EP1815145A1 - Vacuum pump impeller - Google Patents

Vacuum pump impeller

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Publication number
EP1815145A1
EP1815145A1 EP05801520A EP05801520A EP1815145A1 EP 1815145 A1 EP1815145 A1 EP 1815145A1 EP 05801520 A EP05801520 A EP 05801520A EP 05801520 A EP05801520 A EP 05801520A EP 1815145 A1 EP1815145 A1 EP 1815145A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
shaft
vacuum pump
pump impeller
cavity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05801520A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Giebmanns
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Leybold Vacuum GmbH filed Critical Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Publication of EP1815145A1 publication Critical patent/EP1815145A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/023—Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/266—Rotors specially for elastic fluids mounting compressor rotors on shafts
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    • F05D2230/00—Manufacture
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    • F05D2300/171—Steel alloys
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump impeller with a steel shaft and a shaft-mounted one-piece rotor made of a material other than the shaft steel, and to a method for producing a vacuum pump impeller.
  • Vacuum Pumps are known in various designs, for example as screw-type impellers, turbo-impellers, Wälzkolben-impellers, side-channel impellers, among others. Vacuum pump wheels can be designed to be free-flowing, ie. the impeller is supported only at one axial end, so that ) _
  • the rotor is arranged to fly.
  • the wheels are sometimes operated at high speeds, so that large radial forces can occur.
  • the lowest possible weight, in particular of the rotor with the greatest possible strength and rigidity of the shaft is sought for these reasons.
  • This is realized in practice in that on the outside of the steel shaft, the rotor is attached, which consists of the lightest possible material, such as aluminum. Since the rotor can expand in operation by high temperatures and centrifugal forces stronger than the shaft, a permanent and backlash-free fixation of the rotor to the shaft is difficult and expensive to produce, for example by welding, soldering, gluing, serrations with axial clamping, by tie rods, Etc.
  • the object of the invention is in contrast to provide a vacuum pump impeller and a method for its production, which allows a simple and permanent fixation of the rotor on the shaft.
  • the shaft has an axial cavity at one axial end and the rotor has a corresponding axial projection which sits positively and / or non-positively in the axial cavity of the shaft.
  • the rotor is thus no longer fixed on the outside of the shaft, but fixed substantially on the inside of a sleeve-shaped portion of the hollow steel shaft.
  • the weight of the impeller is kept low, which simplifies storage, especially at high speeds, with which, for example, turbocharged wheels are operated. With the impeller according to the invention therefore higher speeds and / or reduced weight or reduced size of the impeller can be realized.
  • the rotor lug and the shaft in the cavity in each case on formations which form a positive engagement with each other in the axial direction and / or in the circumferential direction.
  • a safe and easy to produce connection between the rotor and shaft is made.
  • the rotor is a casting
  • the approach is poured into the shaft cavity.
  • the shaft with its part having the cavity is placed in a molding box, and then the liquid rotor material is introduced into the rotor molding box, whereby the liquid rotor material runs into the shaft cavity.
  • the formations in the cavity of the shaft are transferred to the rotor approach already during the casting of the rotor.
  • Another operation for fixing the rotor to the shaft is eliminated. This in turn reduces the weight and avoids a source of imbalance.
  • the formations are formed as grooves and webs.
  • the grooves and lands may be arranged in the axial and circumferential directions, but may be arranged to extend in other directions.
  • the exact shape and orientation of the webs and grooves depends inter alia on the thermal expansion behavior of the rotor and shaft materials used, the - A -
  • the wall thickness of the wave-Hulse decreases towards the opening steadily, so that the stiffness of the shaft end decreases towards the cavity opening and the axial cavity opening is radially relatively elastic.
  • the risk of breakage of the rotor approach is significantly reduced in this area, so that a correspondingly small dimensions and thus a reduction in weight of the rotor approach can be realized.
  • the area of decreasing wall thickness may be less than 1 / io in relation to the total length of the shaft, but should be at least 3 mm.
  • the vacuum pump impeller may have two shafts which are each arranged at an axial end of the rotor. Preferably, however, only a single shaft is provided, which holds an axial end of the rotor. In this way, a floating storable vacuum pump impeller is provided, in which the weight savings achievable by the construction according to the invention are particularly advantageous.
  • the rotor material is a light metal or a plastic.
  • the rotor material In forming the rotor as a casting, the rotor material must have a melting temperature that allows pouring of the rotor material into the shaft cavity without damaging the steel shaft.
  • the rotor In addition to light metal, in particular aluminum, the rotor may also consist of a plastic or of a fiber-reinforced plastic. - ;; -
  • the shaft having an axial cavity is loaded in a rotor forging die, the glowing rotor forging material is forged into the rotor forging die and into the cavity of the rotor, and finally becomes the vacuum pump impeller taken from the forge.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a vacuum pump impeller with a cast into the shaft and then machined machined rotor in longitudinal section
  • FIG 2 shows the shaft of the vacuum pump impeller of Figure 1 in
  • Figure 3 shows a second embodiment of a vacuum pump impeller in
  • Figure 4 shows a third embodiment of a vacuum pump impeller in
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of a vacuum pump impeller in
  • a vacuum pump impeller 10 which forms one of two impellers of a screw vacuum pump.
  • the impeller 10 consists essentially of two parts, namely a one-piece aluminum rotor 12 and a one-piece steel shaft 14 which is formed over its entire length as a hollow shaft. With a broken line in the figure 1, the contour of the shaft 14 'and the rotor 12' is shown, which they have immediately after the casting of the rotor and before a machining operation. _ ⁇ ...
  • the rotor 12 has two sections in its longitudinal direction, namely a projection 16 and an active member 18, which has a helical structure 20 radially on the outside.
  • the shaft 14 has over its entire length a slightly conical and / or cylindrical cavity 22, in which the projection 16 of the rotor 12 is molded positively.
  • longitudinal ridges 24 and transverse webs 26 are arranged as recesses, which engage in corresponding longitudinal groove 28 and transverse grooves 30 of the projection 16 as recesses.
  • the shaft end 32 may, as shown, be formed axially toothed, in order to be able to transmit high torques from the shaft 14 to the rotor 12 in this way, provided that the formschiussigen connections via the transverse webs and grooves 24,26,28, 30 are not enough.
  • the shaft end 32 is inclined both externally and internally to the axial at an angle of about 5 °.
  • the vacuum pump impeller 10 In the manufacture of the vacuum pump impeller 10 is first a blank of the time 14 ', which is shown in Figure 2, placed in a molding box, the mold box closed and filled the rotor material aluminum liquid in the molding box. In this case, the liquid aluminum also flows into the shaft cavity 22 and thereby assumes an outer shape complementary to the shaft-side webs 24, 26. After cooling, the rotor 12 "and - H -
  • the hollow shaft 14 may act as a cooling iron when casting the rotor 12, with. a targeted cooling process of the rotor and thus a higher pore purity and a better Gefuge in the rotor material can be realized.
  • the impeller can also be produced by a sintering process carried out in an analogous manner.
  • FIG 3 shows a second embodiment of a vacuum pump impeller 50, which is formed from a radial compressor rotor 52 and a hollow shaft 54 shown in broken lines.
  • the conical rotor lug 56 is cast into the conical shaft cavity 58.
  • the form gleichige connection between the rotor 52 and shaft 54 is effected by webs and grooves in the longitudinal and circumferential direction.
  • the rotor 52 machined to the rotor rotor blank 52 ' is with. shown by solid lines.
  • FIG. 4 likewise shows a radial compressor rotor 60, the rotor 62 of which already has blades 66 by means of casting, and inter alia by lost wax, according to the preamble, on which only the outer contour still has to be machined.
  • the shaft 64 has a hollow portion 67 which does not extend over the entire wavelength but only over about one c, _
  • a conical or cylindrical axial cavity 65 is provided, in which a conical or cylindrical axial projection 63 of the rotor 62 is seated,
  • the positive connection between the rotor 62 and the shaft 64 is produced by at least one eccentric rotor pin 68 which is seated in a corresponding number of eccentric recesses 69 of the shaft 64.
  • the pins must be arranged so that sets as far as possible mass balance, z. B. by two over 180 ° offset or offset by three over 120 ° pin, in Figure 4 is shown to the overall understanding, only one pin.
  • the shaft blank 64 'and the rotor blank are shown in solid lines, the machined rotor 62 and the machined shaft 64, respectively, are shown in broken lines.
  • a vacuum pump impeller 80 having a diagonal compressor rotor 82 and a shaft 84 having an axial cavity 86 extending only about one third of the axial length of the shaft 84.
  • the shaft cavity 86 sits a corresponding projection 88 of the rotor 82.
  • the unprocessed rotor 82 'and the unprocessed shaft 84' are shown in solid lines, the machined rotor 82 and the machined shaft 84 are shown in broken lines.
  • the rotor 82 of the impeller 80 of FIG. 5 is a forging made of, for example, aluminum and hot forged in a die in which the shaft 84 is inserted with its cavity 88.
  • the strength of the rotor is improved not only by the forging process, but also by a radial serrated shaft collar 90 which reduces the centrifugal force stresses and balancing - IO -
  • a collar 92 may additionally be formed, which performs an axial fixation with the corresponding counter-groove 94 of the shaft.
  • the corrosion resistance of an aluminum rotor can basically be improved by anodising or hard anodizing.

Abstract

The invention relates to a vacuum pump impeller (10) comprising a shaft ( 14) which is made of steel and a one-piece rotor (12) which is retained by the shaft (14). Said rotor is made of a material which is different from the shaft steel. The shaft (14) comprises an axial cavity (22), and the rotor (12) comprises an axial projection (16) which is arranged with positive and/or non-positive fit in the shaft cavity (22).

Description

Vakuumpumpen-Laufrad Vacuum pump impeller
Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumpumpen-Laufrad mit einer Stahl-Welle und einem von der Welle gehaltenen einstuckigen Rotor aus einem von dem Wellen-Stahl verschiedenen Material, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades.The invention relates to a vacuum pump impeller with a steel shaft and a shaft-mounted one-piece rotor made of a material other than the shaft steel, and to a method for producing a vacuum pump impeller.
Vakuumpumpen Laufräder sind in verschiedenen Bauformen bekannt, beispielsweise als Schrauben-Laufräder, Turbo-Laufräder, Wälzkolben-Laufräder, Seitenkanal-Laufräder, u.a.. Vakuumpumpen-L aufräder können freϊfliegend konstruiert sein, dnh. das Laufrad ist nur an einem axialen Ende gelagert, so dass ) _Vacuum Pumps Impellers are known in various designs, for example as screw-type impellers, turbo-impellers, Wälzkolben-impellers, side-channel impellers, among others. Vacuum pump wheels can be designed to be free-flowing, ie. the impeller is supported only at one axial end, so that ) _
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.the rotor is arranged to fly. The wheels are sometimes operated at high speeds, so that large radial forces can occur. For the construction of the wheels, the lowest possible weight, in particular of the rotor with the greatest possible strength and rigidity of the shaft is sought for these reasons. This is realized in practice in that on the outside of the steel shaft, the rotor is attached, which consists of the lightest possible material, such as aluminum. Since the rotor can expand in operation by high temperatures and centrifugal forces stronger than the shaft, a permanent and backlash-free fixation of the rotor to the shaft is difficult and expensive to produce, for example by welding, soldering, gluing, serrations with axial clamping, by tie rods, 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.The object of the invention is in contrast to provide a vacuum pump impeller and a method for its production, which allows a simple and permanent fixation of the rotor on the shaft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 9 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1 and 9, respectively.
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 kraftschlussig 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 hulsenförmigen 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 Kraftflusse 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.In the case of the vacuum pump impeller according to the invention, the shaft has an axial cavity at one axial end and the rotor has a corresponding axial projection which sits positively and / or non-positively in the axial cavity of the shaft. The rotor is thus no longer fixed on the outside of the shaft, but fixed substantially on the inside of a sleeve-shaped portion of the hollow steel shaft. By occurring during operation centrifugal forces and heat inputs into the rotor, the seated in the rotor shaft approach can expand more than the hollow shaft. As a result, the connection between the rotor and the shaft is solidified during operation and in particular at high speeds. This circumstance makes it possible to dispense with expensive connection arrangements via tie rods, etc. and avoids holes in the shaft and in the rotor, so that By the more homogeneous flow of force fractions of the shaft or the rotor can be avoided. Finally, by dispensing with expensive mounting arrangements, the weight of the impeller is kept low, which simplifies storage, especially at high speeds, with which, for example, turbocharged wheels are operated. With the impeller according to the invention therefore higher speeds and / or reduced weight or reduced size of the impeller can be realized.
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.Preferably, the rotor lug and the shaft in the cavity in each case on formations which form a positive engagement with each other in the axial direction and / or in the circumferential direction. By creating a positive connection, a safe and easy to produce connection between the rotor and shaft is made.
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 flussige Rotor-Material in den Rotor-Formkasten eingelassen, wobei das flussige 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.According to a preferred embodiment, the rotor is a casting, the approach is poured into the shaft cavity. Before the rotor is cast, the shaft with its part having the cavity is placed in a molding box, and then the liquid rotor material is introduced into the rotor molding box, whereby the liquid rotor material runs into the shaft cavity. In this way, the formations in the cavity of the shaft are transferred to the rotor approach already during the casting of the rotor. Another operation for fixing the rotor to the shaft is eliminated. This in turn reduces the weight and avoids a source of imbalance.
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 - A -Preferably, the formations are formed as grooves and webs. The grooves and lands may be arranged in the axial and circumferential directions, but may be arranged to extend in other directions. The exact shape and orientation of the webs and grooves depends inter alia on the thermal expansion behavior of the rotor and shaft materials used, the - A -
bei Betrieb auftretenden Drehzahlen bzw. Fliehkräften sowie anderen Randbedingungen ab.operating speeds or centrifugal forces as well as other boundary conditions.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist am rotorscitigen Ende der Weile die Wellen-Wandstärke zur Hohlraum-Öffnung hin abnehmend, d.h. die Wandstärke der Wellen-Hulse 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 fuhren würden und so insbesondere bei starken Wechselbelastungen eine frühzeitige Materialermüdung mit Rissbiidung 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/io betragen, sollte aber mindestens 3 mm betragen.According to a preferred embodiment, at the rotorscitigen end of the time the wave wall thickness towards the cavity opening towards decreasing, ie the wall thickness of the wave-Hulse decreases towards the opening steadily, so that the stiffness of the shaft end decreases towards the cavity opening and the axial cavity opening is radially relatively elastic. As a result, large and / or sudden changes in the wave moments of inertia are avoided, which would otherwise lead to high bending and / or torsional loads and thus could cause early material fatigue with crack formation, especially during heavy alternating loads. The risk of breakage of the rotor approach is significantly reduced in this area, so that a correspondingly small dimensions and thus a reduction in weight of the rotor approach can be realized. The area of decreasing wall thickness may be less than 1 / io in relation to the total length of the shaft, but should be at least 3 mm.
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 Verfugung gestellt, bei dem die durch die erfindungsgemäße Konstruktion realisierbaren Gewichtscinsparungen besonders vorteilhaft sind.In principle, the vacuum pump impeller may have two shafts which are each arranged at an axial end of the rotor. Preferably, however, only a single shaft is provided, which holds an axial end of the rotor. In this way, a floating storable vacuum pump impeller is provided, in which the weight savings achievable by the construction according to the invention are particularly advantageous.
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. - ;; -Preferably, the rotor material is a light metal or a plastic. In forming the rotor as a casting, the rotor material must have a melting temperature that allows pouring of the rotor material into the shaft cavity without damaging the steel shaft. In addition to light metal, in particular aluminum, the rotor may also consist of a plastic or of a fiber-reinforced plastic. - ;; -
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 :According to a method for producing a vacuum pump impeller with a rotor having an axial projection and a steel shaft having a corresponding cavity, the following method steps are provided:
Einlegen der den axialen Hohlraum aufweisenden Welle in eine Rotor- Gussform,Inserting the shaft having the axial cavity into a rotor casting mold,
Einfüllen des flüssigen Rotor- Gussmaterials in die Rotor- Gussform und in den Wellen-Hohlraum, undFilling the liquid rotor casting material into the rotor casting mold and into the shaft cavity, and
Entnahme des Vakuumpumpen-Laufrades aus der Gussform nach seiner Abkühlung.Removal of the vacuum pump impeller from the mold after cooling.
Mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren lässt sich bei Vorsehen entsprechender Ausformungen in dem Wellen-Hohlraum eine formschlussige 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.With the production method described, it is possible to produce a form-fitting connection between the shaft and the rotor when appropriate formations are provided in the shaft cavity. This makes it possible to dispense with further components for producing a positive connection between the rotor and the shaft. The method is relatively simple and therefore inexpensive.
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 Welien-Hohiraum eingeschmiedet, und wird schließlich das Vakuumpumpen-Laufrad aus dem Schmiedegesenk entnommen.According to an alternative method of manufacturing a vacuum pump impeller, the shaft having an axial cavity is loaded in a rotor forging die, the glowing rotor forging material is forged into the rotor forging die and into the cavity of the rotor, and finally becomes the vacuum pump impeller taken from the forge.
Bei diesem Verfahren ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Gießverfahren genannten Vorteile in ähnlicher Weise. - fi ¬In this method, the advantages mentioned in connection with the casting process result in a similar manner. - fi ¬
lm Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.In the following several embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.
Es zeigen :Show it :
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades mit einem in die Welle gegossenen und anschließend spanabhebend bearbeiteten Rotor im Längsschnitt,1 shows a first embodiment of a vacuum pump impeller with a cast into the shaft and then machined machined rotor in longitudinal section,
Figur 2 die Welle des Vakuumpumpen-Laufrades der Figur 1 imFigure 2 shows the shaft of the vacuum pump impeller of Figure 1 in
Längsschnitt,Longitudinal section
Figur 3 eine zweite Ausfuhrungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades imFigure 3 shows a second embodiment of a vacuum pump impeller in
Längsschnitt,Longitudinal section
Figur 4 eine dritte Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades imFigure 4 shows a third embodiment of a vacuum pump impeller in
Längsschnitt,Longitudinal section
Figur 5 eine vierte Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Laufrades imFigure 5 shows a fourth embodiment of a vacuum pump impeller in
Längsschnitt.Longitudinal cut.
In Figur 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 einstuckigen Stahl-Welle 14, die über ihre gesamte Länge als Hohlwelle ausgebildet ist. Mit unterbrochener Linie ist in der Figur 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. _ η ...In Figure 1, a vacuum pump impeller 10 is shown, which forms one of two impellers of a screw vacuum pump. The impeller 10 consists essentially of two parts, namely a one-piece aluminum rotor 12 and a one-piece steel shaft 14 which is formed over its entire length as a hollow shaft. With a broken line in the figure 1, the contour of the shaft 14 'and the rotor 12' is shown, which they have immediately after the casting of the rotor and before a machining operation. _ η ...
Der Rotor 12 weist in seiner Längsrichtung zwei Abschnitte auf, nämlich einen Ansatz 16 und einen Wirkteϊl 18, der radial außen eine schraubenförmige Struktur 20 aufweist.The rotor 12 has two sections in its longitudinal direction, namely a projection 16 and an active member 18, which has a helical structure 20 radially on the outside.
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 formschlussig 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.The shaft 14 has over its entire length a slightly conical and / or cylindrical cavity 22, in which the projection 16 of the rotor 12 is molded positively. In the shaft cavity 22 longitudinal ridges 24 and transverse webs 26 are arranged as recesses, which engage in corresponding longitudinal groove 28 and transverse grooves 30 of the projection 16 as recesses.
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 formschiussigen 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 Wärmeausdehnungskoeffizienten 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.At the rotor end 32 of the shaft 14, the wall thickness of the hollow shaft to the cavity opening 34 decreases steadily, so that the stiffness of the shaft 14 decreases in this area to the rotor-side shaft end 32 back. The shaft end 32 may, as shown, be formed axially toothed, in order to be able to transmit high torques from the shaft 14 to the rotor 12 in this way, provided that the formschiussigen connections via the transverse webs and grooves 24,26,28, 30 are not enough. The shaft end 32 is inclined both externally and internally to the axial at an angle of about 5 °. Together with the transversely inclined flanks having transverse webs and grooves 24, 26, 28, 30 of the shaft 14 and the rotor 12 also thermal expansion effects are compensated, which are based in the different thermal expansion coefficients of the two different materials from which the rotor 12 and the Wave 14 exist. In this way, an always backlash-free connection is ensured.
Bei der Herstellung des Vakuumpumpen-Laufrades 10 wird zunächst ein Rohling der Weile 14', der in Fig.2 dargestellt ist, in einen Formkasten eingelegt, der Formkasten geschlossen und das Rotor-Material Aluminium flussig in den Formkasten eingefüllt. Dabei fließt das flussige Aluminium auch in den Wellen- Hohlraum 22 und nimmt dabei eine zu den wellenseitϊgen Stegen 24, 26 komplementäre Außenform ein. Nach dem Auskuhlen werden der Rotor 12" und - H -In the manufacture of the vacuum pump impeller 10 is first a blank of the time 14 ', which is shown in Figure 2, placed in a molding box, the mold box closed and filled the rotor material aluminum liquid in the molding box. In this case, the liquid aluminum also flows into the shaft cavity 22 and thereby assumes an outer shape complementary to the shaft-side webs 24, 26. After cooling, the rotor 12 "and - H -
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 Figur 1 dargestellt..the shaft 14 'removed from the molding box and supplied to a machining, through which the rotor and the shaft outside and inside their final shape, as shown in Figure 1 ..
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 Porenfreϊheit und ein besseres Gefuge im Rotor-Material realisiert werden kann.In this manufacturing method, all the form elements that are to absorb forces and torques, cast are generated. When using a cast shaft has the advantage that no additional cutting is required. Furthermore, all elements with casting radii can already be formed by the casting process, the so u.a. due to reduced notch effect to a good connection between the aluminum rotor 12 and the steel shaft 14 can be used. The hollow shaft 14 may act as a cooling iron when casting the rotor 12, with. a targeted cooling process of the rotor and thus a higher pore purity and a better Gefuge in the rotor material can be realized.
Alternativ zum beschriebenen Gussverfahren kann das Laufrad auch durch ein in analoger Weise durchgeführtes Schmϊedeverfahren hergestellt werden.As an alternative to the described casting method, the impeller can also be produced by a sintering process carried out in an analogous manner.
In Figur 3 ist eine zweite Ausfuhrungsform 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 formschlussige 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.3 shows a second embodiment of a vacuum pump impeller 50, which is formed from a radial compressor rotor 52 and a hollow shaft 54 shown in broken lines. The conical rotor lug 56 is cast into the conical shaft cavity 58. The formschlussige connection between the rotor 52 and shaft 54 is effected by webs and grooves in the longitudinal and circumferential direction. The rotor 52 machined to the rotor rotor blank 52 'is with. shown by solid lines.
In Figur 4 ist ebenfalls ein Radialverdichter- Rotor 60 dargestellt, dessen Rotor 62 durch Feϊnguss, und u.a. durch Wachsausschmelzen, nach dem Gief3en 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 c, _FIG. 4 likewise shows a radial compressor rotor 60, the rotor 62 of which already has blades 66 by means of casting, and inter alia by lost wax, according to the preamble, on which only the outer contour still has to be machined. The shaft 64 has a hollow portion 67 which does not extend over the entire wavelength but only over about one c, _
Drittel der WeMen-Länge. Im Bereich des Hohiabschnittes 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 Unwuchtcn durch die unterschiedlichen Rotor- und Wellen Werkstoffe 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 Figur 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.Third of the WeMen length. In the region of the Hohiabschnittes 67, a conical or cylindrical axial cavity 65 is provided, in which a conical or cylindrical axial projection 63 of the rotor 62 is seated, The positive connection between the rotor 62 and the shaft 64 is produced by at least one eccentric rotor pin 68 which is seated in a corresponding number of eccentric recesses 69 of the shaft 64. To avoid imbalance due to the different rotor and shaft materials, the pins must be arranged so that sets as far as possible mass balance, z. B. by two over 180 ° offset or offset by three over 120 ° pin, in Figure 4 is shown to the overall understanding, only one pin. The shaft blank 64 'and the rotor blank are shown in solid lines, the machined rotor 62 and the machined shaft 64, respectively, are shown in broken lines.
In Figur 5 ist ein Vakuumpumpen-Laufrad 80 dargestellt, das einen Diagonalvcrdichter-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.Referring to Figure 5, a vacuum pump impeller 80 is shown having a diagonal compressor rotor 82 and a shaft 84 having an axial cavity 86 extending only about one third of the axial length of the shaft 84. In the shaft cavity 86 sits a corresponding projection 88 of the rotor 82. The unprocessed rotor 82 'and the unprocessed shaft 84' are shown in solid lines, the machined rotor 82 and the machined shaft 84 are shown in broken lines.
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 Figur 5 ist ein Schmiedeteϊl, 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 - I O -At high mechanical and / or thermal loads cast rotors can reach limits of strength, so that other methods and materials must be used. The rotor 82 of the impeller 80 of FIG. 5 is a forging made of, for example, aluminum and hot forged in a die in which the shaft 84 is inserted with its cavity 88. The strength of the rotor is improved not only by the forging process, but also by a radial serrated shaft collar 90 which reduces the centrifugal force stresses and balancing - IO -
durch Materialabtragung und/oder Einfügung von Ausgleichsgewichten, wie beispielsweise Wuchtschrauben, genutzt werden kann. Zur Unterstützung der kraftschlüssϊgen Verbindung kann zusätzlich ein Kragen 92 ausgeformt sein, der mit der entsprechenden Gegennut 94 der Welle eine axiale Fixierung wahrnimmt.,can be used by material removal and / or insertion of balance weights, such as balancing screws. To support the force-fitting connection, a collar 92 may additionally be formed, which performs an axial fixation with the corresponding counter-groove 94 of the shaft.
Die Korrosionsbeständigkeit eines Aluminium-Rotors kann grundsätzlich durch Eloxieren oder Hartanodisieren verbessert sein. The corrosion resistance of an aluminum rotor can basically be improved by anodising or hard anodizing.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vakuumpumpen-Laufrad (10) mit1. Vacuum pump impeller (10) with
einer WeMe (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,a steel core (14) and a one-piece rotor (12) supported by the shaft (14) and made of a material other than the steel shaft,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,characterized ,
dass die Welle (14) einen axialen Hohlraum (22) aufweist und der Rotor (12) einen axialen Ansatz (16) aufweist, der formschlussig und/oder kraftschlüssig in dem Hohlraum (22) sitzt.in that the shaft (14) has an axial cavity (22) and the rotor (12) has an axial extension (16) which sits positively and / or non-positively in the cavity (22).
2. 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 Formschiuss in axialer Richtung und in Umfangsrichtung bilden.2. Vacuum pump impeller (10) according to claim 1, characterized in that the rotor extension (16) and the shaft (14) in the cavity (22) each have a formation (24, 26, 28, 30), the together form a Formschiuss in the axial direction and in the circumferential direction.
3. Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach Anspruch 1 oder Z1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) ein Gussteil ist, dessen Ansatz (16) in den Wellen-Hohlraum (22) eingegossen ist.3. Vacuum pump impeller (10) according to claim 1 or Z 1, characterized in that the rotor (12) is a casting whose projection (16) is cast into the shaft cavity (22).
4. Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (24, 26, 28, 30) als Nute und Stege ausgebildet sind.4. Vacuum pump impeller (10) according to claim 2 or 3, characterized in that the formations (24, 26, 28, 30) are formed as grooves and webs.
5. Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am rotorseitϊgen Ende (32) die Wandstärke der Welle (14) zur Hohlraum-Öffnung (34) hin abnimmt. 5. Vacuum pump impeller (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rotorseitϊgen end (32), the wall thickness of the shaft (14) to the cavity opening (34) decreases towards.
6. Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) von einer einzigen Welle (14) gehalten wird.6. Vacuum pump impeller (10) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the rotor (12) by a single shaft (14) is held.
7, Vakuumpumpen -Laufrad ( 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotor-Material ein Leichtmetall oder ein Kunststoff ist.7, vacuum pump impeller (10) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rotor material is a light metal or a plastic.
8 Vakuumpumpen-Laufrad (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotor-Material Aluminium ist.8 vacuum pump impeller (10) according to claim 7, characterized in that the rotor material is aluminum.
9. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Gießen, mit den Verfahren seh ritten :9. A method for producing a vacuum pump impeller (10) according to any one of claims 1 to 8 by casting, with the procedures seh rode:
Einlegen einer einen axialen Hohlraum (22) aufweisenden Welle (14) in eine Rotor-Gussform,Insertion of an axial cavity (22) having shaft (14) in a rotor mold,
Einfüllen des flüssigen Rotor-Gussmaterials in die Rotor-Gussform und in den Wellen-Hohlraum (22), undFilling the liquid rotor casting material into the rotor mold and into the shaft cavity (22), and
Entnahme des Vakuumpumpen-Laufrades (10) aus der Gussform nach Abkühlung des Rotors (12).Removal of the vacuum pump impeller (10) from the mold after cooling of the rotor (12).
10. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Laufrades (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Schmieden, mit den10. A method for producing a vacuum pump impeller (80) according to one of claims 1 to 8 by forging, with the
Verfahrenssch ritten:Procedural steps:
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), undInserting a shaft (84) having an axial cavity (86) into a rotor forging die, Forging the glowing rotor forging material into the rotor forging die and into the shaft cavity (86), and
Entnahme des Vakuumpumpen-Laufrades (80) aus dem Schmiedegesenk. Removing the vacuum pump impeller (80) from the forging sink.
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