkopf 18.2 des verzahnten Planetenrads 7 in den Zahnfuß 19.1 des verzahnten Aussenrotors 2 ein. Es kommt durch den konvex gestalteten Zahnkopf 18.1 des verzahnten Außenrotors 2 und den konkav ausgeführten Zahnfuß 19.2 des verzahnten Planetenrads 7 zu einer Berührungsfläche und nicht zu einer Berührungslinie. Durch diese Wälzpaarung wird daher die Hertzsche Pressung stark reduziert.
Dies gilt auch für die Zahnflanken des verzahnten Außenrotors 2 und des verzahnten Planetenrads 7. Durch Einbeziehen eines Flankenspiels 20 zwischen Zahn des Planetenrads 4 und Zahnlücke des Außenrotors 2 ist gewährleistet, daß die große Stoßkraft F3 nur über Zahnkopf 18 und Zahnfuß 19 übertragen wird. Dadurch wird verhindert, daß auf die Zahnflanken 21 große Keilkräfte wirken, die zur Zerstörung der Flankenoberflächen führen können. Zusätzlich kann durch das Flankenspiel das Fördermedium aus den Zahnlücken 20 abfließen, da es sonst zu Quetschöl kommt, was zu sehr hohem Druckaufbau führen kann.
Fig. 4 zeigt eine zweite Position der erfindungsgemäßen Verzahnung. Bei dem vorstehend beschriebenen relativen Stillstand der Planetenräder 4 und der gleichzeitigen Übertragung einer großen Kraft besteht die Gefahr, daß der Schmierfilm zwischen Planetenradzahnkopf 18 und der Lagertasche 6 des Innenrotors 5 zusammenbricht. Dies wird dadurch verhindert, daß die Planetenradzahnköpfe 18 abgeflacht werden. Die Größe der Abflachung 22 hängt vom Einsatzgebiet des Verzahnungsrotors 1 ab. Bei kleinen Drehzahlen und hohen Drücken muß eine starke Abflachung 22 vorgesehen werden. Bei einer großen Drehzahl und niedrigen Drücken reicht eine mäßige Abflachung 22 aus, um einen kontinuierlichen Schmierfilm aufzubauen. Für den Übergang von der Zahnflanke 21 des Planetenrads 7 zur Abflachung 22, wurde eine Zykloide 23 verwendet, die den Schmierfilmaufbau stärker begünstigt, als ein einfacher Übergangsradius.
Durch die Abflachung 22 der Planetenradzahnköpfe 18 wird auch eine Verbesserung der Kraftübertragung (Hertzsche Pressung) vom Planetenrad 7 auf die Lagertasche 6 des Innenrotors 5 bewirkt.
Fig. 5 zeigt eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Verzahnung, wobei die Zahnflanken 21 des verzahnten Außenrotors 2 und der verzahnten Planetenräder 7 durch eine Evolvente 24 gebildet werden. Der Zahnkopf 18 des Planetenrads 7 ist dagegen als Zykloide 25 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform besteht jedoch eine größere Wahrscheinlichkeit, daß Eingriffsstörungen auftreten.

Claims (10)

  1. Verzahnungsrotorsatz (1) für eine Pumpe oder einen Motor, bestehend aus einem drehbaren Außenrotor (2), der eine annähernd sternförmige Bohrung (3) mit einer Innenfeinverzahnung (4) und einem in der Bohrung (3) exzentrisch gelagerten Innenrotor (5), der Lagertaschen (6) für Planetenräder (7) aufweist, die Planetenräder (7) weisen eine Feinverzahnung auf mit der Sie in der Feinverzahnung des Außenrotors (2) abrollen, wobei die Planentenräder (7) eine Verzahnung (8) ergeben, die eine Außenverzahnung bildet, wobei die Außenverzahnung einen Zahn weniger aufweist als die Innenverzahnung des Außenrotors (2)
  2. Verzahnungsrotorsatz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und/oder Innenfeinverzahnung zumindest in Teilbereichen der Zahnform der Verzahnung einen bogenförmigen Anteil (23) aufweist.
  3. Verzahnungsrotorsatz (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere im Bereich des Zahnkopfes (18) und/oder des Zahnfußes (19) die Zahnform bogenförmig ausgebildet ist.
  4. Verzahnungsrotorsatz (1) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere im Bereich des Zahnkopfes (18) und/oder Zahnfußes (19) die Zahnform einen großen Krümmungsradius aufweist.
  5. Verzahnungsrotorsatz 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere im Bereich des Zahnkopfes (18) und/oder Zahnfußes (19) die Zahnform eine Abflachung 22 aufweist.
  6. Verzahnungsrotorsatz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Anteil (23) wenigstens teilweise als Zykloide ausgebildet ist.
  7. Verzahnungsrotorsatz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens im Bereich der Zahnflanken (21) die Zahnform als Evolvente ausgebildet ist.
  8. Verzahnungsrotorsatz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinverzahnung eine verschleißarme Oberfläche aufweist.
  9. Verzahnungsrotorsatz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Lagertaschen (6) wenigsten ein Fluidkanal angeordnet ist.
  10. Verzahnungsrotorsatz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrotor (2) und/oder die Planetenräder (7) und/oder der lnnenrotor (5) auf wenigstens einer Stirnseite einen umlaufenden Steg auf/weisen.
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