WO2019161951A1

WO2019161951A1 - Verzahnung für eine gerotorpumpe und verfahren zur geometrischen bestimmung derselben

Info

Publication number: WO2019161951A1
Application number: PCT/EP2018/082234
Authority: WO
Inventors: Andreas Blechschmidt
Original assignee: Nidec Gpm Gmbh
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2019-08-29
Also published as: DE102018103723A1; US20200392956A1; CN111712617A; US11566617B2; CN111712617B; BR112020014627A2

Abstract

Eine Verzahnung für eine Gerotorpumpe umfasst eine Mehrzahl von Außenzähnen (10) an einem Gerotorinnenelement (1) und eine um (1) größere Mehrzahl von Innenzähnen (20) an einem Gerotoraußenelement (2), wobei ein Mittelpunkt (Ml ) des Gerotorinnenelements (1) um eine Exzentrizität (e) zu einem Mittelpunkt (M2) des Gerotoraußenelements (2) versetzt ist, wodurch ein Kämmeingriff zwischen den Außenzähnen (10) und den Innenzähnen (20) gebildet wird. Eine Kontur der Außenzähne (10) am Gerotoinnenelement (1) ist von einem Zahnkopf (11) durchgehend über Zahnflanken (13) bis zu einem Übergangsradius (14) zu einer Zahnlücke oder einem Zahnfuß (12) im Wesentlichen durch eine Kurve einer einzigen Ellipse definiert; wobei die Hauptachse der Ellipse radial zum Gerotorinnenelement (1) ausgerichtet ist, und der Mittelpunkt der Ellipse einen Radius (Rmin) am Gerotorinnenelement (1) festlegt, welcher der maximalen Eingrifftiefe des Gerotoraußenelements (2) zwischen den Außenzähnen (10) am Kämmeingriff entspricht.

Description

Beschr ibung

Verzahnung für eine Gerotorpumpe und Verfahren zur geometrischen Bestimmung derselben

Die Erfindung betrifft eine Verzahnung für eine verschleißarme und volumetrisch effiziente Gerotorpumpe sowie ein Verfahren, das eine geometrische Bestimmung zur Entwicklung derartiger Verzahnungen ermöglicht.

Im Stand der Technik sind bereits verschiedene Zahngeometrien für Rotorelemente eines Gerotors zur Verwendung in Pumpen entwickelt worden. Gerotorpumpen gehören zu einem Typ von umlaufenden Verdrängerpumpen, die vorzugsweise zur Förderung von viskosen Medien wie Ölen eingesetzt werden und im Vergleich zu oszillierenden Ver- drängerpumpen eine geringere Pulsation bezüglich des Ausgangsdrucks erzeugen.

In einem Fachartikel mit dem Titel„The Latest Trends in Oil Pump Rotors for Au- tomobiles“ in der Zeitschrift SEI Technical Review, Nummer 82, April 2016, Seite 59 bis 65 ist beispielsweise der technische Hintergrund und die Entwicklung von Zahngeo- metrien von Ölpumpen des Gerotortyps mit den Bezeichnungen Parachoid, Megafloid, Geocloid und Parachoid EX des Herstellers Sumitomo Electric Sintered Alloy, Ltd. er- läutert. Bei solchen Gerotoren werden herkömmlicherweise trochoide Zähne durch geo metrische Hilfsmittel wie Epizyklen und Orstkurven konstruiert. Dabei werden, ver gleichbar mit einem Spirograph, zahnbildende Zykloide als Rollkurven eines Fixpunktes auf dem Umfang eines Rollkreises beschrieben, der auf einer Leitkurve abrollt, die in Bezug zu einem Radius des Zahnrotors steht.

Die Offenlegungsschrift DE 1002 08 408 Al schlägt hingegen vor, von der her- kömmlichen Entwicklung durch Zykloidkurven abzuweichen. Zur Verringerung von Ge- räuschen wird eine Zahnradverzahnung für Zahnringpumpen beschrieben, deren Zahnköpfe und Zahnfüße von Kurven zweiter oder höherer Ordnung gebildet werden, wobei die Kurven an ihren Enden tangential aufeinander zuweisen und wenigstens die Kurven, die die Zahnköpfe bilden, oder die Kurve, die die Zahnfüße bilden, keine Zykloiden sind. Ferner sollen die Kurven, die die Zahnköpfe bilden, vorzugsweise unmittelbar an die Kur- ven anstoßen, die die Zahnfüße bilden, oder auch weniger bevorzugt durch Geradenstücke verbunden sein können. Die Kurven zweiter Ordnung umfassen dabei beispielsweise einen Kegelschnitt. Darstellungen zur Ausführung der Zahngeometrie umfassen Zahn- köpfe und Zahnfüße, die durch einen Kreisbogen oder einen Ellipsenbogen gebildet werden.

Darüber hinaus offenbart die Europäische Patentanmeldung EP 2 669 521 Al einen Rotor für eine Ölpumpe zur Verringerung der Geräuschentwicklung. Die Zähne des Rotors bestehen jeweils aus einer Mehrzahl von Ellipsen oder Kreisen, wobei eine in An triebsrichtung liegende Zahnhälfte und eine entgegen der Antriebsrichtung liegende Zahnhälfte durch unterschiedliche Ellipsen oder Kreise ausgestaltet sind. Dabei soll letztere Zahnhälfte in Umfangsrichtung des Rotors geringfügig breiter ausfallen.

Die in der DE 1002 08 408 Al und in der EP 2 669 521 Al offenbarten Ellipsen zur Ausbildung eines Zahnkopfes sind mit ihrem Mittelpunkt auf einem Teilkreis des entsprechenden Rotors angeordnet, und sind bezüglich der Nebenachse, d.h. der geringe- ren Ellipsenabmessung orthogonal zur Hauptachse der größeren Ellipsenabmessung, ra- dial zum Rotor ausgerichtet.

Es werden fortlaufend Bestrebungen unternommen, um die V erschleißfestigkeit der Gerotorelemente zu erhöhen und die Geräuschentwicklung während des Bewegungsab- laufs des Gerotors zu verringern. So besteht auch noch in Bezug auf die genannten Zahn- geometrien Raum zur Verbesserung.

Ferner unterliegen Pumpen, deren Konstruktion auf mobile Anwendungen ausge- richtet ist, ebenso der Bestrebung nach einer Erhöhung der Leistungsdichte, d.h. insbesondere einer Steigerung der volumetrischen Förderleistung bzw. einer Verringerung der Größe oder Gewichts der Pumpe im Verhältnis zueinander. Demnach besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, für eine Gerotorpumpe eine Zahngeometrie mit einem optimierten Reibkontakt zwischen den Außenzähnen und den Innenzähnen zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, für eine Gerotorpumpe eine Zahngeometrie zu schaffen, die eine Erhöhung des effektiven Arbeitsvolumens der Verdrängungsvorgänge zwischen den Außenzähnen und den Innenzähnen im Verhältnis zu einem Durchmesser des Gerotors ermöglicht.

Die Aufgaben werden durch eine Verzahnung für eine Gerotorpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotorpumpe mit den Schritten des Anspruchs 13 gelöst.

Die Verzahnung für eine Gerotorpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Kontur der Außenzähne am Gerotoinnenelement von einem Zahnkopf durchgehend über Zahnflanken bis zu einem Übergangsradius zu einer Zahnlücke oder einem Zahnfuß im Wesentlichen durch eine Kurve einer einzigen Ellipse definiert ist; wobei die Hauptachse der Ellipse radial zum Gerotorinnenelement ausgerichtet ist, und der Mittelpunkt der Ellipse einen Radius am Gerotorinnenelement festlegt, welcher der maximalen Eingrifftiefe des Gerotoraußenelements zwischen den Außenzähnen am Kämmeingriff entspricht.

Das entsprechende Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotorpumpe zeichnet sich insbesondere durch folgende Schritte zur Bestimmung der Kontur der Außenzähne des Gerotorinnenelements aus: Festlegen einer einzigen Ellipse, deren Hauptachse radial zum Gerotorinnenelement ausgerichtet ist, sowie einer regelmäßig verteilten radialen Anordnung derartiger Ellipsen entsprechend einer gewählten Mehrzahl von Außenzähnen; Definieren von Konturabschnitten der Außen- zähne entlang einer Kurve der Ellipsen; Definieren von Konturabschnitten zwischen den Außenzähnen entlang eines Radius, der durch einen Mittelpunkt der Ellipsen festgelegt wird; und Definieren von Übergangsradien, welche die Konturabschnitte der Außenzähne mit den Konturabschnitten zwischen den Außenzähnen verbinden. Im Sinne dieser Offenbarung haben die verwendeten Begriffe die nachfolgende De- fmition.

Die Hauptachse einer Ellipse bezeichnet die längste Abmessung zwischen zwei Scheitelpunkten der Ellipsenkurve. Die Nebenachse einer Ellipse steht orthogonal zu der Hauptachse und bezeichnet die kürzere Abmessung zwischen zwei Scheitelpunkten der Ellipsenkurve.

Der Zahnkopf bezeichnet einen Konturabschnitt der Verzahnung beiderseits eines Mittelpunkts bzw. Scheitelpunkts der äußersten radialen Erstreckung des Zahnes. Die Zahnflanke bezeichnet einen Konturabschnitt der Verzahnung, der im Bereich der radia- len Erstreckung des Zahnes auf den Zahnkopf zuführt. Der Zahnfuß bezeichnet einen Konturabschnitt der Verzahnung beiderseits eines Mittelpunkts zwischen zwei Zähnen. Eine Zahnlücke bezeichnet einen Konturabschnitt der Verzahnung zwischen zwei Zäh- nen. Ein Übergangsradius bezeichnet einen Konturabschnitt der Verzahnung, der eine stetige Krümmung zwischen zwei unterschiedlich ausgerichteten Enden der Kurven von benachbarten Konturabschnitten herstellt.

Ein Kopfkreis bezeichnet eine Kreisbahn entlang von Zahnköpfen einer Außenverzahnung und eine Kreisbahn entlang von Zahnlücken einer Innenverzahnung, die eine über die Teilkreise bzw. Wälzkreise hinausgehende, äußerste Eingrifftiefe der Verzah- nung herstellen. Ein Fußkreis bezeichnet eine Kreisbahn entlang von Zahnfüßen einer Außenverzahnung und eine Kreisbahn entlang von Zahnköpfen einer Innenverzahnung. Ein in dieser Offenbarung verwendeter Radius R_min bzw. Mindestradius bezeichnet ein radiales Maß, bis zu dem ein Zahnfuß oder eine Zahnlücke mindestens ausgenommen sein muss, um den vollständigen Eingriff eines Zahnes der anderen Verzahnung zu ge- währleisten. Eine Exzentrizität bezeichnet das Maß zwischen den Mittelpunkten der Drehachsen der beiden Gerotorelemente. Die Bedingung, dass eine Kontur„im Wesentlichen“ durch eine Kurve definiert ist, umfasst alle Konturen, die keine nennenswerte Abweichung zu der gegebenen Kurve auf- weisen. Die Wesentlichkeit der Bedingung umfasst insbesondere auch Konturen, die Abweichungen von wenigen Hundertsteln des Maßes der Exzentrizität zu der gegebenen Kurven aufweisen.

In ihrer allgemeinsten Form sieht die Erfindung erstmals eine rein elliptische Au ßenzahngeometrie vor, deren radiale Ellipsenerstreckung größer als eine orthogonale Ellipsenerstreckung in Umfangsrichtung des Gerotorinnenelements ist. Die Festlegung ei- ner maximalen Eingrifftiefe des Gerotoraußenelements, d.h. einem radialen Maß zwischen dem Mittelpunkt des Gerotorinnenelements und dem Kopfkreis des Gerotoraußenelements beim Durchlaufen des Kämmeingriffs, gibt zugleich vor, dass auch die radiale Erstreckung der Außenzähne größer als eine Breite derselben ist. Somit entsteht eine schlankere und spitzere Zahnkontur, die eine geringere Breite in Umfangsrichtung des Rotors, steilere Zahnflanken und eine stärkere Krümmung am Scheitelpunkt des Zahnkopfes aufweist.

Die erfindungsgemäße Gerotorverzahnung verschafft mehrere Vorteile.

Im Vergleich zu den vorbekannten Gerotorverzahnungen kommt die erfmdungsge- mäße Gerotorverzahnung dem Ziel einer geometrischen Optimierung näher, dass der Kontakt zwischen Gerotorinnenelement und Gerotoraußenelement auf möglichst kleine Drehwinkelbereiche um den unteren Totpunkt und oberen Totpunkts des exzentrischen Hubs begrenzt wird.

Die erfindungsgemäße Gerotorverzahnung weist annähernd ausschließlich rein funktionale Kontakte zwischen dem Gerotorinnenelement und dem Gerotoraußenelement auf, die am unteren Totpunkt die Antriebsmomentübertragung betreffen und am oberen Totpunkt zur Abdichtung einer Förderzelle gegen Leckageströme zwischen Saugseite und Druckseite der Pumpenkammer dienen, während möglichst weite Bereiche zwischen den Totpunkten kontaktfrei verlaufen. Genauer genommen entstehen bei der Übertragung des Antriebsmomentes am unteren Totpunkt Teilkräfte auf gegenüberliegend abstützende Zahnkontakte im Bereich des oberen Totpunkts, die eine Förderzelle beim durchlaufen des oberen Totpunkts besser abdichten.

Der beschriebene ideale Kontaktverlauf ist durch eine herkömmliche geometrische Entwicklungsmethodik bislang nicht erreichbar, oder zumindest nicht derart gezielt be- einflussbar, wie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur geometrischen Bestimmung der Gerotorverzahnung.

Durch die lokale Kontaktbegrenzung und die schlanke ellipsenförmige Geometrie der Außenzähne ergeben sich geometrisch günstigere Möglichkeiten zur Antriebsmo- mentübertragung. Die elliptischen Zahnflanken stellen sehr flache Kontaktwinkel zwischen Außenzahn und Innenzahn bereit, wodurch die Hertzsche Pressung und das entste- hende Reibmoment an den Zahnflanken deutlich verringert werden. Es liegt eine minimale Kontaktwinkeländerung zwischen den kontaktierenden Zahnflanken vor, wodurch die Reibkontakte auf ein funktional notwendiges Minimum reduziert werden.

Durch die erfindungsgemäße Gerotorverzahnung sind nahezu über den gesamten Kontaktwinkelbereich am unteren Totpunkt positive hydrodynamische Effekte erzielbar. Genauer genommen ergeben die sehr flachen Kontaktwinkel quasistationäre hydrostatische Druckeffekte, welche die beiden die Kontaktflächen hydraulisch trennen. Somit kann eine ausgeprägte Mischreibung an einem linienförmigen Kontaktbereich, wie sie an Kontaktwinkeln bekannter Zahngeometrien auftritt, verhindert oder zumindest wirkungsvoll minimiert werden.

Die schlanke ellipsenförmige Geometrie der Außenzähne ermöglicht zudem eine Erhöhung der Exzentrizität zwischen dem Gerotorinnenelement und dem Gerotoraußen- element, wodurch ein Hub der V erdrängungs Vorgänge und somit das effektive Arbeitsvolumen zwischen den Außenzähnen und den Innenzähnen bzw. das Fördervolumen pro Umdrehung des Gerotors im Verhältnis zu einem Durchmesser desselben vergrößert wird. Vorteilhafte Weiterbildungen und Spezifizierungen von Abmessungsverhältnissen der Gerotorverzahnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine radiale Erstreckung der elliptischen Kontur der Außenzähne eine Abmessung im Bereich des Faktors 1,0 bis 2,0 multipliziert mit dem Maß der Exzentrizität betragen. Dieser Wertebereich eines Abmessungsverhält- nisses stellt einen langgestreckten elliptischen Konturabschnitt im Bereich der Zahnflanken bis zum Beginn eines Übergangsradius sicher, innerhalb dem eine hohe Exzentrizität ermöglicht und eine Optimierung der obengenannten Vorteile erzielt wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Abmessung der Hauptachse der El- lipse den Faktor 4 multipliziert mit dem Maß der Exzentrizität betragen. Diese Abmes- sung stellt eine lange radiale Erstreckung des Zahnes sicher, bei der eine hohe Exzentrizität erfüllt und eine Optimierung der obengenannten Vorteile erzielt wird. Das genannte Abmessungsverhältnis drückt gleichbedeutend aus, dass die radiale Abmessung des Außenzahnes vom Zahnkopf bis zum geometrisch festgelegten Radius zur maximalen Eingrifftiefe des Gerotoraußenelements das doppelte Maß der Exzentrizität beträgt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die zur Hauptachse orthogonale Nebenachse der Ellipse eine Abmessung eines Faktors im Bereich von 0,5 bis 2,5, vorzugsweise im Bereich von 1,0 bis 2,0, multipliziert mit dem Maß der Exzentrizität betragen. Dieser Wertebereich eines Abmessungsverhältnisses stellt eine Breite des Außenzahnes sicher, innerhalb dem eine Optimierung der obengenannten Vorteile erzielt wird. Mit der Wahl der Breite des Außenzahnes anhand der Nebenachse der Ellipse kann eine Überdeckung des Kontaktes eines Zahnpaares im Bereich des oberen Totpunkts zielgerichtet beeinflusst werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Kontur des Gerotorinnenelements zwischen zwei Außenzähnen jeweils konkav ausgebildet sein. Durch eine zusätzliche leicht konkave Ausnehmung der Kontur der Zahnlücke zum Radius des maximalen Eingriffs des Gerotoraußenelements im Bereich des Zahnfußes wird eine innere hydraulische Arbeit der V erdrängungs Vorgänge verringert, da zur Verbindung von Zahnpaaren vor dem unteren Totpunkt ein größerer Strömungsquerschnitt zum Entfliehen des verdräng- ten Fördermediums zwischen dem Gerotorinnenelement und dem Gerotoraußenelement verbleibt. Darüber hinaus dient ein vergrößerter Strömungsquerschnitt in der Zahnlücke des Gerotorinnenelements auch der Vermeidung von Kompressionseffekten beim Ineinanderfahren der Verzahnung am unteren Totpunkt. Dadurch wird zugleich eine für Ver drängerpumpen typische Pulsation des Ausgangsdrucks reduziert, die mit derartigen Kompressionseffekten in einem direkten Zusammenhang steht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die konkave Kontur am Scheitelpunkt zwischen zwei Außenzähnen eine Ausnehmungstiefe zum Radius des maximalen Ein- griffs des Gerotoaußenelements des Gerotorinnenelements aufweisen, die eine radiale Abmessung eines Faktors (b) im Bereich von 0,1 bis 0,15 multipliziert mit dem Maß der Exzentrizität (e) beträgt. Dieser Wertebereich eines Abmessungsverhältnisses stellt ein Fußspiel gegenüber der Innenverzahnung des Gerotoraußenelements 2 zur Bildung eines Fußraumes in Form der konkaven Ausnehmung der Kontur im Bereich des Zahnfußes sicher. Innerhalb dieses Wertebereichs wird eine Optimierung der zuvor genannten hyd- raulischen Vorteile erzielt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Kontur der Innenzähne des Gerotor- außenelements aus der Schnittmenge einer Hüllkurvenschaar resultieren, die entlang eines Bewegungsablaufs des Gerotors durch die Kontur der Außenzähne des Gerotorinnen- elements vorgegeben ist. Somit wird eine Kontur der Innenzähne des Gerotoraußenelements sichergestellt, die zu den ablaufenden Relativbewegungen innerhalb des Gerotors passt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Gerotorinnenelement eine Anzahl von mindestens fünf Außenzähnen aufweisen. Die Anzahl von sechs Innenzähnen und fünf Außenzähnen bildet eine Grenzzähnezahl mit vorteilhaften Proportionen des Gero- tors, die eine effiziente Förderleistung im Verhältnis zu seiner Abmessung bereitstellt. Ferner besteht bei dieser Anzahl im Bereich des oberen Totpunktes bereits jederzeit ein Kontakt von zwei benachbarten Zahnköpfen des Gerotorinnenelements zum Gerotorau- ßenelement, wodurch die Bildung einer geschlossenen Förderzelle zur Fördermedien- übergabe von der Saugseite zur Druckseite der Pumpenkammer als Schutz von einem hydraulischen Kurzschluss zuverlässig sichergestellt ist.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Gerotoraußenelement in der Gerotor- pumpe drehbar gelagert sein und über den Kämmeingriff von einer rotatorischen Antriebsbewegung des Gerotorinnenelements drehend mitgeschleppt werden. Dieser Pumpenaufbau benötigt keinen rotierenden Steuerspiegel, sodass ein statischer Einlass und Auslass in die Pumpenkammer als eine Saugniere und eine Druckniere gehäuseseitig be- reitgestellt werden können, und eignet sich somit als vorteilhafte Basis einer Gerotor- pumpe, mit der die erfindungsgemäße Verzahnung realisierbar ist.

Eine Gerotorpumpe mit der erfindungsgemäßen Verzahnung eignet sich aufgrund der erläuterten Vorteile einer kompakten Bauform und Leistungsdichte insbesondere für mobile Anwendungen wie im Fahrzeugbau, insbesondere im Einsatz als Ölpumpe für ein Schmieröl einer V erbrennungsmaschine, einem Getriebeöl eines Automatikgetriebes o- der einem Hydrauliköl zum Antreiben von Hilfsaggregaten oder sonstigen Stellgliedern bis hin zu Hilfseinrichtungen von Nutzfahrzeugen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigen:

Fig. 1 ein Gerotorinnenelement mit Außenzähnen einer Verzahnung für Gerotor- pumpen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Angabe von Abmessungsverhältnissen;

Fig. 2 einen Kämmeingriff zwischen dem Gerotorinnenelement und einem Ge- rotoraußenelement einer Verzahnung für Gerotorpumpen gemäß der Aus- führungsform der Erfindung unter Angabe von Abmessungsverhältnissen;

Fig. 3A-3H zeigt eine Abfolge eines linksdrehenden Bewegungsablaufs einer Verzah- nung für Gerotorpumpen gemäß der Ausführungsform der Erfindung; Der Gerotor umfasst ein Gerotorinnenelement 1 und eine Gerotoraußenelement 2. Der Gerotor ist in einer Pumpenkammer einer nicht dargestellten Gerotorpumpe angeord- net. Das Gerotorinnenelement 1 steht mit einem Vierkantprofil einer angetriebenen Pum- penwelle 3 in Eingriff und schleppt über einen Kämmeingriff das Gerotoraußenelement 2 mit. Das Gerotoraußenelement 2 ist über den Außenumfang drehbar und gleitgelagert in einer zylindrischen Umfangswand der nicht dargestellten Pumpenkammer aufgenom- men.

Bei einer Linksdrehung des Gerotors fahren Außenzähne 10 in die Innenzähne 20 beim Durchlaufen eines Kämmeingriffs ein und aus. In einem Drehwinkelabschnitt, der in Umlaufrichtung vor dem unteren Totpunkt des Kämmeingriffs auf einer Achse des exzentrischen Versatzes liegt, erfolgt eine Verdrängung eines Fördermediums, insbeson- dere eines Öl, das andererseits in einem Drehwinkelabschnitt, der in Umlaufrichtung hinter dem unteren Totpunkt liegt, angesaugt wird. Das Ausstößen des verdrängten Öls sowie das Ansaugen erfolgt in bekannter Weise durch einen nicht dargestellten Auslass und einen Einlass der Gerotorpumpe, die jeweils über eine nierenförmige Öffnung vor bzw. hinter dem unteren Totpunkt stimseitig in die Pumpenkammer münden.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Gerotorinnenelements 1 mit den Außenzäh- nen 10, die vom Zahnkopf 11 bis über die Zahnflanken 13 eine elliptische Kontur auf- weisen, die erst an einen Übergangsradius 14 zu den Zahlenfüßen 12 endet. An einem nach unten weisenden Außenzahn 10 ist eine Ellipse eingezeichnet, deren Ellipsenkurve die Kontur des Zahnkopfes 11 und der Zahnflanken 13 definiert. Entsprechend dem vorgesehenen Verfahren zur geometrischen Bestimmung der Gerotorverzahnung, sind die wesentlichen Abmessungsverhältnisse in Abhängigkeit einer Exzentrizität e des Gero- tors, d.h. einem Maß der Versetzung zwischen einem Mittelpunkt Mi des Gerotorinnen- elements 1 und einem Mittelpunkt M₂ eines Gerotoraußenelements 2 angegeben.

Eine Ellipse, die als Hilfskurve zur geometrischen Bestimmung der Kontur der Au- ßenzähne 10 dient, weist eine Hauptachse auf, die radial zum Mittelpunkt Mi des Gero- torinnenelements 1 ausgerichtet ist. Die Länge der Hauptachse ist um einen Proportionalitätsfaktor länger als das Maß der Exzentrizität e. In der dargestellten Ausführungsform ist dieser Proportionalitätsfaktor bevorzugt auf den Wert 4 festgelegt, er kann jedoch auch um einige Dezimalstellen hiervon abweichen. Die Nebenachse der Ellipse weist eine Länge auf, die um einen Proportionalitätsfaktor a länger als das Maß der Exzentrizität e ist. In der dargestellten Ausfuhrungsform ist der Proportionalitätsfaktor a auf den Wert 1,5 festgelegt, er kann jedoch auch einen anderen Wert innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 2,5, vorzugsweise zwischen 1,0 und 2,0 einnehmen. Der Proportionalitätsfaktor a, der die Länge der Nebenachse der Ellipse in Abhängigkeit sind Exzentrizität definiert, beein- flusst die Breite der Außenzähne 10 in Umfangsrichtung des Gerotorinnenelements 1.

Der Mittelpunkt der Ellipse, an dem sich die Hauptachse und die Nebenachse kreu zen, legen ein radiales Maß am Gerotorinnenelement 1 fest, bis zu dem ein Kopfkreis der Innenverzahnung des Gerotoraußenelements 2 beim Durchlaufen des Kämmeingriffs ma- ximal zwischen den Außenzähnen 10 eindringt, und gibt somit einen Mindestradius R_mm vor, bis zu dem ein Zahnfuß bzw. eine Zahnlücke der Außenverzahnung des Gerotorin- nenelements 1 wenigstens ausgenommen sein muss. Da der Radius R_min durch den Mit- telpunkt der Ellipsen festgelegt ist, und der Proporti onalitätsfaktor der Hauptachse der Ellipse in der dargestellten Ausführungsform den Wert 4 beträgt, entspricht die radiale Länge eines Außenzahnes 10 dem Faktor 2 der Exzentrizität, d.h. der Radius eines Kopf- kreis der Außenverzahnung ist um den Faktor 2 der Exzentrizität e größer als der Radius Rmin und der Radius eines Teilkreises bzw. Wälzkreises des Gerotors ist um das Maß der Exzentrizität e größer als der Radius Rmin.

Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist jede Zahnlücke zwischen den Außenzähnen 1 eine leicht konkave Ausnehmung auf, die sich an die Übergangsradien 14 zu den Zahnflanken 13 anschließt. Ein Scheitelpunkt der leicht konkaven Ausnehmung liegt in Umfangsrichtung des Gerotorinnenelements 1 in der Mitte jeder Zahnlücke und bildet zugleich den Zahnfuß 12. Am Zahnfuß 12 weist die Kontur des Gerotorinnenelements 1 im Vergleich zum Radius R_min eine Ausnehmungstiefe auf, deren radiales Maß einem Proportionalitätsfaktor b zur Exzentrizität e entspricht. In der dargestellten Aus- führungsform beträgt der Proportionalitätsfaktor b einen Wert von 0,125, er kann jedoch auch einen anderen Wert in einem bevorzugten Bereich von 0,10 bis 0,15 einnehmen. Das radiale Maß der Ausnehmungstiefe kann ebenso als ein Fußspiel bezeichnet werden, das ein Spiel bzw. einen Abstand bei maximalem Eingriff zwischen dem Zahnfuß 12 des Gerotorinnenelements 1 und der Erhebung der Zahnlücke zwischen den Innenzäh- nen 20 des Gerotoraußenelements 2 am unteren Totpunkt des Kämmeingriffs angibt. Das Fußspiel beeinflusst die Größe eines Fußraumes mit der Form der konkaven Ausnehmung und vergrößert einen Strömungsdurchmesser zum Entfliehen des Öls zwischen den Au- ßenzähnen 10.

Mit Bezug auf die Figuren 3A bis 3H wird nachfolgend das Abrollverhalten eines linksdrehenden Gerotors, d.h. eine zyklische Relativbewegung zwischen dem Gerotoin- nenelement 1 und dem Gerotoraußenelement 2 beschrieben. Die Darstellungen zeigen, nicht notwendiger Weise aufeinanderfolgend, verschiedene funktional erläuterte Dreh- winkelpositionen des Gerotors. Während sich der Gerotor nach links bzw. gegen den Uhr- zeigersinn dreht, erfolgt sowohl eine Drehmomentübertragung von dem Gerotoinnenele- ment 1 auf das Gerotoraußenelement 2 als auch eine Verdrängung des Fördermediums bzw. Öls aus den Innenzähnen 20 durch die Außenzähne 10.

In Fig. 3A beginnt der linke Außenzahn 10 in einem sehr flachen Kontaktwinkel mit dem Innenzahn 20 in Kontakt zu gelangen. In Fig. 3B gleitet der Außenzahn 10 unter einem sehr flachen Kontaktwinkel fortschreitend in den Innenzahn 20 hinein. Durch den flachen Kontaktwinkel entsteht eine geringe Hertzsche Belastung zwischen der Zahn- flanke 13 des Außenzahnes 10 und der gegenüberliegenden Kontur des Innenzahnes 20. In Fig. 3C führt der rechte Außenzahn 10, der in den Innenzahn 20 einfährt, eine Ver- drängungsarbeit aus, wodurch das Öl in dem Innenzahn 20 durch einen gebogenen Keil- spalt entlang der linken Zahnflanke 13 des Außenzahnes 10 nach oben links heraus ge- drängt wird. In Fig. 3D ist der rechte Außenzahn 10 vollständig in den Innenzahn 20 eingefahren, wonach an den beiden Seiten des Außenzahnes 10 jeweils zur Druckseite und zur Saugseite ein Keilspalt entlang den Zahnflanken 13 entsteht. Mit einer rotatorischen B ewegungskomponente überlagert sich aufgrund der Ex zentrizität eine S chwenkbewegung zwischen Außenzahn 10 und Innenzahn 20 um den unteren Totpunkt des Kämmeingriffs. Die S chwenkbewegung schreitet von der rechten Seite in Fig. 3C, über eine Mittelstellung am unteren Totpunkt in Fig. 3D, zu der linken Seite 3E fort. Dabei verkleinert sich der Keilspalt auf der Seite der linken Zahnflanke 13 des rechten Außenzahnes 10 weiter während sich links ein nachfolgender Außenzahn 10 auf den Kontakt mit einem Innenzahn 20 zu bewegt. In Fig. 3F beginnt der rechte Außen- zahn 10 aus dem Innenzahn 20 heraus zu gleiten, während der linke Außenzahn 10, ver- gleichbar mit Fig. 3 A, mit dem nachfolgenden Innenzahn 20 in Kontakt gelangt und be- ginnt, in diesen hinein zu gleiten, womit eine erneute Verdrängung beginnt.

Fig. 3G zeigt eine Drehwinkelposition, in der zwei benachbarte Außenzähne 10 jeweils durch ihren Flankenkontakt zu den Innenzähnen 20 ein Drehmoment auf das Ge- rotoraußenelement 2 übertragen. Fig. 3H zeigt nochmals die sehr flachen Kontaktwinkel bei einem Einfahren und Ausfahren der Außenzähne 10 in die bzw. aus den Innenzähnen 20, wodurch sehr geringe Hertzsche Pressungen im Bereich der Kontaktflächen der Ver- zahnung auftreten.

Wie aus den Figuren 3A bis 3H ersichtlich ist, sind die Kontaktflächen, die sich entlang der Zahnflanken 13 ergeben, durch relativ große Ersatzradien darstellbar. Aus den relativ großen Ersatzradien resultiert eine Vergrößerung des entlang der Verzahnungskontur wandernden Flächenkontakts im Vergleich zu herkömmlichen Zahngeomet- rien. Vergleichbar mit einer Konstruktionsbedingung für Gleitlager, wird durch die gro- ßen Ersatzradien und die flachen Kontaktwinkel der Verschleiß der Reibpaarung minimiert.

Nicht zuletzt durch die zusätzlichen Verdrängungsströme entlang der Kontaktflä- chen, die einen dynamischen Schmierfilm zur Benetzung der V erzahnungskontur sicher- stellen, können hydrostatische Effekte am Gleitspalt des Flächenkontakts unterstellt wer- den. Im Rahmen der vorhergesehenen Betriebsparameter verhindern die hydrostatischen Effekte theoretisch einen direkten Flächenkontakt an den Zahnflanken 13. Die theoreti- sche Unterstellung deckt sich insofern mit der experimentellen Praxis, dass nach Testrei- hen der Erfinder keinerlei messbarer oder sichtbarer Verschleiß an der erfindungsgemä- ßen Gerotorverzahnung auftrat.

Alternativ zu der dargestellten Ausfiihrungsform mit der Grenzzähnezahl 5/6 im Verhältnis von Außenzähnen 10 des Gerotorinnenelements 1 zu Innenzähnen 20 des Ge rotoraußenelements 2, kann der Gerotor ebenso mit einer entsprechenden Zähnezahl von 6/7, 7/8 oder 8/9 ausgefuhrt sein, wobei sich die Wirkung einiger beschriebener Vorteile der erfindungsgemäßen Zahngeometrie noch verstärkt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Gerotorinnenelement

2 Gerotoraußenelement

3 Pumpenwelle

10 Außenzahn

11 Zahnkopf

12 Zahnfuß

13 Zahnflanke

14 Übergangsradius

20 Innenzahn

a Proportionalitätsfaktor der Ellipsen-Nebenachse

b Proportionalitätsfaktor eines Fußspiels

e Exzentrizität

Mi Mittelpunkt Gerotorinnenelement

M₂ Mittelpunkt Gerotoraußenelement

R_f Fußkreis des Gerotorinnenelements

Rmi_n Radius der Eingrifftiefe am Kämmeingriff

Claims

Ans_jirüehe

Verzahnung für eine Gerotorpumpe, die eine Mehrzahl von Außenzähnen (10) an einem Gerotorinnenelement (1) und eine um 1 größere Mehrzahl von Innenzähnen (20) an einem Gerotoraußenelement (2) aufweist, wobei ein Mittelpunkt (Mi) des Gerotorinnenelements (1) um eine Exzentrizität (e) zu einem Mittelpunkt (M₂) des Gerotoraußenelements (2) versetzt ist, wodurch ein Kämmeingriff zwischen den Außenzähnen (10) und den Innenzähnen (20) gebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur der Außenzähne (10) am Gerotoinnenelement (1) von einem Zahnkopf (1 1) durchgehend über Zahnflanken (13) bis zu einem Übergangsradius (14) zu einer Zahnlücke oder einem Zahnfuß (12) im Wesentlichen durch eine Kurve einer einzigen Ellipse definiert ist; wobei die Hauptachse der Ellipse radial zum Gerotorinnenelement (1) ausgerichtet ist, und der Mittelpunkt der Ellipse einen Radius (R_min) am Gerotorinnenelement (1 ) fest- legt, welcher der maximalen Eingrifftiefe des Gerotoraußenelements (2) zwischen den Außenzähnen (10) am Kämmeingriff entspricht.

Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach Anspruch 1, wobei eine radiale Erstreckung der elliptischen Kontur der Außenzähne (10) eine Abmessung im Bereich des Faktors 1,0 bis 2,0 multipliziert mit dem Maß der Exzentrizität (e) beträgt.

Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Abmessung der Hauptachse der Ellipse den Faktor 4 multipliziert mit dem Maß der Exzentrizität (e) beträgt.

4. Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zur Hauptachse orthogonale Nebenachse der Ellipse eine Abmessung eines Fak- tors (a) im Bereich von 0,5 bis 2,5, vorzugsweise im Bereich von 1,0 bis 2,0, mul- tipliziert mit dem Maß der Exzentrizität (e) beträgt.

5. Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Kontur des Gerotorinnenelements (1) zwischen zwei Außenzähnen (10) je weils konkav ausgebildet ist.

6. Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach Anspruch 5, wobei die konkave Kontur am Scheitelpunkt zwischen zwei Außenzähnen (10) eine Aus- nehmungstiefe zum Radius (R_min) des maximalen Eingriffs des Gerotoaußenele- ments (2) aufweist, die eine radiale Abmessung eines Faktors (b) im Bereich von 0,1 bis 0,15 multipliziert mit dem Maß der Exzentrizität (e) beträgt. 7. Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Kontur der Innenzähne (20) des Gerotoraußenelements (2) aus der Schnitt- menge einer Hüllkurvenschaar resultiert, die entlang eines Bewegungsablaufs des Gerotors durch die Kontur der Außenzähne (10) des Gerotorinnenelements (1) vor- gegeben ist.

8. Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gerotorinnenelement (1) eine Anzahl von mindestens fünf Außenzähnen (10) aufweist.

9. Verzahnung für eine Gerotorpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gerotoraußenelement (2) in der Gerotorpumpe drehbar gelagert ist und über den Kämmeingriff von einer rotatorischen Antriebsbewegung des Gerotorinnene- lements (1) drehend mitgeschleppt wird.

10. Verwendung der Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für eine Gerotor pumpe zur Förderung eines Schmieröls in einer V erbrennungsmaschine.

11. Verwendung der Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für eine Gerotorpumpe zur Förderung eines Getriebeöls in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs.

12. Verwendung der Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für eine Gerotor- pumpe zur Förderung eines Hydrauliköls in einem hydraulischen Kreislauf. 13. Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotor- pumpe, die eine Mehrzahl von Außenzähnen (10) an einem Gerotorinnenelement (1) und eine um 1 größere Mehrzahl von Innenzähnen (20) an einem Gerotoraußenelement (2) aufweist, wobei ein Mittelpunkt (Mi) des Gerotorinnenelements (1) um eine Exzentrizität (e) zu einem Mittelpunkt (M₂) des Gerotoraußenelements (2) ver- setzt ist, wodurch ein Kämmeingriff zwischen den Außenzähnen (10) und den In- nenzähnen (20) gebildet wird; gekennzeichnet durch eine Bestimmung der Kontur der Außenzähne (10) des Gerotorinnenelements (1) mit den nachfolgenden Schritten:

Festlegen einer einzigen Ellipse, deren Hauptachse radial zum Gerotorinnenelement (1) ausgerichtet ist, sowie einer regelmäßig verteilten radialen Anordnung derartiger Ellipsen entsprechend einer gewählten Mehrzahl von Außenzähnen (10);

Definieren von Konturabschnitten der Außenzähne (10) entlang einer Kurve der Ellipsen; Definieren von Konturabschnitten zwischen den Außenzähnen (10) entlang eines Radius (R_min), der durch einen Mittelpunkt der Ellipsen festgelegt wird; und

Definieren von Übergangsradien (14), welche die Konturabschnitte der Außen- zähne (10) mit den Konturabschnitten zwischen den Außenzähnen (10) verbinden.

14. Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotor- pumpe nach Anspruch 13, ferner aufweisend den Schritt: Festlegen einer radialen Erstreckung der elliptischen Kontur der Außenzähne in

Abhängigkeit von der Exzentrizität (e).

15. Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotor- pumpe nach Anspruch 13 oder 14, ferner aufweisend den Schritt:

Festlegen einer Abmessung der Hauptachse der Ellipse in Abhängigkeit von der Exzentrizität (e).

16. Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotor- pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 15, ferner aufweisend den Schritt:

Festlegen einer Abmessung der orthogonalen Nebenachse der Ellipse in Abhängig- keit von der Exzentrizität (e). 17. Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotor- pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 16, ferner aufweisend den Schritt:

Definieren von konkaven Ausnehmungen in den Konturabschnitten zwischen den Außenzähnen (10) und Festlegen einer Ausnehmungstiefe zum Radius (Rmin), der durch einen Mittelpunkt der Ellipsen festgelegt ist, in Abhängigkeit von der Ex- zentrizität (e).

18. Verfahren zur geometrischen Bestimmung einer Verzahnung für eine Gerotor- pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 17, ferner aufweisend den Schritt:

Definieren einer Kontur der Innenzähne (20) des Gerotoraußenelements (2) mittels der Schnittmenge einer Hüllkurvenschaar, die entlang eines Bewegungsablaufs des

Gerotors durch die Kontur der Außenzähne (10) des Gerotorinnenelements (1) vorgegeben ist.