EP0754859A2

EP0754859A2 - Zahnrad mit Bohrung

Info

Publication number: EP0754859A2
Application number: EP96116221A
Authority: EP
Inventors: Dr. Blume
Original assignee: Maag Pump Systems AG; Maag Pump Systems Textron AG
Current assignee: Maag Pump Systems AG
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 1997-01-22
Also published as: EP0754859A3; JPH1054374A

Abstract

Um den beim Eintauchen eines Zahnes in die entsprechende Zahnlücke eines Gegenrades bei Zahnrädern auftretenden Quetschdruck zu entspannen, wird vorgeschlagen, in den Zahnrädern Bohrungen (13,23,31,33) oder eine Nut vorzusehen. Diese Bohrungen oder diese Nut verlaufen vorzugsweise vom Zahnkopf in eine der beiden Flanken, wobei vorzugsweise einer der Bohrungsansätze (31,33) bzw. die Nut in derjenigen Flanke vorgesehen ist, welche bezüglich Rotationsrichtung nachfolgt. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad, insbesondere für eine Zahnradpumpe.
Zahnradpumpen als sogenannte Verdrängungsvorrichtungen sind bestens bekannt. Der Verdrängungsvorgang bei einer Zahnradpumpe erfolgt dabei durch das Eintauchen jeweils eines Zahnes in die entsprechende Zahnlücke des Gegenrades. Wenige Winkelgrade vor der Zahnstellung, bei der eine Zahnmittellinie im Stirnschnitt genau auf der Verbindungslinie der Rotorenzentren liegt, beginnt ein merklicher Druckanstieg im von Zahn und Zahnlücke eingeschlossenen, kleiner werdenden Restvolumen. Die Verdrängung des Fördergutes, wie beispielsweise einer Flüssigkeit, wie einer viskosen Polymerschmelze, aus diesem Restvolumen erfolgt über immer geringer werdende Flankenabstände und Restvolumenquerschnitte in axialer Richtung. Je nach Viskosität des Fördergutes können sich ganz erhebliche Drücke bilden, mit welchen eine von den engsten Flankenabständen begrenzte Projektionsfläche beaufschlagt wird. Dies führt zu zusätzlichen, mit der doppelten Anzahl wie der Zähnezahl je Umdrehung auftretenden Belastungspeaks, die entweder eine Ueberbelastung der Lagerung oder eine Reduktion des als Differenzdruck nutzbaren Teils der Lagerbelastung nach sich ziehen. Auch ist es bei hochviskosen Polymerschmelzen möglich, dass bei allzu hohen Drücken örtliche Zersetzung bzw. Schädigung der Polymerstruktur auftreten kann, was insbesondere bei transparent zu verarbeitenden Polymeren inakzeptabel ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, konstruktive Massnahmen an mindestens einem der Zahnräder vorzuschlagen, mittels welchen ein allzu starker Druckaufbau im kleiner werdenden Restvolumen abgeschwächt bzw. verhindert werden kann.
Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe mittels eines Zahnrades gemäss dem Wortlaut insbesondere nach Anspruch 1 gelöst.
Ueblicherweise wird das Fördergut im Restvolumen über das Flankenspiel und überwiegend axial zu den Lagern hin über den Restvolumenquerschnitt senkrecht zur Axialrichtung entsorgt. Um den gesamten Fliesswiderstand und damit den Quetschdruckpeak zu senken, wird nun erfindungsgemäss vorzugsweise vorgeschlagen, eine zusätzliche hydraulische Verbindung zwischen dem Restvolumen und einem Bereich mit niedrigerem Druckniveau zu schaffen. Aus fertigungstechnischen und verfahrenstechnischen Gründen bietet sich der mit druckseitigem Druck beaufschlagte Raum an.
In einer erfindungsgemässen Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, eine oder mehrere Bohrungen in im wesentlichen radialer Richtung in die Zähne hinein, beginnend am Zahnkopf, vorzusehen sowie, mit diesen verbunden, Bohrungen in axialer Richtung in die hinsichtlich der Drehrichtung nachfolgenden Flanken des jeweiligen Zahnes anzubringen, wobei vorzugsweise der Bohrungsansatz auf der Flanke im wesentlichen im Durchmesserbereich des Teilkreises liegen sollte.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäss gestellten Aufgabe besteht darin, in den hinsichtlich der Drehrichtung nachfolgenden Flanken eines jeden Zahnes Nuten oder Einkerbungen vorzusehen, welche sich vorzugsweise von den Zahnköpfen beginnend etwa bis zum Teilkreisdurchmesser erstrecken, um so den Quetschdruck zu senken.
Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und unter Bezug auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:

Fig. 1: den Eingriffsbereich zweier Zahnräder einer Zahnradpumpe im Querschnitt, mit erfindungsgemäss ausgebildeten Zähnen,
Fig. 2: eines der beiden Zahnräder von Fig. 1 in seitlicher Längsperspektive,
Fig. 3: eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäss ausgebildeten Zahnrades in seitlicher Längsperspektive und
Fig. 4: den Eingriffsbereich zweier Zahnräder analog dem Zahnrad von Fig. 3 einer Zahnradpumpe im Querschnitt, mit erfindungsgemäss ausgebildeten Zähnen.

In Fig. 1 sind zwei Zahnräder 1 und 5 einer Zahnradpumpe im Bereich ihres gegenseitigen Eingreifens im Querschnitt dargestellt. Dabei rotieren die beiden Zahnräder 1 und 5 um die zentralen Achswellen 3 und 7 in Pfeilrichtung A bzw. A'.
Sowohl im Zahnrad 1 wie auch im Zahnrad 5 sind jeweils in den Zähnen 9 und 19 in den Bereichen derer Köpfe 11 resp. 21 sich in den Zahn hineinerstreckende Bohrungen 13 resp. 23 vorgesehen.
Zusätzlich sind seitliche Bohrungen bzw. Flankenbohrungen 31 resp. 33 vorgesehen, welche hinsichtlich der Drehrichtung in die nachfolgenden Flanken des jeweiligen Zahnes münden.
Während des Förderns, beispielsweise einer viskosen Polymermasse in Pfeilrichtung B bzw. B', entstehen hohe Quetschdrücke beim gegenseitigen Eingreifen der Zähne in die jeweilige Zahnlücke des anderen Zahnrades. Durch das Anordnen der Bohrungen ist es möglich, dass der hohe Quetschdruck durch Verdrängung der Restmasse durch die jeweiligen Bohrungen der ineinandergreifenden Zähne abgeschwächt werden kann.
In der Phase des Eintretens in eine Zahnlücke ist die zusätzlich erwähnte Flankenbohrung 31 resp. 33 offen und übernimmt einen Teil des aus der verfahrensaktiven Zahnlücke zu verdrängenden Fördergutvolumenstroms. Hierdurch sinkt der Quetschdruckpeak in angestrebter Weise. In der neutralen Lage, bei der die Mittellinien von Zahnlücke und Gegenzahn aufeinanderliegen, ist die Flankenöffnung 31 resp. 33 grösstenteils bereits verschlossen. Das in den Bohrungen 13 resp. 23 des verfahrensaktiven, im Eingriff befindlichen Zahns befindliche Fördergut kann bei der Weiterbewegung in das sich vergrössernde Restvolumen nachfliessen, da die zur Druckseite weisende Flankenöffnung nicht hermetisch abgeschlossen ist.
Anderseits wandert die Flankenbohrung 31 resp. 33 zunehmend in Richtung Zahngrund des nächsten in Eingriff kommenden Zahnes des Gegenrades, welcher die momentan verfahrensaktive Zahnlücke begrenzt, so dass diese gegen den Druckraum zunehmend besser verschlossen ist. Dadurch wird ein Druckkurzschluss vermieden und der volumetrische Wirkungsgrad nicht drastisch reduziert.
Das durch die Bohrung in das sich vergrössernde Restvolumen nachfliessende Fördergut bewirkt eine unmittelbare Füllung und mildert dadurch wirksam das Kavitationsproblem.
In Fig. 2 ist Zahnrad 5 aus Fig. 1 in seitlicher Längsperspektive dargestellt, wobei nun deutlich die entlang des Zahnkopfes 21 in Axialrichtung beabstandeten Bohrungen 23 erkennbar sind, mit den jeweiligen seitlichen Flankenbohrungen bzw. deren Bohrungsansätzen 33 in der Flanke 25. Auch aus der Darstellung gemäss Fig. 2 ergibt sich deutlich, dass bei Drehen des Zahnrades 5 in Pfeilrichtung A' bei Verkleinerung des Restvolumens der Druckausgleich via Bohrungen 23 und 33 in die nachfolgende Zahnlücke erfolgen kann, da das Restvolumen in Druckrichtung hermetisch abgeschlossen ist.
In Fig. 3 ist analog Fig. 2 ein Zahnrad 5 in seitlicher Längsperspektive dargestellt, jedoch aufweisend eine andere alternative Konstruktionsvariante für das Erzeugen eines Druckausgleiches in die nachfolgende Zahnlücke. Anstelle der Bohrungen gemäss den Fig. 1 und 2 sind nun in den bezüglich der Rotationsrichtung A' nachfolgenden Flanken des Zahnes 19 Nuten bzw. Einkerbungen 35 angeordnet, welche sich vom Zahnkopf beginnend etwa bis zum Teilskreisdurchmesser C erstrecken. Diese Nuten bzw. Einkerbungen 35 weisen vorzugsweise einen halbkreisförmigen oder halbovalen Querschnitt auf, damit sogenannte tote Ecken vermieden werden.
In Fig. 4 sind analog Fig. 1 zwei Zahnräder 1 und 5 einer Zahnradpumpe im Bereich ihres gegenseitigen Eingreifens im Querschnitt dargestellt. Dabei rotieren die beiden Zahnräder 1 und 5 um die zentralen Achswellen 3 und 7 in Pfeilrichtung A bzw. A'. Alternativ zu den Bohrungen sind wie im Zahn, dargestellt in Fig. 3, Einkerbungen bzw. Nuten 15 bzw. 35 sichtbar, welche dieselbe Funktion besitzen wie die Bohrungen gemäss Fig. 1. Durch das Anordnen der Nuten bzw. Einkerbungen ist es wiederum möglich, den hohen Quetschdruck durch Verdrängung der Restmasse durch die jeweiligen Nuten bzw. Kerbungen der ineinandergreifenden Zähne abzuschwächen.
Zur Erläuterung der Funktionsweise bzw. des Betriebes der dargestellten Zahnradpumpe kann auf die entsprechende Beschreibung unter Bezug auf Fig. 1 verwiesen werden, da die Wirkungsweise der angeordneten Einkerbungen bzw. Nuten analog ist.
Bei den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Zahnrädern handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche in x-beliebiger Art und Weise abgeändert resp. modifiziert werden können. Die Konstruktionen in den Fig. 1 und 2 dienen lediglich dazu, den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung näher zu erläutern. Es ist aber durchaus denkbar, andere konstruktive Möglichkeiten zu wählen, um einen Druckausgleich im jeweils kleiner werdenden Restvolumen zwischen Zahnkopf und Zahnlücke zu erreichen, wobei der Ausgleich vorzugsweise in Druckrichtung der Zahnradpumpe erfolgt, um einen Druckkurzschluss zu vermeiden.

Claims

Zahnrad für eine Zahnradpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Teil der Zahnräder (9, 19) mindestens eine Bohrung (13, 23, 31, 33) und/oder mindestens eine Nut oder Einkerbung (15, 35) vorgesehen ist zum Entspannen des Quetschdruckes im kleiner werdenden Restvolumen beim Eintauchen eines Zahnes in die entsprechende Zahnlücke des Gegenrades.
Zahnrad, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Bohrungsansatz im Bereich des Zahnkopfes (11) vorgesehen ist.
Zahnrad, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung zusätzlich, seitlich gegen eine der Zahnflächen hin gerichtet, einen Flankenbohrungsansatz aufweist.
Zahnrad, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zahnköpfen (11, 21), axial beabstandet, radial in den jeweiligen Zahn verlaufende Bohrungen (13, 23) angeordnet sind.
Zahnrad, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (13, 23) in den Zahnköpfen (9, 19) sich wenigstens soweit erstrecken, dass sie sich sicher mit den jeweiligen Flankenbohrungen treffen, um mit jenen eine kommunizierende Verbindung zu bilden.
Zahnrad, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Flankenbohrungen (31, 33) in den jeweiligen Zähnen (9, 19) gegen die bezüglich Rotationsrichtung nachfolgenden Flanken (15, 25) hingerichtet verlaufen und vorzugsweise der Flankenbohrungsansatz auf der jeweiligen Flanke im wesentlichen im Durchmesserbereich des Teilkreises liegen sollte.
Zahnrad, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut(-en) oder Einkerbung(-en) (15, 35) in den nachfolgenden Flanken vorzugsweise eines jeden Zahnes des Zahnrades (9, 19) angeordnet ist (sind).
Zahnrad, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten oder Einkerbungen (15, 15) einen halbkreisförmigen oder halbovalen Querschnitt aufweisen und sich vom Zahnkopf (11, 21) beginnend etwa bis zum Teilkreisdurchmesser (C) erstrecken.
Zahnradpumpe mit mindestens zwei Zahnrädern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze der Zahnbohrungen und der Flankenbohrungen bzw. der Nuten oder Einkerbungen derart angeordnet sind, dass ein Druckkurzschluss zwischen der Saugseite und der Druckseite der Zahnradpumpe verhindert wird.