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Aussenzahnradpumpen

Was ist eine Aussenzahnradpumpe?


Aussenzahnradpumpen sind rotierende Verdrängerpumpen, die sich bis ins sechzehnte Jahrhundert zurückverfolgen lassen. Sie wurden häufig mit Wasserrädern angetrieben, da sie Flüssigkeiten mit einer einfachen Umdrehung der Zahnräder transportieren können. Aussenzahnradpumpen haben sich zu den simpelsten und am häufigsten verwendeten rotierenden Verdrängerpumpen entwickelt. Normalerweise sind Aussenzahnradpumpen mit zwei Zahnrädern auf separaten Wellen ausgestattet, wobei eine Welle mit einem Motor verbunden ist. Die Art des Antriebs, die Grösse und die Werkstoffe unterscheiden sich je nach Branche und Anwendung jedoch erheblich. Aussenzahnradpumpen sind mit Durchflussraten von 20 ml/min bis zu mehr als 50 l/min und Drücken von bis zu 500 bar verfügbar.

Zahnräder einer Magnetkupplungspumpe

Arbeitsweise von Aussenzahnradpumpen


Der Zyklus von Zahnradpumpen kann in drei verschiedene Funktionen aufgeteilt werden:

  1. Durch die Trennung der Zahnräder dehnt sich das Volumen auf der Einlassseite der Pumpe aus. Das ausgedehnte Volumen erzeugt ein Vakuum, wodurch Fluid mit externem Druck in die Pumpe gedrückt werden kann.

  2. Wenn sich die Zahnräder drehen, wird Fluid zwischen den Zähnen und der Wand der Pumpenkammer eingeschlossen. Dadurch wird das Fluid von der Einlass- zur Auslassseite der Pumpe gefördert. Geringes Spiel und die Drehzahl minimieren das Fluid, das von der internen Leckage zurückströmt.

  3. Das zusätzlich zur Auslassseite geförderte Fluid und das bei der Verzahnung der Zahnräder abnehmende Volumen fördern das Fluid zum Auslass.

Zyklus von Zahnradpumpen

Zahnradarten


Aussenzahnradpumpen sind mit einem von drei Zahnradarten ausgestattet:

  • Stirnrad: Stirnräder sind die einfachste Geometrie. Sie können mit einer Vielzahl Verfahren, einschliesslich Spritzgusstechnik, hergestellt werden. Die Stirnradgeometrie eignet sich gut für Schleifverfahren oder Drahterodieren, weshalb gehärtete Werkstoffe interessant werden. Die gesamte Länge des Stirnrads greift jedoch simultan, die Betriebsgeräusche werden dadurch lauter, die Anfälligkeit für Kavitation höher und die Nutzungsdauer geringer.
  • Schrägstirnrad: Schrägstirnräder sind Stirnräder, bewegen sich jedoch in einer Spirale axial am Zahnrad entlang. Damit werden Geräusche und Schwingungen reduziert, denn die Zähne greifen und trennen sich sukzessive während der Drehung. Die Nutzungsdauer verlängert sich dadurch. Die Schraubenform induziert jedoch eine Axialkraft, die zu Verschleiss zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse führen kann. Dem muss durch sorgfältiges Design und sorgfältige Materialauswahl begegnet werden. Schrägstirnräder sind etwas schwieriger herzustellen als Stirnräder. Sie können in Gussverfahren gefertigt werden, wodurch allerdings die Genauigkeit reduziert wird.
  • Pfeilverzahnung: Pfeilverzahnte Zahnräder bieten die Vorteile von Stirnrädern ohne die entsprechende Axialkraft. Die Schraube wird an der Mittelebene des Zahnrads gespiegelt, wodurch ein V-förmiges „Pfeilmuster” entsteht. Obwohl die Pfeilverzahnung den übrigen Zahnradarten funktional überlegen ist, ist sie wesentlich schwieriger herzustellen und daher die teuerste Option.


Stirnrad Schrägstirnrad Pfeilverzahnung

Vor- und Nachteile


Was sind die wesentlichen Merkmale und Vorteile einer Aussenzahnradpumpe?

Zahnradpumpen sind kompakt und einfach, die Anzahl ihrer beweglichen Teile ist begrenzt. Kleine Aussenzahnradpumpen arbeiten normalerweise mit bis zu 4000 U/min, wodurch hohe Durchflussraten bei kompakten Hüllkurven möglich werden. Sie sind vollständig reversierbar und sind damit für komplexe hydraulische Verfahren geeignet. Im Gegensatz zu Zentrifugalpumpen sind Zahnradpumpen selbstansaugend und können mit erheblichen trockenen Ansaughöhen betrieben werden.

Da die Leistung direkt proportional zur Drehzahl ist und eine gleichmässige, pulsfreie Strömung aufweist, werden Aussenzahnradpumpen häufig zum Dosieren, Mischen und für einfache Regelkontrollvorgänge eingesetzt. Sie arbeiten mit Fluids geringer und hoher Viskosität, Rücksprachen mit Pumpeningenieuren sind jedoch wichtig, damit sichergestellt werden kann, dass die Pumpe unter den für sie optimalen Bedingungen arbeitet. Zahnradpumpen gehören zu den leisesten Verdrängerpumpen und sind ideal für Anwendungen, bei denen die Geräuschentwicklung ein wichtiger Faktor ist.

Eine wichtige Unterkategorie der Zahnradpumpen bilden die Magnetkupplungspumpen. Diese Pumpen besitzen keine dynamische Dichtung, dies führt zu einer langen Nutzungsdauer ohne das Risiko externer Leckage.


Welchen Beschränkungen unterliegen Aussenzahnradpumpen?

Die Zahnräder und ihre Gleitlager werden vom gepumpten Fluid geschmiert und sollten über längere Zeiträume nicht trocken laufen. Das Pumpen von Fluids mit Schleifmitteln führt zum Verschleiss der Zahnradflanken und der inneren Lager, da das gepumpte Fluid gleichzeitig das Schmiermittel ist.

Die engen Toleranzen zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse, ein enger Zahneingriff und begrenzte Zahnvolumina erschweren das Pumpen von Fluids mit grossen, schwebenden Feststoffen. Wenn schwebende Feststoffe erwartet werden, kann an der Einlassseite ein Sieb angebracht werden. Wenn an der Einlassseite jedoch ein zu starkes Vakuum erzeugt wird, kann es zu Kavitation kommen.

Eine Zahnradpumpe sollte nicht zu weit ausserhalb ihres empfohlenen Drehzahlbereichs betrieben werden. Die hydrodynamischen Gleitlager in Zahnradpumpen sind für bestimmte Drehzahlbereiche optimiert. Wird die Pumpe zu langsam betrieben, kann dies überraschenderweise zu schnellerem Verschleiss führen.

Bei Hochtemperaturanwendungen muss unbedingt sichergestellt werden, dass der Betriebstemperaturbereich mit der Pumpenspezifikation kompatibel ist. Die thermische Ausdehnung des Gehäuses und der Zahnräder kann das Spiel in der Pumpe verändern und damit die Leistung beeinflussen sowie den Verschleiss potenziell beschleunigen.

Sofern ausreichend Energie vorhanden ist, pumpen Zahnradpumpen gegen einen Gegendruck, wenn eine nachgelagerte Verstopfung aufgetreten ist. Das kann zu einer übermässigen Druckbeaufschlagung und somit zum Platzen des Systems führen. Die interne Leckage einer Zahnradpumpe begrenzt ihren Maximaldruck. Zudem können Druckbegrenzungsventile (Bypässe) in die Pumpe integriert und damit Einlass und Auslass bei vorgeschriebenen Drücken kurzgeschlossen werden.

Aufgrund der hohen Drehzahlen, dem geringen Spiel und der Zahneingriffe von Aussenzahnradpumpen sind sie für scherempfindliche Flüssigkeiten wie Farbe und Seifen ungeeignet.


Werkstoffe / Konfigurationsoptionen


Wie die folgende Liste erkennen lässt, können Zahnradpumpen in einer grossen Auswahl an Werkstoffen gefertigt werden. Eine hervorragende Lebensdauer und Kostenoptimierung können durch präzise Abstimmung der Werkstoffe mit der Flüssigkeit erzielt werden. Obwohl Aussenzahnradpumpen allgemein aus Gusseisen hergestellt werden, ermöglichen neuere Materialien den Einsatz dieser Pumpen mit Flüssigkeiten wie Schwefelsäure, Natriumhypochlorid, Eisenchlorid, Natronlauge und hunderten anderen korrosiven Flüssigkeiten.

  • Aussenseiten (Kopf, Gehäuse, Halterung) - Eisen, Kugelgraphit, Stahl, Edelstahl, hochlegierte Metalle, Verbundwerkstoffe, PPS, ETFE
  • Wellen - Stahl, Edelstahl, hochlegierte Metalle, Aluminiumoxid-Keramik, PEEK
  • Zahnräder - Stahl, Edelstahl, Hartmetalle, PTFE, PPS, PEEK
  • Buchsen/Lager - Kohlenstoff, Bronze, Siliziumkarbid, Nadellager, PEEK
  • Wellendichtung - Füllkörper, Lippendichtung, Komponenten-Gleitringdichtung, Magnetkupplung

 

Weshalb Zahnradpumpen nicht identisch hergestellt werden


Lebensdauer

Die Lebensdauer ist eine Kombination aus Designdetails, Fertigungsgenauigkeit und der Zusammenarbeit der Ingenieure:

  • Die Lagergrösse und -anordnung sind für geringen Verschleiss von höchster Bedeutung.
  • Geeignete Schmierpfade sind haarfein, jedoch wichtig für die dauerhafte Schmierung, Kühlung und ausreichende Flüssigkeitsversorgung der Lager, sodass eine korrekte hydrodynamische Schicht gebildet werden kann.
  • Die Beibehaltung kleiner, einheitlicher Lagerspiele reduziert zwar den Kontakt, erfordert jedoch eine hohe, wiederholbare Präzisionsbearbeitung.
  • Eine schlechte Qualität des Zahnradprofils, die sowohl vom Guss als auch schlechter Bearbeitung herrühren kann, beschleunigt den Verschleiss.
  • Auch die am besten ausgelegten Pumpen und Pumpen höchster Qualität zeigen schlechte Leistungen, wenn sie falsch verwendet werden. Zugang zu und die Zusammenarbeit mit Pumpeningenieuren sind für eine lange Lebensdauer unerlässlich.
  • Richtige Materialauswahl

Konsistenz

Bei OEM-Anwendungen ist die Pumpe-zu-Pumpe-Wiederholbarkeit ein wichtiges, jedoch häufig übersehenes Merkmal der Pumpen. Die Wiederholbarkeit bei Zahnradpumpen wird von einer Reihe Faktoren beeinflusst, darunter Zahnradtoleranzen, Gehäusetoleranzen, Lagertoleranzen, Ausrichtung der Baugruppe und die Motorkonsistenz. Wenn keine geeigneten Kontrollen vorhanden sind, kann die Pumpe-zu-Pumpe-Abweichung bei hohen Drücken 20 % übersteigen. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass der Pumpenhersteller ein robustes Qualitätskontrollsystem besitzt, Pumpentests 100&ig durchführt und einen guten Ruf hat.

Dichtungen

Dichtungen zwischen der Motorwelle und dem Gehäuse sind die Komponenten einer Pumpe, die die Lebensdauer am meisten einschränken. Die sorgfältige Auswahl und Tests der Dichtungen mit den vom Systemdesigner vorgesehenen Fluids sind erforderlich. Eine Dichtung, durch die Wasser gepumpt wird, reagiert ganz anders als eine Dichtung, die einer aggressiven Säure ausgesetzt ist. Zudem kann ein Versagen der Dichtung zu Schäden am umgebenden Equipment und nicht nur an der Pumpe führen. Die beste Lösung ist die Anwendung einer Magnetkupplung, wenn der Druck und die Drehzahl dafür geeignet sind.