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Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe mit zumindest einem zwei miteinander kämmende Zahnräder aufweisenden Zahnradpaar, die rotationsbeweglich antreibbar angeordnet sind, wobei das Zahnradpaar von einem Gehäuse umfangsseitig sowie stirnseitig von jeweils einer Abdeckung des Gehäuses eingeschlossen ist und wobei das Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Fluidanschluss derart ausgestattet ist, dass eine Rotationsbewegung der Zahnräder mit einem Fluidstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidanschluss einhergeht, wobei die Flankenlinie zumindest einzelner Zähne zumindest eines Zahnrades in Richtung der Zahnbreite zumindest abschnittsweise von einer Geraden abweicht.
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Derartige als Zahnradpumpe eingesetzte Verdrängermaschinen haben Zahnräder mit Zahnflanken, die unterschiedliche Profilformen aufweisen, welche durch eine Eingriffslinie charakterisiert werden können. Die Eingriffslinie ist dabei die Linie, entlang derer sich der Kontaktpunkt zwischen den beiden Kraft übertragenden Zahnflanken bewegt. In den meisten Fällen wird eine gerade Eingriffslinie bevorzugt, da die entsprechende Evolventenverzahnung einfach und mit hoher Genauigkeit herstellbar ist. Zudem werden solche Zahnradpumpen oftmals mit hohen Drücken betrieben, bei denen nur durch eine hohe Fertigungsgenauigkeit Leckagen am Zahnradeingriff weitgehend vermieden werden können.
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Der Nachteil der Evolventenverzahnung besteht in der unerwünschten Geräuschbildung beim Betrieb der Zahnradpumpe, die hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass das Volumen des Quetschraumes, also des Raumes, der durch die im Eingriff befindlichen Zähne begrenzt wird, schwankt. Wenn in diesem Quetschraum eine im Wesentlichen inkompressible Flüssigkeit, beispielsweise Hydrauliköl, eingeschlossen ist, kommt es zu Druckschwankungen, welche die genannten Geräusche verursachen. Die Druckpulsationen führen zu einer hohen mechanischen Belastung der Zahnradpumpe.
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Um solche Pulsationen zu verringern, wird in der
DE 101 34 622 A1 vorgeschlagen, Nuten vorzusehen, durch die der radiale Abstand zwischen dem Außenumfang der Zahnräder und den Umfangswänden vergrößert ist.
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Bei einer Zahnradpumpe gemäß der
DE 10 2006 045 932 A1 wird durch die unterschiedlichen radialen Abstände der Nuten in den Umfangswänden der Pumpenkammer eine weitere Reduktion der Druckpulsationen erreicht.
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Die 10 2007 046 420 A1 betrifft eine hydraulische Vorrichtung mit zwei kämmenden Zahnrädern, die jeweils eine außenliegende Schrägverzahnung aufweisen und zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite angeordnet sind, wobei an einer Stirnseite der Zahnräder wenigstens eine Steuernut vorgesehen ist. Die Steuernut stellt während der Drehung der Zahnräder periodisch eine Druckausgleichsverbindung her, die einen Ausgleich von Druckdifferenzen und -schwankungen ermöglicht.
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Die
GB 1 271 677 A bezieht sich auf eine Zahnradpumpe mit einem außenverzahnten Zahnrad und einem innenverzahnten Zahnring, der in einer kreisförmigen Aussparung eines Gehäuseringes geführt ist. In wenigstens einer Stirnwand ist eine kreisbogenförmige Drucknut und Saugnut zu beiden Seiten angeordnet.
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Die
EP 0 664 395 A1 bezieht sich auf eine Innenzahnradpumpe. In Umfangsrichtung erstreckt sich eine Nut, um einen allmählichen Druckausgleich in der Auslassöffnung und der Pumpkammer während des Betriebes zu ermöglichen, wodurch Geräusche und Vibrationen reduziert werden.
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Aus der
EP 0 769 104 B1 ist bekannt, Steuernuten und Fluid-Zuführaussparungen vorzusehen, die jeweils entsprechend dem Schrägverzahnungssprung versetzt zueinander angeordnet sind. Die Überdruckaussparungen stehen permanent mit Zwischenräumen zwischen den Zähnen der beiden Zahnräder in Verbindung.
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Bei Zahnrädern mit Geradverzahnung erlaubt die geringe Zähneanzahl in vielen Fällen keinen permanenten Kontakt zwischen zwei Zahnpaaren. Um einen Doppelkontakt dennoch zu ermöglichen, ist es bekannt, eine Schrägverzahnung mit ausreichender Neigung der Zähne vorzusehen. Zu den Vorteilen einer Schrägverzahnung gegenüber einer Geradverzahnung gehören zudem eine bessere Laufruhe und eine geringere Geräuschentwicklung.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die genannten Druckschwankungen durch veränderte Formen der Zahnflanken zu minimieren. So beschreibt beispielsweise die
DE 10 2012 205 406 A1 eine gattungsgemäße Zahnradpumpe, bei der die Flankenlinie im mittleren Bereich gerade oder ballig verlaufen kann und in den beiden gegenüberliegenden Randbereichen gegenüber der Geraden abgewinkelt verläuft. Hierdurch soll vermieden werden, dass sich an den Rändern des Zahnrades Belastungsspitzen ergeben, welche vermeidbare Geräusche verursachen. Durch eine geeignete Auswahl der genannten Abweichung kann das Geräuschverhalten der Zahnradpumpe optimiert werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, hohe Anforderungen an die Laufruhe und das Geräuschverhalten der Zahnradpumpe zu erfüllen. Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Zahnradpumpe gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Zahnradpumpe vorgesehen, bei welcher die Zahndicke in zumindest einem lateralen Randbereich geringer ist als in einem medialen Bereich des jeweiligen Zahnes und bei der zumindest in einer Abdeckung oder einer Stirnfläche des Zahnrades eine Ausnehmung vorgesehen ist, welche zwischen der Abdeckung und der benachbarten Stirnfläche des Zahnrades ein zur Aufnahme des Fluides bestimmtes Ausgleichsvolumen einschließt. Durch die reduzierte Zahndicke im Randbereich wird in besonders effizienter Weise das zu fördernde Fluid im Bereich des Zahnkontaktes der Zahnräder des betreffenden Zahnradpaares nach außen verdrängt, welches so von einem mittigen Bereich der Zahnbreite zu beiden Seiten in Richtung der Randbereiche strömt. Indem dort eine Ausnehmung in der Abdeckung oder der Stirnfläche als Vertiefung realisiert ist, die auch als pressure control groove bezeichnet wird, kann das Fluid in diesem Bereich kontrolliert aus dem Zahnzwischenraum entweichen. Durch die nach außen geneigte oder gekrümmte Form der Zahnflanken wird das Fluid in diese Vertiefung hinein gefördert, sodass nicht erst der Druckaufbau durch den sich verkleinernden Zahnzwischenraum zu der Ausweichströmung des Fluides führt, sondern die hierfür optimierte Fluidströmung bereits durch die Form der Zahnflanken dynamisch erzeugt wird. Indem sich das Fluid somit in den Randbereichen sammelt, ist zudem der Abströmweg in die Vertiefung verkürzt, sodass das seitliche Abströmen wesentlich schneller erfolgen kann. Besonders bei hohen Drehzahlen der Zahnräder und somit bei hohen Fördergeschwindigkeiten des Fluides erweisen sich die Vertiefungen als besonders wirksam, sodass die Zahnradpumpe in einem höheren Drehzahlbereich betrieben werden kann. Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass erst die Kombination der reduzierten Zahndicke in den Randbereichen in Verbindung mit Ausnehmungen, die eine Vertiefung zur Aufnahme des verdrängten Fluides bilden, eine besonders wirksame Reduzierung der unerwünschten Geräuschentwicklung und eine wesentliche Verbesserung der Laufruhe ermöglicht.
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Dabei hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Zahndicke und die Flankenlinie in beiden Randbereichen jedes Zahnes übereinstimmen, somit also in Richtung der beiden Randbereiche ein übereinstimmender Volumenstrom des Fluides mit einer Hauptrichtungskomponente parallel zu der Drehachse des Zahnrades realisiert wird. Auf diese Weise lassen sich asymmetrische Kräfteverhältnisse, die anderenfalls zu Schwingungen führen könnten, wirksam vermeiden. Beispielsweise können die Zähne in Anlehnung an eine Pfeilverzahnung gestaltet sein.
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Zudem erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn jeweils zumindest eine Ausnehmung in beiden gegenüberliegenden, ein Zahnrad einschließenden Abdeckungen vorgesehen ist, die zudem bevorzugt kongruent und in symmetrischer Anordnung vorgesehen sind. Hierdurch wird ein zu beiden Randbereichen überstimmendes Strömungsprofil realisiert und dadurch ein besonders ruhiger Lauf der Zahnradpumpe erreicht.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zumindest ein Ausgleichsvolumen in Drehrichtung zu einem Zahnzwischenraumbereich verschiedener, miteinander kämmender Zahnräder eines Zahnradpaares zunimmt, welches beispielsweise eine dem bei der umlaufenden Bewegung des Zahnrades stetig abnehmenden Zahnzwischenraum entsprechende Erweiterung aufweist. Hierdurch wird ein seitliches Abströmen des Fluides bei zugleich wesentlich reduzierten Druckschwankungen begünstigt.
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Eine weitere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Zahnräder eine Schrägverzahnung aufweisen. Insbesondere soll der gerade mittlere Bereich der Flankenlinie schräg zur Drehachse des betreffenden Zahnrades verlaufen. Durch die Schrägverzahnung werden in der Zahnradpumpe die im Betrieb auftretenden Geräusche aufgrund des permanenten Eingriffes weiter reduziert.
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Besonders vorteilhaft ist dabei auch eine Variante der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Zahnhöhe jedes Zahnes über seine gesamte Zahnbreite konstant ist, sodass also der Grat zwischen der Linksflanke und der Rechtsflanke einen geraden Verlauf aufweist und der gekrümmte Verlauf der Flankenlinie ausschließlich durch die reduzierte Zahndicke im Randbereich des jeweiligen Zahnes erreicht wird. Somit ist die Hüllfläche des Zahnrades zylindrisch und ermöglicht so einerseits eine einfache Fertigung, andererseits eine konstante Umfangsgeschwindigkeit über die gesamte Zahnbreite.
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Die reduzierte Zahndicke kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass die Flankenlinie im Randbereich abgewinkelt ist. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Formgebung, bei welcher die Flanken im Randbereich der Zähne zumindest eines Zahnradpaares ballig ausgeführt sind, wobei der mittige Bereich der Flanken gegebenenfalls auch eben sein kann. Durch den balligen Verlauf wird eine annähernd laminare Strömung zwischen der Mitte der Zahnbreite und dem jeweiligen Randbereich des Zahnes realisiert. Die Flankenlinie folgt dabei in Richtung des Randbereiches einer beispielsweise stetig zunehmenden Krümmung.
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Die erfindungsgemäße Zahnradpumpe ist nicht auf bestimmte Fluide oder Anwendungszwecke beschränkt. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn die Zahnradpumpe als eine Tandemaußenzahnradpumpe mit zwei separaten Druckstufen ausgeführt ist, wobei jeder Druckstufe ein Zahnradpaar zugeordnet ist. Dabei kann die erfindungsgemäße Gestaltung der Zahndicke bzw. der Ausnehmungen auf ein Zahnradpaar beschränkt sein oder aber bei beiden Zahnradpaaren realisiert werden.
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Ein besonders vielversprechender Einsatz ergibt sich bei einer Variante, bei welcher die Zahnradpumpe zur Erzeugung von Schalt- und/oder Kühlöldruck für ein Getriebe eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Doppelkupplungsgetriebes ausgeführt ist. Hierbei eignet sich die Erfindung in optimaler Weise als eine Tandemaußenzahnradpumpe zur Erzeugung des erforderlichen Öldruckes zum Einbau in Kraftfahrzeuge der gehobenen oder Luxusfahrzeugklasse, die auch elektrisch betrieben werden können, wie dies beispielsweise bei Hybridfahrzeugen der Fall ist. Dabei erfüllt die erfindungsgemäße Zahnradpumpe auch höchste Anforderungen an das Geräuschverhalten, ohne dass der hierzu erforderliche Bauraum erweitert werden muss. Zudem kann die Zahnradpumpe im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Zahnradpumpen ohne nennenswerte Mehrkosten realisiert werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand einer Prinzipdarstellung beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe mit einem Zahnradpaar;
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2 eine perspektivische Darstellung der Zahnradpumpe ohne das in 1 gezeigte Zahnradpaar;
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3 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Zahnes eines Zahnrades.
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Eine erfindungsgemäße, als Außenzahnradpumpe ausgeführte Zahnradpumpe 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Die Zahnradpumpe 1 hat ein Zahnradpaar 2 mit zwei eine Schrägverzahnung aufweisenden Zahnrädern 4, 5, wie dies in 1 erkennbar ist. Die Zahnräder 4, 5 sind mittels eines nicht gezeigten Antriebes gemeinsam in Pfeilrichtung r rotationsbeweglich antreibbar und erzeugen einen Fluidstrom in Förderrichtung 3. Hierbei sind die Zahnräder 4, 5 von einem Gehäuse 6 umfangsseitig sowie stirnseitig zusätzlich von jeweils einer als Gehäusedeckel ausgeführten Abdeckung 7 sowie einer Abdeckung 8 des Gehäuses 6 eingeschlossen. Entsprechend der mittels des Antriebes eingeleiteten Rotationsbewegung wird ein Fluidstrom zwischen dem ersten und dem zweiten nicht weiter dargestellten Fluidanschluss erzeugt. Das Gehäuse 6 sowie die Abdeckungen 7, 8 weisen in ihrer den Stirnflächen 9 der Zahnräder 4, 5 benachbarten Innenwandfläche Ausnehmungen 10 auf, welche mit der benachbarten Stirnfläche 9 des Zahnrades 4 ein zur Aufnahme des Fluides bestimmtes Ausgleichsvolumen einschließen. Diese Ausnehmungen 10 erstrecken sich in einen einen Kontaktbereich der Zahnräder 4, 5 bildenden Zahnzwischenraum hinein, in dem es durch die fortschreitende Reduzierung des Zahnzwischenraumes anderenfalls zu einer schnellen Druckerhöhung kommt. Die Ausnehmungen 10 bilden somit ein Ausgleichsvolumen für das Fluid, durch welches unerwünschte Druckpulsationen zuverlässig vermieden werden können.
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Dieser seitliche Abströmeffekt wird erfindungsgemäß dadurch maßgeblich begünstigt, dass die Zahndicke s jedes Zahnes 11 der Zahnräder 4, 5 in beiden äußeren Randbereichen 12 geringer ist als in einem mittleren Bereich 13 zwischen den Stirnflächen 9 des Zahnrades 4. In 3 ist dabei zum besseren Verständnis der gegenüber einer an sich bekannten Evolventenverzahnung abzutragende Bereich zeichnerisch hervorgehoben. Wie zu erkennen, ist die Zahnhöhe h über die gesamte Zahnbreite b konstant, während die Flankenlinien 14 in diesem Bereich gekrümmt verlaufen und somit ballige Zahnflanken 15 im Randbereich 12 realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnradpumpe
- 2
- Zahnradpaar
- 3
- Förderrichtung
- 4
- Zahnrad
- 5
- Zahnrad
- 6
- Gehäuse
- 7
- Abdeckung
- 8
- Abdeckung
- 9
- Stirnfläche
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Zahn
- 12
- Randbereich
- 13
- Bereich
- 14
- Flankenlinie
- 15
- Zahnflanken
- s
- Zahndicke
- h
- Zahnhöhe
- b
- Zahnbreite
- r
- Pfeilrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10134622 A1 [0004]
- DE 102006045932 A1 [0005]
- GB 1271677 A [0007]
- EP 0664395 A1 [0008]
- EP 0769104 B1 [0009]
- DE 2012205406 A1 [0011]
