Zahnradpumpe Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Derartige Zahnradpumpen umfassen regelmäßig zwei drehbare, miteinander kämmende Zahnräder, die in einem Gehäuse gelagert sind. Während des Betriebs solcher Zahradpumpen wird ein Fluid an einem Saugeinlass angesaugt, durch die Zahnräder mit Druck beaufschlagt und einem Druckauslass zugeführt. Die Zahnräder sind regelmäßig jeweils einstückig mit einer Welle ausgebildet, wobei die Welle an zwei gegenüberliegenden Lagerstellen drehgelagert ist. Ein Beispiel findet sich in der DE 10 2009 047 610 A1 .

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch eine Zahnradpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den

Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass dadurch, dass wenigstens ein Zahnrad lediglich auf einer Lagerstelle an einer feststehenden Achse drehbeweglich gelagert ist, Bauteile eingespart und somit Kosten gesenkt werden können. Durch die Lagerung an lediglich einer Lagerstelle kann zudem die Fertigungskomplexität reduziert werden, und die Genauigkeitsanforderungen bei der Herstellung können ebenfalls reduziert werden. Zudem führt der einfachere Aufbau zu kürzeren Toleranzketten, insbesondere können die Stirnseiten Spalte zwischen Zahnrad und axialen Begrenzungselementen an den axialen Seiten des auf nur einem Lager gelagerten Zahnrads reduziert werden. Insgesamt können der volumetrische und mechanische Wirkungsgrad verbessert werden. Weiterhin ergibt sich durch die vorgeschlagene Lagerung ein verbessertes Verschleißverhalten des Zahnrads an den axialen Seitenfläche im

Zusammenwirken mit den das Zahnrad axial begrenzenden Reibpartnern. Dies gilt insbesondere bei schlecht schmierenden Medien, so dass sich insgesamt auch eine Verbesserung des medienbedingten Verschleißverhaltens ergibt.

Die vorgeschlagene Zahnradpumpe eignet sich insbesondere für Anwendungen mit niederviskosen, schlecht schmierenden Medien, wie beispielsweise in WHR (Waste Heat Recovery )-Systemen.

In einer Ausgestaltung wird wenigstens eine axiale Seite des auf der

feststehenden Achse gelagerten Zahnrads von einer Anlaufplatte begrenzt. Diese Anlaufplatte kann insbesondere an den axialen Seiten des Zahnrads dicht anliegen. Insbesondere kann jeweils eine Anlaufplatte an beiden axialen Seiten vorgesehen sein. Dies gestattet in vorteilhafter Weise eine Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrads, da kein oder ein nur geringfügiger axialer Spalt zwischen Zahnrad und Anlaufplatte vorhanden ist. Aufgrund der Lagerung an nur einer Lagerstelle ist auch die Schiefstellung des Zahnrads zur Anlaufplatte auf ein Minimum reduziert, und sogenannte "Kantenläufer" können vermieden werden. Somit kann in günstiger Weise auch das Verschleißverhalten verbessert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine Anlaufplatte axial verlagerbar und insbesondere gegen die axialen Seiten des Zahnrads beaufschlagbar. In diesem Zusammenhang kann eine axiale Abdichtung des Zahnrads insbesondere druckabhängig erfolgen, in dem die dem Zahnrad abgewandte Außenseite der Anlaufplatte insbesondere mit dem Betriebsdruck beaufschlagt wird, so dass die Anlaufplatte eine definierte, druckabhängige Anpresskraft in axialer Richtung auf die Seitenfläche des Zahnrads ausüben kann. Denkbar ist, dass die festehende Achse an einem Pumpendeckel angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die feststehende Achse bolzen- oder wellenartig ausgebildet sein. Dabei ist besonders denkbar, dass die Zahnradpumpe ein insbesondere zylindrisches Gehäuse aufweist und an den axialen Endseiten von zwei Pumpendeckeln begrenzt wird. Im Gehäuse sind die beiden Zahnräder vorgesehen. Dabei kann ein erster Pumpendeckel die feststehende Achse aufweisen. Diese kann an den Pumpendeckel insbesondere gepresst sein, auf diesen aufgeschrumpft sein, in diesen eingesteckt sein oder mit diesem verstemmt sein. Wenn die feststehende Achse wellenartig ausgebildet ist, ist auch denkbar, dass die Achse sich vom ersten Pumpendeckel bis zum zweiten Pumpendeckel erstreckt und am zweiten Pumpendeckel beispielsweise in einer Aussparung aufgenommen ist. Eine so ausgebildete Achse ist besonders einfach herstellbar.

In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass die feststehende Achse einstückig mit dem Pumpendeckel ausgebildet ist. Insbesondere kann die feststehende Achse zusammen mit dem Pumpendeckel gegossen sein oder mit dem

Pumpendeckel verschweißt sein. Alternativ kann die feststehende Achse auch als vom Pumpendeckel separates Teil ausgebildet sein, beispielsweise mit diesem verpresst oder verstemmt oder in dieses eingeschrumpft sein.

Ferner kann vorgesehen sein, dass zwischen der feststehenden Achse und dem darauf gelagerten Zahnrad ein Lager, insbesondere ein Radiallager, vorgesehen ist. Insbesondere kann das Lager in das Zahnrad integriert sein. Hierdurch kann eine besonders einfache Lagerung des Zahnrads an nur einer Lagerstelle bereitgestellt werden.

In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass das Lager ais Wälzlager, insbesondere als Kugel- oder Nadellager, ausgebildet ist und insbesondere am Zahnrad befestigt ist.

Alternativ kann das Lager als Gleitlager, insbesondere als Mehrschicht- Verbundgleitlager, Keramik-Gleitlager oder PEEK-Gleitlager, ausgebildet sein und insbesondere in die feststehende Achse oder das darauf gelagerte Zahnrad eingepresst oder aufgeschrumpft sein. Vorgeschlagen wir zudem, dass das auf der festehenden Achse gelagerte Zahnrad aus abgelängtem Stangenprofil hergestellt ist oder mittels eines Pressoder Sinter- oder metal-injection-moulding-Verfahrens hergestellt ist. Ein solches Zahnrad ist besonders einfach als insbesondere symmetrisches Bauteil herstellbar. Andererseits kann das Zahnrad selbstverständlich auch mittels eines Dreh- und/oder Fräsverfahrens hergestellt sein.

Dabei ist vorstellbar, dass an der der feststehenden Achse zugewandten

Innenkontur des Zahnrads wenigstens eine Aussparung zur Fluidverbindung der beiden axialen Seiten des Zahnrads vorgesehen ist. Dadurch kann eine besonders günstige Leckageabführung durch das Zahnrad selbst hindurch erfolgen. Eine Abführung der Leckageströme muss folglich lediglich an einer axialen Seite des Zahnrads bereitgestellt werden, da die Leckage von einer ersten axialen Seiten zur zweiten axialen Seite fließen kann. Eine solche

Leckageabführung ermöglicht die Reduktion des Fertigungsaufwands und damit eine Kostenreduktion. Zusätzlich oder alternativ kann selbstverständlich auch durch geeignete Ausnehmungen in der Anlaufplatte und/oder im Pumpendeckel eine Leckageabführung ermöglicht werden.

In einer andere Ausgestaltung ist denkbar, dass beide Zahnräder auf jeweils einer feststehenden Achse drehbeweglich gelagert sind. Die Ankopplung des treibenden Zahnrads an eine externe Antriebswelle kann dann beispielsweise über eine Ausgleichskupplung oder eine gestreckte Antriebsverzahnung erfolgen.

In diesem Zusammehang ist denkbar, dass die beiden Zahnräder einerseits durch einen Pumpendeckel und andererseits durch die Anlaufplatte begrenzt werden. Dadurch ergibt sich eine besonders einfach aufgebaute Zahnradpumpe. Die Anlaufplatte kann insbesondere zur Axialspaltkompensation axial

verschiebbar ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass eine für die Axialspaltkompensation vorgesehene Axialfelddichtung zwischen dem Pumpendeckel und der Anlaufplatte vorgesehen ist und insbesondere in die Anlaufplatte oder den Pumpendeckel gelegt ist. Andererseits könnte auch auf jeder axialen Seite jeweils eine Anlaufplatte vorgesehen werden. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 Schematischer Querschnitt durch eine Zahnradpumpe gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 2 Schematischer Querschnitt durch eine Zahnradpumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Figur 3 Schematischer Querschnitt durch eine Zahnradpumpe gemäß einer dritten Ausführungsform; und

Figur 4 Draufsicht auf die Zahnräder gemäß Figur 3.

Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in den nachfolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.

In Figur 1 trägt eine als Außenzahnradpumpe ausgebildete Zahnradpumpe insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Zahnradpumpe 10 eignet sich

insbesondere für Anwendungen mit niederviskosen, schlecht schmierenden Medien (ORC-Medien) beispielsweise in WHR (Waste Heat Recovery )- Systemen.

Die Zahnradpumpe 10 weist ein rohrförmiges Pumpengehäuse 12 auf. Dieses wird in axialer Richtung von zwei Pumpendeckeln 14, 16 begrenzt. Die

Pumpendeckel 14, 16 sind mittels Zylinderstiften 18 sowie durch

Befestigungsmittel 19, vorliegend in Form von Schrauben oder Schraubbolzen, am Pumpengehäuse 12 befestigt. Die Zylinderstifte 18 können allgemein auch als Fixiermittel bezeichnet werden, welche die lagerichtige Positionierung der Pumpendeckel 14,16 relativ zum Pumpengehäuse 12 und zum weiter unten im Detail erwähnten Zahnrad 22 mindestens zum Teil übernehmen. Zur Abdichtung zwischen den Pumpendeckeln 14, 16 und dem Pumpengehäuse 12 sind Dichtelemente 21 , beispielsweise in Form von O-Ringen, vorgesehen. Somit wird ein fluiddichter Pumpeninnenraum 20 bereitgestellt. Im Pumpeninnenraum 20 sind zwei Zahnräder 22, 24 vorgesehen. Diese kämmen im Außeneingriff miteinander. Senkrecht zur Zeichenebene und in einer Flucht zueinander durchsetzen ein nicht gezeigter Saugeinlass und ein ebenfalls nicht gezeigter Druckauslass das Pumpengehäuse 12. Die Zahnräder 22, 24 fördern folglich in bekannter Weise ein Fluid vergleichsweise niedrigen Drucks vom Saugeinlass unter Druckbeaufschlagung zum Druckauslass, wo das Fluid unter

vergleichsweise hohem Druck die Zahnradpumpe 10 verlässt. Das sogenannte treibende Zahnrad 24 ist mit einer Abtriebswelle 26 drehfest verbunden. Die Abtriebswelle 26 ist durch einen Durchbruch 27 im

Pumpendeckel 14 nach außen geführt und wird von einem nicht gezeigten Antrieb angetrieben, so dass die Abtriebswelle 26 und damit das Zahnrad 24 um eine Drehachse 28 drehbar sind. Bei einer Drehung des Zahnrads 24 wird das Zahnrad 22 als sogenanntes getriebenes Zahnrad 22 ebenfalls mitgedreht.

Dieses dreht folglich um eine zur Drehachse 28 parallele Drehachse 30.

Zwischen der Abtriebswelle 28 und dem Pumpendeckel 14 und damit dem Gehäuseinnenraum 20 erfolgt eine Abdichtung durch einen Wellendichtring 31 . Zur Lagerung der Abtriebswelle 28 ist im Gehäuseinnenraum 20 an den jeweiligen Innenseiten der Pumpendeckel 14, 16 jeweils eine Lagerbrille 32, 34 vorgesehen. Jede Lagerbrille 32, 34 weist zwei Aussparungen 36, 38 auf, in die jeweils ein Gleitlager 40, 42 eingesetzt ist. In die Gleitlager 40, 42 ist die

Abtriebwelle 26 eingesetzt und darin drehbar gelagert. Folglich ist die

Abtriebswelle 26 und damit das Zahnrad 24 an zwei Lagerstellen gelagert.

Demgegenüber ist das getriebene Zahnrad 22 auf einer feststehenden Achse 44 gelagert. Die feststehende Achse 44 ist hierbei bolzenartig ausgebildet und einstückig mit dem Pumpendeckel 16 hergestellt. Die Achse 44 erstreckt sich ausgehend vom Pumpendeckel 16 in den Pumpeninnenraum 20. Zwischen der Achse 44 und dem Zahnrad 22 ist ein als Wälzlager ausgebildetes Lager 46 vorgesehen. Folglich ist das Zahnrad 22 an nur einer Lagerstelle drehgelagert.

Zwischen den Lagerbrillen 32, 34 und den Zahnrädern 22, 24 ist beidseits jeweils eine Anlaufplatte 48, 50 vorgesehen. Zur axialen Abdichtung der Zahnräder 22, 24 sind die Lagerbrillen 32, 34 und damit auch die Anlaufplatten 48, 50 axial, also in Drehachsenrichtung, verschiebbar. Die axiale Abdichtung erfolgt dabei druckabhängig, indem die von den Zahnrädern 22, 24 abgewandten Seiten der Lagerbrillen 32, 34 mit dem Betriebsdruck beaufschlagt werden, so dass die Lagerbrillen 32, 34 definierte, druckabhängige Anpresskräfte in axialer Richtung auf die Seitenflächen der Zahnräder 22, 24 ausüben. Hierzu sind

Axialdruckfelder vorgesehen, die durch Axialfelddichtungen 52, 54 begrenzt werden. Die Axialfelddichtungen 52, 54 sind dabei an den Lagerbrillen 32, 34 angeordnet und unter Vorspannung zwischen den Pumpendeckeln 14, 16 und den Lagerbrillen 32, 34 gelagert. Das Material der Anlaufscheiben 48, 50 ist dabei so gewählt, dass in vorteilhafter Weise eine Abdichtung und eine

Verschleißbeständigkeit vorhanden ist. Dabei wird insbesondere das lediglich an einer Lagerstelle gelagerte getriebene Zahnrad 22 axial dicht von den

Anlaufplatten 48, 50 begrenzt. Eine sogenannte radiale Fluidleckage entlang der axialen Seiten des Zahnrads 22 kann vollständig oder im Wesentlichen vollständig vermieden werden.

Die Ausführungsform gemäß Figur 2 unterscheidet sich von Figur 1 dadurch, dass die feststehende Achse 44 wellenartig ausgebildet ist und sich bis vom Pumpendeckel 16 bis zum Pumpendeckel 14 erstreckt und der freie Endbereich 56 der Achse 44 in einer Aussparung 58 im Pumpendeckel 14 aufgenommen ist.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 2 kann das getriebene Zahnrad 22 nutartige Aussparungen 60 (vgl. Figur 4) an der Innnenkontur aufweisen. Entstehendes Leckagefluid kann folglich in Drehachsenrichtung von einer axialen Seite auf die andere axiale Seite überführt und sodann aus dem Pumpeninnenraum 20 abgeführt werden. Demgegenüber ist das Zahnrad 24 gemäß den Figuren 1 und 2 drehfest mit der Abtriebswelle 26 verbunden und es tritt eine axiale Leckage zwischen den Gleitlagern 40, 42 und der Abtriebswelle 26 hindurch auf. Die so abfließende Leckage muss vergleichsweise aufwendig aus dem Pumpeninnenraum 20 abgeführt werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 sind beide Zahnräder 22, 24 an nur einer Lagerstelle gelagert. Das treibende Zahnrad 24 ist nunmehr ebenfalls auf einer feststehenden Achse 62 gelagert, die ebenfalls bolzenartig ausgebildet ist und einstückig mit dem Pumpendeckel 16 hergestellt ist. Zwischen dieser Achse 62 und dem Zahnrad 24 ist ebenfalls ein als Wälzlager ausgebildetes Lager 64 vorgesehen. Zum Antreiben des Zahnrads 24 weist die Abtriebswelle 26 einen nicht näher dargestellten Kupplungsabschnitt 66 auf, der eine Ausgleichskupplung oder auch eine gestreckte Antriebsverzahnung darstellen kann. Der Kupplungsabschnitt 66 ist hierbei mit dem Zahnrad 24 in nicht näher bezeichneter Art und Weise bewegungsgekoppelt. Die axialen Seiten der Zahnräder 22, 24 werden in diesem Fall einerseits vom Pumpendeckel 14 und andererseits von einer Anlaufplatte 68 begrenzt. Lagerbrillen 32, 34 sind im Gegensatz zu den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 2 nicht mehr vorhanden. Die Anlaufplatte 68 ist axial, also in Richtung der Drehachse 28, verlagerbar. In diesem Fall sind zur Bereitstellung einer Axialspaltkompensation Axialfelddichtungen 70 zwischen Pumpendeckel 16 und Anlaufplatte 68 vorgesehen. Folglich werden zwischen Anlaufplatte 68 und Pumpendeckel 16 Axialdruckfelder, ähnlich wie oben beschrieben, ausgebildet, so dass die Anlaufplatte 68 druckabhängig gegen die Zahnräder 22, 24 beaufschlagbar ist. Die Zahnräder 22, 24 weisen, wie in Figur 4 gezeigt ist, jeweils Ausnehmungen 60 auf. Somit sind die axialen Seiten der Zahnräder 22, 24 miteinander fluidverbunden und Leckagefluid kann von einer axialen Seite zur anderen axialen Seite abfließen und über einen geeigneten Leckagepfad abgeführt werden.

Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Zahnradpumpe 10 eine Erhöhung des volumetrischen und mechanischen Wirkungsgrads, eine Reduktion der

Fertigungskomplexität und der Genauigkeitsanforderungen sowie daraus resultierend eine Erniedrigung der Betriebs- und Herstellungskosten. Dies insbesondere dadurch, dass wenigstens ein Zahnrad 22, 24 lediglich auf einer Lagerstelle gelagert ist. Insbesondere bei einer Kombination mit seitlichen Anlaufplatten 48, 50 ergibt sich ein besonders hoher volumetrischer

Wirkungsgrad und zudem ein vergleichsweiser geringer Verschleiß, da die Schiefstellung des lediglich auf einer Lagerstelle gelagerten Zahnrads 22, 24 zur Anlaufplatte 48, 50 auf eine Minimum reduziert ist und Kantenläufer in vorteilhafter Weise vermieden werden können. Zudem kann eine besonders günstige Leckageabführung durch das auf nur einem Lager gelagerte Zahnrad 22, 24 durch nutartige Ausnehmungen 60 hindurch erfolgen.