Das richtige Gleitlager für Zahnradpumpen

Welche Rolle spielen Gleitlager bei Zahnradpumpen?

Zahnradpumpen sind vom Aufbau eher einfach gehalten, weil sie nur aus wenigen, aber hochwertigen Bauteilen bestehen:

  • Gleitlager
  • Zahnradwellen
  • Gehäuseteile
  • Wellendichtung

Zahnradpumpen sind in der Regel mit mediumgeschmierten Gleitlagern, in seltenen Fällen aber auch mit Wälzlagern ausgestattet. Die Lager spielen bei Zahnradpumpen eine essenzielle Rolle. Sie sorgen dafür, dass die Zahnradwellen gleichmäßig und rund laufen können. Das Besondere bei den Lagern ist, dass sie durch das Fördermedium geschmiert werden.

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Wie ist das Funktionsprinzip eines Gleitlagers?

Das Funktionsprinzip erscheint auf den ersten Blick simpel.

Eine Lagerbuchse nimmt einen Wellenzapfen auf. Das Lager dient zur Aufnahme der Last bei der Wellenrotation. Die Last entsteht bei der Zahnradpumpe durch den Differenzdruck.

Der Differenzdruck ist der Unterschied bei den Druckverhältnissen zwischen der Saugseite (Pumpeneingang) und der Druckseite (Pumpenausgang).

Das Gleitlager hat eine, wenn nicht sogar die wichtigste Aufgabe in der Zahnradpumpe. Optimal ausgelegt sorgt es (auch bei hoher Belastung) für eine verschleißfreie Wellenrotation in der Lagerschale.  Durch den Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms werden die beiden Flächen (Wellenzapfen und Lagerschale) voneinander trennt.

Der hydrodynamische Schmierfilm entsteht durch die Rotation der Zahnradwelle. Die rotierende Bewegung schleppt den Schmierstoff (in diesem Fall das Fördermedium) in den Lagerspalt. An der engsten Stelle im Spalt wird das Medium verdichtet und aufgestaut.

An dieser Stelle erfolgt der hydrodynamische Druckaufbau. Der Druckaufbau ist gekoppelt an die Viskosität des Mediums und die Rotationsgeschwindigkeit der Welle. Ist der Druckaufbau ausreichend groß, wird die Welle in der Lagerschale angehoben und die Flächen getrennt. Ist der Schmierfilm nicht ausreichend dick, besteht die Gefahr des Anlaufens, was im schlimmsten Fall zum Fressen der Welle im Lager führt. Um dieses Risiko zu vermeiden, ist es wichtig, dass das Lager auf die Welle, die Viskosität und die Drehzahl in der Auslegung abgestimmt wird. Dies gilt auch im Hinblick auf die verwendeten Werkstoffe.

Wie sind Gleitlager konzipiert?

Das Lagersystem ist so konzipiert, dass durch eingebrachte Nuten und Kanäle das geförderte Medium durch die Wellenrotation einen tragenden Schmierfilm aufbaut. Das Medium strömt an einer Stelle ins Lager ein und an anderer Stelle wieder aus. Durch die Verengung des Spalts zwischen Wellenzapfen und Lagerwand wird so, ein hydrodynamischer Schmierfilm zwischen Lager und Zahnradwelle aufgebaut. Diese Art Lager wird als hydrodynamische Gleitlager bezeichnet. Die Zahnradwelle wird durch den hydrodynamischen Schmierfilm im Lager getragen. Damit das erreicht wird, ist eine gewisse Wellendrehzahl notwendig, die das Medium in die Nut bzw. den Lagerspalt einzieht und verdichtet. Welche Drehzahl benötigt wird, ist stark abhängig von der Viskosität des Mediums.

Im Gegensatz zu hydrostatischen Gleitlagern, bei denen das Schmiermedium mit einer externen Pumpe zugeführt wird, kommen die hydrodynamischen Gleitlager ohne Zusatzaggregate aus.

 

Was ist bei der Werkstoffauswahl zu beachten?

Um einen zuverlässigen Betrieb der Pumpe zu gewährleisten, muss außerdem der Werkstoff des Gleitlagers auf den Werkstoff der Zahnradwelle abgestimmt sein.

In der Regel werden unterschiedliche Werkstoffe verwendet, wobei der Lagerwerkstoff etwas weicher gewählt wird als der Zahnradwellenwerkstoff.

Bei geringen Viskositäten (Medien mit geringer hydrodynamischer Tragfähigkeit) muss zudem darauf geachtet werden, dass die Spalte (Spiele) zwischen Lager und Wellenzapfen richtig gewählt werden, damit die Pumpe auch die gewünschte Menge fördern kann. Bei zu großen Spielen können die Pumpen einen schlechten Wirkungsgrad haben und nicht die gewünschte Leistung erbringen. Wird das Spiel zu gering gewählt, läuft die Welle im Lager an und wird im schlimmsten Fall fressen.

Bei der Auswahl der Werkstoffe muss zwingend der thermische Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffs im Verhältnis zu den anderen verwendeten Werkstoffen berücksichtigt werden. Nur in der Summe der richtigen Werkstoffkombinationen, unter Berücksichtigung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs, der richtigen Drehzahl sowie der ausreichenden Tragfähigkeit des Mediums, kann die Pumpe zuverlässig betrieben werden.

Welche Lagertypen gibt es?