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Dokumentenidentifikation DE10239558A1 18.03.2004
Titel Außenzahnradpumpe mit Druckfluidvorladung
Anmelder Schwäbische Hüttenwerke GmbH, 73433 Aalen, DE
Erfinder Peters, Dieter, 88427 Bad Schussenried, DE;
Laux, Robert, 88427 Bad Schussenried, DE;
Ailinger, Herbert, 88427 Bad Schussenried, DE;
Preisler, Lothar, 88427 Bad Schussenried, DE;
Peters, Sven, 88436 Eberhardzell, DE;
Lamparksi, Chistof, Dr., 88441 Mittelbiberach, DE
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Anmeldedatum 28.08.2002
DE-Aktenzeichen 10239558
Offenlegungstag 18.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.2004
IPC-Hauptklasse F04C 2/14
IPC-Nebenklasse F04C 15/00   F04C 15/04   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe, umfassend ein Gehäuse (3a, 3b), eine in dem Gehäuse (3a, 3b) gebildete Zahnradkammer (4) mit einem Einlass (5) für ein Fluid auf einer Niederdruckseite und einem Auslass (6) für das Fluid auf einer Hochdruckseite und mit axialen Dichtstegen (7) und radialen Dichtstegen (8), ein in der Zahnradkammer (4) drehbares erstes Zahnrad (1) mit einer Außenverzahnung, ein in der Zahnradkammer (4) drehbares zweites Zahnrad (2) mit einer Außenverzahnung, die mit der Außenverzahnung des ersten Zahnrads (1) in einem Zahneingriff ist, wobei die Außenverzahnungen Förderzellen (10) bilden, in denen das Fluid von dem Einlass (5) zu dem Auslass (6) transportiert wird und die axial von den axialen Dichtstegen (7) und radial von den radialen Dichtstegen (8) abgedichtet werden, und wenigstens eine Druckfluidzuführung (20, 21), durch die der Niederdruckseite Druckfluid zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Druckfluidzuführung (15, 16) auf der Niederdruckseite in eine Förderzelle (10) mündet, der einer der radialen Dichtstege (8) radial gegenüberliegt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Außenzahnradpumpen für die Verwendung beispielsweise als Schmierölpumpen für Verbrennungskolbenmotoren.

Ein ständiges Problem bei Flüssigkeitspumpen ist die Kavitation. Kavitation entsteht insbesondere durch eine unvollständige Befüllung der Zahnzwischenräume. Mit zunehmender Drehzahl der Pumpenzahnräder steigt auch die Zentrifugalkraft, die auf das zu fördernde Fluid in den Zahnzwischenräumen wirkt, so dass der Füllgrad sinkt. Die Folgen sind Kavitation und damit einhergehend eine starke Geräuschentwicklung.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Kavitation und Geräusche bei Außenzahnradpumpen zu vermindern.

Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe mit einem Gehäuse, in dem eine Zahnradkammer mit einem Einlass und einem Auslass für ein zu förderndes Fluid gebildet sind, und einem Zahnradlaufsatz aus wenigstens zwei außenverzahnten Stirnrädern, die im Falle eines Drehantriebs miteinander kämmen. Das im Falle des Drehantriebs der Zahnräder durch den Einlass der Zahnradkammer angesaugte Fluid füllt die Zahnzwischenräume der Außenverzahnungen und wird durch die drehenden Zahnräder zu dem Auslass der Zahnradkammer transportiert und dort aufgrund des sich schließenden Zahneingriffs der Zahnräder unter höherem Druck verdrängt. Zwischen dem Einlass und dem Auslass bilden die Zahnzwischenräume der Außenverzahnungen Förderzellen für das Fluid. Die Förderzellen werden axial, das heißt zu den Stirnseiten der Zahnräder, von axialen Dichtstegen und radial, das heißt über einen Winkelbereich entlang der Peripherie der Zahnräder, von radialen Dichtstegen begrenzt. Zwischen den Zahnrädern und den Dichtstegen verbleiben unvermeidlich Dichtspalte, die Dichtspalte sind jedoch ausreichend schmal, um eine den Auslass einschließende Hochdruckseite der Zahnradkammer von einer den Einlass einschließenden Niederdruckseite zu trennen. In diesem Sinne dichten die Dichtstege die Förderzellen und den Einlass gegen den Auslass ab.

Ferner umfasst die Pumpe eine Druckfluidzuführung, durch die der Niederdruckseite Druckfluid zuführbar ist. Das Druckfluid ist vorzugsweise das von der Pumpe geförderte Fluid der Hochdruckseite der Pumpe, wobei unter der Hochdruckseite der Pumpe nicht nur die Hochdruckseite der Zahnradkammer, sondern auch der sich daran anschließende Hochdruckteil des Fluidsystems verstanden wird, in dem die Pumpe das Fluid fördert. Dieser Hochdruckteil erstreckt sich bis wenigstens unmittelbar hinter das letzte, von der Pumpe mit dem Fluid zu versorgende Aggregat. Es handelt sich bei der Druckfluidzuführung in diesem Falle um eine Druckfluidrückführung. Grundsätzlich wäre es jedoch denkbar, ein anderweitig unter Druck gesetztes Fluid zuzuführen.

In bevorzugten Verwendungen der Außenzahnradpumpe als Schmierölpumpe für Verbrennungskolbenmotoren, insbesondere Hubkolbenmotoren, oder als Versorgungspumpe für ein Automatikgetriebe wird in den meisten Fällen die Pumpe von dem Motor proportional zur Motordrehzahl, oft mit der Motordrehzahl, angetrieben. Aufgrund des praktisch konstanten spezifischen Fördervolumens von Außenzahnradpumpen steigt das absolute Fördervolumen der Pumpe entsprechend proportional mit der Motordrehzahl. Der Schmierölbedarf des Motors steigt jedoch nur in einem unteren Drehzahlbereich, beispielsweise bis etwa 4000 U/min, proportional mit der Motordrehzahl und bleibt anschließend konstant. In dem Drehzahlbereich über dem Abknicken der Bedarfskurve ist das Fördervolumen der Pumpe daher größer als der tatsächliche Bedarf. Das überschüssige Schmieröl wird meist einfach abgezweigt und energieverlustbehaftet in ein Ölreservoir zurückgeführt. Analog gilt dies auch für den Bedarf eines Automatikgetriebes an Hydraulikflüssigkeit. In solchen Anwendungen wie grundsätzlich auch in anderen Anwendungen, in denen das Fördervolumen der Pumpe größer als der tatsächliche Bedarf ist, so beispielsweise auch als Hydraulikpumpe zur Versorgung eines Automatikgetriebes eines Fahrzeugs, wird es deshalb bevorzugt, wenn das zu der Niederdruckseite zurückgeführte Druckfluid vor dem zu versorgenden Aggregat abgenommen wird. Besonders bevorzugt wird das Druckfluid noch in der Zahnradkammer von deren Hochdruckseite oder zumindest noch vor dem Gehäuseauslass abgenommen. Die Druckfluidzuführung kann in diesem Fall vorteilhafterweise allein durch einen Druckfluidkanal oder mehrere Druckfluidkanäle in dem Pumpengehäuse gebildet werden.

Nach der Erfindung wird das Druckfluid einer Förderzelle zugeführt, die sich bei einer Drehbewegung der Zahnräder bereits in den Drehwinkelbereich bewegt hat, der von einem der radialen Dichtstege umschlungen wird. Die Druckfluidzuführung mündet dem gemäß in eine Förderzelle, der ein radialer Dichtsteg radial gegenüberliegt. Vorzugsweise ist solch eine Druckfluidzuführung für jedes der wenigstens zwei Zahnräder des Zahnradlaufsatzes vorgesehen. Umfasst die Pumpe mehr als zwei Zahnräder, so wird Druckfluid vorzugsweise für jedes der Zahnräder in den jeweiligen Umschlingungsbereich geführt.

Durch das erfindungsgemäße Vorladen gezielt in den Bereich der Umschlingung wird dem Problem der Kavitation wesentlich wirksamer entgegengewirkt als bei einer Druckfluidzuführung einfach in den Einlass oder den Saugbereich der Zahnradkammer stromaufwärts von den radialen Dichtstegen. Würde das Druckfluid einfach in den Saugbereich zugeführt werden, das heißt in den Bereich, in dem die Zahnzwischenräume der Zahnräder noch nicht in die von den radialen Dichtstegen gebildete Umschlingung eingetaucht und dadurch zu Förderzellen abgedichtet sind, so würde das Druckfluid mit dem angesaugten weiteren Fluid vermischt und verwirbelt und wäre in den Zahnzwischenräumen der dort wirkenden Zentrifugalkraft ausgesetzt. Erst durch die erfindungsgemäße Zuführung in dem Bereich der Umschlingung, werden die Förderzellen mit dem Druckfluid effektiv geladen. Da der Ladevorgang noch auf der Niederdruckseite stattfindet, kann von einem Vorladen gesprochen werden.

Das in die Förderzelle geführte Druckfluid steht unter einem höheren Druck als das bereits in der Förderzelle befindliche Fluid. Aufgrund seines höheren Drucks ist der Gasanteil des Druckfluids vollständiger gelöst als der Gasanteil des zuvor in der Förderzelle bereits befindlichen Fluids. Handelt es sich bei dem Druckfluid um das Fluid von der Hochdruckseite der Pumpe, so bedeutet dies zwangsläufig, dass sich in den vorgeladenen Förderzellen weniger Gasblasen als im Stand der Technik in nicht vorgeladenen Förderzellen bilden. Das Problem der Kavitation, im Wesentlichen Geräusche und Lochfraß, wird daher vermindert. Der Kavitationsbeginn wird zu höheren Drehzahlen verschoben.

Die Druckfluidzuführung kann in einem oder in beiden axialen Dichtstegen des Zahnrads, d.h. zu beiden Stirnseiten eines Zahnrads, oder in dem radialen Dichtsteg oder in beiden Arten von Dichtstegen münden.

Bevorzugt wird es ferner, wenn das Druckfluid in einen axialen Endabschnitt der Förderzelle eingeführt wird und an dem gegenüberliegenden anderen axialen Ende der Förderzelle ein Entlastungsraum angeschlossen ist, in den das vor dem erfindungsgemäßen Laden in der Förderzelle befindliche Fluid verdrängt werden kann. Der Entlastungsraum ist vorzugsweise mit dem Saugbereich der Zahnradkammer oder dem sich stromaufwärts von dem Einlass unmittelbar anschließenden Strömungsbereich verbunden. Grundsätzlich kann das Druckfluid jedoch auch in einem axial mittleren Abschnitt der Förderzelle zugeführt werden und in diesem Falle zweckmäßigerweise an beiden axialen Endabschnitten der Förderzelle je ein Entlastungsraum in Form eines Abflusses vorgesehen sein. Auch die umgekehrte Anordnung, nämlich Zufluss endseitig und Abfluss mittig, ist grundsätzlich denkbar. Der Zufluss des Druckfluids und der Abfluss des verdrängten Fluids oder die gegebenenfalls mehreren Zuflüsse und/oder Abflüsse sollte(n) so ausgebildet sein, dass die Förderzelle vollständig mit dem Druckfluid befüllt wird.

Der Einlass in die Zahnradkammer oder der den Einlass einschließende Saugbereich kann den Entlastungsraum unmittelbar bilden. So kann eine Endkante des radialen Dichtstegs, in dessen Bereich das Druckfluid zugeführ wird, winklig zu der Außenverzahnung des von diesem Dichtsteg umschlungenen Zahnrads weisen oder in Drehrichtung des Zahnrads eine erstreckte Ausnehmung aufweisen, vorzugsweise einem axialen Endbereich. In beiden Fällen umschlingt der mit solch einer Endkante versehene radiale Dichtsteg nur einen axialen Abschnitt der eintauchenden Förderzelle, während ein anderer axialer Abschnitt, vorzugsweise Endabschnitt, der eintauchenden Förderzelle noch zu dem Saugbereich hin offen ist. Das Druckfluid wird der eintauchenden Förderzelle in dem bereits umschlungenen axialen Abschnitt zugeführt, während das zuvor bereits in dem betreffenden Zahnzwischenraum befindliche Fluid von dem eindringenden Druckfluid zurück in den Saugbereich verdrängt wird. Ein derart einfach gestalteter Abfluss für das verdrängte Fluid ergibt sich auf besonders einfache Weise dann, wenn die miteinander kämmenden Zahnräder des Zahnradlaufsatzes einfach oder mehrfach schräg- oder schraubverzahnt sind. Bei derartigen Verzahnungen genügt es, wenn die im Saugbereich gebildete Endkante des radialen Dichtstegs in axialer Richtung einfach gerade verläuft. Die Endkante hat vorzugsweise einen kleinen Radius, so dass eine Kante im engeren Wortsinn vorliegt. Rund, d.h. allmählich, auslaufende Enden sollen jedoch von dem Begriff ebenfalls umfasst sein, allerdings weniger bevorzugt.

Die Mündung der Druckfluidzuführung ist vorzugsweise so gebildet, dass der in Drehrichtung des Zahnrads nachlaufende Zahn der zuletzt geladenen Förderzelle diese Förderzelle von der Mündung der Druckfluidzuführung in dem Moment trennt, in dem er die Förderzelle auch von dem Entlastungsraum trennt. Gegebenenfalls sollte die Trennung von der Druckfluidzuführung unmittelbar vor der Trennung von dem Entlastungsraum erfolgen. In einer bevorzugten Ausführung wird die geladene Förderzelle von der Druckfluidzuführung getrennt, wenn sie über ihre gesamte axiale Länge von dem radialen Dichtspalt gerade überdeckt wird. Obgleich mehrere Förderzellen pro Zahnrad gleichzeitig in erfindungsgemäßer Weise vorgeladen werden können, weist die Mündung der Druckfluidzuführung in Drehrichtung vorzugsweise solch eine Erstreckung auf, dass nur eine Förderzelle eines Zahnrads oder pro Zahnrad sich bei der Drehbewegung im Mündungsbereich befindet.

In einer Weiterentwicklung der Pumpe wird der in die Zahnradkammer führende Einlass als Düse gebildet, durch die das angesaugte Fluid zusätzlich zu der Saugwirkung der kämmenden Zahnräder in Richtung auf die noch offenen Zahnzwischenräume der Zahnräder beschleunigt wird. Die in Umfangsrichtung der radialen Dichtstege in den Saugbereich ragenden Endkanten der radialen Dichtstege begrenzen zwischen sich vorzugsweise die engste Stelle der Düse. Wegen der erfindungsgemäßen Druckfluidzuführung in den Umschlingungsbereich können die radialen Dichtstege auf der Niederdruckseite weiter als im Stand der Technik zu dem Zahneingriff hin erstreckt werden. Durch solch eine Verlängerung der radialen Dichtstege kann die Düse an ihrer engsten Stelle vorteilhaft schmal gemacht werden.

Die Bildung der Düse wirkt zwar besonders vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Laden der Förderzellen zusammen, bewirkt jedoch auch bereits alleine ohne die Druckfluidzuführung eine Verschiebung des Kavitationsbeginns zu höheren Drehzahlen. Die Anmelderin behält es sich daher vor, die den Füllgrad steigernde Düse auch ohne die erfindungsgemäße Druckfluidzuführung zu beanspruchen.

In noch einer Weiterentwicklung ist der radiale Dichtspalt zwischen wenigstens einem der Zahnräder und dem umschlingenden radialen Dichtsteg an wenigstens einem seiner zwei Spaltenden verbreitert, vorzugsweise allmählich verbreitert. Vorzugsweise sind beide Spaltenden verbreitert. Falls nur eines der Spaltenden verbreitert ist, handelt es sich bei dem verbreiterten Spaltende vorzugsweise um das Spaltende auf der Hochdruckseite. Die Verbreiterung auf der Hochdruckseite bewirkt, dass Druckunterschiede zwischen der Hochdruckseite der Zahnradkammer außerhalb des Umschlingungsbereichs und den noch im Umschlingungsbereich befindlichen Förderzellen über einen größeren Drehwinkelbereich in die Umschlingung hinein ausgeglichen werden als bei einem über den Umfang gleichmäßig breiten radialen Dichtspalt. Eine Verbreiterung des radialen Dichtspalts zum Saugbereich hin bewirkt, dass die in Umfangsrichtung bestehende Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zahnrad und dem umschlingenden radialen Dichtsteg ebenfalls über eine längere, in Umfangsrichtung gemessene Strecke ausgeglichen werden kann als bei einem radialen Dichtspalt, der in Umfangsrichtung eine konstante Breite aufweist. An der engsten Stelle, die linienförmig oder in Umfangsrichtung erstreckt sein kann, kann der radiale Dichtspalt die übliche radiale Breite aufweisen, um eine Trennung von Hoch- und Niederdruckseite sicher zu stellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet der radiale Dichtsteg oder bilden sämtliche radialen Dichtstege je eine glatte zylindrische, aber nicht kreiszylindrische Dichtfläche, so dass sich entlang einer einzigen axialen Linie eine engste Stelle des radialen Dichtspalts und von dort ausgehend eine allmähliche Verbreiterung in vorzugsweise beide Umfangsrichtungen ergibt.

Die endseitige Verbreiterung des radialen Dichtspalts wirkt zwar vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Druckfluidzuführung und auch vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Düsenwirkung zusammen, bringt aber auch bereits alleine oder auch in Kombination mit je nur einer der beiden vorgenannten Maßnahmen eine Verminderung der auf Kavitation zurückzuführenden Probleme. Sowohl ein vergleichmäßigter Druckausgleich auf der Hochdruckseite als auch ein vergleichmäßigter Geschwindigkeitsausgleich auf der Niederdruckseite reduziert die Bewegung und Verwirbelung des Fluids in den Förderzellen, womit auch eine reduzierte Blasenbildung und damit eine reduzierte Kavitation einhergeht. Die Anmelderin behält es sich vor, die Verbreiterung eines Spaltendes als solche, das heißt auch ohne die erfindungsgemäße Druckfluidzuführung und/oder ohne die Ausbildung einer Düse zu beanspruchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche weiter. Es zeigen:

1 eine Außenzahnradpumpe in einer Stirnansicht auf die Zahnräder der Pumpe,

2 die Außenzahnradpumpe in einem ersten Längsschnitt und

3 die Außenzahnradpumpe in einem Teillängsschnitt mit Seitenansicht auf zwei Zahnräder.

1 zeigt eine Außenzahnradpumpe, d.h. eine außenachsige Zahnradpumpe in einem Längsschnitt, der den Blick in ein Gehäuseteil 3a der Pumpe auf die Stirnseiten zweier Zahnräder 1 und 2 frei gibt. Die beiden Zahnräder 1 und 2 sind um parallele Drehachsen D1 und D2 drehgelagert. Die Zahnräder 1 und 2 sind außen schrägverzahnt und sind im Fall ihres Drehantriebs über ihre Außenverzahnungen in einem kämmenden Zahneingriff. Das Zahnrad 1 wird drehangetrieben und treibt über den Zahneingriff das Zahnrad 2 an. Die Drehrichtungen der Zahnräder 1 und 2 sind durch Richtungspfeile angedeutet. Eingezeichnet sind auch die Wälzkreise W1 und W2 der Zahnräder 1 und 2.

Das Gehäuseteil 3a bildet eine Zahnradkammer 4 mit, in der die Zahnräder 1 und 2 aufgenommen sind. Das Pumpengehäuse insgesamt ist zweiteilig aus dem Gehäuseteil 3a bildet für jedes der Zahnräder 1 und 2 einen axialen Dichtsteg 7, der der rückwärtigen Stirnseite des zugeordneten Zahnrads 1 oder 2 axial gegenüberliegt und von dem zugeordneten Zahnrad 1 oder 2 im Falle des Drehantriebs überstrichen wird. Der Gehäusedeckel 3b bildet den in 1 vorderen Stirnseiten der Zahnräder 1 und 2 gegenüberliegend je ebenfalls einen axialen Dichtsteg 7 (3). Das in 1 dargestellt Gehäuseteil 3a bildet pro Zahnrad 1 und 2 ferner je einen radialen Dichtsteg 8, der dem zugeordneten Zahnrad 1 oder 2 radial gegenüberliegt und das ihm zugeordnete der Zahnräder 1 und 2 über einen bestimmten Bogenabschnitt umschlingt, so dass zwischen den Zahnköpfen der Zahnräder 1 und 2 und den beiden radialen Dichtstegen 8 je ein radialer Dichtspalt 9 verbleibt.

Bei einem Drehantrieb der Zahnräder 1 und 2 wird ein von der Pumpe zu förderndes Fluid durch einen Einlass 5 der Zahnradkammer 4 angesaugt. Das angesaugte Fluid wird in den Zahnzwischenräumen der Außenverzahnungen der Zahnräder 1 und 2 durch die Drehbewegung an dem jeweils zugeordneten radialen Dichtsteg 8 entlang zu einem Auslass 6 der Zahnradkammer 4 transportiert, und strömt von dort mit einem aufgrund des Zahneingriffs erhöhten Druck ab. Ein den Einlass 5 umfassender Teil der Zahnradkammer 4 bildet dementsprechend eine Niederdruckseite der Zahnradkammer 4 und ein den Auslass 6 umfassender Teil bildet eine Hochdruckseite der Zahnradkammer 4. Die axialen Dichtspalte zu den Stirnseiten der Zahnräder 1 und 2 und die über den Außenumfang der Zahnräder 1 und 2 gebildeten radialen Dichtspalte 9 dichten die Hochdruckseite von der Niederdruckseite ausreichend ab, so dass sich das erforderliche Druckgefälle von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite bildet. Die Zähne der Zahnräder 1 und 2 begrenzen zusammen mit den umschlingenden radialen Dichtstegen 9 mit der Drehgeschwindigkeit der Zahnräder 1 und 2 sich bewegende Förderzellen 10, in denen das Fluid im Wesentlichen portionsweise von der Niederdruckseite zu der Hochdruckseite transportiert wird.

Wenn die Drehzahl der Zahnräder 1 und 2 steigt, vergrößern sich die in den Zahnzwischenräumen und Förderzellen 10 auf das Fluid wirkenden Zentrifugalkräfte. Auf der Niederdruckseite der Zahnradkammer 5 außerhalb der von den radialen Dichtstegen 9 gebildeten Umschlingung bewirken die Zentrifugalkräfte, dass der Füllgrad in den dort nach außen offenen Zahnzwischenräumen mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Das auf der Niederdruckseite durch den Zahneingriff angesaugte Fluid wird sozusagen aus den sich von der Stelle tiefsten Zahngriffs in Drehrichtung öffnenden Zahnzwischenräumen herausgeschleudert, wenn die Drehzahl entsprechend hoch werden könnte. Im praktischen Pumpenbetrieb wird das Fluid zwar nicht aus den Zahnzwischenräumen herausgeschleudert, allerdings erhält das in den Zahnzwischenräumen bei der Drehbewegung mitgerissene Fluid eine Geschwindigkeitskomponente, die der Geschwindigkeit aufgrund des reinen Saugeffekts entgegenwirkt und dadurch den Füllgrad zunächst der Zahnzwischenräume und anschließend im Bereich der Umschlingung den Füllgrad der Förderzellen 10 verringert. Gravierender noch als die Füllgradverringerung ist jedoch die durch den Schleudereffekt der Zentrifugalkräfte verstärkte Kavitation, die mit unliebsamen Geräuschen verbunden ist und zur Materialermüdung an den Zahnkonturen der Zahnräder 1 und 2 führt.

Um den Druck in den Förderzellen 10 zu erhöhen und dadurch die Kavitation zu mindern, wird Fluid von der Hochdruckseite der Pumpe, welche die Hochdruckseite der Zahnradkammer 4 einschließt, durch eine Druckfluidzuführung auf die Niederdruckseite der Zahnradkammer 4 in jeden der beiden Umschlingungsbereiche der Zahnräder 1 und 2 zurückgeführt. Ein verzweigter Rückstromkanal 15 bildet die Druckfluidzuführung.

Der Rückströmkanal 15 ist in dem Gehäusedeckel 3b gebildet, der in 3 zu erkennen ist. Er mündet auf der Hochdruckseite im Bereich des Auslasses 6 in das abströmende Druckfluid. Er erstreckt sich von seiner Mündungsstelle auf der Hochdruckseite zunächst einarmig bis zu einer Verzweigungsstelle, wo er in zwei Kanalarme verzweigt. Der eine der zwei Kanalarme mündet in eine Einströmöffnung 16 des radialen Dichtstegs 8 des Zahnrads 1, und der andere Kanalarm mündet in eine ebensolche Einströmöffnung 16 des radialen Dichtstegs 8 des anderen Zahnrads 2. Der Begriff der Einströmöffnung leitet sich aus dem Einströmen in die Förderzellen 10 ab. Die beiden Einströmöffnungen 16 sind taschenförmige Ausnehmungen in den die radialen Dichtstege 8 bildenden Innenmantelflächen des Gehäuseteils 3a. Die Einströmöffnungen 16 erstrecken sich bis zu der Stirnseite des Gehäuseteils 3a, die von dem Deckel 3b abgedichtet wird und an der die Kanalarme münden. Die Einströmöffnungen 16 sind in den radialen Dichtstegen 8 so angeordnet und geformt, dass das Druckfluid bei jedem der Zahnräder 1 und 2 nur in eine Förderzelle 10 oder einen Axialabschnitt einer Förderzelle 10 einströmt, für die oder den der nachlaufende Zahnkopf der eingetauchten Förderzelle 10 bereits einen radialen Dichtspalt 9 mit dem zugeordneten radialen Dichtsteg 8 bildet, so dass das Druckfluid aus der Einströmöffnung 16 zumindest im Wesentlichen nur axial, d. h. längs der Zähne, strömt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Druckfluid nicht einfach in den Saugbereich der noch von dem radialen Dichtsteg 8 freien Zahnzwischenräume abströmt. Um das zuvor angesaugte und noch in der gerade vorzuladenden Förderzelle 10 befindliche Fluid der Niederdruckseite möglichst vollständig zu verdrängen und die Förderzelle 10 entsprechend vollständig mit dem Druckfluid vorzuladen, ist dafür gesorgt, dass dieses Niederdruckfluid aus der Förderzelle 10 entweichen kann.

Da die Zahnräder 1 und 2 schrägverzahnt sind, kann, wie 2 beispielhaft zeigt, die Verdrängung des Niederdruckfluids auf konstruktiv besonders einfache Weise erreicht werden. Die beiden Einströmöffnungen 16 sind je in ihrem radialen Dichtsteg 8 so positioniert und in Drehrichtung des zugeordneten Zahnrads 1 oder 2 soweit erstreckt, dass das zurückgeführte Druckfluid an einem aufgrund der Schrägverzahnung vorlaufenden axialen Ende in den in die Umschlingung einlaufenden Zahnzwischenraum/Förderzelle 10 einströmt und das Niederdruckfluid über eine Endkante 11 des Dichtstegs 8 an einem nachlaufenden axialen Ende des gleichen Zahnzwischenraums/der gleichen Förderzelle 10 zu der Niederdruckseite entweichen kann. Die Endkanten 11 sind axial so erstreckt, dass die Schrägverzahnungen winklig zu den Endkanten 11 weisen und die vorlaufenden axialen Enden der Zahnzwischenräume deshalb vor den nachlaufenden axialen Enden in die Umschlingung einlaufen. Im Ausführungsbeispiel sind die Endkanten 11 einfach parallel zu den Drehachsen der Zahnräder 1 und 2. Jede der Einströmöffnungen 16 ist in ihrem radialen Dichtsteg 8 ferner so positioniert und in Drehrichtung des zugeordneten Zahnrads 1 oder 2 soweit erstreckt, dass der die Förderzelle 10 begrenzende nachlaufende Zahn mit dem radialen Dichtsteg 8 einen radialen Dichtspalt 9 über seine volle axiale Länge erst dann bildet, wenn er die auf diese Weise über ihre gesamte axiale Länge in den Bereich der Umschlingung eingelaufene Förderzelle 10 von der Einströmöffnung 16 abdichtet, d.h. wenn seine radial äußerste Oberfläche, im allgemeinen seine Scheitellinie, die Einströmöffnung 16 vollständig überstrichen hat.

Wären die beiden Zahnräder 1 und 2 geradverzahnt, so könnte bei sonst unveränderter Ausführung für die Verdrängung des Niederdruckfluids beispielsweise in den axialen Dichtstegen 7, die zu den axial von den Einströmöffnungen 16 abgewandten Stirnseiten der Zahnräder 1 und 2 gebildet sind, je eine in den Saugbereich offene Ausnehmung vorgesehen sein, durch die das Niederdruckfluid aus der betreffenden Förderzelle 10 in den Saugbereich entweichen kann.

Die Pumpe des Ausführungsbeispiels ist eine Schmierölpumpe für die Versorgung eines Verbrennungs- Hubkolbenmotors mit Schmieröl. Die Pumpe, d.h. ihr angetriebenes Zahnrad 1, wird wie üblich von der Kurbelwelle des Motors direkt oder über ein Getriebe angetrieben. Ihr absolutes Fördervolumen steigt aufgrund ihres im wesentlichen konstanten spezifischen Fördervolumens im wesentlichen proportional mit der Drehzahl. Ab Erreichen einer bestimmten Motordrehzahl fördert die Pumpe daher über dem Motorbedarf, wenn sie nicht abgeregelt ist. Auf der Hochdruckseite der Pumpe ist im Gehäusedeckel 3b daher ein Druckregelventil 18 angeordnet, das ab dem Erreichen der besagten Drehzahl die Hochdruckseite mit dem Rückströmkanal 15 verbindet, durch den das überschüssige Schmieröl der Hochdruckseite in die Einströmöffnungen 16 und in die Förderzellen 10 geleitet wird. Das im Vergleich zu dem Bedarf zuviel geförderte Öl wird zwischen dem Einlass 5 und dem Auslass 6 im Kreis gefördert. Das Vorladen der Förderzellen 10 verschiebt daher nicht nur den Beginn der Kavitation zu höheren Drehzahlen, sondern resultiert auch noch in einer dem Bedarf angepassten Abregelung des Fördervolumens der Pumpe.

Um die Geschwindigkeit des durch den Einlass 5 und die Zahnradkammer 4 einströmenden Fluids zu erhöhen und dadurch ebenfalls den Zentrifugalkräften entgegen zu wirken, ist der Einlass 5 als Düse gebildet. Hierzu verringert sich der Strömungsquerschnitt des Einlasses 5 bis zu der Einlassöffnung der Zahnradkammer 4 kontinuierlich. Im Ausführungsbeispiel verengt sich der Einlass 5 keilförmig gerade bis zu der Einlassöffnung, die von den Endkanten 11 beidseits begrenzt wird und sich über die gesamte axiale Breite der Zahnräder 1 und 2 erstreckt. Diese Erstreckung des engsten Düsenquerschnitts ist durch die für die Verdrängung des Niederdruckfluids exakt axial weisenden Endkanten 11 bedingt, aber hierauf nicht beschränkt. Die von den Endkanten 11 berandete Einlassöffnung in die Zahnradkammer 4 ist der engste Strömungsquerschnitt der Düse. Von dieser Einlassöffnung aus weitet sich die Düse gegen die Strömungsrichtung kontinuierlich mit einem konstanten Öffnungswinkel 2a. Die Düse ist achssymmetrisch in Bezug auf eine gemeinsame Tangente T auf die aneinander abrollenden Wälzkreise W1 und W2 der Zahnräder 1 und 2.

Schließlich wird der Kavitation noch dadurch entgegengewirkt, dass die beiden radialen Dichtspalte 9 je zu dem Spaltende auf der Hochdruckseite und zu dem Spaltende auf der Niederdruckseite der Zahnradkammer 4 hin geweitet sind. Die radialen Spalte 9 weiten sich zu ihren beiden Spaltenden hin je kontinuierlich von einer engsten Stelle ausgehend auf. Die engste Stelle wird je auf der Verlängerung der Verbindungsgerade der Drehachsen D1 und D2 zwischen den radialen Dichtstegen 8 und den Zähnen der Zahnräder 1 und 2 gebildet. Im Bereich dieser engsten Stelle kann die radiale Weite der Dichtspalte 9 den radialen Weiten herkömmlicher Dichtspalte entsprechen. Auf jeden Fall muss durch die radialen Dichtspalte 8 die Trennung der Hochdruckseite von der Niederdruckseite der Zahnradkammer 4 sichergestellt sein.

Durch die Aufweitung auf der Niederdruckseite der Zahnradkammer 4 wird der Geschwindigkeitsausgleich zwischen dem Fluid an und nahe der Verzahnungsoberfläche und dem Fluid an und nahe dem gegenüberliegenden radialen Dichtsteg 8 in Drehrichtung der Zahnräder 1 und 2 in die Umschlingung hinein verlängert. Die auf Wandreibung zurückzuführenden Geschwindigkeitsunterschiede werden allmählich und dadurch kontinuierlich ausgeglichen. Infolgedessen werden auch die Scherspannungsspitzen im Fluid sowie Verwirbelungen des Fluids verringert. Die Aufweitung auf der Hochdruckseite der radialen Spalte 9 führt dazu, dass der Druckausgleich zwischen der Hochdruckseite der Zahnradkammer 4 und den in der Umschlingung befindlichen Förderzellen 10 gegen die Drehrichtung über eine größere Strecke in die Umschlingung hinein verlängert wird, so dass auch an dem Spaltende der Hochdruckseite gezielt das Fluid in den Förderzellen 10 beruhigt und dadurch der Kavitation entgegengewirkt wird.

1 erstes Zahnrad 2 zweites Zahnrad 3a Gehäuseteil 3b Deckel 4 Zahnradkammer 5 Einlass 6 Auslass 7 axialer Dichtsteg 8 radialer Dichtsteg 9 radialer Dichtspalt 10 Förderzelle 11 Endkante 12 Endkante 13 14 15 Rückstromkanal 16 Einströmöffnung 17 18 Ventil D1 Drehachse D2 Drehachse &agr; Neigungswinkel T Tangente W1 Wälzkreis W2 Wälzkreis

Anspruch[de]
  1. Außenzahnradpumpe umfassend

    a) ein Gehäuse (3a, 3b),

    b) eine in dem Gehäuse (3a, 3b) gebildete Zahnradkammer (4) mit einem Einlass (5) für ein Fluid auf einer Niederdruckseite und einem Auslass (6) für das Fluid auf einer Hochdruckseite und mit axialen Dichtstegen (7) und radialen Dichtstegen (8),

    c) ein in der Zahnradkammer (4) drehbares erstes Zahnrad (1) mit einer Außenverzahnung,

    d) ein in der Zahnradkammer (4) drehbares zweites Zahnrad (2) mit einer Außenverzahnung, die mit der Außenverzahnung des ersten Zahnrads (1) in einem Zahneingriff ist,

    e) wobei die Außenverzahnungen Förderzellen (10) bilden, in denen das Fluid von dem Einlass (5) zu dem Auslass (6) transportiert wird und die axial von den axialen Dichtstegen (7) und radial von den radialen Dichtstegen (8) abgedichtet werden,

    f) und wenigstens eine Druckfluidzuführung (20, 21), durch die der Niederdruckseite Druckfluid zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

    g) die wenigstens eine Druckfluidzuführung (15, 16) auf der Niederdruckseite in eine Förderzelle (10) mündet, der einer der radialen Dichtstege (8) radial gegenüberliegt.
  2. Außenzahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidzuführung (15, 16) fluidisch mit der Hochdruckseite der Pumpe verbunden ist, um einen Teil des Fluids der Hochdruckseite zurückzuführen.
  3. Außenzahnradpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckfluidzuführung (15, 16) ein Regel- oder Absperrorgan (18) angeordnet ist, das die Druckfluidzuführung (15, 16) erst bei Erreichen eines bestimmten Fluiddrucks oder einer bestimmten Pumpendrehzahl oder einem bestimmten Wert einer anderen für den Pumpenbetrieb charakteristischen Größe öffnet.
  4. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidzuführung in dem axialen Dichtsteg mündet.
  5. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidzuführung (15, 16) in dem radialen Dichtsteg (8) mündet.
  6. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidzuführung (15, 16) in einen axialen Endabschnitt der Förderzelle (10) mündet.
  7. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entlastungsraum gebildet ist, der mit der Niederdruckseite der Pumpe verbunden ist und in die gleiche Förderzelle (10) oder den gleichen Zahnzwischenraum der Außenverzahnung mündet wie die Druckfluidzuführung (15 , 16) und in den das Druckfluid das in der Förderzelle (10) enthaltene Fluid der Niederdruckseite verdrängen kann.
  8. Außenzahnradpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Einlass (5) umfassender Saugbereich den Entlastungsraum bildet.
  9. Außenzahnradpumpe nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidzuführung (15, 16) und der Entlastungsraum bei einer Drehbewegung der Zahnräder (1, 2) gleichzeitig von der mit dem Druckfluid befüllten Förderzelle (10) getrennt werden.
  10. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne der mit dem Druckfluid befüllten Außenverzahnung und die dem Einlass (5) zugewandte Endkante (11) des radialen Dichtstegs (8), welcher die mit dem Druckfluid befüllte Außenverzahnung umschlingt, so zueinander weisen, dass die Zahnzwischenräume der Außenverzahnung bei einer Drehbewegung der Zahnräder (1, 2) je einen in Bezug auf die Endkante (11) vorlaufenden Axialabschnitt und einen in Bezug auf die Endkante (11) nachlaufenden Axialabschnitt bilden, die nacheinander in die Überdeckung mit dem radialen Dichtsteg (8) gelangen, und dass die Druckfluidzuführung (15, 16) in den vorlaufenden Axialabschnitt mündet.
  11. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (5) eine Düse bildet, um das einströmende Fluid in Richtung auf die Zahnräder (1, 2) zu beschleunigen.
  12. Außenzahnradpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Dichtstege (8) Endkanten (11) aufweisen, die den Einlass (5) zwischen sich begrenzen und eine engste Stelle der Düse bilden.
  13. Außenzahnradpumpe nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse symmetrisch zu beiden Seiten einer gemeinsamen Tangente (T) auf die Wälzkreise (W1, W2) der Zahnräder (1, 2) gebildet ist.
  14. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Dichtspalt (9), der zwischen einem der Zahnräder (1, 2) und einem der radialen Dichtstege (8) gebildet ist, an wenigstens einem Spaltende radial geweitet ist.
  15. Außenzahnradpumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltende der Hochdruckseite geweitet ist.
  16. Außenzahnradpumpe nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltende der Niederdruckseite geweitet ist.
  17. Außenzahnradpumpe nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Dichtspalt (9) zu wenigstens einem Spaltende hin sich kontinuierlich weitet.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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