DE102004053289A1

DE102004053289A1 - Vakuumpumpen-Laufrad

Info

Publication number: DE102004053289A1
Application number: DE102004053289A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Giebmanns
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH; Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-11
Also published as: JP2008519191A; EP1815145A1; US20070297907A1; KR20070083878A; WO2006048379A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumpumpen-Laufrad (10) mit einer Welle (14) aus Stahl und einem einstückigen Rotor (12), der von der Welle (14) gehalten wird und aus einem von dem Wellen-Stahl verschiedenen Material besteht. Die Welle (14) weist einen axialen Hohlraum (22) auf, und der Rotor (12) weist einen axialen Ansatz (16) auf, der formschlüssig und/oder kraftschlüssig in dem Wellen-Hohlraum (22) sitzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumpumpen-Laufrad mit einer Stahl-Welle und einem von der Welle gehaltenen einstückigen Rotor aus einem von dem Wellen-Stahl verschiedenen Material, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades.

Vakuumpumpen-Laufräder sind in verschiedenen Bauformen bekannt, beispielsweise als Schrauben-Laufräder, Turbo-Laufräder, Wälzkolben-Laufräder, Seitenkanal-Laufräder, u.a.. Vakuumpumpen-Laufräder können freifliegend konstruiert sein, d.h. das Laufrad ist nur an einem axialen Ende gelagert, so dass der Rotor fliegend angeordnet ist. Die Laufräder werden teilweise bei hohen Drehzahlen betrieben, so dass große radiale Kräfte auftreten können. Für die Konstruktion der Laufräder wird aus diesen Gründen ein möglichst geringes Gewicht insbesondere des Rotors bei möglichst großer Festigkeit und Steifheit der Welle angestrebt. Dies wird in der Praxis dadurch realisiert, dass auf der Außenseite der Stahl-Welle der Rotor befestigt wird, der aus einem möglichst leichten Material besteht, beispielsweise aus Aluminium. Da sich der Rotor im Betrieb durch hohe Temperaturen und Fliehkräfte stärker ausdehnen kann als die Welle, ist eine dauerhafte und spielfreie Fixierung des Rotors an der Welle schwierig und aufwändig herzustellen, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Kleben, Stirnverzahnungen mit axialer Verspannung, durch Zuganker, etc.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Vakuumpumpen-Laufrad und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, das eine einfache und dauerhafte Fixierung des Rotors an der Welle ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 9 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vakuumpumpen-Laufrad weist die Welle an einem axialen Ende einen axialen Hohlraum auf und weist der Rotor einen entsprechenden axialen Ansatz auf, der formschlüssig und/oder kraftschlüssig in dem axialen Hohlraum der Welle sitzt. Der Rotor ist also nicht mehr auf der Außenseite der Welle fixiert, sondern im Wesentlichen auf der Innenseite eines hülsenförmigen Abschnittes der hohlen Stahl-Welle fixiert. Durch die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte und Wärmeeinleitungen in den Rotor kann sich der in der Welle sitzende Rotor-Ansatz stärker ausdehnen, als die hohle Welle. Hierdurch wird im Betrieb und insbesondere bei hohen Drehzahlen die Verbindung zwischen dem Rotor und der Welle verfestigt. Dieser Umstand ermöglicht einen Verzicht auf aufwändige Verbindungsanordnungen über Zuganker, etc. und vermeidet Löcher in der Welle und in dem Rotor, so dass durch die homogeneren Kraftflüsse Brüche der Welle oder des Rotors vermieden werden. Schließlich wird durch Verzicht auf aufwändige Befestigungsanordnungen auch das Gewicht des Laufrades niedrig gehalten, was insbesondere bei hohen Drehzahlen, mit denen beispielsweise Turbolaufräder betrieben werden, die Lagerung vereinfacht. Mit dem erfindungsgemäßen Laufrad sind daher höhere Drehzahlen und/oder verringertes Gewicht bzw. verringerte Baugröße des Laufrades realisierbar.

Vorzugsweise weisen der Rotor-Ansatz und die Welle in dem Hohlraum jeweils Ausformungen auf, die miteinander einen Formschluss in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung bilden. Durch die Herstellung eines Formschlusses wird eine sichere und einfach herstellbare Verbindung zwischen Rotor und Welle hergestellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Rotor ein Gussteil, dessen Ansatz in dem Wellen-Hohlraum eingegossen ist. Vor dem Gießen des Rotors wird die Welle mit ihrem den Hohlraum aufweisenden Teil in einen Formkasten eingelegt und anschließend das flüssige Rotor-Material in den Rotor-Formkasten eingelassen, wobei das flüssige Rotor-Material in den Wellen-Hohlraum hineinläuft. Auf diese Weise werden bereits beim Abguss des Rotors die Ausformungen in dem Hohlraum der Welle auf den Rotor-Ansatz übertragen. Ein weiterer Arbeitsgang zur Fixierung des Rotors an der Welle entfällt. Hierdurch wiederum ist das Gewicht reduziert und wird eine Quelle für Unwuchten vermieden.

Vorzugsweise sind die Ausformungen als Nute und Stege ausgebildet. Die Nute und Stege können in axialer und in Umfangsrichtung angeordnet sein, können jedoch auch in anderen Richtungen verlaufend angeordnet sein. Die genaue Form und Orientierung der Stege und Nute hängt u.a. von dem Wärmedehnungsverhalten der verwendeten Rotor- und Wellen-Materialien, den bei Betrieb auftretenden Drehzahlen bzw. Fliehkräften sowie anderen Randbedingungen ab.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist am rotorseitigen Ende der Welle die Wellen-Wandstärke zur Hohlraum-Öffnung hin abnehmend, d.h. die Wandstärke der Wellen-Hülse nimmt zur Öffnung hin stetig ab, so dass die Steifigkeit des Wellen-Endes zur Hohlraum-Öffnung hin abnimmt und die axiale Hohlraum-Öffnung radial relativ elastisch ist. Hierdurch werden große und/oder plötzliche Veränderungen der Wellen-Trägheitsmomente vermieden, die ansonsten zu hohen Biege- und/oder Torsionsbelastungen führen würden und so insbesondere bei starken Wechselbelastungen eine frühzeitige Materialermüdung mit Rissbildung verursachen könnten. Die Bruchgefahr des Rotor-Ansatzes ist in diesem Bereich erheblich verringert, so dass eine entsprechend kleine Dimensionierung und damit eine Gewichtsreduzierung des Rotor-Ansatzes realisiert werden kann. Der Bereich sich verringernde Wandstärke kann im Verhältnis zur Gesamtlänge der Welle weniger als 1/10 betragen, sollte aber mindestens 3 mm betragen.

Grundsätzlich kann das Vakuumpumpen-Laufrad zwei Wellen aufweisen, die jeweils an einem axialen Ende des Rotors angeordnet sind. Vorzugsweise ist jedoch nur eine einzige Welle vorgesehen, die ein axiales Ende des Rotors hält. Auf diese Weise wird ein fliegend lagerbares Vakuumpumpen-Laufrad zur Verfügung gestellt, bei dem die durch die erfindungsgemäße Konstruktion realisierbaren Gewichtseinsparungen besonders vorteilhaft sind.

Vorzugsweise ist das Rotor-Material ein Leichtmetall oder ein Kunststoff. Bei der Ausbildung des Rotors als Gussteil muss das Rotor-Material eine Schmelztemperatur besitzen, die ein Eingießen des Rotor-Materiales in den Wellen-Hohlraum erlaubt, ohne dass die Stahl-Welle hierbei Schaden nimmt. Neben Leichtmetall, insbesondere Aluminium, kann der Rotor auch aus einem Kunststoff bzw. aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.

Gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades mit einem einen axialen Ansatz aufweisenden Rotor und einer einen entsprechenden Hohlraum aufweisenden Stahl-Welle sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
Einlegen der den axialen Hohlraum aufweisenden Welle in eine Rotor-Gussform,
Einfüllen des flüssigen Rotor-Gussmaterials in die Rotor-Gussform und in den Wellen-Hohlraum, und
Entnahme des Vakuumpumpen-Laufrades aus der Gussform nach seiner Abkühlung.

Mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren lässt sich bei Vorsehen entsprechender Ausformungen in dem Wellen-Hohlraum eine formschlüssige Verbindung zwischen der Welle und dem Rotor herstellen. Hierdurch kann auf weitere Bauteile zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Rotor und der Welle verzichtet werden. Das Verfahren ist relativ einfach und daher preiswert.

Gemäß einem alternativen Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades wird die einen axialen Hohlraum aufweisende Welle in ein Rotor-Schmiedegesenk eingelegt, wird das glühende Rotor-Schmiedematerial in das Rotor-Schmiedegesenk und in den Wellen-Hohlraum eingeschmiedet, und wird schließlich das Vakuumpumpen-Laufrad aus dem Schmiedegesenk entnommen.

Bei diesem Verfahren ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Gießverfahren genannten Vorteile in ähnlicher Weise.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades mit einem in die Welle gegossenen und anschließend spanabhebend bearbeiteten Rotor im Längsschnitt,
2 die Welle des Vakuumpumpen-Laufrades der 1 im Längsschnitt,
3 eine zweite Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades im Längsschnitt,
4 eine dritte Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades im Längsschnitt,
5 eine vierte Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades im Längsschnitt.
In 1 ist ein Vakuumpumpen-Laufrad 10 dargestellt, das einen von zwei Laufrädern einer Schrauben-Vakuumpumpe bildet. Das Laufrad 10 besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, nämlich einem einstückigen Aluminium-Rotor 12 und einer einstückigen Stahl-Welle 14, die über ihre gesamte Länge als Hohlwelle ausgebildet ist. Mit unterbrochener Linie ist in der 1 die Kontur der Welle 14' und des Rotors 12' dargestellt, die sie unmittelbar nach dem Gießen des Rotors und vor einer spanabhebenden Bearbeitung aufweisen.
Der Rotor 12 weist in seiner Längsrichtung zwei Abschnitte auf, nämlich einen Ansatz 16 und einen Wirkteil 18, der radial außen eine schraubenförmige Struktur 20 aufweist.
Die Welle 14 weist über ihre gesamte Länge einen leicht konischen und/oder zylindrischen Hohlraum 22 auf, in dem der Ansatz 16 des Rotors 12 formschlüssig eingegossen ist. In dem Wellen-Hohlraum 22 sind als Ausnehmungen Längsstege 24 und Querstege 26 angeordnet, die in entsprechende Längsnute 28 und Quernute 30 des Ansatzes 16 eingreifen.
Am rotorseitigen Ende 32 der Welle 14 nimmt die Wandstärke der Hohlwelle zur Hohlraumöffnung 34 hin stetig ab, so dass auch die Steifheit der Welle 14 in diesem Bereich zum rotorseitigen Wellen-Ende 32 hin abnimmt. Das Wellen-Ende 32 kann, wie dargestellt, axial gezahnt ausgebildet sein, um auf diese Weise hohe Drehmomente von der Welle 14 auf den Rotor 12 übertragen zu können, sofern hierzu die formschlüssigen Verbindungen über die Querstege und -nuten 24, 26, 28, 30 nicht ausreichen. Das Wellen-Ende 32 ist sowohl außen- als auch innenseitig zur Axialen hin in einem Winkel von ungefähr 5° geneigt. Zusammen mit den im Querschnitt geneigte Flanken aufweisenden Querstegen und -nuten 24, 26, 28, 30 der Welle 14 und des Rotors 12 werden auch Wärmedehnungseffekte kompensiert, die in den verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffzienten der zwei verschiedenen Materialien begründet sind, aus denen der Rotor 12 und die Welle 14 bestehen. Auf diese Weise ist eine stets spielfreie Verbindung sichergestellt.
Bei der Herstellung des Vakuumpumpen-Laufrades 10 wird zunächst ein Rohling der Welle 14', der in 2 dargestellt ist, in einen Formkasten eingelegt, der Formkasten geschlossen und das Rotor-Material Aluminium flüssig in den Formkasten eingefüllt. Dabei fließt das flüssige Aluminium auch in den Wellen-Hohlraum 22 und nimmt dabei eine zu den wellenseitigen Stegen 24, 26 komplementäre Außenform ein. Nach dem Auskühlen werden der Rotor 12' und die Welle 14' aus dem Formkasten entnommen und einer spanabhebenden Bearbeitung zugeführt, durch die der Rotor und die Welle außen- und innenseitig ihre endgültige Form erhalten, wie in 1 dargestellt.
Bei diesem Herstellungsverfahren können alle Formelemente, die Kräfte und Drehmomente aufnehmen sollen, gusstechnisch erzeugt werden. Bei Verwendung einer gegossenen Welle bietet sich der Vorteil, dass keine zusätzliche Zerspanung mehr erforderlich ist. Ferner können durch das Gussverfahren bereits alle Elemente mit Guss-Radien ausgeformt werden, die so u.a. aufgrund verringerter Kerbwirkung zu einer guten Verbindung zwischen dem Aluminium-Rotor 12 und der Stahl-Welle 14 genutzt werden können. Die hohle Welle 14 kann beim Gießen des Rotors 12 als Kühleisen wirken, mit dem ein gezielter Abkühlvorgang des Rotors und damit eine höhere Porenfreiheit und ein besseres Gefüge im Rotor-Material realisiert werden kann.
Alternativ zum beschriebenen Gussverfahren kann das Laufrad auch durch ein in analoger Weise durchgeführtes Schmiedeverfahren hergestellt werden.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades 50 dargestellt, das aus einem mit unterbrochenen Linien dargestellten Radialverdichter-Rotor 52 und einer hohlen Welle 54 gebildet ist. Der konische Rotor-Ansatz 56 ist in den konischen Wellen-Hohlraum 58 eingegossen. Die formschlüssige Verbindung zwischen Rotor 52 und Welle 54 erfolgt durch Stege und Nute in Längs- und in Umfangsrichtung. Der zum Rotor 52 spanabhebend bearbeitete Rotor-Rohling 52' ist mit durchgezogenen Linien dargestellt.
In 4 ist ebenfalls ein Radialverdichter-Rotor 60 dargestellt, dessen Rotor 62 durch Feinguss, und u.a. durch Wachsausschmelzen, nach dem Gießen bereits Schaufeln 66 aufweist, an denen lediglich noch die Außenkontur spanabhebend erzeugt werden muss. Die Welle 64 weist einen Hohlabschnitt 67 auf, der sich nicht über die gesamte Wellenlänge erstreckt, sondern nur über ungefähr ein Drittel der Wellen-Länge. Im Bereich des Hohlabschnittes 67 ist ein konischer oder zylindrischer axialer Hohlraum 65 vorgesehen, in dem ein konischer bzw. zylindrischer axialer Ansatz 63 des Rotors 62 sitzt. Der Formschluss zwischen dem Rotor 62 und der Welle 64 wird durch mindestens einen exzentrischen Rotor-Zapfen 68 hergestellt, der oder die in einer entsprechenden Anzahl an exzentrischen Ausnehmungen 69 der Welle 64 sitzt. Um Unwuchten durch die unterschiedlichen Rotor- und Wellenwerkstoffe zu vermeiden, müssen die Zapfen so angeordnet sein, dass sich ein weitestgehender Massenausgleich einstellt, z. B. durch zwei über 180° versetzte oder durch drei über 120° versetzte Zapfen. In 4 ist zum Gesamtverständnis nur ein Zapfen dargestellt. Der Wellen-Rohling 64' und der Rotor-Rohling sind mit durchgezogenen Linien, der spanabhebend fertiggestellte Rotor 62 bzw. die spanabhebend bearbeitete Welle 64 sind mit unterbrochenen Linien dargestellt.
In 5 ist ein Vakuumpumpen-Laufrad 80 dargestellt, das einen Diagonalverdichter-Rotor 82 und eine Welle 84 aufweist, die einen axialen Hohlraum 86 aufweist, der sich nur über ungefähr ein Drittel der axialen Länge der Welle 84 erstreckt. In dem Wellen-Hohlraum 86 sitzt ein entsprechender Ansatz 88 des Rotors 82. Der unbearbeitete Rotor 82' und die unbearbeitete Welle 84' sind mit durchgezogenen Linien, der spanabhebend bearbeitete Rotor 82 und die spanabhebend bearbeitete Welle 84 sind mit unterbrochenen Linien dargestellt.
Bei hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen können gegossene Rotoren an Festigkeitsgrenzen gelangen, so dass auf andere Verfahren und Materialien zurückgegriffen werden muss. Der Rotor 82 des Laufrades 80 der 5 ist ein Schmiedeteil, das beispielsweise aus Aluminium besteht und in einem Gesenk heiß ausgeschmiedet wird, in dem die Welle 84 mit ihrem Hohlraum 88 eingelegt ist. Die Festigkeit des Rotors wird nicht nur durch das Schmiedeverfahren verbessert, sondern auch durch einen radialen gezahnten Wellenbund 90, der die Fliehkraftspannungen reduziert und zum Wuchtausgleich durch Materialabtragung und/oder Einfügung von Ausgleichsgewichten, wie beispielsweise Wuchtschrauben, genutzt werden kann. Zur Unterstützung der kraftschlüssigen Verbindung kann zusätzlich ein Kragen 92 ausgeformt sein, der mit der entsprechenden Gegennut 94 der Welle eine axiale Fixierung wahrnimmt.
Die Korrosionsbeständigkeit eines Aluminium-Rotors kann grundsätzlich durch Eloxieren oder Hartanodisieren verbessert sein.

Claims

Vakuumpumpen-Laufrad (10) mit einer Welle (14) aus Stahl und einem einstückigen Rotor (12), der von der Welle (14) gehalten wird und aus einem von den Wellen-Stahl verschiedenen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) einen axialen Hohlraum (22) aufweist und der Rotor (12) einen axialen Ansatz (16) aufweist, der formschlüssig und/oder kraftschlüssig in dem Hohlraum (22) sitzt.
Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor-Ansatz (16) und die Welle (14) in dem Hohlraum (22) jeweils eine Ausformung (24, 26, 28, 30) aufweisen, die miteinander einen Formschluss in axialer Richtung und in Umfangsrichtung bilden.
Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) ein Gussteil ist, dessen Ansatz (16) in den Wellen-Hohlraum (22) eingegossen ist.
Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (24, 26, 28, 30) als Nute und Stege ausgebildet sind.
Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am rotorseitigen Ende (32) die Wandstärke der Welle (14) zur Hohlraum-Öffnung (34) hin abnimmt.
Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) von einer einzigen Welle (14) gehalten wird.
Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotor-Material ein Leichtmetall oder ein Kunststoff ist.
Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotor-Material Aluminium ist.
Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Gießen, mit den Verfahrenschritten: Einlegen einer einen axialen Hohlraum (22) aufweisenden Welle (14) in eine Rotor-Gussform, Einfüllen des flüssigen Rotor-Gussmaterials in die Rotor-Gussform und in den Wellen-Hohlraum (22), und Entnahme des Vakuumpumpen-Laufrades (10) aus der Gussform nach Abkühlung des Rotors (12).
Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Schmieden, mit den Verfahrensschritten Einlegen einer einen axialen Hohlraum (86) aufweisenden Welle (84) in ein Rotor-Schmiedegesenk, Einschmieden des glühenden Rotor-Schmiedematerials in das Rotor-Schmiedegesenk und in den Wellen-Hohlraum (86), und Entnahme des Vakuumpumpen-Laufrades (80) aus dem Schmiedegesenk.