DE2644531C2 - Hydrostatische Zahnradmaschine mit einem Trochoidenzahnradpaar - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Zahnradmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Ausdruck »Trochoidenzahnradpaar« soll hier nicht nur ein Zahnradpaar umfassen, bei dem mindestens ein Rad einer Trochoidenverzahnung im eigentlichen Sinn aufweist, sondern auch ein solches, bei dem mindestens ein Rad eine Zykloidenverzahnung oder eine Kreisbogenverzahnung aufweist. Letztere stellt einen Grenzfall der Trochoidenverzahnung dar. Ferner kann bei der Erfindung die Trochoidenform der Zahnflanken auch durch andere ähnliche Kurven ersetzt werden, da es für die Erfindung weniger auf eine mathematisch genaue Trochoidenform der Zahnflanken als auf die »ungefähre« Zahnform ankommt. Insbesondere ist die Zähnezahldifferenz zwischen Hohlrad und Ritzel sehr gering. Bevorzugt hat das Hohlrad neun oder elf Zähne, wobei das Ritzel sieben bzw. neun Zähne hat.

Derartige hydrostatische Zahnradmaschinen haben bei präziser Fertigung eine sehr konzentrierte Bauweise, geringen Platzbedarf, große Förderleistung, gutes Saugvermögen, geringe Förderpulsation, niedrige Zahneingriffsfrequenzen, geringe Laufgeräusche und die Möglichkeit, das Ritzel mit einer sehr dicken Welle zu versehen oder ihm einen sehr großen inneren Wellendurchlaß zu geben. Sie eignen sich vorzüglich für einen kostengünstigen organischen Einbau als Förderpumpen direkt auf die Arbeitswellen wesentlich größerer Kraft- oder Arbeitsmaschinen. Eine derartige Zahnradmaschine ist z. B. aus der DE-OS 23 18 753 bekannt.

Bei derartigen Trochoidenzahnradmaschinen ist der Überdeckungsgrad sehr viel größer als eins, meistens ein Mehrfaches von eins, weil die Eingriffslinie sich um das Ritzel herumwindet. Bei einer absolut fehlerfreien Fertigung der Zahnflankenformen beider Zahnräder und bei einem absolut spielfreien Betrieb des Getriebes wäre gegen diesen ausgedehnten Zahneingriff mit großer Überdeckung nichts einzuwenden.

Diese Genauigkeit und Betriebsverhältnisse lassen sich jedoch in der Praxis in keinem Fall realisieren. Die Zahnflankenfehler, Rundlauffehler und Teilungsfehler, auch die Zahnflankenrichtungsfehler und die Achsabstandstoleranz können zu hartem Lauf, in jedem Falle auch bei vorgegebenem Zahnflankenspiel zu mechanischen Geräuschen führen. Versucht man mit vergrößertem Zahnflankenspiel den Eingriffsstörungen zu begegnen, dann treten durch dynamische Schwingungen und Ungleichförmigkeiten in den Drehbewegungen beider Räder oder bei hydrostatischen Maschinen durch Quetschdrücke erst recht mechanische Geräusche und Beanspruchungen auf, weil ein Anlagewechsel an den Zahnflanken entsteht. Bei Zahnradpumpen entsteht dadurch ferner ein nicht vernachlässigbarer Verlust an volumetrischem Wirkungsgrad und die Förderpulsation steigt stark an.

Ferner ist aus der DE-OS 24 21 891 ein Zahnradmotor bekannt, bei dem zwei außenverzahnte Evolventen Zahnräder miteinander kämmen. Zur Vermeidung unerwünschter Schwankungen des Momentandrehmoments sind bei dieser Maschine die Zahnköpfe mindestens im Zahnflankenbereich bis auf einen Durchmesser reduziert, derart, daß der Überdeckungsgrad geringfügig über eins liegt.

Die Erfindung löst die Aufgabe, eine gattungsgemäße Zahnradmaschine dahingehend zu verbessern, daß trotz unvermeidlicher Herstellungsgenauigkeiten der Zahnräder und deren Lagerung Eingriffsstörungen, die stärkere Geräusche verursachen können, bei minimalem Zahnflankenspiel weitgehend vermieden werden.

Dies wird durch die Ausbildung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Das bedeutet, daß man nur im Bereich des tiefsten Zahneingriffs und nur soweit notwendig den Zahneingriff ausnutzt. Der stets vorhandene Film aus Betriebsflüssigkeit zwischen den Zahnflanken erlaubt es, mit dem Überdekkungsgrad unter eins zu bleiben.

Die Erfindung hat bei hydrostatischen Zahnradpumpen und Zahnradmotoren den bedeutenden Vorteil, daß die Drehmomentübertragung von einem Zahnrad auf das andere und somit der kraftschlüssige Kontakt der Zahnflanken nur im erforderlichen Zahnabdichtbereich zwischen den Arbeitsräumen am Dichtsteg erfolgt, wodurch auch eine wesentliche Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades und somit der Druckleistung der Maschine erreicht wird. Durch diese Maßnahme erhält die erfindungsgemäße Trochoidenzahnradpaarung ferner eine Achsabstandsunempfindlichkeit ähnlich der einer Evolventenverzahnung. Schließlich ist auch der Verschleiß vermindert.

Die Flanken sind vorteilhaft in den nicht benötigten Bereichen zwar soviel frei gearbeitet, daß sie dort mit Sicherheit im Betrieb die Zahnflanken des Gegenstandes nicht berühren, jedoch auch nicht mehr, da ein übermäßiges Freiarbeiten zu unerwünscht großen Hohlräumen zwischen den Verzahnungen an der Stelle des tiefsten Zahneingriffs führen würde. Ist, wie dies bevorzugt wird, das Hohlrad das Mutterprofil der Verzahnung, dann behält vorzugsweise die Hohlradflanke ihre theo-

retische Form und die Zahnflanken des Ritzels werden soweit zurückgesetzt, daß auerhalb des für ein konstantes Drehwinkelverhältnis der beiden Zahnräder mindestens erforderlichen Eingriffsbereiches ein ausreichendes Zahnfiankenspiel sichergestellt ist.

Da bei Innengetrieben vor allen Dingen Zahnkopfeingriffsstörungen auftreten können, erfolgt die Korrektur am Zahnkopf.

Gibt man der Korrekturkurve Kreisbogenform, so hat das den Vorteil, daß diese mathematisch und technologisch einfach zu beherrschen ist. Man geht dabei so vor, daß man am Ende des für notwendig erachteten Teils (hier sind natürlich je nach den konstruktiven Bedingungen Abweichungen im den notwendigen Teil vergrößernden Sinne, aber sogar auch im diesen verkleinernden Sinne möglich. Diese Abweichungen sollten aber klein bleiben) der theoretischen Zahnprofilkurve ein Lot errichtet, auf dem der Mittelpunkt des Zahnkopf-Korrektur-Kreisbogens liegen muß, um einen tangentialen Übergang der Zahnflanke in eiiie zurückgesetzte Zahnkopfrundung sicherzustellen. Der Kreisbogen der Zahnkopfrundung muß überall mit Ausnahme seines Anfangs innerhalb des theoretischen Zahnflankenprofils liegen, so daß in seinem Bereich keine Zahnberührung mehr stattfindet. Dieses Freigehen der Zähne voneinander ist nicht nur beim Außereingriffkommen wichtig, sondern vor allem beim Ineingriffkommen, weil sonst die Zähne schlagartig aufeinanderstoßen können mit beträchtlichem Geräusch. Aus diesem Grund muß auch die nachlaufende Zahnflanke in dieser Weise korrigiert sein, Hieraus ergibt sich als besonders vorteilhaft ein insoweit genau symmetrischer Zahn sowohl am Hohlrad als auch am Ritzel.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand einer in der Zeichnung gezeigten bevorzugten Ausführungsform derselben näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Gesamtansicht auf die beiden Zahnräder einer Zahnradpumpe gemäß der Erfindung mit ausgezogener theoretischer, geschlossener Eingriffslinie und Füllstück.

F i g. 2 zeigt die Stellung der Zahnräder, bei der ein Ritzelzahn soeben mit einem Hohlradzahn an dessen Kopf kreis in Eingriff kommt.

Fig. 3 zeigt eine im Uhrzeigersinn weitergedrehte Stellung der Zahnräder, bei der derselbe Ritzelzahn außer Eingriff mit dem Hohlradzahn kommt, während der nächstfolgende Zahn gerade in Eingriff mit dem nächsten Hohlradzahn kommt.

F i g. 4 zeigt im vergrößerten Maßstab die bevorzugte Gestaltung des Ritzelzahnkopfes mit dem Verlauf der theoretischen und der gemäß der Erfindung korrigierten Zahnflankenform.

Zur Konstruktion einer Maschine nach der Erfindung wird vorteilhaft die Verzahnung des Hohlrades 2 zunächst dahingehend festgelegt, daß die Zahnfußbreite etwa gleich der doppelten Zahnlückenbreite am Fußkreis ist. Eine provisorische Zahnform wird dann als Dreieck festgelegt, dessen Höhe etwa drei Fünftel der Zahnfußbreite ist. Die die Zahnflanken bildenden kürzeren Seiten werden dann gleichmäßig konvex nach außen ausgewölbt, so daß ein Zahnprofil entsteht, wie es z. B. in der DE-OS 20 24 339 gezeigt ist, bei dem die Scheitel der so bestimmten Zahnflankenkurven von den entsprechenden Dreiecksseiten einen Abstand von etwa einem Zwanzigstel der Zahnfußbreite haben. Nun wird der Zahnkopf noch um etwa ein Zwanzigstel der Zahnfußbreite gekürzt, so daß eine mit einem Füllstück dichtend zusammenwirken könnende ZahnkoDffläche entsteht.

Die Zahnflankenkurven können dabei Trochoiden, Kreisbögen oder auch andere ähnlich verlaufende Kurven sein, die im Zahnflankenbereich ausschließlich konvex verlaufen. Der Fußkreis des Hohlrades 2 und der Kopfkreis des Ritzels 15 sollten so groß gehalten werden, wie es ohne Eingriffsstörungen noch möglich ist.

In der dargestellten Maschine gemäß Fig. 1 ist das Zahnflankenprofil 1 des Hohlrades 2 beispielsweise durch Kreise 3 mit dem Radius r gebildet, die jeweils die

ίο einander abgekehrten Flanken benachbarter Zähne definieren. Die Mittelpunkte 6 der Zahnflankenkreise 3 liegen alle auf einem konzentrischen Kreis 7 mit Radius R um den Hohlradmittelpunkt 8. Der Kreis 3 kann auch drei oder noch mehr Zähne des Hohlrades überspannen.

Dementsprechend sind dann auch mehr Überschneidungspunkte 4 pro Kreisbogen vorhanden. Das Hohlrad selbst ist in der Regel an seinem Außenumfangskreis 9 in einem hier nicht dargestellten Gehäuse 10 drehbar gelagert. Konzentrisch zu diesem Außenumfangskreis 9 besitzt es einen Zahnkopfkreis 11, der mit dem Außenumfang des Füllstücks 12 zusammenfällt und in dem die überschliffenen Zahnkopfflächen der Zähne liegen. Es entstehen auf diese Weise geschlossene Zahnkammern 13, die bei Drehung z. B. Flüssigkeit transportieren.

Zweckmäßig wählt man für das Hohlrad eine ungerade Zähnezahl, z. B. elf, damit eine erste Voraussetzung für eine Teilerfremdheit erfüllt und oberharmonische Schwingungserregung möglichst vermieden ist. Der Teilkreis 14 ist zweckmäßig so gewählt, daß auf ihm gemessen die Zahndicke etwa gleich der Zahnlücke ist.

Das Ritzel 15 besitzt weniger Zähne als das Hohlrad. Die Zähnezahldifferenz richtet sich nach der erwünschten Dicke des Füllstücks 12, dem Zähnezahlverhältnis, der erwünschten Zahneingriffsfrequenz, dem erwünschten Wellendurchmesser und nach der erwünschten Fördermenge der Pumpe. Sein Teilkreis 16 ist im Verhältnis der Zähnezahlen kleiner als der des Hohlrades und hat den Achsabstand a. Die Form des Ritzelzahnes Yl entsteht dadurch, daß die Hohlradverzahnung als Mutterprofil um den Ritzelmittelpunkt 18 eine kreisende und zugleich um seinen eigenen Mittelpunkt 8 eine drehende Bewegung, also Planetenbewegung ausführt. Stellt man sich im Innern dieses Hohlradprofiles auf der Zeichenebene fein verteilten Sand vor, so wird dieser bei der Planetenbewegung des Profiles auf einer freibleibenden Restfläche zusammengeschoben und vermittelt auf diese Weise das Bild der inneren Hüllfigur der Hohlradverzahnung. Diese Hüllfigur stellt so das Gegenrad zum Hohlrad, also das Ritzel dar. Läßt man nun in einer

so kinematischen Vereinfachung beide Mittelpunkte 8 und 18 im Raum stillstehen, so wird die Winkelgeschwindigkeit der kreisenden Drehung Null, die Planetenbewegung vereinfacht sich in zwei Drehbewegungen. Sind bei der vorherigen Planetenbewegung die beiden Teilkreise schlupffrei aufeinander abgerollt, so ist das Verhältnis der Drehbewegungen bei stillstehenden Mittelpunkten (Standbewegung) in jeder Stellung konstant, was bei derartigen Getrieben stets verlangt wird. Auch das Ritzel wird einen Zahnkopfkreis 19 aufweisen, dem vorteilhaft Zahnkopfflächen des Ritzels angehören, die ebenfalls am Füllstück 12 innen entlanggleiten. Auch hierbei bildet die Ritzelverzahnung geschlossene Zahnkammern 20. die die ebenfalls im gleichen Sinne z. B. Flüssigkeit transportieren können.

fe5 1st die Zähnezahldifferenz und die Zähnezahl wie im gezeigten Beispiel sehr gering, so erhält man mehrere gleichzeitige Eingriffspunkte, an denen sich Zahnflanken beider Räder berühren. Die Gesamtheit aller möEli-

chen Eingriffspunkte in jeder Winkelstellung des Getriebes ergibt die theoretische Eingriffslinie 21. Durch die Länge der theoretischen Eingriffslinie der unkorrigierten Verzahnung wird vom Getriebe jedoch ein außergewöhnlich hohes Maß an Verzahnungsgenauigkeit verlangt und die Lagerungen der Zahnräder dürften kein Laufspiel besitzen, da dann kein fehlerfreies Kämmen beider Räder mehr möglich wäre.

Dank des stets wiederkehrenden Eingriffs der aufeinanderfolgenden Zähne jedoch ist zum Sicherstellen des stets konstanten Drehwinkelverhältnisses beider Räder dieser vielfache Zahneingriff nicht erforderlich. Um wenigstens angenähert immer nur eine Stelle des Zahneingriffs zu haben, sind nun die kopfkreisnahen Teile der Flanken der Ritzelzähne abgearbeitet, wie dies aus F i g. 4 erSiCiitiiCii iSt.

In F i g. 2 ist die Stellung des ersten Eingriffs der korrigierten Verzahnung bei den schraffierten Zähnen 22 und 23 dargestellt. Beim Hohlrad ist der erste Berührungspunkt 24 der Schnittpunkt von Hohlradflanke und Hohlradkopfkreis. Beim Ritzel 15 liegt er etwa im Bereich der Zahnfußrundung 25. Wird nun das Ritzel im Uhrzeigersinn in die Stellung in Fig. 3 weitergedreht, so wandert der Zahnflankeneingriffpunkt auf der Eingriffslinie 21 entlang dem Teilstück 26 (F i g. 3), welches dort dick hervorgehober ist, zum Punkt 27. Dies ist aber die Winkelstellung, bei der die neu in Eingriff kommenden nachfolgenden Zähne 28 und 29 erstmals am Hohlradkopfkreis 11 in Berührung kommen, die nun ihrerseits die Übertragung der Drehung des Ritzels auf das Hohlrad übernehmen. Außerhalb des Teilstücks 26 der Eingriffslinie ist somit ein weiterer Zahneingriff nicht erforderlich, das bedeutet, daß nur im Bereich des Teilstückes 26 die Zahnflanke des Ritzels der theoretischen Form gemäß Erzeugung durch die Kreisbewegung entsprechen muß. Im weiteren Verlauf der Drehbewegung der Zahnräder nach dem Punkt 27 soll keine Berührung mehr stattfinden und die Zahnflanken sollen sich je länger die Drehung fortschreitet, umso mehr voneinander entfernen. Aus den oben dargelegten Gründen soll auch vor dem Punkt 24 z. B. an den nachlaufenden Flanken 32,33 keine Berührung stattfinden. Es muß also entweder der Ritzelzahn an dem höchsten gewünschten Eingriffspunkt abgeschnitten werden, was bei Verdrängermaschinen nachteilig ist, oder, falls man die volle Zahnhöhe für eine große Fördermege beibehalten möchte, muß am Zahnkopf des Ritzels eine Korrektur der Zahnflanke vorgenommen werden derart, daß nach dem Teilstück 26 der Eingrifflinie 21 und vor dem Punkt 24 kein Zahneingriff möglich ist.

Diese Korrektur ist wegen der besseren Anschaulichkeit in F i g. 4 in vergrößertem Maßstab dargestellt. In dieser Zeichnung ist mit 34 der Ritzelzahn, mit 35 der Hohlradzahn dargestellt. Mit 36 ist die Ritzelzahnfußrundung bezeichnet, mit 37 der unkorrigierte Teil der Ritzelzahnflanke, der sich vom frühesten Eingriffspunkt 38 am Zahnfuß bis zum letzten Eingriffpunkt 39 erstreckt. Die strichpunktierte Linie 40 markiert den theoretischen, unkorrigierten Fortgang der Zahnflanke. Sie stellt die Hüllfigur aller weiteren möglichen Verläufe der Hohlradzahnflanke dar. Mit 41 ist nun die überall von der theoretischen Linie 40 zurückgesetzte Korrekturkurve für die Zahnflanke dargestellt, die in diesem Beispiel als Kreisbogen ausgebildet ist Wie man erkennen kann, führt die Kurve dann, eventuell mit einem kurzen Geradenstück verlängert, bis an eine Schabekante 42 heran, die dem einwandfreien Einlaufen am Füllstück 12 dient Zwischen den Kurven 40 und 41 und der Schabekante 42 ist der weggearbeitete Teil des Zahnes dargestellt und mit 43 bezeichnet, der sehr schön die Zahnspielverhältnisse außerhalb des gewünschten aktiven Eingriffsbereiches veranschaulicht. Man kann an dieser Darstellung nicht nur die erforderliche Lage und die richtige Wahl des Zahnkopfrundungsradius 44 erkennen, sondern auch die richtige zurückgesetzte Lage der Schabekante 42.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die in der Zeichnung dargestellten Formen nur eine bevorzugte Ausführung des Erfindungsgegenstandes wiedergibt und daß sich dieser Gestaltungsvorschlag auch bei vielen anderen Trochoidenverzahnungen anwenden läßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hydrostatische Zahnradmaschine mit einem Trochoidenzahnradpaar aus einem innenverzahnten Hohlrad und einem wenigstens zwei Zähne weniger als das Hohlrad aufweisenden Ritzel, das mit dem Hohlrad kämmt, und mit einem in dem der Stelle tiefsten Zahneingriffs gegenüberliegenden freien Raum zwischen den Kopfkreisen der Zahnräder angeordneten Füllstück, an dem die Zahnkopfflächen der Zahnräder dichtend entlanggleiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken (37) des einen Rades vom Zahnkopf aus auf einer solchen Länge gegenüber der theoretischen Zahnkontur (40) zurückgesetzt sind, daß der nicht zurückgesetzte Teil (38 bis 39) der Zahnflanken mit dem anderen Rad nur noch mit einem Oberdeckungsgrad von eins oder geringfügig weniger, kämmt.

2. Zahnradmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken des Ritzels zurückgesetzt sind.

3. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken des korrigierten Zahnrades im zurückgesetzten Bereich Kreisbogenform besitzen.

4. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zurückgesetzte Zahnflankenkontur mit gemeinsamer Tangente in die theoretische Zahnflankenkurve (37) übergeht.

5. Zahnradmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne sowohl am Hohlrand als auch am Ritzel jeweils genau symmetrisch sind.