Innenzahnradmaschine

Abstract

 Eine Innenzahnradmaschine, insbesondere Innenzahnradpumpe, mit einem innenverzahnten Hohlrad (1), einem damit in Eingriff stehenden außenverzahnten Ritzel (2) und einem zwischen Hohlrad (1) und Ritzel (2) angeordneten Füll­stück. Das Hohlrad (1) weist Durchbrüche (8) auf, die den Außenumfang des Hohlrades mit dessen Innenseite im Bereich der Zahnlücken (13) verbinden. Diese Durchbrüche (8′) sind jeweils soweit in die die Zahnlücke (13) auf einer Seite begrenzende nichttragende Zahnflanke (14) hinein­versetzt, daß sie zugleich eine Verbindung zwischen deren Zahnfuß und dem Zahnkopf herstellen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Innenzahnradmaschine, insbe­sondere eine Innenzahnradpumpe, mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Beim Pumpvorgang einer Innenzahnradpumpe wird die im Druck­raum befindliche Flüssigkeit durch den zunehmenden Zahn­eingriff zwischen Ritzel und Hohlrad aus den Zahnlücken der beiden Räder verdrängt und dadurch zum Auslaß ge­fördert. Durch diesen Verdrängungsvorgang wird die Flüssig­keit gezwungen, an den in die Zahnlücken eintretenden Zähnen vorbei axial und radial abzufließen. Der hierfür zur Verfügung stehende Spalt zwischen den Zähnen ist je­doch schon zu Beginn des Zahneingriffes verhältnismässig klein, so daß schon weit vor der Flankenberührung ein verhältnismässig grosser Strömungswiderstand besteht, der noch weiter steigt, wenn dieser Spalt mit weiter zu­nehmendem Zahneingriff sich weiter verkleinert und letztlich auf den Wert Null abnimmt. Dieser hohe Strömungs­widerstand äußert sich als Verlustleistung.

[0003] Es sind Zahnradmaschinen bekannt, bei denen diese Verlust­leistung dadurch verringert ist, daß das Hohlrad radiale Durchbrüche aufweist, die den Außenumfang des Hohlrades mit dessen Innenseite im Bereich der Zahnlücken verbinden und durch die hindurch das Fördermedium zum Auslaß ge­fördert wird. Denn aufgrund der Durchbrüche kann das Fördermedium, wenn die Spalte zwischen den Zähnen kleiner werden, die Zahnlücke auch in Richtung der Durchbrüche verlassen, so daß vor allem kurz vor dem vollen Zahn­eingriff keine Quetschflüssigkeit entstehen kann. Eine weitere Verbesserung in dieser Richtung ergibt sich bei einer bekannten Zahnradmaschine der eingangs ange­gebenen Art (US-PS 17 39 139), bei der zusätzlich zu den Durchbrüchen, die den Außenumfang des Hohlrades mit dessen Zahnlücken verbinden, weitere Durchbrüche vorge­sehen sind, die vom Außenumfang des Hohlrades durch dessen Zähne hindurch zum Zahnkopf führen und genau dort münden. Denn hierdurch wird auch zwischen den Zahn­köpfen des Hohlrades und den Zahnlücken des Ritzels vorhandene Quetschflüssigkeit in der gleichen Weise zum Druckraum abgefördert. Bei dieser bekannten Zahnrad­maschine können aber die Durchbrüche nur verhältnis­mässig klein ausgebildet werden und weisen deshalb einen engen Strömungsquerschnitt auf, weil andernfalls die Festigkeit des Hohlrades durch die zwangsläufig in enger Folge aneinander anschließenden Durchbrüche zu sehr beeinträchtigt werden würde. Aus diesem Grund bilden vor allem die in den Zahnköpfen des Hohlrades mündenden Durchbrüche selbst nach wie vor sehr enge Strömungs­kanäle, die der zu verdrängenden Flüssigkeit einen nicht unbeträchtlichen Strömungswiderstand entgegensetzen. Die Verringerung des Leistungsverlustes durch den hohen Strömungswiderstand des verdrängten Fördermediums hält sich daher bei dieser bekannten Zahnradmaschine in engen Grenzen.

[0004] Es ist weiterhin von einer Außenzahnradpumpe bereits bekannt, zur Abführung von Quetschflüssigkeit radiale Durchbrüche in einem der beiden miteinander kämmenden, außenverzahnten Zahnräder vorzusehen, die so in die Zahnflanke hineinversetzt sind, daß sie sowohl den Kopfkreis als auch den Fußkreis der Zähne anschneiden und damit den Zahnkopfbereich und den Zahnfußbereich mit der Achslagerbohrung des Zahnrades verbinden (DE-OS 18 02 984). Hierdurch wird zwar Quetschflüssigkeit und die damit ver­bundene verlusterzeugende Drucksteigerung am Ende des Ein­griffsvorganges vermieden, jedoch stellt der zur Lager­bohrung des Zahnrades hin abgeförderte Teil des Förder­mediums einen nicht unbeträchtlichen Verlust an Förder­volumen dar.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrund, eine Innen­zahnradmaschine der angegebenen Art zu schaffen, die ohne eine ins Gewicht fallende Festigkeitsverminderung des Hohlrades eine weitere Verringerung der durch die ge­schilderte Spaltströmung entstehenden Verluste ermöglicht.

[0006] Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Ausgestaltung gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.

[0007] Nach der Erfindung kommen somit getrennt durch die Zähne des Hohlrades hindurch zu dem Zahnkopf verlaufende Durch­brüche in Wegfall, jedoch werden die in den Zahnlücken mündenden verbleibenden Durchbrüche so in die nicht­tragende Zahnflanke hineinversetzt, daß sie eine Verbindung zwischen Zahnkopf und Zahnfuß herstellen. Durch die Ver­ringerung der Anzahl der Durchbrüche auf die Hälfte können diese im Querschnitt vergrössert werden, ohne die Festig­keit des Hohlrades zu beeinträchtigen. Zugleich kann auch das zwischen den Zahnköpfen des Hohl rades und den Zahn­füssen des Ritzels befindliche Medium mit geringerem Strömungswiderstand in den Bereich der nichttragenden Zahnflanke und dort zum Durchbruch gelangen. Da der Durch­bruch durch das Hohlrad hindurch zum Auslaß führt, ent­steht keinerlei Verlust an Fördervolumen.

[0008] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungs­gedankens ist vorgesehen, daß über die Höhe des zahnkopf­seitigen Randes jedes Durchbruches der Zahnkopf gegenüber seiner den Kopfkreisdurchmesser bestimmenden Umfangsfläche zurückgenommen ist. Durch dieses örtliche Zurücknehmen des Zahnkopfes wird einerseits der Zuströmraum für die Flüssigkeit zu dem Durchbruch vergrössert. Dies ist insbesondere gegeben, wenn die Zurücknahme des Zahnkopfes in dem genannten Bereich sich über die ganze Zahnbreite erstreckt, weil hierdurch auch für die axial von dem Durchbruch entfernt befindliche Flüssigkeit ein grösserer Strömungsquerschnitt zur Heranförderung an den Durch­bruch zur Verfügung steht. Darüber hinaus verhindert die Zurücknahme des Zahnkopfes in dem Teil, in welchem der Durchbruch die zahnkopfseitige Umfangsfläche der Zähne anschneidet, daß die so entstehende Kante den Schmier­film der Zahnköpfe am Füllstück beseitigt oder gar eine Fräswirkung am Füllstück entfaltet. In beiden Fällen würde alsbald eine nachhaltige Funktionsstörung der Innenzahnradmaschine eintreten.

[0009] Die Zurücknahme des Zahnkopfes in dem genannten Teil des Durchbruches kann entweder als eine ebene Anfasung oder in Gestalt einer konkaven Auskehlung vorgenommen werden, mit Vorteil jedoch auch in Form einer Kombination von beidem. In letzterem Fall ist es zweckmässig, die An­fasung über einen von der Umfangsfläche des Zahnes ausgehenden Teil der Höhe des zahnkopfseitigen Durch­bruchrandes vorzusehen und die Auskehlung unmittelbar daran anschließen zu lassen. Hierdurch wird im Bereich der Anfasung und im Übergang zwischen dieser und der ebenen Umfangsfläche des Zahnkopfes die Schmierfilm­bildung am Füllstück gefördert, während die daran an­schließende Auskehlung den Strömungsquerschnitt für diejenige Flüssigkeitsmenge bildet, die sich an den Zahnenden befindet und zum Durchbruch gefördert werden muß.

[0010] Obwohl daran gedacht werden kann, in jeder Zahnlücke zwei axial nebeneinander liegende Durchbrüche vorzusehen, ist ein einziger Durchbruch je Zahnlücke mit entsprechend grösserem Querschnitt günstiger. Die Durchbrüche können als einfache Bohrungen, d. h. mit kreisförmiger Querschnitts­berandung, ausgebildet sein. Von Vorteil ist jedoch eine Querschnittsgestaltung der Durchbrüche, gemäß der zumindest auf der in die Zahnflanke eindringenden Seite des Durchbruches dessen Querschnitt gerade und parallel zur Flankenlinie des entsprechenden Zahnes begrenzt ist. Denn hierdurch entsteht als Schnittrand mit der Zahn­flanke im Bereich des Zahnkopfes ebenfalls eine gerade Verschneidungslinie, die parallel zur Zahnrichtung (Flankenlinie) verläuft. Hierdurch kann einerseits die Höhe der vorstehend geschilderten Kopfrücknahme minimal gehalten werden, andererseits ist der Strömungsquer­schnitt des Durchbruches gerade in dem Bereich der Zahnflanke grösser. Auch wird hierdurch der Strömungs­weg zwischen den Zahnenden und dem Durchbruch verkürzt.

[0011] Im Fall der Ausbildung der Durchbrüche mit dem soeben geschilderten, zumindest einseitig geradlinig begrenzten Querschnitt ist es allerdings schwierig, derartige Durchbrüche durch spanabhebende Bohrarbeit an einem bereits verzahnten Hohlrad herzustellen. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung schlägt die Erfindung deshalb hierzu vor, das Hohlrad aus zwei getrennten Teilen auf­zubauen, deren Trenn- bzw. Verbindungsebene im Bereich der Durchbrüche liegt. Zweckmässigerweise ist das Hohlrad genau in der Symmetrieebene geteilt. Durch diese Maßnahme ergibt sich die Möglichkeit, die beiden Hohlradteile durch Sintern oder durch Fließpressen herzustellen, wobei die die Durchbrüche bildenden Teile direkt angeformt sein können. Aber auch bei spanabhebender Herstellung der die Durchbrüche bildenden Ausnehmungen ergibt die Trennung einen Vorteil, weil die Seitenflächen des Hohl­rades viel leichter zugänglich sind.

[0012] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen naher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Innenzahnradpumpe, in welchem die das Hohlrad umgebenden Gehäuseteile nur angedeutet sind;

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Teilquerschnitt in vergrössertem Maßstab, der den Zahneingriff zwischen Ritzel und Hohlrad im Druckraum zeigt;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine in der Mittelebene geteilte Ausführungsform eines Hohlrades;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Zahnes des in Fig. 4 gezeigten Hohlrades, und

Fig. 6 eine vergrösserte Darstellung der Zahnlücke zwischen zwei Zähnen, aus der Lage und Richtung des dazwischen befindlichen Durchbruches hervorgehen.

[0013] Gemäß Fig. 1 kämmt ein innenverzahntes Hohlrad mit einem außenverzahnten Ritzel 2. Durch ein Füllstück 3 ist der Druckraum 4 von dem Saugraum 5 der Innenzahnradpumpe getrennt. Das Füllstück 3 stützt sich auf einem drehbar gelagerten Füllstückstift 6 ab. Das Hohlrad 1 ist unmittelbar in einem topfförmigen Gehäuse 7 gelagert und weist radiale Durch­brüche 8 auf, durch die hindurch das Fördermedium aus dem Druckraum 4 zu dem nicht gezeigten Auslaß strömen kann. Das Topfgehäuse 7 ist durch einen Lagerdeckel 9 verschlossen. Mit Ausnahme der besonderen Form und Anordnung der Durchbrüche 8 sind Aufbau und Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Innen­zahnradpumpe bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner näheren Erläuterung.

[0014] Gemäß Fig. 3 sind je Zahnlücke zwei nebeneinander ange­ordnete Durchbrüche 8 vorhanden. Aus der Darstellung gemäß Fig. 2 ist erkennbar, daß im Bereich des Druckraumes 4 die Zähne 12 des Ritzels 2 in zunehmendem Maße in die Zahnlücken 13 zwischen den Zähnen 11 eintreten und auf diese Weise die in den Zahnlücken 13 befindliche Flüssig­keit daraus verdrängen. Die Durchbrüche 8 sind asymmetrisch zu der radialen Mittelebene der Zahnlücken 13 angeordnet derart, daß sie die in Drehrichtung der Zahnräder 1, 2 rückwärtige, d.h. nichttragende Zahnflanke 14 der Zähne 11 des Hohlrades 1 durchsetzen. Der Durchmesser der Durch­brüche 8 ist in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­spiel dabei so gewählt, daß diese den Zahnfuß sowohl der tragenden als auch der nichttragenden Flanke der Zähne 11 und den Zahnkopf im Bereich der nichttragenden Flanke 14 erfassen. Der Teil des Zahnkopfes 15, der von dem Rand des Durchbruches 8 durchsetzt ist, ist in einer sich be­sonders deutlich aus Fig. 5 ergebenden Weise zurückge­nommen. Demnach schließt sich zu beiden Seiten der inneren Umfangsfläche 15 des Zahnkopfes je eine über die ganze Zahnbreite verlaufende Anfasung 16 an, auf die wiederum eine in ihrer Höhe grösser als die Anfasung 16 gewählte Auskehlung 17 folgt, die ebenfalls sich über die ganze Zahnbreite erstreckt. Im Verlauf des Eintretens der Zähne 12 in die Zahnlücken 13 des Hohlrades 1 kann somit die aus den Zahnlücken 13 verdrängte Flüssigkeit in die Durch­brüche 8 geschoben werden. Dabei dienen im letzten Stadium des Eingriffes, in welchem der zahnfußseitige Raum zwischen den Zähnen 12 des Ritzels durch den Kopf der Zähne 11 des Hohlrades weitgehend abgeschlossen ist (s. Fig. 2) die Anfasung 16, vor allem aber die Auskehlung 17 als Strömungs­querschnitt für die seitlich außerhalb der Durchbrüche vorhandenen Flüssigkeitsmengen in Richtung auf die Durch­brüche 8, wie dies einleitend geschildert ist.

[0015] Während bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3 die Durchbrüche 8 als einfache Bohrungen gestaltet sind, unter­scheidet sich die Ausführungsform gemäß den Fig. 4 und 5 davon durch eine andere Querschnittsform der Durchbrüche 8′. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, verjüngen sich die Durchbrüche 8′ in ihrem Querschnitt von innen nach außen und weisen vor allem im Bereich der nichttragenden Zahnflanke 14 eine geradlinige Begrenzung ihres Quer­schnittes auf, die parallel zur Flankenlinie der Zähne verläuft. Hierdurch ergibt sich eine entsprechend gerad­linige Verschneidungslinie 18 mit dem Zahnkopf, die mit der am Übergang zwischen der Anfasung 16 und der Aus­kehlung 17 gebildeten Kante fluchtet. Bei der Ausführung nach den Fig. 4 und 5 ist das Hohlrad 1′ in seiner Mittel­ebene, die zugleich die Symmetrieebene der Durchbrüche 8′ ist, geteilt, um hierdurch die geschilderte Form der Durchbrüche 8′ leichter herstellen zu können, wie dies eingangs erläutert ist. Die beiden Hälften des Hohlrades 1′ sind durch nur angedeutete Mittel, z.B. durch eine an mehreren Umfangsstellen vorgenommene Verschraubung 19 durch die Zähne hindurch miteinander verbunden.

[0016] Im Rahmen der Erfindung können Abweichungen von den vor­stehend geschilderten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden. So ist beispielsweise eine symmetrische Anordnung der Durchbrüche bezüglich der Mittelebene des Hohlrades zwar von Vorteil, jedoch nicht zwingend. Auch ist eine doppelte Anfasung der Zahnköpfe des Hohlrades nicht un­ bedingt erforderlich, da es zur besseren Schmierfilmbildung am Füllstück ausreicht, nur die nichttragende Flanke mit einer Anfasung zu versehen. Weiterhin versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die in Fig. 1 dargestellte Aus­führung einer Innenzahnradpumpe mit geteiltem Füllstück und unmittelbarer Lagerung des Hohlrades im Gehäuse be­schränkt ist, sondern auch auf davon abweichende Kon­struktionen angewendet werden kann.

[0017] Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß die Durchbrüche 8 mit ihrer Längsachse nicht radial zum Mittelpunkt des Hohl­rades 1 ausgerichtet sind, sondern zu dem entsprechenden Radius unter einem spitzen Winkel geneigt verlaufen. Die Mündung der Durchbrüche 8 auf der Umfangsfläche des Hohlrades 1 ist dabei entgegen der Drehrichtung des Hohl­rades 1 gegenüber der Mündung auf der Zahnseite versetzt. Der Grund für diese Lage der Durchbrüche 8 besteht in der dadurch gebotenen Möglichkeit, den Durchmesser der Durchbrüche grösser und damit den Strömungswiderstand kleiner zu halten. Die Fig. 6, die diese Verhältnisse in vergrössertem Maßstab deutlicher darstellt, zeigt das Durchmesserverhältnis in Bezug auf einen gestrichelt eingezeichneten Durchbruch, dessen Längsachse exakt radial zum Mittelpunkt des Hohlrades 1 verläuft.

Ansprüche

1. Innenzahnradmaschine, insbesondere Innenzahnradpumpe, mit einem innenverzahnten Hohlrad (1, 1′), einem damit in Eingriff stehenden außenverzahnten Ritzel (2) und einem zwischen Hohlrad und Ritzel angeordneten Füll­stück (3), wobei das Hohlrad weitgehend radiale Durch­brüche (8, 8′) aufweist, die den Außenumfang des Hohl­rades mit dessen Innenseite im Bereich der Zahnlücken (13) und der Zahnköpfe verbinden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in den Zahnlücken (13) mündenden Durchbrüche (8, 8)′ jeweils soweit in die die Zahnlücke auf einer Seite begrenzende, nichttragende Zahnflanke (14) hineinversetzt sind, daß sie zugleich eine Verbindung zwischen deren Zahnfuß und dem Zahnkopf herstellen.

2. Innenzahnradmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß über die Höhe des zahn­kopfseitigen Randes jedes Durchbruches (8, 8′) der Zahnkopf gegenüber seiner den Kopfkreisdurchmesser bestimmenden Umfangsfläche (15) zurückgenommen ist.

3. Innenzahnradmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnkopf über die ganze Zahnbreite in Gestalt einer Anfasung (16) zurückgenommen ist.

4. Innenzahnradmaschine nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnkopf über die Zahn­breite in Gestalt einer Auskehlung (17) zurückgenommen ist.

5. Innenzahnradmaschine nach den Ansprüchen 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anfasung (16) sich über einen von der Umfangsfläche (15) des Zahnes (11) aus­gehenden Teil der Höhe des zahnkopfseitigen Randes des Durchbruches (8, 8′) erstreckt und sich die Auskehlung (17) daran anschließt.

6. Innenzahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Durch­bruches (8′) zumindest auf seiner in die Zahnflanke (14) eindringenden Seite geradlinig begrenzt ist und die gerade Seite parallel zur Flankenlinie verläuft.

7. Innenzahnradmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der zahnkopfseitige gerad­linige Rand (18) des Durchbruches (8′) mit der Kante der Anfasung (16) bzw. der Auskehlung (17) fluchtet.

8. Innenzahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (1′) aus zwei gesonderten Teilen aufgebaut ist, deren Trennebene im Bereich der Durchbrüche (8′) liegt.

9. Innenzahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Durchbrüche (8, 8′) in Bezug auf den zugeordneten Radiusstrahl des Hohlrades (1) unter einem spitzen Winkel geneigt verläuft.

Zeichnung