Zahnradpumpe

Eine Zahnradpumpe fördert eine Flüssigkeit mit zwei Zahnrädern, die in einem eng anliegenden Gehäuse ineinandergreifen. Wo die Zähne auseinandergehen, strömt die Flüssigkeit in die Lücken zwischen ihnen; sie wird außen um jedes Rad herumgetragen und dort hinausgedrückt, wo die Zähne wieder ineinandergreifen. Johannes Kepler ersann eine ventillose Zahnradpumpe zum Entwässern von Bergwerken: 1602 bestellte er bei zwei Augsburger Handwerkern ein Modell aus Messing, das nie geliefert wurde, und Jost Bürgi baute 1604 eines; ein 1719 in Lyon gedrucktes Buch beschreibt eine, die in einen Brunnen versenkt und von einem Handrad aus angetrieben wurde, um Wasser zu heben. Heute fördern Zahnradpumpen Motoröl und Kraftstoff und treiben die Hydraulik von Traktoren und Baumaschinen.

Was es ist

Eine Zahnradpumpe ist eine Pumpe ohne Ventile und ohne Kolben. Zwei gleich große Zahnräder greifen in einem Gehäuse ineinander, das die Zahnköpfe und die flachen Stirnseiten der Räder eng umschließt. Eines der Räder sitzt auf einer Welle, die aus dem Gehäuse herausführt und von einer Kurbel, einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor gedreht wird; es treibt das andere an. Auf der einen Seite der Stelle, an der sich die Zähne treffen, mündet ein Rohr in das Gehäuse, auf der anderen Seite führt ein zweites hinaus.

Die Pumpe ist eine Verdrängerpumpe: Bei jeder Umdrehung fördert sie ungefähr dieselbe Menge Flüssigkeit, das Volumen der Zahnlücken, sodass ihr Förderstrom der Drehzahl der Welle folgt. Am besten arbeitet sie mit Flüssigkeiten, die dick genug sind, um die kleinen Spalte zwischen den bewegten Teilen auszufüllen, etwa Öl. Sie hebt aber auch Wasser, wie die 1719 beschriebene Pumpe, und sie kann eine Flüssigkeit durch ein Saugrohr ansaugen und ebenso in ein Steigrohr drücken.

Wie es funktioniert

Von vorn gesehen, mit dem Einlass unter dem Eingriffspunkt und dem Auslass darüber, dreht sich das linke Rad im Uhrzeigersinn und das rechte gegen den Uhrzeigersinn. In der Mitte bewegen sich die Zähne beider Räder gemeinsam nach unten. Unten gehen sie aus dem Eingriff: Jeder Zahn verlässt die Lücke, die er im anderen Rad ausgefüllt hat, der Raum dort wird größer, und Flüssigkeit aus dem Einlass strömt nach.

Jede Lücke zwischen zwei Zähnen wird dann von der Gehäusewand verschlossen und trägt ihre kleine Ladung Flüssigkeit außen um ihr Rad nach oben, das linke Rad an der linken Wand entlang, das rechte an der rechten. Oben kommen die Zähne wieder in Eingriff. Jeder Zahn dringt in eine Lücke des anderen Rades ein und drückt die Flüssigkeit heraus, die keinen anderen Weg hat als den Auslass. Durch die Mitte kann sie nicht zurück, weil die kämmenden Zähne den Weg versperren. Dreht man die Welle andersherum, arbeitet die Pumpe rückwärts, und der Auslass wird zum Einlass.

Eine Innenzahnradpumpe: Ein kleines Rad treibt einen innenverzahnten Ring, und eine feste Sichel schließt den Raum zwischen beiden.

Im Inneren leckt die Pumpe ein wenig, durch die engen Spalte zwischen Zahnköpfen und Gehäuse und an den Stirnseiten der Räder entlang. Das Leck wächst mit dem Druck am Auslass und bei dünneren Flüssigkeiten; deshalb werden Zahnradpumpen mit engen Toleranzen gefertigt und eignen sich gut für Öl. Wo die Welle aus dem Gehäuse tritt, hält eine Stopfbuchse oder eine Dichtung die Flüssigkeit zurück. Weil jede Umdrehung ein festes Volumen verdrängt, treibt eine Zahnradpumpe mit verschlossenem Auslass den Druck so lange hoch, bis ein Rohr oder ein Bauteil nachgibt; Hydraulikkreise mit einer solchen Pumpe haben deshalb auch ein Druckbegrenzungsventil, das öffnet und die Flüssigkeit in den Tank zurückleitet. Eine zweite Bauart, die Innenzahnradpumpe, setzt ein kleines Rad in einen Ring mit Zähnen an der Innenseite. Beide liegen außermittig, sodass ihre Zähne auf einer Seite kämmen und auf der anderen weit auseinanderstehen, wo eine feste Sichel den Raum zwischen ihnen ausfüllt. Die Flüssigkeit wandert in den Lücken an beiden Seiten der Sichel entlang, so wie sie bei der Außenzahnradpumpe am Gehäuse entlang getragen wird.

So geht’s

Dieses durchsichtige Modell zeigt, wie die Flüssigkeit um die Räder wandert. Man braucht zwei gleiche Stirnzahnräder aus Kunststoff aus dem Modellbaugeschäft, etwa 4 cm im Durchmesser und mit einer Bohrung für eine 4-mm-Achse, ein Stück Sperrholz oder Acrylglas, das genau so dick ist wie die Zahnräder, zwei gleich große Platten aus klarem 3-mm-Acrylglas, einen Forstnerbohrer, der etwa 1 mm größer ist als der Außendurchmesser der Zahnräder, eine Bohrmaschine im Bohrständer, 4-mm-Stahldraht, Epoxidkleber, acht kleine Schrauben mit Muttern, durchsichtigen 6-mm-Kunststoffschlauch, Vaseline, eine Holzleiste für die Kurbel, zwei Becher und mit Lebensmittelfarbe gefärbtes Wasser.

Die Kurbel dreht die Zahnräder, und das gefärbte Wasser steigt vom unteren in den oberen Becher.

Legen Sie die beiden Zahnräder kämmend auf den Tisch und messen Sie den Abstand zwischen den Mitten ihrer Bohrungen. Zeichnen Sie zwei Punkte in diesem Abstand auf das Mittelstück und bohren Sie an jedem ein Loch mit dem Forstnerbohrer, sodass sich die beiden Löcher zu einer Acht überschneiden. Die Zahnräder sollen darin drehen, ohne die Wand zu berühren. Spannen Sie die drei Teile zusammen und bohren Sie an den beiden Mittelpunkten 4-mm-Löcher durch alle hindurch. Bohren Sie in die hintere Platte ein Loch knapp unter der Mitte der Acht und eines knapp darüber und kleben Sie in jedes ein kurzes Schlauchstück. Kleben Sie ein Zahnrad auf ein langes Stück Draht und das andere auf ein kurzes. Bestreichen Sie beide Seiten des Mittelstücks mit Vaseline, setzen Sie die Zahnräder ein und schrauben Sie die drei Teile rund um den Hohlraum zusammen, wobei der lange Draht vorn herausragt. Kleben Sie die Kurbel an sein Ende.

Füllen Sie den Hohlraum durch den oberen Schlauch mit Wasser, stellen Sie den unteren Schlauch in das gefärbte Wasser und führen Sie den oberen zum zweiten, höher stehenden Becher. Drehen Sie die Kurbel so, dass sich die Zähne in der Mitte nach unten bewegen. Nach einigen Umdrehungen steigt das gefärbte Wasser im Schlauch, und man sieht es außen um jedes Zahnrad wandern. Drehen Sie andersherum, und das Wasser läuft zurück.

Sicherheit. Spannen Sie das Acrylglas fest am Bohrständer ein und tragen Sie eine Schutzbrille: Ein Forstnerbohrer kann die Platte erfassen und herumreißen oder sie sprengen, sodass scharfe Splitter wegfliegen.

Geschichte und Entwicklung

Johannes Kepler schrieb, er beschäftige sich seit 1597 mit einer Pumpe ohne Ventile, die im Kreis umlaufen sollte, statt wie eine gewöhnliche Pumpe immer wieder abzusetzen. Am 24. Oktober 1602 schloss er in Prag einen Vertrag mit den Brüdern Hans und Balthasar Miller aus Augsburg, die binnen etwa zwei Monaten ein Modell aus Messing fertigstellen sollten; Kepler zahlte ihnen 27 Gulden im Voraus, doch das Modell wurde nie geliefert. In einem Brief vom 22. Dezember 1604 erinnerte er an ein erstes Modell aus Holz und berichtete, der Instrumentenbauer Jost Bürgi habe nun eine Ausführung aus Messing gebaut. Der Bürgi-Forscher Fritz Staudacher datiert Bürgis Metallprototyp ebenfalls auf 1604 und beschreibt die Maschine als Zahnradpumpe, die Wasser aus Bergwerksstollen pumpen sollte. Auch das Deutsche Patent- und Markenamt schreibt Kepler eine Zahnradpumpe ohne Ventile zu, die er für einen Bergwerksbesitzer ersann, der Wasser aus seiner Grube pumpen musste. Eine Zahnradpumpe erscheint außerdem in einem 1719 in Lyon gedruckten Buch, in dem Gaspard Grollier de Servière das Kabinett mit Maschinen und Modellen beschrieb, das sein Großvater Nicolas hinterlassen hatte. Unter den Maschinen zum Wasserheben steht eine, die als sehr einfach vorgestellt wird und Wasser aus einem Brunnen oder Becken auf beträchtliche Höhe bringen soll. Zwei massive Ritzel aus Holz oder Metall füllen einen ovalen Kasten, in dem sie frei drehen und ineinandergreifen. Der Kasten liegt unter Wasser und ist überall geschlossen außer unten, wo das Wasser eintritt, und oben, wo ein Rohr aufsteigt.

Die Maschine aus dem Kabinett Servière: Zwei Ritzel in einem ovalen Kasten unter Wasser, von einem Handrad über dem Brunnen gedreht, drücken das Wasser in ein Rohr.

Ein Mann drehte ein großes Rad an einem Griff, und gekröpfte Achsen, die ein Eisenstück verband, drehten eines der Ritzel. Der Text erklärt, dass das Wasser, das unten im Kasten zwischen den Zähnen gefangen wird, nach oben getragen wird, wo das ständig nachkommende Wasser es in das Rohr drückt, und dass es nicht auf dem Weg zurückkann, auf dem es gekommen ist. Thomas Ewbank bildete die Figur 1850 in einer in New York erschienenen Geschichte der Wasserhebemaschinen ab. Er fügte ein Saugrohr hinzu, ließ die Welle durch eine Stopfbuchse oder einen Lederkragen aus dem Kasten treten, zählte die Pumpe zu den ältesten und besten Rotationspumpen und vermerkte, man halte sie für älter als die Sammlung, die sie überliefert hat. Er berichtete auch, dass die Zahnflanken manchmal genutet waren, um Lederstreifen aufzunehmen, die die Spalte abdichteten, und dass die rotierende Dampfmaschine von William Murdoch dieselbe Anordnung übernahm.

Um gegen hohen Druck zu arbeiten, braucht eine Zahnradpumpe Zahnräder und Bohrungen aus Metall, die mit kleinem Spiel gefertigt sind. Zahnradpumpen sind kompakt, bestehen aus wenigen Teilen und vertragen dicke Flüssigkeiten; heute dienen sie als Öl- und Kraftstoffpumpen in Motoren und als Hydraulikpumpen von Traktoren und Baumaschinen, wo sie die Zylinder eines hydraulischen Arms speisen. Die Zahnradpumpe nutzt dieselben kämmenden Zahnräder wie Uhren und Mühlen, um die Arbeit einer Kolbenpumpe zu verrichten, ohne Ventile.