DE19621773A1 - Außendruckluftlagerspindel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Außendruckluftlager­ spindelvorrichtung zum berührungsfreien Tragen einer Hauptwel­ le durch Außendruckluftlager, die als Spindelvorrichtung für Bohrmaschinen, Präzisions-Werkzeugmaschinen, elektrostatische Beschichtungsmaschinen usw. verwendet werden kann.

Das Außendruckluftlager, das eine Hauptwelle in berührungs­ freiem Zustand tragen kann, zeichnet sich durch geringe Rei­ bungsverluste und eine hohe Führungsgenauigkeit aus. Aus die­ sem Grund wird es als Hauptwellenlager für die Hochgeschwin­ digkeits- oder Präzisionsspindeln von Bohrmaschinen, Präzi­ sions-Werkzeugmaschinen, elektrostatische Beschichtungsmaschi­ nen usw. verwendet.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen an einem Beispiel eine bekannte Außendruckluftlagerspindel, bei der ein Außendruckluftlager verwendet wird. Diese Außendruckluftlagerspindel wird durch eine Luftturbine angetrieben und weist eine Vielzahl von Aus­ nehmungen 21a1 auf, welche entlang eines Außenumfangs einer Axialdruckplatte 21a der Hauptwelle 21 ausgebildet sind, sowie Turbinendüsen 22, die sich tangential an Stellen öffnen, die den Ausnehmungen 21a1 gegenüberliegen, wobei die Anordnung so ausgeführt ist, daß aus einer Turbinenluftzufuhröffnung 22a zugeführte Druckluft von den Turbinendüsen 22 tangential gegen die Ausnehmungen 21a1 der Axialdruckplatte 21a geblasen wird und dadurch die Hauptwelle 21 in Drehung versetzt. Die so in Drehung versetzte Hauptwelle 21 wird wiederum durch erste und zweite Lagerbereiche X und Y, die nachfolgend noch beschrieben werden, in berührungsfreiem Zustand getragen.

Der erste Lagerbereich X weist ein zylindrisches Gehäuse 23 auf, welches eine Außenwand bildet, und eine Lagerhülse 24, die in dem Gehäuse 23 durch geeignete Mittel befestigt ist, beispielsweise durch Schrumpfsitz, Preßpassung oder Adhäsion. Eine Innenfläche der Lagerhülse 24 weist eine Traglagerfläche 24a auf, die einer Außenfläche der Hauptwelle 21 gegenüber­ liegt, wobei dazwischen ein geringes Traglagerspiel definiert wird, während ein rückwärtiges Ende der Lagerhülse 24 eine Axiallagerfläche 24b aufweist, die einer vorderen Endfläche der Axialdruckplatte 21a der Hauptwelle 21 gegenüberliegt, wobei dazwischen ein geringes Axiallagerspiel definiert wird. Außerdem weist die Lagerhülse 24 eine Vielzahl feiner Düsen 24c, 24d auf, die sich zu der Traglagerfläche 24a hin öffnen, sowie eine Vielzahl feiner Düsen 24e, die sich zu der Axial­ lagerfläche 24b hin öffnen. Die Düsen 24c, 24d, 24e sind ent­ lang desselben jeweiligen Umfangs der Lagerfläche der Lager­ hülse 24 jeweils gleichmäßig beabstandet.

Der zweite Lagerbereich Y weist ein zylindrisches Gehäuse 25 auf, welches koaxial mit einem rückwärtigen Ende des Gehäuses 23 verbunden ist, und eine Lagerhülse 26, die in dem Gehäuse 25 durch geeignete Mittel befestigt ist, beispielsweise durch Schrumpfsitz, Preßpassung oder Adhäsion. Außerdem weist eine vordere Endfläche der Lagerhülse 26 eine Axiallagerfläche 26b auf, die einer rückwärtigen Endfläche der Axialdruckplatte 21a der Hauptwelle 21 gegenüberliegt, wobei dazwischen ein gerin­ ges Axiallagerspiel definiert wird. Darüberhinaus weist die Lagerhülse 26 eine Vielzahl feiner Düsen 26c auf, die sich zu der Axiallagerfläche 26b hin öffnen und entlang desselben Umfangs angeordnet sind.

Wie in Fig. 6 (b) dargestellt, wird die Verbindung zwischen dem Gehäuse 23 des ersten Lagerbereiches X und dem Gehäuse 25 des zweiten Lagerbereiches Y hergestellt, indem die Be­ rührungsflächen der Befestigungsbereiche 23a, 25a zusammen­ gebracht und Verbindungsschrauben bzw. -bolzen 27 von der Seite des Befestigungsbereichs 25a her eingesetzt werden, um zur Befestigung mit Innengewinden 23a1 in Eingriff gebracht zu werden, welche sich zu dem Befestigungsbereich 23a hin öffnen.

Versetzungen in radialer und Axialdruckrichtung werden durch Druckluft unterdrückt, die durch die Düsen 24c, 24d, 24e, 26c der Lagerhülsen 24 und 26 in die Lagerspiele fließt. Diese Druckluft für die Lager wird von einer Luftzufuhröffnung 28 zugeführt und fließt durch die radialen Luftzufuhrwege 29, 30 und die axialen Luftzufuhrwege 31, 32, worauf sie dann in Um­ fangsluftzufuhrwege 33, 34, 35 (sh. Fig. 7 und 8) fließt, welche die Düsen 24c, 24d, 24e, 26c bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung bringen, um schließlich durch die Düsen 24c, 24d, 24e, 26c in die Lagerspiele zu fließen. Die Druckluft, die in die Lagerspiele geflossen ist, fließt in diesen Lagerspielen bis zum Ende des Lagers und wird von dort entweder direkt oder durch Ausströmwege 36, 37 aus der Spindel abgegeben. Die Druckverteilung der Druckluft, die in den La­ gerspielen erzeugt wird, dient dazu, die Hauptwelle 21 in einem Zustand zu tragen, in dem keine Berührung mit der Trag­ lagerfläche 24a und den Axiallagerflächen 24b, 26b stattfin­ det.

Wie oben beschrieben, sind bei der bekannten Außendruckluftla­ gerspindel die ersten und zweiten Lagerbereiche X und Y zum berührungsfreien Tragen der Hauptwelle 21 aus Gehäusen 23, 25 und Lagerhülsen 24, 26 aufgebaut, welche so zusammengesetzt sind, daß sie eine Einheit bilden; der Hauptgrund hierfür besteht darin, daß, wenn die Lagerbereiche X, Y jeweils einen einzelnen zylindrischen Aufbau hätten, es unmöglich wäre, die Umfangsluftzufuhrwege 33, 34, 35 zu bilden, die die Düsen 24c, 24d, 24e, 26c bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung bringen.

Auf dem oben beschriebenen Gebiet der Werkzeugmaschinen hat sich in letzter Zeit eine Tendenz dahingehend ergeben, das Positionieren dieser Art von Spindeln multidimensional zu gestalten oder zu beschleunigen, um die Produktivität zu erhö­ hen, und die Verringerung des Gewichtes der Spindel, die einen entsprechend zu berücksichtigenden Faktor darstellt, wurde hierbei zu einem nicht unwesentlichen Problem. So war es bei­ spielsweise im Fall einer elektrostatischen Beschichtungsma­ schine erwünscht, die Spindel, die bisher auf einem Pendel­ tisch befestigt war, an einem Gelenkroboter zu befestigen, um einen flexibleren, kontrollierten Beschichtungsvorgang zu ermöglichen. Eine weitere Reduzierung des Gewichts der Spindel ist daher ein großer Vorzug im Hinblick auf die begrenzte Belastungsfähigkeit des Roboters.

Andererseits wird sich bei dieser Art von Spindel die Reduzie­ rung des Gewichts der Spindel auf die Reduzierung des Gewichts der Lagerbereiche (Gehäuse und Lagerhülse) konzentrieren, da die Abmessungen, die Form und das Material der Hauptwelle oft durch das funktionelle Erfordernis der Belastungsfähigkeit, Steifheit, Ausdehnung bzw. Verlängerung aufgrund von Wärmever­ formung, Verschleißwiderstand, etc. bestimmt werden. Als Mit­ tel hierfür kann erwogen werden, den Lagerbereich, insbesonde­ re das Gehäuse, aus einem Material mit niedrigem spezifischem Gewicht herzustellen, beispielsweise aus einem nichtmetalli­ schen Material, wie z. B. einem keramischen Material, Synthese­ harz oder Graphit, oder aus einem metallischen Material, wie z. B. einer Aluminiumlegierung (im allgemeinen besteht das Gehäuse aus rostfreiem Stahl und das Lagergehäuse aus einer Bronzelegierung), oder das Gehäuse und die Lagerhülse mit dünnen Wänden auszubilden.

Bei der oben beschriebenen, bekannten Spindel hat der Lager­ bereich jedoch einen Aufbau, bei dem das Gehäuse und die La­ gerhülse einstückig zusammengesetzt sind; verglichen mit der einzelnen, zylindrischen Konstruktion gleicher Dicke hat er vom Aufbau her einen niedrigen Steifheitsgrad. Deshalb kann eine direkte Anwendung der verschiedenen Mittel zur Gewichts­ verringerung zu einer Spindelvibration führen, die das zuneh­ mende Wirbeln der Hauptwelle während des Betriebs zur Folge hat, unter dem Einfluß einer erregenden Kraft aufgrund des Ungleichgewichts der Hauptwelle, das durch die verringerte Steifheit des Lagerbereichs verursacht wird (da die Materia­ lien mit niedrigem spezifischen Gewicht weniger Steifheit aufweisen als rostfreier Stahl u.ä., und da eine dünnwandige Ausbildung des Gehäuses ebenfalls die Steifheit verringert), was dazu führt, daß keine ausreichende Rotationsgenauigkeit erzielt werden kann. Im Fall einer dünnwandigen Ausbildung der Lagerhülse verformt sich außerdem bei der spanabhebenden Bear­ beitung der Traglagerfläche die Innenfläche unter dem Einfluß der beim Einspannen wirkenden Kraft, so daß der Traglagerflä­ che bei der Feinbearbeitung keine exakt kreisförmige Form gegeben werden kann, wodurch das Problem einer ungenügenden Lagergenauigkeit hervorgerufen wird.

Darüberhinaus sind die obengenannten nichtmetallischen Mate­ rialien im allgemeinen spröde, oder es mangelt ihnen im Ver­ gleich zu metallischen Materialien an Steifheit oder Festig­ keit, wodurch eine Deformierung durch eine von außen wirkende Kraft oder durch den Einfluß wiederholter Last zu befürchten ist. Wenn der Lagerbereich, insbesondere das Gehäuse, der be­ kannten Spindel aus derartigen nichtmetallischen Materialien besteht, sind deshalb die folgenden Nachteile zu erwarten:

• (1) Es ist zu befürchten, daß die mit einem Innengewinde ver­ sehenen Bereiche des Befestigungsbereichs, in die die Verbindungsschrauben eingeschraubt werden, beschädigt werden;
• (2) Da die Verbindungsschrauben nicht mit einem ausreichenden Drehmoment angezogen werden können, wird die Steifheit der Verbindungsbereiche der beiden Lagerbereiche verringert, was zu einer Spindelvibration führt, die das zunehmende Wirbeln der Hauptwelle während des Betriebs zur Folge hat, unter dem Einfluß einer erregenden Kraft aufgrund des Ungleichgewichts der Hauptwelle, was wiederum dazu führt, daß keine ausreichende Rotationsgenauigkeit erzielt werden kann.
• (3) Bei der spanabhebenden Bearbeitung der Traglagerfläche verformt sich die Innenfläche unter dem Einfluß der beim Einspannen wirkenden Kraft, so daß der Traglagerfläche bei der Feinbearbeitung keine exakt kreisförmige Form gegeben werden kann, wodurch das Problem einer ungenügenden Lager­ genauigkeit hervorgerufen wird. Da die beim Einspannen wirkende Kraft jedoch radial ausgeübt wird, hat sie keinen so großen Einfluß auf die Genauigkeit der Axiallagerflä­ che.

Mit der vorliegenden Erfindung wird beabsichtigt, die oben­ genannten Probleme zu lösen und eine Außendruckluftlagerspin­ del zu schaffen, die leicht und kompakt ist.

Erfindungsgemäß weist ein Gehäuse direkt eine Lagerfläche auf, die einer Außenfläche einer Hauptwelle mit einem dazwischen definierten geringen Lagerspiel gegenüberliegt, eine Vielzahl von Düsen, die sich zu der Lagerfläche hin öffnen und auf demselben Kreisumfang angeordnet sind, und einen fortlaufen­ den, polygonalen Luftzufuhrweg, der die Vielzahl von Düsen bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung bringt, wobei die Anordnung so ausgebildet ist, daß Druckluft durch die Vielzahl von Düsen in das Lagerspiel fließen kann, um die Hauptwelle in einem Zustand zu tragen, in dem keine Berührung mit der Lagerfläche des Gehäuses stattfindet.

Durch die obige Anordnung wird die Steifheit des Lagerberei­ ches verbessert gegenüber der bekannten Spindel, bei welcher der Lagerbereich so aufgebaut ist, daß das Gehäuse und die Lagerhülse integrierend zusammengesetzt sind. Deshalb kann nicht nur die Rotationsgenauigkeit der Hauptwelle verbessert werden, sondern es wird auch möglich, verschiedene Mittel zur Gewichtsreduzierung anzuwenden, also beispielsweise das Gehäu­ se, das den Lagerbereich darstellt, aus einem Material mit niedrigem spezifischen Gewicht herzustellen oder es dünnwandig auszubilden. Hierdurch wird ermöglicht, eine Außendruckluftla­ gerspindel von hoher Präzision zu schaffen, die leicht und kompakt ist. Außerdem kann das Gehäuse, das den Lagerbereich darstellt, aus einem einzigen Element aufgebaut sein, was im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Reduzierung der An­ zahl der Teile sowie zu einer Vereinfachung der Herstellungs­ schritte und zu einer Kostenreduzierung führt.

Der polygonale Luftzufuhrweg kann aus einer Vielzahl von gera­ den Wegbereichen aufgebaut sein, die von einer Außenfläche des Gehäuses in vorherbestimmter Richtung gebildet werden. Hier­ durch können Luftzufuhrwege durch Bohren in das aus einem einzigen Element bestehende Gehäuse gebildet werden.

Außerdem kann das Gehäuse aus einem Material mit niedrigem spezifischen Gewicht bestehen. Ein derartiges Material mit niedrigem spezifischen Gewicht kann ein Material sein, das Selbstschmiereigenschaften hat. Darüberhinaus kann die Lager­ fläche des Gehäuses einen Schmierfilm oder verschleißfesten Film aufweisen. Die Anwendung derartiger Mittel ermöglicht es, ein hohes Maß an Haltbarkeit zu erzielen, und zwar selbst unter der Betriebsbedingung, bei der ein Kontakt zwischen der Hauptwelle und der Lagerfläche erwartet wird.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Außendruck­ luftlagerspindel mit einem ersten Lagerbereich mit einer Trag­ lagerfläche, die einer Außenfläche einer Hauptwelle mit einem dazwischen definierten geringen Lagerspiel gegenüberliegt, und einer Axiallagerfläche, die einer Endfläche einer auf der Hauptwelle angeordneten Axialdruckplatte gegenüberliegt, wobei dazwischen ein geringes Lagerspiel definiert wird;
mit einem zweiten Lagerbereich mit einer Axiallagerfläche, die der anderen Endfläche der Axialdruckplatte gegenüberliegt, wobei dazwischen ein geringes Lagerspiel definiert wird;
wobei der erste Lagerbereich und der zweite Lagerbereich an Berührungsflächen von Befestigungsbereichen zusammengesetzt werden, welche auf Elementen ausgebildet sind, die die Außen­ wände der Lagerbereiche darstellen, und wobei sie koaxial miteinander verbunden werden mittels Verbindungsschrauben, die in den Befestigungsbereich eines der Lagerbereiche eingesetzt werden und durch ein Gewinde mit ein Innengewinde aufweisenden Bereichen in Eingriff gebracht werden, die an dem Befesti­ gungsbereich des anderen Lagerbereiches ausgebildet sind,
wobei zumindest das Element, das die Außenwand des ersten Lagerbereiches darstellt, aus einem Material mit niedrigem spezifischen Gewicht besteht, wie z. B. einem keramischen Mate­ rial, einem Syntheseharz oder Graphit, während die Bereiche mit dem Innengewinde aus einem metallischen Material bestehen.

Der Begriff "zumindest das Element, das die Außenwand dar­ stellt" bezieht sich im Fall eines Lagerbereiches, bei dem eine Lagerhülse in einer Innenfläche eines Gehäuses befestigt ist, auf die Anordnung, bei der nur das Gehäuse aus dem nicht­ metallischen Material besteht, und auf die Anordnung, bei der sowohl das Gehäuse als auch die Lagerhülse aus dem nichtmetal­ lischen Material bestehen. Im Fall eines Lagerbereiches (aus einer einzelnen zylindrischen Konstruktion nur mit einem Ge­ häuse) mit einer Anordnung, bei der das Gehäuse direkt eine Traglagerfläche und/oder eine Axiallagerfläche aufweist, be­ steht das Gehäuse aus dem nichtmetallischen Material.

Der Befestigungsbereich kann einen Flanschbereich aufweisen, der auf der äußeren Endfläche des anderen Lagerbereichs inte­ griert ist und die Berührungsfläche aufweist, sowie ein metal­ lisches ringförmiges Element, das die Bereiche mit dem Innen­ gewinde aufweist und der Berührungsfläche mit dem da zwischen­ liegenden Flanschbereich gegenüberliegt. Außerdem kann ein metallisches ringförmiges oder kreisförmiges Element mit einem Sitz für einen Kopf einer darauf zu befestigenden Verbindungs­ schraube auf dem Befestigungsbereich des Lagerbereichs auf der Seite angeordnet sein, auf der die Verbindungsschraube aufge­ nommen wird.

Dadurch, daß zumindest das Element, das die Außenwand des ersten Lagerbereiches darstellt, aus einem nichtmetallischen Material mit niedrigem spezifischen Gewicht gebildet wird, wie z. B. einem keramischen Material, Syntheseharz oder Graphit, wird ermöglicht, das Gewicht der Lagerbereiche und damit der gesamten Spindel zu reduzieren. Außerdem wird durch die Bil­ dung der ein Innengewinde aufweisenden Bereiche des Befesti­ gungsbereiches aus einem metallischen Material vermieden, daß eine Beschädigung der ein Innengewinde aufweisenden Bereiche zu befürchten wäre; daher können die Verbindungsschrauben mit ausreichendem Drehmoment angezogen werden, wodurch die erfor­ derliche Steifheit für die Lagerbereiche gewährleistet wird.

Durch die vorherige Befestigung des metallischen ringförmigen Elements auf der Außenfläche des Lagerbereiches und die Be­ arbeitung der Traglagerfläche unter Einspannen einer Außen­ fläche des ringförmigen Elements wird darüberhinaus ermög­ licht, eine Deformierung des Lagerbereiches unter dem Einfluß der Einspannkraft zu verhindern; folglich kann die Traglager­ fläche genau spanabhebend bearbeitet werden.

Außerdem ist das metallische ringförmige oder kreisförmige Element mit dem Sitz für den Kopf der darauf zu befestigenden Verbindungsschraube auf dem Befestigungsbereich des Lagerbe­ reichs auf der Seite angeordnet, auf der die Verbindungs­ schraube aufgenommen wird, wodurch verhindert werden kann, daß der Sitzbereich unter dem Einfluß der Anzugskraft für die Verbindungsschraube beschädigt wird. Im besonderen gewährlei­ stet die Anordnung eines derartigen ringförmigen Elements, daß die Anzugskraft für die Verbindungsschraube gleichmäßig ent­ lang des Umfangs dieses Elements ausgeübt wird, so daß die Verbindungsschraube mit einem größeren Drehmoment angezogen und damit die Steifheit des Lagerbereiches noch weiter verbes­ sert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung darge­ stellter Ausführungsformen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Spindel nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 1;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Spindel nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 4 (a) und Fig. 4 (b) zeigen verschiedene Schnitte);

Fig. 5 einen Längsschnitt nach einer dritten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine bekannte Spindel (Fig. 6 (a) und Fig. 6 (b) zeigen verschiedene Schnitte);

Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 6; und

Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 6.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt entlang der Achse einer Außen­ druckluftlagerspindel nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Außendruckluftlagerspindel dieser Ausführungs­ form weist eine Hauptwelle 1 zur Ausführung einer Drehbewegung auf, sowie Gehäuse 2 und 3 als Lagerbereich zum berührungs­ freien Tragen der Hauptwelle 1. Die Gehäuse 2 und 3 als Lager­ bereich bestehen jeweils aus einem einzelnen Element und wei­ sen keine Lagerhülse auf, wie sie normalerweise bei einer bekannten Spindel zu finden ist. Als Antriebssystem für die Hauptwelle 1 dient beispielsweise ein Luftturbinen-Antriebs­ system. Das heißt, ein Außenumfang einer Axialdruckplatte 1a der Hauptwelle 1 weist eine Vielzahl von Ausnehmungen 1a1 auf, und Turbinendüsen 4, die sich tangential an Stellen öffnen, die den Ausnehmungen 1a1 gegenüberliegen, sind an einer Innen­ fläche des Gehäuses 3 befestigt, so daß Druckluft, welche durch eine Turbinenluftzufuhröffnung 5 und einen zu dem Gehäu­ se 3 hin offenen Turbinenluftzufuhrweg 6 zugeführt wird, tan­ gential gegen die Ausnehmungen 1a1 der Axialdruckplatte 1a geblasen wird und so die Hauptwelle 1 in Drehung versetzt. Die so in Drehung versetzte Hauptwelle 1 wird durch die Gehäuse 2 und 3 als Lagerbereich in berührungsfreiem Zustand getragen. Eine Innenfläche des Gehäuses 2 weist eine Traglagerfläche 2a auf, die einer Außenfläche der Hauptwelle 1 gegenüberliegt, wobei dazwischen ein geringes Traglagerspiel definiert wird, und das rückwärtige Ende des Gehäuses weist eine Axiallager­ fläche 2b auf, die der vorderen Endfläche der Axialdruckplatte 1a der Hauptwelle 1 gegenüberliegt, wobei dazwischen ein ge­ ringes Axiallagerspiel definiert wird. Mehrere feine Düsen 2c, 2d öffnen sich zu der Traglagerfläche 2a hin, während mehrere feine Düsen 2e sich zu der Axiallagerfläche 2b hin öffnen. Die Düsen 2c, 2d, 2e liegen in gleicher Anzahl vor (bei dieser Ausführungsform existieren jeweils sechs Düsen) und sind je­ weils auf demselben Umfang angeordnet. Außerdem weist das Gehäuse 2 radiale Luftzufuhrwege 2f, 3g und axiale Luftzufuhr­ wege 2h auf, die die Düsen 2c, 2d, 2e desselben Querschnittes miteinander in Verbindung bringen, und es weist außerdem, wie in Fig. 2 dargestellt (Schnitt A-A in Fig. 1), einen durch­ gehenden polygonalen Luftzufuhrweg 2i auf, der insgesamt annä­ hernd polygonal ist und die Düsen 2c bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung bringt. Bei dieser Ausführungsform ist der polygonale Luftzufuhrweg 2i annähernd dreieckig, wobei den drei geraden Wegbereichen 2i1, 2i2, 2i3, die die jeweili­ gen Seiten bilden, jeweils zwei Düsen 2c zugeordnet sind; daher werden die (insgesamt) sechs Düsen 2c bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung gebracht. Dieser polygonale Luftzufuhrweg 2i steht mit einem axialen Luftzufuhrweg 2j in Verbindung, welcher sich zu dem rückwärtigen Ende des Gehäuses 2 hin öffnet.

Die radialen Luftzufuhrwege 2f, 3g und der polygonale Luftzu­ fuhrweg 2i können jeweils gebildet werden, indem ein Bohrvor­ gang von der Außenfläche des Gehäuses 2 in entsprechender Richtung zu der vorherbestimmten Stelle ausgeführt wird. Dem­ entsprechend können die axialen Luftzufuhrwege 2h, 2j gebildet werden, indem ein Bohrvorgang von der Endfläche des Gehäuses 2 axial zu der vorherbestimmten Stelle ausgeführt wird. Also können die einzelnen Luftzufuhrwege gebildet werden, indem ein Bohrvorgang in das aus einem einzigen Element bestehende Ge­ häuse 2 ausgeführt wird und, falls nötig, die Öffnung auf der Seite der Außenfläche oder der Seite der Endfläche durch Dichtmittel 7, wie einem versenkten Zapfen bzw. Stöpsel oder einem Harzgußstück, verschlossen wird.

Das vordere Ende des Gehäuses 3 weist eine Axiallagerfläche 3b auf, die der rückwärtigen Endfläche der Axialdruckplatte 1a gegenüberliegt, wobei dazwischen ein geringes Axiallagerspiel definiert wird. Mehrere feine Düsen 3c öffnen sich zu der Axi­ allagerfläche 3b hin. Die Düsen 3c sind auf demselben Kreis­ umfang angeordnet. Darüberhinaus weist das Gehäuse 3 eine Luftzufuhröffnung 3d auf, die mit einer nicht dargestellten Druckluftquelle verbunden ist, und einen axialen Luftzufuhrweg 3e, der mit dem axialen Luftzufuhrweg 2j in Verbindung steht; wie in Fig. 3 (Querschnitt B-B in Fig. 1) dargestellt, weist es außerdem einen durchgehenden polygonalen Luftzufuhrweg 3f auf, der insgesamt annähernd polygonal ist und die Düsen 3c bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung bringt. Bei dieser Ausführungsform ist der polygonale Luftzufuhrweg 3f annähernd dreieckig, wobei den drei geraden Wegbereichen 3f1, 3f2, 3f3, die die jeweiligen Seiten bilden, jeweils zwei Düsen 3c zugeordnet sind; daher werden die (insgesamt) sechs Düsen 3c bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung gebracht. Dieser polygonale Luftzufuhrweg 3f steht über den axialen Luftzufuhrweg 3g mit dem axialen Luftzufuhrweg 3d in Verbin­ dung.

Der polygonale Luftzufuhrweg 3f kann gebildet werden, indem ein Bohrvorgang von der Außenfläche des Gehäuses 3 in die Richtungen der Wegbereiche 3f1, 3f2, 3f3 zu den vorherbestimm­ ten Stellen ausgeführt wird. Also können die einzelnen Luft­ zufuhrwege gebildet werden, indem ein Bohrvorgang in das aus einem einzigen Element bestehende Gehäuse 3 ausgeführt wird und, falls nötig, die Öffnung auf der Seite der Außenfläche oder der Seite der Endfläche durch Dichtmittel 8, wie einem versenkten Zapfen bzw. Stöpsel oder einem Harzgußstück ver­ schlossen wird.

Wie oben beschrieben, werden die Gehäuse 2 und 3 durch Ver­ bindungsmittel, wie z. B. Schrauben oder Bolzen, koaxial mit­ einander verbunden, wobei ihre Endflächen zusammengesetzt werden, nachdem die Hauptwelle 1 und die Turbinendüse 4 mon­ tiert worden sind.

Wenn Druckluft von der Luftzufuhröffnung 3d des Gehäuses 3 zugeführt wird, fließt sie durch die verschiedenen Luftzufuhr­ wege und Düsen in die Traglager- und Axiallagerspiele und wird dann vom Ende des Lagers entweder direkt oder durch Ausström­ wege 9 und 10 aus der Spindel abgegeben. Die Druckverteilung der Druckluft, die in den Lagerspielen erzeugt wird, dient dazu, die Hauptwelle 1 in einem Zustand zu tragen, in dem keine Berührung mit der Traglagerfläche 2a und den Axialla­ gerflächen 2b und 3b stattfindet.

Wie bisher beschrieben, liegt die Außendruckluftlagerspindel dieser Ausführungsform in einer Anordnung vor, bei der die zu den Lagerflächen 2a, 2b, 3b hin geöffneten Düsen 2c, 2d, 2e, 3c durch die polygonalen Luftzufuhrwege 2i, 3f bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung gebracht werden; deshalb können alle Luftzufuhrwege durch Ausführung eines Bohrvorgangs zu den jeweils aus einem einzigen Element bestehenden Gehäusen 2, 3 geöffnet werden. Aus diesem Grund besteht keine Notwen­ digkeit, den Lagerbereich so zu konstruieren, daß Gehäuse und Lagerhülse ineinander integriert sind, wie bei der bekannten Spindel (wie oben beschrieben, liegt bei der bekannten Spindel der Grund für die Verwendung des Aufbaus, bei dem das Gehäuse und die Lagerhülse ineinander integriert sind, darin, daß es notwendig ist, die Umfangsnut zu bilden, die die Düsen entlang des Umfangs miteinander in Verbindung bringt), und er kann aus jeweils aus einem einzelnen Element bestehenden Gehäusen 2, 3 aufgebaut sein, wodurch die Steifheit der Lagerbereiche im Vergleich zu der bekannten Spindel verbessert werden kann. Als Folge der verbesserten Steifheit der Lagerbereiche (der Gehäu­ se 2, 3) kann nicht nur die Drehgenauigkeit der Hauptwelle verbessert werden, sondern es wird auch möglich, verschiedene Mittel zur Gewichtsreduzierung anzuwenden, also beispielsweise die Gehäuse 2, 3 aus einem Material mit niedrigem spezifischen Gewicht herzustellen oder dünnwandig auszubilden.

Wenn die Gehäuse 2, 3 aus einem Material mit niedrigem spezi­ fischen Gewicht herzustellen sind, um eine Gewichtsreduzierung zu erzielen, so ist es ratsam, eine Aluminiumlegierung, ein Syntheseharz, Graphit o. ä. als ein derartiges Material mit niedrigem spezifischen Gewicht zu verwenden. Unter anderem ist es auch ratsam, ein Syntheseharz mit Selbstschmiereigenschaf­ ten, Graphit o. ä. zu verwenden, wenn die Haltbarkeit in Be­ tracht gezogen wird, die in dem Fall zu berücksichtigen ist, bei dem die Hauptwelle 1 und die Lagerflächen (2a, 2b, 3b) unter übermäßiger Last o. ä. miteinander in Berührung kommen. Was Harze mit Selbstschmiereigenschaften betrifft, so sind Fluorharze, Polyamidharze, Polyimidharze und Ketonharze, bei­ spielsweise Polyetherethylketon- (PEEK) und Polyphenylensul­ fid- (PPS) Harze zu erwähnen. Alternativ dazu können auf den Lagerflächen 2a, 2b, 3b der Gehäuse 2, 3 Filme gebildet wer­ den, die einen Festschmierstoff enthalten, beispielsweise ein Fluorharz, Molybdänbisulfid oder Bornitrid mit hexagonaler Struktur, oder ein verschleißfestes Material, wie z. B. Si, SiC oder TiC, und zwar durch ein geeignetes Verfahren, wie z. B. Harzbeschichtung, Dispersionsplattieren oder Schichtabschei­ dung aus der Dampfphase.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt entlang der Achse einer Außen­ druckluftlagerspindel nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 4 (a) und Fig. 4 (b) zeigen verschiedene Längsschnitte). Elemente oder Bereiche, die im wesentlichen denen in Fig. 6 bis Fig. 8 entsprechen, werden mit den glei­ chen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine Beschreibung die­ ser Elemente wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzich­ tet.

Die Punkte, in denen sich die Außendruckluftlagerspindel die­ ser Ausführungsform von der bekannten Anordnung gemäß Fig. 6 bis Fig. 8 unterscheidet, bestehen darin, daß ein Gehäuse 23′, das eine Außenwand eines ersten Lagerbereiches X darstellt, und ein Gehäuse 25′, das eine Außenwand eines zweiten Lagerbe­ reiches Y darstellt, aus einem nichtmetallischen Material mit niedrigem spezifischen Gewicht hergestellt sind, wie z. B. einem keramischen Material, einem Syntheseharz oder Graphit, und daß ein metallisches, ringförmiges Element 41 mit einem Innengewinde 41a an einer Außenfläche des Gehäuses 23′ befe­ stigt ist. Lagerhülsen 24 und 26 bestehen aus einem metalli­ schen Material, beispielsweise einer Bronzelegierung, aber sie können auch aus einem nichtmetallischen Material, wie sie oben erwähnt wurden, bestehen.

Die äußere Endfläche des Endes des Gehäuses 23′ ist einstückig mit einem Flansch 42 ausgebildet, der eine Berührungsfläche 42a aufweist, und das ringförmige Element 41 ist durch geeig­ nete Mittel, wie z. B. Preßpassung oder Adhäsion, an der Seite befestigt, die der Berührungsfläche 42a des Flansches 42 ge­ genüberliegt. Das ringförmige Element 41 besteht aus einem metallischen Material, wie z. B. aus Stahl, rostfreiem Stahl, oder einer Aluminiumlegierung, und weist Innengewinde 41a auf, die den Verbindungsschrauben 27 entsprechen. Außerdem weist der Flansch 42 eine Vielzahl von Bolzen- bzw. Schraubenlöchern 42b auf, die sich durch ihn hindurch erstrecken und die mit den Innengewinden 41a des ringförmigen Elements 41 abgestimmt sind. Der Befestigungsbereich 43 des ersten Lagerbereiches X besteht aus einem derartigen Flansch 42 und einem ringförmigen Element 41.

Der Befestigungsbereich 45 des zweiten Lagerbereiches Y weist, wie bei der bekannten Anordnung, eine Berührungsfläche 45a auf, die der Berührungsfläche 42a des Befestigungsbereiches 43 des ersten Lagerbereiches X angepaßt ist, eine Vielzahl von Schraubenlöchern 45b, die sich durch ihn hindurch in Überein­ stimmung mit den Schraubenlöchern 42b im Befestigungsbereich 43 erstrecken, sowie Innengewinde 41a, und Senkungen 45c zur Aufnahme der Köpfe 27a der Verbindungsschrauben 27. Bei dieser Ausführungsform ist eine kreisförmige Unterlegscheibe 45d auf dem Grund jeder Senkung 45c angeordnet.

Die Verbindung zwischen dem Gehäuse 23′ des ersten Lagerberei­ ches X und dem Gehäuse 25′ des zweiten Lagerbereiches Y wird hergestellt, indem die Berührungsflächen 42a, 45a der Befesti­ gungsbereiche 43, 45 zusammengebracht werden und die Verbin­ dungsschrauben 27 in die Schraubenlöcher 45b, 42b von der Seite des Befestigungsbereiches 45 eingesetzt werden, um mit den Innengewinden 41a zur Fixierung in Eingriff gebracht zu werden. Da sich die Innengewinde 41a des Befestigungsbereiches 43 in dem metallischen, ringförmigen Element 41 befinden, ist nicht zu befürchten, daß die Innengewinde 41a beschädigt wer­ den, selbst wenn die Gehäuse 23′ und 25′ zum Zweck der Ge­ wichtsreduzierung aus einem nichtmetallischen Material beste­ hen, wie oben erwähnt. Daher können die Verbindungsschrauben 27 mit einem ausreichenden Drehmoment angezogen werden, wo­ durch die erforderliche Steifheit des Hauptlagerbereiches gewährleistet wird. Da Unterlegscheiben 45d in den Senkungen 45c angeordnet sind, ist es außerdem möglich, zu verhindern, daß die Köpfe 27a der Verbindungsschrauben 27 die Senkungen 45c beschädigen. Weiterhin kann eine Deformierung des Gehäuses 23′ unter der Einwirkung der Einspannkraft verhindert werden, indem zuerst (vor der Bearbeitung der Traglagerfläche 24a) das metallische, ringförmige Element 41 an der Außenfläche des Gehäuses 23′ befestigt wird und dann die Traglagerfläche 24a spanabhebend bearbeitet wird, während die Außenfläche des ringförmigen Elements 41 eingespannt ist; so kann die Tragla­ gerfläche 24a genau spanabhebend bearbeitet werden.

Bei einer dritten Ausführungsform, die in Fig. 5 dargestellt ist, ist im Befestigungsbereich des zweiten Lagerbereiches Y ein metallisches, ringförmiges Element 46 angeordnet, welches einen Sitz für den Kopf 27a einer darauf zu befestigenden Verbindungsschraube 27 aufweist. Das ringförmige Element 46 besteht aus einem metallischen Material, wie z. B. aus Stahl, rostfreiem Stahl, oder einer Aluminiumlegierung, und weist Schraubenlöcher 46a auf, die den Verbindungsschrauben 27 ent­ sprechen. Das ringförmige Element 46 ist auf einer Stufe 45e angeordnet, die an der äußeren Endfläche des Endes des Befe­ stigungsbereiches 45 ausgebildet ist.

Wenn die Verbindungsschrauben 27 angezogen werden, wobei die dickwandigen Bereiche der Gehäuse 23′ und 25′ zwischen den metallischen, ringförmigen Elementen 41 und 46 angeordnet sind, wird die Anzugskraft durch die ringförmigen Elemente 41 und 46 gleichmäßig entlang des Umfangs auf die Gehäuse 23′ und 25′ ausgeübt, wodurch es möglich wird, die Verbindungsschrau­ ben 27 mit einem größeren Drehmoment anzuziehen. Damit kann die Steifheit der Lagerbereiche noch weiter verbessert werden.

Die Anordnungen der oben beschriebenen, zweiten und dritten Ausführungsformen sind nicht auf eine Außendruckluftlagerspin­ del der Art beschränkt, bei der jeder Lagerbereich durch ein­ stückiges Ausbilden des Gehäuses und der Lagerhülse konstru­ iert wird, sondern sie können auch auf eine Außendruckluftla­ gerspindel der Art angewendet werden, bei der jeder Lagerbe­ reich einen einzelnen zylindrischen Aufbau hat, wie bei der ersten Ausführungsform, wobei die gleichen Wirkungen erzielt werden können.

Darüberhinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Außendruckluftlagerspindel begrenzt, die mittels einer Luft­ turbine angetrieben wird, sondern sie ist auch auf eine Außen­ druckluftlagerspindel anwendbar, die durch einen Elektromotor, wie z. B. einen Induktionsmotor oder einen von verschiedenen Servomotoren angetrieben werden.

Claims (8)

1. Außendruckluftlagerspindel, mit einem Gehäuse, das direkt eine Lagerfläche aufweist, die einer Außenfläche einer Hauptwelle mit einem dazwischen definierten geringen Lager­ spiel gegenüberliegt, sowie eine Vielzahl von Düsen, die auf demselben Kreisumfang angeordnet sind und sich zu der Lagerfläche hin öffnen; und einen fortlaufenden, polygona­ len Luftzufuhrweg, der die Vielzahl von Düsen bezüglich des Umfangs miteinander in Verbindung bringt, wobei ermöglicht wird, daß Druckluft durch die Vielzahl von Düsen in das Lagerspiel fließt, um die Hauptwelle in einem Zustand zu tragen, in dem keine Berührung mit der Lagerfläche des Gehäuses stattfindet.

2. Außendruckluftlagerspindel nach Anspruch 1, bei der der polygonale Luftzufuhrweg aus einer Vielzahl von geraden Wegbereichen besteht, welche von einer Außenfläche des Gehäuses in vorherbestimmte Richtungen gebildet werden.

3. Außendruckluftlagerspindel nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Gehäuse aus einem Material mit niedrigem spezifischen Gewicht besteht, wie z. B. einem keramischen Material, Syn­ theseharz, Graphit oder einer Aluminiumlegierung.

4. Außendruckluftlagerspindel nach Anspruch 3, bei der das Material mit niedrigem spezifischen Gewicht ein Material mit Selbstschmiereigenschaften ist.

5. Außendruckluftlagerspindel nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Lagerfläche des Gehäuses einen Schmierfilm oder einen verschleißfesten Film aufweist.

6. Außendruckluftlagerspindel mit einem ersten Lagerbereich mit einer Traglagerfläche, die einer Außenfläche einer Hauptwelle gegenüberliegt, wobei dazwischen ein geringes Lagerspiel definiert wird, und einer Axiallagerfläche, die einer Endfläche einer auf der Hauptwelle angeordneten Axi­ aldruckplatte gegenüberliegt, wobei dazwischen ein geringes Lagerspiel definiert wird;
mit einem zweiten Lagerbereich mit einer Axiallagerfläche, die der anderen Endfläche der Axialdruckplatte gegenüber­ liegt, wobei dazwischen ein geringes Lagerspiel definiert wird;
wobei der erste Lagerbereich und der zweite Lagerbereich an Berührungsflächen von Befestigungsbereichen zusammengesetzt werden, welche auf Elementen ausgebildet sind, die die Außenwände der Lagerbereiche darstellen, und wobei sie koaxial miteinander verbunden werden mittels Verbindungs­ schrauben, die in den Befestigungsbereich eines der Lager­ bereiche eingesetzt werden und durch ein Gewinde mit ein Innengewinde aufweisenden Bereichen in Eingriff gebracht werden, die an dem Befestigungsbereich des anderen Lagerbe­ reiches ausgebildet sind,
wobei zumindest das Element, das die Außenwand des ersten Lagerbereiches darstellt, aus einem Material mit niedrigem spezifischen Gewicht besteht, wie z. B. einem keramischen Material, einem Syntheseharz oder Graphit, während die Bereiche mit dem Innengewinde aus einem metallischen Mate­ rial bestehen.

7. Außendruckluftlagerspindel nach Anspruch 6, bei der der andere Befestigungsbereich auf der Außenfläche des anderen Endes einstückig mit einem eine Berührungsfläche aufweisen­ den Flansch ausgebildet ist und ein metallisches ringför­ miges Element aufweist, wobei der Flansch dazwischen an­ geordnet ist und das ringförmige Element ein Innengewinde aufweist.

8. Außendruckluftlagerspindel nach Anspruch 6 oder 7, bei der ein metallisches, ringförmiges oder kreisförmiges Element einen Sitz für den Kopf der darauf zu befestigenden Ver­ bindungsschraube aufweist.