DE2740823A1

DE2740823A1 - Pumpenwelle, insbesondere fuer heizungsumwaelzpumpen

Info

Publication number: DE2740823A1
Application number: DE19772740823
Authority: DE
Inventors: Poul Due Jensen
Original assignee: Grundfos AS
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1977-09-10
Filing date: 1977-09-10
Publication date: 1979-03-22

Description

Anmelder:

Grundfos A/S, DK-885O Bjerringbro (Dänemark)

Pumpenwelle, insbesondere für Heizungsumwälzpumpen

Die Erfindung betrifft eine Pumpenwelle aus nichtmetallischem Werkstoff, insbesondere für Heizungsumwälzpumpen, bei denen in der Verlängerung der Wellenachse und im Bereich des einen Wellenendes eine durch einen Stopfen verschlossene Gehäusebohrung vorgesehen ist, durch die nach Entfernen des Stopfens ein Werkzeug axial einzuführen und mit am Wellenende ausgebildeten Angriffsflächen in formschlüssige Verbindung zu bringen ist, um durch wechselseitige übertragung eines Drehmomentes zwischen Welle und Werkzeug einerseits eine Prüfung der Wellendrehrichtung und andererseits eine Verdrehung der Welle zum Zwecke einer Deblockierung durchführen zu können.

Bei Heizungsumwälzpumpen mit Naßlaufmotoren ist der Rotorraum mit Wasser des Heizungssystems gefüllt. Dieses Wasser enthält Verunreinigungen in Form von Feststoffen, wie Rost, Sand und dgl., welche in die im Rotorraum befindlichen Lager gelangen und zum Blockieren der Welle bzw. des Rotors führen können.

In vielen Fällen läßt sich eine Deblockierung der Welle durchführen, indem mittels eines von außen einzuführenden Werkzeugs von Hand

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ein die Welle aus der Blockierung lösendes Drehmoment ausgeübt wird, Zu diesem Zweck ist das mit dem Werkzeug zugängliche Wellenende mit Werkzeugangriffsflächen versehen, mit denen das durch die geöffnete Gehäusebohrung eingeführte Werkzeug in eine formschlüssige Verbindung gebracht werden kann. Als Werkzeug kann beispielsweise ein Schraubenzieher dienen, der in einen am betreffenden Wellenende befindlichen Querschlitz oder Kreuzschlitz eingreift.

Auf diese Weise läßt sich nicht nur eine Deblockierung der Welle durch Ausübung eines entsprechenden Drehmoments mittels des Werkzeugs durchführen. Nach Herstellung des Formschlusses zwischen Welle und Werkzeug läßt sich nämlich auch bei laufender Pumpe die Drehrichtung des Pumpenrotors feststellen, da die Welle das Werkzeug im gleichen Drehsinn mitnimmt und man aus der Drehrichtung des Werkzeugs wiederum ermitteln kann, ob der Rotor richtig umläuft.

Nachdem man zur Erzielung einer hohen Lebensdauer der Pumpen die Lagerschalen und die Wellen bzw. Wellenzapfen aus Oxidkeramik, wie etwa Aluminiumoxid, herstellt, hat sich bei der Durchführung der beiden erwähnten Arbeitsgänge gezeigt, daß die über das Werkzeug auf das Wellenende und umgekehrt zu übertragenden Kräfte zu so beträchtlichen Biegebelastungen im Wellenmaterial führen können, daß Teile des spröden Wellenmaterials ausbrechen, so daß die Pumpe insgesamt für eine weitere Verwendung unbrauchbar wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Pumpenwelle, bei der durch bestimmte Gestaltung der am Wellenende ausge-

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bildeten Werkzeugangriffsflächen ein Materialbruch bei einer Deblockierung des Rotors oder bei einer Drehrichtungsprüfung sicher vermieden wird, und zwar auch dann, wenn das hierzu verwendete Werk zeug aus beliebigen Gründen nicht zentrisch ausgerichtet mit den Wellenangriffsflächen in Verbindung gebracht ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die eingangs erwähnte Pumpenwelle so ausgebildet, daß die Angriffsflächen für das Werkzeug durch achsparallele Flächen eines polygonal abgesetzten Wellenkopfes gebildet werden, daß der Wellenkopf mit einem Steckschlüssel in formschlüssige Verbindung bringbar ist und daß der Durchmesser und die axiale Höhe des Wellenkopfes so auf die vorgegebene Schlüsselweite und/oder den Durchmesser der Gehäusebohrung abgestimmt sind, daß beim Verkanten des Schlüssels nur Drehmomente übertragbar sind.

Wenn der Steckschlüssel genau auf die Wellenachse ausgerichtet auf den Wellenkopf gesteckt wird und eine Relativdrehung zwischen Welle und Schlüssel erfolgt, werden sich aufgrund der gegebenen Maßtoleranzen die Kanten bzw. Eckbereiche des Wellenkopfes gegen die ebenen Werkzeugflächen anlegen, so daß jeweils achsparallele Anlagelinien entstehen werden, über die wechselseitig das Drehmoment übertragen werden kann. Biegemomente werden unter diesen Bedingungen nicht auftreten.

Falls das Werkzeug gegenüber der Wellenachse verkantet bzw. gekippt wird, würde normalerweise ein Biegemoment auftreten, wenn

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an zwei sich diametral gegenüberliegenden Stellen des Wellenkopfes Linien— oder Punktberührungen bestehen bleiben wurden, an denen die unerwünschten Biegekräfte angreifen könnten. Bei erfindungsgemäßer Ausbildung des Wellenkopfes in Abstimmung auf die vorgegebenen Maße des Schlüssels wird man allerdings keine Biegemomente um die Kippkante ausüben können, da sich dem verkanteten Werkzeug keine am Wellenkopf gegenüberliegenden Angriffspunkte bieten.

Durch praktische Versuche läßt sich relativ einfach ermitteln, welche Abmessungen des Wellenkopfes diesen Bedingungen entsprechen werden, wenn man von einer vorgegebenen Schlüsselweite ausgeht. Wenn man den Wellenkopf als symmetrischen Sechskant ausbildet, kann in diesem Zusammenhang bereitsdie Erfüllung der Forderung genügen, daß die räumlichen Eckdiagonalen des Wellenkopfes um eine bestimmte Strecke kürzer sein sollen als die Eckdiagonalen im Schlüsselquerschnitt .

In der anliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Wellenendes mit einem abgesetzten Wellenkopf und ein aufgesetztes Werkzeug in teilweisem Schnitt,

Fig. 2 die Stirnansicht des Wellenendes, Fig. 3 eine Stirnansicht des Werkzeugs und

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Fig. 4 die Seitenansicht des Wellenendes in Verbindung mit einem durch die Gehäusebohrung eingeführten Werkzeug.

Der Aufbau und die Funktion von Heizungsumwälzpumpen sind allgemein bekannt und brauchen deshalb nicht im einzelnen erläutert zu werden. Beispielsweise zeigt die Darstellung zur DT-OS 24 6o 748 eine solche Pumpe, bei der das nach der Darstellung rechte Ende der Pumpenwelle von außen zugänglich ist, nachdem der neben diesem Wellenende in einer Gehäusebohrung sitzende Stopfen entfernt ist. Durch die Gehäusebohrung kann dann ein Werkzeug in den Rotorraum eingeführt und formschlüssig mit dem Wellenende verbunden werden, um durch übertragung eines Drehmomentes einen festgesetzten Rotor zu deblockieren oder bei laufender Pumpe das Werkzeug mit der Welle drehen zu lassen, woraus dann Rückschlüsse auf die augenblickliche Drehrichtung des Rotors gezogen werden können.

Das in der vorliegenden Zeichnung dargestellte Ende der Welle 1 ist auf einen Sechskant-Wellenkopf 2 abgesetzt, dessen Angriffsflächen für das Werkzeug parallel zur Wellenachse 3 verlaufen. Das Werkzeug 4 ist ein üblicher Sechskant-Steckschlüssel.

Wie schon einleitend ausgeführt wurde, können der Durchmesser und die axial zu messende Höhe des Wellenkopfes 2 so auf die Schlüssel" weite abgestimmt werden, daß beim Verkanten bzw. Kippen des Werkzeugs 4 zwar noch ein Formschluß zwischen Werkzeug und Wellenkopf erhalten bleibt, der zur übertragung von Drehmomenten ausreicht, aber die übertragung eines Biegemomentes ausgeschlossen wird.

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Die Fig. 1 zeigt zum Beispiel eine recht weitgehende Verkantung, bei welcher der Formschluß zwischen dem Werkzeug 4 und dem Wellenkopf 2 in dem nach der Darstellung oberen Bereich schon teilweise aufgehoben ist, so daß sich dort das Werkzeug bei weitergehender Verkantung bereits aus der überdeckung mit dem Wellenkopf lösen würde. Schon aus der Zeichnung ist erkennbar, daß unter Berücksichtigung der gewählten geometrischen Verhältnisse das Werkzeug, nachdem es aus einer axial ausgerichteten Stellung heraus verkantet wird oder gleich verkantet auf den Wellenkopf 2 aufgesetzt wird, keine sich diametral in der Verkantungsebene gegenüberliegenden Angriffspunkte finden wird, was Voraussetzung für das Entstehen schädlicher Biegemomente wäre.

Wenn man beispielsweise von einer vorgegebenen Schlüsselweite ausgeht, ließe sich durch praktische Versuche relativ einfach ermitteln, bei welchem Durchmesser und bei welcher Höhe des Wellenkopfes 2 die zu fordernden Bedingungen erfüllt werden. Dabei wird man jedenfalls zu dem Ergebnis kommen, daß die Höhe des Wellenkopfes relativ kurz sein wird.

Theoretisch lassen sich die in der Praxis zu fordernden Voraussetzungen auf folgende Überlegungen zurückführen. Jede Eckdiagonale d in der Querschnittefläche des Wellenkopfes 2 im Bereich des WeI-lenabeatzes schließt mit der Höhe h, also mit der axialen Er« Streckung der Ecklinie des Wellenkopfes einen rechten Winkel ein, so daß d und h mit der Eckdiagonalen D des Schlüsselquerschnitts zu einem rechtwinkeligen Dreieck zusammengesetzt werden können, wobei

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D = d + S sein soll und S die Maßtoleranz bzw. das Spiel zwischen Werkzeug und Wellenkopf bedeutet. D stellt also den Durchmesser des die Werkzeugflächen umschreibenden Kreises dar.

Demnach gilt die Beziehung h² = D² - d² = d² + 2dS + S² - d². Wenn S <k d, folgt annäherungsweise h = 2dS und h = Y 2dS, wobei zur Erfüllung der vorher genannten Bedingungen hL Y 2dS gelten soll.

Wenn z.B. die Eckdiagonale d bzw. der Durchmesser des den Wellenkopf 2 umschreibenden Kreises 1o mm und die Maßtoleranz.1 mm betragen, ergibt sich für die Eckhöhe h des Wellenkopfes die zu erfüllende Bedingung h LlT2o' ^ 4,5 mm.

Demnach dürften bei diesem Beispiel die Ecklängen h des Wellenkopfes 2 eine axiale Erstreckung von höchstens etwa 4,5 mm haben, damit sich das Werkzeug bei entsprechend weiter Verkantung frei über den der Kippkante gegenüberliegenden Bereich des Wellenkopfes bewegen kann und dort keine in der Verkantungsebene liegenden Angriffspunkte findet. Um allerding» ein Drehmoment zwischen dem Werkzeug 4 und dem Wellenkopf 2 durch entsprechenden Formschluß übertragen zu können, muß verständlicherweise noch die Beziehung D < d gelten, wobei D dem Durchmesser des in die Werkzeugflächen eingeschriebenen Kreises und damit dem Istmaß der Schlüsselweite entspricht.

Man kann unter der gegebenen Voraussetzung, daß der sechskantige Wellenkopf 2 gleiche Seiten- bzw. Werkzeugangriffsflächen hat,

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die zu stellende Forderung auch an einfacher so formulieren, daß jede räumliche Eckdiagonale e des Wellenkopfes 2 - in Fig. 1 ist eine Eckdiagonale e gestrichelt angedeutet - kürzer sein soll als jede Eckdiagonale D im Schlüsselquerschnitt, um zu gewährleisten, daß das Werkzeug 4 beim Verkanten eher frei vom Wellenkopf 2 abkippt/ als daß es an dem der jeweiligen Kippkante gegenüberliegenden Bereich des Wellenkopfes 2 auf eine Anlagefläche trifft.

Schließlich kann man in Anlehnung an die vorher gemachte Ableitung auch die Bedingung aufstellen h^x tJ2d^xS, wobei h^x die axiale Höhe des Wellenkopfes 2, d^x der Durchmesser des in die Werkzeugangriffsflächen eingeschriebenen Kreises und S die Maßtoleranz bzw. das Spiel zwischen Werkzeug und Wellenkopf bedeuten.

Bei den vorausgegangenen Betrachtungen wurde davon ausgegangen, daß das Werkzeug 4 überhaupt so weit wie es in Fig,1 gezeigt oder gar noch weiter verkantet werden kann. In der Praxis wird man jedoch häufig voraussetzen können, daß gemäß Fig. 4 nur relativ kleine Verkantungswinkel möglich sein werden, da die öffnung 5 im Pumpengehäuse 6, durch die das Werkzeug 4 eingeführt wird, meist nicht so groß ist, daß das Werkzeug beliebig weit verkantet werden kann, weil der Öffnungsrand einen die größtmögliche Kippstellung bestimmenden Anschlag bilden wird.

Demgemäß ist also einzusehen, daß man neben von der vorher entwickelten Bedingung h 4t \ 2dS eine zweite formulieren und die Höhe h um so größer wählen kann, je geringer der mögliche Kippwinkel CC

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ist, wobei trotzdem der Vorteil gewährleistet bleibt, daß keine Biegemomente zwischen dem Werkzeug 4 und der Welle 1 bzw. dem Wellenkopf 2 entstehen können.

Diese Bedingung läßt sich u.a. durch Winkel ausdrücken. Wenn man die in Fig. 4 gezeigten Dreiecke ABC und XYZ betrachtet, muß durch die Konstruktion sichergestellt sein, daß-^L Z X Y 4 Λ C A B.

Abschließend wäre noch darauf hinzuweisen, daß der Wellenkopf anstelle einer Sechskantform auch andere polygonale Formen haben kann, also etwa eine Vierkantform, die mit einem entsprechend geformten Steckschlüssel in gegenseitigen Eingriff gebracht werden kann. Wenn auch von achsparallelen Flächen des Wellenkopfes 2 gesprochen wird, liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn diese Flächen in Richtung auf das freie Ende des Wellenkopfes leicht konvergieren, was beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen erforderlich sein könnte.

Weiterhin könnte abweichend von der dargestellten Ausführungsform der Wellenkopf 2 mit einem Radius abgerundet auf die Welle 3 übergehen. In diesem Fall und auch allgemein wird dann meist gelten, daß sich die effektive Höhe h jeweils bestimmen läßt aus dem geraden Verlauf der Anlagelinie zwischen Werkzeug 4 und Wellenkopf

Wenn auch der erfindungsgemäße Gedanke vor allem zur Anwendung

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kommen wird, wenn Pumpen mit Keramikwellen ausgerüstet sind, würden vergleichbare Vorteile bei Pumpen mit Metallwellen erzielt, die mit Keramiklagern abgestützt sind, da dann auch vermieden werden kann, daß Biegebelastungen am Wellenende zu Bruchkräften in den Lagern führen werden.

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Claims

Dr. Hugo Wilcken Dipl.-1 ng. Thomas Wilcken

Dipl.-Chem. Dr. Wolfgang Lauf* 9. Sep. 1977

LttMck, Brail« 8traB· S2-64

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Patentansprüche

./ Pumpenwelle aus nichtmetallischem Werkstoff, insbesondere für Heizungsumwälzpumpen, bei denen in der Verlängerung der Wellenachse und im Bereich des einen Wellenendes eine durch einen Stopfen verschlossene Gehäusebohrung vorgesehen ist, durch die nach Entfernen des Stopfens ein Werkzeug axial einzuführen und mit am Wellenende ausgebildeten Angriffsflächen in formschlüssige Verbindung zu bringen ist, um durch welchselseitige übertragung eines Drehmomentes zwischen Welle und Werkzeug einerseits eine Prüfung der Wellendrehrichtung und andererseits eine Verdrehung der Welle zum Zwecke einer Deblockierung durchführen zu können, dadurch gekennzeichnet, daß die Angriffsflächen durch achsparallele Flächen eines polygonal abgesetzten Wellenkopfes (2) gebildet werden, daß der Wellenkopf mit einem Steckschlüssel (4) in formschlüssige Verbindung bringbar ist und daß der Durchmesser (d;d^x) und die axiale Höhe (h;h^x) des Wellenkopfes so auf die vorgegebene Schlüsselweite (D;D^x) und/oder den Durchmesser der Gehäusebohrüng (5) abgestimmt sind, daß beim Verkanten des Steckschlüssels nur Drehmomente übertragbar sind.
2. Pumpenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Eckdiagonalen te) des vorzugsweise als Sechskant

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ausgebildeten Wellenkopfes (2) kürzer sind als die Eckdiagonalen (D) im Querschnitt des Steckschlüssels (4).
3. Pumpenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Wellenkopfes (2) der Bedingung h^/idJT genügt, wobei S das MaB des Werkzeugspiels ist und d die Länge einer ebenen Eckdiagonalen im Wellenkopf ist, und daß im übrigen die Bedingung D^x< d gilt, wobei D^x die Istweite des Steckschlüssels darstellt.

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