A fogaskerekes szivattyú a legegyszerűbb és legolcsóbb energiaátalakító, mérete és fajlagos tömege a legkisebb. Jelentős szerepe volt a hidrosztatikus rendszerek elterjedésében. Napjainkban is a leggyakrabban alkalmazott szivattyútípus.
A folyadékszállítás elve egyszerű. A homlokoldaluknál síklapokkal határolt fogaskerekek szétgördülésekor a szívótérben vákuum keletkezik, mert ott térfogat-növekedés jön létre. Ezt a teret a külső nyomás hatására a szállítandó folyadék (pl.: hidraulika olaj) kitölti, majd az így bejutó folyadék a fogaskerekek forgásakor a fogárkokban átkerül a nyomótérbe, ahonnan a fogak összegördülésének mértékében kiszorul (egy kis része azonban a fogárokban marad).
A fogaskerék szivattyú működési elvéből következik néhány megállapítás:
A folyadékszállítás elve egyszerű. A homlokoldaluknál síklapokkal határolt fogaskerekek szétgördülésekor a szívótérben vákuum keletkezik, mert ott térfogat-növekedés jön létre. Ezt a teret a külső nyomás hatására a szállítandó folyadék (pl.: hidraulika olaj) kitölti, majd az így bejutó folyadék a fogaskerekek forgásakor a fogárkokban átkerül a nyomótérbe, ahonnan a fogak összegördülésének mértékében kiszorul (egy kis része azonban a fogárokban marad).
A fogaskerék szivattyú működési elvéből következik néhány megállapítás:
- Munkaterét a kapcsolódó fogaskerekek fogai és a fogárkai képezik. A szívó- és a nyomóteret a kapcsolódó fogak választják el egymástól. Azonos fejkör-átmérő mellett a geometriai munkatérfogat a fogszám csökkentésével növelhető.
- A fogaskerekek összegördülésekor a kiszoruló térfogat az elfordulási szög függvényében változik, tehát ennek megfelelően a szivattyú által szállított folyadék-mennyiség is ingadozik. Minél nagyobb fogszámú a szivattyú, annál kisebb a folyadékszállítás ingadozása.
- A fogaskerékpár geometriai kialakítása a szivattyú működése közben nem változtatható, vagyis a szivattyú geometriai munkatérfogata állandó, így a fogaskerekes szivattyúk elméleti folyadékszállítása – adott fordulatszámon – nem változtatható, e szivattyútípus állandó folyadékszállítású.
Kialakítás
Külső fogazású fogaskerekes szivattyú
1. ház
2. karima
3. tengely
4. csapágygyűrű
5. csapágygyűrű
6. fedél
7. fogaskerék
8. fogaskerék
9. tömítés
A berendezés üzembe helyezésekor a kamrák először a szívóvezetékben levő levegőt szállítják az „S” szívócsonktól a „P” nyomócsonkig. A szívóvezetékben ezáltal depresszió keletkezik. A növekvő depresszió hatására a folyadék a tartályból a szívóvezetékbe áramlik, amíg a szivattyút el nem éri. Ekkor a folyadék a fogak által közrefogott kamrákban áramlik tovább, és a szivattyú nyomócsonkján keresztül jut a hidraulikus rendszerbe. A szivattyú működésének előfeltétele tehát az, hogy a levegőt, ill. a folyadékot (hidraulika olaj) csaknem veszteség-mentesen szállíthassák.
A külső fogazású fogaskerekes szivattyúk réstömítéssel rendelkeznek, ezáltal az üzemi nyomástól függően a nyomócsonktól a szívócsonkig veszteség keletkezik. Ahhoz, hogy a résen keresztül növekvő nyomás esetén is csak kevés folyadék jusson a nyomócsonktól a szívócsonkig, a fedél felőli (5) csapágygyűrűt egy axiális nyomómezőn keresztül a fogaskerék homlokfelületéhez nyomják. Ennek eredményeképpen az illesztési játék a mindenkori nyomáshoz igazodik, és jó hatásfokot biztosít.
Belső fogazású fogaskerekes szivattyú
1. Ház
1.1. Csatlakozó-fedél
1.2. Csapágyfedél
2. Belső fogazású üreges kerék
3. Fogazott forgórész
4. Csapágyazás
5. Axiális réskiegyenlítés
6. Töltődarab, radiális réskiegyenlítés
A belső fogazású energiaátalakítókat többnyire szivattyúként használják. A jellemzők tekintetében a teljesítmény-sűrűség, a zajszint, a volumetrikus hatásfok lényegesen jobb, mint a külső fogazású fogaskerekes energiaátalakítóké, üzemi nyomástartományuk is nagyobb.
A fogazott forgórész a hajtóműhöz kapcsolódik. A fogazott forgórész és az üreges kerék (belső fogazatú gyűrű) forgómozgása közben a fogoldalak által közrezárt térfogat nő. A hidraulika szivattyú „szívóhatást fejt ki”. A térfogat-növekedés kb. 120°-os elfordulási szögben történik. A kiszorítandó térfogat nem lökésszerűen, hanem viszonylag lassan telítődik, mely rendkívüli futási nyugalmat és nagyon jó szívóhatást eredményez.
A töltődarabnál a folyadék térfogatváltozás nélkül halad tovább. A töltődarab utáni tér a nyomócsonkra van kötve. A fogoldalak által közrezárt térfogat itt csökken, a folyadék kiszorul innen. A fogkapcsolódásoknál van igazán pozitív hatása a fogak alakjának, mert a fogazott forgórész és az üreges kerék között (a külső fogazású fogaskerék-szivattyúkkal ellentétben) gyakorlatilag nincsen holttér, így nincs folyadék összenyomódás, ezáltal nem keletkezik nyomáslengés és zaj.
A réskiegyenlített belső fogazatású fogaskerekes szivattyú igen halk, megbízható, jól viseli el a gyors nyomás-változásokat is, így élettartama nagy, gyakran több, mint radiáldugattyús vagy axiáldugattyús szivattyú esetén. Nagy nyomásokon is igen kedvező a volumetrikus hatásfoka (pl. 30 MPa-on is eléri a 97%-ot). E szivattyútípus igazi alternatívát jelent az állandó folyadékszállítású dugattyús szivattyúkkal szemben is. Általában drágábbak mint a külső fogazású fogaskerekes szivattyú, sőt részben csúszólapátos szivattyú estén is.
Fogtőnyomás
A fogárkokban – a fogkapcsolódások miatt – igen nagy nyomások keletkeznek, mely csökkenthető a fogaskerekeket határoló homloklapokban elhelyezett, tehermentesítő furatokkal vagy hornyokkal, azaz vezérlőélekkel határolt speciális kamrákkal. Ezek a kamrák kapcsolódnak a fogaskerekek zárt tereivel a térfogat-növekedés és térfogatcsökkenés tartományában. A térfogat-növekedés kamrája a szívótérrel van kapcsolatban, biztosítva onnan a hiányzó olajmennyiséget. A térfogat csökkenéskor kiszoruló olajat vagy a nyomótérbe vezetik – ekkor csökken a folyadékszállítás egyenetlensége, valamint a zaj, – vagy a csapágyak kenésére, hűtésére használják.Csapágynyomás
A fogaskerekek kerülete mentén fokozatosan növekvő nyomásból jelentős erők keletkeznek, melyek egyrészt radiális irányban a csapágyakat, másrész a szivattyú házát terhelik. A hajtótengely terhelését még a hajtáshoz szükséges forgatónyomaték, ill. a hajtásból származó esetleges radiális erő is növeli. A nyomásból származó erők jelentősen csökkennek az ún. kis tömítőszakaszú kialakítással. Itt a tömítőszakaszt a fejkör mentén lényegében néhány fogfejre (általában kettő) csökkentik a szívótérrel kapcsolatban levő csatornával, ill. belső fogazatú szivattyúknál a tömítőelem hosszának lerövidítésével.Axiális illesztés
Axiális illesztési résveszteség a fogaskerék homlokoldali illesztésénél keletkezik, melynek réskiegyenlítése az elmozduló csapágygyűrűk által megvalósítható.Radiális réskiegyenlítés
Radiális réskiegyenlítés kialakítására általánosan elterjedt megoldás, ha a csapágyperselyeket is hordozó tömítő tárcsákat félbevágják. Az így nyert – egy-egy csapágyperselyt hordozó – négy elem lehetővé teszi, hogy a fogaskerekek egymástól és a szivattyú háztól bizonyos mértékig függetlenül elmozduljanak. A tömítő tárcsák és a fogaskerekek sugárirányú külső mérete azonos. Ez az egység – a háromlapos kialakításhoz hasonlóan – egy, mindkét végén nyitott, házban helyezkedik el, megfelelő axiális és radiális illesztéssel. Működés közben a fogaskerekek és a tömítő tárcsák a nyomótérben uralkodó nyomás hatására sugár irányban elmozdulnak, és a szívótér felőli házhoz szorulnak. A csapágyhézag következtében a fogaskerekek tengelyei még tovább mozognak, és így a fogaskerekek fogfejei kiállhatnak a tömítő tárcsákból. A bejáratás kezdeti fázisában benyomódnak a szivattyúházba, és abba meghatározott mértékig bejáratódnak. A csapágyhézagnak olyannak kell lennie, hogy a fogfejek mindig el tudják látni a radiális tömítőelem feladatát.
