DE29516780U1

DE29516780U1 - Zahnradpumpe oder -motor

Info

Publication number: DE29516780U1
Application number: DE29516780U
Authority: DE
Inventors: Paul Truninger
Original assignee: Truninger AG
Current assignee: Truninger AG
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2005-10-25
Also published as: US5692888A; TW323754U; KR970024449A; JPH09112443A

Description

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Dipl.-Chera. Dr. Steffen ANDRAE*
Dipl.-Phys. Dieter FLACH
Dipl.-Ing. Dietmar HAUG
Dipl.-Chem. Dr. Richard KNEISSL
Balanstraße 55
81541 München

Aktenzeichen: 2202
Anmelderin: Truninger AG

Zahnradpumpe oder -motor

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe (oder einen Zahnradmotor) gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die (der) beispielsweise als Außen- oder Innenzahnradpumpe (-motor) gebaut ist. Außenzahnradpumpen (-motoren) weisen mindestens zwei außenverzahnte Zahnräder auf, die im Eingriff sind. Innenzahnradpumpen (-motoren) weisen ein innenverzahntes und mindestens ein außenverzahntes Zahnrad auf. Die Bauprinzipien der UmIaufVerdrängermaschinen eignen sich genauso für Drehmotoren. Insbesondere weisen Zahnradpumpen und Zahnradmotoren die gleichen Bauprinzipien auf.

Außenzahnradpumpen bzw. -motoren und Innenzahnradpumpen bzw. -motoren sind bekannt.

Der Einfachheit beschränken sich die folgenden Ausführungen auf Zahnradpumpen. Selbstverständlich gelten sie auch für Zahnradmotoren, da sich die Bauprinzipien der Umlaufverdränger genauso für Drehmotoren eignen.

Aus Gründen des sparsamen Umgangs mit Energie kommt dem Maschinenwirkungsgrad generell große Bedeutung zu. Bei Zahnradpumpen ist erfahrungsgemäß insbesondere der volu-

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metrische Wirkungsgrad durch konstruktive Maßnahmen beeinflußbar.

Bei Zahnradpumpen entstehen interne und externe Leckströme &sfgr; 5 überall dort, wo Spalte zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen, z.B. zwischen stationären und rotierenden Teilen, vorhanden sind. Insbesondere entstehen bei Zahnradpumpen Leckströme zwischen Druck- und Saugraum. Im wesentlichen können drei verschiedene Arten von Leckströmen unterschieden werden:

1. an jeder Zahnrad-Stirnseite,

2. entlang den Zahnrad-Kopfkreisen,

3. durch Gleitlager einer Welle.
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Die Leckstromverluste steigen proportional mit dem Druck sowie mit der dritten Potenz der Spaltbreite (Abstand zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Teilen) und sind umgekehrt proportional der Spaltlänge (der für den Leckstrom zu überwindende Abstand).

Ohne geeignete Maßnahmen eignen sich Zahnradpumpen nicht für höhere statische Drücke im Bereich über lOObar, weil aus Gründen der Betriebssicherheit und der Präzision die Spalte nicht beliebig klein gewählt werden können. Außerdem nehmen die Leckverluste insbesondere entlang den Zahnradstirnseiten mit den durch ansteigenden Druck bedingten Gehäusedeformationen stark zu.

Zur Reduktion der Leckverluste ist die Spaltkompensation bekannt. Dabei werden Spalte zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen {z.B. zwischen den Stirnseiten der Zahnräder und angrenzenden Gehäusebereichen), die bei Zahnradpumpen zu Leckströmen zwischen dem Druck- und dem Saugraum führen, durch Druck beaufschlagte Teile in Abhängigkeit des Drucks konstant gehalten oder verkleinert. Das wird so durchgeführt, daß zumindest die Gehäusedeformation kompen-

siert wird.

i, Solche Pumpen haben den Nachteil, daß sie infolge der sehr kleinen Spalte mit einer fein gefilterten Flüssigkeit arbei-

s. 5 ten müssen. In der Praxis sind solche Voraussetzungen selten gegeben. Vielmehr muß mit einem vorzeitigen Verschleiß der dichtenden Teile infolge normal verschmutzter Flüssigkeit gerechnet werden. Dadurch ergibt sich der Nachteil, daß die Lebensdauer solcher Pumpen beschränkt ist bzw. der anfänglieh gute Wirkungsgrad mit der Zeit und dem Verschmutzungsgrad sukzessive abnimmt.

Außerdem haben Pumpen mit einer solchen Spaltkompensation den Nachteil, daß die Teile für die Spaltkompensation einen erheblichen Mehraufwand erfordern.

Ein weiterer Nachteil ist, daß durch die Anpreßdrücke dieser Teile Reibungskräfte entstehen, die den mechanischen Wirkungsgrad und somit den Gesamtwirkungsgrad verschlechtern.

Spaltkompensierte Pumpen für höhere Drücke weisen zur Dichtung im wesentlichen kleine, aber kurze (kurze Spaltlänge) Spalte auf. Demgegenüber haben nichtkompensierte Zahnradpumpen zwar größere {größere Spaltbreite), aber auch wesentlieh längere {größere Spaltlänge) Dichtflächen für die seitliche Abdichtung der Zahnradstirnseiten, was durch den Wegfall der Kompensationsteile realisiert wird. Vor allem bei höheren Drücken im Bereich über lOObar wirkt sich aber zunehmend nachteilig aus, daß sich die Spaltbreite mit zunehmendem Druck um die Durchbiegung der Seitenbereiche vergrößert.

Bei Zahnradpumpen und -motoren sind auch die Leckverluste entlang den Zahnradkopfkreisen erheblich. An die Zahngeometrie sind eine Vielzahl von Anforderungen für die Optimierung gestellt, z.B. möglichst großes Verdrängungsvolumen bei gegebenen Bauvolumen, Evolventenprofil für leichte Her-

Stellung, Eingriffslänge mit positiver Überdeckung, aus Lärmgründen kleine Zähnezahlen usw.. Deshalb weisen die Zahngeometrien relative spitze Zähne auf, deren Kopfbreite im Bereich von nur ca. 5 % einer Zahnteilung liegt. Dadurch

s. 5 ergibt sich eine sehr kurze Spaltlänge zwischen dem rotierenden Zahnradkopf und dem stationären Gehäuseteil, wobei erhebliche Leckverluste entlang den Zahnradkopfkreisen entstehen.

Außerdem entstehen bei den Pumpen des Standes der Technik zusätzlich externe Leckströme durch die Gleitlager der Pumpenwelle(n).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Konstruktion für eine nicht spaltkompensierte Zahnradpumpe bzw. einen Zahnradmotor vorzuschlagen, mit der ein mit spaltkompensierten Maschinen vergleichbarer volumetrischer Wirkungsgrad bzw. Gesamtwirkungsgrad erreicht wird. Dabei sollen die Nachteile der Spaltkompensation vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Zahnradpumpe {Zahnradmotor) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, die (der) dadurch gekennzeichnet ist, daß die Seitenbereiche Wandstärken von mindestens 75% des Kopfkreisdurchmessers aufweisen, das Material der Seitenbereiche ein Elastizitätsmodul von mindestens 140GPa aufweist, die Zahnkopfbreite mindestens 15% der Zahnteilung beträgt, und die Gleitlager eine Länge von mindestens dem 1,3-fachen des Durchmessers der im jeweiligen Gleitlager gelagerten Welle aufweisen.

Durch diese Merkmale wird die Durchbiegung der Seitenbereiche auf Werte beschränkt, die im Verhältnis zur Spaltbreite gering sind. Vorzugsweise liegt die Wandstärke im Bereich von ungefähr 80% des Kopfkreisdurchmessers, und weist das Material der Seitenbereiche ein Elastizitätsmodul von 150-23 0GPa auf.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Seitenbereiche werden die Leckströme durch die Spalte zwischen den Seitenbereichen und den Stirnseiten der Zahnräder begrenzt. Als Material für die Seitenbereiche kann z.B. Stahl oder Sphäro- _ 5 guß gewählt werden. Aluminium hat im allgemeinen ein zu kleines Elastizitätsmodul (ca. 70GPa).

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, durch geeignete Wahl des Flankenprofils der Zähne eine möglichst breite Zahnkopfbreite zu bilden. Vorzugsweise beträgt sie 20% einer Zahnteilung. Da üblicherweise die Zahnkopfbreite nur 5 bis 8% der Zahnteilung beträgt, ergibt sich somit eine wesentlich längere Spaltlänge und somit eine wesentlich bessere Dichtung.

Weiterhin können erfindungsgemäß die Leckströme durch die Gleitlager der Wellen reduziert werden. Durch den Einsatz von überlangen Lagerbuchsen, deren Länge vorzugsweise im Bereich des 1,4-fachen bis 1,8-fachen des Wellendurchmessers liegt, ergeben sich wesentlich längere Spaltlängen als üblich (üblicherweise werden Lagerbuchsen verwendet, deren Länge ungefähr das 0,8-fache des Wellendurchmessers beträgt) . Da die Gleitlager in den Seitenbereichen ausgebildet sind, können einfach durch Verlängerung der Wellen die Gleitlager verlängert werden. Aufwendige konstruktive Maßnahmen sind nicht erforderlich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel für eine Außenzahnradpumpe erläutert. Selbstverständlich können die erfindungswesentlichen Merkmale auch für andere Umlauf-Verdrängermaschinen bzw. Drehmotoren verwendet werden.

Es zeigen:
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Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße

Außenzahnradpumpe, der das Verhältnis zwischen der

Wandstärke des Seitenbereichs und dem Kopfkreisdurchmesser sowie das Verhältnis zwischen Gleitlagerlänge und Wellendurchmesser darstellt;

Fig. 2 einen Teilschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 1,

der das Verhältnis zwischen Zahnkopfbreite und Zahnteilung darstellt.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe. Gezeigt ist ein Gehäuse 2, dessen Seitenbereiche durch Seitenplatten 1 und 3 gebildet sind. Im Gehäuse sind außenverzahnte Zahnräder 4 und 5 auf je einer Welle 6 bzw. 7 gelagert. Die Zahnräder 4 und 5 sind im Eingriff. Die Welle 6 kann angetrieben werden, während Welle 7 freilaufend gelagert ist und über den Eingriff der Zahnräder 4 und 5 angetrieben wird. Die Wellen 6 und 7 sind in den Seitenplatten 1 und 3 auf je zwei Gleitlagern 8 und 9 bzw. 10 und 11 gelagert.

Leckströme können überall dort auftreten, wo Spalte zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen befinden. Es gibt im wesentlichen drei Möglichkeiten, die mit A, B und C bezeichnet sind.

Die in Fig. 1 mit A bezeichnete Leckmöglichkeit entsteht in dem Kontaktbereich zwischen den Zahnradstirnseiten und den Seitenplatten 1 bzw. 3. Dadurch, daß die Wandstärke w der Seitenplatten 1 und 3 etwa 80% der Kopfkreisdurchmesser d_a beträgt, erlangen die Seitenplatten die nötige Steifigkeit, um nicht bei hohen statischen Drücken (über lOObar) stark durchgebogen zu werden. Der Effekt der Starkwandigkeit wird durch die Wahl des Werkstoffes verstärkt. Durch diese konstruktiven Maßnahmen wird das Durchbiegen der Seitenbereiche auf Werte beschränkt, die im Vergleich zur Spaltbreite klein sind.

Die zweite Leckmöglichkeit entlang den Zahnrad-Kopfkreisen

entsteht bei den mit B bezeichneten Stellen. Sie werden im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 2 näher erläutert.

- 5 Die dritte Leckmöglichkeit durch die Gleitlager der Wellen entsteht an den mit C bezeichneten Stellen. Der Leckverlust verhält sich umgekehrt proportional zu der Gleitlagerlänge 1. Das Verhältnis der Gleitlagerlänge 1 zu dem Wellendurchmesser d beträgt ungefähr 1,5. Es ist wesentlich größer als üblich (0,8), und die Leckstromverluste werden somit stark reduziert. Da die Seitenplatten erfindungsgemäß breiter als üblich sind, erhalten die Gleitlager durch einfache Verlängerung der Wellen 6,7 eine größere Länge 1 und vergrößern somit die für die Leckverluste relevante Spaltlänge. Aufwendige Konstruktionen sind nicht erforderlich.

Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der ineinander greifenden Zähne der Zahnräder 4 und 5. Dargestellt ist die Zahnbreite b und die Zahnteilung t. Durch die gezeigte Ausbildung des Flankenprofils wurde erreicht, daß die Zahnkopfbreite b etwa 2 0% der Zahnteilung t beträgt. Üblicherweise beträgt die Zahnkopfbreite b nur 5 bis 8% der Zahnteilung t. Die Zahnkopfbreite b entspricht der Spaltlänge des für den an den Stellen B verantwortlichen Leckstromverlusts. Da wiederum die Leckstromverluste umgekehrt proportional zur Spaltlänge sind, werden auch an den Stellen B durch die wesentlich längere Zahnkopfbreite b (Spaltlänge), die Leckstromverluste entlang den Zahnrad-Kopfkreisen stark reduziert.

Claims

Ansprüche

1. Zahnradpumpe oder -motor mit mindestens einem außenverzahnten Zahnrad (4), das einen Kopfkreisdurchmesser {d_a) ,

-5 eine Zahnkopfbreite {b) und eine Zahnteilung (t) aufweist, mindestens einem weiteren Zahnrad (5), das mit dem mindestens einem außenverzahnten Zahnrad im Eingriff ist, und an Stirnseiten des mindestens einen außenverzahnten Zahnrads angrenzenden Seitenbereichen {1, 3) eines Gehäuses {2), wobei die Zahnräder mittels auf Gleitlagern (8, 9, 10, 11) gelagerten Wellen (S, 7) in den Seitenbereichen gelagert sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenbereiche (1, 3) Wandstärken (w) von mindestens 75% des Kopfkreisdurchmessers (d_a) aufweisen, das Material der Seitenbereiche ein Elastizitätsmodul von mindestens 140GPa aufweist, die Zahnkopfbreite (b) mindestens 15% der Zahnteilung (t) beträgt, und die Gleitlager (8, 9, 10 ,11) eine Länge (1) von mindestens dem 1,3-fachen des Durchmessers (d) der im jeweiligen Gleitlager gelagerten Welle aufweisen,

2. Zahnradpumpe oder -motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenbereiche (1, 3) Wandstärken (w) im Bereich von 80% des Kopfkreisdurchmessers (d_a) aufweisen.

3. Zahnradpumpe oder -motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Seitenbereiche (1, 3) ein Elastizitätsmodul im Bereich von 150-230GPa aufweist.

4. Zahnradpumpe oder -motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Seitenbereiche (1, 3) Stahl oder Sphäroguß ist.

5. Zahnradpumpe oder -motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkopfbreite (b) im Bereich von 20% der Zahnteilung (t) liegt.

- 5 6. Zahnradpumpe oder -motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitlager {8, 9, 10, 11) eine Länge (1) im Bereich von dem 1,4- bis 1,8-fachen des Durchmessers (d) der im Gleitlager gelagerten Welle aufweisen.

7. Zahnradpumpe oder -motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradpumpe oder der Zahnradmoter mindestens zwei außenverzahnte Zahnräder (4, 5) aufweist.

8. Zahnradpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradpumpe oder der Zahnradmoter mindestens ein innenverzahntes Zahnrad (5) aufweist .

9. Zahnradpumpe oder -motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Welle (6) angetrieben wird und die andere Welle (7) freilaufend gelagert ist.