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Die
Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und insbesondere eine Außenzahnradpumpe.
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Außenzahnradpumpen,
auch Zahnradpumpen mit Außenverzahnung
genannt, sind selbstansaugende Verdränger- oder Förderpumpen,
die unter anderem als Hydraulikpumpen sowie als Ölpumpen von Verbrennungsmotoren
eingesetzt werden. Ihre Aufgabe ist es, das jeweilige Fördermedium,
das schmierende Eigenschaften besitzen sollte, mit einem konstanten
Volumenstrom zu fördern,
bei Bedarf mit einem Druck bis über
200 bar. Sofern sie als Einzelpumpen ausgebildet sind, bestehen
Außenzahnradpumpen
im Wesentlichen aus einem Gehäuse,
in dem in der Regel zwei zumeist gleichgroße und miteinander im Zahneingriff
stehende Zahnräder
in Gleitlagern drehbar gelagert sind. Eines der beiden Zahnräder wird
von einem Pumpenmotor angetrieben und treibt wiederum selbst das
andere Zahnrad mit entgegengesetzter Drehrichtung an. Das flüssige Fördermedium
wird von den beiden Zahnrädern, ohne
zwischengeschaltete Ventile, von der Saugseite der Pumpe zur Druckseite
gefördert,
wobei es in den Lücken
zwischen benachbarten Zähnen
jedes Zahnrads in Drehrichtung der Zahnräder entlang von benachbarten
Innenwandbereichen des Gehäuses mitgeführt wird.
Die Abdichtung zwischen der Saugseite und der Druckseite erfolgt
durch ein möglichst geringes
axiales und radiales Spiel zwischen den Stirnseiten der Zahnräder bzw.
den Scheiteln der Zähne
und den benachbarten Innenwandbereichen des Gehäuses sowie durch den gegenseitigen
Eingriff der Zahnräder.
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Die
Größe dieses
Spiels bzw. die Größe der zugleich
zur Schmierung dienenden axialen und radialen Spalte zwischen den
rotierenden Zahnrädern und
den benachbarten Innenwandbereichen des feststehenden Gehäuses bestimmt
den volumetrischen Wirkungsgrad einer Außenzahnradpumpe maßgeblich
mit. Da bei den meisten konventionellen Außenzahnradpumpen das Gehäuse aus
Aluminium und die Zahnräder
aus Stahl hergestellt sind, dehnt sich das Gehäuse mit zunehmender Betriebstemperatur
der Pumpe infolge des höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Aluminium gegenüber
Stahl stärker
als die Zahnräder
aus, wodurch das Spiel bzw. der Spaltquerschnitt zwischen den Zahnrädern und
dem Gehäuse
umso größer wird,
je höher
die Betriebstemperatur ist. Da jedoch bei vielen flüssigen Fördermedien
und insbesondere bei den meisten Ölen, wie Hydrauliköl oder Motoröl, mit zunehmender Temperatur
auch die Viskosität
abnimmt, hat diese Kombination von größeren Spaltquerschnitten und geringerer
Viskosität
deutlich erhöhte
Leckverluste zur Folge. Umgekehrt bewirkt bei sinkenden Betriebstemperaturen
die Verkleinerung des radialen und axialen Spiels zwischen den Zahnrädern und
dem Gehäuse
höhere
Geschwindigkeitsgradienten in den Schmierspalten zwischen Zahnrad
und Gehäuse. Dies
wiederum hat höhere
Scherkräfte
im Fördermedium
und damit eine höhere
Reibleistung und einen schlechteren mechanischen Wirkungsgrad der
Zahnradpumpe zur Folge, wobei dieser Effekt durch die gleichzeitig
erfolgende Zunahme der Viskosität
derartiger Fördermedien
noch verstärkt
wird.
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Aus
der
DE 199 29 952
C1 ist es bereits bekannt, Zahnräder für eine als Ölpumpe eines Verbrennungsmotors
ausgebildete Außenzahnradpumpe
durch Sintern aus einer Al/Si-Legierung
herzustellen, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Zahnradrohlinge und der fertigen Zahnräder an denjenigen des Gehäuses anzupassen,
das als Teil eines Zylinderblocks des Motors aus Aluminium-Druckguss
gefertigt ist. Damit können
zwar die Leckverluste der Pumpe bei höheren Betriebstemperaturen
gesenkt werden, infolge der abnehmenden Viskosität des Motoröls bei höheren Temperaturen steigen
diese jedoch noch immer an.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Verdrängerpumpe
der eingangs genannten Art und insbesondere bei einer Außenzahnradpumpe
den mechanischen Wirkungsgrad bei niedrigen Betriebstemperaturen
zu verbessern und Leckverluste bei höheren Betriebstemperaturen
weiter zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Gehäuse
aus einem Material hergestellt wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner
ist als der Wärmedehnungskoeffizient
des Materials, aus dem das Verdrängerelement,
bei der Außenzahnradpumpe
die Zahnräder,
hergestellt ist. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, größeren Leckverlusten
bei höheren
Betriebstemperaturen und einem schlechteren mechanischen Wirkungsgrad
bei niedrigen Betriebstemperaturen dadurch entgegenzuwirken, dass
infolge der erfindungsgemäßen Materialpaarung
anders als im Stand der Technik die Spaltbreite zusammen mit der
Viskosität
des Fördermediums
temperaturabhängig
größer bzw.
kleiner wird.
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Während die
genannten Vorteile der geringeren Spaltbreiten bei Außenzahnradpumpen
sowohl in axialer und radialer Richtung vorhanden sind, werden bei
anderen Verdrängerpumpen
mit rotierendem Verdrängerelement,
wie beispielsweise Innenzahnrad- oder Flügelzellenpumpen, diese Vorteile
in axialer Richtung ebenfalls erzielt. Aus Gründen der Vereinfachung wird
nachfolgend jedoch auf Außenzahnradpumpne
Bezug genommen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse aus
einem Material hergestellt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient weniger
als 15 × 10–6 K–1 und
vorzugsweise weniger als 13 × 10–6 K–1 beträgt, während die
Zahnräder
zweckmäßig aus
einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von mehr als 18 × 10–6 K–1 und
vorzugsweise von mehr als 20 × 10–6 K–1 hergestellt
sind.
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Eine
besonders gut geeignete Materialpaarung ist Stahl und Aluminium,
wobei jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik das Gehäuse aus Stahl
und die Zahnräder
aus Aluminium hergestellt sind. Alternativ dazu könnte jedoch
das Gehäuse auch
aus einem keramischen Werkstoff oder im Falle geringer Förderdrücke sogar
aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten
noch unter denjenigen von Stahl liegen, so dass dieses Material
in diesem Fall zur Herstellung der Zahnräder verwendet werden könnte. Bei
Verwendung eines Stahlgehäuses
könnte
für die
Zahnräder
an Stelle von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auch Zink
oder eine Zinklegierung verwendet werden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten
mit denjenigen von Aluminium vergleichbar sind.
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Der
Begriff Gehäuse
im Kontext dieser Anmeldung umfasst vor allem die Begrenzungswände einer
die Zahnräder
beherbergenden Gehäuseausnehmung,
durch die das Fördermedium
von der Saugseite zur Druckseite der Pumpe gefördert wird, wobei diese Begrenzungswände durch
Schmierspalte von den Stirnseiten bzw. den Scheiteln der Zähne der
Zahnräder
getrennt sind. An den Stirnseiten der Zahnräder können diese Begrenzungswände entweder
von Teilen des eigentlichen Gehäuses
oder alternativ auch von stirnseitig an die Zahnräder angrenzenden
Lagerböcken
gebildet werden, in denen die Gleitlager für die drehbare Lagerung der
Zahnräder angeordnet
sind.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Breite von axialen und radialen Schmierspalten zwischen
dem Gehäuse
und den Zahnrädern
so eingestellt wird, dass sie bei der maximal zulässigen Betriebstemperatur
die kleinste zulässige
Abmessung aufweist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus Kombinationen der in den Unteransprüchen genannten
Merkmale.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen in einem
Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigt:
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1: eine Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe
mit einem Gehäuse
und zwei Zahnrädern;
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2: eine Querschnittsansicht
der Außenzahnradpumpe
entlang der Linie II-II der 1;
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3: die Temperaturabhängigkeit
des axialen und radialen Spiels zwischen dem Gehäuse und den Zahnrädern bei
der erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe;
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4: die Temperaturabhängigkeit
des axialen und radialen Spiels zwischen dem Gehäuse und den Zahnrädern bei
einer Außenzahnradpumpe
gemäß dem Stand
der Technik.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte, als Einzelpumpe
ausgebildete Außenzahnradpumpe 2 wird als
Hydraulikpumpe zum Fördern
von Hydraulikflüssigkeit
eingesetzt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 4 sowie
zwei in Gleitlagern 6 innerhalb des Gehäuses 4 drehbar gelagerten,
im Zahneingriff stehenden Zahnrädern 8, 10 mit
Außenverzahnung.
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Das
Gehäuse 4 besteht
im Wesentlichen aus einem Mittelteil 12, der neben den
beiden Zahnrädern 8, 10 noch
zwei Lagerböcke 14 für die beiden Gleitlager 6 der
Zahnräder 8, 10 sowie
an seinen entgegengesetzten Stirnseiten je eine Dichtungsscheibe 16 für den hydrostatischen
Spielausgleich beherbergt, einem durch Schrauben 18 am
Gehäuse 4 befestigten
Lagerdeckel 20, der das Gehäuse 4 an der einen
Stirnseite des Mittelteils 12 verschließt, sowie einem ebenfalls durch
die Schrauben 18 am Gehäuse 4 befestigten
Montageflansch 22, der das Gehäuse 4 an der zum Lagerdeckel 20 entgegengesetzten Stirnseite
des Mittelteils 12 verschließt und zum Anflanschen der
Zahnradpumpe 2 an einer Antriebsquelle (nicht dargestellt)
dient.
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Der
Mittelteil 12 des Gehäuses 4 weist
eine zur Aufnahme der beiden Zahnräder 8, 10,
der Lagerböcke 14 und
der Dichtungsscheiben 16 dienende Ausnehmung 24 auf,
die in der Querschnittsansicht der 2 im
Wesentlichen die Form der Ziffer 8 besitzt. Weiter ist
der Mittelteil 12 des Gehäuses 4 mit einer saugseitigen
Eintrittsbohrung 26 und mit einer druckseitigen Austrittsbohrung 28 versehen,
durch die das zu fördernde
Hydrauliköl
von den Zahnrädern 8, 10 ins
Innere des Gehäuses 4 angesaugt
bzw. aus diesem ausgestoßen
wird. Die Eintrittsbohrung 26 und die Austrittsbohrung 28 weisen
fluchtende Mittelachsen auf und liegen sich in Bezug zu einer Längssymmetrieebene 30 des
Gehäuses 4 diametral
gegenüber.
Die beiden Bohrungen 26, 28 münden jeweils in die Ausnehmung 24,
und zwar in der Nähe der
Stellen, wo sich die Zähne 32 der
beiden Zahnräder 8, 10 auseinander
bzw. zusammen bewegen. Über
den äußeren Mündungen
der beiden Bohrungen 26, 28 auf entgegengesetzten
Breitseitenflächen des
Mittelteils 12 des Gehäuses 4 ist
jeweils ein Anschlussflansch einer saugseitigen bzw. druckseitigen Förderleitung
(nicht dargestellt) befestigt, durch welche die Hydraulikflüssigkeit
zur Pumpe 2 bzw. von dieser aus weiter gefördert wird.
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Jedes
der beiden Zahnräder 8, 10 ist
als geradverzahntes Stirnrad einstückig mit zwei über seine
Stirnseiten überstehenden
Wellenstümpfen 34 ausgebildet,
wobei die Abmessungen der Zähne 32 so
an die Abmessungen der Gehäuseausnehmung 24 angepasst
sind, dass sich ihre Scheitel zwischen den inneren Mündungen
der Eintrittsbohrung 26 und der Austrittsbohrung 28 mit
geringem radialem Spiel an den benachbarten, die Ausnehmung 24 begrenzenden
Innenwandbereichen des Gehäuses 4 vorbeibewegen.
Die beiden entgegengesetzten Wellenstümpfe 34 jedes Zahnrads 8, 10 sind
in den Gleitlagern 6 der beiden Lagerböcke 14 gelagert, deren Umriss
dem Öffnungsquerschnitt
der Ausnehmung 24 entspricht und die mit geringem axialem
Spiel an die Zahnräder 8, 10 angrenzen.
Einer der beiden Wellenstümpfe 34 des
Zahnrads 10 erstreckt sich durch eine Durchtrittsöffnung 36 des
Montageflanschs 22 hindurch aus dem Gehäuse 4 heraus, wo er
eine Keilverzahnung 38 zur formschlüssigen drehfesten Verbindung
mit einer Abtriebswelle des Antriebsmotors trägt. Innerhalb der Durchtrittsöffnung 36 ist
der Wellenstumpf 34 zum Flansch 22 hin abgedichtet.
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Beim
Betrieb der Pumpe 2 bewegen sich die Zähne 32 der beiden
Zahnräder 8, 10 aufgrund
von deren Drehung saugseitig auseinander, wodurch dort ein Unterdruck
entsteht, der ggf. zusammen mit dem Atmosphärendruck in einem an die saugseitige
Rohr- oder Schlauchleitung angeschlossenen Reservoir (nicht dargestellt)
eine Ansaugung von Hydraulikflüssigkeit
aus dem Reservoir ins Gehäuseinnere
bewirkt. Die angesaugte Flüssigkeit
strömt
am inneren Ende der Eintrittsbohrung 26 in die Zwischenräume 40 zwischen
zwei jeweils benachbarten Zähnen 32 jedes
Zahnrads 8, 10, in denen sie infolge der Drehung
der Zahnräder 8, 10 in
Richtung der Pfeile (2)
zur Austrittsbohrung 28 gefördert wird. In der Nähe Austrittsbohrung 28 treten
die Zähne 32 der beiden
Zahnräder 8, 10 wieder
miteinander in Eingriff, wobei die Flüssigkeit aus den Zwischenräumen 40 zwischen
den Zähnen 32 verdrängt und
durch die Austrittsbohrung 28 ausgestoßen wird. Durch den gegenseitigen
Eingriff der Zähne 32 der
beiden Zahnräder 8, 10 wird
gleichzeitig verhindert, dass die Flüssigkeit zwischen den beiden
Zahnrädern 8, 10 hindurch
zur Saugseite zurück
strömt.
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Während bei
konventionellen Außenzahnradpumpen
gewöhnlich
das Gehäuse
aus Aluminium und damit aus einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besteht, und zugleich die beiden Zahnräder aus Stahl und damit aus
einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
bestehen, ist die Materialpaarung bei der dargestellten Außenzahnradpumpe 2 im
Wesentlichen umgekehrt. Die beiden Zahnräder 8, 10 bestehen
dort aus einem Material, dessen Wärmedehnungskoeffizient höher ist
als derjenige des Gehäuses 4 und
der beiden Lagerböcke 14.
Zum Beispiel können
die Zahnräder 8, 10 je
nach Belastung aus einem Leichtmetall, wie Aluminium, oder einer
Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung, bestehen, während das
Gehäuse 4,
oder zumindest die für
die Förderung
der Hydraulikflüssigkeit
relevanten Gehäuseteile,
insbesondere die an das Gehäuseinnere
angrenzenden Gehäusewände des
Mittelteils 12 und die Lagerböcke 14 aus Stahl bestehen.
Alternativ können
das Gehäuse 4 und
die Lagerböcke 14 auch
aus einem keramischen Werkstoff oder ggf. sogar aus einem starren
hochfesten Kunststoffmaterial hergestellt werden, sofern der Förderdruck
der Pumpe 2 und damit die Materialbeanspruchung verhältnismäßig gering
ist.
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Zum
Beispiel weisen die meisten üblichen Aluminiumlegierungen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen 21 × 10–6 K–1 und
26 × 10–6 K–1 auf, während allgemein
der Wärmedehnungskoeffizient von
Eisenlegierungen mit einem Eisengehalt von über 80 Gew.-% im Bereich zwischen
10 × 10–6 K–1 und
12,5 × 10–6 K–1 liegt
und für
Stahl etwa 12 bis 12,2 × 10–6 6
K–1 beträgt.
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Da
Zink ebenfalls einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von mehr als 20 × 10–6 K–1 aufweist,
wäre unter
den oben genannten Gesichtspunkten grundsätzlich auch dieses Material
und seine Legierungen zur Herstellung der Zahnräder 8, 10 der
Pumpe 2 geeignet, zum Beispiel durch Druckguss, deren Gehäuse 4 und
Lagerböcke 14 aus
Stahl oder einem anderen Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
unter 18 × 10–6 K–1 und vorzugsweise
unter 16 × 10–6 K–1 liegt.
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Da
in den oben genannten Fällen
der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Gehäuses 4 und
der Lagerböcke 14 kleiner
als derjenige der Zahnräder 8, 10 ist,
nimmt das axiale und radiale Spiel S an den Stirnseiten der Zahnräder 8, 10 bzw.
an den Scheiteln der Zähne 32 mit
zunehmender Betriebstemperatur der Pumpe ab, wie in 3 dargestellt, wo das Spiel bzw. die
Spaltbreite S zwischen zwei aus Aluminium hergestellten Zahnrädern 8, 10 und
einem aus Stahl hergestellten Gehäuse 4, 14 in
Abhängigkeit
von der Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Pumpe 2 dargestellt
ist.
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Die
Einstellung dieses Spiels erfolgt dabei derart, dass die Spaltbreite
S bei der maximal zulässigen
Betriebstemperatur Tmax die kleinste zulässige Abmessung
aufweist und mit abnehmender Betriebstemperatur allmählich größer wird.
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Die
vorgenannte Beziehung zwischen der Betriebstemperatur und dem axialen
und radialen Spiel bietet vor allem bei der Förderung solcher Flüssigkeiten
Vorteile, deren Viskosität
mit abnehmender Betriebstemperatur geringer wird. In diesem Fall
führen
die etwas größeren Spalte
bei niedrigen Betriebstemperaturen zu einer Verminderung der Scherbeanspruchungen
und damit wegen der geringeren Reibung bzw. Leistungsaufnahme des
Fördermediums
zu einer Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades, haben jedoch
infolge der höheren
Viskosität
des Fördermediums
keine erhöhten
Leckageverluste zur Folge. Bei hohen Betriebstemperaturen können dagegen
die Leckverluste verringert werden, während die Scherkräfte aufgrund
höherer
Geschwindigkeitsgradienten in den kleineren Spalten im dünnflüssigeren
Fördermedium
nur wenig ansteigen und damit keine wesentliche Vergrößerung der
Reibung bzw. der Leistungsaufnahme des Fördermediums zur Folge haben,
so dass ein guter mechanische Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Wie
man aus 4 entnehmen
kann, welche die Temperaturabhängigkeit
des axialen und radialen Spiels zwischen dem Gehäuse und den Zahnrädern bei
einer identischen konventionellen Außenzahnradpumpe mit einem aus
Aluminium bestehenden Gehäuse
und zwei aus Stahl bestehenden Zahnrädern zeigt, muss dort die kleinste
zulässige
Spaltbreite bei der niedrigsten zulässigen Betriebstemperatur Tmin eingestellt werden, von wo sie mit zunehmender
Betriebstemperatur immer größer wird.
Bei einem Fördermedium,
dessen Viskosität
wie bei den meisten Ölen
mit der Temperatur zunimmt, führt
dies bei niedrigen Betriebstemperaturen zu hohen Scherkräften im
Fördermedium
und damit wegen der größeren Reibung
bzw. Leistungsaufnahme des Fördermediums
zu einer Verschlechterung des mechanischen Wirkungsgrades, während mit
zunehmender Temperatur infolge der größeren Spaltbreiten in Verbindung
mit der geringeren Viskosität
steigende Leckverluste die Folge sind.