DE19847132C2 - Außenzahnradpumpe mit Fördervolumenbegrenzung - Google Patents
Außenzahnradpumpe mit FördervolumenbegrenzungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe mit Fördervolumenbegrenzung nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine mit zunehmender
Drehzahl sich selbst abregelnde Außenzahnradpumpe.
Aus der DE-PS 698 627 ist eine Außenzahnradpumpe bekannt, bei der von der Druckseite
Kanäle ausgehen, an deren Mündungen die von der Saugseite her kommenden Zahnlücken
vorbeigehen bevor sie sich zur Druckseite hin öffnen, um von der Druckseite her aufgefüllt
zu werden. Die Pumpe weist ferner Buchsen auf, die gleichzeitig zur Lagerung der
Zahnräder und zur Abdichtung der Zahnradstrirnflächen dienen. Um die Kanäle mit der
Druckseite zu verbinden, sind segmentförmige Ausnehmungen an den Stirnwänden der
Buchsen vorgesehen. Die Ausnehmungen sind an der Stelle vorgesehen, wo die Zahnräder
miteinander in Eingriff kommen.
Weitere Außenzahnradpumpen mit Taschen in Dichtstegen sind ferner aus der DE 29 01 179 A1
und der US 1,458,204 bekannt.
Eine gattungsgemäße Außenzahnradpumpe ist aus der DE 41 21 074 A1 bekannt.
Vor diesem Stand der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine
Außenzahnradpumpe mit Fördervolumenbegrenzung zu schaffen, die ein zu förderndes
Fluid möglichst gleichmäßig und pulsationsfrei fördert.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung geht von einer Außenzahnradpumpe aus, die in einem Gehäuse ein
drehangetriebenes Zahnradpaar mit zwei miteinander kämmenden Stirnrädern aufweist. Das
Zahnradpaar ist von Gehäuseflächen ummantelt, die zusammen mit axialen Dichtflächen,
über die die Stirnräder mit ihren Stirnflächen streichen, einen Förderraum begrenzen, der
eine Niederdruckseite, die mit einem Pumpeneinlass verbunden ist, und eine
Hochdruckseite, die mit einem Pumpenauslass verbunden ist, aufweist. Zur Begrenzung des
Fördervolumens der Pumpe ist eines der Stirnräder auf einem Kolben drehgelagert, der
zusammen mit diesem Stirnrad in dem Gehäuse relativ zu dem anderen Stirnrad
verschiebbar aufgenommen ist. Vorzugsweise ist der Kolben parallel zu der Drehachse des
an dem Kolben gelagerten Stirnrads geradverschiebbar. Durch die Verschiebung des einen
Stirnrads relativ zu dem anderen Stirnrad wird bei der bevorzugten axialen Verschiebung
die Länge des Eingriffs der Stirnräder verändert.
Die Eingriffslänge wird mit zunehmendem Pumpendruck, der in Abhängigkeit von der
Pumpendrehzahl zu- und abnimmt, selbsttätig verringert. Die Begrenzung des
Fördervolumens bzw. die selbsttätige Abregelung der Pumpe mit zunehmendem
Pumpendruck wird durch Beaufschlagung des Kolbens mit Fluid der Hochdruckseite
bewirkt. Der Druckkraft des Hochdruckfluids wirkt die Kraft eines Rückstellelements
entgegen. Das Rückstellelement wird vorzugsweise durch eine Druckfeder gebildet. Das
Druckfluid drückt den Kolben in Richtung einer Verringerung der Zahneingriffslänge, und
das Rückstellelement wirkt dieser Druckkraft entgegen.
Bevorzugt findet die Pumpe Verwendung als Schmierölpumpe, insbesondere zur Förderung
von Motoröl bei Hubkolbenmotoren.
Nach der Erfindung sind in wenigstens einer axialen Dichtfläche an einen Dichtsteg dieser
Dichtfläche grenzend wenigstens zwei Taschen bzw. Nieren ausgebildet. Eine erste dieser
Taschen verbindet einen Bereich tiefsten Zahneingriffs der Zahnräder mit dem
Pumpenauslass, und eine zweite dieser Taschen verbindet den Bereich tiefsten
Zahneingriffs mit dem Pumpeneinlass. Die axiale Dichtfläche grenzt unmittelbar an eine
Stirnfläche eines der Stirnräder. Der Dichtsteg der Dichtfläche überdeckt den Grund der
Zahnlücke des tiefsten Zahneingriffs der beiden Zahnräder. Die erste Tasche verbindet die
Zahnlücke im Bereich des tiefsten Zahneingriffs mit der nächsten Zahnlücke auf der
Hochdruckseite, und die zweite Tasche verbindet die Zahnlücke im Bereich des tiefsten
Zahneingriffs mit der nächsten Zahnlücke auf der Niederdruckseite.
Gegenüber einer Dichtfläche ohne Taschen wird für einen widerstandsärmeren Abfluss des
Hochdruckfluids aus der Zahnlücke tiefsten Zahneingriffs gesorgt. Durch die Erfindung
wird somit eine Außenzahnradpumpe geschaffen, bei der das Fluid der Hochdruckseite zur
selbstätigen Begrenzung des Fördervolumens genutzt wird und dennoch die bei solchen
Außenzahnradpumpen mit den bekannten, einfach planen axialen Dichtflächen
einhergehenden Quetschöleffekte eliminiert oder zumindest reduziert werden.
Die Tiefe der Taschen beträgt vorzugsweise höchstens ein Fünftel und mindestens ein
Zwanzigstel der maximalen Länge des Eingriffs der beiden Zahnräder. Bei Ausbildung
einer weiteren Tasche gilt dies auch für diese Tasche. Bei Ausbildung weiterer Taschen
können deren Tiefen jeweils gleich sein. Die zweite, d. h. die Tasche auf der
Niederdruckseite, weist eine geringere Tiefe auf als die erste Tasche.
In einer bevorzugten Ausführung fällt die ansonsten einfach plane axiale Dichtfläche in
einer Treppenstufe zu den wieder einfach planen Taschen konstanter Tiefe ab. Die
maximale Eingrifflänge besteht zumindest bei Nullförderung und entsprechend der
Rückstellcharakteristik des Rückstellelements im unteren Drehzahlbereich der Pumpe.
Die erste Tasche weist eine Fläche, gemessen am oberen Rand der ersten Tasche, von
mindestens 5% und höchstens 20% der von dem Stirnrad überstrichenen Fläche auf. Mit
zunehmender Taschenfläche wird vorteilhafterweise die Reibung zwischen der Dichtfläche
und der darüberstreichenden Stirnfläche des Stirnrads geringer.
Vorzugsweise sind auch weitere der axialen Dichtflächen für die Stirnräder mit je einer
Tasche auf der Hochdruckseite, und noch weiter bevorzugt auch mit je einer Tasche auf
der Niederdruckseite der jeweiligen Dichtfläche, versehen.
Die Pumpe kann auch mehrere Zahnradpaare aufweisen. Insbesondere kann ein einzelnes
Stirnrad, das dann vorzugsweise angetrieben wird, mit noch einem oder mehreren
Stirnrädern kämmen und auf diese Weise mehrere Zahnradpaare der Pumpe bilden.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Tasche der vorstehend beschriebenen Art auch in gleicher
Weise in dem Bereich tiefsten Zahneingriffs dieses weiteren Zahnradpaars bzw. jedes
weiteren Zahnradpaars ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist auch solch
ein weiteres Stirnrad zur Regelung des Pumpenfördervolumens durch Druckbeaufschlagung
verschiebbar relativ zu dem gemeinsamen Stirnrad. Dabei können die Förderkennlinien der
Zahnradpaare gleich sein oder auch voneinander abweichen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Außenzahnradpumpe mit Fördervolumenbegrenzung in einem
Längsschnitt,
Fig. 2 ein Gehäuseteil der Pumpe in der Draufsicht A-A der Fig. 1,
Fig. 3 einen Deckel der Pumpe in der Draufsicht B-B der Fig. 1,
Fig. 4 zwei Zylinderkörper, zwischen denen ein Stirnrad der Pumpe nach Fig. 1
drehgelagert ist, und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Deckels der Pumpe nach Fig. 3 mit
Stirnrad.
Fig. 1 zeigt eine Außenzahnradpumpe mit Fördervolumenbegrenzung in einem
Längsschnitt, dessen Lage in den Fig. 2 und 3 als Schnittlinie C-C eingetragen ist.
Ein Gehäuseteil 1 und ein damit fluiddicht verschraubter Deckel 2 bilden ein Gehäuse der
Pumpe. Das Gehäuseteil 1 und der Deckel 2 sind je in einer Einzeldarstellung in Fig. 2
bzw. Fig. 3 abgebildet, auf die ergänzend stets verwiesen sei. Auch auf die
perspektivische Ansicht des Deckels 2 mit aufgesetztem Stirnrad in Fig. 5 sei hierbei
verwiesen.
Der Deckel 2 weist eine Deckelplatte und einen davon aufragenden, kreiszylindrischen
Sockel 5 auf. In dem Gehäuse der Pumpe sind zwei Stirnräder 6 und 11 um parallel
beabstandete Drehachsen drehgelagert. Die Stirnräder 6 und 11 befinden sich mit ihren
Verzahnungen 7 und 12 in einem kämmenden Eingriff. In den Eingriffsbereich der
Stirnräder 6 und 11 mündet zu einer Seite des Stirnradpaars ein Fluideinlass 3, der in Fig.
1 in einer gestrichelten Linie angedeutet ist, und an der dem Pumpeneinlass 3
gegenüberliegenden Seite des Stirnradpaars ein Pumpenauslass 4. Durch Drehantrieb der
Stirnräder 6 und 7 wird Fluid von dem Pumpeneinlass 3 zu dem Pumpenauslass 4
gefördert.
Der Drehantrieb erfolgt über eine Antriebswelle 8, die im Sockel 5 des Deckels 2
drehgelagert ist. Das Stirnrad 6 ist auf der Antriebswelle 8 verdreh- und verschiebegesichert
befestigt.
Das andere Stirnrad 11 ist zwischen zwei Zylinderkörpern 14 und 15 auf einem
Wellenzapfen 13, der die beiden Zylinderkörper 14 und 15 miteinander verbindet,
drehgelagert und relativ zu den Zylinderkörpern 14 und 15 nicht verschiebbar. Die beiden
Zylinderkörper 14 und 15 bilden einen Kolben, der in einer Bohrung des Gehäuseteils 1
entlang der Flucht der Drehachse des Stirnrads 11 hin- und her geradverschiebbar ist. An
einer äußeren ersten Stirnfläche wird dieser Kolben 14, 15 mit Fluid der Hochdruckseite
druckbeaufschlagt. Der Pumpenauslass 4 mündet unmittelbar in einen Hochdruckraum 18
der von der äußeren ersten Stirnfläche des Kolbens 14, 15 bzw. des Zylinderkörpers 14
abgedichtet wird. Auf eine äußere zweite Stirnfläche des Zylinderkörpers 15, die der
äußeren ersten Stirnfläche gegenüberliegt, wird der Kolben 14, 15 mittels einer
Stahldruckfeder 20 mit einer elastischen Rückstellkraft beaufschlagt. Bei einer Zunahme
des Drucks im Hochdruckraum 18 wird der Kolben 14, 15 entgegen der rückstellenden
Kraft der Druckfeder 20 relativ zu dem Stirnrad 6 achsparallel in solch eine Richtung
verschoben, dass die Länge des Eingriffs der beiden Stirnräder 6 und 11 verringert wird.
Mit der Verringerung der Eingriffslänge wird das Fördervolumen der Pumpe verringert. Da
der Druck im Hochdruckraum 18 mit zunehmender Pumpendrehzahl der Stirnräder 6 und
11 zunimmt und diese Zunahme zu einer Verringerung der Eingriffslänge der beiden
Stirnräder 6 und 7 führt, regelt sich die Pumpe automatisch und wegen der einfachen
Gleichschaltung von Pumpenauslass 4 und Hochdruckraum 18 stufenlos ab. Die maximale
Eingriffslänge entspricht im Ausführungsbeispiel der Länge der beiden gleichlängen
Stirnräder. Sie wird bei Nullförderung, insbesondere bei Stillstand der Pumpe erreicht;
dabei liegen die Stirnräder 6 und 11 einander auf gleicher Höhe gegenüber.
Die Fluidförderung von dem Pumpeneinlass 3 zu dem Pumpenauslass 4 erfolgt durch einen
Pumpenförderraum, der von Mantelflächen des Gehäuseteils 1 um die Kopfkreise der
Stirnräder 6 und 11 herum sowie von axialen Dichtflächen 9, 10, 16 und 17 dicht
umschlossen wird und in den der Pumpeneinlass 3 und ein Verbindungskanal zum
Pumpenauslass 4 je zu einer Seite der Stirnräder 6 und 11 münden. Als axiale Dichtflächen
9, 10, 16 und 17 werden im Sinne der Erfindung diejenigen Flächen des Gehäuses 1, 2 bzw.
des Kolbens 14, 15 verstanden, die jeweils Stirnflächen der Stirnräder 6 und 11 unmittelbar
dicht gegenüberliegen. Sie dichten den Pumpenförderraum in axialer Richtung ab und
trennen dessen Niederdruckseite und Hochdruckseite voneinander bzw. verhindern einen
Kurzschluss.
In den Fig. 2 und 3 sind die axialen Dichtflächen 9 und 10 für das drehangetriebene
Stirnrad 6 in einer Draufsicht dargestellt. Die axiale Dichtfläche 9 wird durch die freie
Stirnfläche des Sockels 5 des Deckels 2 gebildet. Der Sockel 5 ist in Fig. 3 auch in einer
Ansicht auf den Dichtsteg 21 dargestellt. Die axiale Dichtfläche 10 wird gegenüberliegend
in dem Gehäuseteil 1 gebildet. Draufsichten auf die axialen Dichtflächen 16 und 17 für das
Stirnrad 11 sind in Fig. 4 enthalten.
Die axiale Dichtfläche 9 ist eine Kreisringfläche mit einem äußeren Durchmesser, der dem
Durchmesser des Kopfkreises des Stirnrads 6 entspricht. Sie weist eine einfach plane
Oberfläche auf, in die beidseits eines Dichtstegs 21 je eine Tasche, nämlich eine erste
Tasche 22 und eine zweite Tasche 23, eingearbeitet ist. Der Dichtsteg 21 ragt im
zusammengebauten Zustand der Pumpe in die Zahnlücke des tiefsten Zahneingriffs der
Stirnräder 6 und 11 hinein und stellt die Trennung der Niederdruckseite und der
Hochdruckseite über den Zahneingriff hinweg sicher.
Die Taschen 22 und 23 sind zum äußeren Umfangsrand der axialen Dichtfläche 9 hin offen.
Sie werden je durch zwei winklig zueinander stehende Steuerkanten, an denen die axiale
Dichtfläche 9 zur jeweiligen Tasche 22 und 23 hin senkrecht oder leicht abgeschrägt abfällt,
begrenzt. Die Länge des Dichtstegs 21, gemessen von der Höhe des Schnittbereichs der
Steuerkanten der ersten Tasche 22 und des auf gleicher Höhe liegenden Schnittbereichs der
Steuerkanten der zweiten Tasche 23 bis zum äußeren Umfangsrand der Dichtfläche 4, der
gleichzeitig den äußeren Stegrand bildet, entspricht in etwa der Zahnhöhe der Stirnräder.
Die Tiefen T1 und T2 der Taschen 22 und 23 bzw. die Höhe von deren Steuerkanten
beträgt mindestens ein Zwanzigstel und höchstens ein Fünftel der Maximallänge des
Eingriffs der Stirnräder 6 und 11. An ihrem Grund sind die Taschen 22 und 23 von ihren
Steuerkanten bis zu ihren offenen Rändern hin einfach plan. Die Tiefe T2 der zweiten
Tasche 23 auf der Niederdruckseite ist vorzugsweise geringer als die Tiefe T1 der ersten
Tasche 22 auf der Hochdruckseite. Im Ausführungsbeispiel ist T1 ein Achtel und T2 ein
Zehntel der maximalen Eingriffslänge der Stirnräder 6 und 11.
Gemessen an der Fläche des Kreisrings zwischen dem Kopfkreis des Stirnrads 6 und dem
Innendurchmesser des Stirnrads 6 beträgt der Flächenanteil der ersten Tasche 22
mindestens 5% und höchstens 20% dieser Fläche des vollen, nicht durchbrochenen
Kreisrings, wobei als Fläche der ersten Tasche 22 die gesamte Fläche zwischen dem oberen
Rand der begrenzenden Steuerkanten und dem äußeren Umfangsrand des genannten
Kreisrings zugrunde gelegt ist. Die zweite Tasche 23 ist demgegenüber kleiner, wobei ihr
in gleicher Weise definierter Flächenanteil an der Kreisringgesamtfläche zwischen 5 und
15% beträgt. Die bei der ersten Tasche 22 ausgenommene Fläche ist gegenüber der
ausgenommenen Fläche der zweiten Tasche 23 bei gleicher Länge der den Dichtsteg 21
begrenzenden Steuerkante deshalb größer, weil die zum Dichtsteg 21 winkelig verlaufende
zweite Steuerkante bei der ersten Tasche 22 stumpfwinkliger zur Steuerkante am Dichtsteg
21 verläuft als die entsprechende Steuerkante der zweiten Tasche 23. Die erste Tasche 22
überdeckt von dem äußeren Umfangsrand der axialen Dichtfläche 9 dadurch einen längeren
Randabschnitt als die zweite Tasche 23.
Bei den Taschen 25 und 26 der gegenüberliegenden Dichtfläche 10 (Fig. 2) gilt das gleiche.
Im zusammengebauten Zustand liegen sich die formgleichen Taschen 22 und 25 der
Hochdruckseite und die formgleichen Taschen 23 und 26 der Niederdruckseite des
Pumpenförderraums exakt gegenüber.
In Fig. 4 sind die Zylinderkörper 14 und 15 einzeln in Draufsichten auf ihre axialen
Dichtflächen 16 und 17 und je in einem Längsschnitt dargestellt. Der Zylinderköper 15 ist
zusätzlich in einer Draufsicht auf seine der Druckfeder 20 zugewandte äußere Stirnfläche
abgebildet.
Der den Hochdruckraum 18 abdichtende Zylinderkörper 14 ist an seiner nicht
dargestellten, dem Hochdruckraum 18 zugewandten Stirnfläche einfach plan. An der
äußeren Mantelfläche ist im Bereich seines Dichtstegs 27 über die gesamte Länge des
Zylinderkörpers 14 ein Zylindersegment ausgenommen. Im zusammengebauten Zustand
der Pumpe durchdringen sich in diesem ausgenommenen Bereich die Verzahnungen der
Stirnräder 6 und 11. Gleichzeitig dient die Ausnehmung als Verdrehsicherung für den
Kolben 14, 15, indem der Zylinderkörper 14 damit am Sockel 5 anliegend entlanggleitet.
Die Ausbildung der axialen Dichtfläche 16 mit dem Dichtsteg 27 und insbesondere die
Ausbildung der Taschen 28 und 29 entspricht derjenigen der axialen Dichtfläche 9 und
deren Taschen.
Das gleiche gilt für die axiale Dichtfläche 17 des Zylinderkörpers 15, der im unteren Teil
der Fig. 4 abgebildet ist. An seiner von dem Stirnrad 11 abgewandten, äußeren Stirnfläche
ist der Zylinderkörper 15 als Ringtopf mit einem umlaufenden Ringkanal ausgebildet, der
als Führung für die Druckfeder 20 dient.
Claims (4)
1. Außenzahnradpumpe mit Fördervolumenbegrenzung, die Pumpe umfassend
- a) ein Gehäuse (1, 2),
- b) wenigstens ein drehangetriebenes Zahnradpaar mit zwei in Eingriff befindlichen Stirnrädern (6, 11), die mit Mantelflächen des Gehäuses (1, 2) und axialen Dichtflächen (9, 10, 16, 17) einen Förderraum bilden, der eine mit einem Pumpeneinlass (3) verbundene Niederdruckseite und eine mit einem Pumpenauslass (4) verbundene Hochdruckseite aufweist, und
- c) einen Kolben (13, 14, 16), der als Drehlagerung für ein Stirnrad (11) des Zahnradpaars dient und zur Begrenzung des Fördervolumens der Pumpe zusammen mit diesem Stirnrad (11) durch Beaufschlagung mit Fluid der Hochdruckseite gegen die Kraft eines Rückstellelements (20) relativ zu dem anderen Stirnrad (6) des Zahnradpaars verschoben wird,
- a) in wenigstens einer axialen Dichtfläche (9) an einen Dichtsteg (21) der Dichtfläche (9) grenzend wenigstens zwei Taschen (22; 23) ausgebildet sind, von denen eine erste Tasche (22) den Pumpenauslass (4) und die andere, zweite Tasche (23) den Pumpeneinlass (3) mit einem Bereich tiefsten Zahneingriffs der Stirnräder (6, 11) verbindet, und die, bezogen auf die axiale Dichtfläche (9), unterschiedliche Tiefen (T1, T2) aufweisen, wobei die Tiefe (T2) der zweiten Tasche (23) geringer ist als die Tiefe (T1) der ersten Tasche (22).
2. Außenzahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine
maximale Länge des Zahneingriffs der Stirnräder (6, 11) das Fünf bis
Zwanzigfache der Tiefe der ersten Tasche (22) beträgt.
3. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Tasche (22), auf der Höhe der Dichtfläche (9)
gemessen, eine Fläche einnimmt, die 5% bis 20% einer Fläche ausmacht, die von
dem an die Dichtfläche (9) grenzenden Stirnrad (6) überstrichen wird.
4. Außenzahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass jede der axialen Dichtflächen (9, 10, 16, 17) je einen
Dichtsteg (21, 24, 27, 30) mit daran grenzenden Taschen (22, 25, 28, 31, 23, 26, 29,
32) aufweist.
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