DE4200987A1 - Zahnradpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe für Flüssigkeiten, mit einem in einer Gehäusekammer fliegend auf einer Antriebswelle gelagerten, einen Innenzahnkranz aufweisenden Rotor mit einem gegenüber dem Rotor im Außendurchmesser kleineren außenverzahnten Läufer, der im Innenzahnkranz mit zur Rotordrehachse paralleler und exzentrischer Drehachse im Gehäuse drehbar gelagert und über seine Außenverzahnung mit dem Innenzahnkranz des Rotors zwangsgekoppelt ist, und mit einem innerhalb des Innenzahnkranzes zwischen dem Rotor und dem Läufer mittels wenigstens eines lös- und wieder anbringbaren Befestigungselements an der Stirnseite der Antriebswelle auswechselbar befestigten Scheibenkörper, der mit seiner einen Seite am Rotor anliegt und mit seiner anderen Seite den Läufer in vorbestimmtem axialem Abstand vom Rotor hält.

Bei Zahnradpumpen, in denen der Läufer im Inneren eines Innenzahnkranzes des Rotors angeordnet ist und mit gegenüber der Drehzahl des Rotors höherer Drehzahl geschleppt wird, entsteht beim Fördern der Flüssigkeit eine Druckkraft, die den Läufer axial gegen den Rotor belastet. Es wurden schon Drücke um 16 bar festgestellt, wobei die Druckverteilung über den Umfang ungleichmäßig ist. Die Zähne des Innenzahnkranzes des Rotors werden bis an die Zahnlücken-Seitenflächen hin gefräst. Innerhalb des Innenzahnkranzes wird der Rotor ausgedreht. Ein sauberer Übergang zwischen den gefrästen Zahnlücken-Seitenflächen und der durch die Drehbearbeitung hergestellten inneren Stirnfläche des Rotors ist nur mit außerordentlich hohem und teurem Fertigungsaufwand möglich. Jedoch ist selbst bei einem sauberen Übergang die Oberflächenqualität der gefrästen Zahnlücken-Seitenflächen verschieden von der Oberflächenqualität der gedrehten Oberfläche. Aufgrund des Anpreßdrucks des Läufers und wegen der sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung auftretenden Bewegungen, die der Läufer im Betrieb relativ zum Rotor ausführt, tritt am Rotor Verschleiß auf, der dann, zumeist zusammen mit dem Läufer, ausgestauscht werden muß. Der Rotor ist jedoch im Vergleich mit den anderen Komponenten teuer in der Herstellung. Ferner kann sich der in einem festen Preßsitz auf der Antriebswelle angeordnete Rotor unter extremen thermischen und lastbedingten Einflüssen lockern, wodurch die Standfestigkeit der Zahnradpumpe leidet. Es wurde bereits vorgeschlagen, zum Abdecken des fertigungsbedingt kritischen Übergangs zwischen den gefrästen und gedrehten Flächen ein Zwischenelement in den Rotor einzupressen, das damit fester Bestandteil des Rotors wurde. Jedoch mußte trotzdem bei auftretendem Verschleiß der teuer herzustellende Rotor mitausgetauscht werden, und wurde das Problem des sich lockernden Rotors nicht beseitigt.

Bei der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe wird der Rotor durch den Scheibenkörper axial auf der Antriebswelle lagegesichert. Extreme thermische oder lastbedingte Einflüsse können den Rotor nicht mehr lockern. Die Fertigungsanforderungen an den Preßsitz des Rotors auf der Antriebswelle sind geringer, weil der Scheibenkörper die dauerhafte Lagesicherung des Rotors auf der Antriebswelle übernimmt. Der Scheibenkörper stellt einen vorbestimmten axialen Abstand zwischen dem Läufer und dem Rotor sicher, so daß ein Austauschen des teuren Rotors erfordernder Verschleiß am Rotor eliminiert ist. Unabhängig von der Materialpaarung von Rotor und Läufer tritt - wenn überhaupt - Verschleiß nur mehr zwischen dem Läufer und dem Scheibenkörper auf, deren jeder kostengünstig austauschbar ist. Aufgrund des den Läufer abstützenden Scheibenkörpers ist der Übergang zwischen den Zahnlücken-Seitenflächen und der inneren Stirnfläche des Rotors bezüglich Reibung oder Verschleiß nicht mehr kritisch. Dies ist herstellungstechnisch besonders günstig, weil die Bearbeitungsschritte der beiden angrenzenden Flächenbereiche nicht mehr präzise aufeinander abgestimmt werden müssen. Es ergeben sich ferner zwischen den Zähnen des Läufers und den Zahnflanken des Innenzahnkranzes eindeutige Umfangseingriffsverhältnisse, die nicht von seitlichen Kräften aufgrund Kontakts zwischen den Stirnseiten der Zähne des Läufers und den Zahnlücken-Seitenflächen des Rotors beeinträchtigt sind. Die reibungsbehaftete Umfangstaumelbewegung des Läufers relativ zum Rotor wird vom Scheibenkörper aufgenommen. Aus diesem Grund braucht die Oberflächengüte- oder -qualität der Zahnlücken-Seitenflächen keine besonders hohen Anforderungen zu erfüllen. Der Mehraufwand des Scheibenkörper wird durch die praktisch unbegrenzte Standfestigkeit des Rotors und die kostensparenden Herstellungsvereinfachungen mehr als ausgeglichen.

Der Verschleiß zwischen dem Läufer und dem Scheibenkörper ist bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 2 minimiert.

Um sicherzustellen, daß der Rotor zu keiner Zeit Beschädigungen erleidet, wenn zwischen dem Läufer und dem Scheibenkörper Verschleiß auftritt, ist gemäß Anspruch 3 der Scheibenkörper härter und abriebfester als der Läufer. Den Läufer auszustauschen, ist kostengünstig und einfach, weil er ein preisgünstig herstellbares Zahnrad ist.

Das Ziel, den Rotor auf jeden Fall von Beschädigungen freizustellen, wird auch bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 4 erreicht. Der Scheibenkörper trägt sozusagen eine verschleißarme und reibfreudige Schicht zur Zusammenarbeit mit dem Läufer.

Baulich einfach und kostengünstig ist ferner die Ausführungsform gemäß Anspruch 5.

Alternativ ist die Ausführungsform gemäß Anspruch 6 vorteilhaft. Selbst wenn Kunststoff weniger hart als der Läufer ist, tritt wegen der hervorragenden Gleiteigenschaften, z. B. von PTFE, auch nach langer Standzeit kein spürbarer Verschleiß am Scheibenkörper auf.

Eine weitere Alternative geht aus Anspruch 7 hervor. Gleitlagerwerkstoff verträgt problemlos die Relativbewegungen des Läufers ohne spürbaren Verschleiß über lange Standzeiten. Gegebenenfalls handelt es sich sogar um selbstschmierend ausgerüsteten Gleitlagerwerkstoff.

Bei allen vorerwähnten Ausführungsformen wird der grundsätzliche Vorteil erzielt, daß die Materialpaarung zwischen dem Rotor und dem Läufer beliebig und im Hinblick auf den Einsatzzweck der Zahnradpumpe gewählt werden kann, und daß sich unabhängig davon die Materialpaarung zwischen dem Scheibenkörper und dem Läufer im Hinblick auf minimale Reibung und minimalen Verschleiß wählen läßt.

Eine weitere, herstellungstechnisch günstige Ausführungsform geht aus Anspruch 8 hervor. Der Abstand von 0,1 bis 0,3 mm zwischen dem Läufer und dem Rotor reicht aus, auch bei langer Standzeit und leichtem Verschleiß eine Berührung zwischen dem Rotor und dem Läufer auszuschließen.

Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 9 greifen die Vorsprünge des Scheibenkörpers bis in die Zahnlücken des Rotors, so daß auch beim Verkanten des Läufers keine direkte Berührung zwischen den Stirnflächen der Zähne des Läufers und den Zahnlückenseitenflächen des Rotors stattfindet. Auftretender Verschleiß am Läufer und/oder am Scheibenkörper wird optimal großflächig verteilt. Die Zentrierung des Scheibenkörpers ist vereinfacht. Die Bearbeitungsanforderungen für den Rotor sind geringer, weil zu keiner Zeit axialer Kontakt zwischen dem Rotor und dem Läufer auftritt.

Gemäß Anspruch 10 paßt der Scheibenkörper genau in den Innenzahnkranz des Rotors. Die Zahnlückenseitenflächen werden zur Gänze abgedeckt.

Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 11 ist selbst bei geringer Scheibendicke ausgeschlossen, daß der Schraubenkopf einen zusätzlichen unerwünschten Reibbereich zwischen dem Rotor und dem Läufer bildet. Ferner kann die Schraube den Scheibenkörper sauber zentrieren, so daß der Paßsitz des Scheibenkörpers in der Ausnehmung herstellungstechnisch einfach ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 12 ergibt sich ein fester Sitz des Rotors auf der Antriebswelle und des Scheibenkörpers am Rotor.

Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe, und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Zahnradpumpe von Fig. 1.

Eine Zahnradpumpe Z gemäß Fig. 1 dient zum Fördern von Flüssigkeiten verschiedenster Art und unterschiedlicher Viskositäten. Beispielsweise kann Alkohol, Druckerschwärze, Teer, Klebstoff und dgl. mit der Zahnradpumpe Z gefördert werden. Die Zahnradpumpe Z ist selbsansaugend und läßt sich in beiden Drehrichtungen betreiben. In Fig. 1 ist die Drehrichtung D entgegen dem Uhrzeigersinn angedeutet.

In einem Gehäuse G mit einem Einlaß E und einem Auslaß A ist in einer kreisringförmigen Gehäusekammer K ein Rotor R zur Drehung um eine Rotordrehachse 2 angetrieben. Der Rotor R besitzt einen zur Drehachse 2 konzentrischen Innenzahnkranz I. Im Innenzahnkranz I ist innen ein zahnradähnlicher Läufer L angeordnet, der im Gehäuse G frei um eine Drehachse 1 drehbar gelagert ist. Die Läufer-Drehachse 1 liegt parallel zur Rotordrehachse 2; sie ist jedoch exzentrisch dazu. Der Außendurchmesser des Läufers L ist kleiner als der Innen-Durchmesser des Innenzahnkranzes I. Die Zähne des Läufers L greifen nur über einen begrenzten Umfangsbereich des Innenzahnkranzes I in die Zahnlücken zwischen den Zähnen des Innenzahnkranzes I ein. Über den restlichen Teil des Umfangsbereichs des Innenzahnkranzes I findet kein Eingriff statt. Ein sichelförmiger Teil 3 des Gehäuses G greift axial zwischen den Läufer L und den Innenzahnkranz I. Es ist erkennbar, wie sich im Bereich des Einlasses E zwischen den Zähnen des Läufers und den Zähnen des Innenzahnkranzes I Kammern allmählich vergrößern, in die die punktiert angedeutete, zu fördernde Flüssigkeit gesaugt wird. Über den Eingriffsbereich des Teils 3 werden die Kammern des Läufers L und die Kammern des Rotors R voneinander getrennt. Die einzelnen Flüssigkeitsvolumina werden in Richtung zum Auslaß A gefördert, wo sich die Kammern wieder miteinander verbinden und durch den zunehmenden Eingriff zwischen dem Rotor R und dem Läufer L verkleinert werden, so daß die Flüssigkeit ausgestoßen wird.

Solche Zahnradpumpen haben den Vorteil, in beiden Drehrichtungen fördern zu können. Sie sind selbstansaugend bis zu einer Tiefe von 7 m/Ws, pumpen bis zu Förderhöhen von 150 m, und haben eine hohe Lebensdauer bei geräuscharmem Lauf und konstantem Förderdruck. Ferner erzeugen diese Zahnradpumpen keine Schwingungen und emulgieren oder schlagen auch nicht die geförderte Flüssigkeit.

Üblicherweise besteht das Gehäuse G aus Grauguß. Auch der Rotor und der Läufer können aus Grauguß bestehen, wobei die Zähne aus Stahl oder Bronze bestehen. Möglich sind ferner Ausführungen des Rotors und des Läufers zur Gänze aus Stahl oder Bronze oder Edelstahl. Ferner ist es denkbar, den Rotor und den Läufer aus Kunststoff oder anderen Werkstoffen auszubilden.

In den Fig. 1 und 2 ist eine einfache Ausführungsform der Zahnradpumpe Z gezeigt. Diese Zahnradpumpe Z kann mit einem nicht gezeigten Bypassventil ausgestattet werden, so daß der Auslaß A im Betrieb vollständig verschlossen werden kann.

Das Gehäuse G besteht gemäß Fig. 2 aus einem Grundkörper 4, an dem ein ringförmiger Gehäuseteil mit eingeformtem Ein- und Auslaß A, E festgeschraubt ist. In den Gehäuseteil 5 ist ein weiterer Gehäuseteil 6 eingesetzt, an dem der sichelförmige Teil 3 angeformt ist. Ein Abschlußdeckel 7 gehört ebenfalls zum Gehäuse G.

Im Grundkörper 4 des Gehäuses G ist eine Antriebswelle S für den Rotor R drehbar gelagert. Vor ihrem Eintritt in die Gehäusekammer K ist sie von einer Gleitlagerbuchse 21 eingefaßt, hinter der sich eine Stopfbüchse 22 befindet. Der Rotor R ist fliegend auf der Antriebswelle S gelagert.

Der Innenzahnkranz I des Rotors R wird von sich axial erstreckenden Zähnen 8 gebildet, zwischen denen Zahnlücken vorliegen, die durch radiale Zahnlücken-Seitenflächen 9 begrenzt werden. Der Läufer L weist in die Zahnlücken passende Zähne 10 auf, deren linksseitige Stirnfläche mit 11 und deren Zahngrund mit 12 angedeutet sind.

Die Antriebswelle S besitzt stirnseitig einen über eine Schulter 14 abgesetzten Wellenzapfen 13, auf dem eine am Rotor R einstückig angeformte Nabe 17 in einem Preßsitz gehalten ist. Eine Feder 15 dient zur drehfesten Verbindung des Rotors R mit der Antriebswelle S. Im Wellenzapfen 13 ist eine zentrische Gewindebohrung 16 vorgesehen. Innerhalb der Zähne 8 des Innenzahnkranzes I ist im Rotor R eine zylindrische Ausnehmung 18 eingeformt, vorzugsweise durch Drehbearbeitung. Die Ausnehmung 18 hat einen planen Boden und einen umlaufenden Rand. In der Ausnehmung 18 ist mit einem Paßsitz ein Scheibenkörper 20 angeordnet, der mit einer in die Gewindebohrung 16 eingeschraubten Schraube 19 am Stirnende des Wellenzapfens 13 festgelegt ist. Die Dicke des Scheibenkörpers 20 ist geringfügig größer als der Abstand zwischen dem Boden der Ausnehmung 18 und den Zahnlücken-Seitenflächen 9. Der Scheibenkörper 20 weist eine zentrale Ansenkung 25 zum versenkten Unterbringen eines Kopfes 26 der Schraube 19 auf.

Mit 20′ ist ein modifizierter Scheibenkörper strichliert angedeutet, der mit umfangsseitigen Vorsprüngen 28 nach außen und zwischen die Zähne 8 des Innenzahnkranzes I greift. Die Vorsprünge können in Form und Größe genau den Zahlückenseitenflächen 9 entsprechen. Eine gegenüber den Zahlückenseitenflächen 9 abgesetzte Ausnehmung entfällt hierbei.

Der Scheibenkörper 20 besteht aus härterem und abriebfesterem Material als der Läufer L. Zweckmäßigerweise besteht der Scheibenkörper 20, 20′ aus Stahl oder aus einem Hartmetall. Es ist auch dehnbar, an der dem Läufer zugewandten Oberfläche des Scheibenkörpers eine harte und abriebfeste Schicht vorzusehen. Alternativ ist es auch möglich, den Scheibenkörper 20, 20′ aus einem Kunststoff, z. B. Polytetrafluoräthylen, auszubilden oder an einem metallischen Trägerkörper eine solche Kunststoffschicht anzubringen. Der Läufer L liegt mit seiner Stirnseite an dem Scheibenkörper 20, 20′ an. Die Stirnflächen 11 der Zähne 10 des Läufers L werden durch den Scheibenkörper 20 in einem Abstand x von den Zahnlücken-Seitenflächen 9 gehalten bzw. berühren sie in den Zahnlücken ggfs. die Vorsprünge 28 des modifizierten Scheibenkörpers 20′.

Der Läufer L ist mit einer Gleitlagerbüchse 23 auf einer in den Gehäuseteil 6 eingepreßten Achse 24 frei drehbar gelagert, wobei die Läufer-Drehachse parallel zur Rotordrehachse 2, jedoch dazu versetzt ist.

Im Auslaß A ist ein strichliert angedeuteter Anschlußstutzen 27 anbringbar.

Im Betrieb wird die Antriebswelle S mittels eines nicht dargestellten Antriebsmotors gedreht. Der Rotor R schleppt den Läufer L. Dank der versetzten Drehachsen 1, 2 vergrößern sich die Kammern zwischen den Zähnen 10 und 8 beim Vorbeilaufen am Einlaß E, wodurch Flüssigkeit aufgenommen wird. Im Eingriffsbereich des sichelförmigen Teils 3 werden die Kammern des Läufers L und des Rotors R voneinander getrennt. Ihre Größe verändert sich in diesem Drehbereich nicht. Erst nach Passieren des Endes des sichelförmigen Teiles 3 stellt sich wieder ein Eingriff zwischen den Zähnen 10 und den Lücken zwischen den Zähnen 8 ein, durch den die Größe der Kammern allmählich wieder verkleinert und die Flüssigkeit ausgeschoben wird. Da die Zähnezahl des Läufers L kleiner ist als die Anzahl der Zahnlücken zwischen den Zähnen des Innenzahnkranzes I läuft der Läufer L mit höherer Drehzahl als der Rotor R. Aufgrund der Achsversetzung führt der Läufer L relativ zum Innenzahnkranz I eine Taumelbewegung aus. Bei einer Drehrichtungsumkehr fungiert der Auslaß A gemäß Fig. 1 als Einlaß; der in Fig. 1 gezeigte Einlaß E wird dann zum Auslaß.

Es ist auch möglich, die Ausnehmung 18 im Rotor wegzulassen und einen ebenen Übergang zwischen den Zahnlücken-Seitenflächen 9 und der inneren Stirnfläche des Rotors R vorzusehen, und dafür in der Stirnfläche des Läufers L eine Ausnehmung zu formen, in die der an der Antriebswelle S auswechselbar festgelegte Scheibenkörper 20 eingreift.

Stellt sich im Betrieb ein Verschleiß zwischen dem Scheibenkörper 20, 20′ und dem Läufer L ein, dann wird der Gehäuseteil 6 mit dem Läufer L entfernt. Der Läufer L und der Scheibenkörper 20, 20′ oder wahlweise nur eine dieser beiden Komponenten, können dann ausgetauscht werden.

Claims (12)

1. Zahnradpumpe (Z) für Flüssigkeiten, mit einem in einer Gehäusekammer (K) fliegend auf einer Antriebswelle (S) gelagerten, einen Innenzahnkranz (I) aufweisenden Rotor (R),
mit einem gegenüber dem Rotor (R) im Außendurchmesser kleineren außenverzahnten Läufer (L), der im Innenzahnkranz (I) mit zur Rotordrehachse (a) paralleler und exzentrischer Drehachse (b) im Gehäuse (G) drehbar gelagert und über seine Außenverzahnung mit dem Innenzahnkranz (I) des Rotors (R) zwangsgekoppelt ist,
und mit einem innerhalb des Innenzahnkranzes (I) zwischen dem Rotor (R) und dem Läufer (L) mittels wenigstens eines lös- und wieder anbringbaren Befestigungselements an der Stirnseite der Antriebswelle (S) auswechselbar befestigten Scheibenkörper (20, 20′), der mit seiner einen Seite am Rotor (R) anliegt und mit seiner anderen Seite den Läufer (L) in vorbestimmtem axialem Abstand (x) vom Rotor (R) hält.

2. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper (20, 20′) zumindest an seiner dem Läufer (L) zugewandten Oberflächenplan und gleitfähig ausgebildet ist.

3. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper (20, 20′) aus härterem und abriebfesterem Material besteht als der Läufer (L).

4. Zahnradpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper (20, 20′) an seiner dem Läufer (L) zugewandten Oberfläche eine Schicht aus einem Material aufweist, das härter und abriebfester als der Läufer (L) ist.

5. Zahnradpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper (20, 20′) oder seine Oberflächenschicht aus Stahl oder Hartmetall besteht.

6. Zahnradpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper (20, 20′) oder die dem Läufer zugewandte Oberfläche des Scheibenkörpers (20) aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen, besteht.

7. Zahnradpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper (20, 20′) aus Gleitlagerwerkstoff besteht.

8. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (R) stirnseitig eine zylindrische, vorzugsweise drehbearbeitete, Ausnehmung (18) mit planem Boden aufweist, daß der Außendurchmesser der Ausnehmung (18) dem Innendurchmesser des Innenzahnkranzes (I) entspricht, daß der Scheibenkörper (20) in einem Paßsitz in die Ausnehmung (18) einsetzbar ist, und daß die Dicke des Scheibenkörpers (20) geringfügig, vorzugsweise um etwa 0,1 bis 0,3 mm, größer ist als der axiale Abstand zwischen dem Boden der Ausnehmung (18) und den zwischen den Zähnen (8) des Innenzahnkranzes (I) vorgesehenen Zahnlücken-Seitenflächen (9) des Rotors (R).

9. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Scheibenkörpers (20′) in etwa dem Außendurchmesser des Rotors (R) entspricht, und daß der Scheibenkörper (20′) umfangsseitige Vorsprünge (28) aufweist, die zwischen die Zähne (8) des Rotors (R) nach außen greifen und an den Zahnlücken-Seitenflächen (9) und den Stirnflächen (11) der Zähne (10) anliegen.

10. Zahnradpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (28) etwa die Form und die Größe der Zahnlücken-Seitenflächen (9) aufweisen.

11. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper (20) eine Mittelbohrung mit einer Ansenkung (25) zum versenkten Anordnen des Kopfes (26) des als Schraube (19) ausgebildeten Befestigungselements aufweist.

12. Zahnradpumpe nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (S) stirnseitig einen über eine Schulter (14) abgesetzten Wellenzapfen (13) aufweist, auf dem der Rotor (R) mit einer einstückigen Nabe (17) in einem Preßsitz anbringbar und verkeilbar ist, und daß der Wellenzapfen (13) geringfügig kürzer als die Nabe (17) des Rotors (R) ist und eine axiale Gewindebohrung (16) für die Schraube (19) aufweist.