Perfil de diente para rotores de bombas volumétricas de engranajes externos.

Un perfil de diente para rotores de una bomba volumétrica de engranajes con ruedas dentadas con dientes helicoidales externos,

con:

- un perfil de cabeza del diente inactivo,

- un perfil de pie del diente inactivo,

- un perfil de flanco derecho del diente activo y

- un perfil de flanco izquierdo activo,

en el que dichos perfiles del flanco derecho e izquierdo del diente activos son perfiles de diente de evolvente truncado y dichos perfiles de cabeza y de pie del diente inactivos se definen mediante arcos de círculo, dichos arcos de círculo de los perfiles inactivos de cabeza y de pie del diente tienen un centro (Of, Ot) y un radio (rf, rt) definidos por las siguientes ecuaciones: y

en las que

O es el centro de la circunferencia primitiva (p) del engranaje;

Hf es un punto en la circunferencia primitiva en la dirección radial (r-v) de la línea central del hueco entre dos dientes contiguos;

Pf es un punto al final del segmento de evolvente cerca del comienzo de la sección de la base del diente;

Kf es un punto identificado por la intersección de la normal y el perfil de evolvente en el punto Pf y la dirección radial (r-v) de la línea central del hueco entre dos dientes contiguos,

Ht es un punto en la circunferencia primitiva en la dirección radial (r-d) de la línea central del diente; Pt es un punto al comienzo del segmento de evolvente cerca del final de la sección de cabeza del diente; Kt es un punto identificado por la intersección entre la normal y el perfil de evolvente en el punto Pt del segmento y la dirección radial (r-d) de la línea central del diente,

caracterizado porque

- el perfil de diente de evolvente truncado activo tiene un grado de recubrimiento transversal o continuidad (Εt) de 0,4 a 0,45,

- el engranaje de dientes helicoidales tiene un grado de recubrimiento helicoidal o avance (εβ) de 0,6 a 0,85;

- dicho perfil de diente de evolvente truncado activo tiene un ángulo de presión transversal (αt) de 27° a 40°, en el que el rotor comprende un número de dientes (z) de 6 a 8; y

- 1,1 ≤ ζ ≤ 1,6.

Perfil de diente para rotores de bombas volumétricas de engranajes externos

La presente solicitud de patente para invención industrial se refiere a un perfil de diente para rotores de bombas volumétricas de engranajes externos. En particular, la presente invención se refiere a bombas volumétricas de engranajes silenciosas caracterizadas por elevada eficiencia y elevado desplazamiento específico.

Las bombas de engranajes son dispositivos que se usan normalmente en muchos sectores industriales, tales como los sectores de automoción, máquinas que mueven tierra, automatización y control. Con referencia a la figura 1, una bomba de engranajes generalmente comprende dos rotores con dientes de toma constante. Los rotores están dispuestos dentro de una cubierta de modo que se definen una zona de succión de fluido y una zona de descarga de fluido. Uno de los dos rotores es accionado por un árbol de transmisión.

Las bombas de engranajes son bombas volumétricas, dado que el volumen comprendido entre los huecos de los dientes de los dos rotores de engrane y la cubierta externa puede desplazarse desde la entrada hasta la zona de descarga. El tipo de fluido, las presiones de descarga y de entrada y el caudal asociados con la bomba pueden variar con respecto a la aplicación particular. Sin embargo, en las aplicaciones más comunes y, en particular, en la aplicación mencionada en la presente invención, el fluido es aceite parcialmente incompresible, mientras que los valores de presión de referencia son, típicamente, la presión ambiente de entrada y la presión de descarga con niveles máximos típicos de 3 bares.

El caudal es variable y depende del desplazamiento de la bomba y, por consiguiente, del tamaño de los engranajes, así como de la velocidad rotacional máxima n de los rotores, siendo valores típicos n = 1-i 2 3-4 rpm.

El engranaje está compuesto por dos ruedas dentadas con dientes rectos o helicoidales externos, con el mismo tamaño y relación de engranajes unitaria. La eficiencia total asociada con este dispositivo típicamente varía en el intervalo q = 7%-9%, de acuerdo con la geometría del engranaje (eficiencia volumétrica), con las pérdidas mecánicas de los acoplamientos (eficiencia mecánica) y con las condiciones operativas. La figura 1 muestra un ejemplo constructivo típico de dicho dispositivo.

Los parámetros más significativos que caracterizan el rendimiento de estos dispositivos incluyen el nivel de ruido de la bomba en condiciones operativas estipuladas, la onda de presión generada en la entrada y la descarga en condiciones operativas estipuladas, la eficiencia volumétrica, la eficiencia total y el desplazamiento (o volumen desplazado por ciclo) de la bomba.

Con referencia a la figura 2, en aplicaciones típicas de dicho dispositivo, el perfil dentado se define mediante un perfil de evolvente en la sección activa (flanco derecho del diente y flanco izquierdo del diente), y perfiles circulares en la cabeza y el pie del diente unidos a los perfiles laterales activos. El centro de los perfiles circulares de cabeza y de pie del diente coincide con el centro de rotación de la rueda dentada.

De acuerdo con los diversos estándares internacionales (es decir ISO; DIN, UNI, AGMA), en el perfil de cabeza y de pie del diente que es adoptado habitualmente, estandarizado y usado normalmente en la mayoría de perfiles dentados de engranajes en diferentes situaciones diferentes de bombas volumétricas, la sección del diente en la cabeza no coincide con la sección del hueco del pie del diente en las mismas condiciones de referencia, para garantizar que el contacto se produce exclusivamente en la sección de perfil de evolvente.

La elección de perfiles de evolvente garantiza que los perfiles de engrane del engranaje son perfiles conjugados y la relación de velocidad del engranaje se mantiene constante en cada configuración de engrane; esta elección también permite el correcto funcionamiento en caso de ligeras variaciones de la distancia teórica al centro del engranaje debido a requisitos de construcción o ensamblaje.

Las desventajas que surgen del uso de estos perfiles en engranajes rectos externos se conocen y se desvelan en numerosas publicaciones técnicas (Henriot, Traité théorique et pratique des engrenages, Dunod; 1977, vol. II) y patentes (US 2.159.744 (Maglott); US 3.164.99 (Hitoshi) y US 3.29.611 (Hitoshi)). Estas desventajas pueden resumirse de la siguiente manera:

1) Tal como se muestra en la figura 3, el volumen atrapado durante el engrane en el lado de descarga, aislado y a continuación reducido durante las configuraciones cinemáticas después del primer contacto, determina la compresión del fluido, generando una elevada sobrepresión, ruido en funcionamiento y caudal de reflujo negativo desde la descarga hasta la succión, reduciendo de este modo el desplazamiento de la bomba y la eficiencia total.

2) Si z es el número de dientes de cada rotor, el caudal de fluido garantizado en la descarga es discontinuo, debido a la transferencia de caudal discontinua de 2*z volúmenes comprendidos entre los huecos de los dientes y la cubierta externa, generando dicha discontinuidad oscilaciones de presión.

3) El desplazamiento de la bomba y, por consiguiente, el caudal total, están limitados, con el mismo volumen de bomba, por el valor del número mínimo de dientes de engranaje zm¡n: la condición de corte y no interferencia

operativa da como resultado que z > zmm = 1-11, siendo el valor de zm¡n dependiente de las diferentes tecnologías de construcción y diseño (corrección del perfil) empleadas, tal como se indica en el documento Dudley's Gear handbook, McGraw-HIII, 1992.

Se han propuesto muchas soluciones técnicas para resolver los problemas mencionados anteriormente.

Una arquitectura conocida emplea los llamados perfiles de "lóbulo", con perfiles no conjugados que no son adecuados para la transmisión de movimiento. La transmisión de movimiento se proporciona generalmente mediante un par adicional de ruedas dentadas con dientes tradicionales, relación de engranajes unitaria, y fabricadas en los mismos ejes que las ruedas lobuladas, para garantizar la transmisión del movimiento continua. Esta arquitectura presenta costes de realización muy elevados y un volumen axial muy elevado, lo que le hace incompatible con los requisitos del mercado.

Otras arquitecturas adoptan dientes helicoidales en lugar de dientes rectos: con la adopción de un grado de recubrimiento helicoidal o facial sp cercano a 1, las oscilaciones de presión debidas a la discontinuidad del caudal de fluido pueden reducirse de este modo. Los ejemplos de esta solución se ilustran en los documentos Henriot, Traité théorique et pratique des engrenages, Dunod; 1977, vol. II y F. Masi, Manuale di Cinemática applicata, Zanichelli, Bolonia, 189.

Sin embargo, los problemas relacionados con la onda de presión, el ruido y el caudal negativo aún no se han resuelto, mientras que, en general, los problemas relacionados con el desplazamiento pueden resolverse usando perfiles de diente truncado caracterizados por un grado de recubrimiento de perfil muy bajo, como en los ejemplos ilustrados en el documento Prontuario dell'ingegnere 1999, Hoepli, página 44, que ilustra un engranaje con dientes helicoidales z = 7.

La solución de engranaje helicoidal muestra otros problemas, tales como elevados costes de fabricación y bajo aislamiento entre cámaras de descarga y de entrada, virtualmente en comunicación directa si la anchura de la cara y el número de dientes se reducen. Además, la solución de engranaje helicoidal está asociada con la transmisión de componentes de fuerza axial, que son más elevados en el caso de un ángulo de hélice elevado, que requiere generalmente una modificación de la cubierta de la bomba y la adopción de soluciones de fabricación adecuadas para garantizar el equilibrio del empuje axial, tales como por ejemplo las arquitecturas ilustradas en la patente US 3.658.452 (Yasuo Kita) y en la patente italiana no. 1.124.357 a nombre del mismo solicitante.

La solución propuesta en el documento US 2.159.744 (Maglott) adopta un perfil de diente de evolvente truncado, con un grado de recubrimiento transversal st = ,5 y dientes helicoidales con grado de recubrimiento helicoidal ep = ,5 de tal manera que el grado de recubrimiento total es e = et + ep= 1 y la continuidad del movimiento está garantizada. Esta solución reduce las oscilaciones de presión relacionadas con la discontinuidad del caudal y en general, aunque no indicado expresamente, la elección de st=,5 hace posible reducir el valor mínimo de zmm dientes a valores inferiores (zm¡n < 6 de acuerdo con el ángulo de presión transversal oct del perfil de evolvente). El valor... [Seguir leyendo]

1. Un perfil de diente para rotores de una bomba volumétrica de engranajes con ruedas dentadas con dientes helicoidales externos, con:

- un perfil de cabeza del diente inactivo,

- un perfil de pie del diente inactivo,

- un perfil de flanco derecho del diente activo y

- un perfil de flanco izquierdo activo,

en el que dichos perfiles del flanco derecho e izquierdo del diente activos son perfiles de diente de evolvente truncado y dichos perfiles de cabeza y de pie del diente inactivos se definen mediante arcos de círculo, dichos arcos de círculo de los perfiles Inactivos de cabeza y de pie del diente tienen un centro (Of, Ot) y un radio (p, rt) definidos por las siguientes ecuaciones:

O/ =Hy +(Hf - O)

AR

|H/-°

y

*

(=H,+(-H,)

£ -AR |H,-|

r,=|Pí-Of|

AR= ,5* (|HrKJ+|Hf-Kf|)

en las que

O es el centro de la circunferencia primitiva (p) del engranaje;

Hf es un punto en la circunferencia primitiva en la dirección radial (r-v) de la línea central del hueco entre dos dientes contiguos;

Pf es un punto al final del segmento de evolvente cerca del comienzo de la sección de la base del diente;

Kf es un punto identificado por la intersección de la normal y el perfil de evolvente en el punto Pf y la dirección radial (r-v) de la línea central del hueco entre dos dientes contiguos,

Ht es un punto en la circunferencia primitiva en la dirección radial (r-d) de la línea central del diente;

Pt es un punto al comienzo del segmento de evolvente cerca del final de la sección de cabeza del diente;

Kt es un punto identificado por la intersección entre la normal y el perfil de evolvente en el punto Pt del segmento y la dirección radial (r-d) de la línea central del diente,

caracterizado porque

- el perfil de diente de evolvente truncado activo tiene un grado de recubrimiento transversal o continuidad (st) de ,4 a ,45,

- el engranaje de dientes helicoidales tiene un grado de recubrimiento helicoidal o avance (sp) de ,6 a ,85;

- dicho perfil de diente de evolvente truncado activo tiene un ángulo de presión transversal (at) de 27° a 4°, en el que el rotor comprende un número de dientes (z) de 6 a 8; y

-1,1 Qi 1,6.

2. Una bomba volumétrica con engranajes con dientes externos que comprende dos rotores con un perfil de diente de acuerdo con la reivindicación 1.