Titel

Γ- ...Zahnradpumpe....l

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Stand der Technik

Innenzahnradpumpen, die besonders zur Bereitstellung hoher Drücke geeignet sind, werden zur Förderung von Fluiden eingesetzt, wie beispielsweise zur Förderung von Kraftstoff zu einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die aus dem Stand der Technik bekannten Innenzahnradpumpen weisen üblicherweise ein zylindrisch ausgebildetes Innenzahnrad, den sogenannten Gerotor, mit einem Parallelprofil auf. Die verwendeten Flankenprofile sind überwiegend mit einer Trochoidverzahnung ausgebildet, welche mittels einer Sintertechnik erzeugt werden. Für große Zahnradsätze, z. B. für Fördermengen ab 15 cm ³ /U und für gute Starteigenschaften entsprechend notwendige geringe Kopfspiele unterhalb 70 μιη müssen die Flankenprofile außerdem einem sehr aufwändigen Schleifverfahren unterzogen werden. Besonders aufwändig ist hierbei das Innenschleifen, d. h. der Schliff des inneren Umfangs des Außenzahnrads. Dies hat hohe Produktionskosten zur Folge.

Auch problematisch bei dieser Art von asymmetrischen Pumpen, bei welchen der Zulauf und Ablauf auf der gleichen Seite angeordnet ist, ist der hohe Verschleiß. Insbesondere kann Kavitationsverschleiß gegenüber des Zulaufs und Ablaufs der Pumpe auftreten. Große Pumpen, die den Zulauf und Ablauf auf der gleichen Seite aufweisen und die stark asymmetrisch arbeiten, sind in der Axialrichtung der Pumpe hohen Belastung ausgesetzt. Hier entstehen nicht nur unerwünschte Kavitationseffekte an der Verzahnung der dem Zulauf und Ablauf gegenüberliegenden Seite, sondern es tritt auch ein hoher Verschleiß an den Planflächen des Innenzahnrads und des Zahnrings auf. Aus DE 10 2006 049 361 A1 ist eine Innenzahnradpumpe in einseitiger Bauweise bezüglich des Zulaufs und Ablaufs bekannt, die einen Ausnehmungsbereich umfasst, der an einer Seitenoberfläche des Abtriebsrotors und/oder des Antriebs- rotors vorgesehen ist. Der Ausnehmungsbereich kommuniziert mit dem jeweiligen entsprechenden Zwischenraum und ist derartig definiert, dass die Einlassöffnung und die Auslassöffnung daran gehindert werden, mit dem jeweiligen entsprechenden Zwischenraum an der Position, an der entsprechende Zwischenraum das maximale Volumen erreicht, zu kommunizieren. Der Ausnehmungsbe- reich öffnet sich in einer Richtung zwischen einer radialen Richtung des Antriebsrotors oder des Abtriebsrotors und einer Umfangsrichtung desselben an jedem Zahn des jeweiligen Abtriebsrotors oder Antriebsrotors. Durch diese Konfiguration sollen Kavitationseffekte vermieden werden. Aus DE 43 30 586 A1 ist eine Innenzahnradpumpe für einen großen Drehzahlbereich bekannt, bei welcher zur Verhinderung von unerwünschter Kavitationseffekten im Druckbereich sowie zur Ermöglichung des Abströmens von Öl aus den sich verkleinernden Förderzellen zwischen den Zähnen der Zahnräder ein impedanzgeregelter Überströmkanal vorgesehen ist, dessen Öffnungen zu den wan- dernden Förderzellen hin von den Zähnen wenigstens eines der Zahnräder abwechselnd geöffnet und geschlossen werden.

Problematisch bei derartigen Konfigurationen ist jedoch, wie oben bereits erwähnt, die aufwändige Bearbeitung der Zahnräder bzw. des Verzahnungsprofils und die damit verbundenen hohen Herstellungskosten.

Daher ist es wünschenswert, Kavitationseffekte bei Zahnradpumpen, insbesondere bei Innenzahnradpumpen, auf konstruktiv einfache und somit kostengünstige Art und Weise zu verhindern.

Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung Erfindungsgemäß wird eine Zahnradpumpe zum Fördern eines Fluids mit einem drehbar gelagerten außenverzahnten Zahnrad und einem innenverzahnten Zahnring, welche zusammen eine Verzahnung bilden und zur Erzeugung einer Förderwirkung in kämmendem Eingriff stehen, bereitgestellt, wobei ein Verzah- nungsprofil des außenverzahnten Zahnrads und des innenverzahnten Zahnrings konisch ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Konfiguration des Verzahnungsprofils können unerwünschte Kavitationseffekte auf einfache und kostengünstige Weise, nämlich lediglich durch die konische Ausbindung des Verzahnungsprofils, vermieden werden. Ein derart ausgebildetes Verzahnungsprofil er- fordert lediglich einen Sinterprozess, jedoch kein zusätzliches Schleifen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Zahnring eine Vielzahl von Zähnen auf, wobei jeder Zahn des Zahnrings von einer Zulaufseite des Zahnrings, von welcher das Fluid in die Verzahnung eintritt, zu einer gegenüberlie- genden Seite des Zahnrings konisch verjüngt ausgebildet ist.

Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen auf, wobei jeder Zahn des Zahnrads von einer gegenüberliegenden Seite des Zahnrads zu einer Zulaufseite des Zahnrads konisch verjüngt ausgebildet ist.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein Zulauf und ein Ablauf der Zahnradpumpe auf der jeweiligen Zulaufseite des Zahnrings und des Zahnrads angeordnet.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind der Zulauf auf der Zulaufseite des Zahnrings und des Zahnrads und der Ablauf auf der jeweiligen gegenüberliegenden Seite des Zahnrings angeordnet. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Verzahnung auf der jeweiligen Zulaufseite des Zahnrings und des Zahnrads kleiner als der Durchmesser der Verzahnung auf der jeweiligen gegenüberliegenden Seite. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Zahnradpumpe besonders bei sehr hohen Drehzahlen durch Zentrifugalkräfte erhöht, da das Fluid an der Seite der Verzahnung, welche den kleineren Durch- messer bzw. Strömungsquerschnitt aufweist, eintritt und an der gegenüberliegenden Seite mit größerem Durchmesser bzw. Strömungsquerschnitt austritt. Darüber hinaus ist die Verzahnung vorzugsweise als Trochoidverzahnung ausgebildet.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Kopfspiel durch die Axialposition des Innenzahnrads zu dem Außenzahnrad bestimmt. Vorzugsweise ist das Kopfspiel der Zahnradpumpe durch die Axialposition des Innenzahnrads zu der Position des Außenzahnrads bei einer Planflächenbearbeitung veränderbar, insbesondere verkleinerbar. Vorzugsweise ist das Kopfspiel kleiner als 70 μιη.

Vorzugsweise sind das Innenzahnrad und das Außenzahnrad an ihren jeweiligen Zahnprofilen lediglich gesintert. Eine zusätzliche Schleifbearbeitung ist nicht erforderlich und somit können die Produktionskosten deutlich reduziert werden. Die Planflächen der Zahnräder werden nach dem Sintern bearbeitet. Je tiefer das Zahnrad in den Zahnring eintaucht, desto weniger Kopfspiel wird der Gerotor aufweisen, was die Funktion erheblich verbessert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Innenzahnradpumpe gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Verzahnung einer Innenzahnradpumpe gemäß einer Ausführungsform; und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Verzahnung einer Innenzahnradpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung In Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine als Innenzahnradpumpe ausgebildete Zahnradpumpe 1 gemäß dem Stand der Technik mit paralleler Verzahnung. Die Zahnradpumpe 1 umfasst ein Zahnradpaar, welches aus einen innenverzahnten Zahnring 2 und einem außenverzahnten Zahnrad 3 besteht. Das Zahnrad 3 ist exzentrisch zum Zahnring 2 drehbar auf einem Lagerzapfen 4 angeordnet. Wird das Zahnrad 3 in eine Drehbewegung versetzt, so kämmt die Außenverzahnung des Zahnrads 3 in der Innenverzahnung des Zahnrings 2 und erzeugt einen Fördervolumenstrom des Fluids, in welchem die Verzahnung läuft. Das Zahnradpaar aus dem Zahnring 2 und dem Zahnrad 3 ist in einem Gehäuse 5 angeordnet, wobei der Lagerzapfen 4 einteilig bzw. integral mit dem Gehäuse 5 ausgebildet ist. In der hier dargestellten Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik wird die Zahnradpumpe 1 elektrisch angetrieben. Jedoch sind jegliche Antriebsformen, insbesondere ein mechanischer Antrieb der Zahnradpumpe 1 , implementierbar. Der Zahnring 2 ist darüber hinaus drehfest mit einem Magnetring 6 verbunden, wobei sich der Magnetring 6 um den Zahnring 2 radial umlaufend erstreckt. Der Magnetring 6 läuft in einer Innenseite eines Stators 7, welcher eine nicht dargestellte Elektrowicklung aufweist. Wird die Elektrowicklung durch eine Steuerung elektrisch kommutiert, so wird im Stator 7 ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt. Aufgrund des umlaufenden Magnetfeldes wird der Magnetring 6 in Rota- tion versetzt, wobei aufgrund der drehfesten Verbindung des Magnetrings 6 mit dem Zahnring 2 auch die Verzahnung bestehend aus dem Zahnring 2 und dem Zahnrad 3 in Betrieb gesetzt wird. Weiterhin sind ein Zulauf 8 und ein Ablauf 9 für das zu fördernde Fluid, wobei es sich hier um Kraftstoff handelt, durch die gestrichelten Kreislinien angedeutet. Der Zulauf 8 und der Ablauf 9 sind hier um 180° zueinander versetzt angeordnet und münden in eine Zulaufniere bzw. eine Ablaufniere. Diese sind seitlich an der Verzahnung, bestehend aus dem Zahnring 2 und dem Zahnrad 3 vorgesehen und bilden drehrichtungsabhängig einerseits eine Saugseite und andererseits eine Druckseite des Förderfluids bzw. des zu fördernden Kraftstoffs.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Zahnradpaars einer Innenzahnradpumpe gemäß einer Ausführungsform. Die Verzahnung des Zahnradpaars ist in der Ausführungsform derartig konfiguriert, dass sowohl der innenverzahnte Zahnring 2 mit konisch zulaufenden bzw. kegelstumpfförmig ausgebildeten Zäh- nen 10 als auch das Zahnrad 3 mit konisch zulaufenden bzw. kegelstumpfförmi- gen Zähnen 1 1 ausgebildet sind, wodurch die oben beschriebenen Verschleißef- fekte vermieden werden. Auch sind sowohl die im Wesentlichen kegelstumpfför- migen Zahnprofile des Zahnrads 3 als auch der Zahnrings 2 lediglich einem Sinterverfahren unterzogen worden. Eine anschließende Schleifbearbeitung wurde lediglich an den Planflächen und nicht an diesen Profilflächen durchgeführt. Der Zahnring 2 weist eine Zulaufseite 12, von welcher das zu fördernde Fluid bzw. der Kraftstoff in das Zahnradpaar eintritt, was in der Figur durch die Strömungsrichtung S _z gekennzeichnet ist, und eine der Zulaufseite 12 gegenüberliegende Seite 13 auf. Auch das Zahnrad 3 weist eine Zulaufseite 14 und eine der Zulaufseite 14 gegenüberliegende Seite 15 auf. Es ist erkennbar, dass sich jeder Zahn 10 des Zahnrings 2 von einer Seite des Zahnrings 2 zu einer gegenüberliegenden Seite konisch verjüngt. In entgegengesetzter Richtung verjüngt sich jeder Zahn 1 1 des außenverzahnten Zahnrads 3 von der gegenüberliegenden Seite 15 zu der Seite 14 des Zahnrads 3. Der Durchmesser d der Verzahnung ist dabei auf der jeweiligen Zulaufseite 14, 12 des Zahnrads 3 bzw. des Zahnrings 2 klei- ner als der Durchmesser D der Verzahnung auf den jeweiligen gegenüberliegenden Seiten 15, 13. Der Zulauf, welcher hier lediglich durch die Zulaufniere 16 angedeutet ist, befindet sich dabei auf der Seite der Verzahnung mit dem kleineren Durchmesser d. Durch den Pfeil S _A ist die Strömungsrichtung des Fluids zum Ablauf der Innenzahnradpumpe gekennzeichnet, welcher ebenfalls nur rein sche- matisch durch die Ablaufniere 17 angedeutet ist, wobei in der hier dargestellten

Ausführungsform der Zulauf und der Ablauf auf der gleichen Seite angeordnet sind, wie es bestimmte Einbausituationen erfordern können. Dies entspricht einer sogenannten asymmetrischen Bauweise. Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Verzahnung einer Innenzahnradpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform lediglich dadurch, dass der Zulauf, wiederum nur durch die Zulaufniere 16 angedeutet, sich zwar auf der Seite der Verzahnung mit dem kleineren Durchmesser d befindet; der Ab- lauf jedoch, angedeutet durch die Ablaufniere 17, befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Verzahnung mit größerem Durchmesser D. Dies entspricht im Gegensatz zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer sogenannten symmetrischen Bauweise. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für Innenzahnradpumpen mit hohen Drehzahlen, um deren Verschleißresis- tenz und auch deren Wirkungsgrad zu verbessern. Bei der Innenzahnradpumpe gemäß der Erfindung können somit negative Kavitationseffekte auf einfache und somit kostengünstige Weise vermieden werden. Weiterhin kann der Wirkungsgrad der Innenzahnradpumpe durch die erfindungsgemäße kegelförmige Ausgestaltung der Verzahnung verbessert werden. Auch der Verschleiß an den Planflächen des Innenzahnrads und des Zahnrings wird bei großen Pumpen mit asymmetrischer Bauweise, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, stark reduziert.