DE2016097A1

DE2016097A1 - Zahnradpumpe oder motor

Info

Publication number: DE2016097A1
Application number: DE19702016097
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kyoto Kita (Japan)
Original assignee: Shimadzu Seisakusho Ltd , Kyoto (Japan)
Priority date: 1969-11-18
Filing date: 1970-04-03
Publication date: 1971-06-03
Also published as: DE2016097C3; DE2016097B2; US3658452A; GB1310289A

Description

Dr. Ing. Η,

Dipl. Ing. H.Houck ,

Dipl. Phys. W, Schrnifz "■ ■ j

SMüncheii15,Mozsrfef;-.23 I

Tel. 53805&5 .-."-.■"■ I

Shimadzu Seisakusho Ltd.

378 Ichonofunairi-cho
Nijyo-sagaru, Kawarachidori

Nakagyo-ku, Kyoto ./ Japan 2. April 197ο

, Anwaltsakte M-lloo

Zahnradpumpe oder -motor

Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische Zahnradpumpen oder -motoren mit einem Gehäuse und zwei ineinandergreifenden im Ge-. häuse angeordneten Zahnrädern mit Schrägverzahnung. Die ineinanderjgreifenden Zahnräder haben eine einfache Schrägverzahnung.

Was die Zahnform von ineinandergreifenden Zahnrädern für Zahnradpumpen oder -motoren betrifft, so finden kontinuierliche Kurven, wie bogenförmige oder sinusförmige Kurven weitgehend Anwendung, da sie Verklemmen ("confinement phenomenon") verhindern. Auch für den Fall, daß eine Zahnform mit kontinuierlichem Kurvenverlauf verwendet wird, kann bei geradverzahnten oder Stirnrädern ein kontinuieriicheB Eingriff nicht sichergestellt werden. Es ist j daher erforderlich, Zahnräder nit Schrägverzahnung zu verwenden, die eine Phasenverschiebung, d.h. eine Steigung von mindestens einer halben Zahnteilung pro Zahnbreite haben. Vorzugsweise soll die Steigung gerade einer

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Zahnteilung entsprechen.

Bei Zahnradpumpen mit höherem Druck jedoch machen die hohen Belastungen der Lager eine Vergrößerung der Zahnbreite, was zu einer Vergrößerung des Steigungswinkels führen würde, unmöglich. Eine solche Vergrößerung des Steigungswinkels führt zu einer Vergrößerung der axialen Komponente der Eingriffskraft und außerdem zur Vergrößerung der nicht ausgeglichenen axialen Kraft, die infolge .der Neigung der Zahnlücken ausgeübt wird. Da diese nicht _;

ausgeglichenen Kräfte als hoRe Druckbelastung wirken, war es bis jetzt unmöglich, den Pumpendruck zu vergrößern.

Zur Lösung dieser Probleme ist versucht worden, Zahnräder mit Winkelverzahnung zu verwenden, so daß den axialen nicht ausgeglichenen Drücken entgegengewirkt werden kann. Die Zahnradpumpen oder -motoren mit Zahnrädern mit Winkelverzahnungen sind jedoch nachteilig dadurch, daß eine weitaus höhere Eingriffsgenauigkeit erforderlich ist, was zu einer Erhöhung des erforderlichen Aufwands führt. Außerdem sind die Zahnräder mit Winkelverzahnung nicht für Hochdruckpumpen verwendbar, weil sie infolge der ver- j größerten Zahnbreite unter höheren Lagerbelastungen leiden.

Aufgabe der Erfindungftst es daher, eine neue und verbesserte Zahnradpumpe oder einen -motor zu schaffen, der zwei ineinandergreifende Zahnräder mit Schrägverzahnung aufweis« und der die oben erwähnten Nachteile der bekannten Zahnradpumpen oder -motoren vermeidet.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die auf die Zahnräder wirkenden Druckkräfte durch den Flüssigkeitsdruck der Hochdruckseite \ der Pumpe oder des Motors ausgeglichen werden, der auf die einen. ' Enden der Zahnradwellen geleitet wird. ^!

Die Druckkräfte, die auf die ineinandergreifenden,Zahnräder mit
i Schrägverzahnung infolge der unterschiedlichsten Faktoren wirken, . ,werden sämtlich durch den Flüssigkeitsdruck von der Hochdruckseite , der Pumpe oder des Motors angemessen ausgeglichen. ;

j Es sind Mittel für die Zuführung des Flüssigkeitsdruckes von der !'

! Hochdruckseite der Zahnradpumpe oder des -motors zu einem Ende

■der Zahnradwellen vorgesehen in der Weise, daß unterschiedliche j

I ."■■■■" " .

^! Gesamtdrücke auf ein Ende der Zahnradwellen aufgebracht werden

entsprechend den untesschiedlichen totalen Drücken, die auf die

i Zahnradwellen virken.

iBei der Zahnradpumpe oder dem -motor gemäß der Erfindung werden
'die Drücke, die auf die ineinandergreifenden Zahnräder mit Schräg-'

!■-■-. ^:. ' ■ ■ - ■.■■'■ ■■:-""" - ' - i

!verzahnung wirken, durch einen Flüssigkeitsdruck ausgeglichen. ;

i , -■■■■-.,■.■■ ' ■ " ;■ - ■■■-■ ■-■■■■:-■■ ... j j Die Quelle für diesen Flüssigkeitsdruck zum Ausgleich der Drücke, j

die auf die Zahnräder wirken, kann die Hochdruckseite der Zahnradpumpe öder des -motors sein. Der Flüssigkeitsdruck wird auf
ein Ende von jeder Zahnradwelle gegeben. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist ein Ende jeder Zahnradwelle im . Eingriff mit einem Kolben, der axial gleitend in einem Zylirfüer
geführt ist, der seinerseits im Gehäuse ausgebildet ist, Jeder
'der Zylinder steht mit, der Hochdruckseite, der Pumpe oder des Motorjs

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in Verbindung, so daß der Flüssigkeitsdruck auf die Kolben in dem zugeordneten Zylinder aufgebracht werden kann. Die den Flüssigkeitsdruck aufnehmenden Flächen an einem Ende der Zahnradwellen sind < so dimensioniert, daß sie die entsprechenden Drücke von unterschiedlicher Höhe ausgleichen. ;

Bei einer Zahnradpumpe ist die den Flüssigkeitsdruck aufnehmende Fläche an einem Ende der Antriebswelle etwa dreimal so groß wie die den Flüssigkeitsdruck aufnehmende Fläche an einem Ende der angetriebenen Zahnradwelle.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand von Zeichnungen hervor.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine typische Ausbildung einer Zahnradpumpe gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Anordnung nach Fig. 1, gekennzeichnet durch die Linien 2-2.

Anhand der Zeichnungen, besonders zunächst anhand von Fig. 1 wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer Zahnradpumpe beschrieben; es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch in Verbindung mit einem Zahnradmotor verwendet werden kann.

ι Die Pumpe enthält zwei miteinander in Eingriff stehende Zahnräder j

11 Und 12 mit Schrägverzahnung , die innerhalb eines zylind- j

riechen Gehäuses 13 angeordnet sind. Das Gehäuse 13 enthält einen _ - 5 -

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Teil 14 mit zylindrischer Seitenwand und zwei Stirnteile 15 * auf gegenüberliegenden Seiten des Teils 14. Nachfolgend wird der Stirnteil IS als Vorderteil und der andere Stirnteil 16 als End--, deckel bezeichnet. Der zylindrische Teil 14 ist zwischen dem Vorderteil 15 und dem Enddeckel 16 mit Hilfe von vier nicht gezeigten Schrauben eingespannt, die von dem Enddeckel 16 durch das Innere des zylindrischen Teils 14 zum Vorderteil 15 sich erstrecken. Obwohl es in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, können die Schrauben am Vorderteil 15 enden und an diesem durch eine Schraubverbindung befestigt sein.

Der Vorderteil 15 besitzt eine Ausnehmung für ein Wälzlager 19 und eine geeignete Öldichtung 2o. Durch die öldichtung. *2o und das Wälzlager 19 hindurch erstreckt sich eine totffisfeswelle 21 in eine innere Kammer im Gehäuse 13, die zum Antrieb des Zahnrades 11 mit diesem in Eingriff steht. Das Zahnrad 11 ist in bekannter ; Weise auf der Welle 12 aufgekeilt. Die Antriebswelle 21 ist beidseitig des Zahnrades 11 in zwei Nadellagern 26 und 27 gelagert, die von Bohrungen 28 und 29 im Vorderteil 15 bzw. in dsm Enddecke], 16 aufgenommen sind. Eine angetriebene Welle 25 ist beidseitig eines angetriebenen Zahnrades 12 in zwei Nadellagern 3© und 31 gelagert, die ihrerseits innerhalb von Bohrungen 32 und 33 im Vorderteil 15 bzw» im Ehddeckel t& angeordnet sind«

Die miteinander kämmenden Zahnräder 11 und 12 sind zwischen seitliehen Dichtungsplatten 34 und 35 gehalten« Di© DichtungspXatten 34 wtä 35 liegen mit iteesi inn©s»es&- 8@1ΐ®π gloitar

B ,

und dichtend an den Stirnseiten der Zahnrad©!⁵ 11 und 12 ©a - ~ _ -BAD-ORIGINAL

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liegen mit ihren äußeren Seiten über Anschlagplatten 38 und 39 an einer Stirnseite 36 des Vorderteils bzw. einer Stirnseite 37 des Enddeckels 16 an. Die Anschlagplatten 38 und 39 liegen dauernd an der Stirnseite 36 des Vorderteils 15 bzw. an der Stirnseite 37 des Enddeckels 16 an. Die Bezugszeichen 4o und 41 bezeichnen Dichtungen, die zwischen die Dichtungsplatte 34 und die Anschlagsplatte 38 bzw. zwischen der Dichtungsplatte 35 und der Anschlag- : platte 39 eingesetzt sind.

Der Anpressdruck zur Gewährleistung eines dichtenden Eingriffs zwischen den Stirnseiten der Dichtungsplatten 34, 35 und den Zahnrädern 11, 12 wird durch den Flüssigkeitsdruck hergestellt, der auf die Außenseite der seitlichen Dichtungsplatten 34 und 35 ι wirkt Mit anderen Worten, der FIü sigkeitsdruck'von der Hochdruckjseite der Pumpe baut sich in dem Spalt auf, der zwischen den seit-! liehen Dichtungsplatten 34, 35 und den zugehörigen Anschlagsplatten 38, 39 vom Rand her entstehen kann,. Die Dichtungen 4o und 41 bestimmen die Druckeinwirkungsflächen für den Flüssigkeitsdruck für die seitlichen Dichtungsplatten 34 und 35. Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 1 ist die Druckeinwirkungsfläche auf der Außenseite der seitlichen Dichtungsplatte 34 ' geößer als die auf djer Außenseite der seitlichen Dichtungsplatte 35, da die Druckkraft der Flüssigkeit, die zwischen die in Ein- j griff stehenden Zähne der Zahnräder eingeführt wird auf der Seite der Platte 34 größer ist als auf der Seite der Platte 35. Dieses System, bei dem die seitlichen Dichtungsplatten mit Hilfe des Flüssigkeitsdrucks auf der Hochdruckseite der Pumpe gegen die in Eingriff stehenden Zahnräder gepreßt werden, ist als "ausge-

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glichene Druckbeaufschlagung" bekannt. Daher ist hierfür eine weitere Erläuterung nicht erforderlich.

Im folgenden wird der Druck betrachtet, der auf die in Ein- !griff stehenden Zahnräder 11 und 12 mit Schraubenradverzahnung !einwirkt. In Fig. 1 deuten die Pfeile A und B die Drücke an, die lauf die Zahnräder 11 und 12 wirken. Der Druck A, der auf das Zahnrad 11 wirkt, stellt die Summe eines Druckes Fa dar» die sich aus dem Moment T für das Ineinandergreifen und aus einem 'Druck Fb ergibt, der sich aus dem Flüssigkeitsdruck auf die seitlichen Dichtungsplatten 34 und 35 ergibt.

Das Fördervolumen D der Pumpe pro Umdrehung wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

D = 2Trhb

wobei r der Teilkreisradius der Zahnräder 11, 12, h die Zahnhöhe der Zahnräder 11, und b die Zahnbreite der Zahnräder 11, 12 ist, ipas Übertragungsmoment T der Zahnräder 11, 12 wird durch folgende ^Gleichung bestimmt:

ί 2?-T = Dp ί 2frbhp

Ti rbhp

wobei ρ der Flüssigkeitsdruck ist. .

Die tangentiale Kraft Ft, mit der die Zahnräder 11 und 12 kämmen", wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

Ft = T/2r f-y-bhp

■■-:-- 8-

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Entsprechend ergibt sich der Druck Fa entsprechend dem Moment des Ineinandereingreifens wie folgt:

Fa = Ft . tan 0 ± -|— bhp tan θ

wobei Q der Steigungswinkel der Zahnräder 11 und 12 ist. Andererseits ist

Fp = btan θ · hp = 2Fa

Daraus ergibt sich

(1)

A = Fa + Fp = 3Fa f -— bhp tan 0

Da die Richtung des Druckes infolge des Moments T des Zahnrads 12 de» des Zahnrades 11 entgegengesetzt ist, kann der Druck B, der auf das Zahnrad 12 wirkt, durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

B = -Fa + Fp s Fa = —|— bhptan θ

(2)

Aus Obigem ergibt sich, daß das Verhältnis von A zu B annähernd 3:1 ist.

Gemäß der Erfindung sind die auf die Zahnräder 11 und 12 wirkenden Drücke A und B ausgeglichen mit dem Flüssigkeitsdruck auf der Hochdruckseite der Pumpe, der auf ein Ende der beiden Wellen und 25 gegeben wird. Die Zahnradwellen 21 und 25 stehen an einem 'Ende mit Kolben 51, 52 über Druckplatten 53, 5U in Eingriff. Die Kolben 51 und 52 sind in axialer Richtung gleitend in zugehörigen Zylindern 55, 56 gelagert, die von Ausnehmungen in dem Enddeckel 16 gebildet sind.Die Zylinder 55 und 56 stehen ait Druckkaaeern 57, 58 in Verbindung, die ihrerseits mit der Hoch druckseite der Pumpe über Kanäle 59, 6o und eine gemeinsame Off- ,

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nung 61 verbunden sind. Dieser Aufbau ist deutlicher in Fig» 2 dargestellt.

]In Fig. 2 besitzt die Antriebswelle 21, die das Zahnrad 11 aufweist, auf ihrer Stirnseite eine flache Ausnehmung 63, in der die Druckplatte 53 befestigt ist. Die Druckplatte 53 liegt an dem Kolben 51 an, der gleitend in dem Zylinder 55 geführt ist, I der von einer Ausnehmung in dem Enddeckel 16 gebildet ist. Das I Bezugszeichen 6»t betrifft einen O-Ring, der im Kolben 51 befestigt ist. Der Zylinder 55 ist zur Druckkammer 57 geöffnet, in der ein Flüssigkeitsdruck aufgebaut wird, der über den Kanal 59 und die Öffnung 61 von der nicht gezeigten Hochdruckseite der Plumpe übertragen wird. Der Kolben 51 besitzt eine mittlere kleine Öffnung 65, die einen Hohlraum zwischen der Druckplatte 53 und dem Kolben 51 mit der Druckkammer 57 verbindet. Der Kolben 51, der Zylinder 55 und die Druckkammer 57 dehnen sich sämtlich in Richtung der Achse der Welle 21 aus. Die Druckplatte 54, der Kolben 52,.der Zylinder 56 und die Druckkammer 58 sind im Verhältnis zur angetriebenen Welle 25 in der gleichen Weise angeordnet wie bei der Antriebswelle 21.

In den Druckkammern wird der gleiche Flüssigkeitsdruck aufgebaut.

sich iDa jedoch die Druckangriffsflachen der Kolben 51 und 52/annähernd wie 3:1 verhalten, wird auf die Wellen 21 und 25 ein verschiedener absoluter Flüssigkeitsdruck ausgeübt, wobei die Unterschiedlichen Flüssigkeitsdruck« wirksam und weitgehend genau die iuvt@rsehi@dlichen Drücke A und B, die auf die Wellen wirken, ausgleichen»

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Gemäß der Erfindung ist es auf diese Weise möglich, einen vollkommenen und zuverlässigen Ausgleich der Drücke, die auf die ineinandergreifenden Zahnräder wirken und des gegenwirkenden Flüssigkeitsdruck«zu erzielen. Die Verwendung von Kolben, die getrennt sind von den Zahnradwellen, ist aus dem Grunde vorteilhaft, weil es nicht erforderlich ist, eine exakte Ausrichtung zwischen- den Zahnradwellen und den Zylindern, in den der Flüssigkeitsdruck gegeben wird, vorzunehmen. Durch eine extrem sichere Dichtung wird verhindert, daß Flüssigkeit entlang der Wellen einleckt.

Es wird jedoch angemerkt, daß zwar das Wesen der Erfindung direkt oder indirekt darauf beruht, daß das Ende der Zahnradwelle als ! druckaufnehmende Fläche ausgebildet ist, daß jedoch das Vorhandensein eines Ausgleichskolbens und einer Öruckaufnehmenden Fläche nicht unbedingt erforderlich ist. Es ist auch möglich, den Flüssigkeitsdruck direkt auf das Ende der Zahnradwelle wirken zu lassen, indem eine Dichtung von großer Leistung im Lagerteil vorgesehen wird. In diesem Fall bildet das Ende der Zahnradwelle

selbst eine druckaufnehmende Fläche. Alle abgewandelten Ausführungsformen, die andere Druckflächen bilden, werden von der ! Erfindung miterfaßt.

Es wird außerdem angemerkt, daß die Anordnung nicht notwendigerweise auf die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform beschränkt ist. Zum Beispiel ist nicht absolut erforderlich, da· Verhältnis der Kolbenflächen 3:1 zu machen» Die Druckflächen können in Abhängigkeit von der nicht ausgeglichenen Kraft die

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auf die entsprechende Welle wirkt, ausgebildet werden. Obgleich ferner die Lageranordnungen mit Druckplatten ausgebildet wurden,/ sind solche Druckplatten nicht unbedingt erforderlich, und die Kolben können direkt den Wellenenden gegenüberstehen, und es ist möglich, einen einfacheren Eingriff vorzusehen anstelle des Drückaufnahmemechanismus für den statischen Druck.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung der seitlichen '.

Anschlagplatten der Lager für die Wellen usw. nicht auf die in !

!der Zeichnung gezeigte Ausführungsform begrenzt. Die Flüssigkeit,

die von der Zahnradpumpe gefördert wird, ist nicht auf öl be-

j grenzt. ■ ■ |

Die Zahnform der Zahnräder der Zahnradpumpe gemäß der vorliegenden; Erfindung ist la oben beschriebenen Fall so, daß die Zähne eine gleichmäßig gekrümmte Kurve darstellen, die Erfindung kann jedoch auch bei Zahnradpumpen Verwendung finden, die eine Evolventen- !

verzahnung oder eine ähnliche verwenden und die im allgemeinen

gebraucht sind» Der Umfang der Erfindung ist in keiner Weise durch· diese Zahnform begrenzt.

Es ist eine Selbstverständliehkeit_s daßdie vorliegende Erfindung, wie sie an dem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, nicht lediglich für Zahnradpumpen anwendbar ist, sondern auch für Zahnradmotoren. . —

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Claims

Patentansprüche

1.)Zahnradpumpe oder -motor mit einem Gehäuse und zwei ineinandergreifenden im Gehäuse angeordneten Zahnrädern mit Schrägverzahnung, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Zahnräder wirkenden Druckkräfte durch den Flüssigkeitsdruck der Hochdruckseite der Pumpe oder des Motors ausgeglichen werden, der auf die einen Enden der Zahnradwellen geleitet wird.

2. Pumpe oder Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Zahnradwellen mit einem Kolben in Eingriff steht, der axial gleitend in einem Zylinder geführt ist, der seinerseits im Gehäuse ausgebildet ist, und daß der Zylinder mit der Hochdruckseite der Pumpe oder des Motors in Verbindung steht, so daß der Flüssigkeitsdruck auf dem Kolben im Zylinder wirkt.

3. Pumpe oder Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Flüssigkeitsdruck aufnehmenden Flächen an einem Ende

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der Zalinradwellen so dimensioniert sind, daß sie .die auf die entsprechenden Wellen ausgeübten DruckkrHfte ausgleichen.

. Zahnradpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet> daß die den Flüssigkeitsdruck aufnehmende Fläche am Ende der Antriebs·* welle etwa dreimal so groß ist wie die den Flüsisigkeitsdruck aufnehmende Fläche am Ende der angetriebenen Welle.

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