Außenzahnradpumpen

November 23, 2020

Was ist eine Außenzahnradpumpe?

Außenzahnradpumpen sind eine Art von rotierenden Verdrängerpumpen, die auf das späte sechzehnte Jahrhundert zurückgehen. Sie wurden oft von Wasserrädern angetrieben, da sie die einfache Rotation von Zahnrädern zum Fördern von Flüssigkeiten nutzen können. Außenzahnradpumpen haben sich zur einfachsten und häufigsten Art von rotierenden Verdrängerpumpen entwickelt. Typischerweise haben Außenzahnradpumpen zwei Zahnräder auf separaten Wellen, wobei eine Welle mit einem Motor verbunden ist. Die Antriebsarten, die Größe und die Konstruktionsmaterialien sind je nach Branche und Anwendung sehr unterschiedlich. Außenzahnradpumpen gibt es mit Fördermengen von 20 ml/min bis über 50 L/min, mit Drücken bis zu 500 bar.

 

DPP Getriebe aus einer magnetgekuppelten Zahnradpumpe

DPP Getriebe aus einer magnetgekuppelten Zahnradpumpe

Funktionsweise von Außenzahnradpumpen

Der Zyklus einer Zahnradpumpe kann in drei verschiedene Aktionen unterteilt werden:

  1. Durch das Entkämmen der Zahnräder wird das Volumen am Einlass der Pumpe vergrößert. Durch das vergrößerte Volumen entsteht ein Vakuum, so dass durch den externen Druck Flüssigkeit in die Pumpe gedrückt wird.
  2. Wenn sich die Zahnräder drehen, wird Flüssigkeit zwischen den Zahnradzähnen und der Hohlraumwand des Gehäuses eingeschlossen. Dadurch wird die Flüssigkeit von der Einlassseite der Pumpe zur Auslassseite befördert. Die engen Abstände und die Rotationsgeschwindigkeit minimieren das interne Auslaufen von Flüssigkeit nach hinten.
  3. Die zusätzliche Flüssigkeit, die auf der Auslassseite zugeführt wird, führt zusammen mit dem abnehmenden Volumen, das durch das Ineinandergreifen der Zahnräder entsteht, dazu, dass die Flüssigkeit aus dem Auslass austritt.
DPP Diagramm der Außenzahnradpumpe

DPP Diagramm der Außenzahnradpumpe

Getriebetypen

Bei Außenzahnradpumpen wird eines von drei Getriebetypen verwendet:

  • Stirnrad: Stirnradzahnräder sind die einfachste Geometrie. Sie können mit zahlreichen Fertigungsmethoden hergestellt werden, einschließlich Spritzgießen. Die Stirnradgeometrie eignet sich auch gut zum Schleifen oder Drahterodieren, wodurch gehärtete Materialien eine Option sind. Allerdings greift die gesamte Länge des Stirnrads gleichzeitig ein, was zu einem lauteren Betrieb, einer höheren Empfindlichkeit gegenüber Kavitation und einer geringeren Lebensdauer führt.
  • Schrägverzahnung: Schrägverzahnte Getriebe sind Stirnradgetriebe, die jedoch axial entlang des Zahnrads spiralförmig verlaufen. Dies reduziert Geräusche und Vibrationen, da die Zähne während der Drehung allmählich ein- und ausrasten, was zu einer längeren Lebensdauer führt. Die schraubenförmige Form induziert jedoch eine axiale Kraft, die zu Verschleiß zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse führen kann. Dies muss durch sorgfältige Konstruktion und Materialauswahl berücksichtigt werden. Schrägverzahnte Zahnräder sind etwas schwieriger herzustellen als geradverzahnte Zahnräder; sie können dennoch geformt werden, wenn auch mit geringerer Genauigkeit.
  • Herringbone: Fischgrätenräder bieten die Vorteile von Schrägstirnrädern ohne die daraus resultierende Axialkraft. Die Schrägverzahnung wird um die Mittelebene des Zahnrads gespiegelt, wodurch ein v-förmiges „Fischgrätenmuster“ entsteht. Diese Verzahnung ist den anderen Verzahnungsarten funktionell überlegen, ist aber in der Herstellung wesentlich anspruchsvoller und daher die teuerste Variante.
Stirnradgetriebene Fischgrätenzahnradpumpen

Stirnradgetriebene Fischgrätenzahnradpumpen

Vorteile/Nachteile

Was sind die wichtigsten Merkmale und Vorteile einer Außenzahnradpumpe?

Zahnradpumpen sind kompakt und einfach mit einer begrenzten Anzahl von beweglichen Teilen. Kleine Außenzahnradpumpen arbeiten in der Regel mit bis zu 4000 Umdrehungen pro Minute und ermöglichen so hohe Fördermengen in kompakten Gehäusen. Sie sind voll reversibel, was komplexe hydraulische Vorgänge erleichtert. Im Gegensatz zu Zentrifugalpumpen sind Zahnradpumpen selbstansaugend und können erhebliche Höhen trocken anheben.

Da die Fördermenge direkt proportional zur Drehzahl ist und einen gleichmäßigen, impulsfreien Fluss darstellt, werden Außenzahnradpumpen häufig für Dosier- und Mischvorgänge sowie für einfache Regelungsvorgänge eingesetzt. Sie können sowohl Flüssigkeiten mit hoher als auch mit niedriger Viskosität fördern, jedoch ist eine Beratung durch Pumpeningenieure wichtig, um sicherzustellen, dass die Pumpe in ihrem optimalen Zustand arbeitet. Zahnradpumpen gehören zu den leisesten Verdrängerpumpen und sind ideal für Anwendungen, bei denen Geräusche eine Rolle spielen.

Eine wichtige Unterkategorie von Zahnradpumpen sind magnetisch gekoppelte Zahnradpumpen. Diese Pumpen haben keine dynamische Dichtung, was zu einer langen Lebensdauer ohne Risiko einer externen Leckage führt.

Was sind die Grenzen einer Außenzahnradpumpe?

Die Zahnräder und ihre Gleitlager werden durch die gepumpte Flüssigkeit geschmiert und sollten nicht über längere Zeit trocken laufen. Durch das Pumpen von Flüssigkeit mit Schleifmitteln werden sowohl die Zahnradflanken als auch die Innenlager schnell abgenutzt, da die gepumpte Flüssigkeit gleichzeitig die Schmierflüssigkeit ist.

Die engen Toleranzen zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse, ein enger Zahneingriff und ein begrenztes Zahnvolumen erschweren das Pumpen von Flüssigkeiten mit großen, schwebenden Feststoffen. Wenn Schwebstoffe zu erwarten sind, kann ein Schmutzfänger an der Einlassseite installiert werden. Die Erzeugung eines zu hohen Vakuums am Einlass kann jedoch zu Kavitation führen.

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 beschleunigtem Verschleiß führen.

Bei Hochtemperaturanwendungen ist es wichtig sicherzustellen, dass der Betriebstemperaturbereich mit der Pumpenspezifikation kompatibel ist. Durch die thermische Ausdehnung des Gehäuses und der Zahnräder kann sich das Spiel in der Pumpe verändern, was die Leistung beeinträchtigt und den Verschleiß beschleunigen kann.

Bei ausreichender Leistung pumpen Zahnradpumpen gegen einen Gegendruck weiter, wenn eine stromabwärts gelegene Blockade auftritt. Dies kann zu einer Überdruckbeaufschlagung führen und einen Systembruch zur Folge haben. Die interne Leckage einer Zahnradpumpe begrenzt ihren maximalen Druck. Außerdem können Druckbegrenzungsventile (Bypässe) in die Pumpe integriert werden, um bei vorgeschriebenen Drücken den Auslass zum Einlass kurzzuschließen.

Die hohen Drehzahlen, engen Abstände und der Zahneingriff von Außenzahnradpumpen machen sie für scherempfindliche Flüssigkeiten wie Farben und Seifen ungeeignet.

Konstruktionswerkstoffe / Konfigurationsmöglichkeiten

Wie die folgende Liste zeigt, können Zahnradpumpen aus einer Vielzahl von Materialien gebaut werden. Eine überlegene Lebensdauer und optimierte Kosten können durch die genaue Abstimmung der Konstruktionsmaterialien auf die Flüssigkeit erreicht werden. Während Außenzahnradpumpen üblicherweise aus Gusseisen hergestellt werden, können diese Pumpen dank neuerer Materialien auch Flüssigkeiten wie Schwefelsäure, Natriumhypochlorit, Eisenchlorid, Natriumhydroxid und Hunderte anderer korrosiver Flüssigkeiten verarbeiten.

  • Äußere Teile (Kopf, Gehäuse, Halterung) – Eisen, Sphäroguss, Stahl, Edelstahl, Hochlegierungen, Verbundwerkstoffe, PPS, ETFE
  • Wellen – Stahl, Edelstahl, hochlegierte Werkstoffe, Aluminiumoxid-Keramik, PEEK
  • Zahnräder – Stahl, Edelstahl, Hartmetalle, PTFE, PPS, PEEK
  • Buchsen/Lager – Kohlenstoff, Bronze, Siliziumkarbid, Nadellager, PEEK,
  • Wellendichtung – Packung, Lippendichtung, Bauteil-Gleitringdichtung, Magnetkupplung

Warum nicht alle Zahnradpumpen gleich sind:

Leben

  • Die Lebensdauer der Pumpe ist eine Kombination aus Konstruktionsdetails, Fertigungspräzision und der Zusammenarbeit von Ingenieuren und Technikern:
  • Lagergröße und -anordnung sind entscheidend für niedrige Verschleißraten.
  • Richtige Schmierpfade sind subtil, aber wichtig, um Lager geschmiert, kühl und mit genügend Flüssigkeit zu halten, um eine richtige hydrodynamische Schicht zu entwickeln.
  • Die Beibehaltung kleiner, gleichmäßiger Zapfenlagerspiele reduziert den Kontakt, erfordert aber eine hohe, wiederholbare Bearbeitungspräzision.
  • Eine schlechte Qualität des Zahnradprofils, sei es durch Gießen oder schlechte Bearbeitungsmethoden, beschleunigt den Verschleiß.
  • Selbst die beste Konstruktion und die hochwertigsten Pumpen können bei unsachgemäßer Verwendung eine schlechte Leistung erbringen. Der Zugang zu und die Zusammenarbeit mit Pumpeningenieuren sind entscheidend für eine lange Lebensdauer.
  • Richtige Materialauswahl

Konsistenz

Für OEM-Anwendungen ist die Wiederholbarkeit von Pumpe zu Pumpe eine kritische, aber oft übersehene Eigenschaft von Pumpen. Die Wiederholgenauigkeit von Zahnradpumpen wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, wie z. B. Zahnradtoleranzen, Gehäusetoleranzen, Lagertoleranzen, Montageausrichtung und Motorkonsistenz. Wenn keine geeigneten Kontrollen vorhanden sind, kann die Abweichung von Pumpe zu Pumpe bei hohen Drücken 20 % übersteigen. Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Pumpenhersteller über ein robustes Qualitätskontrollsystem, 100 %ige Pumpentests und einen guten Ruf verfügt.

Dichtungen

Die Dichtungen zwischen Motorwelle und Gehäuse sind die lebensdauerbegrenzende Komponente in einer Pumpe. Eine sorgfältige Auswahl und Prüfung der Dichtungen ist unter Verwendung der tatsächlichen Flüssigkeiten des Systemkonstrukteurs erforderlich. Eine Dichtung, die Wasser pumpt, verhält sich ganz anders als eine, die eine aggressive Säure pumpt. Außerdem kann der Ausfall einer Dichtung nicht nur die Pumpe, sondern auch die umliegenden Geräte beschädigen. Die beste Lösung ist die Verwendung einer Magnetkupplung, wenn Druck und Geschwindigkeit dies zulassen.

 

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Mit ihrer hervorragenden Fördergenauigkeit eignen sich Dosierpumpen der Precision-Serie beispielsweise perfekt für den Einsatz in der Dialyse. Sie sind auch in der Version mit doppelter Präzision erhältlich.
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