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Zahnraddrehkolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Zahnraddrehkolbenmaschine,
insbesondere eine als Hydraulikmotor oder als Pumpe verwendbare Druckflüssigkeitsmaschine,
deren Verdrängerelemente aus einem außenverzahnten Stator und einem, einen Zahn
mehr als der Stator aufweisenden, innenverzalmten Rotor besteht, mit einer die Verdrängerelemente
stirnseitig abschließenden Verteilerscheibe, in die Steueröffnungen für die Zu-
und Rückleitung des Drucknittels eingearbeitet sind, und mit einem Verzahnungsgetriebe
zwischen dem Rotor und einem diesen einschließenden Hohlrad.
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Solch.e Zahnraddrehkolbenmaschinen haben den Zweck bei geringen Abmessungen
und mit wenigen Bauteilen einen großen Druckmitteldurchsatz im Verhältnis zu einer
Umdrehung des Rotors zu ergeben.
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Von den unterschiedlichen Ausführungsformen bekannter Zahnraddrehkolbenmaschinen
interessieren hier nur solche,
bei denen die oben genannten Angaben
zutreffen. Vorzugsweise sind dies Zahnraddrehkolbenmaschinen, die als Dosiereinrichtungen
(Steuerpumpen) in hydrostatischen Lenkanlagen Verwendung finden.
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Nachteilig ist hierbei, daß die Zu- und Rückleitung des Druckmittels
zu und von den Verdrängerzellen über rotierende Verteilerscheiben geschieht, die
zudem noch kreisrunde oder längliche Steueröffnungen aufweisen, die keineswegs funktionsgerecht
sind, weil sie eine kontinuierliche Füllung und Leerung der Verdrängerzellen im
Verhältnis zu deren Volumenänderung nicht zu-lassen. Ferner wird der Wirkungsgrad
herabgesetzt, wenn der Antrieb des Rotors nicht über eine Schwenkwelle erfolgt,
was jedoch eine größere Baulänge erfordert, sondern über ein Hohlrad mit einer Evolventen-Innenverzahnung.
Hierbei muß ein Drehzahlverlust in Kauf genommen werden, weil bei einem tlbersetzungsverhältnis
nahe 1:1 Eingriffsstörungen am Innengetriebe zwischen Hohlrad und Rotor auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine kurzbauende Zahnraddrehkolbenmaschine
mit großem Druckmitteldurchsatz zu schaffen, bei der die Zu- und Rückleitung des
Druckmittels zu und von den Verdrängerzellen über strömungstechnisch günstig geformte
Steueröffnungen in einer feststehenden Verteilerscheibe
geschieht
und der Antrieb bzw. Abtrieb ohne Zwischenglied, beispielsweise eine Schwenkwelle,
durch ein zwischen Hohlrad und Rotor angeordnetes Verzahnungsgetriebe erfolgt.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Verteilerscheibe fest mit dem
Stator verbunden ist, daß die Steueröffnungen einen ellipsenähnlichen, von dem Zahnprofil
des Rotors ab hängigen Querschnitt aufweisen, paarweise den Zähnen des Stators zugeordnet
sind und über die Orbitbewegung des Rom tors gesteuert werden, und daß die Außenverzahnung
des Rotors und die Innenverzahnung des Hohlrades bzw. eines ehäuseringes vorzugsweise
Zahnflanken mit einem Kreisbogenprofil aufweisen.
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Im einzelnen besteht die Erfindung darin,daß der ellipsenähnliche
Querschnitt der Steneröffnungen auf der dem Stator zugekehrten Längsseite von dem
Profil der Innenzähne des Rotors in der Stellung des jeweile größten Volumene el
ner Arbeitskammer bestimmt ist und auf der dem Stator abgekehrten Längsseite von
siner Rüllkurve abhängig ist, die von den Zahnlücken des Rotors bei einer Orbitbewegung
beschrieben wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß der Radius des
Kreisbogenprofils der Außenverzahnung des Rotors und der Radius des Kreisbogenprofils
der Innenverzahnung des Hohlrades sich um den Abstand der Achsen von Rotor und Hohlrad
unterscheiden, daß die rößeren Radien konkave Zahn flanken und die kleineren Radien
konvexe Zahnflanken bilden und daß die Anordnung der konvexen Zahnflanken am Hohlrad
und der konkaven Zahnflanken am Rotor umkehrbar ist.
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Ferner gehört es zur Erfindung, daß das Hohlrad als Gehäuseglocke
bzw. Gehäusering ausgebildet ist, und daß der Stator uCi der Rotor des Verdrängersystems
sowie die rer teilerscheibe in das Hohlrad eingesetzt sind, und daß das Hohlrad
mittels Wälzlager auf einer den Stator tragenden, als Bcizenschraube oder dergleichen
ausgebildeten Achse gelagert ist, die mit einem als Grundplatte oder Steuerventilgehäuse
dienenden Bauteil test verbunden ist.
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@@ß@ der gendrt as @n Erfindung, daß der Gehäuserin itisltar in einer
Lenksäule angeordnet und als Nabe ei @khand@ des ausgebildet ist.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch
die mit dem Stator fest verbundene Verteilerscheibe eine geringere Reibung vorhanden
ist und auf einen zusätzlichen Kommutator verzichtet werden kann, daß durch die
ellipsenähnliche Querschnittsform der Steueröffnungen eine bessere Füllung und Leerung
der Arbeitskammern gewährleistet ist, eine geringere Erwärmung des Drucksittels
und eine Unterbindung von Pulsationen erreicht wird, und daß durch das Kreisbogenprofil
der Zahnflanken von Hohlrad und Außenverzahnüng des Rotors ein UbersetzungsverhEltnis
von 1:1 ohne Vergrößerung der Baulänge ermöglicht wird.
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Besondere Vorteile bietet die Verwendung der erfindungsgemäßen Zahnraddrehkolbenmaschine
als Dosiereinrichtung (Steuerpumpe) für eine hydrostatische Lenkanlage. Da hierbei
vielfach Steuerventile nach dem Stromteilprinzip verwendet'werden, bei denen nur
ein Teil des von der Servopumpe geförderten Arbeitsstromes ueber die Steuerpumpe
fließt, kann diese wegen ihrer kleineren Bauweise bequem in der Nabe des Lenkhandradee
untergebracht werden, wobei der Hupenknopf und andere Signaleinrichtungen verdrehsicher
in der feststehenden Nabenachse angeordnet sind. Dies bedeutet einen besonderen
Vorteil gegenüber den bekannten hydrostatischen Lenkanlagen, dRe einen Schleifringanker
nötig haben, da das
Lenkhandrad wegen der inneren Leckverluste und
der ungleich großen Kolbenflächen des Servomotors nicht mehr in seine Ausgangsstellung
zurückkehrt und so das Signalkabel abgedreht würde.
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Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen an Hand einer Zeichnung
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine als Motor oder Pumpe
verwendbare Zahnraddrehkolbenmaschine nach der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 einen
Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine
als Dosiereinrichtung (Steuerpumpe) verwandte Zahnraddrehkolbenmaschine, Fig. 4
ein vergrößertes Detail aus Stator und Rotor mit den zugehörigen Steueröffnungen.
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Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten als Motor oder Pumpe verwendbaren
Ausführungsform der Erfindung bildet ein als Stator 1 bezeichnetes außenverzahntes
Zahnrad mit Zähnen 1 a das eine Verdrängerelement und ein als Rotor 2
bezeichneter
Zahnring mit Innenzähnen 2a das andere Verdran'gerelement. Der Stator 1 ist zwischen
einer Druckplatte 3 und einer Verteilerscheibe 4 über einen Bolzen 5 verdrehsicher
mit einer Grundplatte 6 verbunden. Der Rotor 2 greift mit seiner Innenverzahnung,
die einen Zahn mehr als der Stator 1 aufweist, in dessen Außenverzahnung ein und
führt dabei eine Orbitbewegung um den Stator 1 aus. Durch ein solches Verdrängersystem
wird bewirkt, daß die von den beiderseiten Zahnlücken des Stators 1 und des Rotors
2 gebildeten Kammern bei einer vollen Umdrehung des Rotors 2 um den Stator 1 sovielmal
gefüllt und geleert werden, wie der Rotor 2 Zähne hat, in unserem Ausführungsbeispiel
also siebenmal. Ferner weist der Rotor 2 an seinem Außenrand eine Außenverzahnung
7 auf, die mit einer Innenverzahnung 8 eines als Gehäuseglocke ausgebildeten Hohlrades
9 im Eingriff steht, wobei die Zähne 7a der Außenverzahnung 7 wie die Zähne 8a der
Innenverzahnung 8 jeweils Zahnflanken 7b bzw. 8b mit einem Kreisbogenprofil aufweisen,
wodurch beide Zähnezahlen gleich gehalten werden können. Dadurch ergibt sich ein
tersetzungsverhältnis von 1:1 zwischen der Innenverzahnung 8 und der Außenverzahnung
7, ohne daß Eingriffsstörungen auftreten, so daß der Druckmitteldurchsatz günstiger
wird im Verhältnjs zu einer Umdrehung des als Antrieb oder Abtrieb dienenden Hohlrades
9. Dieses ist in einem Kugellager 10 und in
einem Nadellager 11
koaxial zum Bolzen 5 angeordnet. Die Verteilerscheibe s weist n Richtung des Rotors
2 ellipsenähnliche Steueröffnungen 12 und 13 auf, die paarweise jede aiin 1a des
Stators 1 zugeordnet sind. Die Steueröffnungen 12 unct 13 sind jeweils über Kanäle
14 und 15 mit einer Ringnut 16 bzw. 17 derart verbunden, daß die Steueröffnungen
12 an die Ringnut 16 und die Steueröffnungen 13 an die Ringnut 17 angeschlossen
sind. Ferner ist die Ringnut 16 über eine Bohrung 18 mit einen Anschluß 20 und die
Ringnut 17 über eine Bohrung 19 mit einem Anschluß 21 in der Grundplatte 6 verbunden.
Drei Dichtringe 22 dichten dfe beiden Ringnuten 16 und 17 gegen eine Büchse 23 ab,
während eine Stopfbüchse 24, die von einem Seegerring 25 gehalten wid, das Hohlrad
9 gegen die Büchse 23 abschließt. Ein Seegerring 26 hält das Kugellager 10 in dem
Hohlrad 9, Bei einer Orbitbewegung des Rotors 2 um den Stator 1 entstehen sechs
den Zähnen 1a des Stators 1 zugeordnete Arbeitskammern 27, 28, 29, 30, 31 und 32,
deren Volumen kontinuierlich zu- und abnehmen. Da wegen der gleichen Zähnezahl der
Außenverzahnung 7 und der Innenverzahnung 8 der Rotor 2 und das Hohlrad 9 die gleiche
Drehzahl haben, so füllen und leeren sich die sechs Arbeitskammern 27, 28, 29, 30,
31 und 32 bei einer einzigen Umdrehung des Hohlrades 9
insgesamt
siebenmal oder, allgemein ausgedrückt, sooft wie die Zähnezahl des Rotors 2 angibt.
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Die Zahnflanken 7b der Außenverzahnung 7 sind konkav und werden von
einem größeren Radius 33 bestimmt, während die Zahnflanken 8b der Innenverzahnung
8 konvex sind und von einem kleineren Radius 34 abhängen. Die Differenz der beiden
Radien 33 und 34 ist gleich einem Achsabstand 35 zwischen dem Hohlrad 9 und dem
Rotor 2. Ferner liegen die Mittelpunkte für die Zahnflanken 7b und 8b jeweils auf
gleichgroßen Kreisen. Schließlich sei bemerkt, daß die Anordnung der konkaven Zahnflanken
7b auf der Au.ßenverzahnng 7 vertauschbar ist mit der Anordnung der konvexen Zahnflanken
8b auf der Innenverzahnung 8.
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Eine zweite Ausfffhrungßform? bei der die Zahnraddrehkolbenmaschine
als Dosiereinrichtung (Steuerpumpe) für eine hydrostatische Lenkanlage Verwendung
findet, ist in Fig. 3 dargestellt. Ein als Gehäusering 36 ausgebildetes Hohlrad
trägt die gleiche Innenverzahnung 8 wie das Hohlrad 9 und dient als Nabe für ein
Lenkhandrad 37, so daß beim Lenken der Rotor 2 vom Lenkhandrad 37 über die Außenverzahnung
7 angetrieben wird und in gleicher Weise wieder Arbeitskammern 27, 28, 29, 30, 31
und 32 gebildet werden, die, der Bunktion
einer Steuerpumpe entsprechend,
bei größer werdendem Volumen als Saugkammern, bei kleiner werdendem Volumen als
Druckkammern wirken. Ebenso sind die Steueröffnungen 12 und 13, die Kanäle 14 und
15 und die Ringnuten 16 und 17 in gleicher Weise wie in der Verteilerscheibe 4 nach
Fig. 1 und 2, Jedoch in einem Steuerventilgehäuse 38 angeordnet.
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Ferner dient an Stelle des Bolzens 5 eine Schraube 39 mit einer axialen
Bohrung für die Durchführung eines Signalkabels 40 zur verdrehfesten Zusammenfassung
einer Halterung 41 für einen Signalknopf 42, einer Druckplatte 43 und des Stators
1 mit dem Steuerventilgehäuse 38. In diesem sind zwei Steuerventile 44 und 45 im
Querschnitt gezeigt, die bei einer Drehung des Lenkhandrades 37 in bekannter Weise
das Druckmittel den Arbeitskammern 27, 28, 29, 30, 31 und 32 zusteuern. Die hierfür
erforderlichen Verbindungskanäle zwischen den Steuerventilen 44 und 45 und den Ringnuten
16 und 17 sind in der Zeichnung nicht angegeben, ebenfalls fehlen die Anschlüsse
für die übrigen Teile der hydrostatischen Lenkanlage.
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Weitere Einzelheiten sind in Fig. 4 dargestellt, die vor allem die
Form und Anordnung der Steueröffnungen 12 und 13 zeigt. Die Steueröffnungen 12 und
13 in der Verteilerscheibe 4 bzw. im Steuerventilgehäuse 38 dienen, wie bereits
angegeben,
der Zu- und Rückführung des Druckmittels zu und von den durch die Zahnlücken 49
des Rotors 2 gebildeten Arbeitskammern 27 bis 32. Der ellipsenähnliche Querschnitt
der Steueröffnungen 12 und 13 wird auf seiner dem Stator 1 zugekehrten Längsseite
46 von dem Profil der Innenzähne 2a des Rotors 2 in der Stellung des jeweils größten
Volumens einer Arbeitskammer 27 bis 32 bestimmt und ist auf seiner dem Sttor 1 entgegengesetzten
Längsseite 47 von einer Hüllkurve 48 aeh~rkgig, die von den Zahnlücken 49 des Rotors
2 bei einer Orbitbewegung beschrieben wird. Aus der Orbitbewegung des Rotors 2 ergibt
sich auch die paarweise Zuordnung der Steueröffnungen 12 und 13 zu Jedem Zahn 1a
des Stators 1.
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Verfolgt man einen Arbeitszyklus, beispielsweise wenn der Rotor 2
in Richtung eines Pfeiles 50 durch das Hohlrad 9 oder den Gehäusering 36 angetrieben
wird und damit als Pumpenelement wirkt, so wird das Druckmittel aus der Ringnut
17 über die kanäle 15 und die Steueröffnungen 13 in die nach Fig. 2 größer werdenden
Arbeitskammern 27, 28 und 29 nachgesaugt und aus den kleiner werdenden Arbeitskammern
30, 31 und 92 verdrängt. Für den umlaufenden Arbeitszyklus sind die Arbeitskammern
27 bis 32 bei zunehmendem Volumen jeweils an die Steueröffnungen 13 angeschlossen
und bei abnehmendem Volumen an die Steueröffnungen 12. Für die umgekehrte
Bewegungsrichtung
gilt das Entsprechende. Es kann i=-.er nur eine der Steuereffrungen 12 oder 13 mit
einer der: Arbeitskammern 27 bis 32 in Verbindung stehen. Wie Fig. 4 im einzelnen
zeigt, werden bei Beginn einer Orbitbewegung des Rctors 2 in Richtung des Pfeils
50 die zur Arbeítsksmmer 29 gehörenden Steueröffnungen 12 und 13 von den Innenzähnen
2a des Rotors 2 vollstandig verdeckt, so daß die Arbeitskammer 29 in diesem Augenblick
mit keiner der Ringnuten 16 und 17 Verbindung hat. Kurz danach wird Linie Steueröffnung
12 von der Zahnlücke 49 des Rotors 2 angeschnitten und das Druckmittel wird aus
der kleiner werdenden Arbeitskammer 29 verdrängt und über die Steueröffnung 12 dem
Anschluß 20 bzw. einem Steuerventil 44 oder 45 zugeführt, wie dies jeweils um eine
Phase früher mit dem Druckmittel in den Arbeitskammern 30 und 31 geschehen ist.
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Für den Fall, daß de Zahnidrehkolbenmaschine als bydraulischer Motor
verwendet wird, zeigt Fig. 1 und 2 folgenden Funktionsablauf: Wird das unter Arbeitsdruck
stehende DruckmitteL beispielsweise der Ringnut 16 zugeführt, dann werden die Arbeitskamern
30, 31 und 32 über die zugehörigen Steueröffnungen 12 und Kanäle 14 mit Druck beaufschlagt
bis sie jeweils ihr größtes Volumen erreicht haben, während gleichzeitig as entlastete
Druckmittel aus den Arbeitskammern
27, 28 und 29 über die zugehörigen
Steueröffnungen 13 und Kanäle 15 in die Ringnut 17 verdrängt wird. Dabei wird dem
Rotor 2 eine Orbitbewegung in einer dem Pfeil 50 entgegengesetzten Richtung aufgezwungen,
die als Arbeit an der Gehäuseglocke 9 oder einem entsprechenden Zahnring abgenommen
werden kann. Selbstverständlich werden die Arbeitskammern 27 bis 32 in kontinuierlicher
Folge gefüllt und geleert. Werden die Anschlüsse 20 und 21 für den Zulauf und den
Rücklauf des Druckmittels miteinander vertauscht, dann wird das Hohlrad 9 in Richtung
des Pfeiles 50 gedreht.