DE102011089609A1

DE102011089609A1 - Innenzahnradpumpe

Info

Publication number: DE102011089609A1
Application number: DE201110089609
Authority: DE
Inventors: Alexander Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CN103998785A; WO2013092966A3; JP2015500953A; JP5905120B2; EP2795128A2; WO2013092966A2; KR20140106581A; KR101961510B1; JP2016053366A; WO2013092966A9; CN103998785B

Abstract

Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Fluides, umfassend ein Innenzahnrad (22) mit einem Innenzahnring, ein Außenzahnrad (24) mit einem Außenzahnring, wobei die Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) ineinander greifen und das Innenzahnrad (22) oder das Außenzahnrad (24) angetrieben ist, einen zwischen dem Innenzahnrad (22) und dem Außenzahnrad (24) ausgebildeten Arbeitsraum (47), der in einen Zuströmarbeitsraum (30) und in einen Abströmarbeitsraum (31) unterteilt ist, einen in den Zuströmarbeitsraum (30) mündenden Zuströmkanal (28) zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum (30) und einen in den Abströmarbeitsraum (31) mündenden Abströmkanal (29) zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum (31), die Zähne (21) des Innenzahnrades (22) und die Zähne (21) des Außenzahnrades (24) jeweils eine Antriebsflanke (51) und eine der Antriebsflanke (51) gegenüberliegende Freiflanke (52) aufweisen und die Antriebsflanken (51) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen zur Übertragung eines Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad (22, 24) auf das nicht angetriebene Zahnrad (22, 24), wobei die Geometrie der Antriebsflanken (51) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass wenigstens zwei Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen und an der Kopfstelle (48) ein Abstand oder ein Spiel zwischen den Zähnen (21) des Innenzahnrades (22) und den Zähnen (21) des Außenzahnrades (24) besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Hochdruckeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Innenzahnradpumpen oder Gerotorpumpen weisen ein Innenzahnrad und ein Außenzahnrad auf. Die Zähne des Innen- und Außenzahnrades greifen ineinander und zwischen dem Innen- und Außenzahnrad bildet sich ein Arbeitsraum aus. Dabei ist der Arbeitsraum in einen Zuströmarbeitsraum und in einen Abströmarbeitsraum unterteilt. Der Zuströmarbeitsraum stellt damit eine Saugseite und der Abströmarbeitsraum eine Druckseite der Innenzahnradpumpe dar. In den Zuströmarbeitsraum mündet ein Zuströmkanal und in den Abströmarbeitsraum mündet ein Abströmkanal. Dabei ist ein Zahnrad angetrieben und an einem Kontaktpunkt eines Zahnes des Innen- und Außenzahnrades wird von dem angetriebenen Zahnrad auf das nicht angetriebene Zahnrad ein Drehmoment übertragen. An diesem Kontaktpunkt liegen Antriebsflanken der beiden in Kontakt stehenden Zähne aufeinander.
Gegenüberliegend einer Kämmstelle ist eine Kopfstelle zwischen dem Innen- und Außenzahnrad vorhanden. An der Kopfstelle wird kein Drehmoment von dem Außenzahnrad auf das Innenzahnrad übertragen und es kommt hier zu Leckageverlusten zwischen dem Zuströmarbeitsraum und dem Abströmarbeitsraum, d. h. das unter Druck stehende Fluid strömt von dem Abströmarbeitsraum in den Zuströmarbeitsraum. Zum Ausgleich von Fertigungsungenauigkeiten und von thermischen Verformungen ist an der Kopfstelle ein Spiel zwischen dem Innen- und Außenzahnrad vorhanden und es tritt dadurch Leckage auf.
Ferner ist es bekannt, gemäß dem sogenannten „Eckerle-Prinzip“, die Zähne des Innen- und Außenzahnrades im Bereich der Kopfstelle unter eine Druckvorspannung zu setzen. Dadurch können zwar Leckageverluste an der Kopfstelle vermieden oder diese können verringert werden, jedoch kommt es zu einem größeren Verschleiß an den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades und es steigen die mechanischen Reibungsverluste an der Kopfstelle stark an, was wiederum den Wirkungsgrad der Innenzahnradpumpe reduziert bzw. Energieverluste erhöht.
Dabei ist es theoretisch aufgrund mathematischer Berechnungen möglich, das Innen- und Außenzahnrad dahingehend zu konstruieren, dass sämtliche Zähne des Innenzahnrades mit sämtlichen Zähnen des Außenzahnrades in Kontakt stehen, so dass es zu keiner Leckage kommen würde. Dabei werden beispielsweise die Zähne des Außenzahnrades in einem Schnitt senkrecht zu einer Rotationsachse des Außenzahnrades als Kreissegmente vorgegeben und in Abhängigkeit von der Geometrie der Zähne des Außenzahnrades werden die Zähne des Innenzahnrades konstruiert. Dies ist beispielsweise in der Diplom- bzw. Masterarbeit zu dem Thema „Modeling and study of a new pump concept for braking systems" von Boris Mathieu vom 14.02.2005 bis 12.08.2005 an der Ecole supérieur des sciences et technologies de l´ingenieur de Nancy 2, Rue Jean Lamour, 54519 Vandoeuvre les Nancy Cedex in Frankreich beschrieben. Derartige Zahnradpumpen können jedoch in Praxis nicht gebaut werden, weil aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten und thermischen Verformungen eine Montage nicht möglich wäre und außerdem im Betrieb sehr große Druckvorspannungen und Reibungsverluste zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades auftreten würden.
Aus der DE 36 24 532 C2 ist eine Flügelzellen- oder innenachsige Zahnradpumpe mit mehreren abgeschlossenen Förderzellen bekannt, deren Volumen sich während eines Umlaufs von einem Minimal- auf einen Maximalwert und zurück ändert. Die Pumpe wird insbesondere zur Brennstoffförderung einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Mit axial in die Förderzellen eintretenden Saug- und Druckkanälen, deren Mündungsquerschnitte für eine Förderung ohne innere Verdichtung ausgelegt sind, eine solche jedoch durch gegen axiale Flächen der Pumpenteile angelegte, Rückschlagventile bildende feststehende Anlaufscheiben erreicht ist.
Aus der DE 34 06 349 A1 ist eine Verdrängermaschine mit mindestens zwei Zahnradmaschinen bekannt, denen ein eigener oder gemeinsamer Hydraulikkreis zugeordnet ist, und deren gemeinsamer Förderstrom durch ein Steuermittel veränderbar ist, wobei das Steuermittel in einem Gehäuseteil der Verdrängermaschine angeordnet ist.
Die DE 299 13 367 U1 zeigt eine Innenzahnradpumpe mit wenigstens einem innenverzahnten Hohlrad und einem damit kämmenden, außen verzahnten Laufrad, mit oder ohne Sichel, und mit einem elektrischen Antrieb, der dadurch gebildet ist, dass das Hohlrad das Innere eines Rotors eines bürstenlosen Elektromotors und dem Rotor benachbart ein Stator angeordnet ist, wobei der das Hohlrad enthaltende Rotor außenseitig von einem Lager oder einem Gleitlager drehbar gehalten ist, wobei der Stator gegenüber dem Rotor und gegenüber dem Inneren der Pumpe dadurch abgeschirmt und abgedichtet ist, dass das zwischen Stator und Rotor befindliche Lager oder Gleitlager für Flüssigkeit undurchlässig und an seinen beiden Stirnseiten jeweils mit einem Abschlussdeckel dicht verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Innenzahnradpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Fördern eines Fluides, umfassend ein Innenzahnrad mit einem Innenzahnring, ein Außenzahnrad mit einem Außenzahnring, wobei die Zähne des Innen- und Außenzahnrades ineinander greifen und das Innenzahnrad oder das Außenzahnrad angetrieben ist, einen zwischen dem Innenzahnrad und dem Außenzahnrad ausgebildeten Arbeitsraum, der in einen Zuströmarbeitsraum und in einen Abströmarbeitsraum unterteilt ist, einen in den Zuströmarbeitsraum mündenden Zuströmkanal zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum und einen in den Abströmarbeitsraum mündenden Abströmkanal zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum, wobei vorzugsweise der Zuströmarbeitsraum und der Abströmarbeitsraum an einer Kopfstelle und an einer Kämmstelle zwischen dem Innen- und Außenzahnrad voneinander getrennt sind, die Zähne des Innenzahnrades und die Zähne des Außenzahnrades jeweils eine Antriebsflanke und eine der Antriebsflanke gegenüberliegende Freiflanke aufweisen und die Antriebsflanken des Innen- und Außenzahnrades aufeinander liegen zur Übertragung eines Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad auf das nicht angetriebene Zahnrad, wobei die Geometrie der Antriebsflanken des Innen- und/oder Außenzahnrades dahingehend ausgebildet sind, dass wenigstens zwei Zähne des Innen- und Außenzahnrades aufeinander liegen und an der Kopfstelle ein Abstand oder ein Spiel zwischen den Zähnen des Innenzahnrades und den Zähnen des Außenzahnrades besteht. In vorteilhafter Weise tritt damit an mehreren Zähnen des Innen- und Außenzahnrades ein Kontakt auf, so dass dadurch einerseits in diesem Bereich des Zuström- oder Abströmarbeitsraumes bei dem die Zähne an den Antriebsflanken aufeinander liegen bzw. Kontakt haben keine Leckagen auftreten und andererseits ist an der Kopfstelle und in der Nähe der Kopfstelle zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades ein Spiel oder ein Abstand vorhanden, so dass dadurch eine Montage des Innen- und Außenzahnrades möglich ist und keine oder nur sehr geringe Druckvorspannungen und Reibungsverluste zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades auftreten
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Geometrie der Freiflanken des Innen- und/oder Außenzahnrades dahingehend ausgebildet sind, dass die Zähne des Innen- und Außenzahnrades einen Abstand oder ein Spiel an den Freiflanken aufweisen. Dadurch treten in vorteilhafter Weise an den Freiflanken im Wesentlichen keine Reibungskräfte oder Druckvorspannungen auf und an den Antriebsflanken sind die auftretenden Druckvorspannungen sehr gering und die Druckvorspannungen entsprechen im Wesentlichen nur der erforderlichen Druckkraft zur Übertragung des Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad auf das nicht angetriebene Zahnrad.
In einer weiteren Variante weisen die Zähne des Innenzahnrades und die Zähne des Außenzahnrades einen Zahnkopf auf und die Geometrie der Zahnköpfe des Innen- und/oder Außenzahnrades sind dahingehend ausgebildet, dass die Zahnköpfe der Zähne des Innenzahnrades keinen Kontakt zu den Zähnen, insbesondere den Zahnköpfen und den Freiflanken der Zähne, des Außenzahnrades aufweisen und/oder die Zahnköpfe der Zähne des Außenzahnrades weisen keinen Kontakt zu den Zähnen, insbesondere den Zahnköpfen und den Freiflanken der Zähne, des Innenzahnrades auf. In vorteilhafter Weise treten dadurch an den Zahnköpfen, insbesondere an der Kopfstelle, im Wesentlichen keine Druckvorspannungen und Reibungskräfte auf.
Zweckmäßig umfassen die Zahnköpfe der Zähne des Innen- und Außenzahnrades die letzten 30%, 20% oder 10% der radialen Ausdehnung der Zähne des Innen- und Außenzahnrades in Richtung zu einer Rotationsachse des jeweiligen Zahnrades und vorzugsweise sind die Antriebsflanken und/oder die Freiflanken außerhalb der Zahnköpfe der Zähne des Innen- und Außenzahnrades ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante beträgt der Abstand oder das Spiel zwischen den Zähnen des Innen- und Außenzahnrades an der Kopfstelle und/oder an den Freiflanken der Zähne des Innen- und Außenzahnrades wenigstens 5 μm, 10 μm, 20 μm, 40 μm oder 60 μm und/oder weniger als 200, 150, 100 oder 80 μm beträgt und/oder zwischen 10 μm und 150 μm, insbesondere zwischen 20 μm und 100 μm liegt. Ein Spiel oder ein Abstand in dieser Größenordnung ist erforderlich, um Fertigungsungenauigkeiten und thermische Verformungen. ausgleichen zu können.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Geometrie der Antriebsflanken des Innen- und/oder Außenzahnrades dahingehend ausgebildet, dass wenigstens drei, vier oder fünf Zähne des Innen- und Außenzahnrades aufeinander liegen. Dadurch treten an einem großen Bereich des Zu- oder Abströmarbeitsraumes keine Leckagen auf.
Zweckmäßig ist die Innenzahnradpumpe eine Gerotorpumpe. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Innenzahnradpumpe einen Elektromotor mit einem Stator und einen Rotor und das angetriebene Zahnrad ist durch den Rotor gebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung sind in das angetriebene Zahnrad Permanentmagnete des Rotors eingebaut oder integriert.
Zweckmäßig ist der Stator ist konzentrisch um den Rotor ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist das Außen- oder Innenzahnrad durch den Rotor gebildet.
Insbesondere sind in das Außen- oder Innenzahnrad Permanentmagnete des Rotors eingebaut oder integriert.
In einer weiteren Ausführungsform mündet der Zuströmkanal nur teilweise in einen Zuströmarbeitsraum mit einem sich vergrößernden Volumen und der Abströmkanal mündet in einen Abströmarbeitsraum mit einem sich verkleinernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Zuströmarbeitsraum.
In einer zusätzlichen Variante ist der Zuströmwinkelbereich gleich groß oder größer als der Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich ist größer als 180°, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte an dem Zuströmwinkelbereich vorhanden sind oder der Zuströmwinkelbereich ist kleiner als der Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich ist größer als 180° ist, so dass an dem Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt vorhanden. Ist an dem Dichtwinkelbereich zwischen dem Zuströmwinkelbereich und dem Abströmwinkelbereich kein Kontaktpunkt vorhanden, tritt aufgrund des geringen Spieles oder des geringen Abstandes eine geringe Leckage zwischen dem Zu- und Abströmkanal auf. Dabei nimmt das Spiel oder der Abstand von dem letzten Kontaktpunkt in Richtung zu der Kopfstelle an den Zähnen zu der Kopfstelle zu. Ist beispielsweise der erste Zahn nach dem letzten Zahn in Richtung zu der Kopfstelle an dem Dichtwinkelbereich vorhanden, tritt aufgrund des geringen Spiels oder des geringen Abstandes nur eine geringe Leckage auf. Ist an dem Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt vorhanden, tritt im Wesentlichen keine Leckage zwischen dem Zu- und Abströmkanal auf, weil an dem Kontaktpunkt aufgrund des Kontaktes eine im Wesentlichen vollständige Abdichtung gewährleistet ist.
In eine ergänzenden Ausführungsform mündet der Abströmkanal nur teilweise in einen Abströmarbeitsraum mit einem sich verkleinernden Volumen und der Zuströmkanal mündet in einen Zuströmarbeitsraum mit einem sich vergrößernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Abströmarbeitsraum.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Abströmwinkelbereich gleich groß oder größer als der Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich ist größer als 180°, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte an dem Abströmwinkelbereich vorhanden sind oder der Abströmwinkelbereich ist kleiner als der Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an dem Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt vorhanden ist.
In einer ergänzenden Variante beginnt der Eingriffswinkelbereich bei einem angetriebenen Innenzahnrad in Laufrichtung an der Kämmstelle und bei einem angetriebenen Außenzahnrad entgegen der Laufrichtung an der Kämmstelle.
Zweckmäßig weist der Zahn an der Kämmstelle fiktiv nur einen Kontaktpunkt auf. In einer weiteren Ausführungsform beginnt der Zuströmwinkelbereich und der Abströmwinkelbereich in entgegengesetzter Richtung an der Kämmstelle und vorzugsweise der Zuströmwinkelbereich am Ende des Zuströmkanales und der Abströmwinkelbereich endet vorzugsweise am Ende des Abströmkanales oder abweichend hiervon ist der Zuströmwinkelbereich nur an dem Zuströmkanal vorhanden und der Abströmwinkelbereich ist nur an dem Abströmkanal vorhanden.
Erfindungsgemäßes Hochdruckeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochdruckpumpe, ein Hochdruck-Rail, eine, vorzugsweise elektrische, Vorförderpumpe zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe, wobei die Vorförderpumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Vorförderpumpe ausgebildet ist.
In einer Variante sind das Innenzahnrad und das Außenzahnrad exzentrisch zueinander gelagert.
Zweckmäßig umfasst die Pumpe mit, vorzugsweise integriertem, Elektromotor eine, vorzugsweise elektronische, Steuerungseinheit zur Steuerung der Bestromung der Elektromagnete und/oder der Elektromotor der Pumpe ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor.
Zweckmäßig besteht das Gehäuse der Vorförderpumpe und/oder das Gehäuse der Hochdruckpumpe und/oder das Innen- und/oder Außenzahnrad wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium.
Vorzugsweise entspricht der Eingriffswinkelbereich der Ausdehnung des Zu- oder Abströmkanales.
Insbesondere ist die Förderleistung der elektrischen Vorförderpumpe steuerbar und/oder regelbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Ansicht eines Hochdruckeinspritzsystems,
2 eine perspektivische Ansicht einer Innenzahnradpumpe ohne Gehäuse und eines Stators,
3 eine Explosionsdarstellung der Innenzahnradpumpe gemäß 2,
4 einen Querschnitt der Innenzahnradpumpe gemäß 2 bei der Permanentmagnete in das Innenzahnrad integriert sind,
5 einen Querschnitt der Innenzahnradpumpe gemäß 2 bei der Permanentmagnete in das Innenzahnrad integriert sind, wobei der Zuström- und Abströmkanal anders ausgebildet ist,
6 eine Detailansicht einer Kopfstelle der Innenzahnradpumpe gemäß 4 und 5.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Pumpenanordnung 1 eines Hochdruckeinspritzsystems 2 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug dargestellt. Eine elektrische Vorförderpumpe 3 fördert aus einem Kraftstofftank 41 durch eine Kraftstoffleitung 35 Kraftstoff. Anschließend wird der Kraftstoff von der elektrischen Vorförderpumpe 3 zu einer Hochdruckpumpe 7 gefördert. Die Hochdruckpumpe 7 ist von einem Verbrennungsmotor 39 mittels einer Antriebswelle 44 angetrieben.
Die elektrische Vorförderpumpe 3 weist einen Elektromotor 4 und eine Pumpe 5 auf (2 und 3). Dabei ist der Elektromotor 4 der Pumpe 5 in die Pumpe 5 integriert und ferner ist die elektrische Vorförderpumpe 3 an der Hochdruckpumpe 7 unmittelbar angeordnet (nicht dargestellt). Die Hochdruckpumpe 7 fördert Kraftstoff unter Hochdruck, beispielsweise einem Druck von 1000, 3000 oder 4000 bar, durch eine Hochdruckkraftstoffleitung 36 zu einem Hochdruck-Rail 42. Von dem Hochdruck-Rail 42 wird der Kraftstoff unter Hochdruck von einem Injektor 43 einem nicht dargestellten Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 39 zugeführt. Der nicht für die Verbrennung benötigte Kraftstoff wird mittels einer Rücklaufkraftstoffleitung 37 wieder zu dem Kraftstofftank 41 zurückgeführt. Ein Zuströmkanal 28 (3 und 4) der elektrischen Vorförderpumpe 3 saugt Kraftstoff durch eine Kraftstoffleitung 35 aus einem Kraftstofftank 41 an und durch einen Abströmkanal 29 wird der Kraftstoff durch die Kraftstoffleitung 35 der Hochdruckpumpe 7 zugeführt.
In der Kraftstoffleitung 35 von dem Kraftstofftank 41 zu der elektrischen Vorförderpumpe 3 ist ein Kraftstofffilter 38 eingebaut. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Kraftstoffleitung 35 vom Kraftstofftank 41 zu der elektrischen Vorförderpumpe 3 kostengünstig ausgebildet werden, da sie keinem Überdruck standhalten muss. Der Elektromotor 4 (3 und 4) der elektrischen Vorförderpumpe 3 wird mit Drehstrom bzw. Wechselstrom betrieben und ist in der Leistung steuerbar und/oder regelbar. Der Drehstrom bzw. Wechselstrom für den Elektromotor 4 wird von einer nicht dargestellten Leistungselektronik aus einem Gleichspannungsnetz eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges 40 zur Verfügung gestellt. Die elektrische Vorförderpumpe 3 ist damit eine elektronisch kummutierte Vorförderpumpe 3.
Die elektrische Vorförderpumpe 3 weist ein Gehäuse 8 mit einem Gehäusetopf 10 und einem Gehäusedeckel 9 auf (3). Innerhalb des Gehäuses 8 der Vorförderpumpe 3 sind die Pumpe 5 als Innenzahnradpumpe 6 bzw. Gerotorpumpe 26 und der Elektromotor 4 angeordnet. Der Gehäusetopf 10 ist mit einer Aussparung 54 versehen. Der Elektromotor 4 weist einen Stator 13 mit Wicklungen 14 als Elektromagnete 15 und einen Weicheisenkern 45 als weichmagnetischen Kern 32 auf, der als ein Blechpaket 33 ausgebildet ist. Innerhalb des Stators 13 ist die Pumpe 5 als Innenzahnradpumpe 6 mit einem Innenzahnrad 22 mit einem Innenzahnring 23 und ein Außenzahnrad 24 mit einem Außenzahnring 25 positioniert. Das Innen- und Außenzahnrad 22, 24 stellt damit ein Zahnrad 20 und ein Laufrad 18 dar und der Innen- und Außenzahnring 23, 25 weisen Zähne 21 als Förderelemente 19 auf. Zwischen dem Innen- und Außenzahnrad 22, 24 bildet sich ein Arbeitsraum 47 aus. In das Außenzahnrad 24 sind Permanentmagnete 17 eingebaut, so dass das Außenzahnrad 24 auch einen Rotor 16 des Elektromotors 4 bildet. Der Elektromotor 4 ist damit in die Pumpe 5 integriert bzw. umgekehrt. Die Elektromagnete 15 des Stators 13 werden abwechselnd bestromt, so dass aufgrund des sich an den Elektromagneten 15 entstehenden Magnetfeldes der Rotor 16 bzw. das Außenzahnrad 24 in eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse 27 bzw. 27 b versetzt wird.
Der Gehäusedeckel 9 dient als Lager 11 bzw. Axiallager 11 bzw. Gleitlager 11 für das Innen- bzw. Außenzahnrad 22, 24. Ferner sind in den Gehäusedeckel 9 der Zuströmkanal 28 und der Abströmkanal 29 eingearbeitet. Durch Zuströmkanal 28 strömt das zu fördernde Fluid, nämlich Kraftstoff, in die Vorförderpumpe 3 ein und aus dem Abströmkanal 29 strömt der Kraftstoff wieder aus der Vorförderpumpe 3 aus. Außerdem weist der Gehäusetopf 9 und der Gehäusedeckel 10 jeweils drei Bohrungen 46 auf, in denen nicht dargestellte Schrauben zum Zusammenschrauben des Gehäusetopfes 9 und des Gehäusedeckels 10 positioniert sind, wobei mit einer nicht dargestellten Dichtung der Gehäusetopf 9 und der Gehäusedeckel 10 fluiddicht aufeinander liegen.
Die Innenzahnradpumpe 6 oder die Gerotorpumpe 26 weist einen Arbeitsraum 47 auf. Der Arbeitsraum 47 ist dabei in einen Zuströmarbeitsraum 30 als Saugseite und einen Abströmarbeitsraum 31 als Druckseite unterteilt (4). An dem Zuströmarbeitsraum 30 vergrößert sich der Arbeitsraum 47 und an dem Abströmarbeitsraum 31 verkleinert sich der Arbeitsraum 47, d. h. Förderräume zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24. Der Winkelbereich des Zuströmarbeitsraumes und der Winkelbereich des Abströmarbeitsraumes betragen dabei jeweils 180°.
In der in 4 dargestellten Innenzahnradpumpe 6 ist in Abweichung von 2 und 3 nicht das Außenzahnrad 24, sondern das Innenzahnrad 22 das angetriebene Zahnrad 22, d. h. die Permanentmagnete 17 sind in das Innenzahnrad 22 eingebaut oder integriert und das Innenzahnrad 22 bildet den Rotor 16 des Elektromotors 4. Das Innen- und Außenzahnrad 22, 24 ist in einer Drehrichtung 34 angetrieben. Das Innen- und Außenzahnrad 22, 24 sind exzentrisch zueinander gelagert mit einer Exzentrizität e. Dabei führt das Innenzahnrad 22 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 27a aus und das Außenzahnrad 24 führt eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 27 b und die beiden Rotationsachsen 27a und 27 b weisen den Abstand e auf. Das Außenzahnrades 24 weist an der äußersten inneren Stelle eines Zahnkopfes 50 den Radius R_az auf und zwischen den Zähnen 21 an der tiefsten Stelle den Radius R_am. Die Differenz zwischen R_azund R_am entspricht somit der radialen Ausdehnung der Zähne 21 des Außenzahnrades 24. In 5 ist der Zahnkopf 50 durch eine horizontalen strichlierte Linie von dem übirgen Zahn 21 abgetrennt. Der Zahnkopf 50 an den Zähnen 21 des Außenzahnrades 24 nimmt somit ungefähr die letzten 30% der radialen Ausdehnung der Zähne 21 in Richtung zu der Rotationsachse 27 b des Außenzahnrades 24 ein. In analoger Weise weisen die Zähne 21 des Innenzahnrades 22 an der äußersten Stelle des Zahnkopfes 50 den Radius R_iz auf und zwischen den Zähnen 21 an der tiefsten Stelle den Radius R_im.
In 4 ist ein Schnitt senkrecht zu den Rotationsachsen 27a, 27b dargestellt. Die Zähne 21 des Außenzahnrades 24 sind dabei außenseitig als Kreissegmente ausgebildet mit einem Kreis mit dem Mittelpunkt M und dem Radius S (5). Dabei ist K der Abstand von M zu der Rotationsachse 27b des Außenzahnrades 24. Die Geometrie der Zähne 21 des Innenzahnrades 22 ist in Abhängigkeit von der Geometrie der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 als Zykloide konstruiert gemäß der Diplom- bzw. Masterarbeit zu dem Thema „Modeling and study of a new pump concept for braking systems" von Boris Mathieu vom 14.02.2005 bis 12.08.2005 an der Ecole supérieur des sciences et technologies de l´ingenieur de Nancy 2, Rue Jean Lamour, 54519 Vandoeuvre les Nancy Cedex in Frankreich. Bei dieser Konstruktion bzw. mathematischen Berechnung der Zähne 21 des Innenzahnrades 22 werden dabei der tatsächliche Radius S der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 und ein fiktiver Radius S_f verwendet, wobei der fiktive Radius S_f größer ist als der tatsächliche Radius S. Die Zähne 21 des Außenzahnrades 24 weisen somit tatsächlich ausschließlich den Radius S auf, der in 5 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Der fiktive Radius S_f und ein Übergangsbereich 53 sind mit einer strichlierten Linie dargestellt. Der fiktive Radius S_f an den Zähnen 21 des Außenzahnrades 24 tritt außerhalb der Antriebflanken 51 der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 auf und in einem stetigen Übergangsbereich 53 wird der fiktive Radius S_f an den Radius S angepasst. An den Zahnköpfen 50 und an den Freiflanken 52 ist somit der fiktive Radius S_f vorhanden. An den Antriebsflanken 51 ist der Radius S vorhanden. Die Geometrie der Zähne 21 des Innenzahnrades 22 wird an den Antriebsflanken 51 in Abhängigkeit von dem Radius S konstruiert bzw. berechnet und an den Freiflanken 52 sowie den Zahnköpfen 50 in Abhängigkeit von dem fiktiven Radius S_f. Der Übergangsbereich 53 tritt auch an den Zähnen 21 des Innenzahnrades 22 auf. Die durchgezogene Linie in 5 stellt den tatsächlichen Zahn 21 des Innenzahnrades 22 dar. Die durchgezogene Linie an der Antriebsflanke 51 wurde in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Radius S konstruiert und die durchgezogenen Linie an dem Zahnkopf 50 und der Freiflanke 52 wurde in Abhängigkeit von dem fiktiven Radius S_f konstruiert. Die strichlierte Linie an dem Zahnkopf 50 und an der Freiflanke 52 des Zahnes 21 des Innenzahnrades 22 wurden in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Radius S konstruiert. Der Übergangsbereich 53 tritt somit an dem Innenzahnrad 22 an der durchgezogenen tatsächlichen Linie auf. Dadurch ist in 5 ein Spiel oder ein Abstand zwischen dem Zahn 21 des Innenzahnrades 22 und dem Zahn 21 des Außenzahnrade 24 vorhanden, welches in 4 nicht dargestellt ist. Dadurch tritt zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24 zwischen den Zahnköpfen 50 und den Freiflanken 52 ein Spiel oder ein Abstand auf, der in 4 nicht dargestellt ist. Lediglich an den Antriebsflanken 51 besteht an drei Kontaktpunkten 40 ein Kontakt zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24, um ein Drehmoment von dem Innenzahnrad 22 auf das Außenzahnrad 24 zu übertragen, weil die Geometrie der Zähne 21 des Innenzahnrades 22 an den Antriebsflanken 51 gemäß dem tatsächlichen Radius S der Zähne 21 des Außenzahnrades 24 konstruiert oder berechnet ist. In 4 sind lediglich Kontaktpunkte 40 dargestellt; aufgrund der räumlichen Ausdehnung des Innen- und Außenzahnrades 22, 24 senkrecht zu der Zeichenebene sind die Kontaktpunkte 40 jedoch tatsächlich Kontaktlinien. Dadurch kommt es an einem Eingriffwinkelbereich α_K mit den Kontaktpunkten 40 im Wesentlichen nicht zu Leckagen oder Strömungsverlusten zwischen den Förderräumen zwischen den Zähnen 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24, weil die Antriebsflanken 51 der Zähne 21 des Innen- und Außenzahnrades 22, 24 aufeinander liegen unter einer Druckkraft aufgrund der Übertragung des Drehmomentes von dem Innenzahnrad 22 auf das Außenzahnrad 24. Zweckmäßig entspricht der Eingriffswinkelbereich der Ausdehnung des Zuströmkanales 28 (nicht dargestellt). Der Zuströmkanal 28 ist an einem Zuströmkanalwinkelbereich α_Z vorhanden und der Zuströmkanalwinkelbereich α_Z beginnt entgegen dem Uhrzeigersinn an der Kämmstelle 49 und endet an Ende des Zuströmkanales 28 im Bereich der Kopfstelle 48, so dass der Zuströmkanalwinkelbereich α_Z einen Winkel von ca. 170° aufweist. Der Eingriffswinkelbereich α_K mit den Kontaktpunkten 40 beginnt ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn an der Kämmstelle 49 und endet an der letzten der drei Kontaktpunkte 40, so dass Eingriffswinkelbereich α_K ungefähr 70° beträgt. Der Abströmkanal 29 ist an einem Abströmkanalwinkelbereich α_A vorhanden und der Abströmkanalwinkelbereich α_A beginnt im Uhrzeigersinn an der Kämmstelle 49, so dass der Abströmkanalwinkelbereich α_A einen Winkel von ca. 170° aufweist. Ein Dichtwinkelbereich α_D ist im Bereich der Kopfstelle 48 zwischen dem Zuströmwinkelbereich α_Z und dem Abströmwinkelbereich α_A vorhanden. Aufgrund des großen Abstandes oder Spieles zwischen den Zähnen 21 im Bereich der Kopfstelle 48 treten damit große Leckageverluste zwischen dem Zu- und Abströmkanal 28, 29 auf.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist nicht das Innenzahnrad 22, sondern das Außenzahnrad 24 angetrieben. Die Kontaktpunkte 40 treten dadurch nicht entgegen dem Uhrzeigersinn beginnend an der Kämmstelle 49 auf, sondern in dem Uhrzeigersinn beginnend an der Kämmstelle 49. Die Antriebsflanken 51 treten an den Zähnen 21 gegenüberliegend im Vergleich zu den Zähnen 21 in 4 und 5 auf. Zweckmäßig entspricht in diesem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Eingriffswinkelbereich der Ausdehnung des Abströmkanales 29 (nicht dargestellt).
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Innenzahnradpumpe 6 dargestellt und im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 beschrieben. Der Zuströmkanal 28 ist nur im Bereich der Kontaktpunkte 40 ausgebildet und es sind vier Kontaktpunkte 40 vorhanden, von denen ein Kontaktpunkt 40 außerhalb des Zuströmkanales 28 an dem Dichtwinkelbereich α_D vorhanden ist und zusätzlich ist der Abströmkanal 29 nicht nur an dem Arbeitsraum bzw. Arbeitsräumen mit einem sich verkleinernden Volumen, d. h. die in 5 rechts von der Kopf- und Kämmstelle 48, 49 vorhanden, sondern teilweise auch an dem Arbeitsraum 47 bzw. Arbeitsräumen als Zuströmarbeitsraum 30 mit einem sich vergrößernden Volumen, d. h. die in 5 links von der Kopf- und Kämmstelle 48, 49 vorhanden. Damit werden nur zwei Arbeitsräume zwischen den Zähnen 21 mit den Kontaktpunkten 40 als Arbeitsraum zum Fördern von Fluid verwendet. Damit treten im Wesentlichen keine Leckageverluste zwischen dem Zu- und Abströmkanal 28, 29 auf, weil an dem Dichtwinkelbereich α_D, d. h. dem Bereich zwischen den Zu- und Abströmkanal 28, 29, ein Kontaktpunkt 40 vorhanden ist an dem aufgrund des Kontaktes eine im Wesentlichen vollständige Abdichtung gewährleistet ist. Das Spiel oder der Abstand zwischen den Zähnen 21 nimmt außerhalb des Eingriffswinkelbereiches α_K entgegen dem Uhrzeigersinn an den Förderräumen mit dem sich vergrößernden Volumen in Richtung zu der Kopfstelle 48 zu. Wäre der Zuströmkanal 28 entgegen der Darstellung in 5 geringfügig in Richtung zu der Kopfstelle 48 über den letzten Kontaktpunkt 40 verlängert und der Abströmkanal 29 entsprechend verkürzt, würde eine geringe Leckage auftreten und es könnten drei Arbeitsräume zwischen den Zähnen 21 zum Fördern des Fluides genutzt werden. Eine geringe Leckage bei einer erhöhten Anzahl an Förderräumen zwischen den Zähnen zum Fördern des Fluides könnte sinnvoll sein, um die Förderleistung der Pumpe 5 zu erhöhen.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe 6 wesentliche Vorteile verbunden. Aufgrund des Spieles oder des Abstandes an den Zahnköpfen 50 und den Freiflanken 52 sind die Reibungsverluste sehr gering und die erhöhte Anzahl an Kontaktpunkten 40 senkt den Kontaktdruck an den Kontaktpunkten 40 und damit auch den Verschleiß.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3624532 C2 [0006]
DE 3406349 A1 [0007]
DE 29913367 U1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Modeling and study of a new pump concept for braking systems“ von Boris Mathieu vom 14.02.2005 bis 12.08.2005 an der Ecole supérieur des sciences et technologies de l´ingenieur de Nancy 2, Rue Jean Lamour, 54519 Vandoeuvre les Nancy Cedex in Frankreich [0005]
„Modeling and study of a new pump concept for braking systems“ von Boris Mathieu vom 14.02.2005 bis 12.08.2005 an der Ecole supérieur des sciences et technologies de l´ingenieur de Nancy 2, Rue Jean Lamour, 54519 Vandoeuvre les Nancy Cedex in Frankreich [0045]

Claims

Innenzahnradpumpe (6) zum Fördern eines Fluides, umfassend – ein Innenzahnrad (22) mit einem Innenzahnring (23), – ein Außenzahnrad (24) mit einem Außenzahnring (25), – wobei die Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) ineinander greifen und das Innenzahnrad (22) oder das Außenzahnrad (24) angetrieben ist, – einen zwischen dem Innenzahnrad (22) und dem Außenzahnrad (24) ausgebildeten Arbeitsraum (47), der in einen Zuströmarbeitsraum (30) und in einen Abströmarbeitsraum (31) unterteilt ist, – einen in den Zuströmarbeitsraum (30) mündenden Zuströmkanal (28) zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum (30) und einen in den Abströmarbeitsraum (31) mündenden Abströmkanal (29) zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum (31), – die Zähne (21) des Innenzahnrades (22) und die Zähne (21) des Außenzahnrades (24) jeweils eine Antriebsflanke (51) und eine der Antriebsflanke (51) gegenüberliegende Freiflanke (52) aufweisen und die Antriebsflanken (51) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen zur Übertragung eines Drehmomentes von dem angetriebenen Zahnrad (22, 24) auf das nicht angetriebene Zahnrad (22, 24), dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Antriebsflanken (51) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass wenigstens zwei Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen und an der Kopfstelle (48) ein Abstand oder ein Spiel zwischen den Zähnen (21) des Innenzahnrades (22) und den Zähnen (21) des Außenzahnrades (24) besteht.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Freiflanken (52) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass die Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) einen Abstand oder ein Spiel an den Freiflanken (52) aufweisen.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (21) des Innenzahnrades (22) und die Zähne (21) des Außenzahnrades (24) einen Zahnkopf (50) aufweisen und die Geometrie der Zahnköpfe (50) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass die Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Innenzahnrades (22) keinen Kontakt zu den Zähnen (21), insbesondere den Zahnköpfen (50) und den Freiflanken (2) der Zähne (21), des Außenzahnrades (24) aufweisen und/oder die Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Außenzahnrades (24) keinen Kontakt zu den Zähnen (21), insbesondere den Zahnköpfen (50) und den Freiflanken (2) der Zähne (21), des Innenzahnrades (22) aufweisen.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) die letzten 30%, 20% oder 10% der radialen Ausdehnung der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) in Richtung zu einer Rotationsachse (27a, 27b) des jeweiligen Zahnrades (22, 24) umfasst und vorzugsweise die Antriebsflanken (51) und/oder die Freiflanken (52) außerhalb der Zahnköpfe (50) der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) ausgebildet sind.
Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand oder das Spiel zwischen den Zähnen (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) an der Kopfstelle (48) und/oder an den Freiflanken (52) der Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) wenigstens 5 μm, 10 μm, 20 μm, 40 μm oder 60 μm und/oder weniger als 200 μm, 150 μm, 100 μm oder 80 μm beträgt und/oder zwischen 10 μm und 150 μm, insbesondere zwischen 20 μm und 100 μm liegt.
Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Antriebsflanken (51) des Innen- und/oder Außenzahnrades (22, 24) dahingehend ausgebildet sind, dass wenigstens drei, vier oder fünf Zähne (21) des Innen- und Außenzahnrades (22, 24) aufeinander liegen.
Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe (6) eine Gerotorpumpe (26) ist.
Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe (6) einen Elektromotor (4) mit einem Stator (13) und einem Rotor (16) umfasst und das angetriebene Zahnrad (22, 24) durch den Rotor (16) gebildet ist.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das angetriebene Zahnrad (22, 24) Permanentmagnete (17) des Rotors (16) eingebaut oder integriert sind.
Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (28) nur teilweise in einen Zuströmarbeitsraum (30) mit einem sich vergrößernden Volumen mündet und der Abströmkanal (29) in einen Abströmarbeitsraum (31) mit einem sich verkleinernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Zuströmarbeitsraum (30) mündet.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmwinkelbereich gleich groß oder größer ist als der Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte (40) an dem Zuströmwinkelbereich vorhanden sind oder der Zuströmwinkelbereich kleiner ist als der Eingriffswinkelbereich und der Abströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an dem Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist.
Innenzahnradpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmkanal (29) nur teilweise in einen Abströmarbeitsraum (31) mit einem sich verkleinernden Volumen mündet und der Zuströmkanal (28) in einen Zuströmarbeitsraum (31) mit einem sich vergrößernden Volumen und zusätzlich teilweise in den Abströmarbeitsraum (31) mündet.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmwinkelbereich gleich groß oder größer ist als der Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an einem Dichtwinkelbereich kein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist und vorzugsweise sämtliche Kontaktpunkte (40) an dem Abströmwinkelbereich vorhanden sind oder der Abströmwinkelbereich kleiner ist als der Eingriffswinkelbereich und der Zuströmwinkelbereich größer als 180° ist, so dass an dem Dichtwinkelbereich ein Kontaktpunkt (40) vorhanden ist.
Hochdruckeinspritzsystem (2) für einen Verbrennungsmotor (39), umfassend – eine Hochdruckpumpe (7), – ein Hochdruck-Rail (42), – eine, vorzugsweise elektrische, Vorförderpumpe (3) zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank (41) zu der Hochdruckpumpe (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (3) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.