DE2002899A1

DE2002899A1 - Vorrichtung zum stufenlosen Verstellen des Lagerspiels eines Waelzlagers fuer eine Spindel od.dgl.

Info

Publication number: DE2002899A1
Application number: DE19702002899
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl-Ing Spauschus
Original assignee: Waldrich Siegen Werkzeugmaschinenfabrik GmbH
Current assignee: Waldrich Siegen Werkzeugmaschinenfabrik GmbH
Priority date: 1970-01-23
Filing date: 1970-01-23
Publication date: 1971-08-05
Also published as: US3687511A

Description

8902 AUGSBURG-GÖGGINGEN, den 4.12.1909 PATENTANWÄLTE _v. Eidiendorff-Straße 10

DR ING E LIEBAU Unser Zeichen Dr. Lb/s 9 W 7698

UK. IINU. t. LICDMU (Bei Rückantwort bitte angeben

DIPLING. G.LIEBAU .. ₇.. Λπηοοηη

. ^Ze.chen 2002899

Ihre Nachricht vom

Werkzeugmas chinenfabrik Adolf Waldrich Coburg 863 Coburg Hahnweg 16

Vorrichtung zum stufenlosen Verstellen des Lagerspiels eines Wälzlagers für eine Spindel od.dgl,

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum stufenlosen Verstellen des Lagerspiels eines Wälzlagers für eine Spindel odοdgl.

Bei der Wälzlagerurg von Spindeln, Wellen od. dgl., die in eiran großen Drehzahl- und Belastungsbereich laufen, ergeben sich infolge des unterschiedlichen Temperaturverhaltens der umgebenden Teile am Innen- und Außenring des Wälzlagers unterschiedliche Wärmedehnungen, die zu veränderlichen Durchmessermaßen für die Innen- und Außenlaufbahn führen. Das Lagerspiel unterliegt also Schwankungen, die für das Laufverhalten der Spindel oder Welle ungünstig sind. Die Veränderungen des Lagerspiels sind auch insofern besonders nachteilig, als die V/arme entwicklung im Wälzlager wiederum sehr stark vom Lagerspiel selbst abhängt, so daß durch einen sogenannten Rückwirkungseffekt das Lager frühzeitig ausfallen, d.h. sehr kurzlebig sein kann. Man sah deshalb bisher im Lager so viel Spiel vor, daß für den thermisch ungünstigsten Betriebsfall der Rückwirkungseffekt mit Sicherheit vermieden wurde· Dieses verhältnismäßig große Spiel Jedoch beeinflußt das Lauf verhalten ungünstig, solange es nicht durch besagte Wärmedehnungen kompensiert wird.

109Ö32/H42

Bei Wälzlagern mit großem Drehzahl- und Belastungsbereich bei gleichzeitig hohen Anforderungen an Führungsgenauigkeit und Steifigkeit in jedem Betriebspunkt, wie z. B. bei Haupt spindellagerungen von Werkzeugmaschinen, ist man nun bestrebt, das Lagerspiel konstant oder nahezu konstant zu halten. Unter Lagerspiel ist dabei im weitesten Sinne auch eine Vorspannung als sogenanntes negatives Spiel zu verstehen. Dies war jedoch bisher noch nicht möglich,

Es ist eine Vorrichtung zur Verstellung des Lagerspiels an der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine bekannt, die die bei Wälzlagern mit Druckwinkeln ungleich Null übliche Methode benutzt, das Radialspiel durch axiale Verschiebung vom Innen- und/oder Außenring des Wälzlagers gegeneinander einzustellen. Die Spindel ist dabei in zwei Kegelrollenlagern gelagert, von denen ein Außenring in einer axial beweglichen Hülse aufgenommen ist, die hydraulisch wahlweise gegen zwei feste Anschläge verschobeniwird· Es sind also dabei nur zwei Einstellungen des Lagerspiels möglich, die je nach der eingeschalteten Drehzahl der Hauptspindel gewählt werden können. Weder ist eine stufenlose Verstellung möglich, noch ist das Lagerspiel in jedem Betriebspunkt konstant.

Ferner ist eine Verstellung des Lagerspiels bei einer Schleifspindel lagerung bekannt geworden, bei der der Außenring des Wälzlagers am Außenmantel gegenüber der Gehäusebohrung abgedichtet und in den Spalt zwischen Außenring und Gehäusebohrung öl mit hohem Druck eingepreßt wird. Der Außenring wird dabei konzentrisch zusammengedrückt, wobei sich das Lagerspiel verringert. Da bei dieser bekannten Vorrichtung nur eine einzige ülkammer benutzt wird, schwimmt der Außenring innerhalb des Spalts, wobei eine Richtwirkung nicht zu erzielen ist. Es wird nur eine dämpfende Wirkung erreicht, die zum Erhalt einer hohen Oberflächenqualität beiträgt. Wollte man den Spalt bzw. die Kammer zwischen dem Außenring des Wälzlagers und der Gehäusebohrung ähnlich wie bei hydrostatischen Lagerungen in

109832/U42

mehrere Kammern aufteilen, würde man zwar eine Richtwirkung erhalten, es ergäbe sich jedoch wegen der erforderlichen Stege eine unzulässige Verzerrung der Kreisform des Außenrings des Wälzlagers·

Schließlich ist auch vorgeschlagen worden, den Abstand zwischen zwei Wälzlagern entsprechend dem Druckwinkel der Lager so zu wählen, dau die durch die radiale Wärmedehnung entstehende Spielverengung durch die axiale Wärmedehnung kompensiert wird. Dies setzt jedoch eine bestimmte, stets wiederkehrende Warmeverteilung in Welle und Gehäuse voraus. Eine derartige wiederkehrende Wärmeverteilung läßt sich jedoch in der Praxis nicht erreichen, vielmehr stören die meist unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wellen- und Genäusematerial, das Wärmeleitverhalten und das sich dadurch unterschiedlich ausDildende Temperaturfeld in Welle und Gehäuse infolge zeitlich sich ändernder Wärmeleistung das ideale Wärmedehnverhalten. Die Spieländerung kann auf diese Weise wohl vermindert nicht aber verhindert werden. Zudem beschränkt sich die Anwendung dieser Methode, wie auh bei der Methode des Verschiebens von Außen- und Innenring gegeneinander, auf Wälzlager bestimmter Bauformen, Zylinderrollenlager, die insbesondere bei der Lagerung von Werkzeugmaschinenspindeln und allgemein für hohe Belastungen bevorzugt werden, sind hierfür nicht geeignet.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht drin, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein stufenloses Verstellen des Lagerspiels eines Wälzlagers für eine Spindel od. dgl. während des Betriebes, d. h. während des Umlaufs der Spindel od.dgl. ermöglicht, derart, daß beispielsweise bei Verengung bzw. Verkleinerung des Lagerspiels infolge Wärnedetnung eine Vergrößerung des Lagerspiels vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine in einem Gehäuse für die Spindel od. dgl. drehbar und axial verschiebbar gelagerte Hülse, deren Innenfläche als Außenlaufbahn der

109832/U42

Wälzkörper des Wälzlagers ausgebildet und deren Außenfläche im Bereich des Wälzlagers schwach konisch geformt ist, durch einen Kranz zur Drehachse der Hülse um einen Winkel geschränkt auf dieser konischen Außenfläche geführter Lagernadeln, und durch einen in dem Ghäuse angeordneten, zur konischen Außenfläche der Hülse parallelen Innenkonus als Außenlaufbahn für die Lagernadelnο

Bei einem Verdrehen der Hülse wird dieselbe infolge der Schränkung der Lagernadeln schraubenförmig in den Innenkonus hinein- oder aus diesem herausbewegt, wobei sich durch elastische Verformung die lichte Weite der Hülse ändert und demnach infolge Verengung der Außenlaufbahn der Wälzkörper eine Änderung des Lagerspiels erzielt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für sämtliche Wälzlagerbauformen verwendbar und gestattet eine stufenlose Einstellung des Wälzlagerspiels auch während des Betriebes, de h. des Laufs der Spindel od. dgl.

Um nun eine Lagerspieländerung während des Betriebs festzustellen, sind zweckmäßig zwei in der Hülse unmittelbar neben deren Innenfläche bzw, der Außenlaufbahn der Wälzkörper einander gegenüberliegend angeordnete Fühler vorgesehen, die die Abstandsänderung der Hülse gegenüber der Innenlaufbahn der Wälzkörper an einem Innenring des Wälzlagers messen. Für die Fühler können verschiedene physikalische Prinzipien verwendet werden, die ein berührungsloses Messen gewährleisten. Zweckmäßig sind die Fühler jedoch mit Druckluft gespeiste Meßdüsen, deren öffnungen auf die Innenlaufbahn für die Wälzkörper gerichtet sind und die die Abstandsänderung mittels des Staudrucks messen. Vorteilhafterweise sind diese Meßdüsen Teil einer Einrichtung zum selbsttäigen Konstanthalten des Lagerspiels des Wälzlagers, die einen Vergleicher aufweist, dem der von den Meßfühlern bzw. -düsen ermittelte Istwert des Lagerspiels, der dem Abstaid zwischen den Meßdüsen und der Innenlaufbahn für die Wälzkörper proportional ist, zwecks Vergleichs mit einem vorgegebenen Sollwert zugeführt wird. Der Istwert entspricht dabei dem ge-

109832/1U2

messenen Staudruck, der sich beim Anströmen der Innenlaufbahn für die Wälzkörper duch die aus den Meßdüsen ausströmende Luft ergibt und der sich mit der Änderung des Abstands der Meßdüsen von dieser Innenlaufbahn ändert. In dem Vergleicher wird aus dem Vergleich zwischen Istwert und Sollwert ein dem Unterschied zwischen diesen Werten entsprechendes Steuersignal gebildet, das von einem nachgeschalteten Verstärker verstärkt und einem Stellmotor mit einem Antriebsritzel zugeführt wird. Djses Antriebsritzel kämmt mit einem auf der Hülse angeordneten Zahnkranz und verdreht die Hülse solange, bis der Unterschied zwischen Istwert und Sollwert verschwindet»

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen sind im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eisen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfind ungj

Fig. 2 die in dem strichpunktierten Kreis A in Fig. 1 enthaltenen Einzelheiten in vergrößertem Maßstabj

Pig· 3 das Blockschaltbild der Einrichtung zum selbsttätigen Konstanthalten des Lagerspiels des Wälzlagers.

In einem Gehäuse 1 1st eine Werkzeugmaschinenspindel 2 an ihrem vorderen Ende in einem zweireihigen Wälzlager mit Wälzkörpern j5 geführt. Dieses Wälzlager ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Zylinderrollen^ger. In dem Gehäuse 1 ist eine drehbar und axial verschiebbar gelagerte Hülse 4 vorgesehen, deren Innenfläche 18 als Außenlaufbahn bzw. Außenring der Wälzkörper J> des Wälzlagers ausgebildet ist. Die Außenfläche 19 der Hülse 4 ist im Bereich des Wälzlagers schwach konisch geformt und dient als Laufbahn für einen Kranz von zur Drehaohse 20 der Hülse 4 um einen Winkel (K geschränkt auf dieser konischen Außenfläche geführter Iftgernadeln 5. Die Lagernadeln 5 können dabei in einem

109832/1U2

Käfig angeordnet sein. Das hintere Ende der Hülse 4 wird über ein weiteres, leichtes Rollenlager 6 im Gehäuse 1 abgestützt. Ferner ist in dem Gehäuse 1 ein zur konischen Außenfläche der Hülse 4 paralleler Innenkonus 7 als Außenlaufbahn für die Lagernadeln 5 vorgesehen. Zweckmäßig wird dieser Innenkonus 7 jedoch an einem in das Gehäuse 1 fest eingepreßten Außenring 8 angeordnet. Der Kegelwinkel der Außenfläche 19 der Hülse 4 und der Schränkungswinkel /X der Lagernadeln sind dabei kleiner als der Reibungswinkel gewählt, so daß sich die Hülse 4 bei Drehung in den Innenkonus 7 je nach Drehrichtung hinein- oder hinausdreht und damit zwangsläufig ihren Durchmesser in diesem Bereich ändert. Als Schränkungswinkel <ρό der Lagernadeln 5 hat sich ein Winkel von etwa 1° bewährt. Die schwach konisch geformte Außenfläche 19 der Hülse 4 entspricht zweckmäßig in ihrer Neigung der Mantelfläche eines Kegels 1 : 30. Durch die gewählten, derart geringen Winkel ergeben sich ferner günstige Kraft- und Wegübersetzungen, so daß für die Verdrehung der Hülse 4 nur geringe Kräfte aufgewendet werden müssen und darüberhinaus das Verdrehen der Hülse 4 nicht besonders feinfühlig vorgenommen werden muß.

Eine Einrichtung zum Messen der Änderung des Lagerspiels des Wälzlagers besteht zweckmäßig, aus zwei in der Hülse 4 unmittelbar neben deren Innenfläche 18 bzw. der Außenlaufbahn der Wälzkörper 3 einander gegenüberliegend angeordneten Fühlen* die die Abstandsänderung der Hülse 4 gegenüber der Innenlaufbahn 21 der Wälzkörper 3 an einem Innenring 13 des Wälzlagers messen. Vorteilhaft sind diese Fühler mit Druckluft gespeiste, einander parallel geschaltete MeßdUsen11 bzw. 12, deren Öffnungen auf dt, Innenlaufbahn 21 für die Wälzkörper 3 gerichtet sind und die die Abstandsänderung mittels der Änderung des Staudrucks messen. Durch die Parallelschaltung von zwei einander gegenüberliegenden Düsen werden Meßfehler, die etwa infolge einer Durchbiegung der Spindel unter Last entstehen, eliminiert; ferner wird dadurch die Empfindlichkeit verdoppelt.

109832/U42

Bei dem gezeigten, bevorzugten AusfUhrungsbeispiel weist die Hülse 4 im Bereich der Meßdüsen 11, 12 stirnseitig einen koaxialen Ansatz in Form eines Ringkolbens 16 auf, der in einem mit einer Speiseleitung 22 für die Druckluft verbundenen Ringraum 14 im Gehäuse 1 dichtend verschiebbar ist und an seiner Stirnfläche 2j5 mündende Zuleitungai 24 zu den Meßdüsen 11, 12 aufweist (ivig. 2). Die Abdichtung erfolgtdabei durch jeweils eine Außen- und eine Innenringdichtung JO bzw. 31· Auf diese Weise behindert die Dreh- und Axialbewegung der Hülse 4 die Druckluftzuführung nicht. Gleichzeitig wird die Hülse 4 mit e iner dem Staudruck entsprechenden Kraft in den Innenkonus 7 gepreßt, wodurch auch bei Entspannung der Hülse 4 die Anlage der Lagernadeln 5 am Innenkonus 7 erhalten bleibt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Ringraum 14 und die Speiseleitung 22 in einem Abschlußdeckel 1^ des Genäuses 1 angeordnet.

Schließlich ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine Einrichtung zum selbsttätigen Konstanthalten des Lagerspiels des Wälzlagers vorhanden. Wie man Fig. 3 entnimmt, wird bei dieser Einrichtung der von den Meßfühlern bzw, -düsen 11, 12 ermittelte Istwert (Pfeil B) des Lagerspiels zwecks Vergleichs mit einem vorgegebenen Sollwert, der durch den Pfeil C dargestellt wird, einem Vergleicher 25 zugefünrt. Dieser Vergleicher 2^ bildet aus Ist-wert und Sollwert ein dem Unterschied zwischen diesen Werten entsprechendes Steuersignal (Pfeil D), das in einem nachgeschalteten Verstärker verstärkt und anschließend einem Stellmotor 27 zugefünrt, der ein Antriebsritzel 29 aufweist· Dieses Antriebsritzel 29 ist, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Zwischenzahnrades 10 (Fig. 1), mit einem auf der Hülse 4 angeordneten Zahnkranz 9 in Eingriff. Nach Maßgabe des vom Vergleicher 25 zur Verfügung gestellten Steuersignals dreht der Stellmotor 27 die Hülse 4 in den Außenring 8 hinein oder aus diesem heraus und ermöglicht so eine Verringerung oder Vergrößerung des Lagerspiels des die Wälzkörper 5 aufweisenden Wälzlagers zwecks Kompensation der durch Wärmedehnungen auftretenden Abweichungen vom Sollwert des Lagerspiels·

109832/1442

Die aus Fig. 1 zu entnehmende, zwischen der Hülse 4 und der Spindel 2 angeordnete, im wesentlichen parallel zur Längsachse 20 verlaufende und am Umfang versetzt vorgesehene Bohrungen aufweisende, zweite Hülse 17 dient der Zuführung von Schmiermittel zu den Wälzkörpern J>,

109832/1A 4 2

Claims

Patentansprüche

1· Vorrichtung zum stufenlosen Verstellen des Lagerspiels eines Wälzlagers für eine Spindel od. dgl_o, gekenn ζ ei cn n e t durch 3ine in einem Gehäuse (1) für die Spindel (2) od. dgl. drehbar und axial verschiebbar gelagerte Hülse (4), deren Innenfläche (18) als Außenlaufbahn der Wälzkörper (j5) des Wälzlagers ausgebildet und deren Außenfläche (19) im'Bereich des Wälzlagers schwach konisch geformt ist _s durch einen Kranz zur Drehachse (20) der Hülse um einen Winkel (££) geschränkt auf dieser konischen Außenfläche geführter Lagernadeln (5)* und durch einen in dem Gehäuse angeordneten, zur konischen Außenfläche der Hülse parallelen Innenkonus (7) als Außenlaufbahn für die Lagernadeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t , daß der Schränkungswinkel (^) der Lagernadeln (5) etwa 1° beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, düurch g e k e nn zeichnet, daß die schwach konisch geformte Außenfläche (19) der Hülse (4) der Mantelfläche eines Kegels 1 : entspricht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkonus (7) an einem in das Gehäuse (1) fest eingepreßten Außenring (8) angeordnet ist.
5· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung zum Messen der Änderung des Lagerspiels des Wälzlagers, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zwei in der Hülse (4) unmittelbar neben deren Innenfläche (18) bzw. der Außerilaufbahn der Wälzkörper

109832/U42

O) einander gegenüberliegend angeordnete Fühler aufweist, die die Abstandsänderung der Hülse gegenüber der Innenlaufbahn (21) der Wälzkörper an einem Innenring (1^) des Wälzlagers messene
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler mit Druckluft gespeiste, einander parallel geschaltete Meßdüsen (11j 12) sind, deren öffnungen (28) auf die Innenlaufbahn (21) für die Wälzkörper O) gerichtet sind, und die dfc Abstandsänderung mittels der Änderung des Staudrucks messen»
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichn e t , daß die Hülse (4) im Bereich/ler Meßdüsen (11, 12) stirnseitig einen koaxialen Ansatz in Form eines Ringkolbens (16) aufweist, der in einem mit einer Speiseleitung (22) für die Druckluft verbundenen Ringraum (14) im Gehäuse (1) dichtend verschiebbar ist und an seiner Stirnfläche (2^) mündende Zuleitungen (24) zu den Meßdüsen (11, 12) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichn e t , daß der Ringraum (14) und die Speiseleitung (22) in einem Abschlußdeckel (15) des Gehäuses (1) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, mit einer Einrichtung zum selbsttätigen Konstanthalten des Lagerspiels des Wälzlagers, gekennzeichnet durch einen Vergleicher (25), dem der von den Meßfühlern bzw. -düsen (11, 12) ermittelte Istwert (Pfeil B) des Lagerspiels zwecks Vergleichs mit einem vorgegebenen Sollwert (Pfeil C) zugeführt wird und der daraus ein Steuersignal (Pfeil D) bildet, durch einen nachgeschalteten Verstärker (26) für dieses Steuersignal, und durch einen Stellmotor (27), der ein Antriebsritzel (29) aufweist, das mit einem auf der Hülse (4) angeordneten Zahnkranz (9) in Eingriff ist.

109832/14 4 2

Leerseite