Was sind Zahnradpumpen?
Eine Verdrängerpumpe (auch bekannt als 'VD-Pumpe') nutzt mechanische Bewegung, um Flüssigkeiten zu fördern, indem sie diese physisch verdrängt, im Gegensatz zu einer Zentrifugalpumpe , die kinetische Energie in Druck umwandelt.
Es gibt zwei Haupttypen von Verdrängerpumpen: rotierende und oszillierende. Eine Zahnradpumpe ist eine Art von rotierender Verdrängerpumpe. Oszillierende Verdrängerpumpen bewegen sich linear und benötigen Saug- und Druckventile für ihren Betrieb. Verdrängerpumpen werden häufig für niedrige Durchflussraten und hohe Druckanwendungen eingesetzt, wobei dies eine grobe Verallgemeinerung ist.
Zahnradpumpen, die im frühen 17. Jahrhundert von Johannes Kepler erfunden wurden, sind weit verbreitet in hydraulischen Anwendungen sowie für Flüssigkeiten mit hoher Viskosität (zähflüssige Medien). Wie alle Verdrängerpumpen können sie Luft fördern und sind daher selbstansaugend.
Obwohl es verschiedene Zahnradpumpenkonstruktionen gibt, existieren zwei Hauptkonstruktionen. Eine Konstruktion verwendet zwei identische Zahnräder, die ineinandergreifen; dieser Typ wird als externe Zahnradpumpe bezeichnet. Die andere Konstruktion hat ein Zahnrad innerhalb eines anderen; dieser Typ wird als interne Zahnradpumpe bezeichnet.
Externe (links) und interne (Mitte und rechts) Zahnradpumpenkonstruktionen
Flüssigkeiten, die von einer Zahnradpumpe gefördert werden, fließen im Allgemeinen mit geringen Druckpulsationen, was zu einem gleichmäßigen und konstanten Fluss führt. Die Durchflussrate der Pumpe ist direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit der Zahnräder, was die Zahnradpumpe ideal für Dosieranwendungen macht, bei denen die genaue Menge des Durchflusses entscheidend ist.
Zahnradpumpen werden üblicherweise elektrisch mit einem Elektromotor angetrieben, können jedoch je nach Konstruktion und Anwendung auch hydraulisch oder mechanisch betrieben werden. Beispielsweise verwenden viele Traktoren Zahnradpumpen für ihre internen Hydrauliksysteme (z.B. zum Heben und Senken eines Pflugs), wobei die Pumpe mechanisch mit dem Traktormotor verbunden ist.
Die Drehgeschwindigkeit einer Zahnradpumpe und präzise mechanische Toleranzen minimieren die Menge an Flüssigkeit, die in die falsche Richtung fließt (Leckage); reduzierte Leckage führt zu höherer Pumpeneffizienz.
Nützliches Wissen – die Flüssigkeit oder das Material, das von einer Pumpe gefördert wird, wird als 'Pumpgut' bezeichnet. Pumpgut kann Feststoffe, Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase umfassen, abhängig von der Pumpenkonstruktion (Schneckenpumpen können sogar Muttern und Schrauben fördern!).
Zahnradpumpenzahnräder
Zahnradpumpenzahnräder sind oft vom Typ Stirnrad, obwohl auch Schrägverzahnungen oder Doppelverzahnungen verwendet werden können. Schrägverzahnungen und Doppelverzahnungen bieten eine gleichmäßigere Durchflussrate (geringere Druckpulsationen) als Stirnräder und werden für höhere Kapazitäts-/Durchflussanwendungen bevorzugt.
Zahnradpumpenzahnräder
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Externe Zahnradpumpen
Eine externe Zahnradpumpe besteht aus einem Sauganschluss, einem Druckanschluss, Zahnrädern, Lagern und einem Gehäuse.
Externe Zahnradpumpenkomponenten
Zahnräder in einer externen Zahnradpumpe sind parallel zueinander installiert. Eine Welle ist durch die zentrale Achse jedes Zahnrads installiert und Lager halten jede Welle in Position. Beide Zahnräder werden als externe Zahnräder klassifiziert, weil die Zahnradzähne sich auf der äußeren Oberfläche jedes Zahnrads befinden. Typischerweise ist ein Zahnrad ein angetriebenes Zahnrad ('Master', 'Leader'), während das andere ein Leerlaufzahnrad ('Sklave', 'Follower') ist. Leerlaufzahnräder drehen sich nur, wenn sich das zugehörige angetriebene Zahnrad dreht. Ein Gehäuse mit zwei Durchbrüchen umgibt die Zahnräder, diese Durchbrüche bilden die Saug und Druckanschlüsse.
Externe Zahnradpumpenanimation
Ein weiteres Design einer externen Zahnradpumpe verwendet Zahnräder, die beide durch Steuerzahnräder angetrieben werden, aber dieses Design ist komplizierter, teurer und folglich seltener. Es hat jedoch den Vorteil, dass die Zahnräder nicht miteinander in Kontakt kommen, was bedeutet, dass Flüssigkeiten mit geringeren Schmiereigenschaften (geringe Schmierfähigkeit) gepumpt werden können.
Interne Zahnradpumpen
Interne Zahnradpumpen arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie externe Zahnradpumpen, jedoch haben interne Zahnradpumpen ein Zahnrad innerhalb eines anderen installiert. Im Gegensatz zu den Zahnrädern in einer externen Zahnradpumpe sind die beiden ineinandergreifenden Zahnräder nicht gleich groß. Das kleinere innere Zahnrad wird als Rotor bezeichnet und das größere äußere Zahnrad als Leerlaufzahnrad.
Interne Zahnradpumpenanimation
Interne Zahnradpumpen haben Zahnradzähne auf der inneren Oberflächen des Leerlaufzahnrads, sodass sie mit den externen Zahnradzähnen des Rotors interagieren können. Die beiden Zahnradsätze (Rotor und Leerlaufzahnrad) greifen/verzahnen sich miteinander auf die gleiche Weise wie bei einer externen Zahnradpumpe.
Wie funktionieren Zahnradpumpen?
Zahnradpumpen fangen Flüssigkeit auf der Saugseite ein und geben sie auf der Druckseite mit höherem Druck ab. Das Betriebsprinzip für eine externe Zahnradpumpe ist weitgehend dasselbe wie für eine interne Zahnradpumpe; beide Betriebsprinzipien werden separat zur Klarstellung erläutert.
Wie externe Zahnradpumpen funktionieren
Flüssigkeit tritt auf der Saugseite in die Pumpe ein. Wenn sich die Zahnräder auf der Saugseite drehen, vergrößert sich der Volumenraum zwischen ihren Zahnradzähnen. Flüssigkeit tritt aufgrund des negativen Saugdrucks in den Hohlraum/die Kavitäten zwischen den Zähnen ein. Wenn sich die Zahnräder weiter drehen, wird die Flüssigkeit in den Kavitäten zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse eingeschlossen.
Externe Zahnradpumpenbetrieb
Nach weiterer Drehung nähern sich die Zahnräder der Druckseite. Der Abstand zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse vergrößert sich und die Flüssigkeit entweicht aus den Kavitäten. Weitere Drehung der Zahnräder führt dazu, dass sie ineinandergreifen (verzahnen), was dazu führt, dass die verbleibende Flüssigkeit in den Kavitäten 'ausgepresst' wird. Wenn sich die Zahnräder auf der Saugseite wieder trennen, kann Flüssigkeit in die leeren Kavitäten eintreten, und der Prozess kann wiederholt werden.
Wie interne Zahnradpumpen funktionieren
Der Antriebsmechanismus (Elektromotor usw.) sorgt für Rotationsbewegung des Rotorzahnrads (des inneren Zahnrads). Wenn sich das Rotorzahnrad dreht, bewirkt es auch die Drehung des Leerlaufzahnrads (äußeres Zahnrad). Flüssigkeit tritt auf der Saugseite der Pumpe ein und fließt in die Kavitäten zwischen Rotor und Leerlaufzahnrad. Eine stationäre Mond-Dichtung trennt die beiden Zahnräder während ihrer weiteren Drehung. Flüssigkeit wird in den Kavitäten zwischen dem Rotorzahnrad und der inneren Mondoberfläche sowie zwischen dem Leerlaufzahnrad und der äußeren Mondoberfläche eingeschlossen. Weitere Drehung der Zahnräder bringt die Zahnradzähne beider Zahnräder näher zusammen. Wenn die Zahnräder beginnen, sich zu verzahnen, wird die Flüssigkeit aus den Kavitäten gedrückt und aus der Pumpe abgegeben; der Prozess wiederholt sich dann.
Interne Zahnradpumpenbetrieb (mit Mond)
Alternative interne Zahnradpumpenkonstruktionen verwenden keine Mond-Dichtung, aber das Arbeitsprinzip ist weitgehend dasselbe wie bei einer internen Zahnradpumpe mit Mond-Dichtung.
Interne Zahnradpumpenbetrieb (ohne Mond)
Zahnradpumpenanwendungen
Zahnradpumpen eignen sich gut für hochviskose (dicke) Flüssigkeiten mit einer geringen Anzahl von suspendierten Feststoffen. Hochviskose Flüssigkeiten umfassen Substanzen wie Farben und Seifen usw. Da Zahnradpumpen enge mechanische Toleranzen aufweisen, können suspendierte Feststoffe in einer Flüssigkeit zu Abrieb der Teile einer Zahnradpumpe führen, was zu einer Reduzierung der Pumpeneffizienz und einer verkürzten Lebensdauer der Pumpe führt.
Typische Anwendungen von Zahnradpumpen umfassen:
- Kraftstoffe und Öle für Automobile.
- Hydrauliköle.
- Alkohol und Lösungsmittel.
- Kleinzirkulation von heißem Öl.
- Farben, Harze und Polymere.
- Flüssigseife.
- Essbare Lebensmittel wie Maissirup, Tierfutter und Erdnussbutter.
Betriebsmerkmale
Um den Betrieb einer Zahnradpumpe zu optimieren, ist es wichtig, die Reibung zwischen ihren Teilen zu minimieren. Reibung erzeugt Wärme, die dazu führt, dass sich die Komponenten einer Zahnradpumpe physisch ausdehnen. Zahnradpumpen haben enge mechanische Toleranzen, insbesondere externe Zahnradpumpen, daher kann jede thermische Ausdehnung die Pumpe beschädigen. Beispielsweise könnten Zahnradzähne fehljustiert werden, was zu Verschleiß, Leckage und einer daraus resultierenden Reduzierung der Effizienz führen würde. In extremen Fällen kann eine stark fehljustierte Zahnradpumpe festfressen (nicht mehr rotieren können).
Typischerweise dient die gepumpte Flüssigkeit dazu, die internen Komponenten der Pumpe zu schmieren. Aus diesem Grund sind die meisten Zahnradpumpen nicht gut für den Trockenbetrieb (kein Flüssigkeitsfluss) über längere Zeiträume geeignet.
Zahnradpumpen sind effizienter, wenn sie mit ihrer maximalen Auslegungsgeschwindigkeit betrieben werden; niedrigere Umdrehungen pro Minute (U/min) führen zu niedrigeren Pumpeneffizienzen.
Allgemeine Vorteile von Zahnradpumpen
Zahnradpumpen sind im Allgemeinen nützlich aufgrund ihrer kompakten Größe und einfachen Konstruktion. Da sie eine geringe Anzahl beweglicher Teile haben, sind sie zuverlässiger als andere, komplexere Pumpenkonstruktionen. Sie sind oft selbstschmierend, da die Flüssigkeit, die sie pumpen, auch die internen Teile der Pumpe schmiert. Die meisten Zahnradpumpen sollten nicht über längere Zeiträume trocken betrieben werden, da dies höchstwahrscheinlich zu Schäden an den Pumpenteilen aufgrund von Reibung/Wärme führen wird.
Allgemeine Nachteile von Zahnradpumpen
Aufgrund der engen Toleranzen, die durch ihr Design erforderlich sind (insbesondere bei externen Zahnradpumpen), sind Zahnradpumpen anfällig für Verschleiß. Wenn ihre Teile verschleißen/abbauen, tritt Leckage auf, und die Effizienz der Pumpe nimmt ab. Wenn eine Zahnradpumpe mit abrasiven Feststoffen verwendet werden muss (nicht ratsam), sollte der Druck niedrig, der Durchfluss hoch und die Betriebsgeschwindigkeit niedrig sein.
Wie bei allen Verdrängerpumpenkonstruktionen sollten Druckentlastungsvorrichtungen installiert werden, um die Pumpe und die nachgeschalteten Komponenten zu schützen.
Vorteile und Nachteile von externen Zahnradpumpen
Eine externe Zahnradpumpe kann bei höheren Drücken als einige andere Pumpentypen betrieben werden und bietet oft ein kompakteres und kostengünstigeres Design. Externe Zahnradpumpen funktionieren gut bei niedrigen bis mittleren Temperaturen, während sie eine relativ hohe Durchflussrate beibehalten. Das Design der externen Zahnradpumpe erfordert enge interne Toleranzen, was sie ideal für Chargenanwendungen macht, da sie eine präzise Durchflussrate hat; sie kann auch niedrigviskose Flüssigkeiten handhaben, da es aufgrund der engen Toleranzen zwischen den Teilen wenig Leckage gibt. Aufgrund der engen Toleranzen zwischen ihren beweglichen Teilen hat eine externe Zahnradpumpe jedoch oft eine höhere Verschleißrate im Vergleich zu anderen Pumpentypen.
Vorteile und Nachteile von internen Zahnradpumpen
Die interne Zahnradpumpe funktioniert am besten unter mäßigem Druck. Sie ist typischerweise größer und teurer als ihr externes Gegenstück. Dennoch hat sie mehrere Vorteile gegenüber einer externen Zahnradpumpe:
- Sie hat eine größere Saugfähigkeit, daher ist sie besser geeignet für die Handhabung von hochviskosen Flüssigkeiten.
- Sie ist robuster, da sie entspanntere mechanische Toleranzen hat.
- Entspannte mechanische Toleranzen ermöglichen es ihr, besser mit höheren Flüssigkeitstemperaturen umzugehen (mehr Raum für die thermische Ausdehnung der Teile), was sie zu einer guten Wahl für Hochtemperatursysteme macht, z.B. Thermoöl.
Interne Zahnradpumpen sind in der Lage, bidirektionalen Flüssigkeitsfluss (Fluss in zwei Richtungen) zu ermöglichen. Dies macht sie nützlich, wenn eine einzelne Pumpe für einen doppelten Zweck benötigt wird, z.B. zum Befüllen und Entleeren eines Behälters.
Obwohl es nicht ratsam ist, eine Zahnradpumpe mit abrasiven Substanzen oder Feststoffen zu verwenden, sind interne Zahnradpumpen für diesen Betrieb besser geeignet als externe Zahnradpumpen, da sie entspanntere mechanische Toleranzen haben. Interne Zahnradpumpen sind jedoch weniger in der Lage, niedrigviskose Flüssigkeiten zu handhaben, da die Leckagerate vergleichsweise hoch ist (entspannte Toleranzen führen zu höheren Leckageraten, insbesondere bei niedrigviskosen (dünneren) Flüssigkeiten).
Zusätzliche Ressourcen
https://kammash.com/learn-gear-pumps-characteristics-and-applications/