Hammaspyöräpumput

Hammaspyöräpumppu on vakiotilavuuspumppu, jolla muutetaan mekaaninen teho (yleensä sähkömoottorin tai polttomoottorin pyörimisliike) hydrauliseksi. 

Hammaspyöräpumppuja käytetään paljon hydrauliikassa ja voitelujärjestelmissä. Pumpun toiminta perustuu kahden toisiinsa kytkeytyvän hammaspyörän pyörimiseen pumpun pesän sisällä. Neste siirretään imuliitännästä paineliitäntään pumppukammion ja hammaslovien muodostamissa suljetuissa kammioisssa. 

Hammaspyöräpumpun tärkeimmät osat ovat yleensä pumpun runko, kaksi hammaspyörää, akselit, laakeroinnit ja tiivisteet. Toinen hammaspyöristä on käyttöpyörä, joka on kytketty käyttömoottorin akselille ja toinen hammaspyörä pyörii vapaasti tämän mukana.  

Pumpun toiminta alkaa imupuolelta. Kun hammaspyörät pyörivät, niiden hampaiden väliin syntyy tilaa, johon neste virtaa. Neste kulkeutuu hammaspyörien mukana pumpun pesän reunoja pitkin kohti painepuolta. Hammaspyörien keskellä hampaat ovat jatkuvasti kosketuksissa toisiinsa, joten neste ei normaalisti pääse virtaamaan suoraan takaisin imupuolelle hammaspyörien välistä. Painepuolella hampaiden välinen tila pienenee ja neste purkautuu pumpusta ulos. Näin pyörivä mekaaninen liike muutetaan nesteen virtaukseksi. 

Hammaspyöräpumppu on syrjäytyspumppu eli tilavuuspumppu. Tämä tarkoittaa, että pumpun tuottama tilavuusvirta riippuu pääasiassa pumpun koosta ja pyörimisnopeudesta. Teoreettinen tilavuusvirta voidaan esittää muodossa 

Q = V × n 

missä Q on tilavuusvirta, V pumpun kierrostilavuus ja n pyörimisnopeus. 

Todellisuudessa tilavuusvirta on hieman pienempi kuin teoreettinen arvo, koska pumpussa tapahtuu sisäistä vuotoa. Tätä eroa kuvataan volumetrisellä hyötysuhteella. Myös pumpun mekaanisissa osissa esiintyy kitkaa, minkä vuoksi kaikki käyttömoottorin teho ei muutu hydrauliseksi tehoksi. 

Hammaspyöräpumppujen yleisimmät tyypit 

Hammaspyöräpumppuja on kahta erilaisia päärakennetta. 

Yleisin rakenne on ulkoryntöinen hammaspyöräpumppu, jossa kaksi ulkopuolisilla hampailla varustettua hammaspyörää pyörii vastakkain. Ulkoryntöisten hammaspyöräpumppujen etuna on yksinkertainen rakenne, hyvä saatavuus ja edullisuus. Esimerkiksi Casapan PLP-sarja ja BoschRexrothin AZPF ja AZPS sarjat ovat rakenteeltaan ulkoryntöisiä hammaspyöräpumppuja. 

Ulkoryntöisen hammaspyöräpumpun rakenne: 

[Bosch Rexroth AG, RE 10089/2021-11-24] 

Vinohammaspyöräpumppu on myös ulkoryntöinen hammaspyöräpumppu, mutta siinä hammaspyörien hampaat muotoiltu niin, että paineiskut ja siten myös pumpun tuottama ääni on huomattavasti suorahampaista pumppua pienempi. 

Toinen rakennevaihtoehto on sisähammaspyöräpumppu, jossa hammaspyörät ovat rakenteeltaan erilaiset ja toinen pyörä sijaitsee toisen sisällä. Sisähammaspyöräpumpun etuja ovat korkeampi painetaso, suuri pyörimisnopeusalue ja hiljainen käyntiääni. 

Hammaspyöräpumpun etuja ovat rakenteen yksinkertaisuus, hyvä toimintavarmuus, kompakti koko ja suhteellisen tasainen tilavuusvirta. Niillä voidaan saavuttaa myös melko korkeita paineita. Haittapuolina ovat esimerkiksi kuluminen, melu joissakin käyttökohteissa sekä se, että pumppu ei sovellu kaikille nesteille. Erityisesti nesteen viskositeetti vaikuttaa pumpun toimintaan. Liian paksu neste lisää häviöitä, kun taas liian ohut neste voi lisätä sisäisiä vuotoja. 

Hammaspyöräpumppuja käytetään paljon teollisuuden ja liikkuvan kaluston hydraulijärjestelmissä, joissa painetaso on maksimissaan 250 bar ja vakiotilavuuspumpun ominaisuudet ovat riittävät. Niitä käytetään myös voitelu- ja polttoainejärjestelmissä sekä erilaisissa teollisuuden prosesseissa. 

Hammaspyöräpumppu on siis yksinkertainen mutta tehokas tapa siirtää nestettä ja tuottaa hydraulista painetta. Sen toiminta perustuu hammaspyörien muodostamiin tilavuuksiin ja niiden pyörimisliikkeeseen. Pumpun mitoituksessa on tärkeää huomioida muun muassa pyörimisnopeus, tilavuusvirta, paine, nesteen viskositeetti ja pumpun hyötysuhde. 

Hammaspyöräpumpun sarja 

Alumiinirunkoiset hammaspyöräpumput jaetaan runkokoon perusteella eri kokoluokkiin.  Yleisimmät koot ovat:
1-sarja käsittään yleensä pumput 1-10 ccm.

2- sarja on ehdottomasti yleisin teollisuuden ja maatalouskoneiden kokoluokka. Kokoluokka yleensä 4-25 ccm
3- sarja käsittää yleensä yli 20 ccm pumput.
Isompia ja pienempiä runkokokoja on myös olemassa, mutta yllä mainitut 3 kokoa ovat yleisimmät.

Hammaspyöräpumppujen mekaaninen liitäntä

Hammaspyöräpumput kytketään mekaanisesti yleensä etulaipasta pumpunkannattimeen ja akselistaan kytkimeen. Vaihtoehtoja akseleiksi ja laipoiksi on olemassa paljon erilaisia. Yleisimmät yhdistelmät ovat: 

• Ns. italialainen/eurooppalainen etulaippa ja 1:8 kartioakseli 
• SAE laippa ja SAE-akseli

Eri vaihtoehdot selviävät pumpun datalehdestä. Esimerkiksi pystymme vaihtamaan varastoimiimme Casapan pumppuihin 1:8 kartioakselin tilalle SAE A tai DIN5482 akselin ja tarvittaessa myös pumpun etulaipan tilalle SAE-laipan suoraan hyllystä löytyvillä osilla. 

Eurooppalaiset vakiolaipat (nelipulttiset / neliskulmaiset) 

Nämä ovat Suomessa ja Euroopassa kaikkein yleisimpiä erityisesti alumiinirunkoisissa pumpuissa. Ne jaetaan pumppujen kokoluokan mukaan sarjoihin: 

• 1-sarja: Ohjausistukan halkaisija on tyypillisesti 25,4 mm ja kiinnityspulttien jako on 52 mm x 72 mm. Käytetään pienissä koneissa ja koneikoissa. 2-sarja: Ehdottomasti yleisin teollisuuden ja maatalouskoneiden kokoluokka. Ohjauskeskiö on yleensä 36,5 mm ja pulttijako suorakulmainen (esim. 71,5 mm x 96,2 mm).

• 2-sarja: Ehdottomasti yleisin teollisuuden ja maatalouskoneiden kokoluokka. Ohjauskeskiö on yleensä 36,5 mm ja pulttijako suorakulmainen (esim. 71,5 mm x 96,2 mm). 

• 3-sarja: Raskaampaan käyttöön. Ohjauskeskiö on tyypillisesti 50,8 mm ja pulttijako 128 mm x 98 mm. 

Eurooppalaisten laippojen yhteydessä käytetään lähes poikkeuksetta alla olevan kuvan mukaista 1:8 kartioakselia, jossa on kiila ja kierre päässä. Mutterin avulla saadaan kytkin kiristettyä paikoilleen. 

Hammaspyöräpumppujen hydraulinen liitäntä

Hammaspyöräpumppujen imu- ja paineliitännät voivat olla kierre tai laippalähtöisiä. Kierreliitännästä päästään suoraan liikkeelle lähtöliittimellä. Laippaliitäntä vaatii kiinnitykseen erilliset laipat. Huomaa, että erimerkkisten pumppujen laipat voivat olla eri pulttijaolla. 

Hammaspyöräpumpun pyörimissuunta

Hammaspyöräpumpun pyörimissuunta on määrätty ja pyörimissuunta on merkitty tuotekoodiin ja yleensä myös pumpun runkoon. Pyörimissuunta (myötä- tai vastapäivään) katsotaan pumpun akselin suunnasta. 

 Esimerkiksi: 

Casappa: D = myötäpäivään, S = vastapäivään 

BoschRexroth: R = myötäpäivään, L = vastapäivään 

Usein pyörimissuunta on mahdollista vaihtaa purkamalla pumppu ja vaihtamalla käyttävän ja vapaasti pyörivän hammaspyörän paikkaa, mutta tämä ei aina päde. Esimerkiksi me varastoimme myötäpäivään pyöriviä Casapan pumppuja, joissa vaihto on mahdollista, ja tarvittaessa muutamme pyörimissuunnan.  

Kaksoispumput ja kolmoispumput 

Hammaspyöräpumpuista on monesti käytössä useamman pumpun yhdistelmiä, esimerkiksi kaksois- tai kolmoispumppuja. Kaikkia mahdollisia yhdistelmiä ei voi kukaan varastoida, joten yksittäisistä pumpuista on mahdollista rakentaa kaksois- ja kolmoispumppuja erilaisten rakennussarjojen avulla. 

Esimerkiksi meillä on hyllyssä väliakseleita, asennussarjoja ja laippoja, joten tosi monenlaiset yhdistelmät ovat mahdollisia nopealla toimitusajalla. Tutustu hydraulipumppujen varusteisiin.

Hammaspyöräpumppuista lyhyesti: 

Miten hammaspyöräpumppu toimii? 

Kun hammaspyörät erkanevat toisistaan imupuolella, niiden väliin muodostuva tilavuus kasvaa. Tämä mahdollistaa nesteen virtaamisen pumppuun. Neste jää hammasvälien muodostamiin tiloihin ja kulkeutuu hammaspyörien mukana pumpun pesän reunoja pitkin painepuolelle. Painepuolella hammaspyörät jälleen ryntäävät yhteen, jolloin tilavuus pienenee ja neste pakotetaan ulos pumpusta. 

Miten pyörimisnopeus vaikuttaa tilavuusvirtaan? 

Pyörimisnopeuden kasvaessa pumppu siirtää enemmän nestettä aikayksikköä kohti. Teoreettisesti tilavuusvirta voidaan esittää muodossa: 

Q = Vg × n 

missä Q on tilavuusvirta, Vg pumpun kierrostilavuus ja n pyörimisnopeus. Todellisuudessa tilavuusvirta jää hieman teoreettista arvoa pienemmäksi esimerkiksi sisäisten vuotojen vuoksi. 

Voiko hammaspyöräpumpun pyörimissuuntaa vaihtaa? 

Joissakin hammaspyöräpumpuissa voidaan vaihtaa pyörimissuuntaa, mutta:

Mikä määrää hammaspyöräpumpun paineen? 

Pumppu tuottaa tilavuusvirtaa, mutta järjestelmän kuorma määrää käytännössä sen, kuinka suuri paine pumpun painepuolelle muodostuu. Jos virtausta vastustetaan esimerkiksi kuormalla tai venttiilillä, paine kasvaa. Asianmukaista paineenrajoitusta on aina käytettävä. 

Mitä tarkoittaa pumpun hyötysuhde? 

Pumpun hyötysuhde kertoo, kuinka suuri osa pumpulle syötetystä energiasta muuttuu hyödylliseksi hydrauliseksi energiaksi. Hammaspyöräpumpussa häviöitä syntyy esimerkiksi kitkasta, laakereista, tiivisteistä ja sisäisistä vuodoista. Volumetrinen hyötysuhde puolestaan kuvaa sitä, kuinka lähelle todellinen tilavuusvirta pääsee teoreettista tilavuusvirtaa. 

Mikä on kavitaatio? 

Kavitaatio tarkoittaa nesteen paikallista höyrystymistä, kun paine laskee liian alhaiseksi. Hammaspyöräpumpussa kavitaation riskiä lisäävät esimerkiksi liian pieni imupaine, pitkä tai ahdas imuletku, tukkeutunut imusuodatin tai liian suuri pyörimisnopeus. Kavitaatio voi aiheuttaa melua, värähtelyä ja pumpun vaurioitumista sekä heikentää pumpun toimintaa. 

Miksi hammaspyöräpumpussa tarvitaan pieniä välyksiä? 

Hammaspyörien ja pumpun rungon väliset pienet välykset vähentävät nesteen vuotamista painepuolelta takaisin imupuolelle. Liian suuret välykset aiheuttavat enemmän sisäistä vuotoa ja heikentävät pumpun tilavuushyötysuhdetta. Toisaalta välyksiä ei voida tehdä täysin olemattomiksi, koska osien täytyy pystyä pyörimään ilman kiinnileikkautumista ja niiden täytyy kestää lämpötilan aiheuttamat mittamuutokset. 

Mitkä ovat hammaspyöräpumpun tärkeimmät edut? 

Hammaspyöräpumpun etuja ovat yksinkertainen rakenne, suhteellisen pieni koko, toimintavarmuus ja hyvä soveltuvuus jatkuvaan käyttöön. Koska liikkuvia pääosia on vähän, rakenne on verrattain yksinkertainen.  

Mitkä ovat hammaspyöräpumpun yleisiä heikkouksia? 

Varsin ulkoryntäisten hammaspyöräpumppujen maksimi painetaso jää usein 180-250 barin paikkeille. Hammaspyöräpumppu on vakiotilavuuspumppu, mikä rajaa käyttökohteita. Lisäksi hammaspyöräpumpun tuottamassa virtauksessa ja paineessa esiintyy vaihtelua, koska nestetilavuudet täyttyvät ja tyhjenevät hammaspyörien pyörimisen tahdissa, tämä huomataan varsinkin isomman kuutiotilavuuden pumppujen kovana käyntiäänenä.  

Missä hammaspyöräpumppuja käytetään? 

Hammaspyöräpumppuja käytetään laajasti esimerkiksi työkoneiden ja ajoneuvojen hydrauliikassa, teollisuuden hydraulijärjestelmissä, voitelujärjestelmissä sekä nesteiden siirrossa.