Kolbenpumpe oder Zahnradpumpe – welche soll man wählen?

Die Wahl zwischen einer Kolben- und einer Zahnradpumpe sollte sich nach den konkreten Anforderungen der Anwendung richten. Kolbenpumpen bieten trotz ihres höheren Preises und ihrer größeren Komplexität höhere Drücke, einen besseren Wirkungsgrad und die Möglichkeit der Durchflussregelung, was sie ideal für Anwendungen macht, die Präzision und hohe Betriebsparameter erfordern. Zahnradpumpen hingegen eignen sich dank ihrer einfachen Konstruktion, Zuverlässigkeit und geringeren Kosten hervorragend für Anwendungen mit mittleren Druck- und Durchflussanforderungen.

Die Analyse der in diesem Artikel dargestellten technischen Parameter sowie der Vor- und Nachteile beider Pumpentypen soll dabei helfen, die optimale Entscheidung zu treffen, die auf die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Hydrauliksystems zugeschnitten ist. Es ist zu beachten, dass die richtige Auswahl der Hydraulikpumpe von entscheidender Bedeutung für die Effizienz, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des gesamten Systems ist.

In der Kraftübertragungstechnik gibt es, wie in jedem Bereich des Ingenieurwesens, keine Patentlösungen – jede Entscheidung sollte das Ergebnis einer sorgfältigen Analyse der Anforderungen und Einschränkungen der jeweiligen Anwendung sein.

Technische Daten von Kolbenpumpen

Aufbau und Betriebsdaten

Kolbenpumpen zeichnen sich durch einen komplexen Aufbau aus, der aus Kolben, Zylindern, Ventilen und Antriebsmechanismen besteht. Sie können als ein- oder doppeltwirkende Pumpen ausgeführt sein. Sie zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• Hoher Betriebsdruck – Kolbenpumpen können sehr hohe Drücke erzeugen, wodurch sie sich ideal für Anwendungen eignen, die eine hohe Kraft erfordern
• Stabile Leistung, unabhängig von Druck und Viskosität des Fördermediums
• Hoher Wirkungsgrad – Kolbenpumpen erreichen einen Wirkungsgrad von 80–95 %
• Möglichkeit zum Betrieb mit variabler Förderleistung – viele Kolbenpumpenmodelle bieten die Möglichkeit zur Leistungsregelung

Vorteile von Kolbenpumpen

1. Die Förderleistung der Pumpe ändert sich nicht mit dem Druck und der Viskosität des Fördermediums
2. Die Möglichkeit, praktisch jedes Medium zu transportieren, unabhängig von seinen physikalischen oder chemischen Eigenschaften
3. Die Möglichkeit, einen hohen Ausgangsdruck bei gleichbleibendem Durchfluss zu erzielen
4. Hoher Wirkungsgrad im Bereich von 80–95 %
5. Präzise Durchfluss- und Druckregelung

Nachteile von Kolbenpumpen

1. Eine komplexe Konstruktion, die eine präzise Ausführung erfordert
2. Hohe Anschaffungs- und Unterhaltskosten
3. Geringere Drehzahl im Vergleich zu anderen Pumpentypen
4. Der pulsierende Charakter des Durchflusses, der häufig den Einsatz von Pulsationsdämpfern erforderlich macht
5. Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen im Arbeitsmedium
6. Aufwändigere Wartung aufgrund der Komplexität der Konstruktion

Technische Daten von Zahnradpumpen

Aufbau und Betriebsdaten

Zahnradpumpen zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, der aus einem Gehäuse und einem Zahnradpaar besteht. Man unterscheidet zwischen Zahnradpumpen mit Außenverzahnung und solchen mit Innenverzahnung. Ihre wichtigsten Parameter sind:

• Mittlere Betriebsdrücke – Zahnradpumpen arbeiten in der Regel in einem Druckbereich von 175 bis 275 bar, je nach Größe und Bauart
• Die Leistung ist proportional zur Drehzahl – der Durchfluss hängt direkt von der Drehzahl der Antriebswelle ab
• Drehzahlen – je nach Pumpengröße zwischen 3000 und 10000 U/min
• Geometrisches Arbeitsvolumen – von einigen bis zu mehreren Dutzend cm³/U

Vorteile von Zahnradpumpen

1. Einfacher Aufbau mit einer minimalen Anzahl beweglicher Teile, was das Ausfallrisiko verringert
2. Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit
3. Relativ niedrige Anschaffungs- und Betriebskosten
4. Geeignet für hochviskose Flüssigkeiten wie Öle, Farben oder Harze
5. Gute Leistung bei Anwendungen mit mittlerem Druck
6. Geringe Geräuschentwicklung bei ordnungsgemäßer Ausführung

Nachteile von Zahnradpumpen

1. Geringere Förderleistung bei höheren Drücken im Vergleich zu Kolbenpumpen
2. Eingeschränkte Möglichkeit zur Leistungsregelung – Zahnradpumpen haben in der Regel eine konstante Förderleistung
3. Geringerer Wirkungsgrad – typischerweise 93–98 % bei niedrigen Drücken, der bei höheren Werten abnimmt
4. Eingeschränkte Präzision bei der Durchflussregelung
5. Geringere Verschmutzungsunempfindlichkeit im Vergleich zu einigen anderen Pumpentypen

Vergleich von Leistung und Effizienz

Durchflussparameter

Kolbenpumpen bieten einen druckunabhängigen, konstanten Durchfluss, was bei Anwendungen, die eine präzise Dosierung erfordern, ein wesentlicher Vorteil ist. Zahnradpumpen hingegen gewährleisten einen zur Drehzahl proportionalen Durchfluss, was die Regelung durch Änderung der Drehzahl erleichtert.

Der spezifische Durchfluss einer Pumpe hängt von ihrer konstruktiven Auslegung ab. Bei einer Zahnradpumpe mit Außenverzahnung lässt sich dieser annähernd anhand der folgenden Formel berechnen:
qp = π m z b h
wobei:

• m – Modul
• z – Anzahl der Zähne des Zahnrads
• b – Breite des Zahnrads
• h – Zahnhöhe

Energieeffizienz

Kolbenpumpen weisen unter den Hydraulikpumpen den höchsten Wirkungsgrad auf, der bei 80–95 % liegt. Zahnradpumpen zeichnen sich durch einen etwas geringeren Wirkungsgrad aus, der bei höheren Drücken zusätzlich abnimmt. Während des Betriebs einer Zahnradpumpe kommt es zu einem geringen Flüssigkeitsverlust, da diese zur Schmierung der Lager und beider Seiten der Zahnräder dient. Aus diesem Grund verliert eine Zahnradpumpe kontinuierlich 2–7 % ihrer Effizienz.

Betriebsdruckbereich

Kolbenpumpen können bei deutlich höheren Drücken betrieben werden als Zahnradpumpen. Während Zahnradpumpen in der Regel im Bereich von 175 bis 275 bar arbeiten, können Kolbenpumpen Drücke erzeugen, die diese Werte übersteigen, was sie ideal für Hochdruckanwendungen macht.

Anwendungsbereiche von Kolben- und Zahnradpumpen

Kolbenpumpen – Hauptanwendungsbereiche

Kolbenpumpen kommen in Branchen zum Einsatz, in denen hoher Druck und ein präziser Flüssigkeitsdurchfluss erforderlich sind:

1. Hydraulikindustrie – Hydrauliksysteme für hohe Drücke
2. Automobilindustrie – Bremssysteme, Servolenkungen
3. Energiebranche – Schmiersysteme für Turbinen
4. CNC-Werkzeugmaschinen – präzise Steuerung der Werkzeugbewegungen
5. Luftfahrtindustrie – Steuerungssysteme
6. Anwendungen in der Medizin und Lebensmittelindustrie – präzise Dosierung von Flüssigkeiten
7. Bohranlagen und hydrostatische Systeme in der Schifffahrtsindustrie

Zahnradpumpen – Hauptanwendungsbereiche

Zahnradpumpen kommen unter weniger anspruchsvollen Bedingungen zum Einsatz, bei denen ein geringer oder mittlerer Druck und ein konstanter Durchfluss ausreichen:

1. Schmiersysteme für Maschinen und Anlagen
2. Ölpumpen in Verbrennungsmotoren
3. Land- und Baumaschinen
4. Lebensmittelindustrie – Förderung von Flüssigkeiten mit geringer Viskosität
5. Kühlsysteme
6. Förderung hochviskoser Flüssigkeiten wie Öle, Farben und Harze
7. Mobile Hydrauliksysteme mittlerer Leistung