DE3416400A1 - Zahnradmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugölpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige ölpumpen für automatische Kraftfahrzeuggetriebe sind bekannt. Wenn auch die ölpumpe nach der Erfindung in dieser Weise eingesetzt werden kann, so ist sie insbesondere und vorzugsweise eine ölpumpe für die Ölversorgung eines Kolbenverbrennungsmotors, deren Ritzel auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors sitzt und von dieser angetrieben wird. Das Füllstück ist dabei vorzugsweise starr mit einer der beiden Stirnwände des Arbeitsraumes, in dem die beiden Zahnräder umlaufen, verbunden , z.B. einstückig mit dieser gegossen. Wenn auch die Zähnezahl des Ritzels IO bis 22 betragen kann, so liegt diese Zähnezahl vorzugsweise zwischen 12 und 19. Je größer die Zähnezahl, umso geringer wird die Zahnhöhe und damit der Förderstrom. Die Zähnezahl ist nach unten durch die Zahngeometrie und die Eingriff sverhältnisse begrenzt. Da der Hohlradaussendurchmesser zur Geringhaltung der Reibungsverluste so klein wie möglich gehalten werden muß und der Zahnfußkreis des Ritzels wegen des Durchtritts der Kurbel- bzw. Antriebswelle groß ist, sind die Möglichkeiten des Konstrukteurs für die Auslegung einer derartigen Pumpe eng.

Wegen des geringen Hohlraddurchmessers soll die Zähnezahldif-

ferenz niedrig sein.

Die Zähnezahldifferenz muß ferner aber groß genug sein, um genügend Platz für ein ausreichend dickes Füllstück zu gewährleisten, da ein allzu dünnes Füllstück zu Verbiegungen und Schwingungen neigt.

Die bekannten Pumpen gemäß dem Oberbegriff sind insofern vorteilhaft, als durch die konkav gekrümmte Hohlradflanke eine recht gute Abrollung der Zahnflanken im Zahneingriff bewirkt ist. Auch ist die Verzahnung verhältnismäßig unempfindlich gegen Achsabstandsabweichungen.

Die Erfindung will die vorbekannte Pumpe dahingehend verbessern, daß die Verluste in der Pumpe verringert und eine am Bauvolumen gemessen maximale Förderleistung (Produkt aus Arbeitsdruck und Durchsatz) erreicht wird. Zu diesem Zweck will die Erfindung die Zahnform dahingehend optimieren, daß

a) eine optimale Dichtung zwischen den Ritzelzahnen und den Hohlradzähnen an der Stelle tiefsten Zahneingriffs erreicht wird,

b) die Flüssigkeitstransportkammern zwischen den Zähnen und dem Füllstück möglichst groß werden,

c) das den Wirkungsgrad senkende spezifische Gleiten zwischen den Zahnflanken im Eingriff möglichst gering gehalten wird,

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d) die durch die zum Teil unstetigen Veränderungen der Förderräume in einer Zahnradpumpe oder einem Zahnradmotor verursachten, den Wirkungsgrad verringernden hydraulischen Stöße und Prallverluste verringert werden, und

d) diese Ziele bei einfacher Herstellbarkeit und leichter Reproduzierbarkeit der Zahnform erreicht werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe bildet die Erfindung die eingangs umrissene Zahnradmaschine gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weiter (die dabei angegebenen Zahnabmessungen sind beim Ritzel nur geringfügig anders als beim Hohlrad).

Vorteilhaft sind die Flanken der Zähne des einen Rades gemäß Anspruch 2 wenigstens angenähert jeweils durch einen Kreisbogen bestimmt, dessen Mittelpunkt gemäß Anspruch 3 vorzugsweise innerhalb des Kopfkreises dieses Rades liegt. Vorzugsweise sind die Flanken des Hohlrades durch einen Kreisbogen definiert. Dann ist die Form der Zahnflanken des Ritzels durch Abrollen im Hohlrad definiert. Diese Angabe und die entsprechende Angabe im Anspruch 1 soll nicht etwa bedeuten, daß das durch Abrollen definierte Rad mit Hilfe eines dem anderen Rad gleichen Werkzeugs gefertigt ist; sie soll vielmehr aussagen, daß das durch Abrollen definierte Rad eine Zahnform hat, wie sich ergibt, wenn dieses Rad in entsprechender Weise konstruiert wird.

Aufgrund der wenigstens angenäherten Kreisbogenform (oder genauer Zylinderflächenform) der Zahnflanken des einen Rades ist

die Verzahnung nach der Erfindung als Trochoidenverzahnung anzusprechen. Diese Konstruktionsform mit kreisbogenförmigen Zahnflanken hat den großen Vorteil, daß sie leicht genau dimensioniert, festgelegt und hergestellt werden kann. Die Kreisbogenform kann jedoch auch durch eine an den Kreisbogen angenäherte Kurve mit anderer mathematischer Definition, beispielsweise
eine Parabel oder eine Ellipse ersetzt werden, solange der Radius der Ersatzkurve in deren die Zahnflanke definierendem Bereich nicht sehr stark schwankt, also beispielsweise weniger als 3 % bis 5 %. Bevorzugt ist jedoch die Zahnflankenform durch einen exakten Kreisbogen bestimmt.

Wie die Zeichnungen zeigen, läßt sich eine erfindungsgemäße
Verzahnung so auslegen, daß der Zahn des Ritzels bis auf minimale Abweichungen die Zahnlücke des Hohlrades vollständig ausfüllt. Das bringt nicht nur eine vorzügliche Dichtung an der Stelle tiefsten Zahneingriffs, sondern darüber hinaus verschwindend geringe Toträume. Ferner wird bei der Erfindung der Überdeckungsgrad verhältnismäßig groß. Es empfiehlt sich daher, die Zulauf- und AblaufÖffnungen für die Förderflüssigkeit ziemlich nahe an die Stelle tiefsten Zahneingriffs heranzuführen.

Das Verhältnis der Teilkreisdurchmesser von Hohlrad und Ritzel bestimmt auch die Differenz der Zähnezahlen von Hohlrad und
Ritzel, da es zugleich das Verhältnis der Zähnezahlen ist. Dieses Verhältnis ist also in der Praxis immer ganzzahlig, wobei im Hinblick auf die oben angegebenen Grenzwerte die höchste
Zähnezahl des Hohlrades 28 beträgt, die bei 22 Ritzelzähnen

möglich ist. Da die Zähnezahldifferenz mindestens 2 betragen muß, kommen also praktisch folgende Zähnezahlverhältnisse in Frage:

12. 13. 13. 14. 14. 15. 15. 16. 17. 18. 18. Iu' Tu' TT' Tl' TT' TZ' TS' TS' T7' Ti' TS'

19 19 20 20 21 22 21 22 23 22 23 T5^; T6^? Ϊ6^; Ϊ7^; Ϊ7^? Ϊ7^; TE'' Ϊ8^; Ϊ8^; Ϊ9^? Ϊ9^;

24 23 24 25 26 25 26 27 26 27 28 Τ9"^; To'' "Zo"' 7Ü^; "2Ü' TL'' TT' TL' Ti'' Tl' Tl'

In der Praxis wird eine Zähnezahldifferenz von 3 bevorzugt. Damit kommen für diese in erster Linie Pumpen mit den Zähnezahlverhält-

. 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 nissen _1Q, _1χ, ₁₂, _χ3, _{14# 15}, _{16# 1?/ ±Qf lgf}

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und -Sq in Frage. Da das Zähnezahlverhältnis vorteilhaft

teilerfremd ist, werden das dritte, sechste und neunte Verhältnis weniger bevorzugt. Generell gilt, daß je kleiner die Zähnezahl des Ritzels, umso kleiner auch die Zähnezahldifferenz sein sollte. Größere Zähnezahldifferenzen sind naturgemäß bei größeren Gesamtzähnezahlen leichter darstellbar.

Dennoch wird in der Regel ein relativ großes Verhältnis der Teilkreisdurchmesser bei kleiner Ritzelzähnezahl und ein kleines Verhältnis der Teilkreisdurchmesser bei großer Ritzelzähnezahl anzuwenden sein.

Wählt man das Ritzel als Bestimmungsgröße für die Auslegung der

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Zahnradmaschine, so ergibt sich eine besonders günstige Auslegung, wenn die Zahnhöhe gleich dem O,1-fachen bis 0,125-fachen Teilkreisdurchmesser des Ritzels ist.

Von wesentlicher Bedeutung ist bei der Erfindung auch die Neigung der Zahnflanken gegen den Radius des Rades. Diese steigt vorzugsweise beim Ritzel von etwa 30° am Zahnfuß bis etwa 50 am Zahnkopf an, während sie beim Hohlrad von etwa 50° am Zahnfuß auf etwa 30° am Zahnkopf abnimmt. Naturgemäß ist der Zahnflankenverlauf bei Ritzel immer etwas steiler als beim Hohlrad. Das gilt insbesondere für den Zahnfuß des Ritzels.

Ein derartiger Zahnflankenverlauf wird als optimal angesehen.

Vorzugsweise liegt der Mittelpunkt des die Zahnflanken wenigstens angenähert definierenden Kreises innerhalb des Zahnkopfkreises des Rades. Der Radius dieses Kreises ist vorzugsweise gleich dem 0,4-fachen bis 0,5-fachen, besser dem 0,45-fachen Teilkreisdurchmesser des Ritzels. Liegt der Mittelpunkt ausserhalb des Kopfkreises, so ist der Radius größer, z.B. doppelt so groß.

Auch dies wirkt auf eine Optimierung der Zahnform im Hinblick auf die eingangs gestellte Aufgabe hin.

Diese Wölbung des Kreises in Verbindung mit der weiter oben angegebenen Neigung der Zahnflanke gegen den Radius des Rades verbessert noch die große Übereinstimmung der Zahnform des Rit-

zels mit der Form der Zahnlücke des Hohlrades.

Die Neigung der Zahnflanken gegen den Radius des Rades im Schnittpunkt mit dem Teilkreis beträgt sowohl beim Hohlrad als auch beim Ritzel zweckmäßig 35 bis 40 , wobei natürlich für beide Räder dieses Maß nur angenähert übereinstimmen kann.

In der Regel sind die Zähne von Hohlrad und Ritzel symmetrisch in Bezug auf eine Radiuslinie des Rades. Selbstverständlich sind bei der Auslegung der erfindungsgemäßen ölpumpe die üblichen Grundsätze der Verzahnungstechnik zu beachten.

Nachfolgend ist in den Zeichnungen als erläuterndes Beispiel eine ölpumpe gemäß der Erfindung für einen Kraftfahrzeugmotor mit auf der Kraftfahrzeugkurbelwelle sitzendem Ritzel beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Pumpe in einer Normalebene zu den Drehachsen der Pumpe gemäß der Linie I-I in Fig. 3.

Fig. 2 zeigt stark vergrößert die Stelle tiefsten Zahneingriffs zwischen den beiden Pumpenrädern.

Fig. 3 zeigt den Vertikalschnitt III-III aus Fig. 1 in etwas anderem Maßstab.

Im Axialschnitt durch die Pumpe gemäß Fig. 3 erkennt man links

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ein Haupt-Gehäuseteil 4 und rechts ein zweites plattenförmiges Gehäuseteil 5, die miteinander durch Schrauben 6 verbunden sind, von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine gezeichnet ist. Die Achse des Gehäuses und des Ritzels ist bei MR gezeigt. Ein Füllstück 7 ist einstückig mit dem Gehäuseteil 4 gegossen. Zur Abdichtung dient ein Simmerring 8. Im ersten Gehäuseteil 4 ist eine zylindrische Zahnradkammer ausgespart, die im wesentlichen durch das Hohlrad 1, das Ritzel 2 und das Füllstück 7 ausgefüllt ist. Das Hohlrad 1 und das Ritzel 2 füllen die Zahnradkammer in

Axialrichtung aus, so daß die Trennebene zwischen beiden Gehäusesteilen mit den entsprechenden Stirnflächen der beiden Zahnräder zusammenfällt. In den beiden Gehäuseteilen 4 und 5 sind nicht gezeigte Zulauf- und Ablaufräume für die zu fördernde Flüssigkeit ausgespart. Die beiden Räume erstrecken sich jeweils etwa über ein Viertel des Umfangs der Zahnradkammer und umgreifen diese in für Innenläuferzahnradpumpen üblicher und bekannter Weise.

Um das Maß der Exzentrizität von Hohlrad 1 zu Ritzel 2 gegen die Mitte der ümfangsflache der Zahnradkammer versetzt ragt durch die Zahnradkammer das Ende der Kurbelwelle hindurch.

Auf der Kurbelwelle 10 sitzt drehfest ein vorzugsweise aus Stahl bestehender Mitnehmer 11, der in entsprechenden Umfangsnuten Axialvorsprünge 12 des Ritzels 2 trägt. Die Nuten haben so viel Spiel gegen die Axialvorsprünge, daß das Ritzel 2 auf dem Innenbund 13 des Gehäuseteils 4 gelagert sein kann.

Die Pumpe ist mittels Schrauben 14 an das Stirnende eines Kolben-

motors 14 angeflanscht.

Das Hohlrad 1 besteht aus einem Ring, welcher auf seiner Innenseite die Verzahnung aufweist. Das Hohlrad 1 ist mit seiner äußeren ümfangsfläche auf der zylindrischen Innenwandung der Arbeitskammer gelagert und kämmt mit dem Ritzel 2. Die Stelle tiefsten Zahneingriffs befindet sich in Fig. 1 und 3 unten. Gegenüber, also an der höchsten Stelle, ist der freie Raum zwischen den Kopfkreisen von Ritzel und Hohlrad durch das Füllstück 3 auf dem Großteil der Länge dieses Raumes ausgefüllt (Fig. 1 und 3).

Die Pumpe kann an sich in beiden Drehrichtungen laufen, sie ist dementsprechend symmetrisch in Bezug auf die Ebene ausgeführt, der die Drehachsen MH und MR des Hohlrades 1 und des Ritzels 2 angehören. Selbstverständlich sind auch alle Zähne symmetrisch ausgeführt.

Das Ritzel hat im Ausführungsbeispiel dreizehn Zähne, während das Hohlrad 4 sechzehn Zähne besitzt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Kanten an den Zahnköpfen und auch die Ausrundungen zwischen Zahnfuß und Zahnlücken mit sehr kleinem Radius ausgerundet. Der Radius an den Zahnkopfkanten des Rades, dessen Zahnflanken kreisbogenförmig verlaufen bzw. durch eine Kreiszylinderfläche definiert sind - das ist im Ausführungsbeispiel das Hohlrad - beträgt etwa 5 % der Zahnhöhe. Das gleiche gilt für die Ausrundung zwischen den Zahnflanken des erzeugenden Rades und dem Zahnlückengrund. Bei dem Rad, das durch Abrollen

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im anderen Rad definiert ist, wird dann der Zahngrund beispielsweise um 1/10 mm tiefer gehalten, so daß hier die Zahnköpfe des erzeugenden Rades mit Sicherheit frei gehen. Zum gleichen Zweck kann auch der Abstand der beiden Zahnradachsen voneinander um ein geringes Maß, z.B. 0,03 mm bei einer Pumpe für einen üblichen Pkw-Motor, verringert werden.

Die nachfolgenden Werte und Größen sind in den Zeichnungen der Übersichtlichkeit halber dargestellt:

MR = Achse des Ritzels

MH = Achse des Hohlrades

TR = Teilkreis des Ritzels

TH = Teilkreis des Hohlrades

RH = Radius des die Zahnflanken des Hohlrades definierenden Kreisbogens

HR = Höhe der Zähne des Ritzels HH = Höhe der Zähne des Hohlrades alpha R = Winkel zwischen dem Radius des Ritzels und der Tangente an die Zahnflanke an einem beliebigen Punkt PR der Zahnflanke des Ritzels

alpha H = Winkel zwischen dem Radius des Hohlrades und der Tangente an eine Zahnflanke des Hohlrades an einem beliebigen Punkt PH dieser Zahnflanke

BHF = Breite der Hohlradzähne am Zahnfuß (die Ausrundung am übergang von der Zahnflanke zum Zahnlückengrund ist hierbei nicht berücksichtigt. Das Maß gilt also für die nur theoretische scharfkantige Ausführung)

BHK = Breite des Zahnkopfes des Hohlrades ohne Berücksichtigung der Abrundung (die Breite BHK entspricht also der Breite des theoretischen scharfkantigen Zahnkopfes) .

Fig. 2 zeigt in maßstäblicher, aber wesentlich vergrößerter Darstellung, die Stelle tiefsten Zahneingriffs, die auf der Geraden MR-MH liegt. Man erkennt bereits aus der Zeichnung, daß
hier die Zahnlückenform und die Zahnform fast gleich sind. In
dieser Figur sind zusätzlich die folgenden Maße erkennbar:

FH = Fußkreis des Hohlrades

FR = Fußkreis des Ritzels

KR = Kopfkreis des Ritzels

KH = Kopfkreis des Hohlrades.

Claims (8)

BERG STAPF · SGHWABE - SANDMAIR PATENTANWÄLTE MAUERKIRCHERSTRASSE 45 8000 MÜNCHEN 80 3416400 Anwaltsakte: 33 183 VI Schwäbische Hüttenwerke GmbH Postfach 32 80 7080 Aalen-Wasseralfingen Zahnradmaschine Patentansprüche :

1. Kraftfahrzeugölpumpe mit einem in einem Gehäuse (4) drehbar gelagerten innenverzahnten Hohlrad (1) mit konkav gewölbten Zahnflanken, einem mit dem Hohlrad (1) kämmenden 10 bis 22 Zähne mit konvex gewölbten Flanken aufweisenden außen verzahnten Ritzel (2), das auf dem Antriebswellenstrang des Kraftfahrzeugs sitzt und von diesem angetrieben wird, und mit einem den der Stelle tiefsten Zahneingriffs gegenüberliegenden freien Raum zwischen den Kopfkreisen (KR) (KH) des Ritzels (2) und des Zahnkranzes (1) auf dem überwiegenden Teil seiner Länge ausfüllenden Füllstück (3), das ritzelseitig von der Kopfkreiszylinderflache des Ritzels (2) und

«(089) 96 B''7? 74 \7T /_au Telex 524560BERGd Bankkonten Bayei. Veiem&bank Murn.heii 4Ei3100 fhl/700JO?/0)

leK-gtamrneicabie): ^VX/^aD Telekopieiei (089; 983049 Hypo-Bank München 441012Ϊ850 (Bl/70020011. «Sw.« Cod.? HYHU Dl

hofΨ M;<nrhor. RWfil RDR fRI T* 7ΠΠΐΟΓ·Ηί1»

hohlradseitig von der Kopfkreiszylinderfläche des Hohlrades (1) begrenzt ist und an welchem die Zahnkopfflächen der Zahnräder (1/ 2) dichtend entlanggleiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Teilkreisdurchmessers (TH) des Hohlrades (1) zu dem (TR) des Ritzels (2) 1,15 bis 1,3 - besser etwa 1,25 bis 1,27 - beträgt, daß die Zahnhöhe (HH, HR) gleich dem 0,095-fachen bis 0,12-fachen des Teilkreisdurchmessers (TR) des Ritzels (2) ist,

daß am Hohlrad die Zahnfußbreite (BHF) gleich der 1,7-fachen bis 2,2-fachen, besser gleich der 1,8-fachen bis 1,9-fachen Zahnhöhe (HH) ist,

daß das Verhältnis von Zahnfußbreite (BHF) zu Zahnkopfbreite (BHK) beim Hohlrad (1) 4 bis 7,5, besser 6 bis 7 beträgt, und daß die Flanken der Zähne des einen Rades (2) der durch Abrollen an dem anderen Rad (1) definierten Form entsprechen.

2. Ölpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die Flanken der Zähne des einen Rades (1) wenigstens angenähert jeweils durch einen Kreisbogen bestimmt sind.

3. ölpumpe nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß der Mittelpunkt des Kreisbogens innerhalb des Kopfkreises (KH) des Rades (1) liegt.

4. ölpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet , daß die Zahnhöhe (HH, HR) gleich

dem Of 1-fachen bis 0,11-fachen Teilkreisdurchmesser (TR) des Ritzels (2) ist.

5. ölpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Neigung der Zahnflanken gegen den Radius des Rades (1, 2) beim Ritzel (2) von etwa 30° am Zahnfuß bis etwa 50° am Zahnkopf ansteigt und beim Hohlrad (1) von etwa 50° am Zahnfuß auf etwa 30° am Zahnkopf abnimmt.

6. ölpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Radius (RlI) des die Zahnflanken des einen Rades wenigstens angenähert definierenden Kreises gleich dem 0,4-fachen bis 0,5-fachen, besser etwa gleich dem 0,45-fachen Teilkreisdurchmesser (TR) des Ritzels (2) ist.

7. Ölpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Neigung der Zahnflanken gegen den Radius des Rades im Schnittpunkt mit dem Teil-" kreis 35° bis 40° beträgt.

8. Ölpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Ritzel (13) bei kleiner Zähnezahl zwei, bei großer Zähnezahl drei Zähne weniger als das Hohlrad aufweist.