Zahnrad-Verdrängungsmaschine Die Erfindung betrifft eine Zahnrad-Verdrängungs- maschine, bei welcher mit verbesserten Mitteln die zu sätzliche Pressung des Fördermediums, welches im Bereich des Zahneingriffs die Zahnlücken ausfüllt, beseitigt wird.
Zur Erläuterung dieser Aufgabe und der Erfindung dient die Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verzah nung zweier miteinander kämmender Pumpenräder, Fig.2 einen Schnitt quer zur Achse durch eine Zahnradpumpe, Fig. 3 einen Längsschnitt durch die in Fig. 2 ge zeigte Zahnradpumpe, Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Zahn radpumpe, Fig. 5 einen Teilschnitt durch die Pumpenräder im Bereich des Zahneingriffs und Fig.6 einen Axialschnitt durch ein kämmendes Zahnradpaar in Ausführung gemäss Beispiel Fig. 5.
Sämtliche Beispiele sind schematisch dargestellt und deren gleichwirkende Teile tragen einheitliche Bezugszeichen. An die Verzahnung einer Zahnrad pumpe (s. Fig. 1) ist die Bedingung gestellt, dass stets mindestens ein Flankenpaar der Verzahnung sich leistungsübertragend und abdichtend in Flankenberüh rung befinden muss. Getrieblich gesehen verlangt dies einen sogenannten getrieblichen Überdeckungsgrad e8 > 1,0 und dieser Forderung genügt die Verzah nung im allgemeinen ohne weiteres.
Obwohl bekannt, sei kurz erwähnt, dass der getriebliche Überdeckungs- grad angibt, wie oft die Eingriffsteilung
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in der durch die Kopfkreise dKl und dK2 auf der Ein griffslinie begrenzten Eingriffsstrecke
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enthalten ist.
Leider ergibt ein den Wert 1,0 übersteigender ge- trieblicher Überdeckungsgrad aber in hydraulischer Hinsicht auf einer Strecke K,KrK3K4 <I>=</I> K@K2 te gleichzeitig mindestens zwei sich folgende Flanken paare, die paarweise dichtend sich aneinander abwälzen und dabei ein Zahnlückenvolumen einschliessen, wel ches sich zunächst verkleinert,
bis es bei der in Fig. 1 gezeigten Mittellage der kämmenden Zähne das schraf fiert angedeutete Kleinstvolumen Ymin - Fschraff. ' b aufweist, und bei weiterer Drehung der Räder sich wieder vergrössert, bis schliesslich der Wälzpunkt K4 auf der Eingriffslinie nach K2 gelangt ist und hierbei die Zahnlücke sich öffnet. Mit Fschraff ist die in Fig. 1 schraffiert dargestellte Fläche zwischen den Zähnen bezeichnet.
Die betrachtete Zahnlücke schloss sich, als sich der Eingriffspunkt K3 noch bei K, befand und die an schliessende Minderung des zwischen den beiden sich abwälzenden Flankenpaaren befindlichen Lücken volumens V bewirkt im eingeschlossenen Medium die oben erwähnte zusätzliche Pressung, welche, wenn sie nicht durch besondere bauliche Mittel beseitigt wird, eine zusätzliche schädliche Lagerbelastung, eine be deutende Geräuscherhöhung, einen rauhen Gang der Pumpe bzw. des Motors und schliesslich eine Vermin derung des Gesamtwirkungsgrades mit sich bringt.
Ebenso unerwünscht ist aber auch die Druck minderung, welche das Medium erfährt, wenn das ab geschlossene Lückenvolumen nach erreichtem V.1"- Wert (wie gezeichnet) bei der Weiterdrehung sich wie der bis zum Eintreten der hydraulischen Verbindung zum anschliessenden Gehäusehohlraum (K4 = K2, s. oben) vergrössert, denn bei gut dichtenden Zähnen und nicht kompressiblem Medium (Wasser,<B>Öl</B> usw.) kann dabei der Druck bis zum jeweiligen Dampfdruck des Mediums abfallen und bei Eintritt der hydrauli schen Verbindung sich wieder schlagartig auf den Druck im Pumpenhohlraum verändern.
Daraus kön nen aber starke Druckschwingungen imFördermedium, sowie Kavitation an Gehäuse und Zahnflanken, ent stehen und auf alle Fälle wirkt der beschriebene Vor gang ebenso stark geräuschbildend wie die vorher be schriebene Drucksteigerung bei abnehmendem Lük- kenvolumen.
Zur Beseitigung dieser Nachteile sind schon ver schiedene Vorschläge und Ausführungen bekannt, welche alle darauf hinauslaufen, den Doppeleingriff bzw. Mehrfacheingriff der Flankenpaare in hydrauli scher Hinsicht auf einen Drehwinkel der Zahnräder zu beschränken, der dem Wert cp <I>=</I> 0 nahe- oder gleich kommt.
Man kann in diesem Sinne den Begriff des hydrau lischen Überdeckungsgrades <B>ei,</B> einführen, wobei
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und
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ist und wobei bei der durch Pfeil angegebenen Dreh richtung
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die Expansionsstrecke bedeutet.
Eine der bekannten Lösungen besteht darin, dass die Seitenwände des Gehäuses im. Eingriffsbereich der Zahnräder mit Ausnehmungen versehen werden, wel che die Kompressionsstrecke
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und evtl. auch die Expansionsstrecke des Zahneingriffs beseitigen, indem durch die genannten
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Ausnehmungen der um schlossene Zahnlückenraum auf der zusammenkäm menden Seite so lange mit dem diesseitigen Hohlraum des Gehäuses hydraulisch verbunden bleibt,
bis der Wälzpunkt K3 des nachlaufenden Flankenpaares sich auf der Eingriffslinie bis auf einen Abstand
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der Zentrale Z genähert hat, bzw. dass auf der ausein- anderkämmenden Seite schon dann eine hydraulische Verbindung mit dem jenseitigen Pumpenraum her gestellt wird, wenn der Wälzpunkt K4 des in diesem Falle vorauslaufenden Flankenpaares auf der Ein griffslinie ebenfalls einen Abstand
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von der Zentrale Z erreicht hat.
Die Nachteile einer solchen Lösung sind vor allem fertigungstechnischer Art, da es Schwierigkeiten macht, die Kontur der genannten Gehäuseausnehmungen mit der notwendigen Genauigkeit in laufender Serie und damit wirtschaftlich zu erreichen. Auch ändert sich die Kontur bei einer evti. Gehäuseüberholung und es he- darf zu deren Wiederherstellung besonderer Lehren, Werkzeuge und eines geschickten Facharbeiters.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das ge presste Medium aus den Zahnlücken über Kanäle, Bohrungen oder dergleichen abzuführen und gegebe nenfalls den Zahnradlagern oder den Zahnlücken an anderer Stelle des Zahnrades wieder zuzuführen. Eine solche Massnahme ergibt aber nicht nur einen Verlust an spezifischer Fördermenge und einen schlechten Wirkungsgrad, sondern beschränkt sich ausserdem auf solche Fälle, bei denen das zu fördernde Medium sehr sauber ist und gute Schmiereigenschaften besitzt. Zweck der Erfindung ist, diese Nachteile zu beheben.
Gegenstand der Erfindung ist eine Zahnrad-Ver- drängungsmaschine, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Eingriffswinkel a, die Zähnezahl z und die Zahnkopfhöhe h der Verzahnung so gewählt werden, dass beim Betrieb der Zahnrad-Verdrängungsmaschine als Pumpe zumindest die Kompressionsstrecke = 0 und beim Betrieb der Zahnrad-Verdrängungsmaschine als Motor zumindest die Expansionsstrecke = 0 ist.
Beides lässt sich z. B. bei der Verzahnung gemäss Fig.1 dadurch erreichen, dass der Kopf kreisdurch- messer dx, die Zähnezahl z und der die Lage der Ein griffslinie bestimmende Eingriffswinkel so aufeinander abgestimmt sind, dass die Kopfkreise der kämmenden Zahnräder auf der Eingriffslinie eine Eingriffsstrecke begrenzen, die einer Eingriffsteilung t, entspricht.
Bei der Nachprüfung dieser Anordnung mittels Gleichung (1) ergibt sich dann für den hydraulischen Überdeckungsgrad der Wert
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Bezogen auf die Verzahnung gemäss Fig. i lässt sich die Lösung wie oben erläutert beispielsweise dadurch erzielen, dass die Durchmesser der beiden Kopfkreise dxl, dxs bis auf den Durchmesser der die Eingriffslinie in den Punkten K3 bzw. K4 schneidenden Kreise dx3 bzw. dx4 verkleinert sind.
Beim Betrieb der Maschine mit hoher Drehzahl und hohem Druckgefälle als Pumpe bzw. als Motor ist es jedoch im Sinne einer Geräuschminderung er wünscht, dass ein bestimmtes Mass an Expansion auf der auseinanderkämmenden Seite der Verzahnung erhalten bleibt, um beim Zahnlückeninhalt die Druckanglei chung zeitlich zu dehnen. Diese Forderung kann da durch erfüllt werden, indem die Zahnräder mit un gleichem Kopfkreisdurchmesser oder ungleicher Zäh nezahl ausgeführt sind, und zwar so, dass bei der Zahn radpumpe und beim Zahnradmotor das nicht auf der Antriebswelle sitzende Zahnrad den kleineren Kopf kreisdurchmesser (dI@3, dK4) bzw. die kleinere Zähne zahl, oder beides, aufweist.
Die bisher gemachten Vorschläge lassen noch zu sätzliche Massnahmen zu, die auch geeignet sind, bei Zahnradpumpen \von gegebener Grösse sehr hohe spe zifische Fördervolumen und auch sehr hohe Arbeits drücke zu ermöglichen. In diesem Sinne ist es zweck= mässig (s. Fig. 2 und 3), die im Gehäuse 1 eingelagerten Zahnräder 2, 2' am Umfang mit Eindrehungen 3, 3' zu versehen und diese Eindrehungen im umfangs dichtenden Bereich der Zahnräder durch löse einge legte und formschlüssig, z. B. durch radiale Stifte 4, gegen Verschiebung gesicherte und an der Gehäuse bohrung anliegende Füllsegmente 5 auszufüllen.
Bei dieser Anordnung lässt sich durch die passende Wahl der Grunddurchmesser der Eindrehungen 3, 3' ohne weiteres und völlig unabhängig vom getrieblichen Überdeckungsgrad ±g der hydraulische Überdecküngs- grad eh auf jeden beliebigen Wert abstimmen.
Die besonderen Vorteile dieserAnordnung bestehen darin, dass es ohne Änderung des Gehäuses und nur durch eine geeignete Wahl des Grunddurchmessers der Ein drehung 3 bzw. 3' möglich ist, neben der auf der einen Seite geforderten 0,5-Überdeckung gleichzeitig auf der andern Seite der Eingriffsstelle die gewünschte Kom pression oder Expansion vorzusehen.
Die gleiche Wirkung kann auch dadurch erreicht werden, indem entsprechend dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel anstatt der oben vorgeschlagenen Eindrehun gen die in dem Gehäuse 6 eingelagerten Zahnräder 7, 7' im Bereich einer oder beider Stirnflächen mit je einer Abstufung 8, 8' des Aussendurchmessers versehen sind und die der Aufnahme der Zahnräder dienende Ausdrehung des Gehäuses so gestaltet ist (vgl. 9, 9', Fig. 4), dass sie sich der abgestuften Zahnradform an passt. Auch hier gilt funktionstechnisch alles das, was bereits bei der Beschreibung des Beispiels nach Fig. 2 und Fig. 3 ausgeführt wurde.
Als weitere Lösung der gestellten Aufgabe kann der angestrebte hydraulische Überdeckungsgrad eh auch dadurch erreicht werden, indem gemäss dem in Fig.5 und 6 dargestellten Beispiel, an den Zahn flanken muldenförmige Vertiefungen 10,10' angebracht sind, welche sich über einen Teil der Zahnbreite b und in radialer Richtung von den Kopfkreisen dKl, dg2 bis zu den Hilfskreisen dK3 bzw. dK4 erstrecken, wobei letztere so gewählt sind (s. Fig. 5), dass sie auf der Eingriffslinie eine Strecke K3, <I>K4</I> = t, begrenzen.
Durch die Gestaltung gemäss dem Beispiel Fig. 2, 3, 5, 6 wird der grosse Vorteil erzielt, dass der getrieb- liche Überdeckungsgrad sg fast auf der ganzen Zahn breite b voll zur Leistungsübertragung erhalten bleibt, während die Eindrehungen 3, 3' die Durchmesser abstufungen 8, 8' und auch die muldenförmigen Ausnehmungen 10, 10' die in der Erfindungsaufgabe geforderte Abstimmung des hydraulischen Über- deckungsgrades auf jeden beliebigen,
jedoch unter dem Wert des getrieblichen Überdeckungsgrades sg liegen den Wert gestatten. Folglich kann auch mit diesen baulichen Mitteln die bei Zahnradpumpen gewünschte Expansion bzw. auch die bei Zahnradmotoren ge wünschte Kompression und gleichzeitig auf der zusammenkämmenden Seite bzw. auf der auseinander kämmenden Seite der gewünschte hydraulische Über deckungsgrad ah von etwa 0,5 erreicht werden.
Darüber hinaus haben die Ausführungen nach den Fig.4, 5, 6 noch den zusätzlichen Vorteil, dass keine lose zusätzliche Dichtungsmittel benötigt werden und dass die Ausführung gemäss Vorschlag nach Fig. 5 und ,6 überhaupt keine Änderung des Pumpengehäuses gegenüber der herkömmlichen Bauweise erforderlich macht-, so dass ohne weiteres Zahnräder der vor geschlagenen Art in jedes gewöhnliche Zahnradpum- pengehäuse eingebaut werden können.
Auch lässt sich bei geänderten Betriebsbedingungen in dasselbe Pum pengehäuse ein anderer Rädersatz einbauen, bei dem die innere Begrenzung der muldenförmigen Ausneh- mungen der Zahnflanken auf einem passend ausgeführ. ten Durchmesser dK3 bzw. dx, liegt.
Der bei den Beispielen gemäss Fig.2 bis 6 zu Grunde liegende Vorschlag wird vorn getrieblichen Überdeckungsgrad der Verzahnung nicht beeinflusst.
Das bedeutet zunächst, dass der getriebliche Über deckungsgrad beliebig gross sein kann, was die Anwen dung relativ hoher Zähne mit hoher Raumleistung gestattet und damit den Vorteil kleiner Abmessungen der Zahnradpumpe usw. ergibt. Ferner erübrigen sich jegliche Ausnehmungen in den Seitenwänden des Pumpengehäuses und wenn solche zur schnellen und leichten Abführung des Fördermediums aus den Zahn lücken vorgesehen werden, so können diese ohne Nacharbeit und mit grosser Toleranz ausgeführt bzw. eingegossen werden.
Ferner kann im allgemeinen eine enge Toleranz des Achsenabstandes vorausgesetzt werden und dadurch in Verbindung desselben mit dem Innendurchmesser der vorgeschlagenen Eindrehung auf fertigungstechnisch einfache Weise und sehr genau der gewünschte Überdeckungsgrad Eh erreicht und eingehalten werden.