EP2795128A2 - Innenzahnradpumpe - Google Patents

Innenzahnradpumpe

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Publication number
EP2795128A2
EP2795128A2 EP12813855.9A EP12813855A EP2795128A2 EP 2795128 A2 EP2795128 A2 EP 2795128A2 EP 12813855 A EP12813855 A EP 12813855A EP 2795128 A2 EP2795128 A2 EP 2795128A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
teeth
gear
internal gear
internal
angle range
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.)
Withdrawn
Application number
EP12813855.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Fuchs
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2795128A2 publication Critical patent/EP2795128A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
    • F04C2/084—Toothed wheels
    • 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
    • F04C2/102—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 the two members rotating simultaneously around their respective axes
    • 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
    • F04C11/00—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations
    • F04C11/005—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations of dissimilar working principle
    • 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
    • F04C2230/00—Manufacture
    • F04C2230/60—Assembly methods
    • F04C2230/602—Gap; Clearance
    • 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
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/17—Tolerance; Play; Gap

Definitions

  • the present invention relates to an internal gear pump according to the
  • Internal gear pumps or gerotor pumps have an internal gear and an external gear.
  • the teeth of the inner and outer gears engage with each other and forms between the inner and outer gear
  • the working space is subdivided into an inflow work space and into an outflow work space.
  • the Zuströmarbeitsraum thus represents a suction side and Abströmarbeitsraum a pressure side of the internal gear pump.
  • an inflow channel opens and in the
  • the teeth of the external gear in a section perpendicular to a rotation axis of the external gear are given as circle segments and depending on the geometry of the teeth of the external gear, the teeth of the internal gear are constructed.
  • Gear pump with a plurality of closed conveyor cells known whose volume changes during a revolution from a minimum to a maximum value and back.
  • the pump is used in particular for fuel delivery of an internal combustion engine.
  • suction and pressure channels With axially entering the conveyor cells suction and pressure channels whose mouth cross sections for a promotion without internal Compaction are designed, however, such is achieved by applied against axial surfaces of the pump parts, non-return valves forming fixed thrust washers.
  • control means Assigned hydraulic circuit, and whose common flow is variable by a control means, wherein the control means is arranged in a housing part of the displacement machine.
  • DE 299 13 367 111 shows an internal gear pump with at least one internally toothed ring gear and a meshing, externally toothed impeller, with or without sickle, and with an electric drive, which is formed by the fact that the internal gear of a rotor of a brushless electric motor and a stator is arranged adjacent to the rotor, wherein the rotor containing the ring gear on the outside of a bearing or a
  • Sliding bearing is rotatably supported, wherein the stator is shielded and sealed relative to the rotor and the interior of the pump characterized in that the located between the stator and rotor bearings or bearings for liquid impermeable and is sealed at its two end faces each with a cover.
  • Internal gear pump in particular for a motor vehicle, for conveying a fluid, comprising an internal gear wheel with a
  • Internal gear and the teeth of the external gear each have a drive edge and the drive edge opposite free edge and the drive edges of the inner and outer gears lie on each other
  • the geometry of the flanks of the inner and / or outer gear is formed so that the teeth of the inner and outer gear a clearance or a game to the
  • the teeth of the internal gear and the teeth of the external gear on a tooth head and the geometry of the tooth tips of the inner and / or outer gear are designed such that the tooth tips of the teeth of the internal gear no contact with the teeth, in particular the tooth tips and the free flanks of the teeth,
  • Outer gear have no contact with the teeth, in particular the tooth tips and the free edges of the teeth of the internal gear on. In this way, essentially no pressure biases and frictional forces occur at the tooth tips, in particular at the head end.
  • External gear the last 30%, 20% or 10% of the radial extent of the teeth of the inner and outer gear toward a rotational axis of the respective gear, and preferably the drive flanks and / or the free edges outside the tooth tips of the teeth of the inner and
  • the distance or clearance between the teeth of the inner and outer gear at the head end and / or at the free flanks of the teeth of the inner and outer gear at least 5 ⁇ , 10 ⁇ , 20 ⁇ , 40 ⁇ or 60 ⁇ and / or less than 200, 150, 100 or 80 ⁇ amounts and / or between 10 ⁇ and 150 ⁇ , in particular between 20 ⁇ and 100 ⁇ .
  • a clearance or clearance of this magnitude is required to compensate for manufacturing inaccuracies and thermal deformations.
  • the geometry of the drive flanks of the inner and / or outer gear is designed such that at least three, four or five teeth of the inner and outer gear lie on each other. As a result, leakages do not occur in a large area of the inflow or outflow working space.
  • the internal gear pump is a gerotor pump.
  • the internal gear pump comprises a
  • Electric motor with a stator and a rotor and the driven gear is formed by the rotor.
  • the driven gear is formed by the rotor.
  • the driven gear is formed by the driven gear
  • Permanent magnets of the rotor installed or integrated.
  • stator is concentric with the rotor.
  • the external or internal gear is formed by the rotor.
  • permanent magnets of the rotor are installed or integrated in the external or internal gear.
  • the inflow channel only partially opens into an inflow work space with an increasing volume and the outflow channel opens into an outflow working space with one
  • the inflow angle range is equal to or greater than the pressure angle range and the outflow angle range is greater than 180 ° such that there is no contact point at a seal angle range and preferably all contact points are present at the inflow angle range or the inflow angle range is less than the pressure angle range and the outflow angle range is greater than 180 °, so that at the
  • Sealing angle range one contact point available. If no contact point exists at the sealing angle range between the inflow angle range and the outflow angle range, a slight leakage occurs between the inflow and outflow channel due to the small clearance or the small distance. At this time, the clearance or the distance from the last contact point toward the headend on the teeth increases toward the headend. is
  • the first tooth after the last tooth in the direction of the head end on the sealing angle range available occurs due to the low clearance or the small distance only a small leakage. If there is a contact point at the sealing angle range, essentially no leakage occurs between the inflow and outflow channel, because an essentially complete sealing is ensured at the contact point due to the contact.
  • the outflow channel only partially opens into a Abströmarbeitsraum with a decreasing volume and the inflow channel opens into an inflow workspace with a
  • the outflow angle range is equal to or greater than the pressure angle range and the inflow angle range is greater than 180 °, so that no contact point is present at a sealing angle range and preferably all contact points are present at the outflow angle range or the outflow angle range is smaller than the pressure angle range and the inflow angle range is greater than 180 °, so that on the
  • the pressure angle range starts at a driven inner gear in the direction of the Kämmstelle and a driven outer gear opposite to the direction at the Kämmstelle.
  • the tooth expediently has only one contact point at the combing point.
  • the inflow angle range and the outflow angle range start in the opposite direction at the combing point and preferably the inflow angle range at the end of the inflow duct and the outflow angle range preferably ends at the end of the inflow duct or, deviating from this, the inflow angle range is present only at the inflow duct and the outflow angle range is only on the outflow channel available.
  • Inventive high-pressure injection system for an internal combustion engine in particular for a motor vehicle, comprising a high-pressure pump, a high-pressure rail, a, preferably electric, feed pump for conveying a fuel from a fuel tank to the high-pressure pump, wherein the prefeed pump as described in this patent application
  • Pre-feed pump is formed.
  • the internal gear and the external gear are mounted eccentrically to each other.
  • the pump with, preferably integrated, electric motor comprises a, preferably electronic, control unit for controlling the energization of the electromagnets and / or the electric motor of the pump is an electronically commutated electric motor.
  • Suitably consists of the housing of the prefeed pump and / or the housing of the high-pressure pump and / or the inner and / or outer gear at least partially, in particular completely, made of metal, for. As steel or aluminum.
  • the pressure angle range preferably corresponds to the extent of the inflow or outflow channel.
  • the delivery rate of the electrical feed pump can be controlled and / or regulated.
  • FIG. 1 is a highly schematic view of a high-pressure injection system
  • FIG. 2 is a perspective view of an internal gear pump without housing and a stator
  • FIG. 3 is an exploded view of the internal gear pump of FIG. 2,
  • FIG. 4 is a cross section of the internal gear pump according to FIG. 2 in which permanent magnets are integrated into the internal gear, FIG.
  • FIG. 5 shows a cross-section of the internal gear pump according to FIG. 2 in which permanent magnets are integrated in the internal gear, wherein the inflow and outflow channels are designed differently
  • FIG. Fig. 6 is a detail view of a head end of the internal gear pump
  • a pump assembly 1 of a high-pressure injection system 2 is shown for a motor vehicle, not shown.
  • An electric prefeed pump 3 conveys fuel from a fuel tank 41 through a fuel line 35. Subsequently, the fuel is conveyed from the electric prefeed pump 3 to a high-pressure pump 7.
  • the high pressure pump 7 is of a
  • Internal combustion engine 39 driven by a drive shaft 44.
  • the electric prefeed pump 3 has an electric motor 4 and a pump 5 (FIGS. 2 and 3).
  • the electric motor 4 of the pump 5 is integrated into the pump 5 and further, the electric prefeed pump 3 at the
  • High pressure pump 7 arranged directly (not shown).
  • High-pressure pump 7 delivers fuel under high pressure, for example, a pressure of 1000, 3000 or 4000 bar, through a high pressure fuel line 36 to a high pressure rail 42. From the high pressure rail 42 of the fuel under high pressure from an injector 43 a not shown
  • Combustion chamber of the internal combustion engine 39 is supplied.
  • the fuel not required for the combustion is returned to the fuel tank 41 by means of a return fuel line 37.
  • An inflow channel 28 (FIGS. 3 and 4) of the electric prefeed pump 3 sucks fuel through a fuel line 35 from a fuel tank 41, and the fuel is supplied through the fuel line 35 to the high-pressure pump 7 through an outflow channel 29.
  • Pre-feed pump 3 a fuel filter 38 is installed.
  • the fuel line 35 can be formed inexpensively from the fuel tank 41 to the electric prefeed pump 3, since it does not have to withstand excess pressure.
  • the electric motor 4 (FIGS. 3 and 4) of the electric prefeed pump 3 is operated with three-phase current or alternating current and can be controlled and / or regulated in power.
  • the three-phase current or alternating current for the electric motor 4 is from a power electronics, not shown, from a DC voltage network of a vehicle electrical system of a motor vehicle 40 for Provided.
  • the electric prefeed pump 3 is thus an electronically pumped prefeed pump 3rd
  • the electric prefeed pump 3 has a housing 8 with a housing pot 10 and a housing cover 9 (FIG. 3). Within the housing 8 of the prefeed pump 3, the pump 5 as internal gear 6 and
  • the housing pot 10 is provided with a recess 54.
  • the electric motor 4 has a stator 13 with windings 14 as electromagnets 15 and a soft iron core 45 as a soft magnetic core 32, which is formed as a laminated core 33.
  • the pump 5 is positioned as an internal gear pump 6 with an internal gear 22 with an internal gear ring 23 and an external gear 24 with an external gear ring 25.
  • the inner and outer gear 22, 24 thus represents a gear 20 and an impeller 18 and the inner and
  • External teeth ring 23, 25 have teeth 21 as conveying elements 19. Between the inner and outer gear 22, 24, a working space 47 is formed. In the external gear 24 permanent magnets 17 are installed, so that the
  • Electric motor 4 is thus integrated into the pump 5 and vice versa.
  • Electromagnets 15 of the stator 13 are alternately energized, so that due to the resulting magnetic field to the electromagnet 15, the rotor 16 and the external gear 24 is set in a rotational movement about a rotation axis 27 and 27 b.
  • the housing cover 9 serves as a bearing 1 1 or thrust bearing 1 1 or plain bearing 1 1 for the inner or outer gear 22, 24. Furthermore, in the housing cover 9 of the inflow channel 28 and the outflow channel 29 are incorporated. Through inflow channel 28, the fluid to be pumped, namely fuel, flows into the prefeed pump 3 and from the outflow channel 29, the fuel flows out of the
  • Housing cover 10 each have three holes 46, in which not shown screws for screwing the housing pot 9 and the
  • Housing cover 10 are positioned, with a seal, not shown, the housing pot 9 and the housing cover 10 are fluid-tight to each other.
  • the internal gear pump 6 or the gerotor pump 26 has a
  • the working space 47 is in one
  • Zuströmarbeitsraum 30 as a suction side and a Abströmarbeitsraum 31 as a pressure side divided (Fig. 4).
  • the working space 47 increases and at the outflow working space 31 the size decreases
  • Internal gear 22 installed or integrated and the internal gear 22 forms the rotor 16 of the electric motor 4.
  • the internal and external gear 22, 24 is driven in a rotational direction 34.
  • the inner and outer gears 22, 24 are mounted eccentrically to one another with an eccentricity e.
  • the internal gear 22 performs a rotational movement about the rotation axis 27a and the external gear 24 performs a rotational movement about the
  • Rotation axis 27 b and the two axes of rotation 27 a and 27 b have the distance e.
  • the external gear 24 has at the outermost inner point of a tooth tip 50 the radius R az and between the teeth 21 at the lowest point the radius R on .
  • the difference between R az and R am thus corresponds to the radial extent of the teeth 21 of the external gear 24.
  • the tooth tip 50 is separated from the outer tooth 21 by a horizontal dashed line.
  • the tooth head 50 on the teeth 21 of the external gear 24 thus occupies approximately the last 30% of the radial extent of the teeth 21 in the direction of the axis of rotation 27 b of the external gear 24 a.
  • the teeth 21 of the internal gear 22 at the outermost point of the tooth head 50 on the radius R iz and between the teeth 21 at the lowest point the radius R in .
  • Fig. 4 is a section perpendicular to the axes of rotation 27 a, 27 b shown.
  • the teeth 21 of the external gear 24 are on the outside formed as circle segments with a circle with the center M and the radius S (Fig. 5).
  • K is the distance from M to the axis of rotation 27b of the external gear 24.
  • the geometry of the teeth 21 of the internal gear 22 is dependent on the geometry of the teeth 21 of the external gear 24 constructed as cycloids according to the diploma or master thesis on the topic "Modeling and study of a new pump concept for braking systems" by Boris Mathieu from 14.02.2005 to 12.08.2005 at the isme superieur des sciences et technologies de l ' engineer de Nancy 2, Rue Jean Lamour, 54519 Vandoeuvre les Nancy Cedex in
  • Outer gear 24 thus actually have only the radius S, which is shown in Fig. 5 by a solid line.
  • the notional radius S f and a transitional region 53 are shown by a dotted line.
  • the notional radius S f on the teeth 21 of the external gear 24 occurs outside the drive flanks 51 of the teeth 21 of the external gear 24 and in a continuous transition region 53 the fictitious radius S f is adapted to the radius S.
  • the fictitious radius S f is present.
  • the radius S is present.
  • the geometry of the teeth 21 of the internal gear 22 is constructed or calculated on the drive flanks 51 as a function of the radius S, and on the free flanks 52 and the tooth heads 50 as a function of the fictitious radius S f .
  • the transition region 53 also occurs on the teeth 21 of the
  • the solid line on the driving flank 51 was constructed depending on the actual radius S and the solid line on the tooth tip 50 and the
  • Free flank 52 was constructed as a function of the notional radius S f .
  • the dotted line on the tooth head 50 and on the free flank 52 of the tooth 21 of the internal gear 22 have been constructed as a function of the actual radius S.
  • the transition region 53 thus occurs on the internal gear 22 at the solid actual line.
  • FIG. 5 there is a play or a clearance between the tooth 21 of the internal gear 22 and the tooth 21 of the external gear 24, which is not shown in FIG. 4.
  • Only at the drive edges 51 is at three contact points 40, a contact between the teeth 21 of the inner and External gear 22, 24 to transmit a torque from the internal gear 22 to the external gear 24, because the geometry of the teeth 21 of the
  • Internal gear 22 on the external gear 24 Appropriately corresponds to the pressure angle range of the extension of the inflow channel 28 (not shown).
  • the inflow channel 28 is present at an inflow channel angle range a z , and the inflow channel angle range a z starts counter to
  • Contact points 40 also starts counterclockwise at the combing point 49 and ends at the last of the three contact points 40, so that the pressure angle range ⁇ ⁇ is approximately 70 °.
  • the outflow channel 29 is present at a Abströmkanalwinkel Scheme a A and the Abströmkanalwinkel Scheme a A begins clockwise at the Kämmstelle 49, so that the
  • Abströmkanalwinkel Scheme a A has an angle of about 170 °.
  • Sealing angle range a D is in the region of the head end 48 between the
  • the inflow channel 28 is formed only in the region of the contact points 40 and there are four contact points 40, of which a contact point 40 is present outside of the inflow channel 28 at the sealing angle area a D and in addition, the outflow channel 29 not only with the work space or work spaces one yourself

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Abstract

Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Fluides, umfassend ein Innenzahnrad (22) mit einem Innenzahnring, ein Außenzahnrad (24) mit einem Außenzahnring, wobei die Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) ineinander greifen und das Innenzahnrad (22) oder das Außenzahnrad (24) angetrieben ist, einen zwischen dem Innenzahnrad (22) und dem Außenzahnrad (24) ausgebildeten Arbeitsraum (47), der in einen Zuströmarbeitsraum (30) und in einen Abströmarbeitsraum (31) unterteilt ist, einen in den Zuströmarbeitsraum (30) mündenden Zuströmkanal (28) zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum (30) und einen in den Abströmarbeitsraum (31) mündenden Abströmkanal (29) zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum (31), die Zähne (21) des Innenzahnrades (22) und die Zähne (21) des Außenzahnrades (24) jeweils eine Antriebsflanke (51) und eine der Antriebsflanke (51) gegenüberliegende Freiflanke (52) aufweisen und die Antriebsflanken (51) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen zur Übertragung eines Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad (22, 24) auf das nicht angetriebene Zahnrad (22, 24), wobei die Geometrie der Antriebsflanken (51) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass wenigstens zwei Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen und an der Kopfstelle (48) ein Abstand oder ein Spiel zwischen den Zähnen (21) des Innenzahnrades (22) und den Zähnen (21) des Außenzahnrades (24) besteht.

Description

Beschreibung Titel
Innenzahnradpumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Hochdruckeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Innenzahnradpumpen oder Gerotorpumpen weisen ein Innenzahnrad und ein Außenzahnrad auf. Die Zähne des Innen- und Außenzahnrades greifen ineinander und zwischen dem Innen- und Außenzahnrad bildet sich ein
Arbeitsraum aus. Dabei ist der Arbeitsraum in einen Zuströmarbeitsraum und in einen Abströmarbeitsraum unterteilt. Der Zuströmarbeitsraum stellt damit eine Saugseite und der Abströmarbeitsraum eine Druckseite der Innenzahnradpumpe dar. In den Zuströmarbeitsraum mündet ein Zuströmkanal und in den
Abströmarbeitsraum mündet ein Abströmkanal. Dabei ist ein Zahnrad
angetrieben und an einem Kontaktpunkt eines Zahnes des Innen- und
Außenzahnrades wird von dem angetriebenen Zahnrad auf das nicht
angetriebene Zahnrad ein Drehmoment übertragen. An diesem Kontaktpunkt liegen Antriebsflanken der beiden in Kontakt stehenden Zähne aufeinander.
Gegenüberliegend einer Kämmstelle ist eine Kopfstelle zwischen dem Innen- und Außenzahnrad vorhanden. An der Kopfstelle wird kein Drehmoment von dem Außenzahnrad auf das Innenzahnrad übertragen und es kommt hier zu
Leckageverlusten zwischen dem Zuströmarbeitsraum und dem
Abströmarbeitsraum, d. h. das unter Druck stehende Fluid strömt von dem Abströmarbeitsraum in den Zuströmarbeitsraum. Zum Ausgleich von
Fertigungsungenauigkeiten und von thermischen Verformungen ist an der Kopfstelle ein Spiel zwischen dem Innen- und Außenzahnrad vorhanden und es tritt dadurch Leckage auf.
Ferner ist es bekannt, gemäß dem sogenannten„Eckerle-Prinzip", die Zähne des Innen- und Außenzahnrades im Bereich der Kopfstelle unter eine
Druckvorspannung zu setzen. Dadurch können zwar Leckageverluste an der Kopfstelle vermieden oder diese können verringert werden, jedoch kommt es zu einem größeren Verschleiß an den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades und es steigen die mechanischen Reibungsverluste an der Kopfstelle stark an, was wiederum den Wirkungsgrad der Innenzahnradpumpe reduziert bzw.
Energieverluste erhöht.
Dabei ist es theoretisch aufgrund mathematischer Berechnungen möglich, das Innen- und Außenzahnrad dahingehend zu konstruieren, dass sämtliche Zähne des Innenzahnrades mit sämtlichen Zähnen des Außenzahnrades in Kontakt stehen, so dass es zu keiner Leckage kommen würde. Dabei werden
beispielsweise die Zähne des Außenzahnrades in einem Schnitt senkrecht zu einer Rotationsachse des Außenzahnrades als Kreissegmente vorgegeben und in Abhängigkeit von der Geometrie der Zähne des Außenzahnrades werden die Zähne des Innenzahnrades konstruiert. Dies ist beispielsweise in der Diplombzw. Masterarbeit zu dem Thema„Modeling and study of a new pump concept for braking Systems" von Boris Mathieu vom 14.02.2005 bis 12.08.2005 an der Ecole superieur des sciences et technologies de l'ingenieur de Nancy 2, Rue Jean Lamour, 54519 Vandoeuvre les Nancy Cedex in Frankreich beschrieben. Derartige Zahnradpumpen können jedoch in Praxis nicht gebaut werden, weil aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten und thermischen Verformungen eine Montage nicht möglich wäre und außerdem im Betrieb sehr große
Druckvorspannungen und Reibungsverluste zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades auftreten würden.
Aus der DE 36 24 532 C2 ist eine Flügelzellen- oder innenachsige
Zahnradpumpe mit mehreren abgeschlossenen Förderzellen bekannt, deren Volumen sich während eines Umlaufs von einem Minimal- auf einen Maximalwert und zurück ändert. Die Pumpe wird insbesondere zur Brennstoffförderung einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Mit axial in die Förderzellen eintretenden Saug- und Druckkanälen, deren Mündungsquerschnitte für eine Förderung ohne innere Verdichtung ausgelegt sind, eine solche jedoch durch gegen axiale Flächen der Pumpenteile angelegte, Rückschlagventile bildende feststehende Anlaufscheiben erreicht ist.
Aus der DE 34 06 349 A1 ist eine Verdrängermaschine mit mindestens zwei Zahnradmaschinen bekannt, denen ein eigener oder gemeinsamer
Hydraulikkreis zugeordnet ist, und deren gemeinsamer Förderstrom durch ein Steuermittel veränderbar ist, wobei das Steuermittel in einem Gehäuseteil der Verdrängermaschine angeordnet ist.
Die DE 299 13 367 111 zeigt eine Innenzahnradpumpe mit wenigstens einem innenverzahnten Hohlrad und einem damit kämmenden, außen verzahnten Laufrad, mit oder ohne Sichel, und mit einem elektrischen Antrieb, der dadurch gebildet ist, dass das Hohlrad das Innere eines Rotors eines bürstenlosen Elektromotors und dem Rotor benachbart ein Stator angeordnet ist, wobei der das Hohlrad enthaltende Rotor außenseitig von einem Lager oder einem
Gleitlager drehbar gehalten ist, wobei der Stator gegenüber dem Rotor und gegenüber dem Inneren der Pumpe dadurch abgeschirmt und abgedichtet ist, dass das zwischen Stator und Rotor befindliche Lager oder Gleitlager für Flüssigkeit undurchlässig und an seinen beiden Stirnseiten jeweils mit einem Abschlussdeckel dicht verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Innenzahnradpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Fördern eines Fluides, umfassend ein Innenzahnrad mit einem
Innenzahnring, ein Außenzahnrad mit einem Außenzahnring, wobei die Zähne des Innen- und Außenzahnrades ineinander greifen und das Innenzahnrad oder das Außenzahnrad angetrieben ist, einen zwischen dem Innenzahnrad und dem Außenzahnrad ausgebildeten Arbeitsraum, der in einen Zuströmarbeitsraum und in einen Abströmarbeitsraum unterteilt ist, einen in den Zuströmarbeitsraum mündenden Zuströmkanal zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum und einen in den Abströmarbeitsraum mündenden
Abströmkanal zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum, wobei vorzugsweise der Zuströmarbeitsraum und der Abströmarbeitsraum an einer Kopfstelle und an einer Kämmstelle zwischen dem Innen- und Außenzahnrad voneinander getrennt sind, die Zähne des
Innenzahnrades und die Zähne des Außenzahnrades jeweils eine Antriebsflanke und eine der Antriebsflanke gegenüberliegende Freiflanke aufweisen und die Antriebsflanken des Innen- und Außenzahnrades aufeinander liegen zur
Übertragung eines Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad auf das nicht angetriebene Zahnrad, wobei die Geometrie der Antriebsflanken des Innen- und/oder Außenzahnrades dahingehend ausgebildet sind, dass wenigstens zwei Zähne des Innen- und Außenzahnrades aufeinander liegen und an der Kopfstelle ein Abstand oder ein Spiel zwischen den Zähnen des Innenzahnrades und den Zähnen des Außenzahnrades besteht. In vorteilhafter Weise tritt damit an mehreren Zähnen des Innen- und Außenzahnrades ein Kontakt auf, so dass dadurch einerseits in diesem Bereich des Zuström- oder Abströmarbeitsraumes bei dem die Zähne an den Antriebsflanken aufeinander liegen bzw. Kontakt haben keine Leckagen auftreten und andererseits ist an der Kopfstelle und in der Nähe der Kopfstelle zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades ein Spiel oder ein Abstand vorhanden, so dass dadurch eine Montage des Innen- und Außenzahnrades möglich ist und keine oder nur sehr geringe
Druckvorspannungen und Reibungsverluste zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades auftreten
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Geometrie der Freiflanken des Innen- und/oder Außenzahnrades dahingehend ausgebildet sind, dass die Zähne des Innen- und Außenzahnrades einen Abstand oder ein Spiel an den
Freiflanken aufweisen. Dadurch treten in vorteilhafter Weise an den Freiflanken im Wesentlichen keine Reibungskräfte oder Druckvorspannungen auf und an den Antriebsflanken sind die auftretenden Druckvorspannungen sehr gering und die Druckvorspannungen entsprechen im Wesentlichen nur der erforderlichen Druckkraft zur Übertragung des Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad auf das nicht angetriebene Zahnrad.
In einer weiteren Variante weisen die Zähne des Innenzahnrades und die Zähne des Außenzahnrades einen Zahnkopf auf und die Geometrie der Zahnköpfe des Innen- und/oder Außenzahnrades sind dahingehend ausgebildet, dass die Zahnköpfe der Zähne des Innenzahnrades keinen Kontakt zu den Zähnen, insbesondere den Zahnköpfen und den Freiflanken der Zähne, des
Außenzahnrades aufweisen und/oder die Zahnköpfe der Zähne des
Außenzahnrades weisen keinen Kontakt zu den Zähnen, insbesondere den Zahnköpfen und den Freiflanken der Zähne, des Innenzahnrades auf. In vorteilhafter Weise treten dadurch an den Zahnköpfen, insbesondere an der Kopfstelle, im Wesentlichen keine Druckvorspannungen und Reibungskräfte auf.
Zweckmäßig umfassen die Zahnköpfe der Zähne des Innen- und
Außenzahnrades die letzten 30%, 20% oder 10% der radialen Ausdehnung der Zähne des Innen- und Außenzahnrades in Richtung zu einer Rotationsachse des jeweiligen Zahnrades und vorzugsweise sind die Antriebsflanken und/oder die Freiflanken außerhalb der Zahnköpfe der Zähne des Innen- und
Außenzahnrades ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante beträgt der Abstand oder das Spiel zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades an der Kopfstelle und/oder an den Freiflanken der Zähne des Innen- und Außenzahnrades wenigstens 5 μιη, 10 μιη, 20 μιη, 40 μιη oder 60 μηι und/oder weniger als 200, 150, 100 oder 80 μηι beträgt und/oder zwischen 10 μιη und 150 μηι, insbesondere zwischen 20 μιη und 100 μηι liegt. Ein Spiel oder ein Abstand in dieser Größenordnung ist erforderlich, um Fertigungsungenauigkeiten und thermische Verformungen, ausgleichen zu können.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Geometrie der Antriebsflanken des Innen- und/oder Außenzahnrades dahingehend ausgebildet, dass wenigstens drei, vier oder fünf Zähne des Innen- und Außenzahnrades aufeinander liegen. Dadurch treten an einem großen Bereich des Zu- oder Abströmarbeitsraumes keine Leckagen auf.
Zweckmäßig ist die Innenzahnradpumpe eine Gerotorpumpe.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Innenzahnradpumpe einen
Elektromotor mit einem Stator und einen Rotor und das angetriebene Zahnrad ist durch den Rotor gebildet. In einer ergänzenden Ausgestaltung sind in das angetriebene Zahnrad
Permanentmagnete des Rotors eingebaut oder integriert.
Zweckmäßig ist der Stator ist konzentrisch um den Rotor ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Außen- oder Innenzahnrad durch den Rotor gebildet.
Insbesondere sind in das Außen- oder Innenzahnrad Permanentmagnete des Rotors eingebaut oder integriert.
In einer weiteren Ausführungsform mündet der Zuströmkanal nur teilweise in einen Zuströmarbeitsraum mit einem sich vergrößernden Volumen und der Abströmkanal mündet in einen Abströmarbeitsraum mit einem sich
verkleinernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Zuströmarbeitsraum.
In einer zusätzlichen Variante ist der Zuströmwinkelbereich gleich groß oder größer als der Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich ist größer als 180°, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte an dem Zuströmwinkelbereich vorhanden sind oder der Zuströmwinkelbereich ist kleiner als der Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich ist größer als 180° ist, so dass an dem
Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt vorhanden. Ist an dem Dichtwinkelbereich zwischen dem Zuströmwinkelbereich und dem Abströmwinkelbereich kein Kontaktpunkt vorhanden, tritt aufgrund des geringen Spieles oder des geringen Abstandes eine geringe Leckage zwischen dem Zu- und Abströmkanal auf. Dabei nimmt das Spiel oder der Abstand von dem letzten Kontaktpunkt in Richtung zu der Kopfstelle an den Zähnen zu der Kopfstelle zu. Ist
beispielsweise der erste Zahn nach dem letzten Zahn in Richtung zu der Kopfstelle an dem Dichtwinkelbereich vorhanden, tritt aufgrund des geringen Spiels oder des geringen Abstandes nur eine geringe Leckage auf. Ist an dem Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt vorhanden, tritt im Wesentlichen keine Leckage zwischen dem Zu- und Abströmkanal auf, weil an dem Kontaktpunkt aufgrund des Kontaktes eine im Wesentlichen vollständige Abdichtung gewährleistet ist. In eine ergänzenden Ausführungsform mündet der Abströmkanal nur teilweise in einen Abströmarbeitsraum mit einem sich verkleinernden Volumen und der Zuströmkanal mündet in einen Zuströmarbeitsraum mit einem sich
vergrößernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Abströmarbeitsraum.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Abströmwinkelbereich gleich groß oder größer als der Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich ist größer als 180°, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte an dem Abströmwinkelbereich vorhanden sind oder der Abströmwinkelbereich ist kleiner als der Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an dem
Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt vorhanden ist.
In einer ergänzenden Variante beginnt der Eingriffswinkelbereich bei einem angetriebenen Innenzahnrad in Laufrichtung an der Kämmstelle und bei einem angetriebenen Außenzahnrad entgegen der Laufrichtung an der Kämmstelle.
Zweckmäßig weist der Zahn an der Kämmstelle fiktiv nur einen Kontaktpunkt auf.
In einer weiteren Ausführungsform beginnt der Zuströmwinkelbereich und der Abströmwinkelbereich in entgegengesetzter Richtung an der Kämmstelle und vorzugsweise der Zuströmwinkelbereich am Ende des Zuströmkanales und der Abströmwinkelbereich endet vorzugsweise am Ende des Abströmkanales oder abweichend hiervon ist der Zuströmwinkelbereich nur an dem Zuströmkanal vorhanden und der Abströmwinkelbereich ist nur an dem Abströmkanal vorhanden.
Erfindungsgemäßes Hochdruckeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochdruckpumpe, ein Hochdruck-Rail, eine, vorzugsweise elektrische, Vorförderpumpe zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe, wobei die Vorförderpumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene
Vorförderpumpe ausgebildet ist.
In einer Variante sind das Innenzahnrad und das Außenzahnrad exzentrisch zueinander gelagert. Zweckmäßig umfasst die Pumpe mit, vorzugsweise integriertem, Elektromotor eine, vorzugsweise elektronische, Steuerungseinheit zur Steuerung der Bestromung der Elektromagnete und/oder der Elektromotor der Pumpe ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor.
Zweckmäßig besteht das Gehäuse der Vorförderpumpe und/oder das Gehäuse der Hochdruckpumpe und/oder das Innen- und/oder Außenzahnrad wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium.
Vorzugsweise entspricht der Eingriffswinkelbereich der Ausdehnung des Zu- oder Abströmkanales.
Insbesondere ist die Förderleistung der elektrischen Vorförderpumpe steuerbar und/oder regelbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine stark schematisierte Ansicht eines Hochdruckeinspritzsystems,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Innenzahnradpumpe ohne Gehäuse und eines Stators,
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung der Innenzahnradpumpe gemäß Fig. 2,
Fig. 4 einen Querschnitt der Innenzahnradpumpe gemäß Fig. 2 bei der Permanentmagnete in das Innenzahnrad integriert sind,
Fig. 5 einen Querschnitt der Innenzahnradpumpe gemäß Fig. 2 bei der Permanentmagnete in das Innenzahnrad integriert sind, wobei der Zuström- und Abströmkanal anders ausgebildet ist, Fig. 6 eine Detailansicht einer Kopfstelle der Innenzahnradpumpe
gemäß Fig. 4 und 5.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist eine Pumpenanordnung 1 eines Hochdruckeinspritzsystems 2 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug dargestellt. Eine elektrische Vorförderpumpe 3 fördert aus einem Kraftstofftank 41 durch eine Kraftstoffleitung 35 Kraftstoff. Anschließend wird der Kraftstoff von der elektrischen Vorförderpumpe 3 zu einer Hochdruckpumpe 7 gefördert. Die Hochdruckpumpe 7 ist von einem
Verbrennungsmotor 39 mittels einer Antriebswelle 44 angetrieben.
Die elektrische Vorförderpumpe 3 weist einen Elektromotor 4 und eine Pumpe 5 auf (Fig. 2 und 3). Dabei ist der Elektromotor 4 der Pumpe 5 in die Pumpe 5 integriert und ferner ist die elektrische Vorförderpumpe 3 an der
Hochdruckpumpe 7 unmittelbar angeordnet (nicht dargestellt). Die
Hochdruckpumpe 7 fördert Kraftstoff unter Hochdruck, beispielsweise einem Druck von 1000, 3000 oder 4000 bar, durch eine Hochdruckkraftstoffleitung 36 zu einem Hochdruck-Rail 42. Von dem Hochdruck-Rail 42 wird der Kraftstoff unter Hochdruck von einem Injektor 43 einem nicht dargestellten
Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 39 zugeführt. Der nicht für die Verbrennung benötigte Kraftstoff wird mittels einer Rücklaufkraftstoffleitung 37 wieder zu dem Kraftstofftank 41 zurückgeführt. Ein Zuströmkanal 28 (Fig. 3 und 4) der elektrischen Vorförderpumpe 3 saugt Kraftstoff durch eine Kraftstoffleitung 35 aus einem Kraftstofftank 41 an und durch einen Abströmkanal 29 wird der Kraftstoff durch die Kraftstoffleitung 35 der Hochdruckpumpe 7 zugeführt.
In der Kraftstoffleitung 35 von dem Kraftstofftank 41 zu der elektrischen
Vorförderpumpe 3 ist ein Kraftstofffilter 38 eingebaut. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Kraftstoffleitung 35 vom Kraftstofftank 41 zu der elektrischen Vorförderpumpe 3 kostengünstig ausgebildet werden, da sie keinem Überdruck standhalten muss. Der Elektromotor 4 (Fig. 3 und 4) der elektrischen Vorförderpumpe 3 wird mit Drehstrom bzw. Wechselstrom betrieben und ist in der Leistung steuerbar und/oder regelbar. Der Drehstrom bzw. Wechselstrom für den Elektromotor 4 wird von einer nicht dargestellten Leistungselektronik aus einem Gleichspannungsnetz eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges 40 zur Verfügung gestellt. Die elektrische Vorförderpumpe 3 ist damit eine elektronisch kummutierte Vorförderpumpe 3.
Die elektrische Vorförderpumpe 3 weist ein Gehäuse 8 mit einem Gehäusetopf 10 und einem Gehäusedeckel 9 auf (Fig. 3). Innerhalb des Gehäuses 8 der Vorförderpumpe 3 sind die Pumpe 5 als Innenzahnradpumpe 6 bzw.
Gerotorpumpe 26 und der Elektromotor 4 angeordnet. Der Gehäusetopf 10 ist mit einer Aussparung 54 versehen. Der Elektromotor 4 weist einen Stator 13 mit Wicklungen 14 als Elektromagnete 15 und einen Weicheisenkern 45 als weichmagnetischen Kern 32 auf, der als ein Blechpaket 33 ausgebildet ist.
Innerhalb des Stators 13 ist die Pumpe 5 als Innenzahnradpumpe 6 mit einem Innenzahnrad 22 mit einem Innenzahnring 23 und ein Außenzahnrad 24 mit einem Außenzahnring 25 positioniert. Das Innen- und Außenzahnrad 22, 24 stellt damit ein Zahnrad 20 und ein Laufrad 18 dar und der Innen- und
Außenzahnring 23, 25 weisen Zähne 21 als Förderelemente 19 auf. Zwischen dem Innen- und Außenzahnrad 22, 24 bildet sich ein Arbeitsraum 47 aus. In das Außenzahnrad 24 sind Permanentmagnete 17 eingebaut, so dass das
Außenzahnrad 24 auch einen Rotor 16 des Elektromotors 4 bildet. Der
Elektromotor 4 ist damit in die Pumpe 5 integriert bzw. umgekehrt. Die
Elektromagnete 15 des Stators 13 werden abwechselnd bestromt, so dass aufgrund des sich an den Elektromagneten 15 entstehenden Magnetfeldes der Rotor 16 bzw. das Außenzahnrad 24 in eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse 27 bzw. 27 b versetzt wird.
Der Gehäusedeckel 9 dient als Lager 1 1 bzw. Axiallager 1 1 bzw. Gleitlager 1 1 für das Innen- bzw. Außenzahnrad 22, 24. Ferner sind in den Gehäusedeckel 9 der Zuströmkanal 28 und der Abströmkanal 29 eingearbeitet. Durch Zuströmkanal 28 strömt das zu fördernde Fluid, nämlich Kraftstoff, in die Vorförderpumpe 3 ein und aus dem Abströmkanal 29 strömt der Kraftstoff wieder aus der
Vorförderpumpe 3 aus. Außerdem weist der Gehäusetopf 9 und der
Gehäusedeckel 10 jeweils drei Bohrungen 46 auf, in denen nicht dargestellte Schrauben zum Zusammenschrauben des Gehäusetopfes 9 und des
Gehäusedeckels 10 positioniert sind, wobei mit einer nicht dargestellten Dichtung der Gehäusetopf 9 und der Gehäusedeckel 10 fluiddicht aufeinander liegen. Die Innenzahnradpumpe 6 oder die Gerotorpumpe 26 weist einen
Arbeitsraum 47 auf. Der Arbeitsraum 47 ist dabei in einen
Zuströmarbeitsraum 30 als Saugseite und einen Abströmarbeitsraum 31 als Druckseite unterteilt (Fig. 4). An dem Zuströmarbeitsraum 30 vergrößert sich der Arbeitsraum 47 und an dem Abströmarbeitsraum 31 verkleinert sich der
Arbeitsraum 47, d. h. Förderräume zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24. Der Winkelbereich des Zuströmarbeitsraumes und der Winkelbereich des Abströmarbeitsraumes betragen dabei jeweils 180°.
In der in Fig. 4 dargestellten Innenzahnradpumpe 6 ist in Abweichung von Fig. 2 und 3 nicht das Außenzahnrad 24, sondern das Innenzahnrad 22 das
angetriebene Zahnrad 22, d. h. die Permanentmagnete 17 sind in das
Innenzahnrad 22 eingebaut oder integriert und das Innenzahnrad 22 bildet den Rotor 16 des Elektromotors 4. Das Innen- und Außenzahnrad 22, 24 ist in einer Drehrichtung 34 angetrieben. Das Innen- und Außenzahnrad 22, 24 sind exzentrisch zueinander gelagert mit einer Exzentrizität e. Dabei führt das Innenzahnrad 22 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 27a aus und das Außenzahnrad 24 führt eine Rotationsbewegung um die
Rotationsachse 27 b und die beiden Rotationsachsen 27a und 27 b weisen den Abstand e auf. Das Außenzahnrades 24 weist an der äußersten inneren Stelle eines Zahnkopfes 50 den Radius Raz auf und zwischen den Zähnen 21 an der tiefsten Stelle den Radius Ram. Die Differenz zwischen Raz und Ram entspricht somit der radialen Ausdehnung der Zähne 21 des Außenzahnrades 24. In Fig. 5 ist der Zahnkopf 50 durch eine horizontalen strichlierte Linie von dem übirgen Zahn 21 abgetrennt. Der Zahnkopf 50 an den Zähnen 21 des Außenzahnrades 24 nimmt somit ungefähr die letzten 30% der radialen Ausdehnung der Zähne 21 in Richtung zu der Rotationsachse 27 b des Außenzahnrades 24 ein. In analoger Weise weisen die Zähne 21 des Innenzahnrades 22 an der äußersten Stelle des Zahnkopfes 50 den Radius Riz auf und zwischen den Zähnen 21 an der tiefsten Stelle den Radius Rim.
In Fig. 4 ist ein Schnitt senkrecht zu den Rotationsachsen 27a, 27 b dargestellt. Die Zähne 21 des Außenzahnrades 24 sind dabei außenseitig als Kreissegmente ausgebildet mit einem Kreis mit dem Mittelpunkt M und dem Radius S (Fig. 5). Dabei ist K der Abstand von M zu der Rotationsachse 27b des Außenzahnrades 24. Die Geometrie der Zähne 21 des Innenzahnrades 22 ist in Abhängigkeit von der Geometrie der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 als Zykloide konstruiert gemäß der Diplom- bzw. Masterarbeit zu dem Thema„Modeling and study of a new pump concept for braking Systems" von Boris Mathieu vom 14.02.2005 bis 12.08.2005 an der Ecole superieur des sciences et technologies de l'ingenieur de Nancy 2, Rue Jean Lamour, 54519 Vandoeuvre les Nancy Cedex in
Frankreich. Bei dieser Konstruktion bzw. mathematischen Berechnung der Zähne 21 des Innenzahnrades 22 werden dabei der tatsächliche Radius S der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 und ein fiktiver Radius Sf verwendet, wobei der fiktive Radius Sf größer ist als der tatsächliche Radius S. Die Zähne 21 des
Außenzahnrades 24 weisen somit tatsächlich ausschließlich den Radius S auf, der in Fig. 5 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Der fiktive Radius Sf und ein Übergangsbereich 53 sind mit einer strichlierten Linie dargestellt. Der fiktive Radius Sf an den Zähnen 21 des Außenzahnrades 24 tritt außerhalb der Antriebflanken 51 der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 auf und in einem stetigen Übergangsbereich 53 wird der fiktive Radius Sf an den Radius S angepasst. An den Zahnköpfen 50 und an den Freiflanken 52 ist somit der fiktive Radius Sf vorhanden. An den Antriebsflanken 51 ist der Radius S vorhanden. Die Geometrie der Zähne 21 des Innenzahnrades 22 wird an den Antriebsflanken 51 in Abhängigkeit von dem Radius S konstruiert bzw. berechnet und an den Freiflanken 52 sowie den Zahnköpfen 50 in Abhängigkeit von dem fiktiven Radius Sf. Der Übergangsbereich 53 tritt auch an den Zähnen 21 des
Innenzahnrades 22 auf. Die durchgezogene Linie in Fig. 5 stellt den
tatsächlichen Zahn 21 des Innenzahnrades 22 dar. Die durchgezogene Linie an der Antriebsflanke 51 wurde in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Radius S konstruiert und die durchgezogenen Linie an dem Zahnkopf 50 und der
Freiflanke 52 wurde in Abhängigkeit von dem fiktiven Radius Sf konstruiert. Die strichlierte Linie an dem Zahnkopf 50 und an der Freiflanke 52 des Zahnes 21 des Innenzahnrades 22 wurden in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Radius S konstruiert. Der Übergangsbereich 53 tritt somit an dem Innenzahnrad 22 an der durchgezogenen tatsächlichen Linie auf. Dadurch ist in Fig. 5 ein Spiel oder ein Abstand zwischen dem Zahn 21 des Innenzahnrades 22 und dem Zahn 21 des Außenzahnrade 24 vorhanden, welches in Fig. 4 nicht dargestellt ist. Dadurch tritt zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24 zwischen den Zahnköpfen 50 und den Freiflanken 52 ein Spiel oder ein Abstand auf, der in Fig. 4 nicht dargestellt ist. Lediglich an den Antriebsflanken 51 besteht an drei Kontaktpunkten 40 ein Kontakt zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24, um ein Drehmoment von dem Innenzahnrad 22 auf das Außenzahnrad 24 zu übertragen, weil die Geometrie der Zähne 21 des
Innenzahnrades 22 an den Antriebsflanken 51 gemäß dem tatsächlichen Radius S der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 konstruiert oder berechnet ist. In Fig. 4 sind lediglich Kontaktpunkte 40 dargestellt; aufgrund der räumlichen Ausdehnung des Innen- und Außenzahnrades 22, 24 senkrecht zu der Zeichenebene sind die Kontaktpunkte 40 jedoch tatsächlich Kontaktlinien. Dadurch kommt es an einem Eingriffwinkelbereich ακ mit den Kontaktpunkten 40 im Wesentlichen nicht zu Leckagen oder Strömungsverlusten zwischen den Förderräumen zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24, weil die Antriebsflanken 51 der Zähne 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24 aufeinander liegen unter einer Druckkraft aufgrund der Übertragung des Drehmomentes von dem
Innenzahnrad 22 auf das Außenzahnrad 24. Zweckmäßig entspricht der Eingriffswinkelbereich der Ausdehnung des Zuströmkanales 28 (nicht dargestellt). Der Zuströmkanal 28 ist an einem Zuströmkanalwinkelbereich az vorhanden und der Zuströmkanalwinkelbereich az beginnt entgegen dem
Uhrzeigersinn an der Kämmstelle 49 und endet an Ende des Zuströmkanales 28 im Bereich der Kopfstelle 48, so dass der Zuströmkanalwinkelbereich az einen Winkel von ca. 170° aufweist. Der Eingriffswinkelbereich ακ mit den
Kontaktpunkten 40 beginnt ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn an der Kämmstelle 49 und endet an der letzten der drei Kontaktpunkte 40, so dass Eingriffswinkelbereich ακ ungefähr 70° beträgt. Der Abströmkanal 29 ist an einem Abströmkanalwinkelbereich aA vorhanden und der Abströmkanalwinkelbereich aA beginnt im Uhrzeigersinn an der Kämmstelle 49, so dass der
Abströmkanalwinkelbereich aA einen Winkel von ca. 170° aufweist. Ein
Dichtwinkelbereich aD ist im Bereich der Kopfstelle 48 zwischen dem
Zuströmwinkel bereich az und dem Abströmwinkel bereich aA vorhanden.
Aufgrund des großen Abstandes oder Spieles zwischen den Zähnen 21 im Bereich der Kopfstelle 48 treten damit große Leckageverluste zwischen dem Zu- und Abströmkanal 28, 29 auf.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist nicht das
Innenzahnrad 22, sondern das Außenzahnrad 24 angetrieben. Die
Kontaktpunkte 40 treten dadurch nicht entgegen dem Uhrzeigersinn beginnend an der Kämmstelle 49 auf, sondern in dem Uhrzeigersinn beginnend an der Kämmstelle 49. Die Antriebsflanken 51 treten an den Zähnen 21 gegenüberliegend im Vergleich zu den Zähnen 21 in Fig. 4 und 5 auf.
Zweckmäßig entspricht in diesem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Eingriffswinkelbereich der Ausdehnung des Abströmkanales 29 (nicht dargestellt).
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Innenzahnradpumpe 6 dargestellt und im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 beschrieben. Der Zuströmkanal 28 ist nur im Bereich der Kontaktpunkte 40 ausgebildet und es sind vier Kontaktpunkte 40 vorhanden, von denen ein Kontaktpunkt 40 außerhalb des Zuströmkanales 28 an dem Dichtwinkelbereich aD vorhanden ist und zusätzlich ist der Abströmkanal 29 nicht nur an dem Arbeitsraum bzw. Arbeitsräumen mit einem sich
verkleinernden Volumen, d. h. die in Fig. 5 rechts von der Kopf- und Kämmstelle 48, 49 vorhanden, sondern teilweise auch an dem Arbeitsraum 47 bzw.
Arbeitsräumen als Zuströmarbeitsraum 30 mit einem sich vergrößernden
Volumen, d. h. die in Fig. 5 links von der Kopf- und Kämmstelle 48, 49 vorhanden. Damit werden nur zwei Arbeitsräume zwischen den Zähnen 21 mit den Kontaktpunkten 40 als Arbeitsraum zum Fördern von Fluid verwendet. Damit treten im Wesentlichen keine Leckageverluste zwischen dem Zu- und
Abströmkanal 28, 29 auf, weil an dem Dichtwinkelbereich aD, d. h. dem Bereich zwischen den Zu- und Abströmkanal 28, 29, ein Kontaktpunkt 40 vorhanden ist an dem aufgrund des Kontaktes eine im Wesentlichen vollständige Abdichtung gewährleistet ist. Das Spiel oder der Abstand zwischen den Zähnen 21 nimmt außerhalb des Eingriffswinkelbereiches ακ entgegen dem Uhrzeigersinn an den Förderräumen mit dem sich vergrößernden Volumen in Richtung zu der
Kopfstelle 48 zu. Wäre der Zuströmkanal 28 entgegen der Darstellung in Fig. 5 geringfügig in Richtung zu der Kopfstelle 48 über den letzten Kontaktpunkt 40 verlängert und der Abströmkanal 29 entsprechend verkürzt, würde eine geringe Leckage auftreten und es könnten drei Arbeitsräume zwischen den Zähnen 21 zum Fördern des Fluides genutzt werden. Eine geringe Leckage bei einer erhöhten Anzahl an Förderräumen zwischen den Zähnen zum Fördern des Fluides könnte sinnvoll sein, um die Förderleistung der Pumpe 5 zu erhöhen.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe 6 wesentliche Vorteile verbunden. Aufgrund des Spieles oder des Abstandes an den Zahnköpfen 50 und den Freiflanken 52 sind die Reibungsverluste sehr gering und die erhöhte Anzahl an Kontaktpunkten 40 senkt den Kontaktdruck an den Kontaktpunkten 40 und damit auch den Verschleiß.

Claims

Ansprüche
1. Innenzahnradpumpe (6) zum Fördern eines Fluides, umfassend
- ein Innenzahnrad (22) mit einem Innenzahnring (23),
- ein Außenzahnrad (24) mit einem Außenzahnring (25),
- wobei die Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24)
ineinander greifen und das Innenzahnrad (22) oder das
Außenzahnrad (24) angetrieben ist,
- einen zwischen dem Innenzahnrad (22) und dem Außenzahnrad (24) ausgebildeten Arbeitsraum (47), der in einen Zuströmarbeitsraum (30) und in einen Abströmarbeitsraum (31) unterteilt ist,
- einen in den Zuströmarbeitsraum (30) mündenden Zuströmkanal (28) zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum (30) und einen in den Abströmarbeitsraum (31) mündenden Abströmkanal (29) zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum (31),
- die Zähne (21) des Innenzahnrades (22) und die Zähne (21) des Außenzahnrades (24) jeweils eine Antriebsflanke (51) und eine der Antriebsflanke (51) gegenüberliegende Freiflanke (52) aufweisen und die Antriebsflanken (51) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen zur Übertragung eines Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad (22, 24) auf das nicht angetriebene Zahnrad (22, 24), dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Antriebsflanken (51) des Innen- und/oder
Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass
wenigstens zwei Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen und an der Kopfstelle (48) ein Abstand oder ein Spiel zwischen den Zähnen (21) des Innenzahnrades (22) und den Zähnen (21) des Außenzahnrades (24) besteht. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Freiflanken (52) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass die Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) einen Abstand oder ein Spiel an den Freiflanken (52) aufweisen.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (21) des Innenzahnrades (22) und die Zähne (21) des Außenzahnrades (24) einen Zahnkopf (50) aufweisen und die Geometrie der Zahnköpfe (50) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass die Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Innenzahnrades (22) keinen Kontakt zu den Zähnen (21), insbesondere den Zahnköpfen (50) und den Freiflanken (2) der Zähne (21), des Außenzahnrades (24) aufweisen und/oder die Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Außenzahnrades (24) keinen Kontakt zu den Zähnen (21), insbesondere den Zahnköpfen (50) und den Freiflanken (2) der Zähne (21), des Innenzahnrades (22) aufweisen.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) die letzten 30%, 20% oder 10% der radialen Ausdehnung der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) in Richtung zu einer Rotationsachse (27a, 27b) des jeweiligen Zahnrades (22, 24) umfasst und vorzugsweise die Antriebsflanken (51) und/oder die Freiflanken (52) außerhalb der Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) ausgebildet sind.
5. Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand oder das Spiel zwischen den Zähnen (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) an der Kopfstelle (48) und/oder an den Freiflanken (52) der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) wenigstens 5 μηι, 10 μηι, 20 μηι, 40 μηι oder 60 μηι und/oder weniger als 200 μηι, 150 μηι, 100 μηι oder 80 μηι beträgt und/oder zwischen 10 μηι und 150 μηι, insbesondere zwischen 20 μηι und 100 μηι liegt.
6. Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Antriebsflanken (51) des Innen- und/oder
Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass wenigstens drei, vier oder fünf Zähne (21) des Innen- und
Außenzahnrades (22,24) aufeinander liegen.
7. Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe (6) eine Gerotorpumpe (26) ist.
8. Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe (6) einen Elektromotor (4) mit einem Stator (13) und einem Rotor (16) umfasst und das angetriebene Zahnrad (22, 24) durch den Rotor (16) gebildet ist.
9. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das angetriebene Zahnrad (22, 24) Permanentmagnete (17) des Rotors (16) eingebaut oder integriert sind.
10. Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (28) nur teilweise in einen Zuströmarbeitsraum (30) mit einem sich vergrößernden Volumen mündet und der Abströmkanal (29) in einen Abströmarbeitsraum (31) mit einem sich verkleinernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Zuströmarbeitsraum (30) mündet.
1 1. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmwinkelbereich gleich groß oder größer ist als der
Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte (40) an dem
Zuströmwinkelbereich vorhanden sind
oder
der Zuströmwinkelbereich kleiner ist als der Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an dem
Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist.
12. Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmkanal (29) nur teilweise in einen Abströmarbeitsraum (31) mit einem sich verkleinernden Volumen mündet und der Zuströmkanal (28) in einen Zuströmarbeitsraum (31) mit einem sich vergrößernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Abströmarbeitsraum (31) mündet.
13. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmwinkelbereich gleich groß oder größer ist als der
Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte (40) an dem
Abströmwinkelbereich vorhanden sind
oder
der Abströmwinkelbereich kleiner ist als der Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an dem
Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist.
14. Hochdruckeinspritzsystem (2) für einen Verbrennungsmotor (39),
umfassend
- eine Hochdruckpumpe (7),
- ein Hochdruck-Rail (42),
- eine, vorzugsweise elektrische, Vorförderpumpe (3) zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank (41) zu der
Hochdruckpumpe (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (3) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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