DE102008030583A1

DE102008030583A1 - Wellenanordnung für schnelldrehende Wellen

Info

Publication number: DE102008030583A1
Application number: DE102008030583A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hölzer
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-12-31
Also published as: JP2011525589A; CN102066762A; WO2009156286A1; EP2300719A1

Abstract

Eine Wellenanordnung für schnelldrehende Wellen, wie sie insbesondere als Rotorwellen für Turbomolekularpumpen eingesetzt werden, weist zwei gesonderte, miteinander verbundene Wellenzapfen (10) auf. Auf den beiden Wellenzapfen (10) ist jeweils ein Wälzlager (12) angeordnet. Durch Trennung der Welle in mindestens zwei Teile bzw. zwei Wellenzapfen ist es möglich, Laufflächen (22) für Wälzkörper (18) der Wälzlager (12) unmittelbar auf einer Oberfläche (20) der Wellenzapfen auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung für schnelldrehende Wellen, insbesondere Wellen für Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen.
Wellen, wie insbesondere auch mechanisch gelagerte Wellen von Turbomolekularpumpen, werden üblicherweise über zwei Lagerstellen gelagert. Hierbei können als Lager Wälzlager verwendet werden. Diese weisen üblicherweise einen Innenring und einen Außenring auf, zwischen dem die Wälzkörper ggf. in einem Käfig angeordnet sind. Die Wälzkörperlager werden nach der Montage von auf der Welle zwischen den beiden Lagern angeordneten Bauteilen auf die Welle aufgesteckt, wobei der Innenring auf der Welle fixiert wird. Handelt es sich bei der Welle um eine Welle einer Turbomolekularpumpe, ist zwischen den beiden Lagern beispielsweise ein Rotor der Pumpe, ein Läufer eines Antriebsmotors etc. angeordnet. Bei schnelldrehenden Wellen, wie sie beispielsweise für Turbomolekularpumpen konstruiert werden, besteht eine hinsichtlich der Wälzlager kritische Drehzahl, die vom mittleren Durchmesser der Wälzlager abhängig ist. Vereinfacht ausgedrückt ist dieser kritische Drehzahlbereich geringer, je größer der Durchmesser des Wälzlagers ist. Hieraus ergibt sich ein D·n-Faktor, wobei D der mittlere Durchmesser des Wälzlagers und n die Drehzahl ist. Bei der Konstruktion schnelldrehender Wellen ist es erstrebenswert, dass der D·n- Faktor möglichst klein ist. Andererseits muss bei der Auslegung und Konstruktion schnelldrehender Wellen die Biegeeigenfrequenz berücksichtigt werden, die möglichst groß sein soll. Die Biegeeigenfrequenz hängt insbesondere mit der Steifigkeit der Welle, der Masse der Welle sowie der Masse der mit der Welle verbundenen Bauteile zusammen. Da die Biegeeigenfrequenz möglichst groß sein soll, ist es erstrebenswert, dass auch die Steifigkeit der Welle möglichst groß ist. Die Steifigkeit der Welle kann insbesondere durch die Vergrößerung des Durchmessers erzielt werden. Die beiden bei der Konstruktion und Auslegung einer schnellrotierenden Welle zu berücksichtigenden Ziele einer möglichst hohen Biegeeigenfrequenz und einem möglichst kleinen D·n-Faktor sind somit einander entgegengesetzte Ziele.
Zur Verringerung des mittleren Lagerdurchmessers D wäre es grundsätzlich möglich, Lager ohne Innenring zu verwenden. Bei derartigen Lagern sind die Laufflächen für die Wälzkörper unmittelbar durch die Oberfläche der Welle ausgebildet. Da die Laufflächen eine äußerst glatte Oberfläche mit sehr geringer Rauhtiefe aufweisen müssen, ist eine Feinbearbeitung der Wellenoberfläche zur Ausbildung der Laufflächen unmittelbar vor der Montage der Lager erforderlich. Der bei der Bearbeitung entstehende, sehr feine Abrieb kann sich jedoch an den bereits auf der Welle montierten Bauteilen absetzen bzw. in diese eindringen. Insbesondere bei hochpräzisen Bauteilen, wie Rotoren von Turbomolekularpumpen, kann dies zu Beschädigungen der Pumpe im Betrieb führen. Ist beispielsweise auf der Welle ein Motorläufer eines Antriebs montiert, würde ein Magnet des Motorläufers die feine Metallspäne anziehen, wobei ein Reinigen des Motorläufers von den Spänen nicht bzw. nur mit erheblichem Aufwand möglich wäre. Das Verwenden von Wälzlagern ohne Innenring ist daher bei schnellrotierenden Wellen, insbesondere, wenn auf der Welle hochpräzise, empfindliche Bauteile wie bei Turbomolekularpumpen montiert sind, nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellenanordnung für schnelldrehende Wellen, insbesondere Rotorwellen einer Turbomolekularpumpe, zu schaffen, mit der eine Verbesserung der Biegeeigenfrequenz und/oder des D·n-Faktors möglich ist. Insbesondere soll bei einer möglichst großen Biegeeigenfrequenz ein möglichst kleiner D·n-Faktor erzielt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Bei der erfindungsgemäßen Wellenanordnung erfolgt ein Trennen der Welle in mindestens zwei Teile bzw. Wellenzapfen. Je Wellenzapfen ist ein Wälzlager vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, Wälzlager ohne Innenring vorzusehen. Dies ist durch das Trennen der Welle in mindestens zwei Wellenzapfen dadurch erreicht, dass vor der Montage die Laufflächen für die Wälzkörper an der Oberfläche der Wellenzapfen hergestellt werden kann. Die Bearbeitung der empfindlichen Oberflächen der Laufflächen erfolgt somit vor der Montage. Je Wellenzapfen kann nunmehr von der einen Seite das Wälzlager und von der anderen Seite die ggf. auf dem Wellenzapfen anzuordnenden Bauteile montiert werden. Die zu montierenden Bauteile müssen somit nicht über die Lagerfläche auf die Welle aufgeschoben werden, was zu einer Beschädigung der Lagerfläche führen würde. Durch das erfindungsgemäße Trennen der schnelldrehenden Welle in mindestens zwei Wellenzapfen ist es somit möglich, Wälzlager ohne Innenring vorzusehen, da ein Bearbeiten der Laufflächen nach der Montage nicht mehr erforderlich ist. Da bei gleichem Wellendurchmesser Lager ohne Innenring einen geringeren mittleren Durchmesser aufweisen, kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme der D·n-Faktor verringert werden. Ebenso kann bei gleichbleibendem D·n-Faktor der Durchmesser der Wellenzapfen vergrößert werden, so dass die Biegeeigenfrequenz steigt.
Die erfindungsgemäße Trennung der Welle in mindestens zwei Wellenzapfen ist bei schnelldrehenden Wellen vorteilhaft. Dies ist insbesondere bei schnelldrehenden Wellen vorteilhaft, auf denen hochpräzise Bauteile montiert werden und somit eine Bearbeitung der Wellenoberfläche nach der Montage der Bauteile nicht mehr möglich ist. Vorteilhaft ist dies auch, wenn auf der Welle magnetische Bauteile, wie Motorläufer, montiert werden, da diese Bearbeitungsspäne anziehen würde. Besonders bevorzugt ist die Verwendung der Erfindung bei Wellenanordnungen für Rotorwellen von Turbomolekularpumpen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Wellenzapfen nicht unmittelbar sondern über ein Verbindungselement miteinander verbunden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass eine gesonderte Montage von Bauteilen auf dem Verbindungselement unabhängig von der Montage der Wälzlager durchgeführt werden kann. Nach erfolgter Montage der Lager auf den beiden Wellenzapfen und der Bauteile auf dem Verbindungselement kann das Verbindungselement mit den beiden Wellenzapfen fest verbunden werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen, Reibschweißen oder über einen Presssitz. Das Vorsehen eines Verbindungselements hat ferner den Vorteil, dass in montiertem Zustand auf beiden Seiten der Wälzlager Bauteile montiert sein können. So kann beispielsweise auf dem außerhalb des Wälzlagers angeordneten Teil des Wellenzapfens ein Rotor einer Turbomolekularpumpe und innerhalb des Wälzlagers verbunden mit dem Verbindungselement ein Motorläufer angeordnet sein. Hierfür wird auf dem entsprechenden Wellenzapfen von außen der Rotor und von innen das Wälzlager montiert, so das der Rotor nicht über die Lauffläche für die Wälzkörper geschoben werden muss. Nach erfolgter Montage des Lagers kann sodann ebenfalls von innen das Verbindungselement mit dem Wellenzapfen verbunden, insbesondere aufgesteckt werden.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement hohl ausgebildet. Insbesondere handelt es sich um einen Hohlzylinder, der vorzugsweise auf die beiden Wellenzapfen aufgesteckt wird. Es ist somit möglich, massiv ausgebildete Wellenzapfen mit einem hohl ausgebildeten Verbindungselement zu kombinieren. Hierdurch kann trotz des vorteilhaften Vorsehens von massiven Wellenzapfen das Gewicht der gesamten Welle deutlich reduziert werden. Eine Reduzierung der Masse führt hierbei ebenfalls zur Erhöhung der Biegeeigenfrequenz. Ferner ist es beim Vorsehen eines hohlen Verbindungselements möglich, innerhalb des Verbindungselements Bauteile, wie beispielsweise einen Motorläufer, anzuordnen.
Bei den verwendeten Wälzlagern kann es sich beispielsweise um Rillenkugellager oder Schulterlager handeln. Da häufig eine genaue axiale Führung und somit ein exakter axialer Lagerabstand wichtig ist, ist es vorteilhaft, an den Wellenzapfen und/oder dem Verbindungselement Anschläge vorzusehen, um eine exakte Montage der Bauteile zu gewährleisten. Eine exakte axiale Führung ist insbesondere auch bei Rotorwellen für Turbomolekularpumpen wichtig, da die Lage des mit der Welle verbundenen Rotors hinsichtlich des Stators sehr präzise sein muss, um ein Anlaufen des Rotors in dem Stator zu verhindern.
Die Lauffläche der Lager weist beispielsweise bei der Verwendung von Rillenkugellagern eine geringe Rauhigkeit von insbesondere weniger als Ra = 0,06 μm.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. zeigt eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer schnellrotierenden Welle, bei der es sich insbesondere um eine Rotorwelle einer Turbomolekularpumpe handelt.
In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Wellenanordnung sind zwei Wellenzapfen 10 vorgesehen. Die beiden Wellenzapfen 10 sind jeweils von einem Wälzlager 12 umgeben. Die beiden Wälzlager 12 weisen jeweils einen Außenring 14 und von einem Käfig 16 getragene Wälzkörper 18 auf, bei denen es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um Kugeln handelt. Eine Oberfläche 20 der Wellenzapfen 10 ist im Bereich der Wälzlager bearbeitet und bildet eine, im dargestellten Ausführungsbeispiel als Rille ausgebildete Lauffläche 22 für die Wälzkörper 18 aus.
Die beiden Wellenzapfen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht unmittelbar sondern über ein Verbindungselement 24 miteinander verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 24 als Hohlzylinder ausgebildet, so dass in einem Innenraum 26 des hohlen Verbindungselements 24 ein Bauteil, wie ein Motorläufer, angeordnet werden kann. Das hohle Verbindungselement weist einen Innendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser der Wellenzapfen 10 entspricht, so dass die Wellenzapfen zur Verbindung mit dem Verbindungselement 24 in dieses eingesteckt werden können. Um einen definierten axialen Abstand der beiden Lager 12 zu gewährleisten können Anschläge vorgesehen sein. Diese können an der Innenseite des hohlen Verbindungselements oder an der Oberfläche 20 der Wellenzapfen vorgesehen sein.
Zur Montage werden die Wälzlager 12 zunächst auf den Wellenzapfen 10 montiert. Ggf. können auf den auf die Lager 12 bezogenen äußeren Enden der Wellenzapfen 10 weitere Bauteile von außen aufgesteckt werden. Des Weiteren können die mit dem Verbindungselement 24 zu verbindenden Bauteile vormontiert werden. Anschließend erfolgt ein Verbinden der beiden Wellenzapfen 10 mit dem Verbindungselement 24 durch Einstecken und festes Verbinden. Dies kann durch Einkleben, Reibschweißen, durch Vorsehen einer Presspasse etc. erfolgen.

Claims

Wellenanordnung für schnelldrehende Wellen, insbesondere Rotorwellen von Turbomolekularpumpen, mit einer zwei gesonderte, miteinander verbundene Wellenzapfen (10) aufweisenden Welle (10, 24), und einem Wälzlager (12) je Wellenzapfen (10), wobei die inneren Laufflächen (22) für Wälzkörper (18) der Wälzlager (10) durch Oberflächen (20) der Wälzzapfen (10) ausgebildet sind.
Wellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenzapfen (10) über ein Verbindungselement (24) miteinander verbunden sein.
Wellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (24) hohl ist, insbesondere als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Wellenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (24) mit einem Antriebselement, insbesondere einem Motorläufer, verbunden ist, der vorzugsweise innerhalb des hohlen Verbindungselements (24) angeordnet ist.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (24) insbesondere nach erfolgter Montage fest mit den beiden Wellenzapfen (10) verbunden ist.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wellenzapfen (10) und/oder das Verbindungselement (24) zur Festlegung des axialen Lagerabstands einen Anschlag aufweisen.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (12) Rillenkugellager sind.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächen (22) eine geringe Rauhigkeit von insbesondere weniger als Ra = 0,06 μm.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem der Wellenzapfen (10) und/oder dem Verbindungselement (24) ein Rotorelement einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularpumpe, verbunden ist.