DE102008030583A1

DE102008030583A1 - Shaft assembly for fast rotating shafts

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: WO2009156286A1; CN102066762A; JP2011525589A; 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.A shaft arrangement for fast-rotating shafts, as they are used in particular as rotor shafts for turbomolecular pumps, has two separate, interconnected shaft journals (10). On the two shaft journals (10) each have a rolling bearing (12) is arranged. By separating the shaft into at least two parts or two shaft journals, it is possible to form running surfaces (22) for rolling bodies (18) of the roller bearings (12) directly on a surface (20) of the shaft journals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung für schnelldrehende Wellen, insbesondere Wellen für Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen.The The invention relates to a shaft arrangement for fast-rotating shafts, in particular Shafts for vacuum pumps, like turbomolecular pumps.

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.Waves, in particular mechanically supported shafts of turbomolecular pumps, are usually over two Bearings stored. Here you can as a bearing rolling bearings be used. These usually have an inner ring and an outer ring on, between which the rolling elements, if necessary in a cage are arranged. The rolling element bearings be after mounting on the shaft between the two bearings arranged components mounted on the shaft, wherein the inner ring is fixed on the shaft. Is the wave one? Wave of a turbomolecular pump, is between the two camps For example, a rotor of the pump, a rotor of a drive motor, etc. arranged. For fast-spinning waves, such as those for turbomolecular pumps are constructed, there is a respect to the rolling bearings critical speed, that of the mean diameter of the rolling bearings dependent is. Simply put This critical speed range is lower, the larger the Diameter of the rolling bearing is. This results in a D * n factor, where D is the mean diameter of the bearing and n is the speed is. When designing fast-rotating shafts, it is desirable to that the D · n factor as possible is small. On the other hand, in the design and construction must be fast-rotating Waves are considered the natural bending frequency, the possible be great should. The bending natural frequency depends especially with the rigidity of the shaft, the mass of the shaft and the mass of the components connected to the shaft together. Since the bending natural frequency as possible be great should, it is desirable that also the rigidity of the wave preferably is great. The rigidity of the shaft can in particular by the enlargement of the Diameter can be achieved. The two in the construction and Design of a fast rotating shaft targets to be considered highest possible Biegeeigenfrequenz and one possible small Dn factor are thus opposite goals.

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.to Reduction of the average bearing diameter D it would be possible in principle, bearing without Inner ring to use. In such bearings, the running surfaces for the rolling elements are directly through the surface formed the shaft. Because the treads have an extremely smooth surface have very low roughness, is a fine machining the wave surface for training the treads required immediately before mounting the bearings. The at the Machining, very fine abrasion can, however, to the already settle on the shaft mounted components or in this penetration. Especially with high-precision components, such as rotors Turbomolecular pumps may cause damage to the pump during operation. is for example, mounted on the shaft of a motor rotor of a drive, would be one Magnet of the motor rotor the fine metal chips tighten, whereby a cleaning of the motor rotor of the chips or not only possible with considerable effort would. Using of rolling bearings without inner ring is therefore with fast rotating waves, in particular, if high precision on the shaft, sensitive components are mounted as in turbomolecular pumps, not possible.

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.task The invention is a shaft assembly for fast-rotating shafts, in particular rotor shafts a turbomolecular pump, to create, with an improvement the bending natural frequency and / or the D · n factor is possible. In particular, if possible huge Biegeeigenfrequenz a possible small Dn factor be achieved.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The solution The object is achieved according to the invention by the features of the claim 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.at the shaft assembly according to the invention a separation of the shaft takes place in at least two parts or shaft journals. Each shaft journal is a roller bearing intended. This makes it possible to roller bearings to provide without inner ring. This is by separating the shaft achieved in at least two shaft journals in that before assembly the treads for the Rolling elements on the surface The shaft journal can be produced. The processing of sensitive surfaces the running surfaces takes place thus before the assembly. Depending shaft journal can now from the one Side of the rolling bearing and from the other side, possibly to be arranged on the shaft journal Components are mounted. The components to be assembled must therefore no over the storage area be pushed onto the shaft, causing damage to the storage area to lead would. By the separation according to the invention the fast rotating shaft in at least two shaft journals it is thus possible roller bearing provide without inner ring, as an editing of the treads after the assembly is no longer necessary. Because with the same shaft diameter Bearings without inner ring have a smaller average diameter can by the measure according to the invention the D · n factor be reduced. Likewise, with a constant D · n factor The diameter of the shaft journal can be increased so that the bending natural frequency increases.

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.The inventive separation of the shaft in at least two shaft journals is advantageous in fast-rotating shafts. This is particularly advantageous for fast-rotating shafts on which high-precision components are mounted and thus machining of the shaft surface after assembly of the components is no longer possible. This is also advantageous if magnetic components, such as motor rotors, are mounted on the shaft, since these would attract machining chips. Particularly preferred is the use of the invention in shaft assemblies for rotor shafts of turbomolecular pumps.

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.at a particularly preferred embodiment the two shaft journals are not immediately but over one Connecting element connected to each other. This has particular the advantage that a separate assembly of components on the Connection element independent from the assembly of rolling bearings carried out can be. After mounting the bearings on the two shaft journals and the components on the connecting element, the connecting element be firmly connected with the two shaft journals. This is done, for example by gluing, welding, friction welding or over one Press fit. The provision of a connecting element also has the advantage that in the assembled state on both sides of the rolling bearing Components can be mounted. For example, on the outside of the rolling bearing arranged part of the shaft journal, a rotor of a turbomolecular pump and inside the rolling bearing be arranged connected to the connecting element, a motor rotor. For this is on the corresponding shaft journal from the outside of the rotor and from the inside the rolling bearing mounted so that the rotor is not pushed over the tread for the rolling elements must become. After the assembly of the bearing can then also from inside the connecting element connected to the shaft journal, be plugged in particular.

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.at Another particularly preferred embodiment of the invention the connecting element formed hollow. In particular, it is around a hollow cylinder, preferably on the two shaft journals is plugged. It is thus possible solid shaft with a hollow connecting element to combine. In this way, despite the advantageous provision of solid shaft journal the weight of the entire shaft clearly be reduced. A reduction in mass also leads to an increase in the Bending frequency. Further, it is the provision of a hollow connecting element possible, within the connecting element components, such as a Motor rotor, to arrange.

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.at the rolling bearings used For example, it can be deep groove ball bearings or shoulder bearings act. As often a precise axial guidance and thus an exact axial bearing distance is important, it is advantageous provide stops on the shaft journal and / or the connecting element, to ensure an exact assembly of the components. An exact axial guide is particularly important for rotor shafts for turbomolecular pumps, because the position of the rotor connected to the shaft with respect to the Stators very precise must be to prevent tarnishing of the rotor in the stator.

Die Lauffläche der Lager weist beispielsweise bei der Verwendung von Rillenkugellagern eine geringe Rauhigkeit von insbesondere weniger als Ra = 0,06 μm.The tread the bearing points, for example, when using deep groove ball bearings a low roughness of in particular less than Ra = 0.06 microns.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.following the invention will be described with reference to a preferred embodiment closer to the adjacent drawing explained.

Die Fig. zeigt eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer schnellrotierenden Welle, bei der es sich insbesondere um eine Rotorwelle einer Turbomolekularpumpe handelt.The Fig. Shows a schematic sectional view of a preferred embodiment a fast-rotating wave, which is in particular to is a rotor shaft of a turbomolecular pump.

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.In the illustrated preferred embodiment of a shaft assembly are two shaft journals 10 intended. The two shaft journals 10 are each from a rolling bearing 12 surround. The two rolling bearings 12 each have an outer ring 14 and from a cage 16 supported rolling elements 18 on, which are balls in the illustrated embodiment. A surface 20 the shaft journal 10 is machined in the rolling bearing and forms a trained in the illustrated embodiment as a groove tread 22 for the rolling elements 18 out.

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.The two shaft journals are not directly in the illustrated embodiment but via a connecting element 24 connected with each other. In the illustrated embodiment, the connecting element 24 designed as a hollow cylinder, so that in an interior 26 the hollow connecting element 24 a component, such as a motor rotor, can be arranged. The hollow connecting element has an inner diameter which corresponds to the outer diameter of the shaft journal 10 corresponds, so that the shaft journals for connection with the connecting element 24 can be plugged into this. To a defined axial distance of the two bearings 12 to ensure attacks can be provided. These may be on the inside of the hollow fastener or on the surface 20 be provided the shaft journal.

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.For mounting the rolling bearings 12 first on the shaft journal 10 assembled. Possibly. can on the on the bearings 12 related outer ends of the shaft journal 10 other components are attached from the outside. Furthermore, the with the connecting element 24 be pre-assembled to be connected components. Subsequently, a connection of the two shaft journals takes place 10 with the connecting element 24 by plugging in and firmly connecting. This can be done by gluing, friction welding, by providing a press fit, etc.

Claims

Shaft assembly for high-speed shafts, in particular rotor shafts of turbomolecular pumps, with a two separate, interconnected shaft journals ( 10 ) wave ( 10 . 24 ), and a rolling bearing ( 12 ) per shaft journal ( 10 ), wherein the inner treads ( 22 ) for rolling elements ( 18 ) of rolling bearings ( 10 ) through surfaces ( 20 ) the Wälzapfen ( 10 ) are formed.

Shaft arrangement according to claim 1, characterized in that the shaft journals ( 10 ) via a connecting element ( 24 ) be interconnected.

Shaft arrangement according to claim 2, characterized in that the connecting element ( 24 ) is hollow, in particular is designed as a hollow cylinder.

Shaft arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the connecting element ( 24 ) is connected to a drive element, in particular a motor rotor, preferably within the hollow connecting element ( 24 ) is arranged.

Shaft arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the connecting element ( 24 ), in particular after installation firmly with the two shaft journals ( 10 ) connected is.

Shaft arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that the two shaft journals ( 10 ) and / or the connecting element ( 24 ) have a stop for fixing the axial bearing distance.

Shaft arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rolling bearings ( 12 ) Are deep groove ball bearings.

Shaft arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the running surfaces ( 22 ) a low roughness of in particular less than Ra = 0.06 microns.

Shaft arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that with at least one of the shaft journals ( 10 ) and / or the connecting element ( 24 ) a rotor element of a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump is connected.