DE10141863A1

DE10141863A1 - Hydraulische Verdrängerpumpe

Info

Publication number: DE10141863A1
Application number: DE2001141863
Authority: DE
Inventors: Jim Yoshioka
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2002-03-14
Also published as: GB0120842D0; JP2002106475A; GB2367590A

Abstract

Es wird eine Innenzahnradpumpe oder eine Gerotorpumpe bereitgestellt, bei der die inneren und äußeren Rotoren aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten hergestellt sind, um den Spitzenzwischenraum nach Maßgabe der Temperaturänderung zu verändern. Bei einer solchen Auslegung einer Innenpumpe mit unterschiedlichen Rotormaterialien erhält man eine Wärme/Viskositätskompensation, wodurch die Auswirkungen der Temperatur auf den Pumpenwirkungsgrad reduziert werden.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit hydraulischen Einrichtungen und insbesondere mit einer hydraulischen Pumpe, welche einen effizienten Betrieb beim Einsatz von Fluiden bei extrem niedrigen Temperaturen und extrem hohen Temperatu ren und bei Temperaturen dazwischen gestattet.

Innenzahnradpumpen und Gerotorpumpen sind Fluidverdrängungspumpen, deren Auslegung auf dem Einsatz eines Zahnrades beruht, welches Zähne um den Außenumfang eines Innenrotors hat, welche mit Zahnradzähnen zusam menarbeiten, die um den Innenumfang eines durchmessergrößeren ringförmi gen Rotors angeordnet sind. Die Drehachsen der beiden Rotoren sind zuein ander um einen Abstand verschoben, der gleich der Differenz zwischen den Teilungsradien der beiden Zahnräder oder Rotoren ist. Zusätzlich werden die Drehachsen der beiden Rotoren durch den inneren Rotor dadurch eingehalten, daß dieser auf einer Lagertragwelle angeordnet ist, und der äußere Rotor in einer zylindrischen Bohrung gelagert ist, die relativ zu dem Drehmittelpunkt der Welle bzw. Achse des inneren Rotors starr ist.

Wie üblich, drehen sich der äußere Rotor der Innenzahnradpumpe und der äußere Rotor der Gerotorpumpe jeweils in der zylindrischen Bohrung des Pumpengehäuses. Beim Vorhandensein eines zu pumpenden Fluids wirken die äußere zylindrische Fläche des sich drehenden äußeren Rotors und das stationäre Gehäuse mit der zylindrischen Bohrung als ein hydrodynamisches Traglager. Wenn daher die Pumpe eingesetzt wird, um Fluide, wie Öl, zu pumpen, welche eine Schmierfähigkeit und Viskosität haben, läßt sich ein sogenannter "Lagereffekt" verwirklichen, d. h. der Ölfilm zwischen der Umfangs fläche des sich drehenden äußeren Rotors und der Innenfläche der stationären zylindrischen Bohrung dient zur Herabsetzung der Reibung und zur Aufnahme von Belastungen ohne Verschleiß. Die Wirksamkeit des "Lagereffekts" hängt von vielen Faktoren, u. a. auch von der Schmierfähigkeit und der Viskosität des zu pumpenden Fluids im Vergleich zu den relativen Geschwindigkeiten der Teile und der auf den Fluidfilm einwirkenden Belastung ab. Wie bei den meisten hydrodynamischen Traglagern wird es im allgemeinen als notwendig angesehen, daß der äußere Rotor und das Gehäuse aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, da ähnliche Materialien eine Affinitätstendenz haben, gemäß welcher einige molekulare Bindungen durch Materialtransport bei einer Kontaktierung unter Belastung entstehen.

Die übliche Auslegung berücksichtigt aber nicht das Lecken und die Ände rungen, die zwischen den Spitzenbereichen und den Flügelbereichen des inneren und äußeren Rotors infolge von extremen Temperaturen auftreten. Wenn eine Innenzahnradpumpe eingesetzt wird, um Hydraulikdruck unter Bedingungen zu erzeugen, bei denen sich die Temperaturen ändern, ändert sich die Viskosität mit der Temperatur (d. h. die Viskosität nimmt bei steigender Temperatur ab). Hierdurch wird der Pumpenwirkungsgrad infolge eines zuneh menden internen extremen Spitzenbereichs zwischen dem inneren und dem äußeren Rotor/Gerotor herabgesetzt. Beim Stand der Technik gibt es keine Anregungen, welche sich mit diesen Schwierigkeiten bei dem Stand und der Technik und den hiermit verbunden Nachteilen befassen.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach Pumpen der vorstehend beschriebenen Bauart, welche derart ausgelegt sind, daß auf effiziente und gleichbleibende Weise Fluide bei sich sehr stark ändernden Temperaturen und/oder Viskosi täten und/oder sich ändernder Schmierfähigkeit ohne Verschleiß pumpen können, wobei geringe Reibungen auftreten und man hohe und konstante Wirkungsgrade sicherstellen kann.

Nach der Erfindung wird eine Zahnradpumpe, wie eine Innenzahnradpumpe oder eine Gerotorpumpe bereitgestellt, bei der die inneren und äußeren Roto ren aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmedehnungs koeffizienten ausgebildet sind, um hierdurch einen Spitzenzwischenraum nach Maßgabe der Temperaturänderung zu verändern. Durch diese Auslegung erhält man eine Innenpumpe aus unterschiedlichen Rotormaterialien, wodurch eine Kompensation für sich verändernde Verhältnisse aufgrund der Wärme und der Viskosität geschaffen wird, und insbesondere die Auswirkung der Temperatur auf den Pumpenwirkungsgrad vermindert wird.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, eine hydraulische Verdrängerpumpe zum Einsatz bei Fluiden mit sehr niedriger Temperatur und sehr hoher Temperatur und zum Einsatz mit Fluiden bei einer Temperatur zwischen diesen sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen bereit zu stellen.

Ferner soll nach der Erfindung eine Zahnradverdrängerpumpe als Hydraulik pumpe bereitgestellt werden, welche einen Innenrotor und einen Außenrotor hat, wobei der Innenrotor wenigstens einen Zahn weniger als der Außenrotor hat, und die Mittellinie mit einer fest vorgegebenen Exzentrizität von der Mittellinie des äußeren Rotors angeordnet ist, und wobei der äußere Rotor mittels einer Mehrzahl von zylindrischen Wälzlagern drehbar gelagert ist, welche zwischen einem Traggehäuse und dem äußeren Rotor angeordnet sind. Bei einer solchen Pumpe sind die Rotoren aus unterschiedlichen Materia lien mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten ausgebildet.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1A-1L schematische Ansichten zur Verdeutlichung der Arbeits weise einer hydraulischen Innenpumpe (der Gerotorbau art), welche nach der Erfindung ausgelegt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht der hydraulischen Pumpe nach Fig. 1A mit den Fluideinlaß- und -auslaßöffnungen; und

Fig. 3A und 3B Schnittansichten zur Verdeutlichung des Spitzenzwi schenraums zwischen den inneren und äußeren Geroto ren, welcher nach der Konzeption der Erfindung beeinflußt wird.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung und insbesondere auf die Fig. 1A bis 1L und 2 handelt es sich bei dem Gerotor um eine Verdrängerpumpen einheit, welche im wesentlichen aus zwei Elementen - einem inneren Rotor 10 und einem äußeren Rotor 20 - besteht. Die Pumpeneinheit nach der Erfindung ist auf den verschiedensten Anwendungsgebieten einsetzbar, welche ohne jegliche Beschränkung Kupplungssysteme in einem Antriebsstrang und/oder einer Differentialanordnung umfassen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1A hat der innere Rotor 10 einen Zahn 10' weniger als der äußere Rotor 20 und seine Mittellinie 12 ist mit einer fest vorgegebenen Exzentrizität zu der Mittellinie 22 des äußeren Elements 20 angeordnet. Obgleich es Gerotorpumpen mit unterschiedlichen geometrischen Auslegungseinzelheiten gibt, diese ferner aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Abmessungen und unterschiedlichen weiteren Einzelheiten ausgelegt sein können, sind wie immer derart beschaffen, daß wenigstens ein Zahn auf dem inneren treibenden Element weniger vorgesehen ist. Konjugiert ausgebildete Zahnprofile halten ständig einen fluiddichten Kontakt während des Betriebs aufrecht.

Wenn der Gerotor eine Umlaufbewegung ausführt, wird Flüssigkeit von dem Einlaß (siehe Fig. 2) in die sich erweiternde Kammer bis zu einem maximalen Volumen angesaugt, das gleich jenem des fehlenden Zahns des inneren Elements ist. Die Flüssigkeit wird unter dem Kämmeingriff unter Druck her ausbefördert, wodurch das Kammervolumen kleiner wird. Wenn die Eingangs welle (und der innere Rotor) sich zu drehen beginnt (siehe Fig. 1A bis 1E) wird der Zwischenraum zwischen den inneren und äußeren Rotorfußbereichen 14, 24 volumenmäßig größer, und es wird ein Vakuum erzeugt, wodurch bewirkt wird, daß Flüssigkeit in die Kammer 50 über den Einlaß 30 angesaugt wird (siehe Fig. 2). In Fig. 1F hat die Kammer 50 ihr maximales Volumen erreicht. Zu diesem Zeitpunkt dichten die Spitzenbereiche 16 und die Flügelbe reiche 26 die Kammer 50 gegenüber der Einlaßseite 30 (Niederdruck) und dem Auslaß zu der Auslaßeinrichtung 40 (Hochdruck) ab.

Bei einer weiteren Drehbewegung gemäß Fig. 1G bis 1L wird bewirkt, daß die Kammer 50 mit der Auslaßöffnung 40 in Verbindung gebracht wird, und bei einer weiteren Drehbewegung wird das Kammervolumen kleiner, wodurch das Fluid ausgestoßen wird, bis die Kammer 50 im wesentlichen leer ist. Der vorstehend beschriebene Ablauf tritt konstant bei jeder Kammer auf, wodurch man eine gleichmäßige Pumpwirkung erzielt.

Eine Auslegungseinzelheit, die äußerst sorgfältig bei Pumpen der vorstehend beschriebenen Bauart im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Pumpen beachtet werden muß, und um diesen Wirkungsgrad so hoch wie möglich zu halten, ist darin zu sehen, daß ein Spitzenzwischenraum zu berücksichtigen ist, da dieser eine Leckstelle vom Hochdruckhohlraum zu dem Niederdruckhohlraum der Pumpe darstellt. Der Spitzenzwischenraum in jeder Stufe einer Gerotorbrenn stoffpumpe wird teilweise genau dadurch eingestellt, daß man die Materialien für die inneren und äußeren Rotoren unter Berücksichtigung ihrer Wärmedeh nungskoeffizienten auswählt.

Nach der Erfindung besteht das Wesentliche darin, daß der innere und der äußere Rotor aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffi zienten hergestellt sind, so daß bei einer Temperaturveränderung sich auch der Spitzenzwischenraum ändert. Wenn man beispielsweise den inneren Gerotor aus Aluminium und den äußeren Gerotor aus Stahl herstellt, wird der Spitzenzwischenraum bei ansteigender Temperatur infolge der unterschiedli chen Wärmedehnungskoeffizienten kleiner. Wenn man den äußeren Gerotor aus Aluminium und den inneren Gerotor aus Stahl herstellt, erhält man den umgekehrten Effekt.

Obgleich man die Geometrie der Gerotorpumpen schon ausreichend unter sucht hat, soll nachstehend das Grundprinzip nach der Erfindung an Hand eines Beispiels näher erläutert werden. Selbstverständlich ist der Fachmann in der Lage, entsprechende Berechnungen aufgrund von Wärmeanalysen in Verbindung mit entsprechenden Modellen ausgelegt nach der Erfindung durchführen zu können.

Zur Abschätzung der Verkleinerung des Zwischenraums zwischen zwei dünnen koaxial zueinander angeordneten Zylindern wird beispielsweise angenommen, daß der äußere Zylinder aus Stahl mit einem Wärmedehnungskoeffizienten von K = 11,5 × 10^-6, und der innere Zylinder aus Aluminium mit einem Wärme dehnungskoeffizienten von K = 22 × 10^-6 hergestellt ist. Bei 150°C (296°K) beläuft sich der radiale Zwischenraum zwischen den beiden Zylindern, die beide exzentrisch zueinander angeordnet sind, auf (101,6 mm - 99,06 mm)/2 = 1,27 mm (4.000" - 3.900")/2 = 0.050").

Bei einer Temperaturzunahme von 37,8°C (100°K) verändern sich die Ab messungen der Zylinder wie folgt:
Stahlzylinderdurchmesser = 101,6 mm + (101,6 mm.K_st.100K) = 101,72 mm (4.000" + (4.000".K_st.100k) = 4.0046")
Durchmesser des Aluminiumzylinders = 99,06 mm + (99,06 mm.K_al.100K) = 99,23 (3.900" + (3.00".K_al.100K) = 3.9086")

Der Zwischenraum bei 200°C (309°K) beläuft sich auf (4.0046" - 3.9086")/2 = 0,048" (1,23 mm), was gleichbedeutend mit einer Verkleinerung von 0,05 mm (0,002") bei einer Temperaturzunahme von 37,8°C (100°K) ist.

Bei diesem Beispiel wurden als Materialien Stahl und Aluminium gepaart, aber es können natürlich auch irgendwelche anderen Materialien ausgewählt wer den, um gewünschte Kompensationen hinsichtlich des Spitzenzwischenraums bei zunehmender oder abnehmender Temperatur vorzusehen. Unter Bezug nahme auf die 3A und 3B ist der Spitzenzwischenraum "TP" für eine Zahn- und Flügelanordnung verdeutlicht.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu ersehen, daß bei der Rotorpumpe der erfindungsgemäßen Auslegung die Effekte der Temperaturveränderung beeinflußt und in entsprechender Weise kompensiert und abgestimmt werden können, so daß die hergestellte Pumpe bei Spitzenzwischenraumabmessun gen betrieben werden kann, welche basierend auf der Viskosität des hydrauli schen Fluids gewählt wird, welches mit Hilfe der Pumpe zu pumpen ist, und dieser Spitzenzwischenraum sich auch nach Maßgabe der Temperaturbedin gungen der Pumpe ändern kann.

Selbstverständlich sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen hin sichtlich der Auslegung der zuvor beschriebenen Gerotorpumpe möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Der Fachmann wird diese Änderungen und Modifikationen im Bedarfsfall vornehmen.

Claims

1. Hydraulische Verdrängerpumpe, welche folgendes aufweist:
einen inneren Rotor (10), welcher eine Mehrzahl von auf der Außenseite ausgebildeten Zähnen hat,
einen ringförmigen äußeren Rotor (20), welcher eine Mehrzahl von innenliegenden Zähnen hat, welche mit einer äußeren zylindrischen Fläche ausgebildet sind, wobei die äußeren Zähne des Innenrotors (10) in Kämmeingriff mit den inneren Zähnen des äußeren Rotors (20) sind, und wobei die äußeren Zähne auf dem Innenrotor (10) mit einer Zäh nezahl von wenigstens einem Zahn weniger als die Zähnezahl der inneren Zähne des äußeren Rotors (20) vorgesehen sind,
der innere Rotor (10) eine Drehachse hat, die mit einer festen Exzentrizität zu der Drehachse des äußeren Rotors (20) angeordnet ist, und die äußeren Zähne des inneren Rotors (10) und die inneren Zähne des äußeren Rotors (20) entsprechend ausgebildete Zahnprofile in der Weise haben, daß ein kontinuierlicher fluiddichter Kontakt während der Drehbewegung von innerem Rotor (10) und äußerem Rotor (20) vorhan den ist,
wobei der innere Rotor (10) aus einem ersten Material hergestellt ist, welches einen ersten Wärmedehnungskoeffizienten hat, und der äußere Rotor (20) aus einem zweiten Material hergestellt ist, welches einen zweiten Wärmedehnungskoeffizienten hat, wobei der erste Wär medehnungskoeffizient sich von dem zweiten Wärmedehnungskoeffi zienten unterscheidet, um Änderungen der Viskosität basierend auf dem Spitzenzwischenraum zwischen dem inneren Rotor (10) und dem äuße ren Rotor (20) zu kompensieren.

2. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Koeffizient größer als der zweite Koeffizient ist.

3. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Koeffizient kleiner als der zweite Koeffizient ist.

4. Hydraulikpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die innenliegenden Zähne des äußeren Rotors (20) Zahnprofile haben, welche einen kontinuierlichen fluiddichten Kontakt während der Drehbewegung des inneren Rotors (10) und des äußeren Rotors (20) innerhalb eines großen Temperaturbereichs aufrecht erhal ten.

5. Hydraulikpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß sich ein Spitzenzwischenraum zwischen den außen liegenden Zähnen des inneren Rotors (10) und den inneren Zähnen des äußeren Rotors (20) proportional zu einer Viskositätsänderung des Hydraulikfluids basierend auf der Temperaturänderung ändert.

6. Hydraulikpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges, stationäres Traggehäuse für die inneren und äußeren Rotoren (10, 20) vorgesehen ist, und daß das Traggehäuse die innere zylindrische Fläche bildet.

7. Hydraulikpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Wälzlagern zwischen der inneren zylindrischen Fläche des Traggehäuses und der äußeren zylindrischen Fläche des äußeren Rotors (20) und in direktem Kontakt mit der inneren zylindrischen Flä che des Traggehäuses angeordnet ist.

8. Hydraulikpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Paar von Endplatten aufweist, welche fest an dem Traggehäuse angebracht sind, und die mit diesem derart zusammenarbeiten, daß der innere Rotor (10) und der äußere Rotor (20) umschlossen werden, daß eine Antriebswelle durch das Paar von Endplatten zur Herstellung einer Antriebsverbindung mit dem inneren Rotor (10) geht, eine der beiden Endplatten eine Fluideinlaßöffnung hat, welche darin ausgebildet ist, und die andere der Endplatten eine Fluidauslaßöffnung hat, die darin ausgebildet ist, daß die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung relativ zu dem inneren Rotor (10) und dem äußeren Rotor (20) derart angeordnet sind, daß bei der Drehbewegung des inneren Rotors (10) und des äußeren Rotors (20) eine sich expandierende Kammer (50) angrenzend an die Einlaßöffnung unter Ansaugung von Fluid gebildet wird, während gleichzeitig eine kleiner werdende Kammer angrenzend an die Auslaß öffnung hierdurch gebildet wird, um das Fluid über die Auslaßöffnung bei einem hohen Druck auszustoßen.

9. Verfahren zum Kompensieren der Effekte einer Viskositätsänderung, resultierend aus Temperaturen bei einer hydraulischen Verdränger pumpe, welches die folgenden Schritte aufweist:
Vorsehen eines inneren Rotors (10), welcher eine Mehrzahl von äußeren Zähnen hat, und welcher aus einem ersten Material mit einem ersten Wärmedehnungskoeffizienten ausgebildet ist,
Vorsehen eines ringförmigen äußeren Rotors (20), welcher eine Mehrzahl von inneren Zähnen hat und aus einem zweiten Material mit einem zweiten Wärmedehnungskoeffizienten hergestellt ist, welcher sich von dem ersten Wärmedehnungskoeffizienten unterscheidet,
Anordnen des inneren Rotors (10) derart, daß die Drehachse mit einer festen Exzentrizität zu der Drehachse des äußeren Rotors (20) liegt, wobei die äußeren Zähne des inneren Rotors (10) in Kämmeingriff mit den inneren Zähnen des äußeren Rotors (20) sind, und wobei die äußeren Zähne auf dem inneren Rotor (10) mit eine Zähnezahl von einem Zahn weniger als die Zähnezahl der inneren Zähne auf dem äußeren Rotor (20) ausgebildet sind,
Bereitstellen eines Hydraulikfluids für die inneren und äußeren Rotoren (10, 20) über Einlaß- und Auslaßöffnungen,
Wählen der ersten und zweiten Wärmedehnungskoeffizienten derart, daß man einen kontinuierlichen fluiddichten Kontakt zwischen den äußeren Zähnen des inneren Rotors (10) und den inneren Zähnen des äußeren Rotors (20) während der Drehbewegung des inneren Rotors (10) und des äußeren Rotors (20) unter Berücksichtigung der Viskositätsänderung des hydraulischen Fluids hat.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spit zenzwischenraum zwischen den äußeren Zähnen des inneren Rotors (10) und den inneren Zähnen des äußeren Rotors (20) sich mit der Temperatur proportional zu einer Viskosität des hydraulischen Fluids ändert.