EP1576290B1

EP1576290B1 - Zahnradmaschine mit axialen seitenplatten

Info

Publication number: EP1576290B1
Application number: EP03785863A
Authority: EP
Inventors: Walter Wimmer; Matthias Fuchs; Ulrich Zuber
Original assignee: Concentric Hof GmbH
Current assignee: Concentric Hof GmbH
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: AU2003294889A1; JP2006510841A; EP1576290A1; WO2004057193A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnradmaschine in Funktion als Zahnradpumpe oder Zahnradmotor für eine oder zwei Drehrichtungen. Diese Zahnradmaschine weist mindestens zwei Zahnräder auf, die im Außen- oder Inneneingriff miteinander abwälzen und deren Wellenzapfen in Lagerstellen gelagert sind. Diese Lagerstellen können als Bestandteil von Deckeln ausgebildet sein, oder als Lagerkörper ein- oder zweiteilig ausgebildet sein, die zusammen mit den Zahnrädern von einem Gehäuse der Zahnradmaschine umschlossen werden.
Zwischen den Lagerkörpern und den drehenden Zahnrädern sind scheibenförmige Dichtplatten angeordnet, die auch als Seitenplatten bezeichnet werden. Durch Untermaß der Zahnräder, Lagerkörper und Dichtplatten umfassenden Einheit gegenüber dem Gehäuse weist die Einheit ein Axialspiel auf, aufgrund dessen sich die Seitenplatten im Rahmen dieses Passungsspieles axial bewegen können. Bei Druckbelastung der Einheit bilden sich zusammen mit der entsprechenden Anordnung von Dichtelementen, die in um die Lagerkörper ausgebildete Nuten eingelegt werden, unterschiedliche Druckfelder, welche die mit Hochdruck beaufschlagten Druckflächen (Hochdruckseite - HD) gegenüber den mit Niederdruck beaufschlagten (Niederdruckseite - ND) voneinander abgrenzen. Aufgrund der konstruktiven Anordnung der Dichtfelder und dem vorhandenen Axialspiel zwischen Lagerkörper und Seitenplatte werden die Seitenplatten konstruktionsbedingt mit minimalem axialen Dichtspalt systemdruckabhängig in Richtung der Zahnstirnseiten der miteinander kämmenden Zahnräder gedrückt. Dies führt dazu, dass die Seitenplatten an der Niederdruckseite mit dichtender Berührung nahezu spaltfrei gegen die Zahnräder gepresst werden, wodurch das seitliche Abströmen von Fluid von dem mit Hochdruck beaufschlagten Bereich zu dem mit Niederdruck beaufschlagten Bereich zwischen Zahnstimseite der drehenden Zahnräder und nicht drehender Seitenplatte äußerst gering bleibt. Dieser optimierte Spaltausgleich zwischen Zahnrad und Seitenplatte bewirkt eine Optimierung des volumetrischen Wirkungsgrades und somit der Leistungsfähigkeit der gesamten Zahnradmaschine insbesondere bei Betriebsbedingungen mit variabler Drehzahl, ausgehend vom Stillstand der Zahnradmaschine und gleichzeitiger Druckbelastung.

Stand der Technik (Figur 1):

Die Erfindung geht von einer Zahnradmaschine mit folgendem Aufbau aus:

Ein Gehäuse 3, das durch seitlich durchdringende Bohrungen einen Hochdruckanschluss und einen Niederdruckanschluss aufweist und welches durch seitliche, auch als Deckel bezeichnete Gehäuseteile 2, 5 begrenzt wird, umschließt vorzugsweise zwei Lagerkörper 7, 8, wobei ein Lagerkörper Bestandteil des Gehäuses 3 sein kann. In diesem Gehäuse wälzen zwei im Außen- oder Inneneingriff kämmende Zahnräder 4 auf den Zahnflanken aufeinander ab, deren Wellenzapfen in den Lagerkörpern 7, 8 gelagert sind. Wenigstens ein Lagerzapfen 1 dieser Zahnräder ist als eine nach außen führende Welle zum An- oder Abtrieb ausgebildet. Die Lagerkörper weisen auf der den seitlichen Gehäuseteilen 2, 5 zugewandten Seite Nuten 6, 9 auf, in denen hier nicht dargestellte Dichtkörper aus Gummi, in Kombination mit zusätzlichen Stützelementen, oder einteilige Dichtungen aus Verbundwerkstoff, vorzugsweise aus Polyurethan, eingelegt sind, um bei Druckbelastung der Einheit eine Spaltextrusion zwischen den Lagerkörpern und den seitlich begrenzenden Gehäuseteilen zu verhindern. Diese Dichtkörper bilden Dichtfelder, die zur Niederdruckseite der Einheit im Umriss die Form einer geöffneten "3" aufweisen. Durch den auf der Hochdruckseite der Einheit wirkenden Systemdruck, welcher durch die oben beschriebenen Dichtungseinrichtungen begrenzt wird, entstehen Druckfelder, deren Wirkung die Lagerkörper 7, 8, vergleichbar der Wirkung eines Kolbens, axial gegen die Stirnflächen der Zahnräder schiebt. Der axiale Spaltausgleich der Lagerstellen erfolgt durch Kräfte, die von Druckfeldern an der Rückseite, also der den Zahnrädern abgewandten Seite, der Lagerkörper 7, 8 erzeugt werden. Die den Stirnseiten der kämmenden Zahnräder zugewandte Seite der Lagerkörper 7, 8 weisen als Nuten ausgebildete Einfräsungen (Vorsteuergeometrie) auf, die so ausgelegt sind, dass die auf der Eingriffslinie der Verzahnung abwälzenden Zahnräder stets mindestens einen Dichtpunkt zwischen dem mit Hochdruck und dem mit Niederdruck beaufschlagten Bereich des Lagerkörpers bilden. Kräfte, die sich durch die Druckfelder zwischen Zahnradstirnseite und Lagerkörper bilden, bewirken, dass die Lagerkörper gegen die begrenzenden seitlichen Gehäuseteile gedrückt werden. Diese sogenannten abhebenden Kräfte müssen durch andrückende Kräfte, die an der Rückseite des Lagerkörpers wirken, kompensiert werden, um interne Leckage der Einheit zu vermeiden. Nuten, in denen Dichtelemente zur Abgrenzung der Druckfelder eingelegt werden, sind nur auf der der Zahnradstirnseite gegenüberliegenden Seite der Lagerkörper vorgesehen.

Gleichzeitig entstehen durch diese Druckfelder an den Lagerkörpern 7, 8 Kraftmomente um die Mittelachse der als Lagerstellen ausgebildeten Bohrungen, die ein ebenflächiges Anpressen der Lagerkörper an die Zahnstirnseiten verhindern. Hierdurch bildet sich unter Druckbelastung der Einheit im Hochdruckbereich ein Spalt zwischen Lagerkörper und Zahnstirnseite aus, durch den ein Fluidstrom von den mit Hochdruck beaufschlagten Dichtfeldern zu den unter Niederdruck stehenden Kreissegmentflächen der Lagerbohrung hin entstehen kann. Dieser Fluidstom verursacht im mit Hochdruck beaufschlagten Bereich des Lagerkörpers einen internen, axialen Leckagestrom des Fluids von der Hoch- zur Niederdruckseite, der dazu führt, dass der volumetrische Wirkungsgrad der gesamten Einheit verringert wird. Im Niederdruckbereich bewirken die bei Druckbelastung der Einheit am Lagerkörper wirkenden Momente eine verstärkte Anpressung des Lagerkörpers an die Zahnstirnseiten, wodurch der zwischen zwei metallisch aufeinander gleitenden Flächen von Stirnseiten der Zahnräder 4 und Lagerkörper 7, 8 benötigte Schmierfilm beeinträchtigt wird. Dies führt dazu, dass besonders bei Betriebsbedingungen mit von Stillstand der Zahnradmaschine beginnender Drehzahl und gleichzeitig hoher Druckbelastung der Zahnradmaschine verstärkt Verschleiß auftritt, der zum vorzeitigen Ausfall führt.
Designausführungen mit den Lagerkörpern 7, 8 vorgesetzten, dünnen Seitenplatten sind bekannt. Diese bekannten Ausführungen führen jedoch durch die Gestaltung der Dichtfelder um die Lagerstellen, sowie die Anordnung der Dichtfelder zwischen Seitenplatten und Lagerkörper, zu einem beschränkt beweglichen Verbund aus Seitenplatte und Lagerstelle, welcher nur bedingt einen geometrischen Spaltausgleich erlaubt. Diese Ausführungen dienen nur dazu, verschleißbedingtes Verhalten der Zahnradmaschine zu verbessern.
Eine Optimierung des volumetrischen Wirkungsgrades kann aus Gründen des starren Verbandes zwischen Lagerkörper und Verschleißplatte nicht erzielt werden. Dies gilt für Ausführungen mit einer oder zwei Seitenplatten und Ausführungen mit einem oder zwei Lagerblöcken.
Aus der DE 41 24 466 A1 , die die Merhmade des oberbegriffes van Anspruch 1 offendart, geht eine Zahnradmaschine der hier angesprochenen Art hervor. Aufgrund der Gestaltung der Dichtfelder um die Lagerstellen sowie die Anordnung der Dichtfelder zwischen Seitenplatten und Lagerkörper führt dies bei der bekannten Zahnradmaschine nur zu einem beschränkt beweglichen Verbund aus Seitenplatten und Lagerstelle, welcher nur bedingt einen geometrischen Spaltausgleich erlaubt. Daher ergibt sich kein optimaler volumetrischer Wirkungsgrad.
Eine Zahnradpumpe mit ähnlichem Aufbau wie die aus der DE 41 24 466 A1 bekannte Zahnradmaschine geht aus der JP 4112981 A hervor. Diese weist zwei Zahnräder, zwei an den Zahnrädern anliegende Seitenplatten und an diesen anliegende Lagerkörper auf, wobei auf den den Seitenplatten zugewandten und abgewandten Seitenflächen der Lagerkörper durch Nuten definierte Dichtfelder vorgesehen sind. Zwischen den Lagerkörpern und den Seitenplatten herrscht ein nur sehr geringer Druck. Der Verbund aus Seitenplatten und Lagerstelle ist auch hier nur beschränkt beweglich, so dass nur bedingt ein geometrischer Spaltausgleich möglich ist.

Aufgabe der Erfindung:

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zahnradmaschine der hier angesprochenen Art zu schaffen, die sich durch einen optimierten volumetrischen Wirkungsgrad auszeichnet.

Vorteile der Erfindung (Figur 2):

Der Vorteil der nachfolgend beschriebenen Erfindung besteht in der Gestaltung und Anordnung der Dichtfelder und Dichtelemente am Lagerkörper. Bei Verwendung von ein- oder zweiteiligen Lagerkörpern 11,16 in der Zahnradmaschine weisen diese an beiden Stirnseiten, also an der dem Zahnrad und der dem Deckel zugewendeten Seitenfläche Nuten 10, 12, 15, 17 zur Aufnahme von hier nicht dargestellten Dichtelementen auf. Durch die beidseitig an den Lagerkörpern eingelegten Dichtelemente entstehen bei Druckbelastung der Zahnradmaschine am Lagerkörper sich ausbildende Dichtfelder, die durch axiale Kraftwirkung sowohl auf die Lagerkörper als auch auf die den Lagerkörpern vorgesetzten Seitenplatten 13,14 als hydraulisch aktive Druckkompensationsfelder wirken.
Die gewählte Anordnung und Gestaltung der Dichtfelder, ermöglicht es im Rahmen des Lagerspieles, dass die den Lagerkörpern 11, 16 vorgesetzten Seitenplatten 13, 14 systemdruckabhängig axial beweglich (gelenkig) an die Zahnstirnseiten der miteinander kämmenden Zahnräder 4 angedrückt werden.
Dies geschieht durch hydraulisch druckbeaufschlagte Dichtfelder, die durch Dichtelemente aufnehmende Nuten abgetrennt sind, die auf beiden Seiten der Lagerkörper angeordnet sind und die Form einer zur Niederdruckseite geöffneten "3" bzw. eines "ε aufweisen. Diese Nuten unterscheiden sich auf den gegenüberliegenden Seiten eines Lagerkörpers dadurch, dass sie auf konzentrischen Kreisen um die durch die Lagerbohrung gehenden Achsen der Zahnräder liegen, jedoch unterschiedlich große Durchmesser aufweisen. Dadurch entstehen auf beiden Seiten des Lagerkörpers 11, 16 unterschiedlich stark wirkende Dichtfelder, deren resultierende Wirkrichtung, die den Lagerkörpern vorgelagerten Seitenplatten 13, 14 gelenkig an die Zahnstirnseiten andrücken. Durch den gelenkigen Verbund aus Lagerkörper und Seitenplatte wird eine maximale Spaltkompensation zwischen der Zahnradstirnseite der miteinander kämmenden Zahnräder 4 und Seitenplatte 13, 14 erreicht. In Kombination mit der Verwendung von verschleißfesten Werkstoffen der Seitenplatten 13, 14 wird, neben dem verbesserten Verschleißschutz, ein optimaler volumetrischer Wirkungsgrad der Zahnradmaschine erzielt.
Die nachfolgend näher beschriebene Form und Lage der Dichtfelder 10, 12, 15, 17 bewirken, dass sich der hydraulisch wirksame Dichtspalt unter allen Betriebsbedingungen zwischen Lagerkörper und Seitenplatten ausbildet und dadurch die vorgesetzten Seitenplatten 13, 14 gelenkig und spaltoptimiert gegen die Stirnseiten der Zahnräder 4 drückt.
Damit ist bei variierenden Betriebsbedingungen in Bezug auf Systemdruck, Temperatur, Viskosität, Drehzahl und Axialschub ein gleichmäßiges und dauerhaftes Betriebsverhalten der Zahnradmaschine gegeben. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber einem starren Verbund, wie er oben anhand von Figur 1 erläutert wurde und bei dem die Seitenplatten zusammen mit dem Lagerkörper gegen die Zahnradstirnseite der miteinander kämmenden Zahnräder gedrückt werden, was lediglich zu einem reduzierten werkstoffbedingten Verschleiß der Einheit führt.
Figur 3 zeigt einen Lagerkörper 11 und zwar dessen den Zahnrädern 4 zugewandte Seitenfläche, die auf einer Seitenplatte 13 aufliegt. In die Seitenfläche ist die Nut 12 eingebracht, die ein hier nicht dargestelltes Dichtelement 25 aufnimmt, das unten anhand von Figur 7 erläutert wird.
Durch das in die Nut 12 eingebrachte Dichtelement wird ein Dichtfeld definiert. Dadurch, dass die Nuten auf der Vorder- und Rückseite der Lagerkörper unterschiedlich ausgestaltet sind, ergeben sich unterschiedlich große hydraulische Kräfte auf beiden Seiten der Lagerkörper, die die Lagerkörper gegen die das Gehäuse 3 seitlich begrenzenden als Deckel dienende Gehäuseteile 2, 5 drücken.
Der Lagerkörper 11 wird durch die hydraulischen Kräfte, die durch die unterschiedlich großen Dichtfelder entstehen, gegen die vorgesetzte Seitenplatte 13 angedrückt. Diese wird durch die hydraulischen Kräfte, die sowohl auf beiden Seiten eines Lagerkörpers als auch an der hydraulisch beaufschlagten Fläche der Seitenplatte wirken, axial in entgegengesetzter Richtung zum Lagerkörper 11 verschoben. Die als gelenkig beweglich bezeichnete Seitenplatte 13 wird gegen die Stirnseite der Zahnräder 4 gedrückt, wodurch ein sich betriebspunktabhängig einstellender, axialer Spaltausgleich eine optimale Dichtwirkung zwischen Seitenplatte und Lagerstelle ermöglicht.
Die der Seitenplatte 14 zugewandten Seitenfläche des Lagerkörpers 16 ist entsprechend ausgebildet, sodass sich auch hier die beschriebenen hydraulischen Kräfte einstellen und die Seitenplatte 14 in entgegengesetzter Richtung zum Lagerkörper 16 verschoben wird und auch hier eine quasi beweglich gelenkige Seitenplatte realisiert wird.
Insgesamt zeigt sich, dass, von einer Mittenebene der Zahnräder 4 aus gesehen, sich eine spiegelbildliche Anordnung ergibt: An die Zahnräder 4 schließen sich beidseitig die Seitenplatten 13 und 14 und daran die Lagerkörper 11 und 16 an.
Figur 4 zeigt die den Zahnrädern 4 beziehungsweise der Seitenplatte 13 gegenüberliegende Seitenfläche des Lagerkörpers 11. In die Seitenfläche ist hier die Nut 10 eingebracht, die wiederum die Form einer "3" beziehungsweise eines "ε" aufweist, jedoch entgegengesetzt orientiert ist, wie dies auf der in Figur 3 dargestellten Seite der Fall ist, die der Seitenplatte 13 zugewandt ist.
Ein Vergleich zwischen den Figuren 3 und 4 zeigt, dass große Bereiche der Nut 10 auf einem gedachten konzentrisch zu den Lageröffnungen beziehungsweise Lagerbohrungen L1 und L2 verlaufenden Kreisen liegen, wobei der Radius der Kreise der Nut 10 größer ist als der Radius der Kreise der Nut 12, die in Figur 3 dargestellt ist. Auf diese Weise werden Dichtfelder unterschiedlicher Größe realisiert und die oben angesprochenen unterschiedlich großen hydraulischen Kräfte aufgebaut.
Die Druckfelder auf beiden Seiten des Lagerkörpers 11 stehen in einem Flächenverhältnis zwischen 1,5 und 2,0 zueinander. Auf der der Seitenplatte zugewandten Seitenfläche des Lagerkörpers ist die größere druckbeaufschlagte Fläche vorgesehen als auf der dem als Deckel dienenden Gehäuseteil 2 zugewandten Seitenfläche des Lagerkörpers 11. Entsprechend ist bei dem Lagerkörper 16 vorgesehen, dass die auf der der Seitenplatte 16 zugewandten Seitenfläche eine größere druckbeaufschlagte Fläche vorgesehen ist als auf der dem als Deckel dienenden Gehäuseteil 5 zugewandten Seitenfläche des Lagerkörpers 16.
Vorzugsweise wird das Flächenverhältnis der beiden Druckfelder eines jeden Lagerkörpers zu 1,8 gewählt. Dieses Flächenverhältnis bewirkt, dass die Lagerkörper 11, 16 durch die hydraulischen Kräfte gegen die seitlich begrenzenden Gehäuseteile 2 und 5 der Zahnradmaschine verschoben werden. Hierdurch bildet sich der für den gelenkigen Ausgleich der den Lagerkörpern vorgesetzten Seitenplatten 13, 14 erforderliche Dichtspalt stets zwischen Lagerkörper und Seitenplatte, wodurch die Seitenplatten gegen die Stirnseiten der Zahnräder 4 gedrückt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die hydraulisch aktiven Dichtfelder auf beiden Seiten eines Lagerkörpers in den mit Hochdruck belasteten Kreisringsegmenten auf zueinander konzentrisch gestalteten Dichtfeldern angeordnet sind.
Das oben genannte Flächenverhältnis der auf den beiden Seiten des Lagerkörpers vorgesehenen Dichtfelder wird also dadurch realisiert, dass die Nuten 10 und 12 auf beiden Seiten des Lagerkörpers auf gedachten Kreislinien angeordnet sind, die konzentrisch zum Mittelpunkt der Lageröffnungen L1 und L2 verlaufen, aber unterschiedliche Radien beziehungsweise Durchmesser aufweisen. Dabei ist der größere Durchmesser auf der den als Deckel dienenden Gehäuseteile 2, 5 zugewandten Seite des Lagerkörpers ausgeführt. Damit ist hier das kleinere Druckfeld realisiert.
Die Position der Dichtfelder konzentrisch zur Achsmitte der Zahnräder 4 definiert die resultierenden Kraftfelder, die den hydraulisch optimalen Spaltausgleich zwischen den Seitenplatten 13, 14 und den Zahnrädern 4 bewirken.
Der Verlauf der Nuten 10 und 12 in den Seitenflächen der Lagerkörper folgt der Form der Ziffer "3" beziehungsweise des Buchstabens "ε", und zwar unter einem definierten Winkel. Die Enden der Nut 12 liegen in einem Abstand zu gedachten Durchmesserlinien der Lageröffnungen L1 und L2 und schließen mit dieser Linie einen Winkel α zwischen 12° und 14° ein, wobei dieser Winkelbereich vorzugsweise zu den Achsmitten der Zahnräder beziehungsweise zu einer gedachten horizontalen Mittelachse M2 symmetrisch angeordnet ist. Dies ergibt sich aus Figur 3.
Figur 3 zeigt auch, dass an der Trennebene zwischen Lagerkörper 11 und Seitenplatte 13, also auch an der Trennebene zwischen Lagerkörper 16 und der Seitenplatte 14, definierte Druckzuführnuten 19, 20, 21 in den Lagerkörpern vorgesehen sind. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel finden sich oben und unten zwei Druckzuführnuten 19 und 21 im Bereich einer gedachten vertikalen Mittelachse M1. Links ist noch eine Druckzuführnut 20 vorgesehen, die symmetrisch zu der gedachten Mittelachse M2 angeordnet ist.
Diese Druckzuführnuten 19, 20, 21, die als Vertiefungen in der Seitenfläche des Lagerkörpers 11 beziehungsweise 16 ausgeführt sind, werden mit Systemdruck der Zahnradmaschine befüllt. Durch die oben definierten Flächenverhältnisse drücken die Lagerkörper gegen die das Gehäuse seitlich begrenzenden Gehäuseteile 2, 5, andererseits drücken die den Lagerkörpern 11, 16 vorgesetzten Seitenplatten 13, 14 gegen die Stirnflächen der miteinander kämmenden Zahnräder 4. Durch das in die Nut 10 eingesetzte Dichtelement wird jeweils zwischen Lagerkörper und Seitenplatte ein Dichtspalt ausgebildet. Dieser ermöglicht den Seitenplatten 13, 14 eine axiale Beweglichkeit, damit den sogenannten gelenkigen Ausgleich zu den Stirnseiten der Zahnräder 4 hin. Durch diese Ausgleichsbewegung wird unter allen Betriebsbedingungen der Zahnradmaschine ein minimaler Spalt zwischen den Seitenplatten 13, 14 und den rotierenden Zahnrädern 4 hydraulisch eingestellt, der bewirkt, dass das Abströmen von Fluid von mit Hochdruck beaufschlagten Flächen zu Bereichen mit Niederdruck minimiert wird. Dies führt dazu, dass sich betriebspunktabhängig optimale volumetrische Wirkungsgrade einstellen.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch den Lagerkörper 11. Der Lagerkörper 16 ist spiegelbildlich aufgebaut. Insofern gilt das zum Lagerkörper 11 Gesagte entsprechend.
In der Schnittdarstellung gemäß Figur 5 sind die in die der Seitenplatte 13 zugewandte Seitenfläche eingebrachte Nut 12 und die in die dem als Deckel dienenden Gehäuseteil 2 zugewandte Seitenfläche eingebrachte Nut 10 ersichtlich.
Bereits aus der Querschnittdarstellung ist erkennbar, dass die Nuten 10 und 12 unterschiedlich ausgebildet sind, wobei die Nut 12 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Nut eher einen rechteckförmigen Querschnitt zeigt. Die unterschiedlichen Querschnitte sind in den Vergrößerungen W und U erkennbar, wobei U den Querschnitt der Nut 10 und W den Querschnitt der Nut 12 wiedergibt.
Die Form der Nut 12 zeichnet sich dadurch aus, dass sie von der Seitenfläche des Lagerkörpers 11 zum Nutgrund N1 hin in einem Winkel zwischen 3° und 16° konisch verläuft, wobei vorzugsweise ein Winkel von 8° gewählt wird. Die Nut 12 geht auf beiden Seiten über einen Radius in den Nutgrund N1 über. Diese konische Nutgestaltung erhöht zum einen die Dauerfestigkeit des verbleibenden Restmatrialstegs zwischen Dichtringnut und Lagerbohrung L1, L2 in den Lagerkörpern, zum anderen bewirkt diese Nutgestaltung bei Druckbeaufschlagung der in Figur 5 nicht dargestellten Dichtelemente eine definierte ebenflächige Anlage der Dichtelemente an der Seitenfläche der Nut 12. Dies verbessert die Dichtwirkung und reduziert den Verschleiß der Dichtelemente.
Der Übergangsradius zwischen Nutflanke und Nutgrund N1 der Nut 12 ist so groß gewählt, dass sich praktisch ein U-förmiger Nutquerschnitt ergibt.
Aus der Detaildarstellung U ist ersichtlich, dass der Querschnitt der Nut 10 im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist. Die Nut 10 weist also einen praktisch ebenen Nutgrund N2 auf und zwei praktisch senkrecht dazu verlaufende Nutflanken, die über einen kleineren Radius in den Nutgrund N2 übergehen als er bei der Nut 12 vorgesehen ist.
Die Seitenplatten 13, 14 sind mit einem verschleißfesten Werkstoff beschichtet, beispielsweise werden Wolfram-Disulfid- oder PVDbeschichtete Grundwerkstoffe aus Aluminium oder Stahl verwendet. Vorzugsweise bestehen die Seitenplatten 13, 14 aus einem derartigen verschleißfesten Werkstoff, beispielsweise aus WC/C, SiC, ALO₂. Besonders bevorzugt werden Mehrschichtwerkstoffe auf der Basis von St/CuPbSn-Legierungen, wobei die Härte des aufgebrachten Schichtwerkstoffs zwischen 55 und 100 HB und die Härte des Trägermaterials zwischen 100 und 145 HB ausgeführt ist. Auch verschleißfeste Grundwerkstoffe aus CuPbSn oder ähnliche Legierungen in einem Härtebereich zwischen 65 und 120 HB werden verwendet.
Die Dicke der Seitenplatten 13, 14 ist in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff so ausgeführt, dass über die horizontale und vertikale Mittelachse M1, M2 der Seitenplatte eine Durchbiegung durch die druckbeaufschlagten Flächenanteile vermieden wird. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde vorzugsweise eine Dicke der Seitenplatte zwischen 2,2 mm und 3,2 mm gewählt, wobei optimale Ergebnisse bei einer Plattenstärke von 2,4 mm mit einer mit Bronze beschichteten Seitenplatte aus Stahl (St/CuPbSn-Legierung) erzielt wurden.
Figur 6 zeigt in Draufsicht gesehen eine Seitenplatte 13 oder 14. Die Seitenplatten sind in Gehäusebohrungen untergebracht. Dabei ist vorgesehen, dass die Seitenplatten in dem Bereich, in dem sie mit Systemdruck beaufschlagt werden, nicht unmittelbar an der Wandung der Gehäusebohrungen anliegen, sondern dass ein radialer Spalt zwischen Außendurchmesser der Seitenplatten und dem Durchmesser der Gehäusebohrung verbleibt. Um eine definierte Orientierung der Seitenplatten 13, 14 im Gehäuse 13 zu gewährleisten, ist mindestens eine Auskragung 23 vorgesehen, die mit ihrer radial außen liegenden Außenfläche an der Wandung der Gehäusebohrung anliegt und deshalb einen ähnlichen Durchmesser aufweist wie die Gehäusebohrung. Damit wird also die radiale Lage der Seitenplatten in der Gehäusebohrung definiert.
Der radiale Spalt zwischen Seitenplatte und Gehäuse bewirkt, dass durch die Druckbelastung der Zahnradmaschine eine radiale Kraft auf die radial projizierte Fläche der Seitenplatte wirkt. Diese Kraft drückt die Seitenplatte dichtend gegen die der mit Hochdruck beaufschlagten gegenüberliegenden Oberflächen der Gehäusebohrung an, wodurch eine radiale, metallische Abdichtung der Seitenplatten 13, 14 am Gehäuse 13 entsteht. Die Außenkontur der Seitenplatten ist so gewählt, dass der sich der mit dem Gehäuse der Zahnradmaschine berührende Bereich der Seitenplatten sich über einen Winkel β erstreckt, der in einem Bereich von 100° bis 150° liegt, gemessen von den Mittelachsen der Zahnräder 4 beziehungsweise der Lageröffnungen L1, L2. Optimale Dichtverhältnisse werden bei Zahnradmaschinen erreicht, die als Pumpen ausgeführt sind und einen Winkelbereich von cirka 110° aufweisen.
Die Realisierung von Zahnradmaschinen mit vorgesetzten Seitenplatten 13, 14 und definierten Dichtfeldern in den Lagerstellen ist sowohl bei Zahnradmaschinen mit Einflankeneingriff der Zahnräder 4 als auch für Zahnradmaschinen mit Zweiflankeneingriff der Zahnräder 4 möglich.
Die Seitenplatten 13 und 14 zeichnen sich dadurch aus, dass für Zahnradmaschinen mit Einflankenkontakt der Zahnräder 4 und für Zahnradmaschinen mit Zweiflankenkontakt der Zahnräder 4 in die Flächen der Seitenplatten, die der Stirnseite der Zahnräder 4 zugewandt sind, in Figur 6 dargestellte Nuten 24 eingebracht sind. Diese bilden zusammen mit dem Wälzpunkt der Verzahnung einen Dichtpunkt zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite der Zahnradeinheit. Bei Zahnradmaschinen mit Zweiflankenkontakt sind diese Nuten 24 in der Seitenplatte 13, 14 so ausgebildet, dass die Wälzpunkte der miteinander kämmenden Zahnräder 4 von der Mittelachse der Seitenplatte der mit dem Zahnrad berührenden Oberfläche seitlich abfallend unter einem Winkel von der Mittelachse M2 zur Außenkontur der Seitenplatte 13, 14 hin vorzugsweise unter einem Winkel von 5° gegenüber der Seitenfläche der Seitenplatte verlaufen. Bei Einflankenkontakt können die Nuten 24 parallel zur Stirnfläche mit einem Abstand von mindestens 1 mm der zum Zahnrad hinweisenden Oberfläche ausgeführt werden. Dies bewirkt bei Zahnrädern mit Zweiflankenkontakt eine Dämpfung des eingeschlossenen Quetschölanteils im Zahneingriffsbereich und bei Zahnrädern mit Einflankeneingriff eine eindeutige Festlegung des Dichtpunkts zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereich in der Zahnradmaschine. Dies führt zu einer reduzierten Schwingungsanregung sowohl bei Zweiflankenals auch bei Einflankeneingriff der Verzahnung, was zu einer verminderten Geräuschabstrahlung der Zahnradmaschine beiträgt.
In Figur 6 wird deutlich, dass links der Mittelachse M1 die beiden Nuten 241 und 241' einen größeren Abstand zur Mittelachse M2 aufweisen als die rechts der Mittelachse M1 gelegenen Nuten 24r und 24r'. Außerdem wird deutlich, dass die Längen der Nuten links und rechts der Mittelachse unterschiedlich sind, wobei die Nuten 241 und 24l' nicht so nahe an die Mittelachse M1 reichen wie die Nuten 24r und 24r' rechts der Mittelachse M1.
Die hydraulisch aktiven Eingriffslinien, welche durch die auf einer Verbindungslinie der Wälzpunkte der miteinander kämmenden Zahnräder 4 und den Nuten 24 in den den Zahnrädern 4 zugewandten Fläche der Seitenplatte 13, 14 gebildet werden, sind also bei Ein - und Zweiflankeneingriff der Verzahnung so ausgebildet, dass die mit Hochdruck beaufschlagte Nuten 24r, 24r' gegenüber der mit Niederdruck beaufschlagte Nuten 241, 24l' der Seitenplatte 13, 14 in einem Bereich zwischen 40 % und 60 % zur Mittelachse M1 unsymmetrisch zur Niederdruckseite hin verschoben wird. Dabei liegt rechts der Mittelachse M1 der Hochdruckbereich und links der Mittelachse M1 der Niederdruckbereich.
Bei einer Verschiebung der Steuergeometrie um 50 % von der Hochdruck- zur Niederdruckseite, also bei zur Mittelachse M1 symmetrischer Ausführung der Nuten in der den Zahnrädern 4 zugewandten Seitenfläche der Seitenplatte 13, 14 werden bezüglich der Quetschölpulsation optimale Ergebnisse erzielt.
Ist die Zahnradmaschine als Zahnradmotor ausgeführt, ist die Vorsteuergeometrie zur Mittelachse M1 symmetrisch zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite auszuführen.
Durch die verschieden großen Druckfelder auf den beiden Seiten der Lagerkörper 11 und 16 werden bei Beaufschlagung mit Systemdruck unterschiedlich große hydraulische Kräfte aufgebaut. Dadurch werden die Lagerkörper 11, 16 gegen die als Deckel wirkenden Gehäuseteile 2, 5 des Gehäuses 3 angepresst, wobei zwischen den Lagerkörpern und den Seitenplatten 13, 14 ein Dichtspalt entsteht. Dieser muss durch geeignete Dichtelemente, die vorzugsweise einen Dichtkörper aus Gummi und ein Stützelement aus Polyamid aufweisen, begrenzt werden, um mögliche Spaltextrusion der Dichtelemente zu verhindern.
Alternativ können zur Vermeidung von Spaltelextrusion auch Dichtelemente aus Polyurethan eingesetzt werden. Der sich zwischen Lagerkörper 11, 16 und Seitenplatten 13, 14 ausbildende Dichtspalt, der die Druckfelder begrenzt, drückt die Seitenplatten entsprechend der Systemdruckbeaufschlagung gegen die Stirnseiten der Zahnräder 4. Durch die Anordnung der Seitenplatten 13, 14 und der Lagerkörper 11, 16 wird ein axialer Ausgleich für die axiale und radiale Spaltkompensation zwischen den sich axial bewegenden und gegenüberliegenden Flächen auf der Zahnradstirnseite und der vorgesetzten Seitenplatten ermöglicht. Dies wird als gelenkiger Ausgleich bezeichnet. Die Nuten 10, 12 zur Aufnahme der Dichtelemente können, wie beschrieben, in den Lagerkörpern angeordnet sein, oder aber auch alternativ in den Seitenplatten und in den den Lagerkörpern zugewandten Seitenflächen der Gehäuseteile 2, 5.
Figur 7 zeigt ein Dichtelement 25, das in die Nut 12 einlegbar ist.
Figur 8 zeigt ein Dichtelement 27, das in die Nut 10 des Lagerkörpers 11, 16 einlegbar ist.
Die in axialer Richtung dichtenden Dichtelemente 25, 27, die beidseitig in die Nuten 12, 10 der Lagerkörper 11, 16 eingelegt werden, sind so ausgebildet, dass sie entweder aus einteiligen elastischen Polyurethan-Dichtelementen bestehen, oder zweiteiligen, bei denen ein Element aus Perbutan die dichtende Wirkung und ein Element aus glasfaserverstärktem Polyamid die abstützende Funktion übernimmt. Die verwendeten Dichtwerkstoffe sind dabei jeweils auf das im System verwendete Fluid abgestimmt. Es können auch andere Werkstoffe zum Einsatz kommen. Die Dichtelemente 25 und 27 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie im Dichtbereich zwischen Hochdruck- und Niederdruckfeld eine erhöhte Festigkeit gegen Spaltextrusion oder Spaltverschleiß aufweisen.
Vorzugsweise sind die Enden des zwischen Lagerkörper und Seitenplatten liegenden Dichtelements 25 L-förmig ausgebildet und gegebenenfalls verdickt. Mit den L-förmigen Enden 29 wird das Dichtelement 25 sicher verankert. Es greift in entsprechende Ausnehmungen 31 der Nut 12, die in Figur 3 dargestellt sind.
Es können auch abschnittsweise Querschnittsverdickungen vorgesehen werden, die ebenfalls im Dichtbereich zwischen Hochdruck - und Niederdruckfeld eine erhöhte Festigkeit gegen Spaltextrusion oder Spaltverschleiß bieten.
Auch bei den Dichtelementen 27, die zwischen den Lagerkörpern 11, 16 und den Gehäuseteilen 2, 5 angeordnet sind, können partielle Verdickungen 33 vorgesehen werden, um elastische Teilbereiche mit entsprechender Vorspannung auszubilden, durch die das jeweilige Dichtelement in der zugehörigen Nut 10 gehalten wird. Derartige Verdickungen können auch an den Enden der Dichtungen 27 vorgesehen werden.
Die Zahnradmaschine der hier beschriebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Realisierung des gelenkigen Verbundes aus vorgesetzter Seitenplatte und Lagerkörper die Reaktionskräfte, die durch Druckbelastung der Zahnradmaschine in den Lagerkörpern aufgenommen werden und gegen das Gehäuse 3 abgestützt werden, über die Lagerkörper aufgebracht werden. Die axiale Kompensation, die eine ebenflächige Anlage der Seitenplatten 13, 14 an den Stirnseiten der Zahnräder 4 und somit einen optimierten Spaltausgleich bewirkt, erfolgt frei von Lagerlastkräften der Zahnradmaschine über die Seitenplatten 13, 14.
Nach allem wird deutlich, dass der volumetrische Wirkungsgrad der Zahnradmaschine durch die Möglichkeit der axialen Relativbewegung zwischen den Seitenplatten und den Lagerkörpern, also durch den gelenkigen Verbund aus Lagerkörper und Seitenplatten, optimiert werden kann. Die gilt für Zahnradmaschinen für eine oder zwei Drehrichtungen.

Claims

Zahnradmaschine, Zahnradpumpe oder -motor, mit mindestens zwei Zahnrädern, zwei an den Zahnrädern anliegenden Seitenplatten und an diesen anliegenden Lagerkörpern, wobei auf den den Seitenplatten zugewandten und abgewandten Seitenflächen der Lagerkörper unterschiedlich gestaltete Dichtfelder vorgesehen sind, die durch Nuten definiert werden, wobei die Dichtfelder der Nuten (10,12) unterschiedliche Formen aufweisen und wobei die Zahnradmaschine für eine oder zwei Drehrichtungen ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der größere Durchmesser der Dichtnut auf der den Zahnrädern (4) abgewandten Seitenfläche der Lagerkörper (11,16) angeordnet ist.
Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der auf den gegenüberliegenden Seitenflächen der Lagerkörper (11,16) vorgesehenen Nuten (10,12) unterscheidet.
Zahnradmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus den beiden Lagerkörpern und Seitenplatten (11,13;14,16) in axialer Richtung gesehen von der Zahnmitte aus gesehen spiegelbildlich angeordnet ist.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfelder auf beiden Seiten eines Lagerblocks in einem Flächenverhältnis zwischen 1,5 und 2, vorzugsweise in einem Flächenverhältnis von 1,8 zueinander ausgebildet sind.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulisch aktiven Dichtfelder auf beiden Seiten der Lagerkörper (11,16) in den mit Hochdruck beaufschlagten Kreisringsegmenten zueinander konzentrisch sind.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trennebene zwischen Lagerkörper (11,16) und Seitenplatte (13,14) definierte Druckzuführnuten (19,20,21) vorgesehen sind, die mit Systemdruck beaufschlagbar sind.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenplatten (13,14) aus verschleißfestem Werkstoff bestehen, wobei die Härte des aufgebrachten Schichtwerkstoffs zwischen 55 und 100 HB und die Härte des Trägermaterials zwischen 100 und 145 HB liegt.
Zahnradmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenplatten aus einem Mehrschichtwerkstoff bestehen.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Seitenplatten (13,14) und dem Gehäuse (3) zumindest bereichsweise ein radialer Spalt vorgesehen ist.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfelder sowohl für Einflankeneingriff als auch für Zweiflankeneingriff der Zahnräder (4) definierbar sind.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Seitenfläche der Seitenplatten (13,14), die den Zahnrädern (4) zugewandt ist, Nuten (24) einbringbar sind, die zusammen mit dem Wälzpunkt der Verzahnung einen Dichtpunkt zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite der Zahnradeinheit bilden.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten bei Zahnradmaschinen mit Zweiflankeneingriff zu der die Zahnräder (4) berührenden Oberfläche unter einem Winkel zur Mittelachse (M1) zur Außenkontur der Seitenplatte hin vorzugsweise um 5° abfallen.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zahnradmaschinen mit Einflankenkontakt die Nuten parallel zur Stirnfläche verlaufen.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (24) unsymmetrisch in der den Zahnrädern (4) zugewandten Fläche der Seitenplatte angeordnet sind, und dass die mit Hochdruck beaufschlagten Nuten (24r,24r') näher an die Mittelachse (M1) heranreichen als die mit Niederdruck beaufschlagten Nuten (241,241').
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten symmetrisch in der den Zahnrädern (4) zugewandten Fläche der Seitenplatte angeordnet sind.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dichtspalt zwischen Lagerkörper (11,16) und Seitenplatte (13,14) jeweils ein Dichtelement (25) angeordnet ist und/oder dass in dem Dichtspalt zwischen Lagerkörper und Gehäuseteil (2,5) des Gehäuses (3) jeweils ein Dichtelement (27) angeordnet ist.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente (25,27) aus einteiligen elastischen Dichtelementen oder aus zweiteiligen Elementen bestehen, wobei eines eine abstützende und eines eine dichtende Funktion übernimmt.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den gelenkigen Verbund zwischen Seitenplatte (13,14) und Lagerkörper (11,16) die Reaktionskräfte, die durch Druckbelastung der Zahnradmaschine in den Lagerkörpern aufgenommen und gegen das Gehäuse (3) abgestützt werden, über die Lagerkörper aufgefangen werden.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Dichtelements (25) Verdickungen, vorzugsweise L-förmige Verdickungen aufweisen.
Zahnradmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (27) partielle Verdickungen in dessen Verlauf und/oder an den Enden aufweist.