WO2001018399A1 - Schraubenvakuumpumpe mit schraubengängen mit sich verändernder steigung - Google Patents

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Klaus Rofall
Ralf Steffens
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Leybold Vakuum Gmbh
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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/082—Details specially related to intermeshing engagement type pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
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    • F04C2220/00—Application
    • F04C2220/10—Vacuum

Definitions

  • the invention relates to a screw vacuum pump with two rotors, the screw threads mesh during operation and roll on each other without contact and at least in sections have a gradient decreasing from the inlet to the outlet.
  • each rotor When using screw machines as vacuum pumps, it is known to equip each rotor with a plurality of screw thread wraps. The manufacture of these rotors is complex.
  • the decreasing pitch of the screw threads from the inlet to the outlet of the pump causes the medium to be compressed.
  • the power requirement of a screw with internal compression is lower.
  • the present invention has for its object to reduce the manufacturing effort in a screw vacuum pump with changing pitch of the screw threads.
  • FIGS. 1 to 9 show it 1 shows a partial axial section through the engagement area of the two screw threads of a screw vacuum pump
  • FIG. 2 shows the profile contour of a screw thread in an axial section with definition instructions
  • FIG. 3 shows an end section through the engagement area of the two screw turns of a screw vacuum pump
  • FIG. 4 shows the profile contour of a screw thread in the face cut with definition instructions
  • FIG. 5 and 6 show examples of profile contours according to the invention in axial section (FIG. 5) and end section (FIG. 6),
  • FIG. 7 shows a profile contour according to the invention without and with flank relief
  • Figure 8 shows the profile contour of an embodiment in an axial section with two different pitches of the screw thread
  • Figure 9 shows the profile contour of an embodiment in an end section with three different pitches of the screw thread.
  • the interlocking screw threads 4 and 5 have identical profiles at a certain height, which - as explained further below - change with the pitch. Lateral flanks of the screw threads 4 and 5 are designated 6, 7 and 8, 9, respectively.
  • the screw thread heads form a head gap 11 or 12 with the housing and with the respective other rotor.
  • FIG. 2 shows only one flank 9 of the screw thread 5.
  • the profile of this flank 9 is composed of two profile sections, the tooth root profile 14 and the tooth tip profile 15.
  • the tooth root profile 14 begins at the root circle 17 and ends at the flank profile reversal point (usually at the pitch circle 18)
  • the tooth tip profile begins at the end of the tooth root profile 14 and ends at the tip circle 19.
  • the flank 9 is shown in Figure 2 in an axial section.
  • the z-axis is identical to the axis of rotation of the rotor 2. Height values z are plotted.
  • the r-axis extends radially; Radius values r are plotted.
  • the representation of only one flank 9 in a coordinate system of this type is sufficient to identify the profile of the side flanks of both screw threads 4 and 5 at a certain height.
  • the flank profile 8 opposite the flank 9, which is not shown in FIG. 2, corresponds to the mirror image of the profile of the flank 9 at a constant slope.
  • the flank profiles of the two screw threads 4, 5 are identical. As the incline changes, the profiles change in the manner described below. In the embodiment according to FIG.
  • the tooth base profile 14 consists of a curved, laterally extending base 21 and a straight section 22 extending up to the pitch circle 18.
  • This section 22 extends parallel to the x-axis, ie that the axis base angle ⁇ , the is defined in the z, r coordinate system as the angle between the straight section 22 and a radial (see also FIG. 5), is equal to 0.
  • the tooth profile 15, which together with the tooth profile 14 (of the second screw thread) must meet the rolling conditions, can be obtained, for example, via the general toothing law: "The normal in the respective contact point of two tooth flanks must always pass through the pitch point" profile pitch angle, central angle and contact standards and from this the coordinates of the associated contour points of the head profile are determined.
  • FIG. 3 and 4 show the embodiment according to Figures 1 and 2 in an end section.
  • the flank profile of the rotor 3 is designated 9 'in FIG.
  • the frontal section (FIG. 4) is shown in an x, y coordinate system.
  • the foot profile 14 comprises the curved base 23, which corresponds to the base 21 in the axial section (FIG. 2), and the straight section 24, which extends parallel to the x-axis and corresponds to the straight section 22 in the axial section.
  • the extension of the straight section 24 of the foot profile 14 goes through the rotor center.
  • the screw threads 4, 5 Neither in the axial section ( Figures 1 and 2) nor in the forehead section ( Figures 3 and 4), the screw threads 4, 5 have an undercut with the selected profile, so that they are comparatively easy to manufacture.
  • a head angle ⁇ is shown in FIG. It is defined as the angle between the straight line through the pitch point and the radial through the end of the head profile 15 on the tip circle side.
  • the smallest possible head angle ß should be aimed for, since given the width of the screw threads and small head angles ß, relatively large tooth head widths can be achieved.
  • Figures 5 (axial section) and 6 (front section) show further versions a), b), c), d) of flank profiles according to the invention.
  • All foot profiles 14 have straight sections 22 in the axial section, which in the embodiments according to a), c) and d) extend from the root circle 17 to the pitch circle 18, in the embodiment according to b) from a curved base 21 to the pitch circle 18. None of the profiles have undercuts, so that they meet the requirements for less complex production.
  • the base of the foot can be determined as the envelope of the rolling contour point of the tooth head lying on the tip circle.
  • the tooth tip profile 15 was created as in profile a).
  • profile d Specification of tooth base profile 14 as for profile c); Allocation of the tooth tip profile 15 as a straight line 26 which - in order to reliably fulfill the rolling conditions - is withdrawn compared to the tooth tip profile according to c). An axis head angle is shown and designated ⁇ .
  • the respective specifications are selected in such a way that they have no undercut. From the specifications in the face cut or axial cut, the results in the axial cut or face cut can be calculated. Point If these do not have any undercuts either, the profile is easier to produce.
  • FIGS 8 and 9 show how the profile changes with the pitch of the screw threads.
  • Figure 8 shows an axial section of profile b) at two different gradients m x and m 2 with m 2 > mi. In the face cut, the shape of the profile is not dependent on the slope.
  • Figure 9 shows the profile d) in the end section at three different gradients m l m 2 and m 3 with m 3 > m 2 > m ⁇ .
  • the shape of the profile is independent of the slope.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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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 alpha gleich oder grösser 0 ist (Figure 3).

Description

Schraubenvakuumpumpe mit Schraubengängen mit sich verändernder Steigung
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-A-197 36 017 ist eine Schraubenvakuumpumpe mit den eingangs erwähnten Merkmalen bekannt (Ausführungsform nach Figur 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 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-A- 195 30 662.
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 kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Bei den erfindungsgemäß gestalteten Schraubengangprofi- len sind Hinterschnitte nicht mehr vorhanden. Ein besonders hoher Fertigungsaufwand entfällt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 9 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen Figur 1 einen Achs-Teilschnitt durch den Eingriffsbereich der beiden Schraubengänge einer Schraubenvakuumpumpe,
Figur 2 die Profilkontur eines Schraubenganges im Achsschnitt mit Definitionshinweisen,
Figur 3 einen Stirnschnitt durch den Eingriffsbereich der beiden Schraubengänge einer Schraubenvakuumpumpe,
Figur 4 die Profilkontur eines Schraubenganges im Stirnschnitt mit Definitionshinweisen,
Figuren 5 und 6 Beispiele für Profilkonturen nach der Erfindung im Achsschnitt (Figur 5) und Stirnschnitt (Figur 6) ,
Figur 7 eine Profilkontur nach der Erfindung ohne und mit Flankenrücknahme,
Figur 8 die Profilkontur eines Ausführungsbeispieles im Achsschnitt bei zwei verschiedenen Steigungen des Schraubenganges und
Figur 9 die Profilkontur eines Ausführungsbeispieles im Stirnschnitt bei drei verschiedenen Steigungen des Schraubenganges.
Im schematisch dargestellten Achs-Teilschnitt nach Figur 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.
Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 3 und 4 zeigen die Ausführungform nach den Figuren 1 und 2 im Stirnschnitt. Das Flankenprofil des Rotors 3 ist in Figur 3 mit 9' bezeichnet. Der Stirnschnitt (Figur 4) ist in einem x, y-Koordinatensystem dargestellt. Das Fußprofil 14 umfasst den kurvenförmigen Fußgrund 23, der dem Fußgrund 21 im Achsschnitt (Figur 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 (Figuren 1 und 2) noch im Stirnschnitt (Figuren 3 und 4) haben die Schraubengänge 4, 5 mit dem ausgewähltem Profil einen Hinterschnitt, so dass sie vergleichbar einfach zu fertigen sind.
In Figur 4 ist ein Kopfwinkel ß dargestellt. Er ist definiert als Winkel zwischen der Geraden durch den Wälzpunkt und der Radialen durch das köpfkreisseitige Ende des Kopfprofiles 15. Ein möglichst kleiner Kopfwinkel ß ist anzustreben, da sich bei vorgegebener Breite der Schraubengänge und kleinen Kopfwinkeln ß relativ große Zahnkopfbreiten verwirklichen lassen. Je breiter die Zahnköpfe sind, desto länger sind die Kopfspalte 11, 12 (Figur 1), die maßgeblichen Einfluss auf die dichte Trennung der von der Schraubenvakuumpumpe vom Einlass zum Auslass geförderten Schöpfräume haben.
Die Figuren 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 Figuren 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 sen 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. Figur 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 Figuren 8 und 9 lassen erkennen, wie sich die Profile mit der Steigung der Schraubengänge ändert.
Figur 8 zeigt im Achsschnitt das Profil b) bei zwei verschiedenen Steigungen mx und m2 mit m2 > mi . Im Stirnschnitt ist die Form des Profils nicht steigungsabhängig.
Figur 9 zeigt das Profil d) im Stirnschnitt bei drei verschiedenen Steigungen ml m2 und m3 mit m3 > m2 > mλ . Im Achsschnitt ist die Form des Profils steigungsunabhängig.
Für die rechnerische Ermittlung des Schraubengangpro- fils ist es bei Vorgaben im Achsschnitt (Ausführungen c) und d) in den Figuren 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 mit Schraubengängen mit sich verändernder Steigung
PATENTANSPRÜCHE
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 die 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.
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 erfüllt.
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), 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.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Berechnung eine Flankenprofilrücknahme berücksichtigt wird.
PCT/EP2000/004334 1999-09-02 2000-05-13 Schraubenvakuumpumpe mit schraubengängen mit sich verändernder steigung WO2001018399A1 (de)

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