Titel

Außenzahnradmaschine Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradmaschine, insbesondere eine

Außenzahnradpumpe oder einen Außenzahnradmotor, mit einem Triebwerk, das wenigstens zwei Zahnräder umfasst, die im Außeneingriff miteinander kämmen und um zwei Drehachsen drehbar gelagert sind, wobei im Betrieb der

Außenzahnradmaschine auf die Zahnräder Lagerkräfte wirken, die aus einem Antriebsmoment, mit welchem eines der Zahnräder angetrieben wird, und aus einem inneren Druckfeld resultieren, das von einem Arbeitsfluid ausgeübt wird, das im Betrieb der Außenzahnradmaschine mit einem Betriebsdruck

beaufschlagt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren auch ein Verfahren zum Auslegen einer derartigen Außenzahnradmaschine.

Stand der Technik

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 212 255 AI ist eine

Außenzahnradmaschine, insbesondere eine Außenzahnradpumpe oder ein Außenzahnradmotor, mit einem Gehäuse bekannt, in dem wenigstens ein erstes

Zahnrad aufgenommen ist, welches mit einem zugeordneten zweiten Zahnrad im Außeneingriff kämmt, wobei das wenigstens eine erste Zahnrad in wenigstens einem ersten Lagerkörper bezüglich einer ersten Drehachse drehbar gelagert ist, wobei das zweite Zahnrad in wenigstens einem zweiten Lagerkörper bezüglich einer zweiten Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die erste und die zweite

Drehachse parallel zueinander verlaufen, so dass sie eine erste Ebene aufspannen, wobei der wenigstens eine erste Lagerkörper senkrecht zur ersten Ebene geradlinig gleitbeweglich am zugeordneten zweiten Lagerkörper abgestützt ist, wobei eine Relativbewegung in Richtung der ersten Drehachse unterbunden ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 216 254 AI ist eine ähnliche Außenzahnradmaschine bekannt, die Lagerbuchsen aus einem Werkstoff umfasst, der einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als ein Gehäuse aufweist, wobei die Lagerbuchsen ganz oder teilweise sich zwischen ihrer radial äußeren Mantelfläche und ihrer Lagerbohrung erstreckende, schlitzartige Ausnehmungen aufweisen. Aus der deutschen Offenlegungsschrift

DE 10 2012 005 958 AI ist eine hydraulische Außenzahnradmaschine bekannt, bei der im Bereich eines Niederdruckanschlusses an Zahnrädern axial anliegende Bereiche der Innenwände von Lagerbuchsen elastisch verformbar ausgebildet sind.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer einer Außenzahnradmaschine, insbesondere einer Außenzahnradpumpe oder eines Außenzahnradmotors, mit einem Triebwerk, das wenigstens zwei Zahnräder umfasst, die im Außeneingriff miteinander kämmen und um zwei Drehachsen drehbar gelagert sind, wobei im Betrieb der Außenzahnradmaschine auf die Zahnräder Lagerkräfte wirken, die aus einem Antriebsmoment, mit welchem eines der Zahnräder angetrieben wird, und aus einem inneren Druckfeld resultieren, das von einem Arbeitsfluid ausgeübt wird, das im Betrieb der Außenzahnradmaschine mit einem

Betriebsdruck beaufschlagt wird, insbesondere im Betrieb mit einem

niedrigviskosen Medium, wie einem ORC-Fluid, zu verlängern.

Die Aufgabe ist bei einer Außenzahnradmaschine, insbesondere einer

Außenzahnradpumpe oder einem Außenzahnradmotor, mit einem Triebwerk, das wenigstens zwei Zahnräder umfasst, die im Außeneingriff miteinander kämmen und um zwei Drehachsen drehbar gelagert sind, wobei im Betrieb der

Außenzahnradmaschine auf die Zahnräder Lagerkräfte wirken, die aus einem Antriebsmoment, mit welchem eines der Zahnräder angetrieben wird, und aus einem inneren Druckfeld resultieren, das von einem Arbeitsfluid ausgeübt wird, das im Betrieb der Außenzahnradmaschine mit einem Betriebsdruck

beaufschlagt wird, dadurch gelöst, dass das Triebwerk der

Außenzahnradmaschine im Hinblick auf die Lagerkräfte, die auf die Zahnräder wirken, gezielt asymmetrisch ausgeführt ist, um die Zahnräder im Betrieb der Außenzahnradmaschine möglichst gleichmäßig zu belasten. Durch die bewusst asymmetrische Ausführung des Triebwerks wird eine symmetrische

Lastverteilung im Betrieb der Außenzahnradmaschine erreicht. Das heißt, die Last durch die Lagerkräfte wird gleichmäßig auf die beiden Zahnräder verteilt. Durch die gleichmäßige Aufteilung der Lagerkräfte werden die einzelnen Bauteile der Außenzahnradmaschine gleichmäßig belastet. Dadurch wird vorteilhaft auch ein gezielt symmetrischer Eintrag von mechanischen Verlusten erreicht. Vor allem innerhalb von Lagerstellen der Außenzahnradmaschine werden der Anteil und die Höhe aller eingetragenen mechanischen Verluste gleichmäßig auf die betroffenen Bauteile der Außenzahnradmaschine verteilt. Daraus ergeben sich zumindest ähnliche Reibverhältnisse innerhalb der Lagerstellen, damit eine gleichmäßige Temperaturentstehung und letztlich ähnliche Verschleißzustände an allen Lagerstellen. Dadurch kann die Lebensdauer der

Außenzahnradmaschine im Betrieb mit einem ORC-Fluid signifikant verlängert werden. Die Buchstaben ORC stehen für die englischen Begriffe Organic Rankine Cycle. Beispiele für ORC-Fluide sind Ethanol oder Cyclopentan. Im

Rahmen von Kraftfahrzeuganwendungen hat sich die Verwendung von einem Kältemittel, wie es in Klimaanlagen eingesetzt wird, als vorteilhaft erwiesen. Das Kältemittel hat ausreichend gute thermodynamische Eigenschaften und ist zudem nicht brennbar.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerk der Außenzahnradmaschine geometrisch so angepasst ist, dass alle kraftübertragenden Bauteile der

Außenzahnradmaschine eine gleichmäßige, insbesondere symmetrische, Lastverteilung aufweisen. Durch die gleichmäßige Belastung von Wellen und

Lagerstellen können diese optimal an die wirkenden Lastverhältnisse angepasst werden. Dadurch können mehr Gleichteile als bei herkömmlichen

Außenzahnradmaschinen verwendet werden. Darüber hinaus wird die

Verwendung von überdimensionierten Bauteilen vorteilhaft vermieden.

Die oben angegebene Aufgabe ist bei einer Außenzahnradmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere bei einer vorab beschriebenen Außenzahnradmaschine, alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass das angetriebene Zahnrad mindestens eine externe Lagerstelle mit einer Lagerung aufweist, die nicht mit dem Arbeitsfluid der Außenzahnradmaschine in Kontakt kommt. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die

Außenzahnradmaschine mit einem niedrigviskosen Medium, insbesondere einem ORC-Fluid, betrieben wird. Derartige niedrigviskosen Medien haben quasi keine Schmiereigenschaften. Daher kann bei einer Förderung derart kritischer Medien in einer Außenzahnradmaschine mit herkömmlichen Gleitlagern kein ausreichend tragfähiger Schmierfilm ausgebildet werden. Dann besteht zum Beispiel die Gefahr, dass die Lagerstellen unerwünscht lange, insbesondere permanent, in einem Mischreibungsbereich laufen. Das führt zu einer unerwünscht hohen Wärmeentwicklung in der Lagerstelle, was wiederum mit einem schnelleren Verschleiß verbunden ist. Alle diese Nachteile können mit der externen Lagerung vermieden werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung an der externen Lagerstelle eine separate Schmierung aufweist. Aufgrund der separaten Schmierung kann die externe Lagerstelle tribologisch optimal betrieben werden. Die separat geschmierte externe Lagerstelle kann vorteilhaft größte Radiallasten aufnehmen. Dadurch können die Lagerlasten innerhalb der Außenzahnradmaschine auf ein Minimum reduziert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem angetriebenen oder treibenden Zahnrad getriebenes Zahnrad einen kleineren wirksamen Zahnraddurchmesser als das angetriebene oder treibende Zahnrad aufweist. Dadurch kann die Belastung des getriebenen Zahnrads vorteilhaft soweit verringert werden, bis die Belastungen der beiden Zahnräder etwa gleich sind.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das getriebene Zahnrad weniger Zähne als das angetriebene oder treibende Zahnrad aufweist. Durch diese Maßnahme kann der Zahnraddurchmesser des getriebenen Zahnrads auf einfache Art und Weise verkleinert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das getriebene Zahnrad einen anderen Verzahnungsmodul als das angetriebene oder treibende Zahnrad aufweist. Bei der Auslegung der Zahnräder ist lediglich darauf zu achten, dass die Fähigkeit der Zahnräder erhalten bleibt gegeneinander zu kämmen. Darüber hinaus gilt es, eine ausreichende Abdichtung über die Zahnflanken im Betrieb der

Außenzahnradmaschine aufrechtzuerhalten.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das getriebene Zahnrad auf einer feststehenden Achse gelagert ist. Das liefert zum Beispiel den Vorteil, dass nur noch eine Lagerstelle innerhalb des Arbeitsmediums der Außenzahnradmaschine benötigt wird. Die Lagerstelle innerhalb des Arbeitsmediums kann dann so groß wie möglich ausgeführt werden, um die Lagerlast vorteilhaft weiter zu reduzieren.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das getriebene Zahnrad durch Zahnköpfe direkt in einem Gehäuse der Außenzahnradmaschine gelagert ist. Dadurch können ansonsten benötigte Bauteile zur Darstellung einer Lagerstelle entfallen. Das führt zu einer vorteilhaften Gewichtseinsparung. Die vorab beschriebenen Maßnahmen führen in Kombination vorteilhaft zu einem völligen Entfall von Lagerstellen innerhalb des Arbeitsmediums oder Betriebsmediums der

Außenzahnradpumpe.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Auslegen einer vorab beschriebenen Außenzahnradmaschine. Bei der Auslegung der

Außenzahnradmaschine wird das Triebwerk im Rahmen der Konstruktion im Hinblick auf die Lagerkräfte, die auf die Zahnräder wirken, gezielt asymmetrisch ausgeführt, um die Zahnräder im Betrieb der Außenzahnradmaschine möglichst gleichmäßig zu belasten. Dabei können die vorab beschriebenen Maßnahmen auch in verschiedenen Kombinationen einzeln oder zusammen miteinander angewendet werden.

Die vorab beschriebene Außenzahnradmaschine wird vorzugsweise in einem System zur Wärmerückgewinnung aus Abgas im Betrieb von Nutzfahrzeugen verwendet. Das Wärmerückgewinnungssystem aus dem Abgas wird auch als Waste- Heat-Recovery-System bezeichnet. Als Arbeitsfluid wird in dem verkürzt auch als WHR-System bezeichneten Wärmerückgewinnungssystem zum

Beispiel ein ORC-Fluid verwendet. Das ORC-Fluid wird durch eine vorab beschriebene Außenzahnradmaschine von einem niedrigen auf einen höheren Druck gebracht und zu Verdampfern gefördert. Die Verdampfer nehmen

Abwärme aus einem Abgastrakt und einer Abgasrückführung auf und

verdampfen das ORC-Fluid. Der erzeugte Dampf verrichtet in einer

Expansionsmaschine Arbeit und wird anschließend in einem Kondensator wieder verflüssigt, wobei die Restwärme an die Umgebung abgegeben wird. Schließlich wird die Flüssigkeit erneut der Außenzahnradmaschine zugeführt. Die aus dem Prozess erhaltene Energie kann zum Beispiel mechanisch an eine Kurbelwelle abgegeben werden oder einen Generator antreiben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen: eine Prinzipdarstellung einer Außenzahnradmaschine mit einer

Lageranordnung im Längsschnitt;

Figur 2 die Außenzahnradmaschine aus Figur 1 im Querschnitt; und

Figur 3 eine ähnliche Außenzahnradmaschine wie in den Figuren 1 und 2 mit einem kraftausgeglichenen Triebwerk perspektivisch und teilweise geschnitten.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren 1 und 2 ist eine Prinzipdarstellung einer Außenzahnradmaschine 1 mit einem ersten Zahnrad 3 und einem zweiten Zahnrad 4 vereinfacht im Längsschnitt und im Querschnitt dargestellt. Die außen verzahnten Zahnräder 3, 4 kämmen im Außeneingriff miteinander. Das erste Zahnrad 3 ist in Figur 1 auf seiner linken Stirnseite drehfest mit einem Zapfen 5 verbunden. Wenn die Außenzahnradmaschine 1 als

Außenzahnradpumpe ausgeführt ist, kann das erste Zahnrad 3 über den Zapfen 5 angetrieben werden, der dann auch als Antriebszapfen 5 bezeichnet wird. Auf seiner in Figur 1 rechten Seite ist das erste Zahnrad 3 drehfest mit einem

Lagerzapfen 6 verbunden.

Das zweite Zahnrad 4 weist in Figur 1 seitlich zwei Lagerzapfen 7, 8 auf, mit denen das zweite Zahnrad 4 drehfest verbunden ist. Die beiden Zahnräder 3, 4 sind mit Hilfe der Zapfen 5, 6 und 7, 8 drehbar in einem Gehäuse 10 gelagert. Das erste Zahnrad 5 ist mit Hilfe des Antriebszapfens 5 und des Lagerzapfens 6 um eine erste Drehachse 13 drehbar. Das zweite Zahnrad 4 ist mit Hilfe der Lagerzapfen 7, 8 um eine zweite Drehachse 14 drehbar, die parallel zu der ersten Drehachse 13 ist.

Das Gehäuse 10 wird auf seiner in Figur 1 linken Seite von einem ersten Gehäusedeckel 11 und auf seiner in Figur 1 rechten Seite von einem zweiten Gehäusedeckel 12 begrenzt. Ein Gehäusegrundkörper 15 des Gehäuses 10 ist zwischen den Gehäusedeckeln 11, 12 angeordnet.

Der erste Gehäusedeckel 11 ist mit Hilfe von Befestigungsmitteln 16, 17 fest mit dem Gehäusegrundkörper 15 verbunden. Der zweite Gehäusedeckel 12 ist mit Hilfe von Befestigungsmitteln 18, 19 fest mit dem Gehäusegrundkörper 15 verbunden. Bei den Befestigungsmitteln 16 bis 19 handelt es sich zum Beispiel um Schraubbolzen, die mit Passstiften kombiniert sein können.

In Figur 1 ist zwischen dem ersten Gehäusedeckel 11 und dem

Gehäusegrundkörper 15 eine erste Gehäusedichtung 21 angeordnet. In Figur 1 ist zwischen dem zweiten Gehäusedeckel 12 und dem Gehäusegrundkörper 15 eine zweite Gehäusedichtung 22 angeordnet.

In Figur 1 dient ein Radialwellendichtring 24 zur Abdichtung einer

Drehdurchführung des Antriebszapfens 5 durch den ersten Gehäusedeckel 11. Der Radialwellendichtring 24 wird in bekannter Art und Weise von außen in einen Ringraum eingebaut, der sich um den Antriebszapfen 5 herum erstreckt. In Figur 1 dient zur Lagerung der beiden Zahnräder 3, 4 in dem Gehäuse 10 eine Lageranordnung 25. Die Lageranordnung 25 umfasst zur Lagerung des ersten Zahnrads 3 zwei Radiallager 26, 27. Zur Lagerung des zweiten Zahnrads 4 umfasst die Lageranordnung 25 zwei weitere Radiallager 28, 29.

Den Radiallagern 26 und 27 sind zwei Axialfelddichtungen 31, 32 zugeordnet, die zur Abdichtung zwischen den Radiallagern 26, 27 und den Gehäusedeckeln 11, 12 dienen. Den Radiallagern 28, 29 sind zwei Axialfelddichtungen 33, 34 zugeordnet, die zur Abdichtung zwischen den Radiallagern 28, 29 und den Gehäusedeckeln 11, 12 dienen.

Der Antriebszapfen 5 und die Lageranordnung 25 mit den Radiallagern 26 bis 29 stellen ein Triebwerk 40 der Außenzahnradmaschine 1 dar. Wenn die

Außenzahnradmaschine 1 mit einem sogenannten kritischen Medium betrieben wird, das eine sehr niedrige Viskosität, eine geringe Schmierfähigkeit und gegebenenfalls eine chemische Aggressivität aufweist, dann kann die

Lebensdauer der zum Beispiel als Gleitlager ausgeführten Radiallager 26 bis 29 in einer unerwünschten Art und Weise beeinträchtigt werden.

In Figur 2 ist die Außenzahnradmaschine 1 aus Figur 1 im Querschnitt dargestellt. Im Querschnitt sieht man, dass der Außenzahnradmaschine 1 im Betrieb auf einer Saugseite 35 ein niedrigviskoses Medium, wie ein ORC-Fluid, insbesondere ein Kältemittel, zugeführt wird. Das zugeführte niedrigviskose Medium ist in Figur 2 durch einen Pfeil 37 angedeutet.

Wenn die Außenzahnradmaschine 1 als Außenzahnradpumpe betrieben wird, dann wird das zugeführte niedrigviskose Medium durch die im Außeneingriff miteinander kämmenden Zahnräder 3, 4 mit Druck beaufschlagt. Auf einer Druckseite 36 tritt das mit Druck beaufschlagte niedrigviskose Medium dann aus, wie durch einen Pfeil 38 angedeutet ist.

Durch einen Pfeil 41 ist ein Antriebsdrehmoment, das verkürzt auch als

Antriebsmoment bezeichnet wird, angedeutet, mit dem die als

Außenzahnradpumpe betriebene Außenzahnradmaschine 1 über den Antriebszapfen (5 in Figur 1) angetrieben wird. Das mit dem Antriebsmoment 41 angetriebene Zahnrad 3, das auch als treibendes Zahnrad 3 bezeichnet wird, treibt das damit kämmende Zahnrad 4 in einer Drehrichtung an, die durch eine Pfeil 42 angedeutet ist. Das angetriebene oder treibende Zahnrad 3 dreht sich in Figur 2 gegen den Uhrzeigersinn. Das damit kämmende getriebene Zahnrad 4 dreht sich im Uhrzeigersinn.

Durch Kreisbögen 43, 44 sind radiale Dichtzonen zwischen den Zahnrädern 3, 4 und dem Gehäuse 10 angedeutet. Die radialen Dichtzonen 43, 44 werden auch als Einlaufzonen bezeichnet.

Durch Pfeile 46 und 47 sind Zahnkräfte angedeutet, wobei die Zahnkraft des angetriebenen oder treibenden Zahnrads 3 durch das wirkende Antriebsmoment 41 kompensiert wird. Das auf der Druckseite 36 mit Druck beaufschlagte niedrigviskose Medium erzeugt innere Druckfelder 51, 52, die auf die Zahnräder 3, 4 wirken.

Durch einen Pfeil 55 ist eine resultierende Kraft angedeutet, die auf das angetriebene oder treibende Zahnrad 3 wirkt. Durch einen Pfeil 56 ist eine resultierende Kraft angedeutet, die auf das getriebene Zahnrad 4 wirkt. Die resultierende Kraft 55 auf das treibende Zahnrad 3 resultiert nur aus dem inneren Druckfeld 51, weil die Zahnkraft des treibenden Zahnrads 3 durch das wirkende Antriebsmoment 41 kompensiert wird.

Die resultierende Kraft 56 auf das getriebene Zahnrad 4 resultiert aus dem inneren Druckfeld 52 und der Antriebskraft beziehungsweise dem

Antriebsmoment 41. Daher ist die resultierende Kraft 56 auf das treibende Zahnrad 4 deutlich größer als die resultierende Kraft 55 auf das treibende Zahnrad 3.

In Figur 3 ist am Beispiel einer Außenzahnradmaschine 61 mit einem Triebwerk 60 angedeutet, wie durch eine gezielte geometrische Anpassung des Triebwerks 60 eine gleichmäßige, symmetrische Lastverteilung innerhalb der

kraftübertragenden Bauteile der Außenzahnradmaschine 61 erreicht werden kann. Die Außenzahnradmaschine 61 umfasst als angetriebenes oder treibendes Zahnrad ein erstes Zahnrad 63. Ein zweites Zahnrad 64 wird durch das erste Zahnrad 63 getrieben. Zur Einleitung eines Antriebsdrehmoments in das erste Zahnrad 63 dient ein Antriebszapfen 65.

Der Antriebszapfen 65 weist an einem dem ersten Zahnrad 63 abgewandten Zapfenende 66 eine Nut 67 auf, die zur Aufnahme einer Passfeder dient. Über die Nut 67 mit der (nicht dargestellten) Passfeder wird im Betrieb der

Außenzahnradmaschine 61 als Außenzahnradpumpe ein Antriebsmoment auf das erste Zahnrad 63 aufgebracht.

Die beiden Zahnräder 63, 64 sind in einem Gehäuse 70 der

Außenzahnradmaschine 61 drehbar angeordnet. Über eine Anschlussbohrung 71 kann der Außenzahnradmaschine 61 ein Arbeitsmedium zugeführt werden. Das erste Zahnrad 63 ist in einer Ausnehmung 73 des Gehäuses 70 drehbar angeordnet.

Die Lagerung des ersten Zahnrads 63 erfolgt über den Antriebszapfen 65 vorteilhaft extern, also außerhalb des Gehäuses 70. Die externe Lagerung ist vorteilhaft separat geschmiert.

Das getriebene Zahnrad 64 weist einen deutlich kleineren wirksamen

Zahnraddurchmesser und deutlich weniger Zähne als das treibende Zahnrad 63 auf. Dadurch kann die Belastung in Form einer im Betrieb der

Außenzahnradmaschine 61 auf das zweite Zahnrad 64 wirkenden resultierenden Kraft (56 in Figur 2) deutlich reduziert werden. Diese reduzierte Lagerlast führt dazu, dass das getriebene Zahnrad 64 direkt über die Zahnköpfe in der

Ausnehmung 74 des Gehäuses 70 der Außenzahnradmaschine 61 gelagert werden kann.