DE102006059947A1

DE102006059947A1 - Tandem-Lageranordnung mit einer Vorrichtung zum Ausgleich temperaturbedingter Lagerverspannungen

Info

Publication number: DE102006059947A1
Application number: DE102006059947A
Authority: DE
Inventors: Oswald Bayer; Gabriele Laugisch; Chris Mitchell
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2008074296A3; WO2008074296A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tandem-Lageranordnung (40, 40'), beispielsweise zur Lagerung der Hauptspindel (41) einer Werkzeugmaschine, mit zumindest zwei axial nebeneinander angeordneten Wälzlagern (42, 43), mit jeweils einem Innenring (44, 45) und jeweils einem Außenring (46, 47), zwischen denen Wälzkörper (56, 57) angeordnet sind, wobei die beiden Innenringe (44, 45) in einer axialen Richtung sowie die beiden Außenringe (46, 47) in der entgegengesetzten axialen Richtung über zugeordnete Anschläge (48, 49) an einer Welle (41) bzw. an einem Maschinengehäuse (55) fixiert sind. Zum Ausgleich von sowohl temperaturbedingten Längendifferenzen einer solchen Welle gegenüber deren Festlagersitz als auch von temperaturbedingten Radialverspannungen innerhalb der Tandem-Lageranordnung (40, 40') sieht die Erfindung vor, dass der Außenring (46) des einen Wälzlagers (42) zumindest mittelbar sowie ohne Zwischenlage des anderen Außenringes (47) an einem axialen Anschlag (49) anliegt und dass der Außenring (47) des anderen Wälzlagers (43) sich über wenigstens ein Federelement (50) ebenfalls zumindest mittelbar an diesem Anschlag (49) abstützt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Tandem-Lageranordnung, beispielsweise zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, mit zumindest zwei axial nebeneinander angeordneten Wälzlagern, mit jeweils einem Innenring und jeweils einem Außenring, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind, wobei die beiden Innenringe in einer axialen Richtung sowie die beiden Außenringe in der entgegengesetzten axialen Richtung über zugeordnete Anschläge an einer Welle bzw. an einem feststehenden Bauteil fixiert sind.
Hintergrund der Erfindung
Dem Fachmann auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass zur Führung und Abstützung eines umlaufenden Maschinenteils zumindest zwei in bestimmten Abständen voneinander angeordnete Lager erforderlich sind. Erfolgt dabei die Abstützung der Welle mit zwei Radialla gern, tritt das Problem auf, dass die Abstände der Lagersitze auf der Welle und im Gehäuse nur im Rahmen der Fertigungstoleranzen übereinstimmen. Außerdem erwärmt sich die Welle unter Betriebsbedingungen in der Regel stärker als das beispielsweise flüssigkeitsgekühlte Gehäuse, so dass auch die temperaturbedingten Längendifferenzen der Welle in den Lagerstellen sowie unterschiedliche wärmebedingte Durchmesseränderungen der Lagerringe ausgeglichen werden müssen. Eine seit langem übliche Möglichkeit zum Ausgleich dieser Fertigungstoleranzen und Längendifferenzen ist es daher, die Welle nur in einem Festlager in axialer Richtung zu führen, während an der anderen Lagerstelle durch ein Loslager die unterschiedlichen Abstände entweder an der Sitzstelle des Innenrings, an der Sitzstelle des Außenrings oder im Lager selbst durch Verschieben der Lagerringe zueinander ausgeglichen werden. Während sich als Festlager einer solchen Wellenlagerung je nach geforderter Genauigkeit der axialen Führung der Welle vor allem Rillenkugellager, Pendel- oder Kegelrollenlager oder auch zweireihige oder zwei einreihige Schrägkugellager als besonders geeignet erwiesen haben, sind Loslager am einfachsten durch Zylinderrollenlager oder Nadellager realisierbar, da bei diesen Lagertypen eine Verschiebung des Rollkörperkranzes auf der Laufbahn des jeweils bordlosen Lagerringes bzw. der Welle möglich ist.
Eine andere Möglichkeit zur Realisierung eines Loslagers bei der Lagerung einer Werkzeugmaschinen-Hauptspindel stellt das in der EP 926 368 A2 offenbarte Kugellager dar, bei dem ein Laufring mit einer rillenförmigen Kugellaufbahn und ein zweiter Laufring mit einer im Längsschnitt ebenen Kugellaufbahn ausgebildet ist, und die zwischen den Laufringen angeordneten Lagerkugeln aus Keramik bestehen. Durch die Ausbildung des Lagers mit einer definierten Radialluft soll dabei erreicht werden, dass das Lager sowohl einen ausreichenden Sitz auf der Welle und im Gehäuse als auch ein günstiges Betriebsspiel aufweist, während die Loslagerfunktion durch Axialverschiebung der Lagerringe im Bereich der ebenen Lauffläche gewährleistet ist.
Beim Einsatz von Zylinderrollen- oder Nadellagern als Loslager einer Hauptspindel einer Werkzeugmaschinen hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass diese Lager zumeist eine hohe radiale Steifigkeit aufweisen, die sich bei Temperaturunterschieden zwischen Innenring und Außenring oder zwischen Welle und Außenring durch unterschiedliche Wärmeausdehnung in einer zunehmenden Radialverspannung im Lager bemerkbar macht. Die durch diese temperaturbedingte Radialverspannung immer weiter zunehmende Reibung zwischen den Lagerringen und den Rollkörpern kann dabei so stark werden, dass durch die entstehende Reibungswärme die zulässige Betriebstemperatur des Lagers überschritten wird und der erforderliche Schmierfilm zwischen den Rollen und den Lagerringen bis hin zum teilweisen Verbrennen des Schmierstoffs sowie dem vorzeitigen Ausfall des Lagers örtlich abreißt.
Auch die Möglichkeit, derartige Lager um das Maß der höchstmöglichen Radialverspannung kleiner auszubilden stellt keine Lösung des genannten Problems dar, wenn aus Genauigkeitsgründen die Forderung besteht, dass das Loslager der Hauptspindellagerung ohne Radialspiel oder sogar mit leichter Vorspannung montierbar sein muss. Das in der EP 926 368 A2 offenbarte Kugellager wirkt zwar einer solchen temperaturbedingten Radialverspannung im Lager durch dessen definierte Radialluft entgegen, es hat demgegenüber jedoch den Nachteil, dass es nur eine niedrige statische Belastbarkeit aufweist und damit in so genannten Crashfällen, bei denen das Lager schlagartig einer extrem hohen Punktbelastung ausgesetzt ist, zu Materialschäden sowie letztendlich zum Totalausfall neigt.
Aus der DE 197 44 280 A1 ist darüber hinaus ein Axial-Radial-Kugellager bekannt, das zur Abstützung oszillierender Bewegungen an Webmaschinen geeignet ist sowie im Wesentlichen aus einem inneren Lagerring mit einer rillenförmigen Kugellaufbahn und aus zwei äußeren Lagerringen mit schräg angeordneten ebenen Kugellaufbahnen sowie aus zwischen diesen drei Kugellaufbahnen angeordneten und mit diesen jeweils in Punktkontakt stehen den Lagerkugeln besteht. Auf die beiden äußeren Lagerringe ist darüber hinaus unter Vorspannung über zwei nachgiebige Dichtungen eine äußere Lagerhülse aufgeformt, so dass ein sowohl axial als auch radial spielfreies Dreipunktlager gebildet ist. Die Dichtungen wirken dabei gleichzeitig als Ausgleichselemente, durch deren leichte Vorspannung die Last über alle Lagerkugeln gleichmäßig vom inneren Lagerring auf die beiden äußeren Lagerringe übertragen und die Gefahr von Brinellierung (Mantelhärtung durch Druckkontakt) oder Tribokorrosion (Reibungskorrosion) vermindert werden soll.
Mit einem solchen Dreipunktlager ist es durch die mit den äußeren Lagerringen in Wirkverbindung stehenden elastischen Dichtungen in begrenztem Masse zwar möglich, auch temperaturbedingte Radialverspannungen zwischen dem inneren Lagerring und den äußeren Lagerringen auszugleichen, dennoch ist ein solches Lager für die Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine nicht geeignet, da dessen axiale Elastizität nicht ausreicht, die bei einer solchen Lagerung auftretenden drehzahl- und temperaturbedingten Veränderungen der Lagerluft sowie der Vorspannung im Lager ohne Beschädigungen auszugleichen. Auch ein Ausgleich temperaturbedingter Längendifferenzen der Hauptspindel in den Lagerstellen ist mit einem solchen Dreipunktlager nicht möglich, da hierzu erst aufwendige Maßnahmen zur Ausbildung des Lagers als Loslager notwendig wären.
Außerdem ist aus der DE 10 2004 048 720 A1 ein Kugellager bekannt, welches insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine dient. Eine Ausführungsform dieses einreihigen Kugellagers ist in der beigefügten 5 dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Das bekannte Kugellager 1 besteht im Wesentlichen aus einem inneren Lagerring 2 mit einer rillenförmigen Kugellaufbahn 3 sowie einem ersten und einem zweiten äußeren Lagerring 4, 5 mit jeweils einer abgeschrägten Kugellaufbahn 6 bzw. 7, wobei zwischen den drei Kugellaufbahnen 3, 6, 7 eine Anzahl mit diesen jeweils in Punktkontakt befindlichen Lagerkugeln 8 angeordnet sind.
Außerdem ist vorgesehen, dass dieses Kugellager 1 durch eine die äußeren Lagerringe 4, 5 umschließende und gegenüber dem ersten äußeren Lagerring 4 starre Schiebehülse 9 sowie durch die gegen eine Rückstellfederkraft axial verschiebliche Anordnung des zweiten äußeren Lagerrings 5 radial innerhalb dieser Schiebehülse 9 sowohl als temperaturbedingte Längendifferenzen einer Hauptspindel einer Werkzeugmaschine gegenüber deren Festlagersitz ausgleichendes Loslager als auch als temperaturbedingte Radialverspannungen zwischen dem inneren Lagerring 2 und den äußeren Lagerringen 4, 5 ausgleichendes, in sich vorgespanntes Dreipunktlager ausgebildet ist.
Eine Möglichkeit, eine starre Anordnung des ersten äußeren Lagerrings 4 des Kugellagers 1 gegenüber der Schiebehülse 9 zu erreichen, ist dadurch gegeben, dass der erste äußere Lagerring 4 des Kugellagers 1 stufenförmig an eine Randpartie der Innenmantelfläche 13 der Schiebehülse 9 angeformt und demnach mit der Schiebehülse 9 als ein einteiliges Integralbauteil ausgebildet ist.
Des Weiteren ist bei diesem bekannten Kugellager 1 vorgesehen, dass die Außenmantelfläche 14 der Schiebehülse 9 als Gleitfläche zum Loslagersitz 15 des Kugellagers 1 in einem Gehäuse 16 und die Innenmantelfläche 13 der Schiebehülse 9 als Gleitfläche für den axial verschieblichen zweiten äußeren Lagerring 5 ausgebildet ist. Zu diesem Zweck weist die Schiebehülse 9 des Kugellagers 1 eine zumindest auf das Doppelte erhöhte Breite gegenüber dem inneren Lagerring 2 auf, während der erste äußere Lagerring 4 des Kugellagers 1 mit einer maximal der Hälfte der Breite des inneren Lagerrings 2 entsprechenden Breite ausgebildet ist. Darüber hinaus ist die Schiebehülse 9 sowohl an ihrer Außenmantelfläche 14 als auch an ihrer Innenmantelfläche 13 mit einer reibungsmindernden Beschichtung 17, 18 ausgestattet, so dass eine dauerhafte leichtgängige Axialverschiebung des Kugellagers im Gehäuse sowie des zweiten äußeren Lagerrings innerhalb des Kugellagers gewährleistet ist.
Der zweite äußere Lagerring 5 des Kugellagers 1 ist unter der Vorspannung einer Rückstellkraft einer Rückstellfeder 27 mit seiner laufbahnseitigen Stirnfläche 19 an der laufbahnseitigen Stirnfläche 20 des ersten äußeren Lagerrings 4 und an der Innenmantelfläche 13 der Schiebehülse 9 anliegend angeordnet, wobei die auf den zweiten äußeren Lagerring 5 wirkende Rückstellfederkraft durch einen diesem Lagerring 5 axial gegenüber innerhalb der Schiebehülse 9 angeordneten Federdruckring 21 erzeugt wird. Dieser Federdruckring 21 liegt mit seiner Umfangsfläche 22 an der Innenmantelfläche 13 der Schiebehülse 9 an und stützt sich mit seiner äußeren Seitenfläche 23 gegen einen in eine umlaufende Nut in der Innenmantelfläche 13 der Schiebehülse 9 eingesetzten Sprengring 24 ab. In seiner dem zweiten äußeren Lagerring 5 zugewandten Seitenfläche 25 weist der Federdruckring 21 darüber hinaus mehrere gleichmäßig zueinander beabstandete axiale Grundbohrungen 26 auf, in denen jeweils die einen Enden mehrerer Druckschraubenfedern 27 aufgenommen sind.
Die Kraftübertragung des Federdruckrings 21 auf den zweiten äußeren Lagerring 5 des Kugellager 1 erfolgt derart, dass dieser zweite äußeren Lagerring 5 als Integralbauteil mit einem rückseitig angeformten und den gleichen Außendurchmesser aufweisenden weiteren Druckring 28 ausgebildet ist, dessen Profilquerschnitt zumindest annähernd dem Profilquerschnitt des Federdruckrings 21 entspricht. Dieser Druckring 28 weist in seiner dem Federdruckring 21 zugewandten Seitenfläche 29 eine gleiche Anzahl axialer Grundbohrungen 30 wie der Federdruckring 21 auf, in denen jeweils die anderen Enden der Druckschraubenfedern 27 des Federdruckrings 21 aufgenommen sind. Um ein Verkanten des zweiten äußeren Lagerrings 5 bei dessen durch Radialverspannungen im Kugellager 1 bedingten Axialverschiebung in der Schiebehülse 9 zu vermeiden, weist dieser zweite äußere Lagerring 5 darüber hinaus zusammen mit dem rückseitig angeformten Druckring 28 an seinem Außendurchmesser mindestens eine Breite auf, die der vollen Breite des inneren Lagerrings 2 des Kugellagers 1 entspricht.
Zudem ist es bekannt, zur Lagerung von Werkzeugmaschinenspindeln so genannte Tandem-Lageranordnungen zu nutzen. Auch diese sind während ihres bestimmungsgemäßen Betriebes unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt, durch die diese ihre Geometrie sowie ihre Eigenschaften, wie etwa Belastungsvermögen und Steifigkeit, verändern. Die hierfür genutzten einzelnen Lager sind solche, bei denen der Druckwinkel größer Null ist, beispielsweise Schrägkugellager oder Kegelrollenlager. Aus Stabilitätsgründen benötigen Lager mit einem Druckwinkel größer Null mindestens ein Gegenlager, das gegenüber der anderen Lagerstelle in O-Anordnung oder X-Anordnung starr oder elastisch angestellt ist.
Die eingangs erwähnten unterschiedlichen Temperaturen im Bereich einer elektromotorisch angetriebenen Hauptspindel einer Werkzeugmaschine führen dazu, dass, bedingt durch den axialen Wärmefluss in einer solchen Hauptspindel weg von dem Elektromotor und hin zu dem Spannfutter, die einzelnen Lager einer Tandem-Lageranordnung temperaturbedingt unterschiedlichen Wärmeausdehnungen unterliegen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Innenring und dem gehäusefesten Außenring des motornäheren Lagers ist dabei größer als bei dem vom Elektromotor weiter entfernten Lager. Diese unterschiedlichen Temperaturdifferenzen führen zu unterschiedlichen radialen Ausdehnungen der jeweiligen Lagerkomponenten der Tandem-Lageranordnung.
Ein zweiter Effekt ist die durch die verschiedenen Temperaturen an der Lagerung bedingte, unterschiedliche thermische axiale Dehnung von Welle und Gehäuse. Die wärmere Welle dehnt sich dabei axial stärker aus als das gekühlte Gehäuse. Dadurch wandern die Innenringe eines Tandem-Lagerpaares axial weiter auseinander als die Außenringe.
Besonders bei Spindeln mit hohen Drehzahlen können die Lager im Tandemsatz bekanntermaßen durch axial wirkende Federn gegenüber einer Gegenlagerstelle elastisch vorgespannt werden. Diese Federvorspannung kann aber nur die thermisch bedingten Veränderungen zwischen diesem Tandemsatz und der Gegenlagerstelle ausgleichen. Die Veränderungen axial und radial innerhalb der Lager einer Tandem-Lageranordnung können solche Federn jedoch nicht beeinflussen. Dies führt letztlich zu unterschiedlichen Belastungen der Lager eines Tandemsatzes. Im schlimmsten Fall sogar zu einer Überlastung des betroffenen Lagers und/oder zu einem Vorspannungsverlust des axial äußeren Lagers mit entsprechenden Schlupfschäden. Beide Ursachen führen unter anderem zu einer deutlichen Verminderung der Gebrauchsdauer der Lager.
Vor diesem Hintergrund sind aus der DE 1 289 384 B und der DE 25 03 858 C3 einreihige Kegelrollenlager zum spannfutterfernen Lagern einer Spindelwelle einer Werkzeugmaschine bekannt Die Kegelrollenlager weisen jeweils einen Innenring und einen axial verlängerten Außenring auf, wobei der Außenring im Verlängerungsbereich axiale Bohrungen aufweist, in denen Schraubendruckfedern eingesetzt sind. Diese Federn stützen sich an einem Gehäuse ab und drücken den Außenring axial an die kegeligen Wälzkörper.
Schließlich ist aus der DE 18 36 348 U1 eine Wälzlageranordnung mit zwei Schulterkugellagern zur Lagerung schnell laufender Spindeln, etwa von Schleifmaschinen bekannt, die einen gemeinsamen Innenring und zwei Außenringe aufweist. Die beiden Außenringe werden durch mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte Druckfedern axial auseinander gedrückt, die in gemeinsamen ringförmigen Aufnahmen der beiden Außenringe sitzen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Tandem-Lageranordnung, beispielsweise zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, vorzuschlagen, welche ohne Radialspiel oder sogar mit leichter Vorspannung montierbar sein soll, und mit der durch einfache und kostengünstige konstruktive Maßnahmen es möglich ist, sowohl temperaturbedingte Längendifferenzen einer solchen Hauptspindel oder anderen Welle gegenüber deren Festlagersitz als auch als temperaturbedingte Radialverspannungen innerhalb des Lagers auszugleichen. Zudem soll die Tandem-Lageranordnung als eine einbaufertige Einheit aufbaubar sein, die leicht montierbar ist und ohne aktuatorische Vorrichtungen auskommt.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die genannten thermischen Effekte auf die zu lagernde Welle und damit auf eine diesbezügliche Tandem-Lageranordnung dann in der Tandem-Lageranordnung kompensiert werden können, wenn eines der beiden Wälzlager in einer axialen Richtung an der zu lagernden Welle und in der anderen axialen Richtung an dem das Tandem-Lager aufnehmenden Maschinengehäuse direkt abgestützt ist. Der Außenring dieses Wälzlagers bildet mit seiner zum Anschlag verlängerten Innenmantelfläche einen Schiebesitz für den Außenring des anderen Wälzlagers, wobei letzterer Außenring über zumindest ein Federelement gegenüber dem Außenringanschlag axial verschiebbar angeordnet ist.
Die Erfindung geht daher aus von einer Tandem-Lageranordnung, beispielsweise zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, mit zumindest zwei axial nebeneinander angeordneten Wälzlagern, mit jeweils einem Innenring und jeweils einem Außenring, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind, wobei die beiden Innenringe in einer axialen Richtung sowie die beiden Außenringe in der entgegengesetzten axialen Richtung über zugeordnete Anschläge an einer Welle bzw. an einem feststehenden Bauteil fixiert sind.
Außerdem ist bei dieser Tandem-Lageranordnung vorgesehen, dass der Außenring des einen Wälzlagers zumindest mittelbar sowie ohne Zwischenlage des anderen Außenringes an einem axialen Anschlag anliegt und der Außenring des anderen Wälzlagers sich über wenigstens ein Federelement ebenfalls zumindest mittelbar an diesem Anschlag abstützt.
Wie erwähnt führen betriebsbedingte axiale Temperaturunterschiede an der zu lagernden Welle und damit zwischen dem Innenring und dem Außenring eines jeden Wälzlagers einer Tandem-Lageranordnung aber auch axial zwischen den beiden Wälzlagern zu merklichen Änderungen der Lagervorspannung. Dies hat ohne weitere konstruktive Maßnahmen zur Folge, dass das axial dichter an der die Welle aufheizenden Wärmequelle sitzende Wälzlager einer Tandem-Lageranordnung höher beansprucht wird und/oder das gegenüberliegende äußere Wälzlager die gewünschte Vorspannung verliert, so dass in beiden Fällen eine gewünschte Gebrauchsdauer der Lageranordnung nicht erreicht wird.
Durch den Aufbau einer Tandem-Lageranordnung gemäß der Erfindung wird eine temperaturbedingte Längsdehnung an dem zu lagernden Bauteil bzw. an der Welle und eine damit einhergehende Abnahme der axialen Vorspannung in der Wälzlageranordnung in den einzelnen Wälzlagern durch ein axiales Verschieben des federbelasteten Außenringes ausgeglichen. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die an den Innenringen der beiden Wälzlager angreifenden Kräfte durch jeden der beiden Außenringe getrennt an einer geeigneten Stelle in das feststehende Bauteil eingeleitet werden. Außerdem ist es wichtig, dass die Außenringe beider Wälzlager der Tandem-Lageranordnung ständig und direkt in Kontakt mit der feststehenden lastaufnehmenden Einrichtung, also etwa einem Maschinengehäuse sind.
Unter dem Begriff des direkten Kontaktes wird verstanden, dass keiner der beiden Außenringe der Wälzlager der Tandem-Lageranordnung nur mittelbar über den Außenring des anderen Wälzlagers an der lastaufnehmenden Ein richtung abgestützt ist. Ein in diesem Sinne direkter Kontakt des Außenringes eines Wälzlagers mit der lastaufnehmenden Einrichtung liegt demnach auch dann vor, wenn axial zwischen diesem Außenring und einer axialen Anschlagfläche beispielsweise eines Maschinengehäuses Federelemente und/oder ein noch weiter unten zu erläuternder Gegenring angeordnet ist.
Gemäß einer konstruktiven Weiterbildung dieses Bauprinzips ist vorgesehen, dass der Außenring desjenigen Wälzlagers direkt an einem Anschlag anliegt, dessen Innenring sich in die entgegengesetzte axiale Richtung unmittelbar an dem anderen axialen Anschlag abstützt. Nach dieser Ausführungsform ist daher eines der beiden Wälzlager axial direkt an zugeordneten Anschlägen an der Welle und eines lastaufnehmenden Bauteils, wie etwa ein Maschinengehäuse, abgestützt. Das andere Wälzlager der Tandem-Lageranordnung hat mit diesen beiden Axialanschlägen nur mittelbar über das genannten zumindest eine Federelement bzw. in entgegengesetzter Richtung über den Innenring des erstgenannten Wälzlagers Kontakt.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass nur zwischen den Innenringen der beiden Wälzlager ein Distanzring angeordnet ist, so dass zwischen den benachbarten Außenringen der beiden Wälzlager der Tandem-Lageranordnung ein solcher Distanzring fehlt. Dadurch ist gewährleistet, dass sich der Außenring des einen Wälzlagers gegenüber dem Außenring des anderen Wälzlagers axial verschieben kann.
In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung vor, dass der direkt an seinem Anschlag anliegende Außenring des einen Wälzlagers in Richtung zu seinem Anschlag einen axialen Fortsatz aufweist, welcher den Außenring des anderen Wälzlagers axial übergreift. Dieser axiale Fortsatz am Außenring ist bevorzugt hohlzylindrisch oder durch mehrere axiale Stege gebildet.
Um die Tandem-Lageranordnung als kompakte und nach einer Vormontage auf der zu lagernden Welle bzw. an einem feststehenden Bauteil bzw. in dem Maschinengehäuse montierbare Einheit auszubilden, ist vorgesehen, dass der Fortsatz am Außenring an einem Gegenring anliegt oder mit diesem verbunden ist, welcher mit seiner gegenüberliegenden Stirnseite an dem gehäuseseitigen Anschlag für die Außenringe anliegt bzw. zur Anlage gebracht wird.
Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass der Gegenring und der Außenring am axialen Ende seines Fortsatzes mittels eines Gewindes, mittels eines Clips-Verschlusses oder mittels eines Bajonettverschlusses miteinander verbunden sind. Der Gegenring kann zusätzlich die Funktion eines Deckels zur seitlichen Abdichtung der Tandem-Lageranordnung erfüllen. Demnach sind die beiden Wälzlager, das zumindest eine Federelement und der Gegenring Bestandteile einer vormontierbaren Einheit, bei der das zumindest eine Federelement eine Druckkraft auf den fortsatzlosen Außenring des einen Wälzlagers ausübt.
Ein weiteres wichtiges Gestaltungsmerkmal der erfindungsgemäßen Tandem-Lageranordnung ist dadurch gegeben, dass die radiale Innenmantelfläche des Fortsatzes des einen Außenringes als axialer Schiebesitz für die radiale Außenmantelfläche des fortsatzlosen Außenringes des anderen Wälzlagers ausgebildet ist. Dies ermöglicht es dem fortsatzlosen Außenring, bei einer temperaturbedingten Längenänderung der zu lagernden Welle diese durch eine federkraftunterstützte Axialbewegung an der Schiebesitzfläche zu kompensieren, wodurch unzulässige Lagerspannungen vermieden werden.
Hinsichtlich des zumindest einen Federelements ist bevorzugt vorgesehen, dass dieses eine Federsteifigkeit aufweist, die zumindest doppelt so hoch ist wie die mittlere axiale Betriebssteifigkeit eines der beiden Wälzlager. Als Federelement kann ein Wellring, eine Tellerfeder oder zumindest drei um fangsverteilt angeordnete separate Druckfedern, vorzugsweise Schraubendruckfedern, vorgesehen sein. Bei einem Betrieb der Tandem-Lageranordnung unter weniger hohen Maximaltemperaturen kann auch ein elastisches Federelement aus einem Kunststoff zum Einsatz gelangen.
Zur besonders wirkungsvollen Arbeitsweise der Tandem-Lageranordnung ist vorgesehen, dass das Wälzlager mit dem fortsatzlosen Außenring dichter an einer auf das zu lagernde Bauteil bzw. die zu lagernde Welle einwirkende Wärmequelle angeordnet ist als das andere Wälzlager.
Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal ist der Außenring mit dem Fortsatz des wärmequellefernen Wälzlagers an einem Maschinengehäuse oder an einem anderen feststehenden Bauteil fixierbar.
Schließlich ist bei einer bevorzugten Tandem-Lageranordnung gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die beiden Wälzlager als Schrägkugellager ausgebildet sind, bei denen jeweils die Axialkräfte aufnehmenden Schultern der Außenringe in Richtung zu derjenigen Wärmequelle weisen, die auf die zu lagernde Welle einwirkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Tandem-Lageranordnung mit zwei Schrägkugellagern,
2 eine Variante der Tandem-Lageranordnung gemäß 1,
3 eine Ausschnittsvergrößerung aus 2,
4 eine Tandem-Lageranordnung gemäß dem Stand der Technik, und
5 ein Kugellager gemäß der DE 10 2004 048 720 A1 .
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Wie 4 verdeutlicht, besteht eine bekannte Tandem-Lageranordnung 60 im Wesentlichen zwei einzelnen Schrägkugellagern 63 und 64, deren Innenringe 65, 67 auf einer Welle 61 kraft- und formschlüssig aufgeschoben sind, und deren Außenringe 66, 68 kraft- und formschlüssig in einem Maschinengehäuse 62 sitzen. Zwischen den jeweiligen Innenringen und Außenringe sind als Kugeln ausgebildete Wälzkörper 71, 72 angeordnet, die in zugeordneten Bahnen der Lagerringe abrollen können. Die beiden Schrägkugellager 63, 64 sind axial durch zwei Distanzringe 69, 70 voneinander beabstandet und die Axialkräfte aufnehmenden Schultern der Außenringe 66, 68 weisen in die gleich Richtung; in 4 nach rechts.
Der Innenring 65 des in der 4 linken Wälzlagers 63 liegt formschlüssig an einem Anschlag 73 auf der Welle 61 an, gegen den sich auch der Innenring 67 des rechten Wälzlagers 64 über den radial inneren Distanzring 69 und den anderen Innenring 65 abstützt. Axial gegenüberliegend liegt der Außenring 68 des rechten Wälzlagers 64 an einem an dem Maschinengehäuse 62 ausgebildeten Anschlag 74 formschlüssig an, gegen den sich auch der Außenring 66 des linken Wälzlagers 63 über den radial äußeren Distanzring 70 und den anderen Außenring 68 abstützt.
Abweichend davon zeigen die 1 und 2 zwei gemäß der Erfindung ausgebildete Tandem-Lageranordnungen 40 bzw. 40'. Diese beiden Tandem-Lageranordnungen 40 bzw. 40' unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Ausbildung des axialen Endes des Außenringes des jeweils linken Wälzlagers 42 und eines zugeordneten Gegenringes 53. Die beiden Tan dem-Lageranordnungen 40, 40' sind aus zwei Radialschrägkugellagern 42, 43 aufgebaut und dienen zur Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel 41 in einem Maschinengehäuse 55. Es ist aber auch möglich, eine solche Tandem-Lageranordnung mit zwei Kegelrollenlagern aufzubauen. Eine auf die Werkzeugmaschinenspindel 41 wirkende Wärmequelle, etwa ein die Spindel 41 antreibender Elektromotor, ist rechts außerhalb des Gesichtsfeldes der 1 und 2 angeordnet.
Die beiden Radialschrägkugellager 42, 43 der Tandem-Lageranordnung 40, 40' weisen jeweils einen Innenring 44, 45 und jeweils einem Außenring 46, 47 auf, zwischen denen zugeordnete Wälzkörper 56, 57 angeordnet sind. Der Innenring 44 des wärmequellefernen Wälzlagers 42 ist axial gegen einen Anschlag 48 auf der Welle 41 festgelegt, an den sich auch der Innenring 45 des wärmequellenahen Wälzlagers 43 über einen Distanzring 51 und den anderen Innenring 44 abstützt.
Der Außenring 46 des wärmequellefernen Wälzlagers 42 sitzt mit seiner Außenmantelfläche in einem Lagersitz des Maschinengehäuses 55. An diesem Außenring 46 ist ein axialer Fortsatz 52 ausgebildet, dessen Stirnseite an dem bereits kurz erwähnten Gegenring 53 formschlüssig anliegt. Der Gegenring 53 selbst stützt sich mit seiner gegenüberliegenden Stirnseite an einem axialen Anschlag 49 des Maschinengehäuses 55 ab, der als Gehäuseschulter ausgebildet ist. Durch diesen Aufbau ist das wärmequelleferne Wälzlager 42 axial in beide Richtungen weitgehend festgeklemmt.
Das wärmequellenahe, rechte Wälzlager 43 weist einen fortsatzlosen Außenring 47 auf, der radial unterhalb des axialen Fortsatzes 52 des anderen Außenringes 46 angeordnet ist. Dabei sind die Außenmantelfläche des warmequellenahen Wälzlagers 43 und die Innenmantelfläche des Fortsatzes 52 derart ausgebildet, dass der Fortsatz 52 für den Außenring 47 einen axialen Schiebesitz bildet.
Dadurch ist der Außenring 47 des wärmequellenahen, rechten Wälzlagers 43 axialverschiebbar, so dass wärmebedingte Längenänderungen der Welle 41 kompensierbar sind.
Um sicher zu gewährleisten, dass der fortsatzlose Außenring 47 bei einer temperaturbedingten Längenänderung der Welle 41 seine optimale Position gegenüber dem zugeordneten Innenring 45 nicht verlässt, wirken mehrere Federelemente 50 axial auf denselben. Diese Federelemente 50 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Schraubendruckfedern ausgebildet, die sich mit ihrem einen Ende an der zur Wärmequelle weisenden rechten Stirnseite des fortsatzlosen Außenringes 47 abstützen und mit ihrem anderen freien Ende an einem Radialabschnitt des Gegenringes 53 anliegen.
Die 2 und 3 verdeutlichen, dass die Tandem-Lageranordnung 40' als vormontierbare Baueinheit realisierbar ist, welche die beiden Wälzlager 42 und 43, den Distanzring 51, die Federmittel 50 und den Gegenring 53 umfasst. Diese Baueinheit ist nach deren Vormontage vergleichsweise einfach auf die Welle 41 aufschiebbar (2). Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Fortsatz 52 des wärmequellefernen Außenringes 46 an seinem freien Ende ein Verschlussmittel 54, hier ein Bestandteil eines Bajonett-Verschlusses, aufweist, in welches ein diesbezügliches Gegenstück am Gegenring 53 eingreift.

1: Kugellager
2: Innerer Lagerring
3: Kugellaufbahn von 2
4: Erster äußerer Lagerring
5: Zweiter äußerer Lagerring
6: Kugellaufbahn von 4
7: Kugellaufbahn von 5
8: Lagerkugeln
9: Schiebehülse
10: Hauptspindel
13: Innenmantelfläche von 9
14: Außenmantelfläche von 9
15: Loslagersitz
16: Gehäuse
17: Beschichtung von 13
18: Beschichtung von 14
19: Laufbahnseitige Stirnfläche von 5
20: Laufbahnseitige Stirnfläche von 4
21: Federdruckring
22: Umfangsfläche
23: Äußere Seitenfläche von 21
24: Sprengring
25: Seitenfläche von 21
26: Grundbohrungen in 21
27: Druckschraubenfedern
28: Druckring
29: Seitenfläche von 28
30: Grundbohrungen in 29
40: Tandem-Lageranordnung
40': Tandem-Lageranordnung
41: Werkzeugmaschinenspindel, Welle
42: Wälzlager, Schrägkugellager
43: Wälzlager, Schrägkugellager
44: Innenring
45: Innenring
46: Außenring
47: Außenring
48: Anschlag auf der Welle
49: Anschlag am Gehäuse
50: Federelement
51: Distanzring
52: Fortsatz des Außenrings 46
53: Gegenring
54: Verschlussmittel
55: Gehäuse, Maschinengehäuse, feststehendes Bauteil
56: Kugel, Wälzkörper
57: Kugel, Wälzkörper
60: Tandem-Lageranordnung (Stand der Technik)
61: Welle
62: Gehäuse
63: Wälzlager
64: Wälzlager
65: Innenring
66: Außenring
67: Innenring
68: Außenring
69: Distanzring
70: Distanzring
71: Wälzkörper, Kugel
72: Wälzkörper, Kugel
73: Anschlag auf Welle 61
74: Anschlag am Gehäuse 62

Claims

Tandem-Lageranordnung (40, 40'), beispielsweise zur Lagerung der Hauptspindel (41) einer Werkzeugmaschine, mit zumindest zwei axial nebeneinander angeordneten Wälzlagern (42, 43), mit jeweils einem Innenring (44, 45) und jeweils einem Außenring (46, 47), zwischen denen Wälzkörper (56, 57) angeordnet sind, wobei die beiden Innenringe (44, 45) in einer axialen Richtung sowie die beiden Außenringe (46, 47) in der entgegengesetzten axialen Richtung über zugeordnete Anschläge (48, 49) an einer Welle (41) bzw. an einem feststehenden Bauteil (55) fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (46) des einen Wälzlagers (42) zumindest mittelbar sowie ohne Zwischenlage des anderen Außenringes (47) an einem axialen Anschlag (49) anliegt, und dass der Außenring (47) des anderen Wälzlagers (43) sich über wenigstens ein Federelement (50) ebenfalls zumindest mittelbar an diesem Anschlag (49) abstützt.
Tandem-Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (46) desjenigen Wälzlagers (42) zumindest mittelbar an dem Anschlag (49) anliegt, dessen Innenring (44) sich in die entgegengesetzte axiale Richtung unmittelbar an dem anderen axialen Anschlag (48) abstützt.
Tandem-Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur zwischen den Innenringen (44, 45) der beiden Wälzlager (42, 43) ein Distanzring (51) angeordnet ist.
Tandem-Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest mittelbar an dem Anschlag (49) anliegende Außenring (46) des einen Wälzlagers (42) in Richtung zu seinem Anschlag (49) einen axialen Fortsatz (52) aufweist, der den Außenring (47) des anderen Wälzlagers (43) axial übergreift.
Tandem-Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (52) am Außenring (46) hohlzylindrisch oder durch mehrere axiale Stege gebildet ist.
Tandem-Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Innenmantelfläche des Fortsatzes (52) des einen Außenringes (46) als axialer Schiebesitz für die radiale Außenmantelfläche des fortsatzlosen Außenringes (47) ausgebildet ist.
Tandem-Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (52) am Außenring (46) an einem Gegenring (53) anliegt oder mit diesem verbunden ist, welcher mit seiner gegenüberliegenden Stirnseite an dem Anschlag (49) für die Außenringe (46, 47) anliegt.
Tandem-Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenring (53) und der Außenring (46) am axialen Ende seines Fortsatzes (52) mittels eines Gewindes, mittels eines Clips-Verschlusses oder mittels eines Bajonettverschlusses (54) miteinander verbunden sind.
Tandem-Lageranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wälzlager (42, 43), der Distanzring (51), das wenigstens eine Federelement (50) und der Gegenring (53) als vormontierbare Einheit ausgebildet ist sind.
Tandem-Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Federelement (50) eine Federsteifigkeit aufweist, die zumindest doppelt so hoch ist wie die mittlere axiale Betriebssteifigkeit eines der beiden Wälzlager (42, 43).
Tandem-Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (43) mit dem fortsatzlosen Außenring (47) dichter an einer auf die zu lagernde Welle (41) einwirkende Wärmequelle angeordnet ist als das andere Wälzlager (42).
Tandem-Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wälzlager (42, 43) als Schrägkugellager ausgebildet sind, bei denen die Axialkräfte aufnehmenden Schultern der beiden Außenringe (46, 47) in Richtung zu derjenigen Wärmequelle weisen, die auf die zu lagernde Welle (41) einwirkt.