DE19727887A1 - Hydraulische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem orbitierenden Verdrängungselement, das über eine Zwischenwelle mit einer Ausgangswelle drehfest verbun­ den ist, wobei die Zwischenwelle an mindestens einem Ende eine Außenverzahnung aufweist, die mit einer In­ nenverzahnung in Eingriff steht, der eine Schwenkbewe­ gung der Zwischenwelle erlaubt.

Eine derartige Maschine ist beispielsweise aus US 3 973 880 bekannt.

Maschinen dieser Art können beispielsweise als Motor, als Pumpe oder als Lenkeinheit eingesetzt werden. Die Funktion der Ausgangswelle richtet sich nach dem ge­ wünschten Verwendungszweck. Wenn die Maschine als Motor eingesetzt wird, dann gibt der Motor über die Ausgangs­ welle seine mechanische Leistung ab. Wenn die Maschine als Pumpe eingesetzt wird, dann wird sie über die Aus­ gangswelle angetrieben. Im Fall der Lenkeinheit kann ein Steuerhandrad mit der Ausgangswelle verbunden sein.

Das Verdrängungselement ist in vielen Fällen als Zahn­ rad ausgebildet, das mit einem zweiten Verdrängungsele­ ment, das als Zahnring oder Zahnkranz ausgebildet ist, kämmt. Das Verdrängungselement führt im Betrieb nicht nur eine reine Drehbewegung aus, sondern es orbitiert auch um die Achse der Ausgangswelle. Um diese Drehbewe­ gung auf die Ausgangswelle übertragen zu können, ist die Zwischenwelle vorgesehen, die auch als "dog-bone" bezeichnet wird. Diese Zwischenwelle muß die notwendige Schwenkbewegung erlauben.

Die Zwischenwelle ist in den meisten Fällen schwächer als das Verdrängungselement und vielfach auch schwächer als die Ausgangswelle. Sie begrenzt daher die Belast­ barkeit der Maschine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belast­ barkeit der Maschine zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Außen­ verzahnung Zähne mit konkav verlaufenden Zahnflanken aufweist, die an ihren axialen Enden weniger stark ge­ krümmt sind als im Bereich der axialen Mitte.

Die Krümmung der Zahnflanken ist also so ausgestaltet, daß sich die zur Verfügung stehende Fläche zu den axia­ len Enden der Zähne vergrößert. Damit nimmt die Flä­ chenpressung der Zähne, also die spezifische Belastung der Zahnflanken, zu den axialen Enden der Zähne hin ab. Zur axialen Mitte hin wird die Fläche zwar kleiner und damit auch die Flächenpressung, d. h. die Kraft geteilt durch die Fläche, größer. Hier ist der Zahn dann aber dicker, so daß er die Belastung leichter aushalten kann. In den bisherigen Fällen waren die Verhältnisse praktisch umgekehrt. Hier nahm die Flächenpressung zu den axialen Enden der Zähne hin zu, was naturgemäß leichter zur Gefahr einer Beschädigung führte. Dadurch, daß die Zahnflanken konkav gekrümmt sind, entfällt auch die Notwendigkeit, eine scharfe Innenkante ausbilden zu müssen. Hierdurch ist die Gefahr einer Kerbwirkung ge­ ringer, so daß die Belastbarkeit weiter vergrößert wird. Darüber hinaus ergibt sich als zusätzlicher Vor­ teil ein verschleißarmeres und ruhigeres Laufverhalten, weil die Zähne mit der entsprechenden Gegenverzahnung bei ansonsten unveränderten Bedingungen mit einer ge­ ringeren Flächenpressung aneinander anliegen. Die Bela­ stung kann mit der neuen Ausgestaltung praktisch ver­ doppelt werden, wenn man ansonsten die gleiche Dimen­ sionierung voraussetzt. Dies ergibt sich zum einen aus der Verminderung des Kerbfaktors, was bereits erheblich zu einer Reduzierung des Spannungsniveaus beiträgt. Ein anderer wesentlicher Beitrag liegt im besseren Stütz- oder Trageverhalten des Profils gegenüber einem Profil mit "scharfen" Zähnen an der Zwischenwelle.

Vorzugsweise sind die Zahnflanken benachbarter Zähne durch ein kontinuierlich verlaufendes Profil miteinan­ der verbunden. Damit kann man auch den Boden des Zahn­ zwischenraums in die Krümmung der Zahnflanken mit ein­ beziehen. Es ergibt sich also eine stufen- und knick­ freie Verbindung der Zahnflanken, was die Laufeigen­ schaften verbessert und die Verschleißfestigkeit und die Belastbarkeit erhöht.

Mit Vorteil weist das Profil an jeder axialen Position die gleiche Krümmung auf wie die Zahnflanken. Es ergibt sich also bei jedem Schnitt senkrecht zur Axialrichtung eine stetig differenzierbare Kurve, an der die entspre­ chenden Gegenzähne der Innenverzahnung gut abrollen können.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorge­ sehen, daß die Form der Zahnzwischenräume im wesentli­ chen gebildet ist durch Teile der Mantelflächen einan­ der gegenüberliegender Kegelstümpfe. Wenn man einen Schnitt parallel zur Achse der Zwischenwelle durch­ führt, dann besteht der Grund der Zahnzwischenräume aus zwei gegenläufig geneigten Geraden. Geringfügige Abwei­ chungen von der Form einer exakten Geraden sind natür­ lich aus produktionstechnischen Gründen zulässig. Das Profil weist jedoch in Axialrichtung keine ausgeprägten Krümmungen mehr auf. Voraussetzung hierfür ist ledig­ lich, daß die Neigungen an den Schwenkwinkel der Zwi­ schenwelle gegenüber dem Verdrängungselement bzw. der Ausgangswelle angepaßt sind. Damit läßt sich die Bela­ stung relativ gleichmäßig auf jeweils eine halbe axiale Erstreckung einer jeden Zahnflanke verteilen, so daß wiederum eine geringere Flächenpressung erzielt wird.

Mit Vorteil weist der Grund in der Mitte des Zahnzwi­ schenraums eine Neigung im Bereich von 1° bis 10°, ins­ besondere von 1° bis 3,5°, gegenüber der Achse der Zwi­ schenwelle auf. Derartige Winkel haben sich als zweck­ mäßig erwiesen. Sie reichen in den meisten Fällen voll­ kommen aus, um das Orbitieren des Verdrängungselements zuzulassen.

Mit Vorteil weist die Außenverzahnung eine Zähnezahl im Bereich von 3 bis 20, insbesondere von 8 bis 12 auf. Damit ergeben sich Eingriffswinkel im Bereich von 30° bis 45°. Bei derartigen Eingriffswinkeln haben die Zäh­ ne die größte Lebensdauer. Es ergibt sich in der Regel ein relativ ruhiges Laufverhalten.

Mit Vorteil weist die Innenverzahnung eine in Axial­ richtung gleichbleibende Form auf. Man kann nämlich aufgrund der Ausbildung der Außenverzahnung der Zwi­ schenwelle die Innenverzahnung des Verdrängungselements bzw. der Ausgangswelle nun so gestalten, daß sie sich in Axialrichtung nicht verändert. Damit läßt sich noch besser eine Anpassung der Innenverzahnung an die Außen­ verzahnung erreichen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Form der Zähne der Innenverzahnung im wesentlichen gebildet ist durch einen Teil der Mantelfläche eines Zylinders. Zwar er­ hält man hierbei die Situation, daß am Übergang der Zahnflanken in den Zahnzwischenraum möglicherweise ein Knick entsteht, der zu einer Kerbwirkung führen könnte. Dies ist aber nicht ganz so kritisch wie auf der Zwi­ schenwelle, weil hier die Bauteile entsprechend größer dimensioniert werden können und entsprechend wider­ standsfähiger sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine hydraulische Maschine und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Endes einer Zwischenwelle mit Außenverzahnung.

Eine hydraulische Maschine 1, die im vorliegenden Fall als Motor ausgebildet ist, weist ein als Zahnrad ausge­ bildetes erstes Verdrängungselement 2 auf, das mit ei­ nem als Zahnkranz ausgebildeten zweiten Verdrängungse­ lement 3 zusammenwirkt. Hierbei rotiert das Zahnrad 2, während es gleichzeitig um eine Achse orbitiert, d. h. der Mittelpunkt des Zahnrads 2 führt einen Umlauf um diese Achse aus.

Die genannte Achse ist gleichzeitig die Achse einer Ausgangswelle 4, mit der das Verdrängungselement 2 über eine Zwischenwelle 5 drehfest verbunden ist. Die Zwi­ schenwelle 5 muß bei einem Umlauf des Verdrängungsele­ ments 2 eine gewisse Schwenkbewegung ausführen können, d. h. sie muß mit dem Verdrängungselement 2 gelenkig verbunden sein.

Um diese Schwenkbewegung durchführen zu können, weist die Zwischenwelle 5 an ihren beiden axialen Enden je­ weils eine Außenverzahnung 6, 7 auf, wobei die Außen­ verzahnung 6 mit einer schematisch dargestellten Innen­ verzahnung 8 am Verdrängungselement 2 und die Außenver­ zahnung 7 mit einer Innenverzahnung 9 an der Ausgangs­ welle 4 in Eingriff steht.

Die Form der Außenverzahnung soll nun anhand von Fig. 2 erläutert werden. Es sei hierbei allerdings vorausge­ schickt, daß die Verhältnisse zur Erläuterung insbeson­ dere im Hinblick auf Neigungswinkel übertrieben groß dargestellt sind.

Die in Fig. 2 dargestellte Außenverzahnung 6 der Zwi­ schenwelle 5 weist mehrere Zähne 10 auf, die Zahnflan­ ken 11 und 12 aufweisen. Die Zahnflanken 11, 12 sind konkav gekrümmt. Hierbei gehen die Zahnflanken 11, 12 einander benachbarter Zähne ineinander über, d. h. die konkave Krümmung setzt sich auch im Grund 13 der Zahn­ zwischenräume fort.

Die Krümmung der Zahnflanken 11, 12 und des Grundes 13 des Zahnzwischenraums ist nun so ausgebildet, daß sie sich von der axialen Mitte 14 der Zahnstruktur zu den axialen Enden 15, 16 hin vergrößert. Dies soll dadurch verdeutlicht werden, daß die Abstände der im wesentli­ chen axial verlaufenden Linien 17, die die Krümmung verdeutlichen sollen, an den axialen Enden 15, 16 grö­ ßer sind als in der axialen Mitte 14 der Außenverzah­ nung 6. Damit nimmt auch die zur Verfügung stehende Fläche an den Zahnflanken 11, 12 zu den axialen Enden 15, 16 der Verzahnung hin zu, so daß bei gleichbleiben­ den Kräften die Flächenpressung vermindert wird.

An jeder axialen Stelle des Profils des Zahnzwischen­ raums, das die Zahnflanken 11, 12 und den Grund 13 um­ faßt, liegt eine im wesentlichen gleichbleibende Krüm­ mung vor. Würde man an dieser Stelle einen Schnitt senkrecht zur Axialrichtung machen, dann hätte dieses Profil im Schnitt praktisch die Form einer Kreislinie. Die Fläche, die die Zahnflanken 11, 12 und den Grund 13 abdeckt, wird also gebildet durch einen Teil der Man­ telflächen von zwei einander gegenüberliegenden Kegel­ stümpfen.

Das hat zur Folge, daß der Grund 13 in der Mitte zwi­ schen zwei Zähnen 10 eine gewisse Neigung gegenüber der Achse der Zwischenwelle 5 aufweist. Im vorliegenden Fall liegt der Neigungswinkel im Bereich von 1° bis 3,5°. Er hängt ab von der Neigung, die die Zwischenwel­ le 5 im Betrieb gegenüber der Achse der Welle 4 ein­ nimmt. In Fig. 2 sind allerdings, wie gesagt, die Ver­ hältnisse stark übertrieben dargestellt.

Die mit der Außenverzahnung zusammenwirkenden Gegenver­ zahnung, also beispielsweise die Innenverzahnung 8 am Verdrängungselement 3 kann einfach durch Zähne gebildet werden, die die Form von Zylindern haben, die teilweise in das Verdrängungselement 3 eingebettet sind. Ihre Form ändert sich also in Axialrichtung nicht. Sie wir­ ken aufgrund ihrer Form sehr gut, verschleißarm und be­ lastungsstark mit der in Fig. 2 dargestellten Außenver­ zahnung zusammen.

Die Außenverzahnung 6, 7 weist zweckmäßigerweise acht bis zwölf Zähne auf.

Claims (8)

1. Hydraulische Maschine mit einem orbitierenden Ver­ drängungselement, das über eine Zwischenwelle mit einer Ausgangswelle drehfest verbunden ist, wobei die Zwischenwelle an mindestens einem Ende eine Au­ ßenverzahnung aufweist, die mit einer Innenverzah­ nung in Eingriff steht, der eine Schwenkbewegung der Zwischenwelle erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenverzahnung (6, 7) Zähne (10) mit kon­ kav verlaufenden Zahnflanken (11, 12) aufweist, die an ihren axialen Enden (15, 16) weniger stark ge­ krümmt sind als im Bereich der axialen Mitte.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken (11, 12) benachbarter Zähne (10) durch ein kontinuierlich verlaufendes Profil miteinander verbunden sind.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil an jeder axialen Position die glei­ che Krümmung wie die Zahnflanken (11, 12) aufweist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Zahnzwischenräume im wesentlichen gebildet ist durch Teile der Man­ telflächen einander gegenüberliegender Kegelstümp­ fe.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund (13) in der Mitte des Zahnzwischenraums eine Neigung im Bereich von 1° bis 10°, insbesondere von 1° bis 3,5°, gegenüber der Achse der Zwischenwelle (5) aufweist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenverzahnung (6, 7) eine Zähnezahl im Bereich von 3 bis 20, insbesondere von 8 bis 12 aufweist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverzahnung (8, 9) eine in Axialrichtung gleichbleibende Form aufweist.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Zähne der Innenverzahnung (8, 9) im wesentlichen gebildet ist durch einen Teil der Mantelfläche eines Zylinders.