DE19721621A1 - Zahnradmaschine - Google Patents
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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- F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
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- F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
- F04C2/088—Elements in the toothed wheels or the carter for relieving the pressure of fluid imprisoned in the zones of engagement
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Description
Die Erfindung geht von einer Zahnradmaschine (Pumpe oder Mo
tor) nach der Gattung des Anspruchs 1 aus. Bei derartigen
bekannten Zahnradmaschinen wird während des Doppeleingriffs
der Zahnräder das zwischen den jeweiligen Eingriffspunkten
in den Zahnkammern eingeschlossene Druckmittelvolumen im
Verlauf der Drehung der Zahnräder einer Kompression mit an
schließender Dekompression unterworfen. Die damit verbundene
Druckpulsation führt zu einer relativ hohen Geräuschentwick
lung. Um diese Geräuschentwicklung zu reduzieren, ist es be
kannt, den bei dieser Druckpulsation entstehenden Quetschöl
druck zu begrenzen. Dazu sind in den seitlich angeordneten
Dichtelementen der Zahnkammern Vorsteuernuten angeordnet,
die so ausgelegt sind, daß der Quetschölraum möglichst lange
mit der Ablaufseite der Zahnradmaschine verbunden ist. Kom
pression und Dekompression des eingeschlossenen Quetschöls
finden so nicht im abgeschlossenen Volumen statt. Damit
sinkt der auftretende Druckgradient und das daraus resultie
rende Geräusch.
Nachteiligerweise führt diese Ausbildung der Vorsteuernuten
zu einer kurzzeitigen Verbindung der Hochdruckseite mit der
Niederdruckseite der Zahnradmaschine, die das volumetrische
Verhalten bzw. den volumetrischen Wirkungsgrad der Zahnrad
maschine verschlechtert.
Aus der DE 42 17 160 A1 ist es diesbezüglich bekannt, an den
die Zahnkammern seitlich begrenzenden Dichtkörpern Vertie
fungen anzubringen, die das Volumen des eingeschlossenen
Quetschölraums vergrößern. Dies verringert den Quotienten
aus der Volumenänderung und dem nichtkomprimierten Ausgangs
volumen und damit die Geschwindigkeit, mit der sich im zeit
lichen Verlauf der Zahnraddrehung der Druck im Quetschölraum
verändert. Obwohl sich damit das Betriebsgeräusch der Zahn
radmaschine senken läßt, ist diese Lösung unbefriedigend,
weil die Vertiefungen hydraulische Kapazitäten bilden, die
den Förderstrom und damit den Wirkungsgrad der Zahnradma
schine geringfügig verschlechtern. Außerdem ist die ge
räuschsenkende Wirkung dieser Maßnahme relativ gering, weil
lediglich die Amplitude der Druckerhöhung vermindert, die
Amplitude selbst aber nicht vermieden wird.
Eine erfindungsgemäße Zahnradmaschine mit den kennzeichnen
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil,
daß sie ein weiter reduziertes Betriebsgeräusch bei besserem
volumetrischem Wirkungsgrad aufweist. Hierzu sind an der
Zahnradmaschine relativ einfach und preisgünstig realisier
bare Tilgerelemente ausgebildet, die mit dem Quetschölraum
in Wirkverbindung treten. Die Tilgerelemente nehmen das Kom
pressionsvolumen auf und geben es im Laufe der Zahnraddre
hung wieder frei, so daß keine Quetschöldrucküberhöhung ent
steht. Dies ermöglicht bei unverändertem Geräuschniveau eine
höhere Umsteuerüberdeckung mit der Folge eines besseren vo
lumetrischen Wirkungsgrades der Zahnradmaschine bzw. eine
gröbere Tolerierung der Umsteuerung, verbunden mit geringe
ren Teilekosten für die Lagerbuchsen/-brillen.
Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Er
findung ergeben sich aus den Unteransprüchen oder der Be
schreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgen
den Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert. Letztere
zeigt in Fig. 1 einen nur teilweise dargestellten Schnitt
durch eine vereinfacht dargestellte Zahnradmaschine, in Fig.
2 in vergrößerter Darstellung ein Detail nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III nach
Fig. 2 durch eine der Lagerbuchsen mit einem ersten Ausfüh
rungsbeispiel für ein Tilgerelement, während Fig. 4 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Tilgerelements darstellt.
In Fig. 1 ist mit 10 das nur angedeutete Gehäuse einer
Zahnradmaschine beschrieben, in dessen Innenraum 11 einander
gegenüberliegend ein Zulaufkanal 12 und ein Ablaufkanal 13
münden. Im Innenraum 11 kämmen zwei Zahnräder 14 und 15 im
Außeneingriff miteinander. Die Zahnradmaschine ist in diesem
Ausführungsbeispiel als Zahnradpumpe ausgebildet, wobei das
Zahnrad 15 auf hier nicht näher dargestellte Weise im Ge
genuhrzeigersinn angetrieben ist. Die Zahnräder 14 und 15
sind mit ihren nicht dargestellten Wellenzapfen in vier La
gerbuchsen gelagert, von denen in Fig. 1 die Lagerbuchsen
16 und 17 dargestellt sind. Die nicht gezeichneten, gegen
überliegenden Lagerbuchsen sind entsprechend symmetrisch
ausgebildet. Diese Lagerbuchsen liegen auf an sich bekannte
Weise an den Zahnradseitenflächen dichtend an. An den anein
anderliegenden Flachseiten 18, 19 der Lagerbuchsen 16, 17
sind in den den Zahnradseitenflächen zugewandten Stirnseiten
jeweils einander gegenüberliegende Vertiefungen 20, 21 bzw.
22, 23 ausgebildet, die paarweise eine Vorsteuernut bilden.
Die beiden Vertiefungen 20 und 22 bilden die ablaufseitige
Vorsteuernut 24 und die beiden Vertiefungen 21, 23 die zu
laufseitige Vorsteuernut 25. Die beiden Vorsteuernuten 24,
25 ragen bis in den Eingriffsbereich der beiden Zahnräder
14, 15, ohne einander zu berühren.
In dem in Fig. 2 vergrößert dargestellten Eingriffsbereich
der beiden Zahnräder 14, 15 befinden sich zwei Zahnpaare im
Eingriff, und zwar in einem Eingriffspunkt E1 und einem
zweiten Eingriffspunkt E2. Diese Eingriffspunkte E1 und E2
liegen auf einer gemeinsamen Eingriffslinie E, die bei an
sich bekannten Evolventenverzahnungen einen Eingriffswinkel
von beispielsweise 20 Grad hat. Zwischen den beiden Ein
griffspunkten E1 und E2 wird von den beiden Zahnrädern 14,
15 ein Quetschölraum 26 eingeschlossen, dessen Volumen sich
über den Drehwinkel ändert. Der Quetschölraum 26 wird beim
Einlaufen eines Zahnpaares geschlossen, mit der Drehung der
Zahnräder 14, 15 zunächst verkleinert, bei fortschreitender
Drehung vergrößert und beim Auseinanderlaufen des anderen
Zahnpaars wieder geöffnet. Dieser Komopressions-/Dekom
pressionsvorgang ist an sich bekannt und läuft jeweils zwi
schen zwei im Eingriff befindlichen Zahnpaaren ab. Im Ein
griffsbereich der beiden Zahnräder 14, 15 ist in jeder der
Lagerbuchsen 16, 17 eine Ausnehmung 27, 28 ausgebildet, in
die ein Tilgerelement 30 eingesetzt ist. Die Ausnehmungen
27, 28 sind zwischen den Vorsteuernuten 25, 24 angeordnet,
ohne diese zu berühren und liegen seitlich von der Ein
griffslinie E.
Wie Fig. 3 zeigt, durchdringen die Ausnehmungen 27, 28 die
Lagerbuchsen 16, 17 vollständig. In ihrem Inneren ist das
Tilgerelement 30 angeordnet, das aus einem Stützkörper 32
und einer Membran 31 besteht. Der Stützkörper 32 wird von
einem plattenartigen Stahlkörper gebildet, dessen Umfangs
kontur auf die Form der Ausnehmung 27, 28 abgestimmt ist.
Dieser Stützkörper 32 ist mit Vorspannung im wesentlichen
bündig in die Ausnehmung 27, 28 eingepreßt und befindet sich
auf der den Zahnrädern 14, 15 (Fig. 1) zugewandten Seite der
Lagerbuchse 16, 17. Der Stützkörper 32 ist im wesentlichen
ringförmig ausgebildet und umschließt eine durchgehende Öff
nung 34. In Richtung der von den Zahnrädern 14, 15 abgewand
ten Seite der Lagerbuchse 16, 17 schließt sich dem Stützkör
per 32 die Membran 31 an. Diese Membran 31 erstreckt sich
über die gesamte Breite des Stützkörpers 32 und deckt dessen
Öffnung 34, die unmittelbar mit dem Quetschölraum 26 verbun
den ist, ab. Die Membran 31 ist aus einem Elastomer herge
stellt und ist an den Stützkörper 32 anvulkanisiert, so daß
das Tilgerelement 30 ein einteiliges Bauteil ausbildet. Die
vom Stützkörper 32 abgewandt liegende Seite der Membran 31
ist exemplarisch mit Hochdruck beaufschlagt. Hierzu mündet
die Ausnehmung 27, 28, in die das Tilgerelement 30 einge
setzt ist, in ein Druckfeld 33, das auf der dem Tilgerele
ment 30 gegenüberliegenden Seite der Lagerbuchse 16, 17 aus
gebildet und mit dem Ablaufkanal 13 der Zahnradmaschine ver
bunden ist.
Bei der Drehung der Zahnräder 14, 15 wird das zunächst un
komprimierte Ölvolumen im Quetschölraum 26 (Fig. 1) bis auf
ein Minimalvolumen komprimiert und anschließend wieder de
komprimiert. Der sich ergebende Quotient aus der Volumenver
änderung und dem Ausgangsvolumen des Quetschölraums 26 ist
ohne den Einfluß der Vorsteuernuten der daraus resultieren
den Druckdifferenz proportional. Der sich aus dem entspre
chenden Druckquotienten über die Zeit ergebende Druckgra
dient ist proportional zum dabei entstehenden Geräusch der
Zahnradmaschine.
Die erfindungsgemäßen Tilgerelemente 30 der Zahnradmaschine
werden bei einem Druckanstieg im Quetschölraum 26 elastisch
verformt und dämpfen dadurch diese Drucküberhöhung ab. Als
Folge davon verringert sich die Geschwindigkeit, mit der
sich der Druck im Quetschölraum 26 verändert, was sich in
einer Senkung des Betriebsgeräuschs der Zahnradmaschine aus
wirkt. Durch die elastische Verformung der Tilgerelemente 30
während eines Kompressions-/Dekompressionszykluses des Quet
schölraums 26 wird demnach eine hydraulische Kapazität ge
bildet, die die Druckschwankungen im Quetschölraum 26 glät
tet. Im Unterschied zu bekannten Lösungen baut sich diese
hydraulische Kapazität allerdings im Verlauf eines Kompres
sions-/Dekompresskonszykluses auf und auch wieder ab, so daß
sich bezüglich des Fördervolumens und des volumetrischen
Wirkungsgrads der Zahnradmaschine keine Verschlechterung ge
genüber Zahnradmaschinen ohne Tilgerelemente 30 einstellen.
Dieser Vorteil wird u. a. auch von der Funktion des Stützkör
pers 32 bestimmt, die in diesem Zusammenhang darin besteht,
daß der Stützkörper 32 in der Dekompressionsphase ein Aus
wölben der Membran 31 in Richtung der Zahnräder 14, 15 ver
hindert. Dadurch wird ein der Druckmittelförderrichtung ent
gegengesetzt strömender Rückfluß von Druckmedium verhindert,
der ansonsten die Fördermenge der Zahnradmaschine verringern
würde.
Die erzielbare Geräuschreduzierung läßt sich auch in Opti
mierungen an der Mechanik der Zahnradmaschine umsetzen, die
ansonsten einen Anstieg des Betriebsgeräusches hervorrufen
würden. So können beispielsweise die Vorsteuernuten 24, 25
der Zahnradmaschine verkürzt ausgeführt werden, wodurch der
in Kauf genommene Kurzschluß zwischen der Hoch- und der Nie
derdruckseite der Zahnradmaschine verringert bzw. vermieden
werden kann. Dies wirkt sich ebenso positiv auf den volume
trischen Wirkungsgrad der Zahnradmaschine aus. Die Vermei
dung eines hydraulischen Kurzschlusses ist der Grund dafür,
daß die Tilgerelemente 30 bzw. die diese Tilgerelemente 30
aufnehmenden Ausnehmungen 27, 28 so angeordnet sind, daß sie
von der Eingriffslinie E der Zahnradanordnung nicht ge
schnitten werden.
Im übrigen ist die Anordnung und die Ausführung der Ausneh
mungen 27, 28 nicht auf die hier beschriebene Art und Weise
beschränkt. So ist es beispielsweise auch möglich, die Aus
nehmungen 27, 28 als Sacklochbohrungen auszubilden. Ebenso
sind verschiedene Ausführungsvarianten für die Tilgerelemen
te 30 denkbar.
So ist gemäß Fig. 4 das Tilgerelement 30 als Kolben 35 aus
gebildet, der verschiebbar in einer Zylinderbohrung 37 ange
ordnet ist. Exemplarisch ist diese Zylinderbohrung 37 als
Sacklochbohrung bzw. als einseitig geschlossene Durchgangs
bohrung ausgebildet, an deren Grund sich eine den Kolben 35
beaufschlagende Druckfeder 36 abstützt. Der in Richtung der
nicht gezeichneten Zahnräder 14, 15 gerichtete Hub des Kol
bens 35 wird von einem Anschlagring 38 begrenzt, der ver
gleichbar zum Stützkörper 32 des elastischen Tilgerelements
30 eine Öffnung 34 begrenzt und auf der den Zahnrädern 14,
15 zugewandten Seite der Zylinderbohrung 37 bündig in diese
eingepreßt ist. Zur Druckbeaufschlagung der Unterseite des
Kolbens 35 ist die Zylinderbohrung 37 exemplarisch über ei
nen Radialkanal 39 mit der Hochdruckseite der Zahnradmaschi
ne verbunden. Um eine an den Einsatzfall angepaßte Druck
schwelle einzustellen, ab der der Kolben 35 auf Druckverän
derungen im Quetschölraum 26 (Fig. 1) reagiert, lassen sich
im Radialkanal 39 nicht dargestellte Drosseln einsetzten,
die beispielsweise den Einfluß der Druckfeder 36 auf die
Kolbenhubbewegung kompensieren können. Bei einer Druckerhö
hung im Quetschölraum 26 über einen vom Druckniveau auf der
Unterseite des Kolbens 35 abhängigen Schwellwert hinaus,
führt dieser eine Hubbewegung aus und schafft dadurch ein
Zusatzvolumen, das diese Drucküberhöhung mildert. In der De
kompressionsphase des Quetschölraums 26 wird die dabei ge
bildete hydraulische Kapazität wieder abgebaut, so daß sich
auch bei diesem beweglichen Tilgerelement 30 die selben Wir
kungen einstellen, wie sie bereits beim ortsfesten elasti
schen Tilgerelement 30 beschrieben wurden. Maßgeblich für
die Wirkungsweise der Tilgerelemente 30 ist, daß ein Kurz
schluß von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Zahn
radmaschine vermieden werden muß. Hierzu ist es notwendig,
daß die Ausnehmungen 27, 28 abseits der Eingriffslinie E an
geordnet sind und nicht von dieser geschnitten werden.
Selbstverständlich sind weitere Verbesserungen oder Ergän
zungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne
vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
So eignen sich die beschriebenen Ausführungsbeispiele sowohl
für Zahnradmaschinen mit Lagerbuchsen, mit Lagerbrillen, als
auch für solche mit Dichtplatten. Desweiteren zu erwähnen
ist, daß die Ausnehmungen 27, 28 der Tilgerelemente 30
grundsätzlich in allen die Zahnkammern begrenzenden Wan
dungen angebracht werden können. Beispielsweise ist es
durchaus vorstellbar, die Tilgerelemente 30 auch in den
Zahnflanken der Zahnräder 14, 15 anzuordnen, falls dies auf
grund der Anforderungen an die Festigkeit der Zahnräder 14,
15 möglich ist.
Claims (11)
- l. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) mit einem Gehäuse (10), in dessen Innenraum (11) eine Zahnradanordnung aus we nigstens zwei Zahnrädern (14, 15) angeordnet ist, die unter Ausbildung eines Quetschölraums (26) miteinander kämmen, da durch gekennzeichnet, daß die Zahnradmaschine wenigstens ein Tilgerelement (30) aufweist, das vom Druck im Quetschölraum (26) beaufschlagt ist.
- 2. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Tilgerelement (30) im nicht druckbeaufschlagten Zustand im wesentlichen bündig auf der dem Quetschölraum (26) zugewandten Seite ei ner Ausnehmung (27, 28) angeordnet ist, und daß die Ausneh mung (27,28) abseits der Eingriffslinie (E) der Zahnrad anordnung positioniert ist.
- 3. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü che 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgerelement (30) infolge der Druckbeaufschlagung eine Auslenkung er fährt, die kleiner ist, als die Tiefe der das Tilgerelement (30) aufnehmenden Ausnehmung (27, 28).
- 4. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgerelement (30) aus einer elastischen Membran (31) besteht, die mit ei nem ortsfesten Stützelement (32) zusammenwirkt, und daß das Tilgerelement (30) die Ausnehmung (27, 28) verschließt.
- 5. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß die Membran (31) aus einem Elasto mer gefertigt ist, und daß das Tilgerelement (30) durch An vulkanisieren der Membran (31) an das Stützelement (32) als einteiliges Bauteil ausgebildet ist, das in die Ausnehmung (27, 28) eingepreßt ist.
- 6. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgerelement (30) ein Kolben (35) ist, der gegen die Kraft einer Druckfe der (36) in einer Zylinderbohrung (37) beweglich geführt ist.
- 7. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgerelement (30) auf seiner vom Quetschölraum (26) abgewandten Seite mit Druck, insbesondere mit Systemdruck der Zahnradmaschine, be aufschlagt ist.
- 8. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die das Tilgerele ment (30) aufnehmenden Ausnehmungen (27, 28) an den Zahn flanken der Zahnräder (14, 15) ausgebildet sind.
- 9. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der Ansprü che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die das Tilgerele ment (30) aufnehmenden Ausnehmungen (27, 28) in den Bautei len der Zahnradmaschine angeordnet sind, die die Zahnkammern der Zahnräder (14,15) seitlich verschließen.
- 10. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß die die Zahnkammern der Zahnräder (14, 15) verschließenden Bauteile der Zahnradmaschine Lager buchsen (16, 17) oder Lagerbrillen sind, die auf ihren von den Zahnrädern (14, 15) abgewandten Seiten mit Systemdruck beaufschlagte Druckflächen (33) ausbilden, und daß die die Tilgerelemente (30) aufnehmenden Ausnehmungen (27, 28) Durchgangsbohrungen sind, die die Lagerbuchsen (16, 17) oder die Lagerbrillen durchdringen und im Bereich der Druckflä chen (33) münden.
- 11. Zahnradmaschine (Pumpe oder Motor) nach einem der An sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) der Zahnradmaschine mehrteilig ausgebildet ist und aus einem Antriebsdeckel, einem Ringkörper und einem Verschluß deckel besteht.
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