DE19941787A1

DE19941787A1 - Schraubenvakuumpumpe mit Schraubengängen mit sich verändernder Steigung

Info

Publication number: DE19941787A1
Application number: DE1999141787
Authority: DE
Inventors: Klaus Rofall; Ralf Steffens
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2019-09-03
Also published as: TW486545B; DE19941787B4; WO2001018399A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe (1) mit zwei Rotoren (2, 3), deren Schraubengänge (4, 5) während des Betriebs einander kämmen sowie aufeinander berührungsfrei abwälzen und zumindest abschnittsweise eine vom Einlass zum Auslass abnehmende Steigung haben; um den Fertigungsaufwand von Rotoren mit Schraubengängen dieser Art zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die Profilkontur (14) des Zahnfußes im Achsschnitt einen geraden Abschnitt (22) aufweist, dessen Achsfußwinkel = gleich oder größer 0 ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuum pumpe mit zwei Rotoren, deren Schraubengänge während des Betriebs einander kämmen sowie aufeinander berüh rungsfrei abwälzen und zumindest abschnittsweise eine vom Einlass zum Auslass abnehmende Steigung haben.

Beim Einsatz von Schraubenmaschinen als Vakuumpumpen ist es bekannt, jeden Rotor mit einer Mehrzahl von Schraubengang-Umschlingungen auszurüsten. Die Herstel lung dieser Rotoren ist aufwendig.

Die vom Einlass zum Auslass der Pumpe abnehmende Stei gung der Schraubengänge bewirkt eine Verdichtung des Fördermediums. Im Vergleich zu Schraubenvakuumpumpen ohne innere Verdichtung, also mit Schraubengängen kon stanter Steigung, ist der Leistungsbedarf einer Schrau be mit innerer Verdichtung geringer.

Aus der DE -A-197 36 017 ist eine Schraubenvakuumpumpe mit den eingangs erwähnten Merkmalen bekannt (Ausführungsform nach Fig. 6 der genannten Schrift). Einzelheiten über die Ausbildung des Profils der Schraubengänge sind nicht offenbart.

Aus der DE-U-297 20 541 ist eine Schraubenspindel- Gaspumpe bekannt, deren Schraubengänge eine konstante Steigung haben. Die Flanken des Profils der Schrauben gänge sind nach den Grundsätzen der Zykloidenverzahnung ausgebildet. Auch ein Flankenprofil mit Evolventenab schnitten ist bekannt. Nachteilig an diesen Ausführun gen ist, dass die Schraubengangprofile einen Hinter schnitt aufweisen. Die Fertigung von Schraubengängen mit konstanter Steigung und Hinterschnitt ist bereits relativ aufwendig; dieser Fertigungsaufwand nimmt in hohem Maße zu, wenn Schraubengänge mit Hinterschnitten auch noch eine sich verändernde Steigung haben sollen. Zum Stand der Technik gehört auch der Inhalt der DE-A-19530662.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schraubenvakuumpumpe mit sich verändernder Steigung der Schraubengänge den Fertigungsaufwand zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Bei den erfindungsgemäß gestalteten Schraubengangprofi len sind Hinterschnitte nicht mehr vorhanden. Ein be sonders hoher Fertigungsaufwand entfällt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 9 schematisch darge stellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Achs-Teilschnitt durch den Eingriffsbe reich der beiden Schraubengänge einer Schrau benvakuumpumpe,

Fig. 2 die Profilkontur eines Schraubenganges im Achsschnitt mit Definitionshinweisen,

Fig. 3 einen Stirnschnitt durch den Eingriffsbereich der beiden Schraubengänge einer Schraubenvaku umpumpe,

Fig. 4 die Profilkontur eines Schraubenganges im Stirnschnitt mit Definitionshinweisen,

Fig. 5 und 6 Beispiele für Profilkonturen nach der Erfindung im Achsschnitt (Fig. 5) und Stirn schnitt (Fig. 6),

Fig. 7 eine Profilkontur nach der Erfindung ohne und mit Flankenrücknahme,

Fig. 8 die Profilkontur eines Ausführungsbeispieles im Achsschnitt bei zweit verschiedenen Steigun gen des Schraubenganges und

Fig. 9 die Profilkontur eines Ausführungsbeispieles im Stirnschnitt bei drei verschiedenen Stei gungen des Schraubenganges.

Im schematisch dargestellten Achs-Teilschnitt nach Fig. 1 sind die beiden Rotoren der Schraubenvakuumpumpe 1 mit 2 und 3 und die einander kämmenden sowie berüh rungsfrei aufeinander abwälzenden Schraubengänge mit 4 und 5 bezeichnet. Die ineinander greifenden Schrauben gänge 4 und 5 haben bei einer bestimmten Höhe identi sche Profile, die sich - wie weiter unten erläutert - mit der Steigung ändern. Seitliche Flanken der Schrau bengänge 4 und 5 sind mit 6, 7 bzw. 8, 9 bezeichnet. Die Schraubengangköpfe bilden mit dem Gehäuse und mit dem jeweils anderen Rotor einen Kopfspalt 11 bzw. 12.

Fig. 2 zeigt nur eine Flanke 9 des Schraubengangs 5. Das Profil dieser Flanke 9 setzt sich aus zwei Pro filabschnitten zusammen, dem Zahnfußprofil 14 und dem Zahnkopfprofil 15. Das Zahnfußprofil 14 beginnt am Fuß kreis 17 und endet am Flankenprofilumkehrpunkt (in der Regel am Wälzkreis 18). Das Zahnkopfprofil beginnt am Ende des Zahnfußprofils 14 und endet am Kopfkreis 19.

Die Flanke 9 ist in Fig. 2 im Achsschnitt dargestellt. Die z-Achse ist identisch mit der Drehachse des Rotors 2. Höhenwerte z sind aufgetragen. Die r-Achse erstreckt sich radial; Radiuswerte r sind aufgetragen. Die Dar stellung nur einer Flanke 9 in einem Koordinatensystem dieser Art reicht aus, um das Profil der seitlichen Flanken beider Schraubengänge 4 und 5 in einer bestimm ten Höhe zu kennzeichnen. Das der Flanke 9 gegenüber liegende, in Fig. 2 nicht dargestellte Flankenprofil 8 entspricht bei konstanter Steigung dem Spiegelbild des Profils der Flanke 9. Im übrigen sind - wie bereits er wähnt - die Flankenprofile beider Schraubengänge 4, 5 identisch. Bei sich ändernder Steigung ändern sich die Profile in der weiter unten beschriebenen Weise.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 besteht das Zahnfußpro fil 14 aus einem kurvenförmigen, sich seitlich er streckenden Fußgrund 21 und einem geraden sich bis zum Wälzkreis 18 erstreckenden Abschnitt 22. Dieser Ab schnitt 22 erstreckt sich parallel zur x-Achse, d. h., dass der Achsfußwinkel α, der im z,r-Koordinatensystem als Winkel zwischen dem geraden Abschnitt 22 und einer Radialen definiert ist (siehe auch Fig. 5), gleich 0 ist. Das Zahnkopfprofil 15, das zusammen mit dem Zahn fußprofil 14 (des zweiten Schraubenganges) die Abwälz bedingungen erfüllen muss, erhält man zum Beispiel über das allgemeine Verzahnungsgesetz: "Die Normale im je weiligen Berührungspunkt zweier Zahnflanken muss stets durch den Wälzpunkt gehen". Für das Fußprofil 14 lassen sich Profilsteigungswinkel, Zentriwinkel sowie Berüh rungsnormalen und daraus die Koordinaten der zugehöri gen Konturpunkte des Kopfprofils ermitteln.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Ausführungform nach den Fig. 1 und 2 im Stirnschnitt. Das Flankenprofil des Rotors 3 ist in Fig. 3 mit 9' bezeichnet. Der Stirn schnitt (Fig. 4) ist in einem x,y-Koordinatensystem dargestellt. Das Fußprofil 14 umfasst den kurvenförmi gen Fußgrund 23, der dem Fußgrund 21 im Achsschnitt (Fig. 2) entspricht, sowie den geraden, sich parallel zur x-Achse erstreckenden Abschnitt 24, der dem geraden Abschnitt 22 im Achsschnitt entspricht. Die Verlänge rung des geraden Abschnittes 24 des Fußprofils 14 geht durch den Rotormittelpunkt.

Weder im Achsschnitt (Fig. 1 und 2) noch im Stirn schnitt (Fig. 3 und 4) haben die Schraubengänge 4, 5 mit dem ausgewähltem Profil einen Hinterschnitt, so dass sie vergleichbar einfach zu fertigen sind.

In Fig. 4 ist ein Kopfwinkel β dargestellt. Er ist de finiert als Winkel zwischen der Geraden durch den Wälz punkt und der Radialen durch das kopfkreisseitige Ende des Kopfprofiles 15. Ein möglichst kleiner Kopfwinkel β ist anzustreben, da sich bei vorgegebener Breite der Schraubengänge und kleinen Kopfwinkeln β relativ große Zahnkopfbreiten verwirklichen lassen. Je breiter die Zahnköpfe sind, desto länger sind die Kopfspalte 11, 12 (Fig. 1), die maßgeblichen Einfluss auf die dichte Trennung der von der Schraubenvakuumpumpe vom Einlass zum Auslass geförderten Schöpfräume haben.

Die Fig. 5 (Achsschnitt) und 6 (Stirnschnitt) zeigen weitere Ausführungen a), b), c), d) von Flankenprofilen nach der Erfindung. Alle Fußprofile 14 weisen im Achs schnitt gerade Abschnitte 22 auf, die sich bei den Aus führungen nach a), c) und d) vom Fußkreis 17 bis zum Wälzkreis 18, bei der Ausführung nach b) von einem kurvenförmigen Fußgrund 21 bis zum Wälzkreis 18 er strecken. Keines der Profile weist Hinterschnitte auf, so dass sie die Voraussetzung für eine weniger aufwen dige Fertigung erfüllen.

Um zu den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Profilen zu gelangen, müssen entweder im Achsschnitt oder im Stirnschnitt Vorgaben gemacht werden.

Zum Profil a): Vorgabe des Zahnfußprofils 14 im Stirnschnitt als Gerade 24 mit einem Achsfußwinkel α = 0. Das Zahnkopfprofil 15 ist durch Anwendung des Ver zahnungsgesetzes ermittelt worden.

Zum Profil b): Vorgabe des Zahnfußprofils 14 im Stirn schnitt als gerader Abschnitt 24 mit einem Achsfußwin kel α = 0 und nicht geradem Abschnitt 23. Der Fußgrund kann als Einhüllende des abwälzenden, auf dem Kopfkreis liegenden Konturpunktes des Zahnkopfes bestimmt werden. Das Zahnkopfprofil 15 ist wie beim Profil a) entstan den.

Zum Profil c): Vorgabe des Zahnfußprofiles 14 im Achs schnitt: Gerade 22 mit einem Achsfußwinkel α < 0; Ge winnung des Zahnkopfprofils 15 durch Anwendung des Ver zahnungsgesetzes.

Zum Profil d): Vorgabe des Zahnfußprofils 14 wie beim Profil c); Vergabe des Zahnkopfprofils 15 als Gerade 26, die - um die Abwälzerbedingungen sicher zu erfüllen - gegenüber dem Zahnkopfprofil nach c) zurückgenommen ist. Ein Achskopfwinkel ist eingezeichnet und mit γ be zeichnet.

Die jeweiligen Vorgaben sind derart gewählt, dass sie keinen Hinterschnitt aufweisen. Aus den Vorgaben im Stirnschnitt bzw. Achsschnitt lassen sich die Ergebnis se im Achsschnitt bzw. Stirnschnitt berechnen. Weisen auch diese keine Hinterschnitte auf, ist das Profil einfacher zu produzieren.

Bei der beschriebenen Ermittlung der Profile setzt man zunächst (außer bei der Vorgabe des Zahnkopfprofils 15 beim d)-Profil ein "ideales" Abwälzen voraus. In der Praxis müssen jedoch Spiele und Toleranzen berücksich tigt werden, die eine Flankenrücknahme erfordern, damit, ein berührungsfreies Abwälzen sichergestellt ist. Fig. 7 zeigt im Stirnschnitt das Profil b) ohne (ausgezogene Kurve) und mit (gestrichelte Kurve) Flankenrücknahme. Als Flankenrücknahme ist eine Rücknahme des Profils um den Betrag δ in Richtung der Normalen an dem jeweiligen Konturpunkt definiert. Bei der Berechnung der gewünsch ten Profile ist dieser Wert zu berücksichtigen.

Die Fig. 8 und 9 lassen erkennen, wie sich die Pro file mit der Steigung der Schraubengänge ändert.

Fig. 8 zeigt im Achsschnitt das Profil b) bei zwei verschiedenen Steigungen m₁ und m₂ mit m₂ < m₁. Im Stirnschnitt ist die Form des Profils nicht steigungs abhängig.

Fig. 9 zeigt das Profil d) im Stirnschnitt bei drei verschiedenen Steigungen m₁, m₂ und m₃ mit m₃ < m₂ < m₁. Im Achsschnitt ist die Form des Profils steigungsunab hängig.

Für die rechnerische Ermittlung des Schraubengangpro fils ist es bei Vorgaben im Achsschnitt (Ausführungen c) und d) in den Fig. 5 und 6) erforderlich, bei dem gewählten Achskopfwinkel α für alle Steigungen die Stirnschnitte hinsichtlich der Erfüllung der Abwälzbe dingungen zu untersuchen. Entsprechend umgekehrt ist es bei Vorgaben im Stirnschnitt.

Claims

1. Schraubenvakuumpumpe (1) mit zwei Rotoren (2, 3), deren Schraubengänge (4, 5) während des Betriebs einander kämmen sowie aufeinander berührungsfrei abwälzen und zumindest abschnittsweise eine vom Einlass zum Auslass abnehmende Steigung haben, da durch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (14) des Zahnfußes im Achsschnitt einen geraden Ab schnitt (22) aufweist, dessen Achsfußwinkel α gleich oder größer 0 ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (14) des gesamten Zahnfußes im Achsschnitt gerade ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (14) des Zahnfußes einen sich von einem Fußgrundabschnitt (23) bis zum Wälzkreis (18) erstreckenden geraden Abschnitt (22) aufweist.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (21) des Fußgrundabschnittes einer Einhüllenden entspricht, die ein auf dem Kopfkreis (26) liegender Konturpunkt des Zahnkopfes erzeugt, der im Bereich des Fußgrundes abwälzt.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (15) des Zahnkopfes so gewählt ist, dass sie zusammen mit dem Zahnfußprofil (14) die Abwälzbedingungen er füllt.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (15) des Zahnkopfes eine Gerade (26) ist, die gegenüber der Profilkontur für ideales Abwälzen zurückgenommen ist.

7. Verfahren zur Ermittlung der Profilkontur der Schraubengänge einer Schraubenvakuumpumpe (1), da durch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (14, 15) im Achsschnitt bzw. Stirnschnitt ohne Hinter schnitt vorgegeben wird und dass die Profilkontur im Stirnschnitt bzw. Achsschnitt berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Berechnung eine Flankenprofilrücknahme berücksichtigt wird.