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Stand der
Technik
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Die Eifindung geht aus von einer
Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Eine Zahnradmaschine, deren Verzahnung zur
Geräuschreduzierung
so ausgelegt ist, daß das getriebene
Zahnrad mit einer sich stetig ändernden und
sich pro Zahnteilung periodisch wiederholenden Winkelgeschwindigkeit
rotiert ist aus der
EP
0 539 396 B1 oder der
DE 43 09 859 A1 bekannt. Dadurch werden Druckpulsationen
im geförderten
Volumenstrom im Vergleich zu Zahnradmaschinen mit gleich bleibender
Winkelgeschwindigkeit des angetriebenen Zahnrades zumindest reduziert.
Maßgeblich
für das
augenblickliche Förderverhalten
der Zahnradmaschine ist hierbei die momentane Lage des Eingriffspunkts
der drehmomentübertragenden
Vorderflanken der Zahnräder.
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Neben der Vermeidung von Druckpulsationen
ist es für
einen geräuscharmen
Betrieb einer Zahnradmaschine auch wichtig, daß die Vorderflanken der in
Eingriff miteinander stehenden Zähne
der Zahnräder
während
der gesamten Eingriffsdauer nicht voneinander abheben, sondern stets
aneinander anliegen. Das getriebene Zahnrad darf also in der Bewegungsphase,
in der es innerhalb einer Periode des Profils seiner Winkelgeschwindigkeit
abgebremst und relativ zum treibenden Zahnrad langsamer wird, dem
treibenden Zahnrad nicht voreilen.
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Letzteres wäre der Fall, wenn in der betrachteten
Bewegungsphase das sich aufgrund der Masse ergebende Trägheitsmoment
größer als
des Betriebsmoment würde,
in das verschiedene Einzeldrehmomente wie das durch den Förderdruck
und das die Reibung verursachte Drehmoment eingehen. Die Einzeldrehmomente
sind in ihrer Größe von Parametern
abhängig,
die den augenblicklichen Betriebszustand der Zahnradmaschine beschreiben. Diese
Parameter sind unter anderem die Drehzahl der Zahnräder, der
Förderdruck
und die momentane Übersetzung
zwischen den Zahnräder,
die sich aus der Verzahnungskontur ergibt.
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Um gegenüber der Zahnradmaschine nach der
EP 0 539 396 B1 den
Betriebsbereich hinsichtlich des Betriebsdrucks und der Drehzahl
zu erweitern, ist bei der aus der
DE 43 09 859 A1 bekannten Zahnradmaschine,
das getriebene Zahnrad als Hohlrad auszubilden, das drehbar auf
einer gehäusefesten
Achse gelagert ist. Hier ist also der Weg einer Reduzierung des
Trägheitsmoments
eingeschlagen worden. Hingewiesen wird außerdem darauf, daß man auch das
Reib- und damit das Betriebsmoment erhöhen könnte, daß damit jedoch der Wirkungsgrad
verringert würde.
Die Verringerung der Masse findet ihre Begrenzung in der notwendigen
Festigkeit des angetriebenen Zahnrades.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine
Zahnradmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 so weiterzuentwickeln, daß bei
ausreichender Festigkeit des angetriebenen Zahnrades das Anliegen
der Vorderflanken der Zahnräder
in einem weiten Betriebsbereich ohne wesentliche Beeinträchtigung
des Wirkungsgrades sichergestellt ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zahnradmaschine mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil,
daß sie über einen
weiten Betriebsbereich geräuscharm
arbeitet, wobei das angetriebene Zahnrad ausreichend stabil gestaltet
werden kann. Es sind Mittel vorhanden, die die Vorderflanken der
Zähne der
beiden Zahnräder
mit einer gewissen Kraft aneinander drücken, insbesondere die beiden
Zahnräder
gegeneinander verspannen und damit ein Lösen der Vorderflanken voneinander
verhindern. Weil die Mittel nur zwischen den beiden Zahnrädern wirken
und kein zusätzliches
Reibmoment von außen
aufgebracht wird, wird der Wirkungsgrad vom Prinzip her nicht verschlechtert. Durch
die zusätzliche
Kraft wird auf das getriebene Zahnrad sozusagen ein zusätzliches
Bremsmoment aufgebracht, das unabhängig von den betriebsbestimmenden
Parametern der Zahnradmaschine ist und sich in Abhängigkeit
von den späteren
Einsatzbedingungen der Zahnradmaschine in seiner Größe variieren
läßt. Das
zusätzliche
Bremsmoment kann insofern als extern bezeichnet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen einer
erfindungsgemäßen Zahnradmaschine
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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So ist es zum Beispiel von Vorteil,
daß die baulichen
Maßnahmen
an der Zahnradmaschine zur Aufnahme der zwischen den beiden Zahnrädern wirkenden
Mitteln zumindest teilweise in vorhandene Bauteile integrierbar
sind. Dadurch vergrößert sich das
Bauvolumen der Zahnradmaschine nur unwesentlich. Ferner können als
Mittel herkömmliche
und als Massenware beziehbare Bauteile, wie Federn oder Magnete
verwendet werden. dies erlaubt relativ günstige Material- und Herstellungskosten.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind
in den Figuren der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es zeigen 1 schematisch eine Seitenansicht einer
Pumpenverzahnung, 2 ein
Diagramm mit dem Verlauf der verschiedenen am getriebenen Zahnrad angreifenden
Drehmomente in Abhängigkeit
von der Antriebsdrehzahl der Zahnradmaschine, 3 einen Längsschnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel, 4 einen Querschnitt durch
dieses erste Ausführungsbeispiel
entlang der Achse IV-IV nach 3, 5 ein zweites Ausführungsbeispiel im
Längsschnitt
und 6 schematisch ein
drittes Ausführungsbeispiel
ebenfalls im Längsschnitt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
zur Erläuterung
der Momentwirkungen, die an einem Zahnradpaar 11 einer
Zahnradmaschine 10 wirken, in einer schematischen Darstellung
zwei außenverzahnte
und miteinander kämmende
Zahnräder 12,13.
Die Zahnräder 12,13 sind
in einer Ausnehmung 14 eines nicht näher dargestellten Gehäuses einer
Zahnradmaschine 10 angeordnet und trennen einen gehäuseseitig
ausgebildeten Saugraum 15 von einem ebensolchen Druckraum 16. Das
treibende Zahnrad 12 rotiert entgegen dem Uhrzeigersinn
mit einer konstanten Drehzahl und überträgt mit seinen Vorderflanken
ein Antriebsmoment auf das Zahnrad 13, das sich dementsprechend
im Uhrzeigersinn dreht. Das sich zwischen beiden Zahnrädern 12,13 ergebende Übersetzungsverhältnis wird
durch eine besonders ausgebildete Verzahnungskontur bestimmt und
soll einen schwankenden Zeitverlauf aufweisen. Dadurch dreht sich
das getriebene Zahnrad 13 in Abhängigkeit von der momentanen
Winkelstellung des treibenden Zahnrads 12 mit einer sich
periodisch ändernden
Winkelgeschwindigkeit. Neben dem bereits erwähnten Antriebsmoment Tan wirken auf die Zahnräder 12,13 des
Zahnradpaars 11 jeweils ein hydraulisches Moment T1h bzw. T2h, ein
Reibmoment T1r bzw. T2r und
ein Moment aus den Zahnflankennormalkräften T1n bzw.
T2n ein. Auf das ungleichförmig getriebene
Zahnrad 13 wirkt infolge der schwankenden Winkelgeschwindigkeit
zusätzlich
das von der Massenträgheit
verursachte Trägheitsmoment
T2t ein. Die Momente sind entsprechend ihrer
Wirkungsrichtung symbolisch als Wirkungspfeile eingetragen.
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Grundvoraussetzung zur Förderung
eines Förderstroms
mit möglichst
geringer Pulsation ist, daß sich
die Zahnflanken der Zahnräder 12,13 während des
gesamten Zahneingriffs berühren.
Die Zahnnormalkraft ist in diesem Fall so gerichtet, daß ein Abheben
der Zahnflanken voneinander verhindert wird. Sind die auf das getriebene
Zahnrad 13 bremsend wirkenden Momente allerdings zu gering, so
kann diese Grundvoraussetzung nicht erfüllt werden. Die Folge davon
sind Unterbrechungen im Kontakt der Vorderflanken, ein hydraulischer
Kurzschluß sowie
eine starke Schwingungsanregung von Ölsäule und Zahnradpaar 11.
Der damit verbundene Anstieg des Betriebsgeräuschs der Zahnradmaschine 10 wird
als Klappern bezeichnet. Zum Klappern kann es entweder beim Steigern
der Betriebsdrehzahl oder beim Absenken des Betriebsdrucks der Zahnradmaschine 10 kommen.
Die auf das getriebene Zahnrad 13 wirkenden Momente sind
in ihrer Höhe von
den momentanen Betriebsbedingungen der Zahnradmaschine 10 abhängig. Dies
ist aus dem in 2 dargestellten
Diagramm ersichtlich, das typische Momentenkennlinien einer Zahnradmaschine 10 mit
ungleichförmig übersetzten
Zahnradpaaren 11 zeigt.
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Im Diagramm nach 2 ist der Wert der entsprechenden Momente
zu Beginn des Zahneingriffs und damit zu Beginn der Verzögerungsphase des
getriebenen Zahnrads 13 (1)
in Abhängigkeit
von der Antriebsdrehzahl der Zahnradmaschine 10 dargestellt.
Mit T2h ist das hydraulische Moment bezeichnet,
es wird von der Eingriffslinie der Verzahnung bestimmt und ist in
seiner Größe von der
Höhe des
Systemdrucks abhängig.
Das hydraulische Moment ist drehzahlunabhängig und hat stets eine bremsende
Wirkung auf das getriebene Zahnrad 13. Demgegenüber hat
das Trägheitsmoment
T2h nur dann eine bremsende Wirkung auf
das getriebene Zahnrad 13, wenn sich dieses auf Grund der
veränderlichen Übersetzung
in einer Beschleunigungsphase befindet. Während der Bremsphase ist das
Trägheitsmoment
T2t demnach negativ. Sein Betrag wird von
der augenblicklichen Antriebsdrehzahl bestimmt. Auch das Reibmoment
T2r steigt in seinem Betrag mit der Drehzahl
der Zahnradmaschine 10 an. Das Reibmoment T2r wirkt,
wie das hydraulische Moment T2h , stets
bremsend auf das getriebene Zahnrad 13 ein. Die Werte der
dargestellten Momentenkennlinien gelten jeweils zu Beginn des Zahneingriffs.
Zu diesem Zeitpunkt nehmen die Größen T2h und
T2t ihre Minimalwerte über den gesamten Eingriff der
Zahnräder 12,13 an.
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Die Summe aus dem hydraulischen Moment T2h, dem Reibmoment T2r und
dem Trägheitsmoment T2t entspricht dem Moment der Zahnflankennormalkraft
T2n. Zu einer Unterbrechung des Vorderflankenkontakts
kommt es, sobald die Zahnradmaschine 10 in einem Betriebsbereich
betrieben wird, in dem das über
die Vorderflanken übertragene
Moment der Zahnflankennormalkraft T2n gleich
0 oder kleiner wird. Im Diagramm nach 2 ist
dies bei Drehzahlen ab ca. 2300 1/min der Fall. Diese mit K bezeichnete
Grenze ist allerdings abhängig
vom Systemdruck, der im dargestellten Fall 100 bar beträgt.
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Der Betriebsbereich, in dem das Moment
aus der Zahnflankennormalkraft größer als 0 ist, kann zu höheren Drehzahlen
bzw. geringeren Systemdrücken
hin erweitert werden, wenn ein zusätzliches Bremsmoment T2br auf das getriebene Zahnrad 13 einwirkt
und dadurch ein Abheben der Zahnflanken voneinander erschwert. Dieses
zusätzliche
Bremsmoment T2br kann auf verschiedene Arten
erzeugt werden.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Fördereinrichtung 17 einer
Zahnradmaschine 10, deren getriebenes Zahnrad 13 von
einem externen Bremsmoment beaufschlagt wird, um ein Abheben der
im Eingriff befindlichen Flanken der Zahnräder 12,13 voneinander
zu vermeiden. Da das die Fördereinheit 17 umschließende Gehäuse und
die Lagerkörper
für die
Wellenlagerung nicht erfindungswesentlich sind, wurde auf deren
Darstellung der Einfachheit halber verzichtet. Die Fördereinrichtung 17 wird
von außenverzahnten
und miteinander kämmenden
Zahnrädern 12,13 gebildet,
wobei das treibende Zahnrad 12 auf nicht dargestellte Weise
drehfest mit einer Antriebswelle 18 verbunden ist oder einteilig
mit dieser ausgebildet ist. Mit diesem treibenden Zahnrad 12 kämmen zwei
koaxial aneinandergereihte Einzelräder 13.1, 13.2,
die auf einer gemeinsamen Lagerwelle 19 relativ zueinander
verdrehbar angeordnet sind. In axialer Richtung ist zwischen den Einzelrädern 13.1, 13.2 kein
Abstand vorhanden. Die Einzelräder 13.1, 13.2,
die eine identische Verzahnungskontur aufweisen, sind unterschiedlich
breit ausgebildet, wobei das Einzelrad 13.1 als Zahnscheibe
ausgeführt
ist. Aneinandergereiht ergeben die Einzelräder 13.1, 13.2 eine
Gesamtbreite, die der Zahnbreite des treibenden Zahnrads 12 entspricht. Die
einander zugewandten Stirnflächen 22,23 der beiden
Einzelräder 13.1, 13.2 weisen
im Bereich zwischen dem Wellenaußendurchmesser der Lagerwelle 19 und
den Fußkreisen
ihrer Verzahnungen wenigstens eine nutförmige Ausnehmung 24 (4) auf, die auf einem konstanten
Radius zum Radmittelpunkt in Umfangsrichtung der Einzelräder 13.1, 13.2 verläuft. Die
Ausnehmungen 24 der beiden Einzelräder 13.1, 13.2 liegen
einander gegenüber
und begrenzen einen gemeinsamen Hohlraum 25. In Längsrichtung
dieses Hohlraums 25 ist eine unter Vorspannung stehende
Druckfeder 26 eingesetzt. Die Druckfeder 26 stützt sich
mit ihren beiden Federenden an den Nutenden der Ausnehmung 24 so
ab, daß die beiden
Einzelräder 13.1, 13.2 in
den Zahnlücken
des treibenden Zahnrads 12 verspannt werden. Hierbei stützt sich
das Zahnrad 13.1 auf der Rückflanke des treibenden Zahnrads 12 ab.
Die von der Druckfeder 26 erzeugte Druckkraft bewirkt auf
diese Weise ein auf das getriebene Zahnrad 13 einwirkendes
Bremsmoment, wodurch ein Anliegen der Vorderflanken des getriebenen
Zahnrads 13.2 und des treibenden Zahnrads 12 in
einem erweiterten Betriebsbereich der Zahnradmaschine 10 sichergestellt
wird.
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4 zeigt,
daß die
Verspannung der beiden Einzelräder 13.1, 13.2 gegeneinander
zur Entstehung eines Spaltes 32 zwischen den Vorderflanken des
treibenden Zahnrads 12 und der Zahnscheibe 13.1 führt. Dieser
Spalt 32 muß zur
Vermeidung eines hydraulischen Kurzschlusses zwischen dem Druckraum 15 und
dem Saugraum 14 der Zahnradmaschine 10 abgedichtet
werden. Dazu wird eine Profildichtung 33 verwendet, die
aus einem elastischen Kunststoffmaterial hergestellt ist und die
sich in ihrem abdichtenden Bereich über die gesamte Breite der
Zahnscheibe 13.1 erstreckt. Zur Erzeugung einer geschlossenen
Dichtungskontur sind die abdichtenden Bereiche der Profildichtung 33 durch Stränge miteinander
verbunden. Um ein axiales Verschieben der Profildichtung 33 auf
den abzudichtenden Zahnflanken zu vermeiden, können an der Innenseite ihres
abdichtenden Bereichs Stege bzw. Noppen ausgebildet sein, die in
entsprechend ausgebildete Ausnehmungen auf den abzudichtenden Zahnflanken
eingreifen.
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5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Fördereinrichtung 17a einer
nicht näher
dargestellten Zahnradmaschine 10, deren getriebenes Zahnrad 13a wiederum
von einem externen Bremsmoment beaufschlagt wird. Im Unterschied
zum ersten Ausführungsbeispiel
wird das Bremsmoment nun von einem Torsionsstab 27 erzeugt.
Desweiteren ist in diesem zweiten Ausführungsbeispiel der druckmittelfördernde
Bereich, von dem das Bremsmoment erzeugenden Bereich, räumlich getrennt.
Die Fördereinrichtung 17a wird
wiederum von zwei außenverzahnten
und miteinander kämmenden
Zahnrädern 12a,13a gebildet.
Beide Zahnräder 12a,13a sind drehfest
mit ihren Antriebs- bzw. Lagerwellen 18a,19a gekoppelt
oder jeweils einteilig mit diesen ausgeführt. Die Lagerwelle 19a des
getriebenen Zahnrads 13a ist als Hohlwelle ausgebildet.
In ihrem Inneren ist ein unter Vorspannung stehender Torsionsstab 27 angeordnet.
Dessen eines Ende ist verdrehsicher mit der Lagerwelle 19a verbunden,
während
das gegenüberliegende
Ende frei beweglich ausgebildet ist. Dort wirkt der Torsionsstab 27 durch eine
drehfeste Verbindung mit einem das Torsionsmoment übertragenden
Zahnrad 28 zusammen. Das torsionsmomentübertragende Zahnrad 28 ist
auf der Lagerwelle 19a angeordnet, auf der gleichzeitig
das druckmittelfördernde
Zahnrad 13a angeordnet ist. Zwischen den beiden lagerwellenseitigen
Zahnrädern 13a,28 besteht
ein axialer Abstand. Das trosionsmomentübertragende Zahnrad 28 kämmt mit
seiner Außenverzahnung
mit einem ebenfalls außenverzahnten
Gegenrad 29 und leitet dadurch das Drehmoment des Torsionsstabs 27 an
das Gegenrad 29 weiter. Dieses Gegenrad 29 ist
durch eine drehfeste Wellen/Naben-Verbindung auf der Antriebswelle 18a angeordnet.
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Das vom Torsionsstab 27 erzeugte
Drehmoment gelangt somit zum druckmittelfördernden triebenen Zahnrad 12a und
bewirkt dadurch eine gegenseitige Verspannung der Vorderflanken
der druckmittelfördernden
Zahnräder 12a,13a.
Das aus der Verspannung resultierende Bremsmoment auf das getriebene
druckmittelfördernde
Zahnrad 13a stellt ein Anliegen der im Eingriff befindlichen
Zahnflanken sicher und erweitert den Betriebsbereich der Zahnradmaschine 10 in
Richtung höherer
Drehzahlen bzw. geringeren Systemdrucks.
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Anzumerken bleibt, daß die Verzahnung
der torsionsmomentübertragenden
Zahnräder 28a,29a als
gleichförmig übersetzende
Verzahnung, z.B. als preisgünstige
Evolventenverzahnung, ausgebildet sein kann.
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Alternativ dazu können diese, der Verspannung
dienende Zahnräder 28a,29a neben
ihrer Verspannfunktion auch eine Druckmittelförderfunktion erfüllen, wenn
sie zwischen den Saugraum 14 und den Druckraum 15 der
Zahnradmaschine 10 geschaltet werden. In diesem Fall ist
die Verzahnungskontur so zu wählen,
daß sie
zur Verringerung von Pulsationen im Förderstrom nach den gleichen
Berechnungsgrundlagen ausgelegt ist wie die des druckmittelfördernden
Zahnradpaars 11. Durch entsprechende Abstimmung der Phasenlagen
der beiden pulsationsarmen Teilstöme zueinander kann eine weitere
Pulsationsverringerung des Gesamtförderstroms erreicht werden.
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6 zeigt
schematisch in einem dritten Ausführungsbeispiel eine weitere
Möglichkeit
zur Beaufschlagung eines getriebenen Zahnrads 13b mit einem
Bremsmoment, um den Betriebsbereich einer Zahnradmaschine 10,
in dem ein Anliegen der Zahnradflanken sichergestellt ist, auszuweiten.
Das Bremsmoment wird in diesem Fall von magnetischen Kräften erzeugt.
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Dazu wird von einer hinlänglich bekannten und
daher nicht näher
dargestellten Zahnradmaschine 10 ausgegangen, deren außenverzahnte
und miteinander kämmende
Zahnräder 12b,13b im
Bereich ihrer Zahnflanken modifiziert sind. Die Modifikation der
Zahnflanken besteht darin, daß auf
den Zahnflanken permanentmagnetische Abschnitte 31 ausgebildet
sind, bzw. daß die
Zahnflanken mindestens teilweise aus einem permanentmagnetischen
Material bestehen. Die Polung der miteinander in Wechselwirkung
tretenden permanentmagnetischen Abschnitte 31 ist dabei
so gerichtet, daß die
drehmomentübertragenden
Vorderflanken einander anziehen. Die zwischen den beiden Zahnrädern 12b,13b wirkenden magnetischen
Kräfte
bewirken eine zusätzliche
Haftkraft zwischen den beiden Zahnrädern 12b,13b, aus der
ein auf das getriebene Zahnrad 13b einwirkendes Bremsmoment
hervorgeht.
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Selbstverständlich sind Änderungen
oder Ergänzungen
an den gezeigten Ausführungsformen möglich, ohne
vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Diesbezüglich zu erwähnen ist,
daß der
Erfindungsgedanke nicht auf außenverzahnte Zahnradpaarungen
eingeschränkt
ist, sondern z.B. auch auf innenverzahnte Zahnradpaarungen ütbertragen
werden kann. Desweiteren weist die Erfindung keine Einschränkungen
in Bezug auf die Zähnezahlen
bzw. die Außendurchmesser
der miteinander im Eingriff befindlichen Zahnräder 12,13 auf.