DE102015106638A1

DE102015106638A1 - Befestigungsvorrichtung sowie Verfahren zur Befestigung eines Laufrades eines Verdichters auf einer Antriebswelle

Info

Publication number: DE102015106638A1
Application number: DE102015106638.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Rothgang; Sven Nigrin; Andreas Burger; Hendrik Ferner
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-01-07
Also published as: WO2016000933A1; EP3164604A1

Abstract

Es sind Befestigungsvorrichtungen für Laufräder (30) von Verdichtern auf Antriebswellen (10) bekannt, die eine Antriebswelle (10) mit einem ein Außengewinde (34) aufweisenden axialen Abschnitt (32) sowie ein Laufrad (30), welches mittels einer auf das Außengewinde (34) der Antriebswelle (10) geschraubten Befestigungsmutter (36) axial gegen einen an der Antriebswelle (10) ausgebildeten Anschlag (20) vorgespannt ist, aufweisen. Um eine Torsion der Welle weitestgehend zu vermeiden, wird vorgeschlagen an einem axialen Ende (37), von dem aus das Laufrad (30) auf die Antriebswelle (10) aufschiebbar ist, eine Kontur (38) ausgebildet ist. In diese kann beim Festziehen der Befestigungsmutter (36) ein korrespondierender Schlüssel gesteckt werden, über den die Momente direkt aufgenommen werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung für ein Laufrad eines Verdichters auf einer Antriebswelle mit einer Antriebswelle mit einem ein Außengewinde aufweisenden axialen Abschnitt und einem Laufrad, welches mittels einer auf das Außengewinde der Antriebswelle geschraubten Befestigungsmutter axial gegen einen an der Antriebswelle ausgebildeten Anschlag vorgespannt ist, sowie ein Verfahren zur Befestigung eines Laufrades eines Verdichters auf einer Antriebswelle mittels einer derartigen Vorrichtung.
Es sind verschiedene Arten der Befestigung eines Laufrades eines Verdichters auf einer Antriebswelle, insbesondere auf einer Antriebswelle eines Elektromotors bekannt. Zumeist erfolgt die Befestigung durch Herstellung eines radialen Pressverbandes, wobei eine Presspassung zwischen dem Laufrad und der Antriebswelle durch thermische Behandlung der beiden Bauteile erzeugt wird, indem das Laufrad auf der Antriebswelle aufgeschrumpft wird.
In anderen Anwendungen ist eine derartige Form der Befestigung nicht erwünscht, da sich durch im Betrieb auftretende Temperaturschwankungen der Schrumpfverband wieder lösen kann oder die thermische Belastung beim Aufschrumpfen des Laufrades auf die Antriebswelle zu unerwünschten Gefügeänderungen der Bauteile führen kann. In diesen Fällen werden die Laufräder häufig durch einen Axialspannverbund auf der Welle befestigt. Dies bedeutet, dass mittels einer Befestigungsmutter das Laufrad axial gegen einen Anschlag der Antriebswelle verspannt wird. Der Absatz kann dabei sowohl direkt hinter dem Laufrad ausgebildet sein oder es können zwischen dem Laufrad und dem Absatz andere Bauteile, wie beispielsweise Lager auf der Welle angeordnet sein, die beim Festziehen der Befestigungsmutter mit gegen den Anschlag verpresst werden, so dass ein Axialspannverbund entsteht. Das in der Antriebswelle entstehende Drehmoment beim Festziehen der Mutter wird üblicherweise am gegenüberliegenden axialen Ende der Welle durch Festhalten der Welle aufgenommen.
Ein solcher Axialspannverbund ist beispielsweise aus der US 2014/0090626 A1 bekannt, bei dem das Laufrad mittels einer Mutter gegen eine Buchse gespannt wird, deren entgegengesetzte Seite gegen einen Absatz der Welle anliegt. Das folgende Lager ist auf einem größeren Wellendurchmesser angeordnet. Beim Festziehen der Mutter auf dem Gewinde der Antriebswelle muss ein Vorspannmoment aufgebracht werden, welches eine Torsion der Welle bewirkt, die insbesondere bei hoher Duktilität unerwünscht belastet wird. Des Weiteren ist es schwierig das notwendige Kontermoment aufzubringen.
Des Weiteren ist es bekannt, Verdichterlaufräder mittels eines Spreizankers auf einer Welle zu befestigen.
Eine derartige Befestigung ist beispielsweise aus der DE 36 25 996 C2 bekannt. Der Spreizanker wird über das Wellende geschoben und auf den Spreizanker anschließend zunächst das Laufrad aufgebracht und anschließend eine Befestigungsmutter unter Zwischenlage einer Scheibe gegen das Laufrad geschraubt. Dadurch wird ein Absatz der Antriebswelle gegen eine Distanzbuchse geschoben, die wiederum gegen eine Dichtungsbuchse geschoben wird, die an der gegenüberliegenden Seite gegen den Rücken des Laufrades anliegt. Der Spreizanker wird gleichzeitig in die Bohrung des Laufrades gezogen, wodurch dieses auf dem Spreizanker verspannt wird. Ein Verdrehen des Spreizankers beim Festziehen wird dadurch verhindert, dass am freien Ende des Spreizankers ein Vierkant ausgebildet ist, über den der Spreizanker in seiner Drehposition gehalten werden kann.
Nachteilig ist, dass zur Befestigung des Laufrades zusätzliche Bauteile verwendet werden müssen, wodurch die Kosten bei der Montage steigen.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Befestigungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Befestigung eines Laufrades auf einer Antriebswelle eines Verdichters zu schaffen, bei dem die Torsionsbelastung der Antriebswelle bei Erzeugung des Spannverbundes minimiert wird, so dass Schäden an der Antriebswelle, wie ein Verzug auch bei hoher Duktilität der Welle zuverlässig vermieden wird. Dabei soll die Montage möglichst ohne zusätzliche Bauteile am Verdichter erfolgen und möglichst einfach durchgeführt werden können, indem eine gute Erreichbarkeit aller Bauteile zur Erzeugung des Pressverbundes sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Befestigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Befestigung eines Laufrades auf eine Antriebswelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 8 gelöst.
Dadurch, dass am axialen Ende, von dem aus das Laufrad auf die Antriebswelle aufschiebbar ist, eine Kontur ausgebildet ist, kann die Antriebswelle von der freien Seite beim Festziehen der Befestigungsmutter festgehalten werden und so das notwendige Kontermoment an einer Position eingebracht werden, die unmittelbar benachbart zu der Position angeordnet ist, an der das Drehmoment beim Festziehen entsteht. Die Torsionsbelastung wird entsprechend auf einem sehr kleinen Abschnitt der Welle beschränkt. Zusätzlich wird die Montage aufgrund der guten Zugänglichkeit dieses freien Wellenendes deutlich vereinfacht. Weitere Bauteile werden ebenfalls nicht benötigt, so dass der Axialspannverbund kostengünstig hergestellt werden kann.
Vorzugsweise ist die Kontur als sich axial erstreckende Ausnehmung am axialen Ende der Antriebswelle ausgebildet und erstreckt sich in der Antriebswelle bis in den Abschnitt der Antriebswelle, an dem das Außengewinde ausgebildet ist, insbesondere erstreckt sich die Ausnehmung axial bis in einen Abschnitt der Antriebswelle, der radial im fertig montierten Zustand von der Befestigungsmutter umgeben ist. Dies führt dazu, dass das Kontermoment an gleicher Position aufgenommen werden kann, an dem das Anzugsmoment entsteht. Eine Verdrehung der Welle wird entsprechend eliminiert.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Ausnehmung als Vielkant, bevorzugt als Innensechskant ausgebildet. In eine derartig geformte Ausnehmung kann ein Standardwerkzeug eingeführt werden, welches über die Flächen des Vielkants die Momente zuverlässig aufnehmen kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Anschlag, gegen den das Laufrad verspannt ist, als Absatz der Antriebswelle ausgebildet. So wird ein unerwünschtes Lösen des Axialspannverbundes zuverlässig vermieden, da der Anschlag zur Antriebswelle fest ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind zwischen dem Absatz und der Befestigungsmutter das Laufrad, eine Gleitringdichtung und ein Lager auf der Antriebswelle angeordnet. Bei der Befestigung der Mutter kann entsprechend in einem Montageschritt auch die Gleitringdichtung vorgespannt und das als Festlager ausgeführte Lager in seiner Position fixiert werden. Entsprechend besteht eine Vereinfachung der Montage bei der Herstellung eines derartigen Axialspannverbundes.
Das Verfahren zur Befestigung des Laufrades erfolgt erfindungsgemäß, indem zunächst das Laufrad auf das freie Ende der Antriebswelle, an dem das Außengewinde ausgebildet ist, aufgeschoben wird, anschließend die Befestigungsmutter auf das Außengewinde der Antriebswelle aufgedreht wird, wobei noch kein Vorspannmoment aufgebracht wird, daraufhin ein korrespondierend zur am axialen Ende in die Antriebswelle eingebrachten Ausnehmung konturierter Schlüssel bis in den axialen Abschnitt, an dem das Außengewinde ausgebildet ist und der sich radial innerhalb der Befestigungsmutter befindet, eingesteckt wird und abschließend die Befestigungsmutter festgezogen wird, so dass das Laufrad auf der Antriebswelle axial gegen den Anschlag verspannt wird, wobei der Schlüssel gleichzeitig in seiner Drehposition festgehalten wird. Entsprechend wird über den einfach am freien Ende einzusteckenden Schlüssel das Vorspannmoment aufgenommen, ohne dass Torsionsmomente in der Welle entstehen.
Es wird somit eine Befestigungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Befestigung eines Laufrades auf einer Antriebswelle geschaffen, bei dem eine Torsion der Welle zuverlässig reduziert beziehungsweise vollständig verhindert wird, indem ein Kontermoment zu einem Vorspannmoment auf gleicher Höhe der Welle eingebracht werden. Die Montage wird im Vergleich zu bekannten Ausführungen vereinfacht, da das Vorspannmoment und das Kontermoment an einer gut zugänglichen Position eingebracht werden können und keine zusätzlichen Bauteile montiert werden müssen. Stattdessen wird mit nur einem Montageschritt ein kompletter Axialspannverbund mit Festsetzung des Lagers und der Dichtung geschaffen.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung für ein Laufrad eines Verdichters auf einer Antriebswelle ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden ebenso wie ein Verfahren zur Befestigung des Laufrades auf der Antriebswelle beschrieben.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung.
2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung aus 1 in geschnittener Darstellung.
Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung besteht aus einer Antriebswelle 10, welches beispielsweise die Antriebswelle 10 eines Elektromotors sein kann, der als Antriebsmotor eines elektrischen Verdichters dient.
Bei elektrischen Radialverdichtern wird die Antriebswelle 10 in an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 12 des Elektromotors angeordneten Lagern in einem Gehäuse 14 gelagert, wovon ein vorderes Festlager 16 in einer Lageraufnahme 18 angeordnet ist, wie in 2 zu erkennen ist. Dieses Festlager 16 liegt radial innen gegen einen als Anschlag dienenden Absatz 20 der Antriebswelle 10 an. Auf der zum Absatz 20 gegenüberliegenden Seite des Festlagers 16 liegt dieses gegen einen Innenring 22 einer Gleitringdichtung 24 an und in seinem radial äußeren Bereich gegen einen am Gehäuse 14 ausgebildeten Anschlag 26. An diesem Anschlag 26 liegt von der gegenüberliegenden Seite ein Außenring 28 der Gleitringdichtung 24 an, der zur Erzeugung einer Abdichtung mit dem fest auf der Antriebswelle 10 angeordneten Innenring 22 in bekannter Weise zusammenwirkt.
Das entgegengesetzte axiale Ende des Innenrings 22 der Gleitringdichtung 24 liegt wiederum gegen die Rückseite eines Laufrades 30 des Verdichters an, welches ebenfalls auf der Antriebswelle 10 angeordnet ist. An einem über eine Frontseite des Laufrades 30 hinausragenden axialen Abschnitt 32 der Antriebswelle 10 ist ein Außengewinde 34 in Form eines Feingewindes ausgebildet, auf welches eine Befestigungsmutter 36 aufgedreht ist. Diese kann entweder direkt gegen die Frontseite des Laufrades 30 anliegen oder unter Zwischenlage eins zusätzlichen Ringes. Die Befestigungsmutter weist ebenfalls ein Feingewinde auf, wobei die Steigungen der Gewinde so gewählt werden, dass sie in entgegengesetzter Richtung zur Laufrichtung des Verdichters steigen, wodurch ein Lösen des Laufrades 30 vermieden wird.
Erfindungsgemäß ist an einem axialen Ende 37 der Antriebswelle 10 zentral eine Kontur in Form einer Ausnehmung 38 ausgebildet, die als Innensechskant ausgebildet ist, welche sich axial vom axialen Ende bis in den axialen Abschnitt 32 der Antriebswelle 10 erstreckt, an dem das Außengewinde 34 ausgebildet ist, so dass die Befestigungsmutter 36 die Ausnehmung 38 radial umgibt.
Um nun das Laufrad 30 nach dem Aufschieben auf das axiale Ende 37 der Antriebswelle 10 zur Befestigung axial zu Verspannen, wird die Befestigungsmutter 36 auf dem Außengewinde 34 gegen das Laufrad 30 angezogen. Zuvor wird in den Innensechskant 38 ein Schlüssel eingeführt, dessen Ende als Außensechskant korrespondierender Größe ausgeführt ist. Beim Festziehen der Befestigungsmutter 36 wird dieser Schlüssel in seiner Drehposition festgehalten und nimmt das zum Erzeugen der notwendigen Vorspannung über die Befestigungsmutter 36 in die Antriebswelle 10 eingebrachte Drehmoment in der gleicher Höhe auf, so dass eine Torsion der Antriebswelle 10 beim Festziehen der Befestigungsmutter 36 zuverlässig vermieden wird. Entsprechend wird beim Festziehen der Befestigungsmutter 36 diese axial gegen das Laufrad 30 gedrückt und somit der Abstand zwischen dem Absatz 20 der Antriebswelle 10 und der Rückseite des Laufrades 30 axial verkürzt bis die Gleitringdichtung 24 mit ihrer ersten Seite fest gegen die Rückseite des Laufrades 30 anliegt und an der entgegengesetzten Seite gegen das Festlager 16 anliegt, dessen entgegengesetzte Seite gegen den Absatz 20 der Antriebswelle 10 anliegt. Entsprechend können diese Bauteile durch Aufbringen des Drehmomentes auf die Befestigungsmutter 36 solange gegeneinander verspannt werden bis eine ausreichend Vorspannkraft zur Befestigung des Laufrades 30 auf der Antriebswelle 10 erreicht wird.
Diese Befestigungsvorrichtung sowie das beschriebene Verfahren zum Befestigen des Laufrades auf der Antriebswelle dienen dazu das Laufrad verdrehsicher auf der Antriebswelle zu befestigen, ohne dass tordierende Kräfte auf die Antriebswelle, die eine hohe Duktilität aufweisen kann, wirken, da diese direkt am Ort ihrer Entstehung durch den Schlüssel aufgenommen werden. Bei der Montage ist sowohl der Ort der Einbringung des Drehmomentes als auch der Ort der Aufnahme dieser Kräfte gut zugänglich, wodurch die Montage des Laufrades deutlich vereinfacht wird. Zusätzliche Bauteile werden dabei ebenso wenig benötigt wie eine thermische Behandlung der Antriebswelle oder des Laufrades.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere kann die Ausnehmung als beliebiger Innenvielkant ausgeführt werden. Auch können innerhalb des Axialspannverbundes verschiedene andere Bauteile oder zusätzliche Bauteile eingespannt werden. Auch kann der Absatz der Antriebswelle direkt gegen die Rückseite des Laufrades verspannt werden oder zwischen dem Laufrad und er Befestigungsmutter zusätzliche Buchsen angeordnet werden. Des Weiteren ist es denkbar, andere Konturen in die Antriebswelle einzubringen. Weitere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0090626 A1 [0004]
DE 3625996 C2 [0006]

Claims

Befestigungsvorrichtung für ein Laufrad (30) eines Verdichters auf einer Antriebswelle (10) mit einer Antriebswelle (10) mit einem ein Außengewinde (34) aufweisenden axialen Abschnitt (32), einem Laufrad (30), welches mittels einer auf das Außengewinde (34) der Antriebswelle (10) geschraubten Befestigungsmutter (36) axial gegen einen an der Antriebswelle (10) ausgebildeten Anschlag (20) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem axialen Ende (37), von dem aus das Laufrad (30) auf die Antriebswelle (10) aufschiebbar ist, eine Kontur (38) ausgebildet ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur als sich axial erstreckende Ausnehmung (38) am axialen Ende (37) der Antriebswelle (10) ausgebildet ist und sich in der Antriebswelle (10) bis in den axialen Abschnitt (32) der Antriebswelle (10) erstreckt, an dem das Außengewinde (34) ausgebildet ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (38) sich axial bis in einen Abschnitt der Antriebswelle (10) erstreckt, der radial im fertig montierten Zustand von der Befestigungsmutter (36) umgeben ist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (38) als Vielkant ausgebildet ist. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (38) als Innensechskant ausgebildet ist.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag, gegen den das Laufrad (30) verspannt ist, als Absatz (20) der Antriebswelle (10) ausgebildet ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absatz (20) und der Befestigungsmutter (36) das Laufrad (30), eine Gleitringdichtung (24) und ein Festlager (16) auf der Antriebswelle (10) angeordnet sind.
Verfahren zur Befestigung eines Laufrades (30) eines Verdichters auf einer Antriebswelle (10) mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: – Axiales Aufschieben des Laufrades (30) auf die Antriebswelle (10), – Aufdrehen der Befestigungsmutter (36) auf das Außengewinde (34) der Antriebswelle (10), – Einstecken eines zur am axialen Ende (37) in die Antriebswelle (10) eingebrachten Ausnehmung (38) korrespondierend konturierten Schlüssels bis in den axialen Abschnitt (32), an dem das Außengewinde (34) ausgebildet ist und der sich radial innerhalb der Befestigungsmutter (36) befindet – Festziehen der Befestigungsmutter (36), so dass das Laufrad (30) auf der Antriebswelle (10) axial gegen den Anschlag (20) verspannt wird, wobei der Schlüssel gleichzeitig in seiner Drehposition festgehalten wird.