EP1503081B1

EP1503081B1 - Hydropumpe

Info

Publication number: EP1503081B1
Application number: EP04017316A
Authority: EP
Inventors: Franz Arbogast; Peter Peiz
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: US7331775B2; CN1580575A; EP1503081A1; DE502004000652D1; KR20050014709A; JP2005054787A; US20050123419A1; DE10334954A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hydropumpe gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 1.
Eine solche Hydropumpe, auch Hydraulikpumpe genannt, wird insbesondere in der Industriehydraulik verwendet, um ein Hydrauliköl von einem ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau zu pumpen. Häufig fördern diese Pumpen aus einem Öltank, in der Regel in einem geschlossenen Kreislauf, so dass das Öl nach dem Durchlaufen der Arbeitsstrecke wieder in den Öltank eingeleitet wird. Die Öltanks sind dabei in der Regel in ihrer Größe so ausgelegt, dass sie ein Ölvolumen aufnehmen können, welches dem drei- bis fünffachen des Ölvolumens entspricht, welches pro Minute durch die Pumpe gepumpt wird.
Dadurch wird Folgendes erreicht: Öl, welches zuvor in den Tank eingeleitet wurde, führt häufig eingeschlossene Luft mit sich oder Luft wird beim Einleiten des Öls in den Tank vom Öl eingeschlossen. Durch den verhältnismäßig großen Tank verweilt das eingespeiste Öl eine ausreichende Zeitspanne im Tank, bevor es wieder aus dem Tank gefördert wird. Während dieser Verweildauer kann die im Öl eingeschlossene Luft an die Oberfläche aufsteigen. Bei entsprechend großer Tankauslegung kann somit zuverlässig erreicht werden, dass die Hydropumpe immer Öl ohne Lufteinschluss ansaugt.
Andere Verhältnisse liegen im Mobilbereich vor. Hier sind die Öltanks aus Kosten- und Gewichtsgründen wesentlich kleiner ausgeführt, was zu einer entsprechend kürzeren Verweildauer des Öls im Tank führt. Das führt dazu, dass die Hydropumpen verschäumtes Öl, das heißt Öl mit Lufteinschluss, ansaugen.
Diese ungünstigen Verhältnisse bewirken, dass im Druckaufbaubereich der Hydropumpe der für das Öl zur Verfügung stehende Raum nicht vollständig vom Öl aufgefüllt wird. Insbesondere bei Zahnradpumpen können die Zahnkammern in der Umsteuerphase nicht auf den gewünschten Systemdruck gebracht werden.
Beim Eintritt in den Druckbereich werden die ungefüllten Volumina - bei Zahnradpumpen die nur teilgefüllten Zahnkammern - schlagartig aufgefüllt. Es entstehen örtliche Druckstoßwellen, die zu hohen Pulsationen führen. Dies führt zu einer extremen Geräuschentwicklung und zur Bauteilschädigung durch Kavitation. Insbesondere im Druckaufbaubereich von Hydropumpen werden immer wieder Kavitationsspuren festgestellt.
Das Dokument DE 197 46 505 A schlägt eine intermittierende Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal einer Hydropumpe vor.
Das Dokument DE 199 34 035 A beschreibt einen Rückströmkanal in einer Hydropumpe, der durch ein Überdruckventil verschlossen wird. Dieser Kanal ist in dem Gehäuse der Hydropumpe eingebracht.
US-A-6 089 841 beschreibt eine Hydropumpe mit Rückströmkanälen, welche sich nur über einen Teil der Abdichtung zwischen dem Druckraum und dem Saugraum erstrecken.
Das Dokument JP 62 282185 A beschreibt eine Durchgangsbohrung in einer Hydropumpe, welche seitlich im Gehäuse der Hydropumpe eingebracht ist.
DE 199 15 784 A beschreibt einen Strömungskanal in dem Gehäuse einer Außenzahnradpumpe.
Das Dokument DE 1 553 014 offenbart Kanäle in dem Füllstück von Pumpen, welche bis zu einem vorgegebenen Abstand zu der Saugkammer reichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hydropumpe darzustellen, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und die vorgenannten Probleme weitgehend löst. Insbesondere sollen die Druckaufbauverhältnisse in einer Hydropumpe, insbesondere einer Zahnradpumpe, derart gestaltet werden, dass keine überhöhten Druckpulsationen entstehen und ein geräuscharmer im wesentlichen kavitationsfreier Betrieb möglich ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Hydropumpe mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 5 und 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfinder haben eine zugleich interessante wie auch ungewöhnliche Möglichkeit erkannt, durch bauliche Maßnahmen dafür zu sorgen, dass in einer Hydropumpe in den Druckbereich nur nahezu luftfreies Hydraulikmedium eintritt. Herkömmliche Ausführungen weisen bekanntlich im Umsteuerbereich von der Saugseite zur Druckseite enge Spielverhältnisse auf, um den Druckraum gegenüber dem Saugraum möglichst wirkungsvoll abzudichten und eine Rückströmung von Hydraulikmedium aus dem Druckraum in den Saugraum zu vermeiden, da dies einem Druckaufbau im Druckraum entgegenwirkt. Geringe Spiele beziehungsweise Spaltmaße zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Teilen werden als notwendig erachtet, um hohe volumetrische Wirkungsgrade zu erreichen.
Gemäß der Erfindung hingegen ist es vorgesehen, gezielt einen Volumenstrom von Hydraulikmedium aus dem Druckraum in den Saugraum einzustellen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass von dem Druckraum eine hydraulikmediumleitende Rückströmverbindung mit einem vorgegebenen Strömungsquerschnitt zu dem Saugraum vorgesehen ist. Gleichzeitig ist - mit Ausnahme der Rückströmverbindung - der Druckraum gegenüber dem Saugraum im wesentlichen druckdicht abgesperrt, das heißt, es findet außerhalb der hydraulikmediumleitenden Rückströmverbindung im wesentlichen keine Strömung von Hydraulikmedium aus dem Druckraum in den Saugraum statt, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Der gezielte rückströmende Volumenstrom bewirkt zum Beispiel bei einer Zahnradpumpe, dass die nur teilweise gefüllten Zahnkammern bis zum Eintritt in den Druckraum vollständig mit Hydraulikmedium, insbesondere Öl, gefüllt werden und vorteilhaft schon den gewünschten Systemdruck aufweisen. Dadurch kann eine Druckpulsation aufgrund des schlagartigen Befüllens von luftgefüllten Volumina wirkungsvoll verhindert werden.
Der gewünschte rückströmende Volumenstrom aus dem Druckraum in den Saugraum kann durch eine geeignete Auswahl der Größe des Verbindungsquerschnitts der Rückströmverbindung eingestellt werden.
Insbesondere wird die Größe des Verbindungsquerschnitts von der Druckseite zur Saugseite der Hydropumpe in Abhängigkeit des Luftgehalts des in den Saugraum angesaugten Hydraulikmediums eingestellt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand verschiedener Zahnradpumpen exemplarisch dargestellt werden.
Es zeigen:

Figur 1: eine Innenzahnradpumpe mit geteiltem Füllstück mit einer erfindungsgemäßen Rückströmverbindung;
Figur 2: eine Innenzahnradpumpe ohne Füllstück mit erfindungsgemäßer Rückströmverbindung;
Figur 3: eine Außenzahnradpumpe mit erfindungsgemäßer Rückströmverbindung.

In der Figur 1 erkennt man eine Innenzahnradpumpe mit sogenanntem Füllstück. Die Innenzahnradpumpe weist ein außenverzahntes Ritzel 10 und ein innenverzahntes Hohlrad 11 auf, die in einem kämmenden Eingriff miteinander stehen. Dabei ist, wie durch die strichpunktierten Mittelpunktsachsen angedeutet, das Ritzel 10 exzentrisch im Hohlrad 11 gelagert. Durch diese exzentrische Lagerung bilden das Ritzel 10 und das Hohlrad 11 einen sichelförmigen Raum zwischen sich aus. In diesen sichelförmigen Raum ist das Füllstück 14 geschaltet, welches stirnseitig, das heißt mit seiner stumpfen Seite, gegen einen Stift abgestützt ist. Die der stumpfen Seite gegenüberliegende spitze Seite des Füllstücks ist der Spitze des Sicherraumquerschnitts angepasst und fügt sich mit geringem Spiel in diesen ein.
Durch den Antrieb des Ritzels 10 dreht sich dieses um seine Längsachse und treibt das Hohlrad 11 an, welches im Gehäuse 16, welches das Hohlrad 11 umschließt, drehbar gelagert ist.
Das Füllstück 14 weist in Umfangsrichtung des Ritzels 10 beziehungsweise des Hohlrads 11 zwei gekrümmte flächige Außenseiten auf, nämlich auf der Seite des Ritzels 10 eine erste Oberfläche 14.1 und auf der Seite des Hohlrads 11 eine zweite Oberfläche 14.2. Die erste Oberfläche 14.1 ist in dichter Nähe zu den Zahnspitzen des Ritzels 10 gelagert und die zweite Oberfläche 14.2 in dichter Nähe zu den Zahnspitzen des Hohlrads 11. Dadurch wird eine erste Dichtfläche zwischen dem Ritzel 10 und der ersten Oberfläche 14.1 geschaffen und eine zweite Dichtfläche zwischen der zweiten Oberfläche 14.2 und dem Hohlrad 11. Diese Dichtflächen dichten zusammen mit dem verzahnten Eingriff zwischen dem Ritzel 10 und dem Hohlrad 11 sowie den dargestellten Dichtflächen zwischen dem Hohlrad 11 und dem Gehäuse 16 den Druckraum 1 gegenüber dem Saugraum 2 ab.
Um eine druckangepasste optimale Dichtwirkung der beiden Dichtflächen zwischen Füllstück 14 und Ritzel 10 beziehungsweise zwischen Füllstück 14 und Hohlrad 11 zu erreichen, ist das Füllstück 14 zweiteilig aufgebaut. Es umfasst einen Segmentträger 14.4 und ein Dichtsegment 14.3. Beide Teilstücke, das heißt Segmentträger 14.4 und Dichtsegment 14.3, sind radial benachbart zueinander angeordnet. Zwischen den beiden Teilstücken ist ein Spalt vorgesehen, welcher druckleitend mit der Druckkammer 1 verbunden ist. Entsprechend des Druckes im Druckspalt nehmen die beiden Teilstücke eine bestimmte radiale Position zueinander ein, um so die Spiele an den Oberflächen 14.1 und 14.2 entsprechend der Druckverhältnisse zu optimieren.
In den Oberflächen 14.1 und 14.2 sind Kanäle 15 vorgesehen, welche die erfindungsgemäße Rückströmverbindung 4 zwischen Druckraum 1 und Saugraum 2 herstellen. Wie man insbesondere in der Figur 1 b erkennen kann, sind vorliegend in jede Oberfläche 14.1 und 14.2 jeweils zwei parallele kerbenförmige Kanäle 15 eingebracht.
Die Figur 2 zeigt eine Innenzahnradpumpe ohne Füllstück. Entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in der Figur 1 versehen.
Entsprechend dieser vorteilhaften Ausführung sind die Rückströmverbindungen 4 in die Dichtfläche zwischen dem Hohlrad 11 und dem umschließenden Gehäuse 16 eingebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 16 im Bereich der gegenüber dem Hohlrad 11 abgedichteten Fläche zwischen Druckraum 1 und Saugraum 2 kerbenförmige Kanäle auf. Wie man in der Einzelheit aus der Figur 2b erkennt, sind drei parallele Kanäle in die Gehäuseinnenseitenoberfläche eingebracht. Durch die im Gehäuse 16 eingebrachte Rückströmverbindung 4 strömt hydraulisches Medium aus dem Druckraum 1 in Richtung des Saugraums 2. Über die radialen Bohrungen im Hohlrad 11 wird verbleibender Raum in den Zahnkammern im wesentlichen vollständig mit Hydraulikmedium, insbesondere Öl, aufgefüllt.
Die Figur 3 zeigt eine Zahnradpumpe, welche als Außenzahnradpumpe ausgeführt ist. Man erkennt zwei miteinander in kämmendem Eingriff stehende Ritzel 20 und 21, welche von einem gemeinsamen Gehäuse 22 umschlossen sind. Das Ritzel 20 bildet mit dem Gehäuse 22 eine erste Dichtfläche 23 aus. In diesem Bereich weisen die Zahnspitzen des Ritzels 20 einen vorgegebenen minimalen Abstand gegenüber der inneren Oberfläche des Gehäuses 22 auf.
Das Ritzel 21 bildet mit dem Gehäuse 22 eine zweite Dichtfläche 24 aus. In diesem Bereich weisen die Zahnspitzen des Ritzels 21 einen vorgegebenen minimalen Abstand zur inneren Oberfläche des Gehäuses 22 auf.
Ferner wird der Druckraum 1 vom Saugraum 2, welche beide zwischen den Ritzeln 20, 21 und dem Gehäuse 22 ausgebildet sind, durch den kämmenden Eingriff zwischen den Ritzeln 20 und 21 dichtend abgetrennt.
Die Drehrichtung beider Ritzel 20, 21 ist durch die Pfeile angezeigt.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung sind nun sowohl in der ersten Dichtfläche 23 als auch in der zweiten Dichtfläche 24 Kanäle in der Oberfläche des Gehäuses 22 vorgesehen, welche die Rückströmverbindung 4 ausbilden. Selbstverständlich ist es auch möglich, nur eine der beiden Dichtflächen mit entsprechenden Kanälen beziehungsweise einem Kanal zu versehen.

Claims

Hydropumpe mit
einem Druckraum (1) und
einem Saugraum (2); wobei
die Hydropumpe wenigstens einen Verdrängungskörper (3) aufweist, der derart angetrieben zwischen den Druckraum (1) und den Saugraum (2) geschaltet ist, dass ein hydraulisches Medium von dem Saugraum (2) in den Druckraum (1) gepumpt wird; und
von dem Druckraum (1), der gegenüber dem Saugraum (2) im wesentlichen druckdicht abgesperrt ist, eine hydraulikmediumleitende Rückströmverbindung (4) mit vorgegebenem Strömungsquerschnitt zu dem Saugraum (2) vorgesehen ist; wobei
die Pumpe als Innenzahnradpumpe ausgeführt ist, welche ein außenverzahntes Ritzel (10) und ein innenverzahntes Hohlrad (11) aufweist; und
das Ritzel (10) exzentrisch im Hohlrad (11) angeordnet ist und mit diesem in einem kämmenden Eingriff steht;
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem sichelförmigen Raum zwischen dem Ritzel (10) und dem Hohlrad (11) eine Füllung (14) vorgesehen ist, wobei die Rückströmverbindung (4) in die Füllung (14) eingebracht ist, so dass sie vom Druckraum (1) bis zu dem Saugraum (2) reicht.
Hydropumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückströmverbindung (4) in Form eines oder mehrerer Kanäle (15) in der Oberfläche der Füllung (14) vorgesehen ist.
Hydropumpe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (14) eine erste Oberfläche (14.1) aufweist, die abdichtend an den Zahnspitzen des Ritzels (10) anliegt, und eine zweite Oberfläche (14.2), die abdichtend an den Zahnspitzen des Hohlrads (11) anliegt, wobei der oder die Kanäle (15) in der ersten und/oder zweiten Oberfläche (14.1, 14.2) in Form von Kerben in Umfangsrichtung vorgesehen sind.
Hydropumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (14) ein zweiteiliges Füllstück aufweist, wobei die beiden Teilstücke radial benachbart zueinander angeordnet sind und radial zueinander, elastisch oder durch Druckbeaufschlagung im Sichelraum verlagerbar sind.
Hydropumpe mit
einem Druckraum (1) und
einem Saugraum (2); wobei
die Hydropumpe wenigstens einen Verdrängungskörper (3) aufweist, der derart angetrieben zwischen den Druckraum (1) und den Saugraum (2) geschaltet ist, dass ein hydraulisches Medium von dem Saugraum (2) in den Druckraum (1) gepumpt wird; und
von dem Druckraum (1), der gegenüber dem Saugraum (2) im wesentlichen druckdicht abgesperrt ist, eine hydraulikmediumleitende Rückströmverbindung (4) mit vorgegebenem Strömungsquerschnitt zu dem Saugraum (2) vorgesehen ist; wobei
die Pumpe als Innenzahnradpumpe ausgeführt ist, welche ein außenverzahntes Ritzel (10) und ein innenverzahntes Hohlrad (11) aufweist; und
das Ritzel (10) exzentrisch im Hohlrad (11) angeordnet ist und mit diesem in einem kämmenden Eingriff steht; wobei
dass das Hohlrad (11) von einem Gehäuse (16) umschlossen ist, und die Rückströmverbindung (4) in dem Gehäuse (16) vorgesehen ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rückströmverbindung (4) in Form von Kerben in Umfangsrichtung in einer oder mehreren Oberflächen des Gehäuses (16) vorgesehen ist, wobei diese Oberflächen abdichtend am Außenumfang des Hohlrads (11) anliegen.
Hydropumpe mit
einem Druckraum (1) und
einem Saugraum (2); wobei
die Hydropumpe wenigstens einen Verdrängungskörper (3) aufweist, der derart angetrieben zwischen den Druckraum (1) und den Saugraum (2) geschaltet ist, dass ein hydraulisches Medium von dem Saugraum (2) in den Druckraum (1) gepumpt wird; und
von dem Druckraum (1), der gegenüber dem Saugraum (2) im wesentlichen druckdicht abgesperrt ist, eine hydraulikmediumleitende Rückströmverbindung (4) mit vorgegebenem Strömungsquerschnitt zu dem Saugraum (2) vorgesehen ist; wobei
die Pumpe als Außenzahnradpumpe ausgeführt ist, welche mindestens zwei Ritzel (20, 21) aufweist, die miteinander in einem kämmenden Eingriff stehen; und
die Ritzel (20, 21) von einem Gehäuse (22) umschlossen sind; ferner zwischen den Ritzeln (20, 21) und dem Gehäuse (22) der Druckraum (1) und der Saugraum (2) ausgebildet sind; und
die Rückströmverbindung (4) in das Gehäuse (22) eingebracht ist; wobei das erste Ritzel (20) mit seinen Zahnspitzen am Gehäuse (22) abdichtend anliegt, so dass eine erste Dichtfläche (23) gebildet wird; und
das zweite Ritzel (21) mit seinen Zahnspitzen am Gehäuse (22) abdichtend anliegt, so dass eine zweite Dichtfläche (24) gebildet wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rückströmverbindung (4) im Bereich beider Dichtflächen (23, 24) in Form von einem oder mehreren Kanälen (25) in der Gehäuseoberfläche ausgebildet ist.