EP1508698A1

EP1508698A1 - Zahnradpumpe mit Dichtspalt verlängernden Flächen

Info

Publication number: EP1508698A1
Application number: EP03019058A
Authority: EP
Inventors: René Triebe
Original assignee: Maag Pump Systems AG; Maag Pump Systems Textron AG
Current assignee: Maag Pump Systems AG
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-02-23

Abstract

Eine Zahnradpumpe zum Fördern von flüssigen Fördermedien, bestehend aus einem Gehäuse und zwei ineinander greifenden Zahnrädern, welche je auf einer in Gleitlagern (16) gelagerten Welle (3) angeordnet sind, ist beschrieben. Von den zwei Wellen (3) ist mindestens eine aus dem Gehäuse herausgeführt und mit einem Antrieb verbunden. Zwischen jeweils einer stirnseitigen Fläche (22) eines entsprechenden Zahnrades und jeweils einer stirnseitigen Fläche (40) des entsprechenden Gleitlagers (16) ist ein Dichtspalt vorgesehen. Erfindungsgemäss sind weitere, den Dichtspalt verlängernde Flächen (30, 39) vorgesehen, wobei diese weiteren Flächen eine axiale Ausdehnung in Bezug auf die Wellen (3) aufweisen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Dichtlänge erhöht und damit der Leckagestrom von einer Druck- auf eine Saugseite der Zahnradpumpe reduziert oder es kann bei gleich bleibender Dichtlänge der Durchmesser der Welle (3) vergrössert werden, was eine Erhöhung der Belastbarkeit der Welle (3) zur Folge hat. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe zum Fördern von flüssigen Fördermedien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zahnradpumpen bestehen im Wesentlichen aus einem Gehäuse mit zwei ineinander greifenden Zahnrädern, welche auf Wellen angeordnet sind, wobei mindestens eine der Wellen mit einem Antrieb verbunden ist. Die Wellen werden in Fördermedium-geschmierten Gleitlagern gelagert, welche unmittelbar anschliessend an den Pumpeninnenraum angeordnet sind.

Aufgrund ihrer fördersteifen Kennlinie eignen sich Zahnradpumpen besonders gut für den Transport von Fördermedien von einer Saug- auf eine Druckseite. Insbesondere bei hochviskosen Fördermedien, wie zum Beispiel Kunststoffschmelzen, entstehen aufgrund des geförderten Volumenstromes in den Folgeaggregaten vergleichsweise hohe Druckverluste, die sich als Druckdifferenz über der Pumpe bemerkbar machen. Es ist bekannt, dass der volumetrische Wirkungsgrad von Zahnradpumpen in Folge dieser hohen Druckgefälle durch eine Reihe von Leckageströmen, d.h. durch Rückflüsse von Fördermedium von der Druckseite auf die Saugseite, reduziert wird.

Dabei hat sich herausgestellt, dass insbesondere ein Dichtspalt, der zwischen einer Zahnradstirnseite einer Welle und einer Lagerstirnseiten eines Gleitlagers vorhanden ist, den grössten Teil des Gesamtleckagestroms ausmacht. Dieser Dichtspalt verbindet die Druckseite der Zahnradpumpe mit der Saugseite und ist durch das Axialspiel definiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zahnradpumpe anzugeben, bei welcher die Leckageströme reduziert sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf: Indem der radial verlaufende Dichtspalt verlängert bzw. verlagert wird, und zwar in axialer Richtung in Bezug auf die Wellen, ist die Dichtlänge erhöht und damit der Leckagestrom reduziert oder es kann bei gleich bleibender Dichtlänge der Durchmesser der Welle vergrössert werden, womit die Tragfähigkeit in den Gleitlagern vergrössert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1,: in perspektivischer Darstellung und schematisch, die sich bewegenden Teile einer bekannten Zahnradpumpe, bestehend aus zwei Wellen mit ineinander greifenden Zahnrädern,
Fig. 2: einen Schnitt durch die Längsachse einer Welle,
Fig. 3: eine Detailansicht A gemäss Angaben in Fig. 2 eines Übergangsbereichs bei der bekannten Zahnradpumpe,
Fig. 4 bis 6: Detailansichten des Übergangsbereiches von weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung und
Fig. 7 bis Fig. 9: verschiedene Ausführungsvarianten eines erfindungsgemässen Gleitlagers aus Sicht vom Pumpeninnenraum auf die Stirnseite der Gleitlager.

In Fig. 1 sind Leckageströme 10 bis 13, welche bei einer Zahnradpumpe in Betrieb auftreten, in einer perspektivischen Darstellung schematisch gezeigt. Zur einfachen Erläuterung sind die feststehenden Teile der Zahnradpumpe - wie Gehäuse, Gleitlager, Antrieb und dergleichen - nicht dargestellt sondern lediglich die beweglichen Teile, nämlich die beiden ineinander greifenden Zahnräder 1 und 2, welche auf Wellen 3 und 4 angeordnet sind. Die mit 3 bezeichnete Welle ist aus dem Pumpengehäuse herausgeführt und über eine Verlängerung 9 mit einem Antrieb (nicht dargestellt) verbunden.

Mit den Hinweiszeichen 5 bis 8 sind Lagerabschnitte der Wellen 3 und 4 bezeichnet, die in axialer Richtung unmittelbar an die Zahnräder 1 und 2 anschliessen und die in Gleitlagern (nicht dargestellt) gelagert sind. Die Schmierung der Gleitlager bzw. der Wellen 3, 4 erfolgt durch das Fördermedium selbst, das zum Teil über speziell hierfür vorgesehene Zuführkanäle den Lagerabschnitten 5 bis 8 zugeführt wird.

Durch Drehen der Wellen 3 und 4 in der in Fig. 1 angegebenen Drehrichtung wird Fördermedium in Pfeilrichtung 15 von einer Saugseite auf eine Druckseite gefördert. Als Folge des Pumpvorganges wird eine Druckdifferenz aufgebaut, welche zu den mit den Hinweiszeichen 10 bis 13 bezeichneten Leckageströmen führen. So stellt der Leckagestrom 10 den Rückfluss über die Zahnspitzen der Zahnräder, d.h. über deren äusseren Umfang, dar. Des Weiteren stellt der Leckagestrom 11 den Rückfluss über den Eingriffsbereich der Zahnräder 1 und 2 dar. Ferner stellt der Leckagestrom 12 den Rückfluss über Stirnflächen 17 der Zahnräder 1 und 2 dar. Schliesslich stellt der Leckagestrom 13 den Rückfluss über den Lagerabschnitt 5 dar. Selbstverständlich treten der Leckagestrom 13 bei allen Lagerabschnitten und der Leckagestrom 12 bei allen Stirnflächen 17, 18 der Zahnräder 1 und 2 auf. Es hat sich nun herausgestellt, dass der Leckagestrom 12 über die Stirnflächen 17, 18 den grössten Anteil des gesamten Leckagestromes ausmacht.

Zur weiteren Erläuterungen der Grundlagen der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 die eine Längsachse 20 aufweisende Welle 3 mit dem Zahnrad 2 einer bekannten Zahnradpumpe dargestellt, wobei ein Gleitlager 16, in dem die Welle 3 im Lagerabschnitt 6 gelagert ist, in einem Schnitt durch die Längsachse 20 dargestellt ist. Ein bekannter Dichtspalt zur Verhinderung bzw. Reduktion des im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnten Leckagestroms 12 ist auf der einen Seite durch die stirnseitige Fläche 22 des Zahnrades 2 und auf der anderen Seite durch die stirnseitige Fläche 40 des Gleitlagers 16 gebildet, wobei mit 23 das axiale Spiel zwischen der Stirnseite des Zahnrades 2 und der Stirnseite des Gleitlagers 16 bezeichnet ist. Bei mittiger Positionierung des Zahnrades 2 im Pumpeninnenraum ist das totale axiale Spiel der Zahnradpumpe doppelt so gross wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Fig. 3 zeigt eine Detaildarstellung eines Bereiches (Detail A gemäss Fig. 2) zwischen Zahnrad 2 und Gleitlager 16. Ein im Lagerabschnitt 6 vorhandener Lagerspalt ist auf der einen Seite durch die Fläche 50 des Gleitlagers 16 und auf der anderen Seite durch die Oberfläche 21 der Welle 3 gebildet. Als Übergangsbereich wird in der vorliegenden Anmeldung der Übergang vom bekannten, radial verlaufenden Dichtspalt zum axial verlaufenden Lagerspalt bezeichnet. Deutlich erkennbar ist im Übergangbereich ein Hohlraum 25, der auf der Seite der Welle 3 bzw. des Zahnrades 2 durch eine umlaufende Hohlkerbe 26 und auf der Seite des Gleitlagers 16 durch eine umlaufende Fase 27 begrenzt ist. Der Querschnitt des Hohlraumes 25 ist auf dem Gesamtumfang der Welle 3 gleich gross. Die Hohlkerbe 26 erlaubt eine einfache Bearbeitung sowohl der Oberfläche 21 der Welle 3 als auch der stirnseitigen Fläche 22 des Zahnrades 2. So können die beiden Flächen 21 und 22 exakt senkrecht aufeinander ausgerichtet werden. Eine geeignete Ausrundung der Hohlkehle 26 reduziert die in der Welle 3 auftretenden Spannungen (Kerbwirkung). Ferner wird das zur Gleitlagerschmierung benötigte Fördermedium im Hohlraum 25 auf dem ganzen Umfang der Welle 3 bereitgestellt, um auf dem ganzen Umfang in den Lagerspalt im jeweiligen Lagerabschnitt 5 bis 8 (Fig. 1) einfliessen zu können. Nachteilig bei dieser bekannten Ausführungsform ist ein kurzer, in radialer Richtung verlaufender Dichtspalt, der durch die stirnseitige Fläche 22 des Zahnrades 2 und durch die stirnseitige Fläche 40 des Gleitlagers 16 gebildet ist, denn ein kurzer, radial verlaufender Dichtspalt hat zur Folge, dass die Dichtwirkung gering, mithin der Leckagestrom 12 (Fig. 1) relativ gross ist.

In Fig. 4 wird entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten bekannten Übergangsbereich eine Ausführungsform für einen erfindungsgemässen Übergangsbereich dargestellt. Dabei ist der rein radial verlaufende stirnseitige Dichtspalt, gebildet einerseits aus der stirnseitigen Fläche 22 des Zahnrades 2 und anderseits aus der stirnseitigen Fläche 40 des Gleitlagers 16, in axialer Richtung ausgedehnt, mithin weist der Dichtspalt, bzw. diesen im Übergangsbereich bildenden Flächen 30 und 39, neben einer radialen Komponente erfindungsgemäss eine axiale Komponente in Bezug auf die Welle 3 auf. Hierdurch ist die Gesamtlänge des Dichtspaltes gegenüber dem bekannten Dichtspalt verlängert, was eine bessere Abdichtung und damit eine Reduktion des Leckagestroms 12 über die Stirnflächen 17, 18 zur Folge hat.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, was sich auch aus Fig. 4 ergibt, sind die den Dichtspalt bildenden Flächen stetig gekrümmt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass keine Kerbwirkungen entstehen, und zwar weder in der Welle 3 noch im Gleitlager 16.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung endet der Dichtspalt bei einer Ausnehmung 34, welche in das Gleitlager 16 eingearbeitet ist. Die Ausnehmung 34 hat dieselbe Aufgabe wie der anhand von Fig. 3 erläuterte Hohlraum 25 (Fig. 3), nämlich das zur Gleitlagerschmierung benötigte Fördermedium auf dem ganzen Umfang der Welle 3 bereitzustellen, um auf dem ganzen Umfang in den Lagerspalt im jeweiligen Lagerabschnitt 5 bis 8 (Fig. 1) einfliessen zu können.

Grundsätzlich und in Abweichung zu der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist denkbar, dass keine Ausnehmung 34 vorhanden ist, und zwar weder im Gleitlager 16 noch in der Welle 3. Damit erstreckt sich der erfindungsgemässe Dichtspalt in maximaler Länge bis zum Lagerspalt, d.h. bis zum Beginn der rein axial verlaufenden Fläche 21 der Welle 3 bzw. bis zum Beginn der rein axial verlaufenden Fläche 50 des Gleitlagers 16.

Des weiteren ist denkbar, dass - ebenfalls in Abweichung zu der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform - der Dichtspalt bzw. die den Dichtspalt bildenden Flächen 22, 40 bzw. 30, 39 nicht stetig verlaufen, sondern einen beliebigen Verlauf, insbesondere einen abschnittsweise geraden Verlauf aufweisen. Eine Ausführungsform mit abschnittsweise geradem Verlauf ist in Fig. 5 dargestellt. Des Weiteren ist in Fig. 6 eine Ausführungsform mit einem runden Verlauf dargestellt. Obwohl bei den letztgenannten Ausführungsformen keine Ausnehmung 34 gemäss Fig. 4 vorgesehen ist, ist durchaus denkbar, auch bei diesen entsprechende Ausnehmungen vorzusehen.

Mit den im Wesentlichen parallel verlaufenden, den Dichtspalt bildenden Flächen 22, 40 und 30, 39 wird eine optimale Abdichtung erreicht. Darüber hinaus sind die beiden Flächen 30 und 39 zusätzlich als Lagerflächen wirksam.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Abweichung von der Parallelität der Flächen 22, 40 und 30, 39 durchaus möglich ist und unter Last durchwegs auftritt. Im Rahmen von Fertigungstoleranzen und im Rahmen der durch die Belastung der Komponenten auftretenden Durchbiegungen und Verschiebungen, welche zu Abweichungen von der erwähnten Parallelität führen, sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindungsbeschreibung als "parallel" bzw. "im Wesentlichen parallel" zu verstehen.

Besonders bei Fördermedien mit hohen elastischen Eigenschaften kann es zur Versorgung des Gleitlagerspaltes mit Fördermedium notwendig werden, wie in Fig. 4 dargestellt, die Ausnehmung 34 im Übergangsbereich des Gleitlagers 16 vorzusehen. Vorzugsweise wird die Ausnehmung 34 am Lagerabschnitt-seitigen Ende 31 der Fläche 39 angeordnet. Grundsätzlich ist die Einarbeitung einer Ausnehmung auf der anderen Seite, d.h. eine Einarbeitung der Ausnehmung in die Welle 3, ebenfalls denkbar. In jedem Fall muss darauf geachtet werden, dass die Gesamtlänge des erfindungsgemässen Dichtspaltes durch die Ausnehmung 34 möglichst wenig reduziert wird, damit eine Wirkungsgradsteigerung bei der erfindungsgemässen Zahnradpumpe im bereits erläuterten Sinne erhalten werden kann.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass als Vorteil der vorliegenden Erfindung der Leckagestrom 12 (Fig. 1) reduziert werden kann. Die vorliegende Erfindung eröffnet jedoch auch die Möglichkeit, den Durchmesser der Zahnradwellen 3, 4 bei gleich bleibender Dichtwirkung des Dichtspaltes zu vergrössern. Damit wird eine grössere Biegebelastbarkeit der Wellen 3, 4 und eine vergrösserte Tragfähigkeit der Gleitlager erhalten.

In den Fig. 7 bis 9 sind verschiedene Ausführungsvarianten eines erfindungsgemässen Gleitlagers 16 dargestellt, wobei jeweils eine Draufsicht auf die Stirnseite des Gleitlagers 16, von der Seite der Zahnräder aus gesehen, gezeigt ist. Die dargestellten Ausführungsvarianten basieren alle auf derjenigen gemäss Fig. 4, indem alle eine Ausnehmung 34 im Gleitlager 16 aufweisen. Unterschiede bestehen in der Länge und der Ausgestaltungsart der Ausnehmungen 34, insbesondere an deren Enden.

So ist in Fig. 7 eine Ausführungsvariante mit einer Ausnehmung 34 dargestellt, die über den gesamten Lagerumfang des Gleitlagers 16 eingearbeitet ist. Die Ausnehmung 34 ist mit der Druckseite der Zahnradpumpe über einen Zuführungskanal 37 verbunden, über den ausreichend Fördermedium in das Gleitlager 16 geleitet wird.

Bekanntlich sind die Kräfteverhältnisse in einer Zahnradpumpe derart, dass auf die Wellen eine Kraftkomponente 38 wirkt, die mit einer durch die beiden Lagerbohrungsachsen der Gleitlager aufgespannte Ebene einen Winkel von ca. 60° bildet. Dementsprechend ist die Lagerbelastung auf dieser so genannten Lastseite in Richtung der Kraftkomponente 38 erhöht. In den Fig. 7 bis 9 ist daher die Welle 3 in Bezug auf die Lagerbohrung zur Veranschaulichung übertrieben exzentrisch eingezeichnet.

Um ein maximales Abstützen der Welle im Gleitlager zu erhalten, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die Ausnehmung 34 auf der Lastseite wegzulassen, mithin die Ausnehmung 34 lediglich in einem Bereich der so genannten Nicht-Lastseite vorzusehen. Gemäss Fig. 8 erstreckt sich die Ausnehmung 34 über 180° der Lagerbohrung auf der Nichtlastseite, wobei die Ausnehmung 34 symmetrisch zur Richtung der Kraftkomponente 38 ist.

In Fig. 9 ist die bevorzugte Ausführungsvariante mit einer Ausnehmung 34 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäss Fig. 6 ist die Ausnehmung 34 nunmehr in Richtung Einzugsbereich für das Schmiermedium kontinuierlich auslaufend gefertigt, mit anderen Worten reduziert sich der Querschnitt der Ausnehmung 34, in Drehrichtung 36 der Welle 3 gesehen, gegen den Endbereich der Ausnehmung 34 hin, und zwar nimmt der Querschnitt sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ab.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemässen Ausführungsvarianten gemäss den Fig. 8 und 9 mit den Ausnehmungen 34 auch ohne den anhand der Fig. 4 erläuterten stetigen Übergangsflächen 30 realisiert werden kann. Tatsache ist nämlich, dass bereits der Einsatz von Ausnehmungen 34 bei einer bekannten Gleitlagerausformung im Übergangsbereich, wie es anhand der Fig. 2 und 3 erläutert worden ist, eine wesentliche Verbesserung des Füllens der Gleitlager mit Schmiermittel zur Folge hat.

Claims

Zahnradpumpe zum Fördern von flüssigen Fördermedien, bestehend aus einem Gehäuse und zwei ineinander greifenden Zahnrädern (1, 2), welche je auf einer in Gleitlagern (16) gelagerten Welle (3, 4) angeordnet sind, von denen mindestens eine aus dem Gehäuse herausgeführt und mit einem Antrieb wirkverbunden ist, wobei ein Dichtspalt vorgesehen ist, der einerseits durch jeweils eine stirnseitige Fläche (22) eines entsprechenden Zahnrades (1, 2) und anderseits durch jeweils eine stirnseitige Fläche (40) des entsprechenden Gleitlagers (16) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, den Dichtspalt verlängernde Flächen (30, 39) vorgesehen sind, wobei diese weiteren Flächen eine axiale Ausdehnung in Bezug auf die Wellen (3, 4) aufweisen.
Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dichtspalt bildenden Flächen (22, 40; 30, 39) im Wesentlichen parallel verlaufen.
Zahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein überwiegender Teil der stirnseitigen Flächen (22, 40) eines Dichtspaltes radial verlaufen.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtspalten bzw. die die Dichtspalten bildenden Flächen (22, 40; 30, 39) stetig verlaufen.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich des Dichtspaltes eine Ausnehmung (34) im Gleitlager (16) und/oder in der entsprechenden Welle (3, 4) vorhanden ist.
Zahnradpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (34) vollständig um eine die Welle (3, 4) aufnehmende Lagerbohrung führt.
Zahnradpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (34) nicht-lastseitig, vorzugsweise in einem Bereich von 180° vorgesehen ist.
Zahnradpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (34) symmetrisch in Bezug auf eine Ebene angeordnet ist, die einen Winkel von ca. 60° mit einer durch die beiden Lagerbohrungsachsen aufgespannte Ebene einschliesst.
Zahnradpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (34), in Drehrichtung der Welle (3, 4) gesehen, auslaufend ausgebildet ist.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (34) über einen Zuführkanal (37) mit der Druckseite verbunden ist.