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Zahnradpumpe
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Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Es sind Zahnradpumpen bekannt, deren Eumpenräder aus Metall bestehen.
Bei derartigen Zahnndpumpen mit Pumpenrädern aus Metall sind die PumpDeistung und
insbesondere der maximale Förderdruck stark abhängig von der Maß genauigkeit der
Pumpenräder sowie der benach-I)arten, mit diesen zusammenwirkenden Gehäusebereichen.
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Dies zuführt zu erheblichem Aufwand bei der Herstelluny dieser Teile.
Außerdem ergibt sich ein hohes Laufgerausch bei Berührung der metallenen Zahnflanken.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, sind auch Zahnradpumpen mit Zahnrädern
aus einem geeigneten Kunststoff bekannt geworden. Derartige Pumpenräder aus Kunststoff
weisen jedoch geringen Verschleißwiderstand auf, so
daß bereits
alleine durch natürlichen Verschleiß ein frühtr Ausfal] der Pumpe bzw. ein relativ
rasches Absinken des mit der Pumpe erreichbaren Förderdruckes erfolgen. Insbesondere
bei höheren Temperaturen, etwa über 1000C, nimmt der Verschleiß schnell zu, und
ergeben sich darüber hinaus Probleme in Bezug auf die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
von Pumpenrad und Pumpengehäuse, das in der Regel als metallenes Gußgehäuse ausgeführt
ist.
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Auf gabe der Erfindung ist es, eine Zahnradpumpe der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 umrissenen Gattung zu schaffen, die gegenüber einer Pumpe mit Pumpenrädern
<aur Metall , t?I?t erheblich vermindertes Laufgeräusch auSwe'ist, gegenüber
Pumpen mit Pumpenrädern aus Kunststoff jedoch einen erheblich erhöhten Verschleißwiderstand
besitzt und bei Verschleiß schnell und einfach repariert werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1.
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Durch die Paarung eines Pumpenrades aus hartem Werkstoff wie ins!)esondere
Metall mit einem Pumpenrad aus dem gegenüber weichelastischerem Werkstoff wie insbesonåere
Kunststoff wird zunächst erreicht, daß die c'-r£irderliche Fertigungsgenauigkeit
für beide Pumpenräder geringer wird als im Falle einer Paarung zweier Pumpenräder
as hartem Werkstoff. Dadurch sinken die Herstelzungsksten. Weiterhin vermindern
sich gegenüber Pumpenrädern ius Metall die Laufgeräusche durch Paarung eines beispielsweise
metallenen Pumpenrades mit einem Pumpenrad beispielsweise aus Kunststoff erheblich,
so daß die auStrztenden Laufgeräusche im wesentlichen denjenigen einer Paarung von
Pumpenrädern aus Kunststoff entsprechen. Jedoch ist der Verschleiß gegenüber einer
Paarung von Pumpenrädern aus Kunststoff erheblich verringert, weil das treibende
Pumpenrad aus
einem harten Werlesto£E wie Metall besteht. Das Pumpenrad
aus Metall kann somit die erforderlichen Antriebskräfte problemlos von der Antriebswelle
in den Bereich des Arbeitsspaltes zwischen den beiden Pumpenrädern übertragen. Das
getriebene Pumpenrad aus,ueichelastischerem Werkstoff kann auf einem feststehenden
Achszapfen mitdrehen und ist im wesentlichen nur durch den Schleppwiderstand der
zu pumpenden Flüssigkeit belastet. Bei günstiger Wahl der Wer7.cstofSpaarung, beispielsweise
Stahl-Polytetra£luorethylen, ergibt sich auch durch den kämmenden Eingriff der Pumpenräder
äußerst geringer Verschleiß, der überdies ausschließlich auf seiten des Pumpenrades
mit dem weichelastischeren Werkstoff auftritt. Ein Festkleben der Pumpenräder durch
Rost, wie es bei Pumpenrädern aus Metall auftreten kann, ist ausgeschlossen.
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Jeglicher Verschleiß, auch Abrieb, tritt grundsätzlich nur auf seiten
des Pumpenrades aus weichelastischerem Werkstoff auf, welches als billiges Ersatzteil
bereitgehalten und einfach und schnell ausgetauscht werden kann, da hierzu kein
Eingriff in die Antrieb organe der Pumpe erforderlich ist. Der Abrieb beispielsweise
aus Kunststoff ist weich und greift daher die Lager nicht an.
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Uberraschenderweise ergibt sich somit insgesamt, daß durch Paarung
eines Pumpenrades beispielsweise aus Metall mit einem Pumpenrad beispielsweise aus
Kunststoff, jedenfalls einem gegenüber dem ersten Werkstoff weichelastischerem Werkstoff,
die Summe der Vorteile von Zahnradpumpen mit metallenen Pumpenrädern einerseits
und Pumpenrädern aus Kunststoff andererseits erzielt werden kann, während die jeweiligen
Nachteile praktisch völlig ausgeschaltet sindg soBer'n der harte Werkstoff wie Metall
für das treibende Pumpenrad verwendet wird. Dieses kann mit einem oder mehreren
getriebenen Pumpenrädern aus weichelastischerem Material wie Kunststoff, Hartgummi
od. dgl. känrmen, wobei es
genügt, diese getriebenen Pumpenräder
durch Lagerung gegebenenfalls unmittelbar auf einem nackten Lagerzapfen an der gewünschten
Stelle drehbeweglich zu fixieren.
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Die getriebenen Pumpenräder bilden dabei gewissermaßen Soll-Ausfallstellen
im System, da sicher ist, daß Ausfälle durch Verschleiß oder sonstige Anomalien
auf seiten der getriebenen Pumpenräder beispielsweise aus Kunststoff auftreten.
Zur Beseitigung derartiger Störungen ist also nur erforderlich, eine Anzahl derartiger
Pumpenräder beispielsweise aus Kunststoff als Ersatzteile bereitzustellen, was nur
minimalen Aufwand erfordert. -Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung zum Inhalt.
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Die Maßnahmen des Anspruchs 7 beziehen sich auf die Lösung eines Problemes,
welchesbei Verwendung von Pumpenrädern insbesondere aus Kunststoff dann auStritt,
wenn bei wechselnden, zeitweise auch relativ hohen Temperaturen der Flüssigkeit
bis beispielsweise 1300C gearbeitet werden soll: Da die Pumpengehäuse Ublicherweise
aus Metall bestehen, führen die unterschiedlichen' Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Kunststoff und Metall dazu, daß die Pumpe im Falle enger Toleranzen bei hohen
Temperaturen festfrißt oder, wenn die Pumpe auf eine Arbeit bei diesen Temperaturen
ausgelegt. ist, bei niederen Temperaturen einen großen.Verlustspalt aufweist, so
daß die Pumpleistung absinkt. Durch die Maßnahmen des Anspruchs 7 wird erreicht,
daß der Radialausdehnungskoeffizient des Kunststoffes an den Ausdehnungskoeffizienten
des metallenen Pumpengehäuses besser angepaßt wird. Eine solche Ausbildung des gegetriebenen
Pumpenrades mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsk6effizienten in der axialen und
radialen Richtung läßt sich dadurch erzielen, daß das Pumpenrad extrudiert oder
stranggepreßt wird, was durch entsprechende Druckbeaufschlagung in der plastischen
Phase
zudem gewünschten Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Abhängigkeit von der betrachteten Richtung führt. Die damit einhergehende Verminderung
der axialen Wärmeausdehnung ergibt den zusätzlichen Vorteil, daß dortige axiale
Anschläge zur Positionierung des getriebenen Pumpenrades auf dem Lagerzapfen mit
engen Toleranzen an Jen Flanken des getriebenen Pumpenrades anliegen können, ohne
daß ein Klemmen ZU befürchten ist.
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Bei einer erfindunsgemäßen Zahnradpumpe sollte, um Probleme mit einer
Schmierflüssigkeit zu vermeiden, eine schmierungsfreie Lagerung der Antriebswelle
des treibenden Pumpenrades erfolgen. Dies wird in Weiterbildung der Erfindung gemäß
Anspruch 9 insbesondere dadurch erreicht, daß zumindest die Lageroberflächen der
Antriebswelle des treibenden Pumpenrades und deren Lager aus Hartmetall bestehen,
dessen hoher Verschleißwiderstand eine Schmierung entbehrlich macht. Im Rahmen der
Erfindung sind dabei nur zwei Hartmetallager Bor eine einwandEreie radiale Lagerung
der Antriebswelle erforderlich, während die getriebenen Pumpenräder aus Kunststoff
od. dgl. ebenPalls schmierungsfrei unmittelbar auf einem Lagerzapfen umlaufen können,
so daß an dieser Stelle keine aufwendigen Hartmetallager erforderlich sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand einer zeichnerisch dargestellten
Ausführungsform näher erläutert.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Radialschnitt durch eine
erfindungsgemäße Zahnradpumpe.
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Die in der Zeichnung veranschaulichte Zahnradpumpe weist ein-Pumpengehäu5e
1 in Form eines metallenen Gußgehäuses auf, welches einen Einlaß 2 und einen Auslaß
3 fUr die zu pumpende Flüssigkeit besitzt. Die Auslässe 2 und 3 fluchten im wesentlichen
miteinander und liegen in Höhe
des Eingriffsbereiches eines treibenden
Pumpenrades 4 aus Stahl und eines angetriebenen Pumpenrades 5 aus Polytetrafluorethylen,
welches frei auf einem Lagerzapfen 6 drehbar ist. Die Zahnspitzen der Pumpenräder
4 und'5 laufenüber den überwiegenden Teil der Radumfänge mit engem Spalt an einer
Innenwand£läche 7 des Pumpengehäuses 1, so daß benachbarte Zähne der Pumpenräder
4 und 5 die zu pumpende Flüssigkeit in den Zahnlücken einschließen können. Die zu
pumpende Flüssigkeit gelangt also über den Einlaß 2 zur Austrittsseite des Eingriffsbereiches
der miteinander kämmenden und gemäß den eingezeichneten PEeilen drehenden Pumpenräder
4 und 5, wo die Zähne des jeweiligen Gegenrades aus den Zahnlücken austreten und
diese daher als Aufnahmetaschen für Flüssigkeit zur Verfügung stehen. Die Flüssigkeit
wird dann in den Zahnlücken entlang der Innenwände 7 des Pumpengehäuses 1 über eine
annähernd volle Umdrehung der Pumpenräder 4 und 5 mitgeführt und an der Eintrittsseite
des Eingriffsbereiches beider Pumpenräder 4 und 5 durch den Eingriff der Zähne des
jeweiligen Gegenrades wieder aus den Zahnlücken verdrängt sowie durch den Auslaß
3 herausgedrückt.
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Das metallene Pumpenrad 4 ist auf seiner Antriebswelle 8 aufgeteilt
und wird so von einem nicht näher dargestellten Antrieb aus gedreht, wobei die Ubertragung
des Drehmomentes auf den Verzahnungsbereich des Pumpenrades 4 mit Rücksicht auf
die Festigkeit des metallenen Werkstoffes keine Probleme bereitet. Das Pumpenrad
5 aus Polytetrafluorethylen dreht durch den Eingriff mit dem Pumpenrad 4 aus Metall
auf dem Lagerzapfen 6 mit, wobei lediglich geringe Kräfte auftreten, die geringen
Verschleiß ergeben. Axiale oder radiale Spannkräfte brauchen auf das Pumpenrad 5
nicht ausgeübt zu werden.
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Das Pumpenrad 5 aus Polytetrafluorethylen mit einem Kohlenstoffanteil
zwischen 20 und SOX, vorzugsweise bei 35%, wird als Strangpreßteil hergestellt,
wozu
zunachst eine Stange mit einem der Zahnung entsprechenden
Umfang exwtrtldiert wird, von der dann die einzelnen Fumpenräder 5-abgelängt werden.
Auf diese Weise sind Pumpenräder 5 sehr billig herzustellen und können problemlos
für Reparaturen bereitgehalten werden, die bei der Zahnradpumpe lediglich im Bereich
des -vom Werkstoff her erheblich schwächeren Pumpenrades 5 auftreten können. Im
Falle einer erforderlichen Reparatur braucht dieses nach öffnung des Pumpengehäuses
1 lediglich vorn Lagerzapfen 6 abgezogen und durch ein neues Pumpenrad 5 ersetzt
zu werden. Durch Strangpressung des Pumpenrades E ergibt sich weiterhin der Vorteil
einer Orientierung gewisser Eigenschaften in radialer und axialer Richtung, wobei
der Wärmeausdehnungskoeffizient in radialer Richtung höher ist als derjenige in
axialer Richtung. Dadurch wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Pumpenrades 5
aus dem erläuterten Kuiststoffmaterial in radialer Richtung demjenigen des Pumpengehäuses
1 aus Metall angepaßt, so daß auch bei wechselnden Temperaturen zwischen etwa 20°C
und 130°C ein Spalt gewünschter Größe zwischen den Zahnspitzen-und der Innenwand
7 des Pumpengehäuses 1 verbleibt und weder ein Festkleen bei -hohen Temperaturen
noch eine übermäßige Leckströmung bei niedrigen Temperaturen auftreten.
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Während das Pumpenrad 5 einfach auf dem blanken Lagerzapfen 6 entsprechender
Oberflächengüte umlaufen kann, ist die Antriebswelle 8, die in nicht näher veranschaulichten,
in der Regel zu beiden Seiten des Pumpenrades 4 liegenden Lagern gehalten ist und
mit dem Pumpenrad 4 zusammen dreht, aus Hartmetall gefertigt und läuÇ in nicht näher
dargestellten Lagerbuchsen aus Hartmetall um. Durch den hohen Verschleißwiderstand
von Hartmetall kann eine Schmierung vermieden werden. Selbstverständlich reicht
auch aus, lediglich die der Lagerung dienenden Oberflächenbereiche der I.agerbuchsen
u.ad der Antriebswelle 8 aus Hartmetall zu
fertigen, wozu geeignete
Techniken an sich bekannt sind.
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Die Zeichnung veranschaulicht in einer gewissen schematischen Vereinfachung
eine Zahnradpumpe einfachster Bauart, bei der die Erfindung in der erläuterten Weise
anwendbar ist. Selbstverstandlich hängt die Anwendbarkeit der Erfindung nicht von
Einzelheiten der Ausbildung der Zahnradpumpe wie Antrieb, Dimensionierung usw. ab.
Auch kann etwa auf der dem Pumpenrad 5 gegenüberliegenden Seite des Pumpenrades
4 ein weiteres angetriebenes Pumpenrad aus Kunststoff angeordnet werden, welches
ebenfalls vom treibenden Pumpenrad 4 aus Metall angetrieben wird, wie dies bei manchen
Bauarten derartiger Zahnradpumpen vorgesehen ist. Weiterhin kann auf einer einzigen
Antriebswelle'8 rauch eine Mehrzahl von Sätzen metallener Pumpenräder 4 mit damit
in Eingriff stehenden Pumpenrädern 5 aus Kunststoff nebeneinander angeordnet werden,
wie dies etwa zu dem Zweck bekannt ist, durch entsprechend umfangsversetzte Anordnung
der Zahnung derartiger benachbarter Pumpenräder 4 und 5 die Förderstrompulsation
zu verringern und die Gesamtförderleistung der Pumpe zu erhöhen.
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Der Kunststoff für das Pumpenrad 5 ist bevorzugt mit einem Füllmaterial
wie Kohlenstoff, Mop2, Glasfaser Edelstahl, Bronze oder dgl. versehen. Derartige
Füllmaterialien dienen zur selektiven Beeinflussung bestImmter interessierender
Eigenschaften des Kunststoffes und haben im Rahmen der vorliegenden Erfindung den
besonderen Zweck, ein langsames Fließen des Kunststoffes unter Druck zu vermeiden,
was zu einer allmählichen Verf ormung des Pumpenrades 5 aus Polytetrafluorethylen
oder einem anderen geeigneten Kunststoff führen könnte.