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Die Erfindung betrifft eine Zahnradmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
DE 10 2005 056 909 A1 ist eine Zahnradmaschine bekannt, welche wahlweise als Pumpe oder als Motor betrieben werden kann. Die Zahnradmaschine umfasst ein Gehäuse, in dessen Innenraum ein erstes und ein zweites Zahnrad angeordnet sind, welche im Außeneingriff miteinander kämmen. Das erste Zahnrad ist mit einer Welle verbunden, die mit einem Antriebszapfen aus dem Gehäuse herausragt, wobei das zweite Zahnrad mit einer Achse verbunden ist. Das erste bzw. zweite Zahnrad kann einstückig mit der Welle bzw. der Achse verbunden sein, es ist aber auch möglich, dass die genannten Teile gesondert voneinander ausgebildet sind. Die Achse und die Welle sind in zwei gegenüberliegend angeordneten Lagebrillen drehbar gelagert, welche die beiden Zahnräder gleichzeitig an den Stirnseiten gegen Fluidaustritt abdichten. An dem Gehäuse ist weiter ein Niederdruck- und ein Hochdruckanschluss vorgesehen, wobei der Druck des Hydraulikfluids beim Betrieb der Zahnradmaschine am Hochdruckanschluss höher ist als am Niederdruckanschluss. Wenn die Zahnradmaschine als Pumpe betrieben wird, fließt das Hydraulikfluid, insbesondere Hydrauliköl, vom Niederdruckanschluss zum Hochdruckanschluss. Wenn die Zahnradmaschine als Motor betrieben wird, fließt das Hydraulikfluid vom Hochdruckanschluss zum Niederdruckanschluss, wobei der Antriebszapfen in Drehbewegung versetzt wird.
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Es ist bekannt, dass die beiden Zahnräder durch die in der Zahnradmaschine wirkenden Druckkräfte verlagert werden, und zwar vom Hochdruckanschluss weg in Richtung des Niederdruckanschlusses. Dies führt, insbesondere, wenn die beiden Zahnräder am Kopfkreisdurchmesser mit einer scharfen Kante versehen sind, zu einem Einlaufeffekt, der zur Folge hat, dass sich im Bereich des Niederdruckanschlusses zwischen dem Kopfkreisdurchmesser der Zahnräder und dem Gehäuse ein optimal kleiner Dichtspalt einstellt. Damit wird nahezu vollständig verhindert, dass Hydraulikfluid an den Zahnköpfen vorbei von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Pumpe fließt, so dass der volumetrische Wirkungsgrad der Zahnradmaschine hoch ist. Der optimale Zustand stellt sich allerdings nur beim maximalen Betriebsdruck der Zahnradmaschine ein. Sobald der Betriebsdruck, insbesondere der Druck am Hochdruckanschluss, abgesenkt wird, verlagern sich die Zahnräder wieder zurück in Richtung ihrer unbelasteten Lage, so dass sich der Dichtspalt am Kopfkreisdurchmesser wieder vergrößert, so dass der volumetrische Wirkungsgrad gegenüber demjenigen bei maximalem Betriebsdruck absinkt. Dieses Verhalten ist besonders ausgeprägt bei niedrigen Drehzahlen der Zahnräder und bei niedrigen Fluidviskositäten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den volumetrischen Wirkungsgrad der Zahnradmaschine, insbesondere bei mittleren Betriebsdrücken, zu steigern. Weiter soll die Dauer des Einlaufvorganges abgekürzt werden.
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Gemäß dem selbständigen Anspruch wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Gehäuse an der Außenoberfläche mit einer wannenartigen Vertiefung versehen ist. Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass sich das Gehäuse der Zahnradmaschine unter dem von innen wirkenden Druck des Hydraulikfluids nicht nur nach radial außen verformt. Gerade im Bereich des Niederdruckanschlusses findet vielmehr eine Verformung nach radial innen, auf die Zahnräder zu statt. Hierdurch wird der oben beschriebene Einlaufeffekt weiter verstärkt und damit gleichzeitig der volumetrische Wirkungsgrade im mittleren Betriebsdruckbereich verbessert. Durch die vorgeschlagene wannenartige Vertiefung wird das Verformungsverhalten des Gehäuses unter Einwirkung des von innen wirkenden Fluiddrucks so verändert, dass es sich im Bereich des Niederdruckanschlusses nicht mehr nach radial innen verformt. Idealerweise wird die wannenartige Vertiefung so ausgebildet, dass im Bereich des Niederdruckanschlusses bei sich änderndem Betriebsdruck nahezu überhaupt keine Verformung des Gehäuses mehr stattfindet.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Der Niederdruckanschluss kann an der tiefsten Stelle der wannenartigen Vertiefung angeordnet sein. Es hat sich gezeigt, dass die Verformungen im Bereich des Niederdruckanschlusses dann sehr klein und insbesondere nicht nach innen gerichtet sind, wenn der Niederdruckanschluss wie vorgeschlagen angeordnet wird.
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Die wannenartige Vertiefung kann bezüglich zweier senkrecht zueinander verlaufender Richtungen gekrümmt ausgebildet sein. Hierdurch soll insbesondere erreicht werden, dass sich die wannenartige Vertiefung nur über einen vergleichweise kleinen Teil des Gehäuses erstreckt. Das übrige Gehäuse soll durch die wannenartige Vertiefung nicht geschwächt werden, so dass es sich durch den im Inneren herrschenden Fluiddruck möglichst wenig verformt. Weiter soll sich die Wanddicke des Gehäuses möglichst kontinuierlich ändern, damit an keiner Stelle erhöhte Kerbspannungen auftreten.
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Das Gehäuse kann einen Hauptkörper, einen Lagerdeckel und einen Enddeckel aufweisen, wobei die Lagerbrillen in dem Hauptkörper verschiebbar aufgenommen sind, wobei der Niederdruck- und der Hochdruckanschluss an dem Hauptkörper angeordnet sind, wobei die wannenartige Vertiefung ausschließlich am Hauptkörper angeordnet ist. Ein Gehäuse bestehend aus einem Hauptkörper, einem Lagerdeckel und einem Enddeckel ist aus der bereits angesprochenen
DE 10 2005 056 909 A1 bekannt. Dort sind auch die Lagerbrillen im Hauptkörper verschiebbar aufgenommen, an dem der Niederdruck- und der Hochdruckanschluss vorgesehen sind. Für die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung kommt es hauptsächlich auf die Verformung des Gehäuses im Bereich des Niederdruckanschlusses an. Es hat sich gezeigt, dass der Lagerdeckel und der Enddeckel nahezu keinen Einfluss auf das entsprechende Verformungsverhalten des Hauptkörpers nehmen. Daher reicht es aus, wenn sich die wannenartige Vertiefung allein im Bereich des Hauptkörpers erstreckt.
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Die wannenartige Vertiefung kann allseitig mit Abstand zum Rand des Hauptkörpers enden. Hierdurch soll ereicht werden, dass der Hauptkörper insbesondere an seinen Stirnenden, an denen die genannten Deckel anliegen, die volle, ungeschwächte Wanddicke aufweist, damit er sich durch die Einwirkung des Innendruckes dort nicht übermäßig verformt. Eine Verformung an den genannten Stirnenden könnte dazu führen, dass die Zahnradmaschine an der Anlagestelle zwischen dem Hauptkörper und dem End- bzw. dem Lagerdeckel nicht mehr dicht verschlossen ist, insbesondere, wenn die Zahnradmaschine mit einem hohen Betriebsdruck betrieben wird.
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Die wannenartige Vertiefung kann ausschließlich in Richtung der Drehachsen der Zahnräder gekrümmt verlaufen, wobei sie senkrecht dazu gerade verläuft. Eine derartige wannenartige Vertiefung ist besonders einfach herstellbar, da sie nur in einer Richtung gekrümmt ist. Diese Krümmung kann beispielsweise mittels eines Walzenfräsers leicht hergestellt werden. Gleichzeitig kann erreicht werden, dass der Hauptkörper im Bereich seiner Stirnenden nicht geschwächt wird.
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Der Niederdruck- und der Hochdruckanschluss können abseits der wannenartigen Vertiefung angeordnet sein. Weiter oben wurde bereits vorgeschlagen, den Niederdruckanschluss an der tiefsten Stelle der wannenartigen Vertiefung vorzusehen. Es hat sich gezeigt, dass auch andere Orte der wannenartigen Vertiefung den gewünschten Effekt ergeben. Entscheidend ist jedoch, dass das Gehäuse in den Bereichen, in denen sehr hohe Innendrücke herrschen, nicht wesentlich geschwächt wird, damit es sich nicht übermäßig verformt. Die wannenartige Vertiefung darf daher den Bereich des Hochdruckanschlusses kaum schwächen.
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Es können mehrere wannenartige Vertiefungen vorgesehen sein. Dabei ist vorzugsweise daran gedacht, dass sich die wannenartigen Vertiefungen spiegelsymmetrisch gegenüber liegen. Soweit die wannenartige Vertiefung abseits des Niederdruck- und des Hochdruckanschlusses angeordnet wird, liegt die wannenartige Vertiefung außerhalb der Symmetrieebene des Gehäuses. Um dennoch eine symmetrische Verformung des Gehäuses im Bereich des Niederdruckanschlusses zu erreichen, sind mehrere wannenartige Vertiefungen erforderlich. Durch die spiegelsymmetrische Anordnung der wannenartigen Vertiefungen wird von vorne herein eine ebenso spiegelsymmetrische Verformung des Gehäuses erreicht. Es sind jedoch auch asymmetrische Anordnungen der wannenartigen Vertiefungen denkbar.
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Das Gehäuse kann im Bereich des Niederdruckanschlusses weniger steif als im Bereich des Hochdruckanschlusses ausgebildet sein. Durch die erfindungsgemäße wannenartige Vertiefung wird zwangsläufig die Steifigkeit des Gehäuses lokal herabgesetzt. Obgleich es denkbar ist, diesen Effekt durch andere konstruktive Maßnahmen zu kompensieren, hat es sich gezeigt, dass eben diese lokale Herabsetzung der Steifigkeit des Gehäuses im Bereich des Niederdruckanschlusses einen günstigen Effekt auf die dortigen Zahnradkopfspalte bei mittleren Betriebsdrücken hat.
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Die Wanddicke des Gehäuses kann im Bereich des Niederdruckanschlusses dünner ausgebildet sein als im Bereich des Hochdruckanschlusses. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die lokale Herabsetzung der Steifigkeit durch ein Gehäuse aus unterschiedlichen Werkstoffen zu erreichen. Ein Gehäuse aus einem einzigen Werkstoff mit lokal herabgesetzter Wanddicke lässt sich jedoch wesentlich einfacher herstellen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
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1 eine Explosionsdarstellung einer Zahnradmaschine gemäß dem Stand der Technik, welche durch die vorliegende Erfindung verbessert werden soll;
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2 eine perspektivische Ansicht der Zahnradmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3 einen Teilquerschnitt der Zahnradmaschine nach 2 entlang der Linie A-A in 2; und
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4 eine perspektivische Ansicht einer Zahnradmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei diese entlang zweier senkrechter Symmetrieebenen aufgeschnitten ist.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Zahnradmaschine 10 gemäß dem Stand der Technik, welche durch die vorliegende Erfindung verbessert werden soll. Die Zahnradmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 31; 40; 41 welches aus einem Hauptkörper 31 besteht, an dessen beiden gegenüber liegenden Stirnenden 34 ein Lagerdeckel 40 und ein Enddeckel 41 angeordnet sind. Das Gehäuse 31; 40; 41 wird durch vier Schraubbolzen 44 zusammengehalten, von denen in 1 nur einer dargestellt ist.
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In dem Hauptkörper 31 sind zueinander spiegelsymmetrische Lagerbrillen 50 und das erste und das zweite Zahnrad 12; 13 aufgenommen. Der Innenraum 11, welcher von dem Hauptkörper 31 und den zwei Lagerbrillen 50 umschlossen wird, ist im Wesentlichen fluiddicht an das erste und das zweite Zahnrad 12; 13 angepasst. Namentlich liegen die Lagerbrillen 50 an den gegenüber liegenden ebenen Stirnflächen des ersten und des zweiten Zahnrades 12; 13 an, wobei der Hauptkörper 31 an dem Kopfkreisdurchmesser des ersten und des zweiten Zahnrades 12; 13 anliegt.
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Das erste Zahnrad 12 ist einstückig mit einer Welle 14 ausgebildet, welche durch den Lagerdeckel 40 hindurch mit einem Antriebszapfen 15 aus dem Gehäuse 31; 40; 41 herausragt. In dem Lagerdeckel 40 ist ein Radialwellendichtring 43 angeordnet, welcher mit seiner Dichtlippe dichtend an der Welle 14 anliegt, so dass dort kein Hydraulikfluid austreten kann. Zwischen dem Hauptkörper 31 und dem Lager- bzw. dem Enddeckel 40; 41 ist je eine Deckeldichtung 42 in Form eines O-Ringes aus Gummi vorgesehen. Die Achse 16 und die Welle 14 sind in beiden Lagerbrillen 50 in einer zugeordneten Lagerbohrung 51 drehbar gelagert. In der Lagerbohrung 51 ist eine gesonderte Lagerbuchse angeordnet, damit dann, wenn die Zahnradmaschine 10 mit geringer Drehzahl läuft, kein übermäßiger Verschleiß an den entsprechenden Gleitlagern auftritt.
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Hinzuweisen ist außerdem auf die Axialdichtung 53 und den zugeordneten Stützring 54 an der Rückseite der beiden Lagerbrillen 50. Die Axialdichtung 53 liegt an dem zugeordneten Lager- bzw. Enddeckel 40; 41 an. An der gegenüberliegenden Seite liegt sie auf dem Stützring 54 auf, welcher wiederum von dem Druck am Hochdruckanschluss gegen die Axialdichtung 53 gedrückt wird. Die Axialdichtung 53 grenzt zwei Druckfelder voneinander ab, in denen jeweils der Druck am Hochdruckanschluss 33 bzw. der Druck am Niederdruckanschluss 32 wirkt. Dadurch wird die im Hauptkörper 31 verschiebbar aufgenommene Lagerbrille 50 gegen die ebene Seitenfläche des ersten und des zweiten Zahnrades 12; 13 gedrückt, so dass dadurch eine druckdichte Abdichtung gegeben ist.
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Der Nieder- und der Hochdruckanschluss 32; 33 sind am Hauptkörper 31 angeordnet. In dem in 1 dargestellten Auslieferungszustand sind sie mit je einem gesonderten Verschlussstopfen 35 verschlossen, wobei der Niederdruckanschluss 32 den größeren Durchmesser und mithin den größeren Verschlussstopfen 35 aufweist.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Zahnradmaschine 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das in 2 sichtbare Gehäuse 30 der Zahnradmaschine 10 ersetzt das Gehäuse der Zahnradmaschine nach 1. Bis auf die nachstehend beschriebenen Unterschiede sind die Gehäuse der Zahnradmaschinen nach 1 und 2 identisch ausgebildet, so dass insoweit auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann.
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Das Gehäuse 30 besteht aus dem Hauptkörper 31, an dessen Stirnenden 34 der Lagerdeckel 40 und der Enddeckel 41 befestigt sind, so dass die Zahnräder im Inneren dicht umschlossen sind. An einer Seitenfläche des Hauptkörpers 31 ist der Niederdruckanschluss 32 angeordnet und zwar an der tiefsten Stelle einer erfindungsgemäßen wannenartigen Ausnehmung 60. Die wannenartige Ausnehmung 60 ist bezüglich zweier Krümmungsrichtungen 61; 62, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind, gekrümmt, insbesondere kreisbogenförmig gekrümmt, ausgebildet. Bezüglich der zweiten Krümmungsrichtung 62 erstreckt sich die wannenartige Vertiefung 60 nicht über die gesamte Breite des Hauptkörpers 31, so dass dieser an seinen Stirnenden 34 die volle Wanddicke aufweist. Dort ist ein Abstand 64 zwischen der wannenartigen Vertiefung 60 und dem Rand des Hauptkörpers 31 vorhanden. Der Niederdruckanschluss 32 ist mit einem Innengewinde versehen, welches von einer Senkung umgeben ist, damit die entsprechende Fluidanschlussleitung dicht verschraubt werden kann.
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3 zeigt einen Teilquerschnitt der Zahnradmaschine nach 2 entlang der Linie A-A in 2. Dargestellt ist nur der Hauptkörper 31. Zu erkennen ist, dass die wannenartige Vertiefung 60 bezüglich der ersten Krümmungsrichtung 61 kreisbogenförmig gekrümmt ist. Hierdurch ergibt sich im Bereich des Niederdruckanschlusses 32 eine dünnste Wanddicke 66. Am Rand der wannenartigen Vertiefung 60 ist hingegen die dickste, ungeschwächte Wanddicke 65 des Hauptkörpers 31 vorhanden. Diese dickste Wanddicke 65 weist der Hauptkörper 31 auch im Bereich des Hochdruckanschlusses auf.
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Hinzuweisen ist außerdem auf die Kontur des Innenraums 11, die an das kreisrunde erste bzw. zweite Zahnrad angepasst ist.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Zahnradmaschine 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Genauer ist ein Viertel der Zahnradmaschine 10 gezeigt, wobei der nicht dargestellte Rest der Zahnradmaschine 10 spiegelsymmetrisch bezüglich der beiden senkrechten Schnittebenen ausgebildet ist. Bis auf die nachstehend beschriebenen Unterschiede sind die Gehäuse der Zahnradmaschinen nach 1 und 4 identisch ausgebildet, so dass insoweit auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann.
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Die wannenartige Vertiefung 60 ist nunmehr abseits des Niederdruck- und des Hochdruckanschluss 32; 33 angeordnet. Aufgrund der Spiegelsymmetrie des Gehäuses sind zwei wannenartige Vertiefungen 60 vorgesehen, so dass sich im Bereich des Niederdruckanschlusses 32 eine symmetrische Verformung des Gehäuses ergibt. Die wannenartige Vertiefung ist ausschließlich bezüglich einer ersten Krümmungsrichtung 61, die parallel zu den Drehachsen des ersten und des zweiten Zahnrades 12 ausgerichtet ist, gekrümmt, insbesondere kreisbogenförmig gekrümmt. Senkrecht 63 zur ersten Krümmungsrichtung 61 ist die wannenartige Vertiefung 60 gerade ausgebildet, wobei sie parallel zur Mittelachse des Nieder- und des Hochdruckanschlusses 32; 33 verläuft.
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Hinzuweisen ist noch auf den in 4 gekennzeichneten Dichtbereich 67. In diesem Bereich liegt das erste Zahnrad 12 mit seinem Kopfreisdurchmesser dichtend an dem Hauptkörper 31 der Zahnradmaschine 10 an. Insbesondere wird es durch die im Bereich des Hochdruckanschlusses 33 herrschenden hohen Drücke gegen den Dichtbereich 67 gedrückt, da vom Niederdruckanschluss 32 her nur ein geringer Gegendruck wirkt. Abseits des genannten Dichtbereichs 67 sind wegen der genannten Verlagerung der Zahnräder größere Dichtspalte am Kopfkreisdurchmesser vorhanden. Aufgrund der Spiegelsymmetrie der Zahnradmaschine 10 ergeben sich am zweiten Zahnrad analoge Dichtverhältnisse.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zahnradmaschine
- 11
- Innenraum
- 12
- erstes Zahnrad
- 13
- zweites Zahnrad
- 14
- Welle
- 15
- Antriebszapfen
- 16
- Achse
- 30
- Gehäuse
- 31
- Hauptkörper
- 32
- Niederdruckanschluss
- 33
- Hochdruckanschluss
- 34
- Stirnende
- 35
- Verschlussstopfen
- 40
- Lagerdeckel
- 41
- Enddeckel
- 42
- Deckeldichtung
- 43
- Radialwellendichtring
- 44
- Schraubbolzen
- 50
- Lagerbrille
- 51
- Lagerbohrung
- 53
- Axialdichtung
- 54
- Stützring
- 60
- wannenartige Vertiefung
- 61
- erste Krümmungsrichtung
- 62
- zweite Krümmungsrichtung
- 63
- Richtung des geraden Verlaufes
- 64
- Abstand zum Rand des Hauptkörpers
- 65
- dickste Wanddicke
- 66
- dünnste Wanddicke
- 67
- Dichtbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056909 A1 [0002, 0009]