專利名稱：具有優(yōu)化的軸向間隙的齒輪泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泵，特別是用于內(nèi)燃機的油泵，該泵由一個泵殼組成，其中該泵殼由一個泵蓋和一個泵法蘭組成，其中在泵蓋和泵法蘭之間布置至少一組齒輪組，并且泵蓋和泵法蘭通過至少一個間隔件連接。
低油耗汽車的開發(fā)要求優(yōu)化汽車組件以及發(fā)動機組件。在此由輔助機組的驅(qū)動裝置引起的損失對于經(jīng)常出現(xiàn)的短途交通和城市交通的汽車能耗是有特殊的意義的。另外油泵的驅(qū)動功率可能導(dǎo)致發(fā)動機本身功率的降低，由此使得燃油消耗大大增加，其中該油泵保證了發(fā)動機的潤滑。
在低達零下40℃的情況下，必須保證發(fā)動機潤滑的功能以及足夠快速地潤滑發(fā)動機，而在高達160℃的高溫時的怠速運行的情況下，對于機油供給不能缺少。在高溫怠速運行的情況下其特征為油泵內(nèi)部滲漏高以及發(fā)動機相對高的機油需求。高溫怠速運行對于油泵的尺寸確定是一個重要的工作點。
一般情況下對于典型的泵的設(shè)計，油泵是對于該工作點進行設(shè)計的。在汽車正常行駛時，這可能會導(dǎo)致油泵尺寸過大，因為內(nèi)燃機的油吸收曲線是隨著轉(zhuǎn)速遞減的，其中油泵的供油特性曲線是隨著轉(zhuǎn)速接近線性地遞增的。由此導(dǎo)致的供油過量通過過壓限制閥消耗能量才能克服。
上述問題由此被激化，即特別是在汽車工業(yè)中希望使用流態(tài)的機油。由此雖然改進了泵在負溫度時的功能，其中在高溫下體積效率變差了。
另外一個問題在于，幾乎所有的泵殼都用與所使用的齒輪組不同的材料制成。許多泵殼例如出于減輕重量的原因由鋁壓鑄而成，而齒輪組由鋼，特別是燒結(jié)鋼制成。由于泵殼和齒輪組不同的熱膨脹系數(shù)，齒輪組和泵殼之間需要設(shè)計的軸向間隙在溫度升高和/或溫度下降的時候會改變。在溫度升高時，軸向間隙大致線性的增加，這樣會導(dǎo)致體積效率的進一步損失，可能會達到50％至60％。泵的體積效率在溫度上升時大致呈線性下降。
上述的問題例如在具有下述特征值的葉片泵上會更加明顯外殼鋁壓鑄件齒輪組燒結(jié)鋼齒輪組高度46mm溫度范圍-40℃至150℃熱膨脹系數(shù) 鋁殼0.0000238℃-1燒結(jié)鋼齒輪組0.000012℃-1泵的軸向間隙在20℃時設(shè)計為0.07mm。
溫度差130℃(20℃至150℃)鋁殼的膨脹46.07mm+46.07mm*0.0000238℃-1*130℃＝46.213mm燒結(jié)鋼齒輪組的膨脹46.00mm+46.00mm*0.000012℃-1*130℃＝46.07mm得到的軸向間隙為0.143mm。
溫度差60℃(-40℃至20℃)鋁殼的收縮46.07mm-46.07mm*0.0000238℃-1*60℃＝46.004mm燒結(jié)鋼齒輪組的收縮46.00mm-46.00mm*0.000012℃-1*60℃＝45.967mm得到的軸向間隙為0.037mm。
由于材料不同的熱膨脹，軸向間隙在150℃時增加到0.143mm，而在-40℃時減小到0.037mm。軸向間隙的倍增以及介質(zhì)粘度的減小導(dǎo)致體積效率損失50％至60％。在低溫下，由于軸向間隙的減小可能會使得功能受到干擾以及機械效率顯著變差。在100℃、5.5bar、550U/min的條件下，0.01mm的軸向間隙增加意味著大約1L/min的輸送量的減少(Aussage TV-H Nov.98)。在設(shè)計油泵時，必須考慮這個體積損失，并將泵相應(yīng)設(shè)計的更大點。由于泵設(shè)計的較大，可能在高速轉(zhuǎn)動時導(dǎo)致供油過量，過量的機油必須通過消耗功率來排出。
本發(fā)明的任務(wù)是構(gòu)造一種泵，其在負40℃至160℃的溫度范圍內(nèi)具有微小的軸向間隙變化，并且在這個溫度范圍內(nèi)體積效率下降很小。
該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過一種泵、尤其是用于內(nèi)燃機的油泵來解決，該泵由一個泵殼組成，其中該泵殼由一個泵蓋和一個泵法蘭組成，其中在泵蓋和泵法蘭之間布置至少一組齒輪組，并且泵蓋和泵法蘭通過至少一個間隔件連接，其中該間隔件的熱膨脹系數(shù)比泵蓋、泵法蘭以及/或者齒輪組的熱膨脹系數(shù)小。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的泵相對于具有由鋁壓鑄件制成泵殼和由鋼制成齒輪組的泵實現(xiàn)了將泵的體積效率改進了40％至50％。按照本發(fā)明泵的體積效率相對于泵殼和齒輪組都用鋼制成的泵提高了大約20％至25％。另外改進了在低溫下的機械效率。另一個優(yōu)點是對于泵的設(shè)計的影響，因為泵的尺寸可以減小。另外也可以減小泵的功率消耗和重量，并且最重要的是可以降低燃油消耗。通過本發(fā)明的泵的設(shè)計，其最佳的軸向間隙可以對幾乎所有類型的泵都能以其最佳的效率進行計算。對于許多泵的類型這種優(yōu)化能夠成本經(jīng)濟地進行補充裝備。
按本發(fā)明的泵的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點例如在對現(xiàn)有技術(shù)的葉片泵的評價中體現(xiàn)優(yōu)化的葉片泵熱膨脹系數(shù)不變鋼＝0.0000015℃-1不變鋼(鎳鋼)間隔件的膨脹46.09mm+46.09mm*0.0000015℃-1*130℃＝46.098mm燒結(jié)鋼齒輪組的膨脹46.00mm+46.00*0.000012℃-1*130℃＝46.072mm由此得到軸向間隙為0.026mm。
不變鋼(鎳鋼)間隔件的收縮46.09-46.09*0.0000015℃-1*60℃＝46.086mm燒結(jié)鋼齒輪組的收縮46.00mm-46.00mm*0.000012℃-1*60℃＝45.96mm由此得到軸向間隙為0.119mm。
通過安裝熱膨脹系數(shù)為0.0000015℃-1的間隔件，軸向間隙在150℃時減小到0.026mm，而在負40℃時軸向間隙增加到0.119mm。由此顯示出，通過將例如由含36％的鎳的鎳鋼(不變鋼)(熱膨脹系數(shù)為0.0000015)制成的間隔件安裝到泵殼中，負的熱膨脹會轉(zhuǎn)變成有正的熱膨脹，也就是說，在高溫下，軸向間隙減小，而在低溫下軸向間隙增大。
熱膨脹對軸向間隙變化的影響與溫度的關(guān)系在下面的圖表中再一次給出。
軸向間隙-優(yōu)化泵殼鋁或鋼；齒輪組燒結(jié)鋼 圖表示出，在泵殼由鋼制成、而齒輪組也由鋼制成的組合中，所設(shè)計的軸線間隙隨著溫度的變化保持不變，因為泵殼和齒輪組具有相同的熱膨脹系數(shù)。在質(zhì)量方面優(yōu)化的由鋁壓鑄件制成的泵殼與由燒結(jié)鋼制成的齒輪組的組合隨著溫度升高，所顯示出的軸向間隙也越大，由此引起內(nèi)部滲漏，這是不希望的。根據(jù)本發(fā)明，由鋁壓鑄件制成的輕質(zhì)的泵殼與燒結(jié)鋼齒輪組以及具有比齒輪組和泵殼更小的熱膨脹系數(shù)的間隔件的組合在溫度升高時所顯現(xiàn)出的軸向間隙是變小的。
另外，通過下面的圖表還示出了在壓力和溫度升高時，按現(xiàn)有技術(shù)制造的泵的體積效率是如何變化的，其中試驗條件如下泵殼 灰鑄鐵齒輪組燒結(jié)鋼齒輪組類型行星齒輪組齒輪組寬度18.00mm排量 5.40cm3/U
介質(zhì)自動變速器油轉(zhuǎn)速500U/min未進行軸向間隙優(yōu)化的泵試驗外殼鋼；齒輪組燒結(jié)鋼 可以清楚地看出，按現(xiàn)有技術(shù)制造的泵的體積效率在20℃下壓力升高時下降了大約7％。在溫度升高到80℃時，體積效率下降了大約30％。
相應(yīng)的，在下面的圖表中示出了按本發(fā)明的泵在壓力和溫度升高時其體積效率的變化情況，其中試驗條件如下泵殼 灰鑄鐵，帶有由不變鋼(含36％鎳的鎳鋼)制成的間隔襯套齒輪組燒結(jié)鋼齒輪組類型行星齒輪組齒輪組寬度18.00mm排量 5.40cm3/U介質(zhì) 自動變速器油轉(zhuǎn)速 500U/min
軸向間隙優(yōu)化后的泵試驗外殼鋼；齒輪組燒結(jié)鋼 可以看出按本發(fā)明的泵的體積效率在壓力升高時下降了大約7％，但是與溫度幾乎無關(guān)。
在本發(fā)明優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案中規(guī)定，在泵蓋和泵法蘭之間布置一個泵環(huán)形板，至少一組齒輪組支承在其中，其中泵環(huán)形板具有相同的或者比間隔件更大的熱膨脹系數(shù)。
在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案中，間隔件的熱膨脹系數(shù)比泵蓋、泵法蘭、齒輪組以及/或者泵環(huán)形板的熱膨脹系數(shù)小一個系數(shù)10。
在本發(fā)明的特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案中，間隔件的熱膨脹系數(shù)小于0.00002℃-1。
在本發(fā)明有利的結(jié)構(gòu)方案中規(guī)定，間隔件由鎳鋼制成，優(yōu)選含36％的鎳。
在本發(fā)明另一種有利的結(jié)構(gòu)方案中規(guī)定，間隔件是燒結(jié)零件。該燒結(jié)的金屬構(gòu)件采用相應(yīng)的合金元素，以使得間隔件獲得與應(yīng)用情況相匹配的熱膨脹系數(shù)。
在本發(fā)明優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案中規(guī)定，在泵環(huán)形板中偏心地支承一行星齒輪組，其中內(nèi)齒輪與驅(qū)動軸相連接，并且泵蓋、泵環(huán)形板以及泵法蘭相互密封的隔開，其中設(shè)置間隔件，其高度比行星齒輪組的高度大一個所設(shè)計的軸向間隙的值，而泵環(huán)形板的高度比間隔件的高度小一個熱膨脹差值，其中在泵蓋、泵環(huán)形板和泵法蘭之間形成的膨脹間隙通過密封件來密封。
在本發(fā)明特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案中規(guī)定，泵蓋設(shè)有卷邊，其伸入泵環(huán)形板中，而在泵環(huán)形板中支承著一行星齒輪組，其中泵環(huán)形板由至少一個間隔件穿過，該間隔件與泵蓋和泵法蘭保持接觸。
在本發(fā)明另一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案中規(guī)定，泵蓋和泵法蘭設(shè)有卷邊，其伸入泵環(huán)形板中，而在泵環(huán)形板中支承著一行星齒輪組，其中泵環(huán)形板由至少一個間隔件穿過，該間隔件與泵蓋和泵法蘭保持接觸。
下面根據(jù)附圖來說明本發(fā)明的實施例。
附圖示出

圖1.1示出了按本發(fā)明板焊接結(jié)構(gòu)的泵沿圖1.2中A-A線的剖面圖；圖1.2示出了圖1.1的俯視圖；圖1.3示出了按圖1.1的細節(jié)圖X1；圖2.1示出了按本發(fā)明第一種變型方案的剖面圖；圖2.2示出了按圖2.1的細節(jié)圖X2；圖3.1示出了按本發(fā)明第二種變型方案的剖面圖；圖3.2示出了按圖3.1的細節(jié)圖X3；圖4.1示出了按本發(fā)明第三種變型方案的剖面圖；圖4.2示出了按圖4.1的細節(jié)圖X4；圖5.1示出了按本發(fā)明第四種變型方案的剖面圖；圖5.2示出了按圖5.1的細節(jié)圖X5。
圖1.1示出了板焊接結(jié)構(gòu)泵殼的剖面圖，其由一個泵蓋2、一個泵環(huán)形板6以及一個泵法蘭3組成。在泵環(huán)形板6中偏心地支承著一行星齒輪組4，該行星齒輪組由一個外齒輪16、行星齒輪17以及一個內(nèi)齒輪7組成。內(nèi)齒輪7通過驅(qū)動軸9驅(qū)動。在泵環(huán)形板6中設(shè)有用于間隔襯套5的支承孔14。在泵蓋2和泵法蘭3中設(shè)置一個O型環(huán)槽12，其中插入一個密封環(huán)11(O型環(huán))，該密封環(huán)防止了向外的滲漏。
間隔襯套5與行星齒輪組的高度匹配，使得間隔襯套5正好比行星齒輪組4的高度高出所設(shè)計的軸向間隙24的量。間隔襯套5和行星齒輪組4之間的高度差在環(huán)境溫度下與軸向間隙24對應(yīng)。
泵環(huán)形板6與間隔襯套5匹配，使得泵環(huán)形板6比間隔襯套5小一個熱膨脹量(熱膨脹系數(shù)(泵環(huán)形板)*高度(泵環(huán)形板)*溫度)。這相應(yīng)于膨脹間隙15。
在泵1擰在一起時，泵蓋2和泵法蘭3被壓在間隔襯套5上。在泵蓋2、泵環(huán)形板6和泵法蘭3之間形成一個膨脹間隙15，其通過彈性O(shè)型環(huán)11.1和11.2進行密封。
這樣選擇間隔襯套5的材料，使得其熱膨脹系數(shù)總是小于齒輪組4和泵環(huán)形板6的熱膨脹系數(shù)。在這種情況下，優(yōu)選使用含36％鎳的鎳鋼作為間隔襯套5的材料(不變鋼)。這種材料的熱膨脹系數(shù)為0.0000015℃-1，由此比燒結(jié)鋼或者鋼的熱膨脹系數(shù)小一個系數(shù)10。當(dāng)齒輪組4由燒結(jié)鋁硅14構(gòu)成時也是有利的。
圖1.2示出，在泵蓋2中，在節(jié)圓上設(shè)有八個通孔13，而在泵法蘭3中設(shè)有八個螺紋孔用于借助于螺紋件14進行擰緊。在泵環(huán)形板6中，在泵蓋2的同一個節(jié)圓上以及與通孔13相同的位置上，設(shè)有支承孔14用于間隔件，所述間隔件是間隔襯套5。
圖1.3示出了按圖1.1的細節(jié)圖，其中在泵蓋2和泵法蘭3之間偏心地支承著一個泵環(huán)形板6、一組行星齒輪組4，該行星齒輪組4由一個外齒輪16、行星齒輪17以及一個內(nèi)齒輪7組成。在泵蓋2和泵法蘭3中設(shè)置一個0型環(huán)槽12.1、12.2，其中插入一個密封環(huán)11.1、11.2(O型環(huán))，密封環(huán)防止了向外的滲漏。間隔件5的高度比泵環(huán)形板6的高度大，這樣就得到一個膨脹間隙15.1、15.2。
在按本發(fā)明的泵中，根據(jù)圖1.1、1.2和1.3，在泵試驗時得到下面的數(shù)據(jù)20℃時軸向間隙 0.05mm由燒結(jié)鋼制成的齒輪組 20.00mm高由鎳鋼(36％鎳)制成的間隔襯套 20.05mm高溫度差130℃(20至150℃)齒輪組膨脹到 20.0312mm間隔襯套膨脹到 20.0539mm由此在150℃時產(chǎn)生的軸向間隙為0.0227mm。
溫度差60℃(-40至20℃)齒輪組收縮到 19.9856mm間隔襯套收縮到∶20.0482mm由此在負40℃時產(chǎn)生的軸向間隙為0.0625mm。
自動變速器油在150℃時大約為3.4mm2/s(cSt)自動變速器油在-40℃時大約為100002/s(cSt)圖2.1示出了本發(fā)明另一個實施例，其實現(xiàn)了與按圖1的泵1相同的性能。這種結(jié)構(gòu)對于狹窄的齒輪組是最優(yōu)的。泵蓋2設(shè)有卷邊18，其伸入泵環(huán)形板6中。該卷邊18配合在泵環(huán)形板6中。因為泵蓋2支承在間隔襯套5上，在溫度升高時，卷邊長度19在齒輪組4的方向上增大，并影響軸向間隙24。在設(shè)計軸向間隙24時，這樣設(shè)計卷邊長度19，使得在泵蓋2的卷邊長度19膨脹時調(diào)節(jié)所需的軸向間隙24。泵蓋2由鋁壓鑄件制成，而齒輪組由鋼或者燒結(jié)鋼制成。泵環(huán)形板6由鋁壓鑄件制成，而間隔襯套5由含36％鎳的鎳鋼制成(不變鋼)。在這種結(jié)構(gòu)中，泵法蘭3的材料對膨脹沒有影響。卷邊18的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該盡可能的高。
圖2.2示出了按圖2.1的細節(jié)圖。
對于按本發(fā)明的結(jié)構(gòu)得到下面的數(shù)據(jù)20℃時軸向間隙＝0.04mm齒輪組寬度＝5.0mm卷邊長度 ＝7.0mm間隔襯套長度齒輪組寬度+卷邊長度+軸向間隙＝12.04溫度差＝130℃間隔襯套的膨脹(不變鋼)12.04mm+12.04mm*0.0000015℃-1*130℃＝12.0423mm齒輪組的膨脹(燒結(jié)鋼)5.0mm+5.0mm*0.000012℃-1*130℃＝5.0078mm鋁卷邊長度的膨脹7.0mm+7.0mm*0.0000238℃-1130℃＝7.021mm由此在150℃時產(chǎn)生的軸向間隙為12.0423mm-5.007gmm-7.021mm＝0.013mm
另一種結(jié)構(gòu)方案為，將泵環(huán)形板用含36％鎳的鎳鋼(不變鋼)制造。作為替代方案，泵環(huán)形板也可以用黃銅或者炮銅制造，其中熱膨脹系數(shù)大約為0.000018℃-1。
圖3.1示出了與圖2.1類似的結(jié)構(gòu)的剖面圖，其中在這種結(jié)構(gòu)中，泵蓋2與泵法蘭3兩個都設(shè)有卷邊18.1、18.2。泵蓋2和泵法蘭3由鋁制成，或者由一種具有相類似熱膨脹系數(shù)的材料制成。卷邊18的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該盡可能大。
圖3.2示出了按圖3.1的細節(jié)圖。
圖4.1示出了另一種結(jié)構(gòu)的剖面圖，其中泵環(huán)形板6和泵法蘭3由一個緊湊的泵殼20代替。泵殼20的材料例如可以是灰鑄鐵或者鋁壓鑄件。間隔襯套5的支承孔21的深度應(yīng)當(dāng)與齒輪組寬度22相應(yīng)。另外可以通過改變支承孔21的深度以及間隔襯套5相應(yīng)的長度來附加影響軸向間隙24。
圖4.2是按圖4.1的細節(jié)圖。
圖5.1示出了圖4.1中本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)方案，其中支承孔21的深度和間隔件相應(yīng)的高度比齒輪組寬度22小。特別是對于寬的齒輪組4，例如＞30mm，就會出現(xiàn)問題，齒輪組4和間隔件5的材料之間的熱膨脹差太大，由此軸向間隙24會趨向于零。一種解決措施是，使得間隔件5具有比齒輪組寬度22小的高度。間隔件5的膨脹這樣計算L2*熱膨脹系數(shù)(外殼)*溫度+L1*熱膨脹系數(shù)(間隔件)*溫度圖5.2示出了按圖1.1的細節(jié)圖。
權(quán)利要求
1.泵(1)，特別是用于內(nèi)燃機的油泵，由一個泵殼組成，其中該泵殼由一個泵蓋(2)和一個泵法蘭(3)組成，其中在泵蓋(2)和泵法蘭(3)之間布置至少一組齒輪組(4)，并且該泵蓋(2)和泵法蘭(3)通過至少一個間隔件(5)連接，其中該間隔件(5)的熱膨脹系數(shù)比泵蓋(2)、泵法蘭(3)以及/或者齒輪組(4)的熱膨脹系數(shù)小。
2.按權(quán)利要求1所述的泵(1)，其特征在于在所述泵蓋(2)和泵法蘭(3)之間布置一個泵環(huán)形板(6)，其中支承至少一組齒輪組(4)，其中該泵環(huán)形板(6)具有相同或者比間隔件(5)大的熱膨脹系數(shù)。
3.按權(quán)利要求1或者2所述的泵(1)，其特征在于所述間隔件(5)的熱膨脹系數(shù)比泵蓋(2)、泵法蘭(3)、齒輪組(4)以及/或者泵環(huán)形板(6)的相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)至少小一個系數(shù)10。
4.按權(quán)利要求1至3任一項所述的泵(1)，其特征在于所述間隔件(5)的熱膨脹系數(shù)小于0.00002℃-1。
5.按權(quán)利要求1至4任一項所述的泵(1)，其特征在于所述間隔件(5)由鎳鋼制成，優(yōu)選含有36％的鎳。
6.按權(quán)利要求1至5任一項所述的泵(1)，其特征在于所述間隔件(5)是燒結(jié)零件。
7.按權(quán)利要求1至6任一項所述的泵(1)，其特征在于在所述泵環(huán)形板(6)中偏心地支承著一組行星齒輪組(4)，其中內(nèi)齒輪(7)與一驅(qū)動軸(9)連接，并且泵蓋(2)、泵環(huán)形板(6)以及泵法蘭(3)相互密封地隔開，其中設(shè)有間隔件(5)，其高度比行星齒輪組(4)的高度大一個所設(shè)計的軸向間隙的數(shù)值，而泵環(huán)形板(6)的高度比間隔件(5)的高度小一個熱膨脹差值，其中在泵蓋(2)、泵環(huán)形板(6)和泵法蘭(3)之間存在的膨脹間隙(10)通過密封件(11)密封。
8.按權(quán)利要求1至7任一項所述的泵(1)，其特征在于所述泵蓋(2)設(shè)有一個卷邊(12)，其伸入泵環(huán)形板(6)中，并且在泵環(huán)形板(6)中支承著一組行星齒輪組(4)，其中泵環(huán)形板(6)被至少一個間隔件(5)穿過，該間隔件(5)與泵蓋(2)和泵法蘭(3)保持接觸。
9.按權(quán)利要求1至8任一項所述的泵(1)，其特征在于所述泵蓋(2)與泵法蘭(3)設(shè)有卷邊(12)，其伸入泵環(huán)形板(6)中，并且在泵環(huán)形板(6)中支承著一組行星齒輪組(4)，其中泵環(huán)形板(6)被至少一個間隔件(5)穿過，該間隔件(5)與泵蓋(2)和泵法蘭(3)保持接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種泵，特別是用于內(nèi)燃機的油泵，其由一個泵殼組成，其中該泵殼由一個泵蓋(2)以及一個泵法蘭(3)組成，其中在泵蓋(2)和泵法蘭(3)之間布置至少一組齒輪組(4)，并且該泵蓋和泵法蘭通過至少一個間隔件(5)連接。
文檔編號F04C15/00GK1823224SQ200480020263
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者J·巴赫曼, R·施瓦策 申請人:Gkn金屬燒結(jié)控股有限責(zé)任公司