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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Zahnradpumpen zur Förderung flüssiger Medien sind vom Markt her bekannt. Die
DE 100 18 348 A1 beschreibt eine Zahnradpumpe mit zwei Zahnrädern, bei welcher, von einer Druckseite der Zahnradpumpe ausgehend, eine Nut in einem die Zahnräder umschließenden Gehäuse angelegt ist. Diese Nut ist nur über einen Teil eines Umkreises der Zahnräder ausgebildet und bezweckt einen allmählichen Druckausgleich in den Zahnzwischenräumen zur Vermeidung von Kavitationsschäden an der Pumpe.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einer Zahnradpumpe zu verbilligen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zahnradpumpe nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Druckausgleichsnut in einer Zahnradpumpe nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein zweites Gehäuseteil, welches eine Ausnehmung in einem ersten Gehäuseteil einer Zahnradpumpe axial begrenzt, auch ohne gehärtete oder besonders behandelte Oberflächen hergestellt werden kann, da es einer vermehrten Erosion aufgrund von Kavitation nur in geringem Umfang oder sogar überhaupt nicht ausgesetzt ist. Beispielsweise kann auf eine Vernickelung oder Eloxierung verzichtet werden. Ebenso ist es nicht erforderlich, die Druckausgleichsnut in einer von dem zweiten Gehäuseteil abgewandten tieferen Ebene des ersten Gehäuseteils auszubilden, wobei eine solche Druckausgleichsnut aufwändiger herzustellen wäre. Durch die Erfindung wird es ermöglicht, die Druckausgleichsnut durch einen vergleichsweise kurzen Fingerfräser herzustellen, der eine hohe Steifigkeit aufweist und daher mit vergleichsweise hoher Drehzahl betrieben werden kann. Dies wiederum senkt die Bearbeitungszeit.
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Eine erfindungsgemäße Zahnradpumpe besitzt mindestens zwei rotierende Pumpelemente, wobei ein erstes Gehäuseteil eine meist sacklochartige Ausnehmung zur Aufnahme der Pumpelemente aufweist. Ein weiterer Bestandteil des ersten Gehäuseteils ist die zu einem oder beiden Pumpelementen unmittelbar benachbarte radiale Begrenzungswand der Ausnehmung, welche in einer Umfangsrichtung der Pumpelemente eine Druckausgleichsnut enthält. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass Erosionen überwiegend in Bereichen mit besonders hohen Fluidgeschwindigkeiten im Bereich der Druckausgleichsnuten auftreten. Erfindungsgemäß wird die Druckausgleichsnut wenigstens bereichsweise durch eine – im Vergleich zur Begrenzungswand – schräge Fräsfläche hergestellt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Querschnitt der Druckausgleichsnut zu dem zweiten Gehäuseteil hin im Wesentlichen geschlossen ist, ohne dass eine komplexe Scheibenfräsung notwendig ist, was Kosten spart. Dabei wird ein durch die Druckausgleichsnut – entgegen einer Förderrichtung der Zahnradpumpe – rückfließendes und möglicherweise kavitierendes Fördermedium weit gehend von dem zweiten Gehäuseteil fern gehalten.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Druckausgleichsnut mindestens bereichsweise eine in etwa dreieckige, halbrunde oder trapezförmige Querschnittsform aufweist und im Bereich eines an das zweite Gehäuseteil angrenzenden Randes der Ausnehmung ausgebildet ist. Dadurch kann ein Fräser mit einem kurzen Schaft verwendet werden, so dass die Herstellung der Druckausgleichsnut vereinfacht und die Fräsgenauigkeit erhöht wird. Dabei ist die dreieckige, die halbrunde oder die trapezförmige Querschnittsform besonders geeignet, um einen Querschnitt herzustellen, der zum zweiten Gehäuseteil hin im Wesentlichen geschlossen ist, wobei ein vergleichsweise einfacher und preiswerter Stirnfräser eingesetzt werden kann. Damit kann das durch die Druckausgleichsnut rückfließende Fördermedium von dem zweiten Gehäuseteil fern gehalten werden.
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Ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Druckausgleichsnut in Längsrichtung gesehen in einem Bereich eine andere Querschnittsform aufweist als in einem anderen Bereich. Dadurch kann die Querschnittsform der Druckausgleichsnut besser an den Druckverlauf angepasst werden und somit der Betrieb der Zahnradförderpumpe optimiert werden.
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Besonders einfach ist eine Zahnradpumpe zu bauen, wenn die Druckausgleichsnut nur im Bereich ihres von einem Druckbereich entfernten Endes durch eine im Vergleich zur Begrenzungswand schräge Fräsfläche hergestellt ist und hierdurch einen Querschnitt aufweist, der zum zweiten Gehäuseteil hin wenigstens im Wesentlichen geschlossen ist. Im Hinblick auf Kavitationserosion ist nämlich das vom Druckbereich entfernte Ende der Druckausgleichsnut besonders kritisch. In den übrigen Bereichen kann die Druckausgleichsnut mit einer anderen Querschnittsform gefertigt werden, so dass ihre Herstellung vereinfacht wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Druckausgleichsnut in ihrer Längsrichtung gesehen in einem Bereich eine andere Querschnittsfläche aufweist als in einem anderen Bereich. Somit kann die Zahnradpumpe auf einen jeweiligen Druckverlauf längs der Druckausgleichsnut besser abgestimmt werden. Insbesondere kann sie durch eine Veränderung der Querschnittsfläche für einen weiten Drehzahlbereich ausgelegt werden. Dadurch ist es möglich, bei geringen Drehzahlen eine große Fördermenge zu erreichen und zugleich bei hohen Drehzahlen Kavitationsschäden an der Zahnradpumpe zu vermeiden.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe sieht vor, dass die Druckausgleichsnut mittels eines Stirnfräsers bzw. Fingerfräsers aus der radialen Begrenzungswand ausgefräst wird, indem eine Drehachse des Stirnfräsers bzw. Fingerfräsers gegenüber der Begrenzungswand gekippt ist. Damit kann mit einem handelsüblichen Fräswerkzeug eine Druckausgleichsnut mit einem Querschnitt hergestellt werden, der zu einem zweiten Gehäuseteil der Zahnradpumpe hin wenigstens im Wesentlichen geschlossen ist.
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Ein alternatives Verfahren sieht vor, dass die Druckausgleichsnut mittels eines Fräsers, insbesondere eines Fingerfräsers, dessen Drehachse parallel zur Begrenzungswand verläuft, und der eine gegenüber der Begrenzungswand schräge radiale Fräsfläche aufweist, insbesondere mittels eines Schwalbenschwanzfräsers, ausgefräst wird. Hierdurch kann der Fräser ohne eine Kippstellung eingesetzt werden, indem die für die Druckausgleichsnut vorgeschlagene und gegenüber der Begrenzungswand schräge Fräsfläche durch den Fräser selbst erzeugt wird. Dazu kann beispielsweise ein Schwalbenschwanzfräser vorteilhaft eingesetzt werden.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine teilweise Schnittansicht einer Zahnradpumpe;
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2 einen axialen Schnitt längs einer Linie II-II von 1 durch ein Gehäuse der Zahnradpumpe von 1 zur Erläuterung eines ersten Verfahrens zur Herstellung einer Druckausgleichsnut;
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3 einen axialen Schnitt ähnlich zu 2 zur Erläuterung eines zweiten Verfahrens zur Herstellung einer Druckausgleichsnut;
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4 einen axialen Schnitt längs einer Linie IV-IV von 1 durch ein Gehäuse der Zahnradpumpe von 1;
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5 einen axialen Schnitt längs einer Linie V-V von 1 durch ein Gehäuse der Zahnradpumpe von 1; und
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6 einen zu 4 alternativen axialen Schnitt längs einer Linie IV-IV von 1 durch ein Gehäuse der Zahnradpumpe von 1.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Sichtbar ist in 1 ein erstes Gehäuseteil 12 einer insgesamt mit 10 bezeichneten Zahnradpumpe, welches wesentliche Elemente der Zahnradpumpe 10 beinhaltet beziehungsweise in einer Ausnehmung 13 aufnimmt. Ein zweites Gehäuseteil 14, welches das erste Gehäuseteil 12 oberhalb der Zeichenebene in der Art eines Deckels abschließt, wird erst in der nachfolgenden 2 in der dortigen Schnittansicht mit gezeigt. In der 1 sind weiterhin zwei sich senkrecht zur Blattebene von 1 erstreckende Lagerzapfen 16 zu erkennen und zwei darauf geführte Pumpelemente als Zahnräder 18. Diese sind über einen weiten Bereich ihres Umfangs von einer radialen Begrenzungswand 20 umgeben.
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In der Mitte der 1 befinden sich je ein Saugkanal 22 und ein Druckkanal 24 unter Berücksichtigung einer in der 1 dargestellten Drehrichtung 19a und 19b der Zahnräder 18. Zwei Pfeile 26 zeigen eine Strömungsrichtung eines zu fördernden Mediums an, in der Darstellung der 1 also von rechts nach links. Als Medium kommt beispielsweise Kraftstoff in Frage. Die Schnittebene der 1 ist so gewählt, dass zwei radiale Begrenzungen 28 zweier Druckausgleichsnuten 30 sichtbar sind. Die Druckausgleichsnuten 30 sind dabei, ausgehend vom Druckkanal 24, in Umfangsrichtung gesehen nur über einen Teil der radialen Begrenzungswand 20 ausgeführt. In Bezug auf die beiden Zahnräder 18 ist die Zahnradpumpe 10 baulich und funktional symmetrisch gestaltet.
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In 2 ist, wie gesagt, das zweite Gehäuseteil 14 erkennbar, welches das erste Gehäuseteil 12 abschließt. Der Lagerzapfen 16 ist vorliegend als ein integraler Bestandteil des ersten Gehäuseteils 12 ausgeführt. Dabei weicht jedoch das in der 2 gewählte Größenverhältnis der Elemente der Zahnradpumpe 10 gegenüber der 1 aus Darstellungsgründen ab. Nicht dargestellt ist das Zahnrad 18. Strichpunktiert dargestellt ist ein in Bezug auf die radiale Begrenzungswand 20 gekippter einfacher zylindrischer Finger- bzw. Stirnfräser 32, wie er bei einem noch nicht montierten zweiten Gehäuseteil 14 angesetzt würde, um die Druckausgleichsnut 30 aus der radialen Begrenzungswand 20 des ersten Gehäuseteils 12 heraus zu fräsen. Alternativ wäre es möglich, durch Auswahl eines alternativen Stirnfräsers auch einen halbrunden oder trapezförmigen Querschnitt der Druckausgleichsnut herzustellen.
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Es ist zu erkennen, dass im Bereich eines an das zweite Gehäuseteil 14 angrenzenden Randes der Ausnehmung 13 der Querschnitt der Druckausgleichsnut 30 zum zweiten Gehäuseteil 14 hin im Wesentlichen geschlossen ist. Daher kommt das längs der Druckausgleichsnut 30 teilweise zurück fließende Medium wenig oder gar nicht mit einer Oberfläche des zweiten Gehäuseteils 14 in Berührung.
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Im Betrieb drehen sich die beiden Zahnräder 18 in der in der 1 dargestellten Weise (Pfeile 19a und 19b). Das zu fördernde Medium wird ausgehend vom Saugkanal 22 zwischen den Zahnlücken der Zahnräder 18 und der radialen Begrenzungswand 20 in der Drehrichtung der Zahnräder 18 transportiert, bis es in den Druckkanal 24 gelangt und dort nach außen abgeführt wird. Durch die Mitte der Zahnradpumpe 10, in einem Bereich kämmender Zähne der Zahnräder 18, wird kein merklicher Volumenanteil entgegen der durch die Pfeile 26 gekennzeichneten Strömungsrichtung transportiert.
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Die mit dem Druckkanal 24 verbundene Druckausgleichsnut 30 nimmt einen Teil des zu fördernden Mediums als Folge eines in dem Druckkanal 24 gebildeten hohen Drucks auf und transportiert es entgegen der Drehrichtung der beiden Zahnräder 18 über einen Teil ihres Umfangs zurück. Dabei können lokal hohe Fließgeschwindigkeiten auftreten. Weil die Druckausgleichsnut 30 in ihrer Querschnittsform so beschaffen ist, dass sie zum zweiten Gehäuseteil 14 hin im Wesentlichen geschlossen ist, berührt das in der Druckausgleichsnut 30 zurück strömende Medium den zweiten Gehäuseteil nicht oder kaum.
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Abweichend von 2 ist in 3 in einer strichpunktierten Darstellung ein Finger- bzw. Schwalbenschwanzfräser 34 gezeigt, wie er bei einem noch nicht montierten zweiten Gehäuseteil 14 angesetzt werden würde, um die Druckausgleichsnut 30 aus der radialen Begrenzungswand 20 des ersten Gehäuseteils 12 heraus zu fräsen. Dabei verläuft eine Drehachse des Schwalbenschwanzfräsers 34 parallel zur radialen Begrenzungswand 20.
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4 zeigt ähnlich zu 2 eine Ansicht der Druckausgleichsnut 30, wie sie mit dem Stirnfräser 32 aus der radialen Begrenzungswand 20 gefräst wurde. Ein Maß ”a” kennzeichnet eine Höhe der Druckausgleichsnut 30, wie sie vorliegend an einem vom Druckkanal 24 abgewandten Ende der Druckausgleichsnut 30 ausgeführt ist.
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5 zeigt die Druckausgleichsnut 30 mit einer gegenüber der 4 größeren Höhe ”b”. Beispielsweise kann die Höhe ”a” von 4 während des Fräsvorgangs stetig aus der Anfangshöhe ”b” von 5 entwickelt werden – oder umgekehrt – indem der Fräser zusätzlich in einer axialen Richtung bewegt wird. Damit verkleinert sich die Querschnittsfläche der Druckausgleichsnut 30 in Richtung auf das vom Druckbereich 24 entfernte Ende.
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6 zeigt eine zu 4 alternative Querschnittsform der Druckausgleichsnut 30 in dem zum Druckkanal 24 benachbarten Bereich, welche vorliegend rechteckförmig ausgeführt ist.
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Entsprechend den in den 4 bis 6 dargestellten Querschnitten kann die Druckausgleichsnut 30 an die spezifischen Einsatzbedingungen der Zahnradpumpe 10 angepasst werden, insbesondere an die längs der Druckausgleichsnut 30 unterschiedlichen Drücke oder Fließgeschwindigkeiten des zu fördernden Mediums. Beispielsweise kann, ausgehend vom Druckkanal 24, die Druckausgleichsnut 30 zunächst mit einem Querschnitt nach der 6 ausgebildet sein, und in einem Endbereich stetig in einen Querschnitt nach der 5 übergehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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