DE4311166A1 - Hydraulische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem Zahnring mit Innenverzahnung und einem darin ex­ zentrisch gelagerten Zahnrad mit Außenverzahnung, wobei die Innenverzahnung einen Zahn mehr als die Außenver­ zahnung aufweist und die Zähne zumindest einer Verzah­ nung durch drehbar gelagerte Rollen gebildet sind.

Bei einer bekannten Maschine dieser Art (DE-OS 21 40 962) tritt an den Zahnköpfen ein relativ großer Verschleiß auf, weil die Zahnköpfe von Zahnrad und Zahnring während der Relativbewegung von Zahnrad und Zahnring zueinander aufeinander gleiten. Die zusammen­ wirkenden Zähne von Zahnrad und Zahnring bilden einzel­ ne Druckkammern. Hierbei tritt ein größerer Verschleiß in den Bereichen der Kammern mit niedrigem Druck auf, weil hier die Zähne des Zahnrades zusätzlich vom höhe­ ren Druck auf der gegenüberliegenden Seite gegen die Zähne des Zahnringes gepreßt werden. Um den Verschleiß zu vermindern, sind die Zähne des Zahnringes als dreh­ bar gelagerte Rollen ausgebildet. Die drehbare Lagerung kann allerdings sehr schnell zu einem kleinen Spiel zwischen Rollen und Zahnring führen, das wiederum eine Leckage zwischen einzelnen Druckkammern bewirkt, die durch das Zusammenwirken der Zähne von Zahnring und Zahnrad gebildet werden. Um das Spiel zu vermindern und die Drehung der Rollen zu erleichtern und somit den Schlupf zwischen Zahnrad und den Rollen zu vermindern, ist jede Vertiefung, in der eine Rolle gelagert ist, mit Drucköl versorgt, so daß zwischen der Rolle und ihrer Ausnehmung ein Ölfilm entsteht, der die Dichtung verbessert und die Beweglichkeit der Rolle erhöht. Man erreicht hierdurch zwar eine weitgehende Schlupffrei­ heit und damit eine Verminderung des Verschleißes. Der Verschleiß bleibt aber immer noch beträchtlich, weil gerade in dem Bereich, in dem die Zähne von Zahnrad und Zahnring zusammen eine Kammer höheren Drucks von einer Kammer niedrigeren Drucks trennen, die Dichtung durch zwei gegenüberliegende konvexe Flächen, nämlich die Zahnspitzen, gebildet wird. Es entsteht hier also prak­ tisch nur ein Linienkontakt, bei dem eine Dichtheit nur um den Preis eines relativ großen Druckes, mit dem die beiden Zahnspitzen gegeneinander gepreßt werden, er­ kauft werden kann. Die innere Dichtheit ist eine den Wirkungsgrad der Pumpe bestimmende Größe.

GB 602 836 beschreibt eine hydraulische Maschine eines anderen Typs mit einem drehbaren Rotor, der zentrisch in einer Bohrung eines Stators gelagert ist, wobei zwi­ schen Rotor und Stator ein Ringraum gebildet wird. In diesen Ringraum ragen vom Rotor aus zwei diametral ge­ genüberliegende Vorsprünge bis zur Statorinnenwand, wo sie anliegen. Im Stator sind Zahnräder drehbar gela­ gert, die zusammen mit den Vorsprüngen je ein Paar von Saugkammern, Neutralkammern und Druckkammern definie­ ren. Die Zahnräder weisen Ausnehmungen auf, die fast die Hälfte ihres Volumens einnehmen. Die Zahnräder wer­ den vom Rotor, der zu diesem Zweck eine Außenverzahnung aufweist, synchron so angetrieben, daß die Ausnehmungen den Weg für das Vorbeilaufen der Vorsprünge zeitrichtig freigeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrau­ lische Maschine anzugeben, die bei relativ geringem Verschleiß eine relativ große innere Dichtheit er­ reicht.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jede Rolle in ihrer Oberfläche mindestens drei achsparallele Aus­ nehmungen aufweist, in die die Zähne der anderen Ver­ zahnung eingreifen.

Diese Ausnehmungen haben mehrere Vorteile. Zum einen ermöglichen sie eine bessere Dichtung zwischen den Zäh­ nen des einen Teils und den Rollen des anderen Teils. Es stehen sich nicht mehr zwei konvexe Flächen gegen­ über, die nur eine Linienberührung erlauben. Vielmehr steht nun eine konvexe Fläche einer konkaven Fläche ge­ genüber, so daß die Dichtung tatsächlich durch eine Flächenberührung gebildet wird. Der Antrieb der Rollen erfolgt nicht mehr nur durch Reibung. Vielmehr kommen die Rollen mit den gegenüberliegenden Zähnen in Ein­ griff und werden somit direkt angetrieben. Die Ausneh­ mungen transportieren darüber hinaus bei Drehungen der Rollen auch Hydraulikflüssigkeit, die damit zwangsweise in den Bereich zwischen der Rolle und ihrer Lagerung gelangt und somit eine Selbstschmierung sicherstellt. Durch die Ausnehmungen wird also nicht nur die Dicht­ heit und damit der volumetrische Wirkungsgrad verbes­ sert, es wird auch die Reibung vermindert, was zu einer Verminderung des Verschleißes und auch zu einer Vermin­ derung der Verlustleistung beiträgt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Ausnehmun­ gen jeweils durch eine Fläche begrenzt, die im wesent­ lichen einem Teil einer Zylindermantelfläche ent­ spricht. Der Mittelpunkt des zugehörigen Zylinders liegt dabei auf einem Radialstrahl. Durch die Ausbil­ dung als Zylindermantelfläche wird die Charakteristik der Dichtfläche auf der Rolle unabhängig von der Win­ kelstellung der Rolle, so daß eine gleichbleibende Dichtheit über die gesamte Teildrehung der Rolle ge­ währleistet werden kann.

Hierbei ist es besonders bevorzugt, daß die Zähne der anderen Verzahnung konvexe, teilzylindrische Köpfe auf­ weisen, wobei der Radius der Zylindermantelfläche der Ausnehmungen dem Radius der Zylinder entspricht. Bei dieser Art dreht sich der Zahnkopf bei der Drehung der Rolle in der Ausnehmung, wobei sich die Dichtungseigen­ schaften bei der gesamten Bewegung praktisch nicht än­ dern. Es liegt eine konvexe Fläche an einer konkaven Fläche an, wobei die Radien der beiden Flächen überein­ stimmen. Die Dichtung wird also hier durch eine relativ lange Berührungsfläche zwischen den Außenzähnen und den Innenzähnen bewirkt, was eine ausgezeichnete Dichtheit ermöglicht.

Vorteilhafterweise beträgt die Tiefe der Ausnehmungen maximal 10% des Radius der Rollen. Die Rollen behalten dadurch eine ausreichende mechanische Stabilität. Trotzdem ist eine ausreichende Dichtheit der Berüh­ rungsstellen zwischen Außen- und Innenverzahnung ge­ währleistet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Rollen in Zahnkranz angeordnet. Die Rollen lassen sich in Zahn­ kranz leichter halten.

Bevorzugterweise ergibt das Produkt aus der Anzahl der Ausnehmungen pro Rolle und einem Winkel, der bei einer Position von Zahnrad und Zahnkranz, in der eine Verbin­ dung von Rollenmittelpunkt und Zahnradmittelpunkt genau auf der Hälfte zwischen zwei Außenzähnen liegt, zwi­ schen der Verbindung von Rollenmittelpunkt und Zahnrad­ mittelpunkt einerseits und der Verbindung von Rollen­ mittelpunkt und Mittelpunkt des den Zahnkopf definie­ renden Zylinders gebildet ist, genau 180°. In diesem Fall hat man eine ausreichende Anzahl von Ausnehmungen, um die Dichtheit für alle Außenzähne zu gewährleisten. Umgekehrt sind nicht zuviele Ausnehmungen vorgesehen, um die Lagercharakteristik der Rolle im Zahnring nicht zu verschlechtern.

Mit Vorteil beträgt die Zähnezahl des Zahnrades minde­ stens das Doppelte der Anzahl der Ausnehmungen pro Rol­ le dividiert durch die um zwei verminderte Anzahl der Ausnehmungen pro Rolle. Hierdurch erreicht man eine optimale Anpassung der Zähnezahl der Außenverzahnung an die Zahl der Ausnehmungen.

Bevorzugterweise sind mindestens vier der Ausnehmungen pro Rolle vorgesehen, wobei jede Rolle über mehr als 180° ihres Umfangs vom Zahnkranz aufgenommen ist. Die Zahl der Ausnehmungen muß im Hinblick auf die Lagerflä­ che der Rollen möglichst klein sein. Andererseits muß gewährleistet werden, daß jeder Außenzahn mit einer Ausnehmung in Eingriff kommen kann. Durch die Einfas­ sung der Rollen über mehr als 180° ihres Umfangs wird eine sichere Lagerung der Rollen im Zahnring erreicht. Trotz der vier Ausnehmungen besteht keine Gefahr, daß die Rollen aus dem Zahnring herausfallen.

Vorteilhafterweise weist der Rollenradius eine Größe im Bereich des 3,5- bis 4,5fachen des Abstandes der Mit­ telpunkte von Zahnkranz und Zahnrad auf. Mit anderen Worten hat der Rollenradius eine Größe von etwa dem 3,0fachen bis etwa dem 4,5fachen der Exzentrizität. Hierdurch sind die Rollen einerseits groß genug, um die notwendige Dichtungsfunktion zu erfüllen. Andererseits sind sie aber auch klein genug, um die Ausbildung von Druckkammern zwischen den Innenzähnen und den Außenzäh­ nen in einem ausreichenden Maß zuzulassen.

Vorteilhafterweise sind mindestens sechs Außenzähne vorgesehen. Dies erlaubt die notwendigen Eingriffe der Außenzähne in die Ausnehmungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Es zeigt die einzige Figur eine sche­ matische Darstellung einer hydraulischen Maschine im Querschnitt.

Eine hydraulische Maschine 1 weist ein Zahnrad 2 und einen Zahnring 3 auf. Das Zahnrad 2 ist im Zahnring 3 exzentrisch gelagert, d. h. der Mittelpunkt MR des Zahn­ rades ist gegenüber dem Mittelpunkt MK des Zahnrings um eine Exzentrizität E versetzt angeordnet. Das Zahnrad 2 weist sechs Außenzähne 4 auf. Der Zahnring 3 weist sie­ ben Innenzähne 5 auf, die als Rollen 6 ausgebildet sind. Der Zahnring 3 hat also immer einen Zahn mehr als das Zahnrad 2.

Die Mittelpunkte der Rollen 6 sind auf einem Kreis 7 mit Radius RR angeordnet, der den Mittelpunkt MK des Zahnringes 3 konzentrisch umgibt. Die Rollen 6 sind im Zahnring 3 drehbar gelagert, wobei jede Rolle 6 über mehr als 180° ihres Umfangs vom Zahnring 3 umgeben ist, wie dies beispielhaft durch den Winkel VU dargestellt ist.

Die Rollen 6 sind alle gleich ausgebildet. Sie haben einen Radius RT. Über den Umfang sind vier Ausnehmungen 8 gleichmäßig verteilt. Die Ausnehmungen haben eine maximale Tiefe D, die höchstens 10% des Radius RT der Rollen 6 beträgt. Die Ausnehmungen 8 sind durch eine Fläche 9 begrenzt, die ein Teil einer Zylindermantel­ fläche ist. Der die Fläche 9 erzeugende Zylinder hat einen Mittelpunkt MA, der auf einem vom Mittelpunkt MT der Rollen 6 ausgehenden Radialstrahl 10 liegt. Der Zylinder hat einen Radius RZ.

Die Form der Außenzähne 4 wird zumindest im Bereich der Zahnköpfe, d. h. in dem Bereich, in dem die Außenzähne 4 mit den Innenzähnen 5 in Berührung kommen, ebenfalls durch einen Teil einer Mantelfläche eines Zylinders mit Mittelpunkt MZ und Radius RZ gebildet. Der Radius RZ dieses Zylinders ist der gleiche, wie der Radius RZ des die Ausnehmung 8 definierenden Zylinders mit Mittel­ punkt MA. Beide Zylinder verlaufen achsparallel, so daß sowohl die Ausnehmungen 8 als auch die Außenzähne 4 eine achsparallele Erstreckung haben.

In der dargestellten Lage befindet sich das Zahnrad 2 in einer Position, bei der eine Gerade GV, auf der so­ wohl der Mittelpunkt MR des Zahnrades als auch der Mit­ telpunkt MT der am weitesten links gelegenen Rolle 6′ genau auf der Mitte zwischen zwei Außenzähnen liegt. Für diese Rolle 6′ ist weiterhin eine Gerade GM einge­ zeichnet, die den Mittelpunkt MT der Rolle 6′ und den Mittelpunkt MZ des Außenzahnes 4′ miteinander verbin­ det. Schließlich ist für diesen Außenzahn 4′ eine Gera­ de GR eingezeichnet, auf der der Mittelpunkt MR des Zahnrades 2 und der Mittelpunkt MZ des Außenzahnes 4′ liegt. V2 bildet einen Winkel eines Dreiecks, das durch die Geraden GR, GM und GV begrenzt ist. V2 ist immer 90° oder größer. Dieses Dreieck weist einen weiteren Winkel VM im Bereich des Mittelpunkts MR des Zahnrades 2 auf, dessen Größe sich nach der Anzahl der Außenzähne 4 des Zahnrades 2 richtet und 180° dividiert durch die Anzahl der Außenzähne 4 beträgt. Der dritte Winkel V1 dieses Dreiecks beträgt in jedem Fall 90° oder weniger. Der Winkel V1 steht mit der Zahl der Aussparungen 8 insoweit in Verbindung, als das Produkt aus der Anzahl der Aussparungen 8 pro Rolle 6 und dem Winkel V1 genau 180° ergibt. Bei vier Aussparungen 8 in der Rolle 6 beträgt der Winkel V1 also 45°.

Die Anzahl von vier Ausnehmungen 8 in den Rollen 6 ge­ währleistet, daß einerseits die Anzahl der Ausnehmungen 8 möglichst klein ist, also die zur Verfügung stehende Lagerfläche der Rollen 6 im Zahnring 3 groß genug ist. Andererseits erlaubt sie aber auch mit vertretbarem Aufwand, daß alle Außenzähne 4 des Zahnrades 2 jeweils eine Eingriffsmöglichkeit mit den Rollen 6 erhalten. Der Rollenradius ist hierbei so gewählt, daß er etwa das 3,0- bis 4,5fache der Exzentrizität E, also des Abstandes der Mittelpunkte MR und MK von Zahnring 3 und Zahnrad 2 beträgt.

Die Zahl der Ausnehmungen und die Zahl der Außenzähne 4 hängen voneinander ab. Die Zahl der Außenzähne 4 be­ trägt mindestens das Doppelte der Anzahl der Ausnehmun­ gen 8 pro Rolle 6 dividiert durch die um zwei vermin­ derte Anzahl der Ausnehmungen 8 pro Rolle 6. Im vorlie­ genden Fall wurde die Anzahl der Außenzähne 4 sogar noch erhöht, weil sich herausgestellt hat, daß eine Anzahl von mindestens sechs Außenzähnen 4 die Anforde­ rungen hinsichtlich Verschleiß und Geräuschentwicklung noch besser als die Minimalforderung erfüllt.

Wenn sich nun das Zahnrad 2 innerhalb des Zahnringes 3 dreht, kommen die Zahnköpfe der Außenzähne 4 jeweils in Eingriff mit einer Ausnehmung 8. Der Beginn einer der­ artigen Bewegung ist beispielsweise für die Rolle 6′ und den Außenzahn 4′ dargestellt, wobei sich das Zahn­ rad 2 in Richtung des Pfeiles 11 relativ zum Zahnring 3 dreht. Da die Radien RZ der Zahnköpfe 4 und der Ausneh­ mungen 8 gleich sind, liegt nun ein Zylinder in einem Hohlzylinder, wobei eine relativ große Berührungsfläche zwischen Außenzahn 4 und Innenzahn 5 erzeugt wird. Bei der weiteren Drehung des Zahnrades 2 im Zahnring 3 wird der Kopf des Außenzahnes 4 in der Ausnehmung 8 gedreht. Hierdurch entsteht zwar auch eine Reibung zwischen Au­ ßenzahn 4 und Rolle 6. Diese Reibung ist jedoch nicht weiter kritisch, weil einerseits die Ausnehmung 8 mit der zu fördernden Hydraulikflüssigkeit benetzt ist und sich andererseits der Druck zwischen Außenzahn 4 und Rolle 6 auf eine relativ große Fläche verteilt, so daß kein nennenswerter Verschleiß auftritt. Bei der weite­ ren Drehung bleibt der Außenzahn 4 des Zahnrades 2 mit der Ausnehmung 8 der Rolle 6 in Eingriff und dreht da­ durch die Rolle 6 im Zahnring 3. Wenn der Außenzahn 4 außer Eingriff mit der Rolle 6 kommt, hat er die Rolle 6 so weit gedreht, daß die folgende Ausnehmung 8 der Rolle wieder zur Aufnahme eines neuen Außenzahnes 4 zur Verfügung steht. Bei der Drehung der Rolle 6 gelangt in den Ausnehmungen 8 eingeschlossene Hydraulikflüssigkeit auch in den Raum zwischen Zahnring 3 und Rolle 6, wo­ durch die Berührungsfläche zwischen diesen beiden Tei­ len geschmiert wird. Gleichzeitig trägt die eingedrun­ gene Flüssigkeit mit zur Abdichtung bei.

Durch den Eingriff der Außenzähne 4 in die Ausnehmungen 8 der Rollen 6 läßt sich im gesamten Zeitraum, in dem Außenzähne 4 und Innenzähne 5 einander berühren, eine ausgezeichnete Dichtung zwischen benachbarten Kammern, die durch die Berührungen zwischen Außenzähnen 4 und Innenzähnen 5 gebildet sind, sicherstellen.

Claims (10)

1. Hydraulische Maschine mit einem Zahnring mit Innen­ verzahnung und einem darin exzentrisch gelagerten Zahnrad mit Außenverzahnung, wobei die Innenverzah­ nung einen Zahn mehr als die Außenverzahnung auf­ weist und die Zähne zumindest einer Verzahnung durch drehbar gelagerte Rollen gebildet sind, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Rolle (6) in ihrer Oberfläche mindestens drei achsparallele Ausnehmun­ gen (8) aufweist, in die die Zähne (4) der anderen Verzahnung eingreifen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (8) jeweils durch eine Fläche begrenzt sind, die im wesentlichen einem Teil einer Zylindermantelfläche entspricht.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (4) der anderen Verzahnung konvexe teilzylindrische Köpfe aufweisen, wobei der Radius (RZ) der Zylindermantelfläche der Ausnehmungen (8) dem Radius (RZ) des Zylinders entspricht.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (D) der Ausnehmungen (8) maximal 10% des Radius (RT) der Rollen (6) beträgt.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (6) im Zahnring (3) angeordnet sind.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Anzahl der Ausnehmungen (8) pro Rolle (6) und einem Winkel (V1), der bei einer Position von Zahnrad (2) und Zahnring (3), in der eine Verbindung (GV) von Rol­ lenmittelpunkt (MT) und Zahnradmittelpunkt (MR) genau auf der Hälfte zwischen zwei Außenzähnen (4) liegt, zwischen der Verbindung (GV) von Rollenmit­ telpunkt (MT) und Zahnradmittelpunkt (MR) einer­ seits und der Verbindung (GM) von Rollenmittelpunkt (MT) und dem Mittelpunkt (MZ) des den Zahnkopf de­ finierenden Zylinders gebildet ist, genau 180° er­ gibt.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähnezahl des Zahnrades (2) mindestens das Doppelte der Anzahl der Ausnehmungen (8) pro Rolle (6) dividiert durch die um zwei verminderte Anzahl der Ausnehmungen (8) pro Rolle (6) beträgt.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vier Ausnehmungen (8) pro Rolle (6) vorgesehen sind, wobei jede Rolle (6) über mehr als 180° ihres Umfanges vom Zahnring (3) aufgenommen ist.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenradius (RT) eine Grö­ ße im Bereich des 3,0- bis 4,5fachen des Abstandes (E) der Mittelpunkte (MR, MK) von Zahnkranz und Zahnrad aufweist.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens sechs Außenzähne (4) vorgesehen sind.