DE19750953A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Flügelrades einer Pumpe - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Flügelrades einer Pumpe

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DE19750953A1 DE1997150953 DE19750953A DE19750953A1 DE 19750953 A1 DE19750953 A1 DE 19750953A1 DE 1997150953 DE1997150953 DE 1997150953 DE 19750953 A DE19750953 A DE 19750953A DE 19750953 A1 DE19750953 A1 DE 19750953A1
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Description

Hintergrund der Erfindung 1. Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zum Herstellen des Flügelrades einer Pumpe, und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Flügelrades, bei dem ein Körper des Flügelrades und eine Abdeckhaube durch Torsions­ vibration miteinander verbunden werden.
2. Stand der Technik
Eine Pumpe 1 in einem System zum Ausstoßen oder Umwälzen eines Fluids weist gemäß Fig. 1 ein Motorgehäuse 3 zum Aufnehmen eines Motoraufbaus sowie ein Pumpengehäuse 2 zum Aufnehmen von Wasser auf. Der im Motorgehäuse 3 installierte Motoraufbau umfaßt einen Stator 8, einen Rotor 7 und eine Welle 9, die durch Kraftanwendung in den Rotor 7 eingefügt ist. Die Welle 9 wird von einem ersten Lager 5 und einem zweiten Lager 6 getragen. Am Endabschnitt der Welle 9 ist ein Flügelrad 10 montiert. Das Flügelrad 10 ist im Pumpengehäuse 2 angeordnet.
Wenn der Motoraufbau mit elektrischer Energie versorgt wird, wird der Rotor 7 durch die zwischen dem Rotor 7 und dem Stator 8 erzeugte magnetische Kraft in Drehung versetzt, und dann wird die Welle 9 und das Flügelrad 10, das auf der Welle 9 montiert ist, durch den Rotor 7 in Drehung versetzt. Wenn das Flügelrad 10 rotiert, wird das im Pumpenge­ häuse 2 enthaltene Wasser ausgepumpt. Ein Teil des Wassers strömt durch das erste Lager 5 in den Motoraufbau, wodurch der Rotor 7 und der Stator 8 gekühlt werden.
Fig. 2 ist eine vergrößerte, zerlegte Seitenschnittansicht eines im inneren der Pumpe gemäß Fig. 1 installierten Flügelrades. Das Flügelrad 10 wird durch den Motoraufbau in Drehung versetzt, um das in das Gehäuse eingeströmte Wasser abzupumpen bzw. auszustoßen. Das Flügelrad 10 umfaßt einen Körper 11 und eine Abdeckung 13. Der Körper ist mit einer Anzahl von Schaufeln 12 (oder Flügeln) und einem Nabenstück 11a ausgebildet, das mit der Welle 9 des Motoraufbaus verbunden ist. Die Abdeckung 13 wird mit den Schaufeln 12 des Körpers 11 in Verbindung gebracht. Wenn das Flügelrad 10 rotiert, fließt das im Pumpengehäuse 2 befindliche Wasser durch die Öffnung der Abdeckung 13 hinein, wie durch die Richtung der Pfeile dargestellt ist, und anschließend wird das Wasser durch den Seiten­ abschnitt der Schaufeln 12 ausgestoßen.
Ein solches Flügelrad wird unter Verwendung von technischem Kunststoff oder Noryl hergestellt, und die Abdeckung 13 sowie der Körper 11 werden durch Ultraschweißen oder durch Abriebschmelzen mittels Rotation mitein­ ander verbunden.
Wenngleich das Ultraschweißen ein geeignetes Verfahren zum Verbinden der kreisförmigen Elemente, wie etwa des Flügelrades 10, ist, ist jedoch das Material, das durch Ultraschweißen verbunden werden kann, auf einige wenige Materialien beschränkt, so daß ein Nachteil darin besteht, daß die Wahl des Materials zur Verbesserung des Leistungsvermögens des Flügelra­ des 10 beschränkt ist.
Da weiter die Kante der Schaufel schmal ist, besteht gemäß dem schleifen­ den bzw. abreibenden Schmelzen durch Rotation insofern ein Problem, als am Verbindungsabschnitt der Schaufel eine nicht unerhebliche Gratbildung erzeugt wird. Daher kommt es, daß das drehende abreibende Schmelzen ein geeignetes Verfahren nur für Elemente ist, deren zu verbindende Oberflächen eben sind, während es kein geeignetes Verfahren für das Flügelrad 10 ist, das durch Verbinden der ebenen Oberfläche der Abdeckung 13 mit dem Randabschnitt der Schaufel 12 hergestellt werden soll. Falls ein Grat erzeugt wird, ist eine zusätzliche Bearbeitung zur Beseitigung des Grats erforderlich, so daß der Hersteilungsprozeß des Flügelrades 10 komplex wird. Falls darüber hinaus der Grat nicht ausreichend entfernt wird, behindert er die Strömung des durch den Motoraufbau umgewälzten Wassers, wodurch der Wirkungsgrad der Kühlung des Motoraufbaus verringert wird und Überhitzung des Motoraufbaus eintritt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, die oben genannten Probleme des Standes der Technik zu überwinden. Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Herstellen des Flügelrades zu schaffen, bei der während des Verbindens des Körpers mit der Abdeckung nur wenig Grat erzeugt wird und die an Flügelradelemente unterschiedlicher Materialien angepaßt werden kann.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Flügelrades, bestehend aus einem Körper mit einer Anzahl von Schaufeln und einer mit dem Körper verbundenen Abdeckung, wobei das Flügelrad zum Austreiben von Wasser dient, das in ein Gehäuse einer Pumpe eingeströmt ist, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Gesenk zum Einspannen des Körpers; ein Horn zum Haltern der Ab­ deckung, damit sie mit den Schaufeln in Berührung steht während der Körper durch das Gesenk eingespannt ist, wobei das Horn zur Verstärkung einer darauf übertragenen Vibration dient; einen Drehmomentmotor zum Aufbringen von Vibrationen vorbestimmter Frequenz auf das Horn; und einen pneumatischen Zylinder zum Druckgeben auf den Drehmomentmotor, so daß die Abdeckung und der Körper in einander kontaktierende Richtung geschoben werden.
Im vorliegenden Falle weist der Drehmomentmotor eine Welle und einen Torsionsstab auf, bei dem ein Ende mit der Welle verbunden ist und das andere Ende desselben an einer vorbestimmten Stelle befestigt wird. Der Drehmomentmotor wird durch einen halbwellig gleichgerichteten Wechsel­ strom angetrieben, und die Frequenz des Wechselstroms liegt zwischen 10 Hz und 1 kHz. Der Drehmomentmotor erzeugt eine tordierende Vibration durch Drehen der Welle aufgrund des Anlegens des Stromes von außen, sowie ein Rückdrehen der Welle aufgrund der Torsion des Torsionsstabes.
Weiter ist es vorteilhaft, eine Einrichtung zum Steuern der Torsionskon­ stanten des Torsionsstabes durch Steuern einer Länge des Torsionsstabes vorzusehen. Im vorliegenden Falle umfaßt die Steuereinrichtung: eine am Torsionsstab montierte Fixierungsplatte, derart, daß sie relativ zum Torsions­ stab in longitudinaler Richtung des Torsionsstabs bewegbar ist und am Torsionsstab entlang einer verwindenden Richtung des Torsionsstabes zu befestigten ist; und eine Einrichtung zum Bewegen der Fixierplatte entlang der longitudinalen Richtung des Torsionsstabes. Die Verwindung bzw. Torsion des Torsionsstabes wird durch Steuern der Torsionskonstanten kontrolliert. Somit kann die am besten geeignete Torsion des Torsionsstabes gemäß einer natürlichen Frequenz des herzustellenden Flügelrades gewählt werden.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung des Flügelrades durch eine Flügelrad-Herstellungsvorrichtung der ge­ nannten Art geschaffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung und ihre verschiedenen Ziele und Vorteile werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser erkannt. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Seitenschnittansicht einer herkömmlichen Pumpe;
Fig. 2 eine vergrößerte, zerlegte Seitenschnittansicht eines in der Pumpe der Fig. 1 installierten Flügelrades;
Fig. 3 eine Vorderansicht einer Vorrichtung zum Herstellen des Flügelra­ des gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Seitenansicht der Fig. 3;
Fig. 5 eine als Beispiel gedachte Ansicht eines halbwellig gleichgerichteten Wechselstromes zum Treiben des Drehmomentmotors gemäß Fig. 4; und
Fig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht eines Torsionsstabes.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im einzelnen und unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Teile, die den im Stand der Technik genannten Teile entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie denen in den Fig. 1 und 2 gekennzeichnet.
Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer Vorrichtung zum Herstellen des Flügelra­ des gemäß der vorliegenden Erfindung, während Fig. 4 eine Seitenansicht der Fig. 3 ist. Die Vorrichtung zum Herstellen des Flügelrades umfaßt ein Gesenk 30, ein Horn 40, einen Drehmomentmotor 20 und einen pneumati­ schen Zylinder 50.
Das Gesenk 30 spannt das Nabenstück 11a des Flügelrades 10 ein, um den Körper 11 des Flügelrades 10 zu befestigen, und das Horn 40 trägt die Abdeckung 13 an der oberen Seite des Körpers 11. Das Horn 40 verstärkt die vom Drehmomentmotor 20 übertragene Vibration.
Der Drehmomentmotor 20 überträgt die Vibration mit einer vorbestimmten Frequenz auf das Horn 40. Der Drehmomentmotor 20 wird als Ersatz für einen Hochfrequenzoszillator verwendet, der als Vibrationserzeugungsein­ richtung im Rahmen des Ultraschall-Schweißverfahrens benutzt wird, und er erzeugt Vibrationen mit einem starken Rotationsdrehmoment. Der Drehmo­ mentmotor 20 umfaßt: Permanentmagnete 22 und eine Armatur 24, die in einem Gehäuse 21 des Motors untergebracht sind und die die verwindende Torsion durch die zwischen ihnen wirkende magnetische Kraft erzeugen; eine Welle 23, die durch die Armatur 24 in Drehung versetzt wird; einen Torsionsstab 25, bei dem ein Ende mit der Welle 23 verbunden ist, wäh­ rend das andere Ende an einer vorbestimmten Stelle derselben befestigt wird. Das Horn 40 ist an der Welle 23 befestigt.
An der oberen Seite des Torsionsstabes 25 ist eine Vorrichtung 60 zum Steuern einer Länge des Torsionsstabes 25 montiert. Die Steuervorrichtung 60 umfaßt eine Platte 63 zum Fixieren des vorerwähnten anderen Endes des Torsionsstabes 25, sowie einen Steuerzylinder 61 zum Bewegen der Fixier­ platte 63 entlang der longitudinalen Richtung des Torsionsstabes 25. Der Torsionsstab 25 ist an seiner äußeren Peripherie mit einem Keilprofil ver­ sehen, wie in Fig. 6 dargestellt ist, und die Fixierplatte 63 ist mit einem Durchgangsloch versehen, das mit dem Keilprofil formschlüssig ist. Daher ist der Torsionsstab 25 in Rotationsrichtung des Torsionsstabes 25 mit der Fixierplatte 63 fest verbunden, aber relativ zur Fixierplatte 63 in longitudi­ naler Richtung desselben bewegbar. Die Länge des Torsionsstabes 25 wird durch die vertikale Bewegung der Fixierplatte 63 verändert. Wenn die Länge des Torsionsstabes verändert wird, wird auch die Torsionskonstante verändert, welche die Torsion des Torsionsstabes 25 bestimmt, und somit wird die Torsion des Torsionsstabes 25 geändert. Die passende Torsion gemäß der Eigenfrequenz des Flügelrades 11 kann so gewählt werden, daß der Wirkungsgrad der Herstellung des Flügelrades 10 verbessert werden kann.
Wenn Wechselstrom an den Anker bzw. die Armatur 24 angelegt wird, alterniert die Richtung der zwischen der Armatur 24 und den Permanentma­ gneten 22 wirkenden magnetischen Kraft gemäß der Frequenz des Wechsel­ stromes, so daß die Drehrichtung der Armatur 24 entsprechend wechselt. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein halbwellig gleichgerichteter Strom angelegt, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Durch den halbwellig gleich­ gerichteten Strom wird die Welle 23 um einen sehr kleinen Winkel gedreht, wenn der halbwellig gleichgerichtete Strom eingeschaltet ist; und der Tor­ sionsstab 25 wird entsprechend dem Drehwinkel der Welle 23 tordiert. Während der Zeit, in der der angelegte halbwellig gleichgerichtete Strom nicht eingeschaltet ist, kehrt der Torsionsstab 25, der tordiert worden ist, in seinen ursprünglichen Zustand zurück, da zwischen den Permanentmagneten 22 und der Armatur 24 keine magnetische Kraft erzeugt wird. Dement­ sprechend kehrt die Welle 23, die mit einem sehr kleinen Winkel gedreht worden ist, wieder in ihre ursprüngliche Stellung zurück. Da der Strom wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, vibriert daher die Welle 23 in Drehrichtung mit der gleichen Frequenz wie der Frequenz des angelegten Wechselstromes.
Der der Armatur 24 zugeführte halbwellig gleichgerichtete Strom kann leicht durch eine Gleichrichterschaltung mit einer Diode etc., oder einem Schalter­ kreis mit einem Festkörperrelais gewonnen werden. Die Frequenz des Wechselstromes wird unter Berücksichtigung der Charakteristika des Materials des Flügelrades 10 bestimmt, und sie wird vorzugsweise im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 1 kHz festgelegt.
Der pneumatische Zylinder 50 bewegt den Drehmomentmotor 20 in ver­ tikaler Richtung. Wenn der Drehmomentmotor 20 durch den pneumatischen Zylinder 50 bewegt wird, wird die vertikale Bewegung des Drehmomentmo­ tors 20 durch eine Anzahl von Führungsschienen 53 geführt.
Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen des Flügelrades 10 durch die Vorrichtung zum Herstellen des Flügelrades 10 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Als erstes werden der Körper 11, der mit den Schaufeln 12 und dem Nabenstück 11a ausgebildet ist, und die Abdeckung 13 jeweils entsprechend geformt. Als nächstes wird der Körper 11 durch das Gesenk 30 festge­ spannt, und die Abdeckung 13 wird durch das Horn 14 gehaltert. Der pneumatische Zylinder 50 bewegt den Drehmomentmotor 20 nach unten, derart, daß die Abdeckung 30 und der Körper 11 aufeinanderzugedrückt werden. Die Schubkraft wird unter Berücksichtigung der Vibrationsfrequenz und der Charakteristika des Materials des Flügelrades etc. bestimmt. Die Verwindung des Torsionsstabes 25 wird durch die Steuervorrichtung 60 so eingestellt, daß sie die gemäß der Eigenfrequenz des Flügelrades 11 am besten passende ist. Wenn der halbwellig gleichgerichtete Wechselstrom an den Drehmomentmotor 20 geliefert wird, wird die Torsionsvibration, die entlang der Drehrichtung der Welle 23 vibriert, erzeugt. Die Schaufeln 12 und die Abdeckung 13 werden durch das schleifende bzw. abreibende Schmelzen aufgrund der Torsionsvibration miteinander verbunden.
Beim Ultraschallschweißen wird die Ultraschallvibration mit einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz benutzt; und beim Schmelzen durch drehendes Schleifen liegt die Drehzahl zwischen 1.700 U/min und 12.000 U/min; wohingegen bei der vorliegenden Erfindung die Torsionsvibration mit einer Frequenz zwischen 10 Hz und 1 kHz angewandt wird. Das Flügelrad 10 wird allgemein aus einem kristallinen Harz hergestellt, das eine überlegene Wärmefestigkeit und Steifigkeit besitzt. Zwar ist das kristalline Harz nicht in der Lage, durch das Ultraschallschweißen einen strengen bzw. starken Haftzustand beizubehalten, doch kann es durch abreibendes Schmelzen mittels Torsionsvibration gemäß der vorliegenden Erfindung fest verbunden werden. Weiter kommt es gegenüber dem drehenden abreibenden Schmelzen nur zu einer geringeren Gratbildung, so daß keine zusätzliche Bearbeitung zum Beseitigen der Grate erforderlich ist.
Wie oben beschrieben werden gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen des Flügelrades geschaffen, bei denen der Körper und die Abdeckung fest miteinander verbunden wer­ den, unabhängig vom Material, und bei dem es nur zu einer geringen Gratbildung kommt.
Wenngleich die Erfindung im Detail beschrieben und dargestellt worden ist, geschieht dies nur der Anschaulichkeit halber und als Beispiel, und darf nicht als Begrenzung verstanden werden, so daß Konzept und Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die Formulierung der beigefügten An­ sprüche definiert werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Herstellen eines Flügelrades, bestehend aus einem Körper mit einer Anzahl von Schaufeln und einer mit dem Körper ver­ bundenen Abdeckung, wobei das Flügelrad zum Austreiben von Wasser dient, das in ein Gehäuse einer Pumpe eingeströmt ist, wobei die Vorrichtung aufweist:
ein Gesenk zum Einspannen des Körpers;
ein Horn zum Haltern der Abdeckung, damit sie mit den Schaufeln in Berührung steht, während der Körper durch das Gesenk eingespannt ist, wobei das Horn zur Verstärkung einer darauf übertragenen Vibration dient;
einen Drehmomentmotor zum Aufbringen von Vibrationen vorbestimmter Frequenz auf das Horn; und
einen pneumatischen Zylinder zum Druckgeben auf den Drehmomentmo­ tor, so daß die Abdeckung und der Körper in eine miteinander kon­ taktierende Richtung geschoben werden.
2. Vorrichtung zum Herstellen eines Flügelrades nach Anspruch 1, bei der der Drehmomentmotor eine Welle und einen Torsionsstab umfaßt, von dem ein Ende mit der Welle verbunden ist und dessen anderes Ende an einer vorbestimmten Position fixiert wird, wodurch eine Torsionsvibra­ tion durch die Drehung der Welle aufgrund eines von außen kommen­ den Stromes erzeugt wird und die Rückkehr der Welle aufgrund der Torsion des Torsionsstabes erzeugt wird.
3. Vorrichtung zum Herstellen eines Flügelrades nach Anspruch 2, bei der der Drehmomentmotor durch einen halbwellig gleichgerichteten Wechsel­ strom angetrieben wird.
4. Vorrichtung zum Herstellen eines Flügelrades nach Anspruch 3, bei der die Frequenz des Wechselstromes zwischen 10 Hz und 1 kHz liegt.
5. Vorrichtung zum Herstellen eines Flügelrades nach Anspruch 2, die weiter eine Einrichtung zum Steuern der Torsionskonstanten des Tor­ sionsstabs durch Steuern einer Lange des Torsionsstabes umfaßt.
6. Vorrichtung zum Herstellen eines Flügelrades nach Anspruch 5, bei der die Steuereinrichtung aufweist:
eine Fixierplatte, die am Torsionsstab so montiert ist, daß sie relativ zum Torsionsstab in einer longitudinalen Richtung des Torsionsstabes beweglich ist und mit dem Torsionsstab entlang einer Torsionsrichtung des Torsionsstabes befestigbar ist; und
eine Einrichtung zum Bewegen der Fixierplatte entlang der longitudina­ len Richtung des Torsionsstabes.
7. Verfahren zum Herstellen eines Flügelrades, bestehend aus einem Körper mit einer Anzahl von Schaufeln und einer mit dem Körper verbundenen Abdeckung, wobei das Flügelrad zum Abpumpen von Wasser dient, das in ein Gehäuse einer Pumpe eingeströmt ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Formen jeweils des Körpers und der Abdeckung; und
Verbinden der Abdeckung und der Schaufeln miteinander durch Vibrie­ ren der Abdeckung und der Schaufeln relativ zueinander, bei gleichzeiti­ gem Schieben der Abdeckung und der Schaufeln derart, daß sie mitein­ ander in Kontakt gelangen.
8. Verfahren zum Herstellen eines Flügelrades nach Anspruch 7, bei dem die relative Vibration eine drehende Vibration um die Drehachse des Flügelrades ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Flügelrades nach Anspruch 8, bei dem die Frequenz der relativen Vibration zwischen 10 Hz und 1 kHz liegt.
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