DE4225804C2 - Zahnradmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zahnradmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei derartigen Zahnradmaschinen werden Dicht­ platten auf einer bzw. auf beiden Seiten der Zahnräder durch Flüssigkeitsdruck zur Anlage an die Zahnradseitenflächen gebracht. Um das Anlaufverhalten der Zahnradmaschine zu verbessern und eine gleichmäßige Anlage der Dichtplatten zu gewährleisten, wirken diese mit Druckfeldern zusammen, die zumindest teilweise mit Hochdruck be­ aufschlagt werden. Diese Druckfelder werden durch Dichtungsanord­ nungen begrenzt und geformt, wobei unterschiedliche Formen von Druckfeldern bekannt sind.

Die Dichtungsanordnungen bzw. die Dichtelemente zur Begrenzung der Druckfelder sind in hohem Maße für die Dichtheit und damit den volu­ metrischen Wirkungsgrad der Zahnradmaschine verantwortlich. Um die Druckfelder abzudichten ist eine gewisse, auf die Dichtelemente wir­ kende Vorspannung erforderlich, d. h. die Dichtungen werden zu­ sammengepreßt bzw. an die Dichtplatte gepreßt. Die Größe dieser Vor­ spannung ist u. a. maßgebend für eine hohe Dichtheit, vergrößert aber gleichzeitig die Anpreßkräfte der Dichtplatte und damit die Reibung zwischen Dichtplatte und Zahnradseitenfläche.

Aus der DE 29 22 078 C2 ist eine derartige Zahnradmaschine mit von Druckplatten abgedichteten Zahnkammern bereits bekannt. Im Unterschied zum Gegenstand der Erfindung ist die mit dem Dichtelement versehene Dichtnut an der Druckplatte ausgebildet. Zudem umgibt ein Dichtelement die Druckfelder nur teilweise, so daß zu deren Abdichtung nach außen zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Das Dichtelement grenzt insgesamt vier Druckflächen gegeneinander ab, die ringförmig aneinandergereiht und nicht ineinanderliegend angeordnet sind. Diese Anordnung ist relativ aufwendig und erzeugt in der Anlaufphase der Zahnradmaschine zwischen der Druckplatte und den Zahnrädern eine Mindestvorspannkraft, die zu einer unerwünscht hohen Reibung führt.

In der DE-OS 19 21 385 ist eine Zahnradmaschine mit einer einzelnen, axial beweglich im Innenraum angeordneten Verschleißplatte offenbart. Auf die Verschleißplatte wirken zwei ineinanderliegende Druckfelder ein, die von einem Dichtelement abgedichtet sind. Dieses Dichtelement ist in zwei Abschnitte gegliedert, wobei der im Bereich der Druckplatte liegende erste Abschnitt mit einem Widerlagerteil 37 zusammenwirkt und demnach entgegen dem Gegenstand der Erfindung mehrteilig augebildet ist. Ferner ist das Dichtelement auf seiner Rückseite von einem Zwischendruck beaufschlagt, der sich erst nach einer relativ langen Pumpenanlaufphase einstellt. Während dieser Anlaufphase ist die Abdichtung der Zahnkammern nur unzureichend gewährleistet - die Zahnradmaschine weist dabei nur einen verminderten volumetrischen Wirkungsgrad auf. Zudem kann die Zahnradmaschine auf sich ändernde Betriebsbedingungen nur zeitlich verzögert reagieren. Des weiteren ist der Saug- und der Druckanschluß der Zahnradmaschine nicht vom Dichtelement umschlossen.

Die DE-OS 22 03 820 beschreibt eine in bezug auf die Schmierung ihrer Wellenzapfen verbesserte Zahnradmaschine. Entgegen der Erfindung ist in Fig. 5 ein aus zwei getrennten Dichtsträngen bestehendes Dichtelement dargestellt. Dieses dichtet zwei Druckfelder gegeneinander ab, ohne Hinweise bezüglich der Querschnittsgestaltung dieser Dichtelemente, einer Druckbeaufschlagung oder einer einteiligen Ausbildung zu geben, um dadurch auf möglichst preisgünstige Weise eine besonders wirksame und reibungsarme Abichtung der Druckfelder zu erreichen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zahnradmaschine mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Dich­ tungsanordnung eine gute Abdichtung der Druckfelder bei geringen er­ forderlichen Vorspannungen der Dichtelemente gewährleistet. Durch die Gestaltung der Dichtung wird eine sehr gute Anlage der Dicht­ elemente gewährleistet, so daß der volumetrische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Zahnradmaschine hoch ist. Aufgrund der geringen erforderlichen Vorspannung der Dichtelemente ist darüber hinaus die Reibung zwischen Dichtplatte und Zahnradseitenflächen gering, so daß der mechanische Wirkungsgrad der Zahnradmaschine verbessert wird.

Darüber hinaus werden trotz der geringen Vorspannung der Dichtele­ mente Fertigungstoleranzen gut ausgeglichen, so daß auch bei größe­ ren Axialspalten und bei großem Axialspiel nur geringe volumetrische Verluste zu verzeichnen sind.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Be­ schreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnradmaschine und in Fig. 2 als Schnitt längs II-II nach Fig. 1 eine Innenansicht eines Gehäuseteils. Fig. 3 zeigt als Schnitt III-III nach Fig. 1 eine Innenansicht eines zweiten Gehäuseteils. Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs IV-IV nach Fig. 1, Fig. 5 eine Ansicht eines Dicht­ elementes und Fig. 6 einen Schnitt längs VI-VI nach Fig. 5 durch dieses Dichtelement.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 die Gehäuseplatte einer hier als Zahnradpumpe beschriebenen Zahnradmaschine bezeichnet, die einen Innenraum 11 aufweist, der beidseitig durch einen Antriebsdeckel 12 (Fig. 2) bzw. einen Schlußdeckel 13 (Fig. 3) verschlossen ist. Im Innenraum 11 kämmen zwei Zahnräder 14 und 15 im Außeneingriff miteinander. Die Wellenzapfen 16 und 17 des Zahnrades 14 sind in einer Sackbohrung 18 im Antriebsdeckel 12 und in einer Sackbohrung 19 im Schlußdeckel 13 gelagert. Der erste Wellenzapfen 20 des Zahnrades 15 ist ebenfalls in einer Sackbohrung 21 im Schlußdeckel 13 gelagert. Der zweite Wellenzapfen 22 ist in einer Bohrung 23 im Antriebsdeckel 12 gela­ gert und hat einen Fortsatz 24, der durch den Antriebsdeckel 13 nach außen dringt und zum Antrieb der Zahnradpumpe dient.

Zwischen dem Antriebsdeckel 12 und den Zahnrädern 14, 15 und zwischen diesen und dem Schlußdeckel 13 befindet sich jeweils eine Dichtplatte 26 bzw. 27, von denen die Dichtplatte 26 in Fig. 4 näher dargestellt ist. Die Dichtplatte 27 ist entsprechend spiegel­ symmetrisch aufgebaut. Die Dichtplatte 26 hat die Querschnittsform einer Acht, so daß sie die Stirnflächen der beiden zusammenwirkenden Zahnrädern 14 und 15 abdeckt. Im Bereich der mittleren Einschnürung 28 hat die Dichtplatte 26 auf ihren den Zahnrädern 14, 15 zuge­ wandten Stirnseiten zwei einander gegenüberliegende Vertiefungen, die als Saugnut 29 und als Drucknut 30 dienen. Die Saugnut 29 wirkt mit einem Saugkanal 31 zusammen, der die Gehäuseplatte 10 in Achs­ richtung durchdringt. Die Drucknut 30 wirkt entsprechend mit einem durchgängigen Druckkanal 32 zusammen. Der Saugkanal 31 geht in eine Saugbohrung 33 über, die den Schlußdeckel 13 durchdringt und zu einem nicht dargestellten Druckmittelbehälter führt. Der Druckkanal 32 geht in eine Vertiefung 34 im Antriebsdeckel 12 über. Von dieser Vertiefung 34 führt eine den Antriebsdeckel 12 durchdringende Druckbohrung 35 zu einer nicht näher dargestellten Druckleitung. Am Außenumfang der Dichtplatten 26 bzw. 27 ist jeweils auf der dem Druckkanal 32 zugewandten Seite eine Fase 36 ausgebildet, die sich jeweils von der Drucknut 30 ausgehend in Richtung Saugnut 29 erstreckt, ohne diese zu erreichen.

Um die Dichtplatten 26 und 27 in dichtende Berührung mit den Zahn­ radseitenflächen zu bringen, werden zwischen dem Antriebsdeckel 12 und der Dichtplatte 26 bzw. zwischen dem Schlußdeckel 13 und der Dichtplatte 27 Druckfelder aufgebaut, und zwar jeweils ein Hoch­ druckfeld und ein Niederdruckfeld. Das Hochdruckfeld wirkt jeweils mit einem äußeren axialen Druckfeld zusammen, dessen Form durch das im nachfolgenden beschriebene Dichtelement vorgegeben ist. Diesem äußeren axialen Druckfeld wirkt ein inneres axiales Druckfeld zwischen Dichtplatte 26 bzw. 27 und den Zahnradseitenflächen entge­ gen, das ebenfalls mit Hochdruck beaufschlagt ist und dessen Form und Wirkfläche von der Drehzahl, von der Formgebung der Dichtplatten (d. h. insbesondere von der Fase 36 am Außenradius) und vom Druckauf­ bau über dem Kopfkreis der Zahnräder abhängig ist. Zur Begrenzung und Abdichtung der Druckfelder wird jeweils das in Fig. 5 näher dargestellte Dichtelement 37 in Dichtnuten 38 bzw. 39 im Antriebs­ deckel 12 bzw. im Schlußdeckel 13 eingelegt. Die Dichtnuten 38 und 39 sind spiegelsymmetrisch aufgebaut, so daß der im nachfolgenden anhand der Dichtnut 38 näher erläuterte Verlauf für beide Dichtnuten gilt.

Die Dichtnut 38 bzw. 39 setzt sich aus einem inneren Nutabschnitt 40 und einem äußeren Nutabschnitt 41 zusammen. Der innere Nutabschnitt 40 hat die Form einer Drei und umfaßt die Bohrungen 18 und 23 und ist zur Druckbohrung 35 hin geschlossen, d. h. zur Niederdruckseite der Zahnradpumpe geöffnet. Die beiden äußeren Schenkel 42, 43 des inneren Nutabschnittes 40 ragen über die Mittellinie 44 hinaus, die durch die Achsen der Bohrungen 18 und 23 verläuft. Die mittlere Ein­ schnürung 45 des inneren Nutabschnittes 40 reicht bis an diese Mittellinie 44 heran.

Der äußere Nutabschnitt 41 bildet einen in sich geschlossenen Ring und hat zwei Schenkelbereiche 47, 48, die die Schenkel 42 bzw. 43 des inneren Nutabschnittes 40 mit konstantem Abstand umfassen und die in zwei verbindende Ringabschnitte 49, 50 übergehen.

Der Ringabschnitt 49 verläuft dabei um die Vertiefung 34 und die Druckbohrung 35, so daß sich diese zwischen dem Ringabschnitt 49 und der mittleren Einschnürung 45 des inneren Nutabschnittes 40 befinden.

Der zweite Ringabschnitt 50 verläuft etwa spiegelsymmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite der Mittellinie 44 und verbindet ebenfalls die beiden Schenkelbereiche 47 und 48. Der äußere Nutabschnitt 41 ist so ausgebildet, daß sich auch die Saugbohrung 33 des Schluß­ deckels 13 im Ringinneren befindet. Der Übergang des Ringabschnittes 50 zum Schenkelbereich 47 bzw. zum Schenkelbereich 48 ist als Ver­ bindungsabschnitt 51 bzw. 52 ausgebildet, in den auch die freie Seite der Schenkel 42 bzw. 43 mündet. Die im Ringinneren abge­ schlossenen (schraffiert dargestellten) Flächen sind gegenüber den äußeren Flächen geringfügig vertieft. Die der Druckbohrung 35 zuge­ wandte vertiefte Fläche 64 wird auf ihrer inneren Seite durch die Schenkel 42 und 43 und die mittlere Einschnürung 45 begrenzt. An ihrer äußeren Seite reicht die vertiefte Fläche 64 bis an die Schenkelbereiche 47 und 48 bzw. den Ringabschnitt 49. Die der Saug­ bohrung 33 zugewandte vertiefte Fläche 65 hat dagegen einen relativ gleichmäßigen Abstand zur mittleren Einschnürung 45 und zum Ringab­ schnitt 50.

Der Antriebsdeckel 12 weist zwei weitere, einander gegenüberliegende Nuten 53 und 54 auf, die die Vertiefung 34 mit dem Ringabschnitt 49 verbinden. Die Tiefe der Nuten 53 und 54 ist etwas größer als die des Ringabschnittes 49 bzw. die der Dichtnut 38. Im Schlußdeckel 13 sind zwei entsprechende Nuten 55 und 56 ausgebildet, die im zu­ sammengebauten Zustand der Zahnradpumpe den entsprechenden Ringab­ schnitt 49 des Schlußdeckels 13 mit dem Druckkanal 32 verbinden.

Das Dichtelement 37 hat die aus Fig. 5 ersichtliche Form, die der Form der Dichtnut entspricht. Das Dichtelement 37 setzt sich aus einem äußeren Dichtring 58 und einem Dichtabschnitt 59 (in Form einer Drei) zusammen. Der äußere Dichtring 58 und der Dichtabschnitt 59 sind jeweils in einem Verbindungsbereich 60 bzw. 61 miteinander verbunden. Der äußere Dichtring 58 und der innere Dichtabschnitt 59 werden durch die entsprechenden Dichtnuten und den dazwischen ver­ bleibenden Steg verschiebungssicher fixiert. Durch das Dichtelement 37 werden zwei in sich geschlossene Flächen umfaßt und abge­ schlossen, und zwar eine Hochdruckfläche 62 und eine Niederdruck­ fläche 63. In die Hochdruckfläche 62 mündet im zusammengebauten Zu­ stand der Zahnradpumpe der Druckkanal 32, so daß sich entsprechend das Hochdruckfeld ausbildet. In die Niederdruckfläche 63 mündet der Saugkanal 31, so daß sich hier ein entsprechendes Druckfeld ge­ ringeren Druckes ausbildet.

Die Dichtplatten 26 und 27 werden durch jeweils ein inneres und ein äußeres axiales Druckfeld zur Anlage an die Zahnradseitenflächen ge­ bracht. Das innere axiale Druckfeld zwischen den Zahnradseiten­ flächen und der Dichtplatte 26 bzw. 27 wird - wie bereits be­ schrieben - durch den Druckaufbau über dem Kopfkreis der Zahnräder, die Drehzahl und die Lage und Abmessungen der Fase 36 bestimmt. Das äußere axiale Druckfeld auf die Dichtplatte 26 bzw. 27 wird zwischen dieser und dem angrenzenden Antriebs- bzw. Schlußdeckel 12 bzw. 13 ausgebildet. Seine Form ist durch die fixierte Einbaulage der Dicht­ elemente 37 genau vorgegeben.

Beide axialen Druckfelder stehen unter (dem gleichen) Hochdruck und haben etwa die Querschnittsform einer Drei. Sie unterscheiden sich in erster Linie drehzahlabhängig und haben unterschiedliche Quer­ schnittsflächen. Das innere axiale Druckfeld wird direkt durch den Druckaufbau an den Zahnrädern beaufschlagt. Das äußere axiale Druck­ feld wird im wesentlichen über die Vertiefung 34, die Nuten 53 bis 56 und die vertiefte Fläche 64 beaufschlagt.

Das Dichtelement 37 ist - wie in Fig. 6 ersichtlich - im Quer­ schnitt U-förmig, seine Basis 67 liegt im Einbauzustand jeweils an der Dichtplatte 26 bzw. 27 an. Die Schenkel 68, 69 liegen mit ihren freien Enden 70, 71 entsprechend am Grund der Dichtnut 38 bzw. 39 an.

Im Betrieb der Zahnradpumpe ist die Niederdruckfläche 63 über die Saugbohrung 33 und den Saugkanal 31 mit dem eingangsseitigem Druck der Zahnradpumpe beaufschlagt. Über die Drucknut 30 und den Druck­ kanal 32 werden die beiden Hochdruckflächen 62 mit entsprechend hohem Druck beaufschlagt. Gleichzeitig wird über die Vertiefung 34 und die Druckbohrung 35 das unter Druck stehende Druckmittel abge­ leitet. Über die Nuten 53 bis 56 gelangt Druckmittel jeweils unter das Dichtelement 37 in die Dichtnut 38 bzw. 39. Durch den sich dabei in der Dichtnut 38 bzw. 39 aufbauenden Druck wird das Dichtelement druckabhängig an die Dichtplatte 26 bzw. 27 gepreßt. Aufgrund dieser Druckbeaufschlagung wird das Dichtelement 37 auch bei größeren Fer­ tigungstoleranzen und großem Axialspalt sicher zur Anlage an die Dichtplatte 26 bzw. 27 gebracht. Bereits beim Anlaufvorgang der Zahnradpumpe wird das Dichtelement 37 über die beschriebenen Nuten 53 bis 56 mit dem sich aufbauenden Druck beaufschlagt, so daß quasi eine Nachstellung der Dichtung erfolgt und in jeder Betriebsphase der Zahnradpumpe eine gute und sichere Anlage des Dichtelementes ge­ währleistet ist. Durch diese Querschnittsform sowie die Druckbeauf­ schlagung und die Druckmittelbefüllung des freien Dichtquerschnitts ergibt sich ein "weiches" Dichtverhalten des Dichtelementes, auch wenn relativ harte bzw. feste Dichtwerkstoffe eingesetzt werden. Aufgrund dieser geringen Anpreßkräfte sind die Reibverluste zwischen Dichtplatte und Zahnradseitenfläche relativ gering, so daß der mechanische Wirkungsgrad der Zahnradpumpe hoch ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Dichtungsanordnung (Quer­ schnittsform des Dichtelementes und Druckbeaufschlagung der Dicht­ nut) ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel einer Zahnradpumpe beschränkt. Es ist auch möglich, die beschriebene Dichtungsanordnung in Verbindung mit nur einer Dichtplatte zu be­ nutzen. Die beschriebene Dichtungsanordnung ist besonders vorteil­ haft für die hier beschriebene Pumpenbauart, bei der die Wellen­ zapfen in Bohrungen (Sackbohrungen) der Gehäusedeckel (Antriebs­ deckel 12, Schlußdeckel 13) gelagert sind. Eine Übertragung auf Zahnradmaschinen mit Lagerbrillen oder Lagerbuchsen ist jedoch ohne weiteres möglich.

Claims (7)

1. Zahnradmaschine mit einem mehrteiligen Gehäuse (10, 12, 13), dessen Ein- und Auslaß über Kanäle (31, 32) mit einem Innenraum (11) verbunden ist, in dem Zahnräder (14, 15) im Außeneingriff miteinander kämmen, mit mindestens einer im Innenraum (11) angeordneten Dichtplatte (26, 27), die von Druckfeldern gegen die Seitenfläche der Zahnräder (14, 15) gedrückt wird, und mit einer diese Druckfelder abdichtenden Dichtungsanordnung, die in sich geschlossene Dichtringe (58, 59) bildet und ein einteiliges Dichtelement (37) mit U- förmigem Querschnitt aufweist, das in eine Dichtnut (38) eingesetzt ist und das wenigstens teilweise an der Dichtplatte (26, 27) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtringe (58, 59) des Dichtelements (37) so ineinander liegen, daß das Dichtelement (37) zwei in sich geschlossene Druckflächen (62, 63) begrenzt, wobei der die Hochdruckfläche (62) begrenzende äußere Dichtring (58) den dem Auslaß zugeordneten Kanal (32) umschließt, während der die Niederdruckfläche (63) begrenzende innere Dichtring (59) den dem Einlaß zugeordneten Kanal (31) umschließt, und daß die Dichtnut (38) mittels gehäuseseitiger Nuten (53 bis 56) mit dem zum Auslaß der Zahnradmaschine führenden Kanal (32) verbunden ist.

2. Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtnut (38) zur Aufnahme des Dichtelements (37) im Gehäuse (10, 12, 13) der Zahnradmaschine ausgebildet ist.

3. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (37) derart in die Dichtnut (38) eingesetzt ist, daß seine Öffnung dem Nutgrund zugewandt ist, und daß die Nuten (53 bis 56) im Bereich des Nutgrundes in die Dichtnut (38) einmünden.

4. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Seitenflächen der Zahnräder (14, 15) mit jeweils einer Dichtplatte (26, 27) zusammenwirkt.

5. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtplatten (26, 27) und die die Druckfelder (62, 63) abdichtenden Dichtelemente (37) jeweils identisch ausgebildete Bauteile sind.

6. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenzapfen (16, 17, 20, 22) der Zahnräder (14, 15) in Deckelbauteilen (12, 13) der Zahnradmaschine gelagert sind.

7. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Dichtplatte (26, 27) einwirkenden Druckfelder (62, 63) zwischen der Dichtplatte (26, 27) und dem an diese Dichtplatte (26, 27) angrenzenden Deckelbauteil (12, 13) ausgebildet sind.