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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Fluids gemäß der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5 näher definierten Art.
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Innenzahnradpumpen bestehen im Wesentlichen aus einem Gehäuse, indem ein Zahnradpaar mit einem möglichst geringen axialen und radialen Spiel in Eingriff stehen, um ein Fluid, z. B. ein Druckmittel vorzugsweise für ein Getriebe oder dergleichen zu fördern. Dabei steht die Saugseite beziehungsweise Niederdruckseite der Innenzahnradpumpe mit einem Fluidbehälter in Verbindung und die Druckseite beziehungsweise Hochdruckseite steht mit dem zu versorgenden Hydrosystem in Verbindung. Das Zahnradpaar wird durch ein inneres Rotorzahnrad und durch ein Hohlrad gebildet. Das innere Rotorzahnrad wird z. B. über einen Motor angetrieben, wobei das Rotorzahnrad das äußere Hohlrad aufgrund der in Eingriff stehenden Verzahnungen mitnimmt. Durch diese Drehbewegung laufen die Zahnräder auseinander und machen die Zahnlücken wieder frei. Der dadurch entstehende Unterdruck und zusätzlich der atmosphärische Druck auf dem Flüssigkeitsspiegel in dem Fluidbehälter bewirken, dass das Fluid angesaugt wird. Das angesaugte Fluid füllt die durch die Zahnlücken gebildeten Räume, die in der weiteren Bewegung mit dem Gehäuse und der Sichel jeweils abgeschlossene Füllkammern bilden und werden dabei zur Druckseite weiter bewegt. Dort greifen die Zähne wieder ineinander und verdrängen die Flüssigkeit aus den Füllkammern. Die miteinander kämmenden Zähne verhindern ein Zurückströmen des Fluids von der Druckseite zur Saugseite. Außerdem wird der Hochdruckbereich vom Niederdruckbereich über die dichtenden Zähne an der Sichel getrennt.
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Beispielsweise aus der Druckschrift
DE 34 48 252 C2 ist eine Innenzahnradpumpe für Hydraulikflüssigkeit bekannt, bei der Verzahnungen mit sich schneidenden Kopfkreisen verwendet werden, die eine flächige Berührung der Dichtflanken der Zähne der Verzahnungen gewährleistet. Zudem wird eine Trennsichel im Freiraum zwischen dem Schnittpunkt der Kopfkreise angeordnet. Die Trennsichel ist bei der bekannten Innenzahnradpumpe so ausgeführt, dass beide Endebereiche identisch ausgestaltet sind, so dass eine symmetrische Trennsichel gebildet wird.
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Ein Problem bei derartigen Innenzahnradpumpen ist das Auftreten von Kavitation. Dieses Problem kann durch Vergrößerung des Einlassbereiches, durch Verbesserung der Befüllung und der zeitlichen Bedingungen sowie durch zusätzliche Pumpeneinlässe gelöst werden. Jedoch ergeben sich aus den oben genannten Maßnahmen insbesondere bei automatischen Getrieben Nachteile durch eine daraus resultierende Erhöhung des erforderlichen Bauraumbedarfs und der Herstellungskosten. Zudem ergeben sich weitere Einschränkungen bei dem Getriebesystem, indem die Innenzahnradpumpe eingesetzt wird. Diese Beschränkungen beeinflussen auch die Ausgestaltung der Pumpe, so dass es schwierig ist, die Innenzahnradpumpe im Bezug auf Kavitation und Geräuschvermeidung zu optimieren, ohne dabei die Abmessungen der Innenzahnradpumpe zu erhöhen.
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Die
US 3 291 060 A offenbart eine Zahnradpumpe umfassend ein Gehäuse, ein innenverzahntes Zahnrad, ein außenverzahntes Zahnrad sowie ein halbmondförmiges Füllstück, wobei der Einlassbereich der Pumpe derart ausgebildet ist, dass ein im Wesentlichen vollständiges Füllen der Räume zwischen den Zähnen ermöglicht wird.
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Aus der
US 6 672 850 B2 ist eine verstellbare Ölpumpe für eine Drehmomentsteuerung mit geringen parasitischen Verlusten und raschem Förderdruckanstieg bekannt.
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Die
DE 199 02 408 A1 offenbart eine Sichelzahnradpumpe, bei welcher die Anzahl der Zähne von Innen- und/oder Außenverzahnung unter Berücksichtigung der Viskosität des zu fördernden Fluids gegenüber bekannten Zahnradpumpen erheblich reduziert ist. Somit ist auch die Anzahl der Zahneingriffe reduziert, wodurch die Strömungsverluste der Sichelzahnradpumpe entsprechend verringert sind.
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Die
DE 1 914 444 B offenbart eine Zahnradpumpe mit einem innenverzahnten Hohlrad, einem außenverzahnten Innenzahnrad und einem Gehäuse mit sichelförmigem Füllstück, welches eine im Zulaufkanal zwischen der Einströmöffnung und den saugseitigen, aus Zahnlücken und Gehäusewand gebildeten Förderzellen gelegene Leitfläche aufweist. Diese lenkt das Fördermittel in eine der Fliehkraft entgegengesetzte Richtung um und begünstigt damit die Füllung des außenverzahnten Innenzahnrades.
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Demnach liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Innenzahnradpumpe der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, bei der unerwünschte Geräusche vermieden werden, ohne dabei den erforderlichen Bauraum zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird ordnungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Fluids mit einem angetriebenen Pumpenzahnrad bzw. Rotorzahnrades und einem Hohlrad in einem Gehäuse gelöst, welche bereichsweise miteinander kämmen und einen Dichtbereich bilden. Zudem ist zumindest ein etwa im Querschnitt sichelförmiges Element oder dergleichen zum Abdichten des etwa gegenüber dem Dichtbereich liegenden Freiraumes vorgehen, wobei ein erstes Ende des Elements einen Niederdruckbereich und ein zweites Ende des Elements einen Hochdruckbereich zugeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass die beiden Enden des Elements unterschiedlich ausgestaltet sind.
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Durch die unterschiedlichen Ausgestaltungen der Enden des sichelförmigen Elements kann das Befüllen auf der Niederdruckseite beziehungsweise Saugseite und auch das Austreten auf der Hochdruckseite beziehungsweise Druckseite erheblich verbessert werden, so dass Kavitation und die damit verbundene Geräuscherzeugung bei der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe vermieden oder zumindest vermindert werden. Der Kavitationsbeginn wird somit durch die unterschiedlichen Ausgestaltungen der Enden des sichelförmigen Elements zu höheren Drehzahlen hin verschoben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem niederdruckseitigen Ende des sichelförmigen Elements oder dergleichen der Einlassbereich derart modifiziert wird, dass das Befüllen der Füllkammern erheblich verbessert wird, so dass auch bei höheren Pumpendrehzahlen eine vollständige und möglichst schnelle Befüllung der Füllkammern sichergestellt ist.
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Erfindungsgemäß wird im Rahmen der Modifizierung zumindest ein tangentialer Einlassbereich vorgesehen wobei der Verlauf des Einlassbereiches tangential in den Innenradius des sichelförmigen Elements einläuft. Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger Verlauf ein besonders gutes Einströmverhalten des Fluids ermöglicht. Auf diese Weise werden Verwirbelungen bzw. Turbolenzen in der Strömung des Fluids verhindert. Der Verlauf des Einlassbereiches kann auch variiert werden, um dadurch einen Einfluss auf eine veränderte Pumpenauslegung zu haben.
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Alternativ oder auch zusätzlich kann vorgesehen sein, dass an dem niederdruckseitigen Ende des Elements zumindest ein z. B. axial verlaufender Befüllkanal oder dergleichen angeordnet wird. Somit kann ein möglicher Druckabfall aufgrund des auftretenden Saugwiderstandes, insbesondere bei höheren Drehzahlen durch die axial verlaufenden Befüllkanäle verhindert werden. Beispielsweise kann ein erster Befüllkanal radial innen zu dem Element und bevorzugt ein zweiter Befüllkanal radial außen zu dem Element angeordnet sein. Es sind auch andere Anordnungsmöglichkeiten der Befüllkanäle denkbar.
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Der axiale Verlauf der Befüllkanäle kann in einem vorbestimmten Winkel erfolgen, wobei der Winkel so gewählt wird, dass eine möglichst verwirbelungsfreie Einströmung des Fluids realisiert wird.
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Die erfindungsgemäßen Änderungen bzw. Modifikationen an der Druckseite beziehungsweise Hochdruckseite bei der Innenzahnradpumpe können einen früheren Druckausgleich realisieren. Auch durch diese Maßnahme kann Kavitation und die damit verbundene Geräuscherzeugung bei der vorgeschlagenen Pumpe vermieden oder zumindest verbessert werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das hochdruckseitige Ende des Elements zumindest eine axial verlaufende Abschrägung oder dergleichen als Auslassbereich aufweist. Die vorgesehene Abschrägung kann vorzugsweise einen kontinuierlichen oder stetigen Verlauf in einem vorbestimmten Winkel z. B. axial in das Innere des Gehäuses haben. Es ist aber auch möglich, dass ein diskontinuierlicher oder unstetiger Verlauf oder dergleichen verwendet wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat es sich beispielsweise gezeigt, dass hinsichtlich der Abmessungen der Abschrägung eine Länge besonders vorteilhaft ist, die in etwa der Breite von zwei Füllkammern des Rotorzahnrades entspricht. Es sind allerdings auch andere Längen bzw. Abmessungen der Abschrägung möglich. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn für die Abmessungen der Abschrägung die Kenndaten der Innenzahnradpumpe berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die Anzahl der dichtend wirkenden Zähne des Rotorzahnrades und/oder des Hohlrades der Innenzahnradpumpe berücksichtigt werden.
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Die vorgeschlagenen Modifikationen an dem etwa sichelförmigen Element der Innenzahnradpumpe verbessern insgesamt die Befüllung und reduzieren Kavitation, während ausgeglichene Fluideigenschaften erhalten werden. Jede vorgeschlagene Maßnahme optimiert für sich gesehen die Innenzahnradpumpe in Bezug auf das Auftreten von Kavitation und Geräusche. Die geometrischen Änderungen an den Enden des Elements können in Abhängigkeit von dem Einlassdruck, dem Auslassdruck, der Fluidtemperatur und/oder der Pumpendrehzahl individuell gewählt werden. Zudem wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen das Arbeitsvolumen im oberen Drehzahlbereich der Innenzahnradpumpe erhöht. Ferner kann der Druckgradient in dem Auslassbereich reduziert und somit eine signifikante Geräuschreduzierung bei der Innenzahnradpumpe erreicht werden.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Innenzahnradpumpe kann somit, im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Innenzahnradpumpen, innerhalb eines großen Drehzahlbereichs bei geringerer Geräuschbildung bzw. bei gleicher oder zumindest ähnlicher Geräuschbildung mit einer entsprechend höheren Zieldrehzahl betrieben werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des sichelförmigen Elements, des Einlass- und des Auslassbereichs, kann die Innenzahnradpumpe sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Pumpendrehzahlen bei minimalem Geräusch in Verbindung mit minimalem Volumenstromverlust betrieben werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Teilansicht in das Innere eines Gehäuses ohne ein Pumpenzahnrad und ein Hohlrad einer erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe;
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2 eine perspektivische Ansicht eines niederdruckseitigen Endes eines sichelförmigen Elements gemäß 1;
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3 eine perspektivische Ansicht des niederdruckseitigen Endes des sichelförmigen Elements mit dem Pumpenzahnrad und dem Hohlrad;
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4 eine perspektivische Seitenansicht eines hochdruckseitigen Endes des sichelförmigen Elements; und
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5 eine perspektivische Ansicht des hochdruckseitigen Endes des sichelförmigen Elements mit dem Pumpenzahnrad und dem Hohlrad.
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In den 1 bis 5 sind verschiedene perspektivische Teilansichten einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe 1 dargestellt. Beispielsweise kann die Innenzahnradpumpe 1 in einem automatischen Getriebe eines Fahrzeuges eingesetzt werden, um mechanische Leistung in Form eines Antriebsmomentes an einer rotierenden Welle in hydraulische Leistung umzuwandeln. Auf diese Weise kann bei einem Fluid, zum Beispiel Öl, ein vorbestimmtes höheres Druckniveau eingestellt werden. Bei der exemplarisch dargestellten Innenzahnradpumpe 1 ist die Errichtung des Pumpenzahnrades 3 dem Uhrzeigersinn entgegengerichtet. Somit stellt sich in der Zeichnungsebene auf der rechten Seite die Niederdruckseite beziehungsweise Saugseite und auf der linken Seite die Hochdruckseite beziehungsweise Druckseite der Innenzahnradpumpe 1 ein.
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Die Innenzahnradpumpe 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem das über eine Antriebswelle angetriebene Pumpenzahnrad 3 und ein Hohlrad 4 gelagert sind. Das Pumpenzahnrad 3 und das Hohlrad 4 kämmenden bereichsweise miteinander und bilden einen Dichtbereich. Ein dem Dichtbereich gegenüberliegender Freiraum zwischen den Schnittpunkten der Kopfkreise der Verzahnungen des Pumpenzahnrades 3 und des Hohlrades 4 ist mit einem im Querschnitt etwa sichelförmigen Element 5 abgedichtet.
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Ein erstes Ende 12 des Elements 5 ist einem Niederdruckbereich beziehungsweise einer Saugseite der Innenzahnradpumpe 1 zugeordnet. Ein zweites Ende 13 des Elements 5 ist einem Hochdruckbereich beziehungsweise einer Druckseite der Innenzahnradpumpe 1 zugeordnet.
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Die beiden Enden 12, 13 des sichelförmigen Elements 5 sind unterschiedlich ausgebildet, um bei der Innenzahnradpumpe 1 ohne die Erhöhung des erforderlichen Bauraumbedarfs Kavitationen und die daraus resultierende Geräuscheerzeugung zu vermeiden.
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Wie insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich ist, kann an dem niederdruckseitigen Ende 12 des Elements 5 einen etwa tangentialer Einlassbereich 6 vorgesehen sein. Dieser Einlassbereich 6 ist so ausgebildet, dass er in den Innenradius des sichelförmigen Elements 5 verläuft, welches insbesondere aus 3 ersichtlich ist. Durch diesen halbmondförmigen, sichelförmigen Einlassseitenkanal als Einlassbereich 6 können die Strömungseigenschaften bei dem strömenden Fluid verbessert werden, um somit die Befüllung zu verbessern und Turbulenzen dabei zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden.
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Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme wird dadurch erreicht, dass an dem niederdruckseitigen Ende 12 des Elements 5 ein erster Befüllkanal 7 radial innen zu dem Element 5 und ein zweiter Befüllkanal 8 radial außen zu dem Element 5 angeordnet sind. Die beiden Befüllkanäle 7 und 8 verlaufen schräg bzw. in einem vorbestimmten Winkel zur Axialrichtung. Dadurch wird die Befüllung der Füllkammern 9, 10 an dem Pumpenzahnrad 3 und dem Hohlrad 4 der Innenzahnradpumpe 1 weiter optimiert. Die jeweilige Länge der Befüllkanäle 7, 8 sind an die Kenndaten der Innenzahnradpumpe 1 und an die Eigenschaften des verwendeten Fluids anzupassen.
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Eine nächste erfindungsgemäße Maßnahme ist insbesondere aus den 3 bis 5 ersichtlich. Dort sind perspektivische Teilansichten insbesondere des hochdruckseitigen Endes 13 des Elements 5, also der Druckseite der Innenzahnradpumpe 1 dargestellt. Das hochdruckseitige Ende 13 des Elements 5 weist zumindest eine in Axialrichtung geneigte Abschrägung 11 als Auslassbereich auf. Die Abschrägung 11, oder auch chamfer genannt, weist einen kontinuierlichen Verlauf in einem vorbestimmten Winkel α auf. Dies ist insbesondere in 3 angedeutet. Die Länge der Abschrägung 11 entspricht etwa der Breite von zwei Füllkammern 9, 10.
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Es wird ein halbmondförmiger, sichelförmiger Auslassseitenkanal als Auslassbereiches gebildet. Dadurch werden die Eigenschaften des ausströmenden Fluids verbessert und der Druckgradient reduziert. Demzufolge können auch Betriebsgeräusche der Innenzahnradpumpe 1 reduziert werden. Zudem kann der Wirkungsgrad der Innenzahnradpumpe 1 bei höheren Drehzahlen verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenzahnradpumpe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Pumpenzahnrad
- 4
- Hohlrad
- 5
- sichelförmiges Element
- 6
- Einlassbereich
- 7
- erster Befüllkanal
- 8
- zweiter Befüllkanal
- 9
- Füllkammern des Pumpenzahnrades
- 10
- Füllkammern des Hohlrad des
- 11
- Abschrägung
- 12
- erstes, niederdruckseitiges Ende des Elements
- 13
- zweites, hochdruckseitiges Ende des Elements
- α
- Winkel der Abschrägung