[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumpumpen-Rotor mit einem Verdränger, der
an den beiden axialen Längsenden einen Wellenzapfen zur Lagerung des Rotors aufweist.
[0002] Vakuumpumpen-Rotore sind in verschiedenen Bauformen bekannt, beispielsweise als Schrauben-Rotor
oder Wälzkolben-Rotor. Vakuumpumpen-Rotoren werden mit relativ hohen Drehzahlen betrieben,
so dass große radiale Fliehkräfte auftreten können. Für den relativ großvolumigen
Verdränger wird daher ein möglichst geringes Gewicht angestrebt. Leichtgewichtige
Werkstoffe, wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoffe weisen jedoch relativ schlechte
Festigkeit auf, und sind daher für die den Verdränger haltenden Wellenzapfen schlecht
oder überhaupt nicht geeignet.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, einen leichten Vakuumpumpen-Rotor mit guter Wellenzapfen-Steifigkeit
und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. des Anspruches
8 oder 9 gelöst.
[0005] Bei dem erfindungsgemäßen Vakuum-Rotor gemäß Patentanspruch 1 sind zwei separate
Endstücke aus Stahl vorgesehen, die jeweils einen axialen Wellenzapfen aufweisen und
an den beiden axialen Enden des Verdrängers befestigt sind. Der Verdränger besteht
aus einem von dem Endstück-Stahl verschiedenen Material. Die beiden Endstücke sind
jeweils formschlüssig und/oder kraftschlüssig, jedoch nicht stoffschlüssig, mit dem
Verdränger verbunden.
[0006] Der Rotor besteht also aus drei Teilen, nämlich einem einstückigen Verdränger und
an den Längsenden jeweils einem Stahl-Endstück mit einem Wellenzapfen. Es gibt also
keine durchgehende Welle, die sich axial über die gesamte RotorLänge erstreckt. Mit
diesem dreiteiligen Aufbau des Vakuumpumpen-Rotors kann sowohl für die Wellenzapfen
als auch für den Verdränger jeweils ein optimales Material gewählt werden. Für den
Verdränger kann ein möglichst leichtes Material gewählt werden, das die Fliehkräfte
und die daraus resultierenden Vibrationen möglichst klein ausfallen lässt. Für die
Endstücke dagegen kann ein sehr steifer und harter Stahl gewählt werden, der für die
Lagerung und Übertragung der auftretenden hohen mechanischen Kräfte optimal geeignet
ist.
[0007] Auf diese Weise wird ein Vakuum-Rotor geschaffen, der relativ leicht ist, und dennoch
hochfeste Wellenzapfen aus Stahl aufweist.
[0008] Vorzugsweise weist jedes Endstück proximal, d.h. verdrängerseitig, mindestens einen
Fixierzahn auf. Der Fixierzahn ist im Querschnitt derart ausgebildet, dass er auch
größere Drehmomente übertragen kann, was insbesondere an dem angetriebenen Längsende
des Rotors wichtig ist.
[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Fixierzähne bezogen auf die Rotor-Axiale
hinterschnitten. Die Fixierzähne sind so hinterschnitten, dass sowohl bezogen auf
die Radiale als auch auf die Axiale eine formschlüssige unlösbare Verbindung vorliegt.
Die Endstücke müssen also nicht durch Befestigungsmittel, wie Schrauben u.ä. mit dem
Verdränger verbunden werden. Auf diese Weise wird eine feste und dauerhafte Verbindung
zwischen den Endstücken und dem Verdränger geschaffen, die sich beispielsweise im
Schmiede- oder Gussverfahren realisieren lässt.
[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Endstücke jeweils eine Stirnscheibe
auf, die an der jeweiligen Stirnseite des Verdrängers axial anliegt. Die Stirnscheibe
des Endstückes nimmt auf der Stirnseite des Verdrängers einen relativ großen Flächenanteil
ein.
[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Stirnscheibe so groß, dass sie den
Verdränger axial vollständig abdeckt, d.h. mindestens genau so groß ist, wie die angrenzende
Stirnfläche des Verdrängers. Der Spalt zwischen dem Rotor und einem Stator-Gehäuse
wird rotorseitig alleine durch die Stirnscheibe begrenzt, ist also stufen- und spaltfrei,
und damit relativ gut abdichtend.
[0012] Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren des Vakuumpumpen-Rotors durch Gießen
sind die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen:
Einlegen der Endstücke in eine Rotor-Gussform,
Einfüllen des Verdränger-Gussmaterials in die Rotor-Gussform, und
Entnahme des Rotors aus der Rotor-Gussform.
[0013] Mit diesem Herstellungsverfahren lassen sich formschlüssige Verbindungen zwischen
dem Verdränger und den beiden Endstücken herstellen. Hierdurch kann auf weitere Bauteile
zur Herstellung einer formschlüssigen und/oder krafrschlüssigen Verbindung zwischen
den Endstücken und dem Verdränger verzichtet werden. Das Verfahren ist relativ einfach
und preiswert realisierbar.
[0014] Gemäß einem hierzu alternativen Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Rotors
durch Schmieden werden die beiden Endstücke zunächst in ein Rotor-Schmiedegesenk eingelegt,
wird das glühende Verdränger-Schmiedematerial in das Schmiedegesenk eingeschmiedet,
und wird der Rotor nach dem Auskühlen schließlich aus dem Schmiedegesenk entnommen.
Bei diesem alternativen Herstellungsverfahren wird ebenfalls auf einfache Weise eine
formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Endstücken und dem Verdränger geschaffen.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden die vorgenannten Herstellungsverfahren
ergänzt durch den Verfahrensschritt: Spanabhebende Bearbeitung der Kontur des Rohlings
des Rotors. Nach dem Gießen bzw. Schmieden des Rotor-Rohlings kann dieser als ganzes
Teil spanabhebend bearbeitet werden, um dem Wellenzapfen der Stirnscheibe und dem
Verdränger die endgültige Form zu geben. Diese Bearbeitung kann in einem einzigen
Durchgang erfolgen, d.h. ohne Werkzeugwechsel. Auf diese Weise ist die Bearbeitung
trotz der Mehrteiligkeit des Rotors relativ einfach, schnell und preiswert durchführbar.
[0016] Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Vakuumpumpen-Rotors näher erläutert.
[0017] Es zeigen:
- Figur 1a
- einen Vakuumpumpen-Rotor als Wälzkolben-Rotor mit eingegossenen Endstücken im Längsschnitt,
- Figur 1b
- eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vakuumpumpen-Rotors,
- Figur 2
- einen Querschnitt II-II des Vakuumpumpen-Rotors der Figur 1, als Ansicht auf das Endstück
dargestellt,
- Figur 3
- einen weiteren Querschnitt III-III des Vakuumpumpen-Rotors der Figur 1,
- Figur 4
- ein drittes Ausführungsbeispiel eines Vakuumpumpen-Rotors in Form eines Wälzkolben-Rotors
mit eingegossenen Endstücken,
- Figur 5
- einen Querschnitt V-V des Vakuumpumpen-Rotors der Figur 4,
- Figur 6
- ein viertes Ausführungsbeispiel eines Vakuumpumpen-Rotors in Form eines Wälzkolben-Rotors,
mit angeschmiedeten Endstücken,
- Figur 7
- einen Querschnitt VII-VII des Vakuumpumpen-Rotors der Figur 6,
- Figur 8
- ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Vakuumpumpen-Rotors mit mehreren Wellenzapfen
und Rotor-Axialbohrungen,
- Figur 9
- einen Querschnitt VIII-VIII des Vakuumpumpen-Rotors der Fig. 8,
- Figur 10
- ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Vakuumpumpen-Rotors mit Endstücken mit einem
einzigen Fixierzahn,
- Figur 11a
- einen Querschnitt XI-XI des Vakuumpumpen-Rotors der Figur 10, und
- Figur 11b
- einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform eines Fixierzahnes.
[0018] In der Figur 1a ist ein Vakuumpumpen-Rotor 10 dargestellt, der als Wälzkolben-Rotor
ausgebildet ist und in einer Wälzkolben-Vakuumpumpe einen von zwei ineinander greifenden
Rotoren bildet.
[0019] Der Vakuumpumpen-Rotor 10 besteht aus drei Teilen, nämlich einem einstückigen Verdränger
12 aus Aluminium und zwei Endstücken 14,16 aus Stahl. Die beiden Endstücke 14,16 weisen
jeweils einen axialen Wellenzapfen 18,20, eine in einer Querebene stehende Stirnscheibe
22,24 sowie jeweils zwei axial-radiale Fixierzähne 26,28 auf. Die Fixierzähne 26,
die Stirnscheibe 22 sowie der Wellenzapfen 18 eines Endstückes 14,16 sind einstückig
und bevorzugt in einem Guss- oder Schmiedeverfahren auf Eisen-Basis hergestellt und
günstigerweise ohne besondere zerspanende Bearbeitung verwendbar.
[0020] Die beiden Fixierzähne 26,28 stehen in ungefähr 45° zur Axialen und dringen in diesem
Winkel in den Verdränger 12 hinein. In Bezug auf die Axiale sind die Fixierzähne 26,28
also hinterschnitten.
[0021] Während die Fixierzähne 26,28 und die Stirnscheiben 22,24 der beiden Endstücke 14,16
identisch miteinander ausgebildet sind, sind die beiden Wellenzapfen 18,20 der beiden
Endstücke 14,16 verschieden voneinander ausgebildet, Der längere Wellenzapfen 18 dient
dem Antrieb des Rotors 10, und nimmt daher neben einem Wälzlager ein Zahnrad auf.
[0022] Die Stirnscheiben 22,24 sind langgestreckt und nehmen ungefähr 50% der Fläche der
betreffenden Stirnseite des Verdrängers 12 ein, wie insbesondere in Figur 3 erkennbar
ist.
[0023] Der Vakuumpumpen-Rotor 10 wird hergestellt durch Einlegen der gegossenen Grauguss-Endstücke
14,16 in eine Rotor-Gussform, Einfüllen des Verdränger-Gussmaterials Aluminium in
die Rotor-Gussform und die Entnahme des Rotors 10 aus der Gussform. Schließlich wird
aus dem Rohling des Rotors 10' der fertige Rotor 10 spanabhebend erstellt.
[0024] Durch die Mehrteiligkeit des Vakuumpumpen-Rotors 10 kann für die die Wellenzapfen
18,20 aufweisenden Endstücke 14,16 ein sehr fester Werkstoff gewählt werden, beispielsweise
Stahl. Für den Verdränger 12 dagegen kann ein leichter und leicht zerspanbarer Werkstoff
gewählt werden, beispielsweise Aluminium. Je nach konkreter Werkstoffwahl kann die
Außenfläche des gesamten Rotors 10 durch Eloxieren oder Hartanodisieren noch mit einem
verbesserten Korrosionsschutz versehen werden.
[0025] Um für den gesamten Rotor eine hohe Korrosionsbeständigkeit zu erzielen und/oder
um geringere Unterschiede zwischen den Wärmedehnungen von Aluminium und Stahl zu erhalten,
können die Endstücke aus Edelstahl hergestellt werden.
[0026] Zur Vorbeugung von Korrosionsproblemen kann der Verdränger 12 die Stirnscheibe radial
über den gesamten Umfang umfassen, wie in Figur 1b gezeigt. Hierbei umschließt das
Verdrängermaterial 12' die Endstücke 14,16 bis zum Nabenbereich, so dass beim Pumpen
von korrosiv wirkenden Gasen ein Kontakt zu den Stahl-Wellenzapfen 18,20 verhindert
wird.
[0027] Bei dem in Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Vakuumpumpen-Rotors
50, der ebenfalls in einem Gussverfahren hergestellt bzw. zusammengefügt wird, sind
die Endstücke 52 sowohl in Bezug auf die Stirnscheibe 54 als auch auf die Fixierzähne
56 anders ausgebildet, als bei dem Rotor 10 der Figuren 1-3. Die Stirnscheibe 54 des
Rotors 50 überragt als Rohling den Rohling des Verdrängers vollständig, so dass die
Stirnscheibe 54 den Verdränger 60 axial vollständig abdeckt. Auch nach der spanabhebenden
Bearbeitung des Rohlings des Rotors 50' zu einem fertiggestellten Rotor 50 deckt die
Stirnscheibe 54 den Verdränger 60 vollständig ab, da sie exakt die gleiche Außenkontur
aufweist, wie der Verdränger 60. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung gegenüber der
des ersten Ausführungsbeispieles ist, dass der Spalt zwischen einem Vakuumpumpen-Gehäuse
und der gehäuseseitigen Stirnfläche des Rotors ausschließlich von der Stirnscheibe
54 begrenzt wird und dadurch sehr gleichmäßig ausfällt. Hierdurch wiederum sind kleine
Spaltmaße möglich und werden insbesondere die Rückströmverluste gering gehalten.
[0028] Die Fixierzähne 56 sind jeweils vollständig hinterschnitten, d.h. ragen pilzförmig
in den Verdränger 60 hinein.
[0029] Bei hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen können gegossene Rotoren
an ihre Festigkeitsgrenzen gelangen, so dass derartige Rotoren im Schmiedeverfahren
hergestellt werden müssen.
[0030] In den Figuren 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Vakuumpumpen-Rotors
70 dargestellt, der im Schmiedeverfahren hergestellt bzw. zusammengebaut wurde. Die
Fixierzähne 74 sind nahezu zylindrisch und nur geringfügig hinterschnitten.
[0031] Der Rotor 70 wird hergestellt, indem die Endstücke 72 zunächst in ein Rotor-Schmiedegesenk
eingelegt werden, anschließend Aluminium in dem Gesenk heiß ausgeschmiedet wird und
schließlich der Rotor 70' aus dem Schmiedegesenk entnommen wird. Schließlich wird
die endgültige Kontur des Rotors 70 durch ein spanabhebendes Verfahren erzeugt, so
dass sich die endgültige in unterbrochenen Linien dargestellte Form des Rotors 70
ergibt.
[0032] Wie in den Figuren 8 und 9 dargestellt, kann bei größeren Rotoren 80 zur Gewichtsreduzierung
beim Verdränger 90' der achsparallele Bereich, in den die Fixierzähne 94 eingreifen,
teilweise oder durchgehend gelocht sein, im vorliegenden Beispiel durch zwei Axialbohrungen
96. Anstatt zerspanenden Bohrens von Vollmaterial kann bevorzugt ein Pressstrangprofil
oder ein Rohr für den Verdränger 90 verwendet und durch Schmieden mit den Endstücken
72 verbunden werden.
[0033] Bei Rotoren, die keine achsversetzten Konturen besitzen, muss ein entsprechend geformter
Fixierzahn im Bereich der Rotationsachse vorgesehen werden. Figur 10 zeigt einen beidseitig
gelagerten Schraubenrotor 100 mit einem Verdränger 110', in dessen Endflächen die
Endstücke 112, 114 mit jeweils einem Fixierzahn 116, 118 eingeformt sind.
[0034] In den Figuren 11a und 11b sind zwei Möglichkeiten der Gestaltung dieser einzelnen
Fixierzähne 116,118;116',118' dargestellt, wobei diese mit den Wellenzapfen 120,122;120',122'
integral als Endstücke 112,114;112',114' gegossen oder geschmiedet sein können.
[0035] In allen dargestellten Ausführungsbeispielen bestehen die Endstücke jeweils aus einer
gegossenen oder geschmiedeten Eisen-Legierung und die Verdränger aus Aluminium. Grundsätzlich
sind jedoch auch andere Werkstoffkombinationen möglich, wobei das Verdränger-Material
stets verschieden ist von dem Endstück-Material.
1. Vakuumpumpen-Rotor (10) mit einem einstückigen Verdränger (12) und zwei den Verdränger
(12) haltenden Wellenzapfen (18,20) an den beiden axialen Längsenden des Verdrängers
(12), wobei
die beiden Wellenzapfen (18,20) Teil eines jeweils separaten Endstückes (14,16) aus
Stahl sind,
der Verdränger (12) aus einem von dem Endstück-Stahl verschiedenen Material besteht,
und
die Endstücke (14,16) formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Verdränger verbunden
sind.
2. Vakuumpumpen-Rotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (14,16) verdrängerseitig mindestens einen Fixierzahn (26,28) aufweist.
3. Vakuumpumpen-Rotor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Fixierzähne (26,28) des Endstückes (14, 16) bezogen auf die Rotor-Axiale hinterschnitten
ausgebildet sind.
4. Vakuumpumpen-Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (14,16) jeweils eine Stirnscheibe (22,24) aufweisen, die an der jeweiligen
Stirnseite des Verdrängers (12) axial anliegt.
5. Vakuumpumpen-Rotor (50) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnscheibe (54) den Verdränger (60) axial vollständig abdeckt.
6. Vakuumpumpen-Rotor (10,50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (14,16,52) in einem Guss- oder Schmiedeverfahren formvollendet, ohne
besondere zerspanende Bearbeitung, hergestellt sind.
7. Vakuumpumpen-Rotor (60,80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (70,90) teilweise oder durchgehend gelocht ist.
8. Vakuumpumpen-Rotor (80) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (90) aus einem Strangpressprofil oder aus einem Rohr hergestellt ist.
9. Vakuumpumpen-Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger ein Schrauben-Verdränger ist.
10. Vakuumpumpen-Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (12) ein Wälzkolben-Verdränger ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Rotors (10) nach einem der Ansprüche
1 bis 10 durch Gießen, mit den Verfahrensschritten
Einlegen der Endstücke (14,16) in eine Rotor-Gussform,
Einfüllen des Verdränger-Gussmaterials in die Rotor-Gussform, und
Entnahme des Rotors (10') aus der Gussform.
12. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Rotors (70) nach einem der Ansprüche
1 bis 10 durch Schmieden, mit den Verfahrensschritten
Einlegen der beiden Endstücke (72) in ein Rotor-Schmiedegesenk,
Einschmieden des glühenden Verdränger-Schmiedematerials in das Rotor-Schmiedegesenk,
und
Entnahme des Rotors (70') aus dem Schmiedegesenk.
13. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumpumpen-Rotors nach einem der Ansprüche 11 oder
12, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: Spanabhebende Bearbeitung der Kontur des Rohlings des Rotors
(10';50';70',90',110').