DE19818634A1 - Loslager für Spindeln, Wellen und dergleichen - Google Patents

Abstract

Das Loslager hat einen Außenring, der in einer Hülse aufgenommen ist, die in einem Einbauraum eines Gehäuses untergebracht ist. DOLLAR A Um das Loslager so auszubilden, daß mit geringem konstruktiven und herstellungstechnischen Aufwand ein Klemmen des Loslagers zuverlässig vermieden wird, ohne die Steifigkeit des Loslagers und damit der Spindel stark zu senken, liegt die Hülse mit radialem Spiel im Einbauraum und ist an ihren Enden durch axial elastisch nachgiebige Stützelemente mit dem Gehäuse verbunden. DOLLAR A Das Loslager zeichnet sich durch eine einfache konstruktive Ausbildung, einfache Herstellbarkeit und eine hohe Funktionssicherheit aus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Loslager für Spindeln, Wellen und derglei­ chen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Aufnahme einer Momentenbelastung besitzen Wellen oder Spin­ dellagerungen immer wenigstens zwei mit Abstand voneinander an­ geordnete Lager oder Lagerpakete aus mehreren Lagern. Zur Lage­ rung der Spindel werden oft Schrägkugellager eingesetzt. Die zur Funktion der Lager wichtige axiale Vorspannung wird entweder in­ nerhalb der Pakete, wie in Fig. 2 dargestellt, oder zwischen den La­ gerpaketen erzeugt wie Fig. 5 zeigt. Die Lageraußenringe eines der Lager oder Lagerpakete, das sogenannte Festlager, werden im Ge­ häuse axial festgelegt um die Welle oder Spindel im Gehäuse zu fi­ xieren und/oder auch axiale Belastungen aufnehmen zu können. Um Längenänderungen zwischen der Spindel und dem Gehäuse, die zum Beispiel durch thermische Effekte hervorgerufen werden können, auszugleichen, ist das andere Lager oder Lagerpaket, das soge­ nannte Loslager, im Gehäuse axial relativ zum Festlager verschieb­ bar. Ein Wegfall dieser axialen Verschiebbarkeit, zum Beispiel durch ein Klemmen der Außenringe des Loslagers im Gehäuse, hat in der Regel fatale Folgen für die Funktion der Spindel. Die axiale Vorspan­ nung der Lager geht verloren oder erhöht sich extrem stark. Beides kann zum Ausfall der Lager führen.

Um dieses Klemmen des Loslagers zu vermeiden, ist es bekannt, die Außenringe des Loslagers mit einem mehr oder weniger großen Spiel in das Gehäuse einzubauen. Diese Lösung ist aber unbefriedigend, weil die statische und die dynamische Steifigkeit sowie die Bearbei­ tungsqualität sinken und Spiel in Spindellagerungen generell uner­ wünscht ist.

Aus diesem Grunde ist es auch bekannt, die Außenringe der Loslager in einer Hülse aufzunehmen, die ihrerseits mit einem axial bewegli­ chen Wälzlager im Gehäuse gelagert wird. Eine solche Ausbildung ist extrem aufwendig, da die gesamten radialen Umfangsflächen der Hülse und des Gehäuses zur Aufnahme des Axialwälzlagers mit ho­ her Genauigkeit bearbeitet und auch gehärtet werden müssen, damit kein Spiel entsteht und die Funktion des axial beweglichen Wälzla­ gers sichergestellt werden kann. Dennoch kann es auch bei einer solchen Loslagerausbildung zu einem Klemmen kommen, wenn sich die Kugeln des axial beweglichen Wälzlagers zum Beispiel in die Hülse und/oder das Gehäuse eingraben oder sich die Hülse zum Bei­ spiel durch Temperaturänderungen schnell und stark ausdehnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Loslager so auszubilden, daß mit geringem konstruktivem und her­ stellungstechnischem Aufwand ein Klemmen des Loslagers zuverläs­ sig vermieden wird, ohne die Steifigkeit des Loslagers und damit der Spindel stark zu senken.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Loslager erfindungsge­ mäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Loslager zeichnet sich durch eine einfache konstruktive Ausbildung, einfache Herstellbarkeit und eine hohe Funktionssicherheit aus. Die Funktionen der Kraftübertragung und der Verschiebung des Loslagers relativ zum Festlager werden ge­ trennt. Die Kraftübertragung erfolgt über die Berührflächen zwischen der Hülse, den Stützelementen und dem Gehäuse. Das Gehäuse selbst ist aber mit radialem Spiel im Einbauraum des Gehäuses gela­ gert, so daß eine Berührung der Hülse mit der Wandung des Einbau­ raumes vermieden wird. Um das Loslager relativ zum Festlager ver­ schieben zu können, sind die Stützelemente axial elastisch nachgie­ big ausgebildet. Dadurch kann die axiale Relativbewegung zwischen dem Festlager und dem Loslager stattfinden, ohne daß sich die Oberflächen von Gehäuse und Hülse berühren müssen. Die radiale Federsteifigkeit der Stützelemente kann höher gewählt werden als diejenige des zusätzlichen axial beweglichen Wälzlagers bei be­ kannten Loslagern. Die Verwendung der beiden Stützelemente gibt der Hülse die notwendige radiale Steifigkeit und verhindert über den Stützabstand beider Stützelemente ein Verkippen der Hülse. Ein axiales Klemmen durch Reibungseffekte tritt beim erfindungsgemä­ ßen Loslager nicht mehr auf, so daß dessen Funktion unter allen Be­ triebszuständen sichergestellt ist. Durch die hohe radiale Steifigkeit der Stützelemente ist eine verbesserte Gesamtsteifigkeit des erfin­ dungsgemäßen Loslagers gewährleistet. Der konstruktive und ferti­ gungstechnische Aufwand wird durch die Vermeidung von Anpaßar­ beiten an der Hülse erheblich verringert.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An­ sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Axialschnitt einen Teil eines erfindungsgemäßen Losla­ gers,

Fig. 2 im Axialschnitt eine bekannte Lagerung einer Werkzeugma­ schinenspindel mit Fest- und Loslagerpaket,

Fig. 3 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 eine weitere Aus­ führungsform eines erfindungsgemäßen Loslagers,

Fig. 4 das erfindungsgemäße Loslager gemäß Fig. 3 bei axialer Belastung,

Fig. 5 im Axialschnitt eine weitere bekannte Lagerung einer Werk­ zeugmaschinenspindel mit Fest- und Loslagerpaket,

Fig. 6 bis Fig. 10 weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Losla­ gern.

Wie Fig. 2 für eine herkömmliche Lagerung einer Werkzeugmaschi­ nenspindel 1 zeigt, wird sie in einem Gehäuse 2 durch ein Festlager­ paket 3 und ein Loslagerpaket 4 drehbar abgestützt. Die beiden La­ gerpakete werden durch jeweils zwei Festlager bzw. Loslager gebil­ det, die jeweils mit axialem Abstand voneinander liegen. Das Festla­ gerpaket 3 ist gehäuseseitig axial festgelegt. Zwischen dem Festla­ gerpaket 3 und dem Loslagerpaket 4 befindet sich eine die Spindel 1 umgebende Hülse 5, welche die beiden Lagerpakete axial auf Ab­ stand zueinander hält.

An den Bauteilen solcher Werkzeugmaschinenspindeln entwickeln sich je nach Betriebszustand unterschiedliche Temperaturen. Die Spindel 1 wird wegen ihrer schlechteren Wärmeabgabe in der Regel wärmer als das Gehäuse 2. Dadurch verändert sich die Länge der Spindel 1 relativ zum Gehäuse 2, d. h., der spindelseitige Lagerabstand verän­ dert sich gegenüber dem gehäuseseitigen Lagerabstand. Die Außen­ ringe 7 der beiden Festlager 3 sind axial im Gehäuse 2 festgelegt, um die Spindel 1 im Gehäuse 2 zu fixieren und/oder auch axiale Be­ lastungen aufnehmen zu können. Mit den beiden Loslagern 4 können Längenänderungen zwischen der Spindel 1 und dem Gehäuse 2, die zum Beispiel durch thermische Effekte hervorgerufen werden, ausge­ glichen werden. Die thermisch bedingte Längendehnung der Spin­ del 1 verschiebt das Loslagerpaket 4 axial gegenüber dem Festla­ gerpaket 3 im Gehäuse 2. Ein Wegfall der axialen Verschiebbarkeit, zum Beispiel durch Klemmen der Außenringe 6 der Loslager 4 im Gehäuse 2, hat in der Regel fatale Folgen für die Funktion der Spin­ del 1. Die axiale Vorspannung der Lager 3, 4 geht verloren oder er­ höht sich - je nach vorliegender Lageranordnung - extrem stark. Beides kann zum Ausfall der Lager 3, 4 führen.

Eine Ausbildung der Loslager 4 gemäß Fig. 1 vermeidet zuverlässig einen Ausfall der Lager und/oder der Spindel 1. Die Außenringe 6 der beiden Loslager 4 sind in einer Hülse 8 aufgenommen, die über an ihren Enden angreifende Stützelemente 9 mit dem Gehäuse 2 ver­ bunden ist. Die Stützelemente sind radial sehr steif, axial jedoch ela­ stisch nachgiebig ausgebildet. Die Hülse 8 liegt mit radialem Abstand zur Innenwand 10 eines das Loslagerpaket 4 aufnehmenden Einbau­ raumes 11.

Die beiden Stützelemente 9 sind ringförmig ausgebildet und haben einen radial liegenden Scheibenkörper 12, der am radial äußeren Rand eine umlaufende Verdickung 13 und am radial inneren Rand auf der gegenüberliegenden Seite eine umlaufende Verdickung 14 aufweist. Die beiden Stützelemente 9 liegen mit den radial außen lie­ genden Verdickungen 13 an Radialflächen 15 und 16 des Gehäuses 2 an. Das in Fig. 1 linke Stützelement 9 liegt mit der radial inneren Verdickung 14 an einem radial nach innen von der Hülse 8 abstehen­ den Ring 17 an. Er weist am radial inneren Ende einen koaxial zur Abstandshülse 8 sich erstreckenden hülsenförmigen Ansatz 18 auf, der mit radialem Spiel die Abstandshülse 5 umgibt.

Das in Fig. 1 rechte Stützelement 9 liegt zwischen der Hülse 8 und einem Sicherungsring 19, der den Außenring 6 des in Fig. 1 rechten Loslagers 4 axial sichert. Ähnlich wie beim linken Stützelement wird die umlaufende Radialverdickung 13 des rechten Stützelementes in einer entsprechenden ringförmigen Vertiefung des Gehäuses aufge­ nommen. Die beiden Stützelemente 9 haben im gezeigten Beispiel, aber nicht notwendigerweise, unterschiedlichen radialen Abstand von der Spindel 1.

Tritt in der beschriebenen Weise eine Längenänderung der Spindel 1 und damit eine axiale Relativbewegung zwischen Fest- und Loslager auf, dann wird diese axiale Relativbewegung durch elastische Ver­ formung der Stützelemente 9 ermöglicht, ohne daß eine klemmge­ fährdete Verschiebung von kraftübertragenden, einander berühren­ den Oberflächen stattfinden muß. Da die beiden Stützelemente 9 ra­ dial steif ausgebildet sind, geben sie der Hülse 8 die notwendige ra­ diale Steifigkeit und verhindern über den Stützabstand voneinander ein Verkippen der Hülse 9. Die beiden Stützelemente 9 können, wie dies beispielhaft in Fig. 4 für eine andere Ausbildung eines Stützele­ mentes dargestellt ist, bei entsprechenden Belastungen elastisch so ausbiegen, daß die Hülse 8 entsprechend der Axialverschiebung der Loslager 4 relativ zum Festlager 3 verschoben werden kann.

Die axiale Kraftübertragung erfolgt nach wie vor über die Berüh­ rungsflächen zwischen der Hülse 8, den Stützelementen 9 und dem Gehäuse 2. Die Funktion der axialen Verschiebung ist in die axial nachgiebigen Stützelemente 9 gelegt. Zwischen den einander berüh­ renden Oberflächen der Hülse 8 und der Außenringe 6 der Loslager 4 müssen keine axialen Verschiebungen stattfinden, um die axiale Re­ lativbewegung zwischen dem Festlager 3 und dem Loslager 4 zu er­ lauben. Die Stützelemente 9 können spielfrei mit der Hülse 8 und dem Gehäuse 2 verbunden werden. Die radiale Federsteifigkeit der Stützelemente 9 kann sehr hoch gewählt werden. Dadurch wird die radiale Steifigkeit des Loslagers und damit der Spindel gegenüber den bekannten Ausführungen erhöht.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 sind die Stützele­ mente 9a einstückig mit der Hülse 8a ausgebildet. In diesem Falle haben die Stützelemente 9a lediglich die radial äußere Verdickung 13a, mit der sie an den Radialflächen 15, 16 des Gehäuses 2 anlie­ gen. Im übrigen ist diese Ausführung gleich ausgebildet wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Stützelemente 9a in der unbelasteten Stellung. Treten die beschriebenen Relativverschiebungen auf, dann verformen sich die Stützelemente 9a elastisch, wie Fig. 4 zeigt.

Fig. 5 zeigt eine Spindellagerung in herkömmlicher Ausbildung, wie sie insbesondere bei schnell drehenden Spindeln 1 eingesetzt wird. Das Festlager 3 und das Loslager 4 werden jeweils als Tandem aus­ geführt. Die für den einwandfreien Betrieb der Lager genau einzu­ stellende und einzuhaltende Vorspannkraft wird durch die Federele­ mente 20 aufgebracht. Durch die Zusammenschaltung der beiden Lagerpakete 3, 4 über die gesamte Spindellänge entsteht somit eine in beiden Axialrichtungen zug- und druckbelastbare Spindellagerung. Bei dieser Ausführungsform sind die Außenringe 6 der beiden Losla­ ger 4 in den Einbauraum 11 des Gehäuses 2 mit Spiel eingesetzt, um die erforderliche Axialverschiebbarkeit auch zu ermöglichen.

Fig. 6 zeigt nun die Möglichkeit, die axial nachgiebigen, aber radial sehr steifen Stützelemente 9a dazu zu nutzen, um zwischen den Festlagern 3 und den Loslagern 4 der Spindel 1 eine definierte Axial­ kraft einzuleiten, um auf diese Weise die Lager vorzuspannen. Die Stützelemente 9a sind entsprechend der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 einstückig mit der Hülse 8a ausgebildet, die radialen Ab­ stand von der Innenwandung des Einbauraumes 11 des Gehäuses 2 hat. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das linke Stützelement 9a des Loslagerpaketes 4 in der Art einer Tellerfeder axial vorge­ spannt. Dadurch ergibt sich eine in Richtung des eingezeichneten Pfeiles wirkende Kraft Fax. Durch eine solche Ausbildung der Losla­ gerung wird eine erhebliche Verminderung des konstruktiven und fer­ tigungstechnischen Aufwandes erzielt. Die Stützelemente 9a dienen somit nicht nur zur Abstützung der Hülse 8a des Loslagers, sondern auch zur axialen Vorspannung der Lagerpakete.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher in dem zwischen der Hülse 8 und dem Gehäuse 2 vorgesehenen Ringraum 21 eine dämp­ fendes Material 22 untergebracht ist. Durch dieses Dämpfungsmate­ rial 22 wird das dynamische Verhalten der Spindel 1 verbessert. Hierbei muß allerdings die Reibung bei einer axialen Verschiebung des Loslagers 4 gegenüber dem Gehäuse 2 gering gehalten werden. Das Dämpfungsmaterial 22 liegt zwischen zwei Dichtungsringen 23, 24, die in Ringnuten 25, 26 in der Innenwandung des Einbauraumes 11 des Gehäuses 2 eingreifen. Mit dem Dämpfungsmaterial 22 läßt sich die dynamische Stabilität der Spindel 1 stark erhöhen, so daß mit einer solchen Ausbildung eines Loslagers größere Leistungen und/oder bessere Bearbeitungsqualitäten bei Einsatz einer so abge­ stützten Spindel 1 möglich sind. Als dämpfendes Material 22 kann beispielsweise Fett eingesetzt werden, das durch die beiden Dich­ tringe 23, 24, die vorteilhaft O-Ringe sind, im Ringraum 21 gehalten wird. Es ist auch möglich, als Dämpfungsmaterial ausschließlich die beiden elastischen Dichtungsringe 23, 24 zu verwenden.

Im übrigen ist das Loslager 4 mit der Hülse 8 und den Stützelemen­ ten 9 gleich ausgebildet wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 liegen die beiden Stützele­ mente 9 nicht in unterschiedlichem radialem Abstand zur Spindel, sondern auf gleicher Höhe. Die Stützelemente 9 sind gleich ausgebil­ det wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Die Hülse 8 ist eben­ falls gleich ausgebildet wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und hat den radial nach innen ragenden Ring 17, an dem das in Fig. 8 linke Stützelement 9 mit der umlaufenden Verdickung 14 anliegt. Auf der gegenüberliegenden Seite liegt die Hülse 8 mit ihrer freien Stirn­ seite am Sicherungsring 19 an, der mit einem axialen, ringförmigen Vorsprung 27 radial in der Hülse 8 aufgenommen wird und am Au­ ßenlager 6 des in Fig. 8 rechten Loslagers 4 anliegt. Der Sicherungs­ ring 19 und die Hülse 8 haben wiederum radialen Abstand von der Spindel. Die Hülse 8 ist von einer weiteren Hülse 28 mit radialem Spiel umgeben, die in den Einbauraum 11 des Gehäuses 2 einge­ setzt ist und an der die Stützelemente 9 mit ihrem radial äußeren Ende anliegen. Zwischen den beiden Hülsen 8 und 28 ist ein Rin­ graum 29 gebildet. Dadurch findet keine Berührung der Hülse 8 an der Hülse 28 statt, so daß die Hülse 8 in der beschriebenen Weise relativ zum Gehäuse 2 axial verschoben werden kann. Die als Tel­ lerfedern ausgebildeten Stützelemente 9 erlauben diese axiale Ver­ schiebung der Hülse 8 gegen Federkraft, was durch den eingezeich­ neten Pfeil gekennzeichnet ist.

Fig. 9 zeigt die Möglichkeit, die beiden Stützelemente 9 jeweils in der Art von Tellerfedern axial vorzuspannen. Im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist das in Fig. 9 linke Stützelement 9 stärker axial vor­ gespannt als das gegenüberliegende Stützelement. Wird die durch die Vorspannung des linken Stützelementes 9 erzeugte Kraft mit F_Feder1 und die mit dem rechten Stützelement erzeugte Kraft mit F_Feder2 bezeichnet, ergibt sich die resultierende Vorspannkraft aus der Be­ ziehung F_Vorspann = F_Feder1-F_Feder2. Im übrigen ist das Loslager 4 die­ ser Ausführungsform gleich ausgebildet wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird auch bei dieser Ausführungsform die Vorspannung zwischen den beiden Lagerpaketen 3, 4 an den Enden der Spindel 1 mit Hilfe der beiden Stützelemente 9 aufgebracht.

Fig. 10 schließlich zeigt ein Loslagerpaket, bei dem die beiden Stütz­ elemente 9 entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 9 axial vor­ gespannt sind. Außerdem ist im Ringraum 29 zwischen den beiden Hülsen 8 und 28 das dämpfende Material 22 eingebracht. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7 wird somit der ohnehin vorhandene Ringraum dazu genutzt, das dämpfende Medium unterzubringen, so daß hierfür zusätzlicher Einbauraum nicht notwendig ist. Als dämp­ fendes Medium 22 kann wiederum beispielsweise eine Gummilage oder ein dünner Öl- bzw. Fettfilm verwendet werden. Anstelle der Dichtungsringe 23, 24 kann sich das dämpfende Material 22 auch bis in die Ringnuten 25, 26 erstrecken. In diesem Falle sind die Ringnu­ ten 25, 26 so ausgebildet, daß dieses dämpfende Material nicht nach außen gelangen kann. Eine solche Ausbildung kann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 7 vorgesehen sein.

Claims (13)

1. Loslager für Spindeln, Wellen und dergleichen, mit einem Außenring, der in einer Hülse aufgenommen ist, die in einem Ein­ bauraum eines Gehäuses untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8, 8a) mit radialem Spiel im Einbauraum (11) liegt und an ihren Enden durch axial elastisch nachgiebige Stützelemente (9, 9a) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.

2. Loslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (9, 9a) schei­ benförmig ausgebildet und etwa radial zur Loslagerachse ange­ ordnet sind.

3. Loslager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (9, 9a) tellerfe­ derförmig ausgebildet sind.

4. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (9, 9a) am radi­ al äußeren Rand mit einer umlaufenden Verdickung (13, 13a) versehen sind, mit der sie am Gehäuse (2) anliegen.

5. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stützelemente (9, 9a) radial versetzt zueinander angeordnet sind.

6. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stützelemente (9, 9a) radial auf gleicher Höhe liegen.

7. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das eine Stützelement (9), vorzugsweise beide Stützelemente von der Hülse (8) ge­ trennte Bauteile sind.

8. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das eine Stützelement (9a), vorzugsweise beide Stützelemente einstückig mit der Hülse (8a) ausgebildet sind.

9. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das eine Stützelement (9, 9a) axial vorgespannt ist.

10. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8, 8a) axial aus dem Gehäuse (2) ragt.

11. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich das eine Stützelement (9, 9a) an einer außerhalb des Einbauraumes (11) liegenden Fläche (16) des Gehäuses (2) abstützt.

12. Loslager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im radialen Zwischenraum (21) zwischen der Hülse (8, 8a) und dem Gehäuse (2) ein Dämp­ fungsmedium (22) untergebracht ist.

13. Loslager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmedium (22) eine Gummilage oder ein dünner Ölfilm ist.