DE19941787B4

DE19941787B4 - Schraubenvakuumpumpe mit Schraubengängen mit sich verändernder Steigung

Info

Publication number: DE19941787B4
Application number: DE1999141787
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Rofall; Ralf Dr. Steffens
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2019-09-03
Also published as: TW486545B; DE19941787A1; WO2001018399A1

Abstract

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, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilkontur (14) des Zahnfußes im Achsschnitt einen geraden Abschnitt (22) aufweist, dessen Achsfußwinkel α gleich oder größer 0 ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe mit zwei Rotoren, deren Schraubengänge während des Betriebs einander kämmen sowie aufeinander berührungsfrei 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 Herstellung dieser Rotoren ist aufwendig.
Die vom Einlass zum Auslass der Pumpe abnehmende Steigung der Schraubengänge bewirkt eine Verdichtung des Fördermediums. Im Vergleich zu Schraubenvakuumpumpen ohne innere Verdichtung, also mit Schraubengängen konstanter Steigung, ist der Leistungsbedarf einer Schraube mit innerer Verdichtung geringer.
Aus der DE 197 36 017 A1 ist eine Schraubenvakuumpumpe mit den eingangs erwähnten Merkmalen bekannt (Ausführungsform nach 6 der genannten Schrift). Einzelheiten über die Ausbildung des Profils der Schraubengänge sind nicht offenbart.
Aus der DE 297 20 541 U1 ist eine Schraubenspindel-Gaspumpe bekannt, deren Schraubengänge eine konstante Steigung haben. Die Flanken des Profils der Schraubengänge sind nach den Grundsätzen der Zykloidenverzahnung ausgebildet. Auch ein Flankenprofil mit Evolventenabschnitten ist bekannt. Nachteilig an diesen Ausführungen ist, dass die Schraubengangprofile einen Hinterschnitt 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 195 30 662 A1 .
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 Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Bei den erfindungsgemäß gestalteten Schraubengangprofilen sind Hinterschnitte nicht mehr vorhanden. Ein besonders hoher Fertigungsaufwand entfällt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den 1 bis 9 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
1 einen Achs-Teilschnitt durch den Eingriffsbereich der beiden Schraubengänge einer Schraubenvakuumpumpe,
2 die Profilkontur eines Schraubenganges im Achsschnitt mit Definitionshinweisen,
3 einen Stirnschnitt durch den Eingriffsbereich der beiden Schraubengänge einer Schraubenvakuumpumpe,
4 die Profilkontur eines Schraubenganges im Stirnschnitt mit Definitionshinweisen,
5 und 6 Beispiele für Profilkonturen nach der Erfindung im Achsschnitt (5) und Stirnschnitt (6),
7 eine Profilkontur nach der Erfindung ohne und mit Flankenrücknahme,
8 die Profilkontur eines Ausführungsbeispieles im Achsschnitt bei zwei verschiedenen Steigungen des Schraubenganges und
9 die Profilkontur eines Ausführungsbeispieles im Stirnschnitt bei drei verschiedenen Steigungen des Schraubenganges.
Im schematisch dargestellten Achs-Teilschnitt nach 1 sind die beiden Rotoren der Schraubenvakuumpumpe 1 mit 2 und 3 und die einander kämmenden sowie berührungsfrei aufeinander abwälzenden Schraubengänge mit 4 und 5 bezeichnet. Die ineinander greifenden Schraubengänge 4 und 5 haben bei einer bestimmten Höhe identische Profile, die sich – wie weiter unten erläutert – mit der Steigung ändern. Seitliche Flanken der Schraubengänge 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.
2 zeigt nur eine Flanke 9 des Schraubengangs 5. Das Profil dieser Flanke 9 setzt sich aus zwei Profilabschnitten zusammen, dem Zahnfußprofil 14 und dem Zahnkopfprofil 15. Das Zahnfußprofil 14 beginnt am Fußkreis 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 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 Darstellung nur einer Flanke 9 in einem Koordinatensystem dieser Art reicht aus, um das Profil der seitlichen Flanken beider Schraubengänge 4 und 5 in einer bestimmten Höhe zu kennzeichnen. Das der Flanke 9 gegenüberliegende, in 2 nicht dargestellte Flankenprofil 8 entspricht bei konstanter Steigung dem Spiegelbild des Profils der Flanke 9. Im übrigen sind – wie bereits erwähnt – 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 2 besteht das Zahnfußprofil 14 aus einem kurvenförmigen, sich seitlich erstreckenden Fußgrund 21 und einem geraden sich bis zum Wälzkreis 18 erstreckenden Abschnitt 22. Dieser Abschnitt 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 5), gleich 0 ist. Das Zahnkopfprofil 15, das zusammen mit dem Zahnfußprofil 14 (des zweiten Schraubenganges) die Abwälzbedingungen erfüllen muss, erhält man zum Beispiel über das allgemeine Verzahnungsgesetz: „Die Normale im jeweiligen Berührungspunkt zweier Zahnflanken muss stets durch den Wälzpunkt gehen”. Für das Fußprofil 14 lassen sich Profilsteigungswinkel, Zentriwinkel sowie Berührungsnormalen und daraus die Koordinaten der zugehörigen Konturpunkte des Kopfprofils ermitteln.
Die 3 und 4 zeigen die Ausführungform nach den 1 und 2 im Stirnschnitt. Das Flankenprofil des Rotors 3 ist in 3 mit 9' bezeichnet. Der Stirnschnitt (4) ist in einem x,y-Koordinatensystem dargestellt. Das Fußprofil 14 umfasst den kurvenförmigen Fußgrund 23, der dem Fußgrund 21 im Achsschnitt (2) entspricht, sowie den geraden, sich parallel zur x-Achse erstreckenden Abschnitt 24, der dem geraden Abschnitt 22 im Achsschnitt entspricht. Die Verlängerung des geraden Abschnittes 24 des Fußprofils 14 geht durch den Rotormittelpunkt.
Weder im Achsschnitt (1 und 2) noch im Stirnschnitt (3 und 4) haben die Schraubengänge 4, 5 mit dem ausgewähltem Profil einen Hinterschnitt, so dass sie vergleichbar einfach zu fertigen sind.
In 4 ist ein Kopfwinkel β dargestellt. Er ist definiert als Winkel zwischen der Geraden durch den Wälzpunkt 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 (1), die maßgeblichen Einfluss auf die dichte Trennung der von der Schraubenvakuumpumpe vom Einlass zum Auslass geförderten Schöpfräume haben.
Die 5 (Achsschnitt) und 6 (Stirnschnitt) zeigen weitere Ausführungen a), b), c), d) von Flankenprofilen nach der Erfindung. Alle Fußprofile 14 weisen im Achsschnitt gerade Abschnitte 22 auf, die sich bei den Ausführungen 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 erstrecken. Keines der Profile weist Hinterschnitte auf, so dass sie die Voraussetzung für eine weniger aufwendige Fertigung erfüllen.
Um zu den in den 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 Verzahnungsgesetzes ermittelt worden.
Zum Profil b): Vorgabe des Zahnfußprofils 14 im Stirnschnitt als gerader Abschnitt 24 mit einem Achsfußwinkel 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) entstanden.
Zum Profil c): Vorgabe des Zahnfußprofiles 14 im Achsschnitt: Gerade 22 mit einem Achsfußwinkel α > 0; Gewinnung des Zahnkopfprofils 15 durch Anwendung des Verzahnungsgesetzes.
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 bezeichnet.
Die jeweiligen Vorgaben sind derart gewählt, dass sie keinen Hinterschnitt aufweisen. Aus den Vorgaben im Stirnschnitt bzw. Achsschnitt lassen sich die Ergebnisse 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 berücksichtigt werden, die eine Flankenrücknahme erfordern, damit ein berührungsfreies Abwälzen sichergestellt ist. 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 gewünschten Profile ist dieser Wert zu berücksichtigen.
Die 8 und 9 lassen erkennen, wie sich die Profile mit der Steigung der Schraubengänge ändert.
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 steigungsabhängig.
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 steigungsunabhängig.
Für die rechnerische Ermittlung des Schraubengangprofils ist es bei Vorgaben im Achsschnitt (Ausführungen c) und d) in den 5 und 6) erforderlich, bei dem gewählten Achskopfwinkel α für alle Steigungen die Stirnschnitte hinsichtlich der Erfüllung der Abwälzbedingungen zu untersuchen. Entsprechend umgekehrt ist es bei Vorgaben im Stirnschnitt.

Claims

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, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilkontur (14) des Zahnfußes im Achsschnitt einen geraden Abschnitt (22) aufweist, dessen Achsfußwinkel α gleich oder größer 0 ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (14) des gesamten Zahnfußes im Achsschnitt gerade ist.
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.
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.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilkontur (15) des Zahnkopfes so gewählt ist, dass sie zusammen mit dem Zahnfußprofil (14) die Abwälzbedingungen erfüllt.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilkontur (15) des Zahnkopfes eine Gerade (26) ist, die gegenüber der Profilkontur für ideales Abwälzen zurückgenommen ist.
Verfahren zur Ermittlung der Profilkontur der Schraubengänge einer Schraubenvakuumpumpe (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkontur (14, 15) im Achsschnitt bzw. Stirnschnitt ohne Hinterschnitt vorgegeben wird und dass die Profilkontur im Stirnschnitt bzw. Achsschnitt berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Berechnung eine Flankenprofilrücknahme berücksichtigt wird.