CN113518867A - 锥形滚子轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锥形滚子轴承(1)，该锥形滚子轴承包括具有内圈滚道(3)的内圈(2)、具有外圈滚道(5)的外圈(4)，以及在滚道(3、5)上滚动的锥形滚子(6)。根据本发明，该锥形滚子轴承(1)的特征在于其标称接触角(α)介于20°至30°之间，并且锥形滚子(6)具有为1.0至1.2的滚动元件长度(Lw)与滚动元件直径(Dw)的比率。

Description

锥形滚子轴承
技术领域
本发明涉及锥形滚子轴承，该锥形滚子轴承包括具有内圈滚道的内圈、具有外圈滚道的外圈以及在滚道上滚动的锥形滚子。
背景技术
材料技术的不断发展以及高强度材料、例如在汽车和航空航天行业的使用，对用于加工此类材料的机床提出了关于机床主轴轴承的最高要求。这通常与切削速度的提高和大批量加工的趋势有关。为了应对这些挑战，需要高性能的主轴轴承系统，高性能的主轴轴承系统在高承载能力、高刚度与最佳速度适应性之间具有最佳比率。为此，由于其良好的速度适应性，通常使用高精度的角接触球轴承，这些角接触球轴承根据操作条件以在X型或O型布置成对地安装。根据应用，这些轴承可以被设计为轻度偏置、中度偏置或重度偏置。对刚性要求很高的工具主轴是由连续安置的任意数量的主轴轴承、例如呈串联-O型-串联布置的形式的四个或六个主轴轴承来实现的。
然而，由于刚性安置和多重布置以及增加的偏置等级的选择，包括任意数量的主轴轴承的主轴轴承的速度适应性可能会有很大差异。这意味着，基于单个角接触球轴承的计算的标称速度限制的实际速度限制显著降低，例如，在基于参考主轴轴承的O型布置或串联-O型-串联布置的情况下，降低的系数在0.5到0.85的范围内，这意味着速度限制乘以该系数降低。在整个轴承布置中使用的单个角接触球轴承越多且所选的偏置等级(轻度、中度、重度)越高，降低可以越大。
除了速度适应性降低之外，工具与工件之间的意外碰撞也是机床主轴故障的最常见原因之一。由于主轴轴承或角接触球轴承的有限的承载能力，意外的碰撞会导致高的冲击载荷，这可能会由于小的接触面积、即点接触而导致球发生塑性变形，并且从而导致滚道上的高表面压力，并且因此必须更换完整的主轴轴承。
如上所述，角接触球轴承由于其良好的速度适应性而被用于主轴轴承。另一方面，锥形滚子轴承不用于转速高达数千转/分至远高于10,000转/分的极高速主轴轴承装置领域，尤其是因为摩擦扭矩相对较高；它们通常用于径向和轴向载荷较高的经典应用领域并用于中速水平。然而，锥形滚子轴承在n·dm值为500,000至1,000,000或更高的高速轴承领域的可用性将是可取的。速度参数经由n·dm值定义，其从n·(D+d)/2计算，其中，n＝工作点的速度，D＝轴承的外径，d＝轴承的孔内径。
发明内容
因此，本发明的目的是设计一种适用于高速轴承的锥形滚子轴承。
为了解决这个问题，根据本发明，将上述类型的锥形滚子轴承设置成具有介于20°与30°之间的标称接触角以及滚动元件长度与滚动元件直径的比率为1.0至1.2的锥形滚子。
已经发现的是，以针对标称接触角和滚动元件长度与滚动元件直径的比率进行描述的方式设计的锥形滚子轴承可用于这样的高速应用。
通过将标称接触角设定介于20°至30°之间，锥形滚子轴承满足足够的最小刚性要求，由此锥形滚子轴承当然也可以被偏置，并且可以经由相应的偏置进一步改善系统刚性。因此，与安装工具主轴的高速装置相关的轴向和径向刚性可以经由该标称接触角进行相应的调整。
在当今的锥形滚子轴承中，在流体弹性动力的润滑作用下在滚道接触之间产生的滚动摩擦对总摩擦力矩具有最大的影响，因为大多数力是经由滚动接触传递的。为了减小滚动摩擦度的程度，同时确保足够高的承载能力，根据本发明使用的锥形滚子具有为1.0至1.2的滚动元件长度与滚动元件直径的特定比率，也就是说，随着该比率值的减小，锥形滚子实际上变成了“正方形”。当比率为1.0时，锥形滚子是正方形的，因为在这种情况下，在粗的面和细的面上测量的锥形滚子的长度等于在滚子的粗的端部上测量的滚动元件直径。如果比率>1.0，则相应的锥形滚子略长于滚动元件直径。通过对应地减小这些锥形滚子尺寸或调节比率，对于同等使用的具有相当尺寸的锥形滚子轴承的常规的锥形滚子轴承的比率为大约2，并且因此这些常规的锥形滚子轴承具有更高的总摩擦功率，滚动摩擦并且因此总摩擦力矩可以大大降低，这使得能够用于高速应用，因为滚动摩擦不再是仅减少中速范围使用的因素。
这意味着，标称接触角限定为指定间隔和比率限定为指定间隔的根据本发明的组合，一方面提出了一种在径向和轴向方向上都具有大大降低滚动阻力的非常刚性、高承载的锥形滚子轴承，关于轴承刚性的对应偏置以及可以被制成凸形的滚道表面和/或锥形滚子表面的对应的、适当的轮廓可以被进一步改进。
在进一步的说明中，标称接触角间隔可以介于22°至28°之间，特别地介于24°至26°之间。特别有用的标称接触角优选地为25°。
在本发明的进一步的改进中，在比率值优选地意在尽可能小的情况下，滚动元件的长度与滚动元件的直径的比率之间的间隔可以介于1.02与1.1之间。滚动元件长度与滚子的粗的端部处的滚动元件直径的特别优选的比率为1.04。
锥形滚子轴承通常具有对应的导引肋，导引肋界定内圈滚道和外圈滚道。在操作期间，滚子端面可以与导引边缘接触。在该接触中，存在滚动和滑动运动的叠加。为了不使任何接触配对件在该区域暴露于过度磨损，在该区域中，在两个接触配对件之间存在边界摩擦或混合摩擦，该摩擦还导致不允许的过高的轴承发热，本发明的有利的进一步改进为内圈滚道且为外圈滚道和/或锥形滚子提供磨损保护涂层，该磨损保护涂层同时还具有摩擦减少效果。利用这种磨损保护涂层足以覆盖接触配对件、即圈或锥形滚子中的仅一者。当在滚子面与导引边缘之间存在接触时，磨损保护涂层可以保护接触配对件，但同时也降低了摩擦水平。
基于碳和氢并且可选地含有呈氮化物、硼化物、碳化物或硅化物的形式的集成纳米粒子的磨损保护涂层可以被设置为这种磨损保护涂层。这种磨损保护涂层例如由申请人在商标名称“TriondurC+”和“TriondurCX+”下使用；另外，例如在申请人的专利申请DE102006 029 415 A1中描述了这种磨损保护涂层，该专利申请的关于磨损保护涂层的完全被并入。
在本发明的进一步改进中，可以在内圈和/或外圈上设置一个或更多个孔，一个或更多个孔允许润滑剂进入滚动轴承区域、特别是在内圈或外圈的边缘上。可以经由一个、优选地若干个润滑剂孔向滚动区域的临界点供应润滑剂。因为这样的区域是滚子面与导引凸缘之间的接触区域，所以润滑剂孔优选地结合至该导引凸缘。
总体而言，根据本发明的滚子轴承能够在高速应用中使用这种锥形滚子轴承，比如特别是尤其在标称接触角、滚动元件长度与滚动元件直径的比率、磨损保护涂层和润滑剂孔方面具有最大设计的工具主轴轴承。由于锥形滚子轴承的高的轴向和径向刚性，因此存在用单个锥形滚子轴承代替常规的以串联方式安装的锥形滚子轴承对的可能性。一方面，这种锥形滚子轴承比角接触球轴承或角接触球轴承串联具有明显更高的径向和轴向刚性并且因此具有更高的额定载荷，其中，更高的径向和轴向刚性特别是对较低的轴向移位和工具轴上的载荷有积极的影响。另一方面，由于线接触，相比于角接触球轴承，还存在更低的表面压力，这导致了更长的使用寿命，即，锥形滚子轴承比角接触球轴承对载荷和速度的敏感度更低。整个载荷谱中几乎恒定的摩擦也有助于此，其中，与商业上可用的锥形滚子轴承相比，一方面通过根据本发明的锥形滚子几何形状的近乎“正方形”设计并且另一方面在提供磨损保护涂层的情况下通过磨损保护涂层的使用而显著地降低了摩擦。根据本发明的锥形滚子轴承还具有保持或导引锥形滚子的保持架的几乎均匀、干净的保持架动力学。
除了锥形滚子轴承本身之外，本发明还涉及一种工具主轴装置，该工具主轴装置包括工具主轴、壳体和将工具主轴支承在壳体中的若干滚子轴承，其中，上述类型的锥形滚子轴承被设置为根据本发明的滚子轴承。
在根据本发明的工具主轴装置的情况下，可以仅经由两个轴向上间隔开的锥形滚子轴承将工具主轴安装在壳体中。这意味着根据本发明，两个独立的锥形滚子轴承可以取代先前以通常的串联-O型-串联布置的方式布置的四角接触球轴承(有时设置四个以上这样的角接触球轴承)，具有相当或者甚至更好的轴承特性。
附图说明
下面基于参照附图的示例性实施方式对本发明进行说明。各附图是示意性图示，在附图中：
图1是根据本发明的锥形滚子轴承的截面示意图，
图2是根据本发明的工具主轴装置的基本图示，以及
图3是根据现有技术的工具主轴装置。
具体实施方式
图1以截面图示出了根据本发明的锥形滚子轴承1。锥形滚子轴承1包括具有内圈滚道3的内圈2和具有外圈滚道5的外圈4。在保持架7中被导引的锥形滚子6在滚道3、5上滚动。锥形滚子6在形成于内圈2上的两个边缘8、9上被导引。
两个滚道3、5各自设置有同时具有摩擦减少特性的磨损保护涂层10、11。为此，例如，可以使用在DE10 2006 029 415 A1中所描述的或由申请人以商标名称“TriondurC+”或“TriondurCX+”使用的磨损保护涂层。
锥形滚子6在滚动元件长度Lw与在粗的滚子端部处的滚动元件直径Dw的比率方面具有特定的几何形状。图1一方面示出了滚动元件长度Lw，该滚动元件长度Lw由细的滚子端面和粗的滚子端面限定。滚动元件直径Dw在滚子的粗的端部的位置处确定。Lw/Dw的比率为1.0至1.1、优选地为1.02至1.1、并且特别为1.04。这意味着滚动元件长度Lw近似等于滚动元件直径Dw；优选的是尽可能接近1.0的比率。
此外，还设置了介于20°至30°之间的特定标称接触角α。标称接触角优选地介于22°至28°之间、特别地介于24°至26°之间、并且特别是25°。
经由标称接触角α在需要的情况下结合锥形滚子轴承1的对应偏置形成极高的轴向和径向刚性。通过选择根据本发明设置的比率Lw/Dw，在磨损保护涂层10、11额外有助于摩擦降低的情况下，锥形滚子轴承1的滚动摩擦或总摩擦大大降低。总体而言，结果是高承载的在轴向和径向上非常刚性的锥形滚子轴承，该锥形滚子轴承具有由比率Lw/Dw造成的非常低的表面压力，与先前已知的锥形滚子轴承相比，该锥形滚子轴承对载荷和速度不敏感且具有非常低的摩擦。因此，根据本发明的锥形滚子轴承适用于高速轴承应用中。
还如图1中的虚线所示，可以设置允许润滑剂进入滚动区域的一个或更多个孔19，这些孔优选地形成在边缘8、9上。经由这些孔19，润滑剂可以直接进入滚动区域并且特别地进入锥形滚子6的端面抵靠相应边缘8、9运行的边缘区域。
图2中示出了呈根据本发明的工具主轴装置12的形式的根据本发明的这种高速轴承装置。示出了工具主轴13，该工具主轴由根据本发明的两个锥形滚子轴承1支承在壳体14中，壳体仅在此处被示出，这两个锥形滚子轴承在此处以O型布置定位。由于上述特性，特别是关于高额定载荷、高径向和轴向刚性以及相对低的摩擦，可以使用仅两个锥形滚子轴承1来安装这样的工具主轴13而不是像先前的情况那样设置若干角接触球轴承。
图3中示出了根据现有技术的这种工具主轴装置的示例。图中所示的工具主轴装置15也具有安装在壳体17中的工具主轴16，其中，使用了四个角接触球轴承18，四个角接触轴承以串联-O型-串联布置安装。两个角接触球轴承18各自形成一对、即串联，角接触球轴承18通过接触角的布置在该对内相同地布置，但这两对角接触球轴承以O型布置定位。因为在需要四个角接触球轴承18的这样的主轴轴承的情况下，由于大量的角接触球轴承18，在速度限制方面存在相当大的降低，所以使用根据本发明的仅两个锥形滚子轴承而不是四个(或更多个)角接触球轴承是特别有利的，因为在较少的部件、即仅两个锥形滚子轴承的情况下，可以获得相当的或甚至更好的轴承特性。
附图标记说明
1 锥形滚子轴承
2 内圈
3 内圈滚道
4 外圈
5 外圈滚道
6 锥形滚子
7 保持架
8 边缘
9 边缘
10 磨损保护涂层
11 磨损保护涂层
12 工具主轴装置
13 工具主轴
14 壳体
15 工具主轴装置
16 工具主轴
17 壳体
18 角接触球轴承
19 孔。

Claims (10)

1.一种锥形滚子轴承(1)，所述锥形滚子轴承包括具有内圈滚道(3)的内圈(2)、具有外圈滚道(5)的外圈(4)以及在所述滚道(3、5)上滚动的锥形滚子(6)，其特征在于，所述锥形滚子轴承的标称接触角(α)介于20°至30°之间并且所述锥形滚子(6)具有为1.0至1.2的滚动元件长度(Lw)与滚动元件直径(Dw)的比率。
2.根据权利要求1所述的锥形滚子轴承(1)，其特征在于，所述标称接触角(α)介于22°与28°之间、特别地介于24°与26°之间。
3.根据权利要求2所述的锥形滚子轴承(1)，其特征在于，所述标称接触角(α)为25°。
4.根据前述权利要求中的一项所述的锥形滚子轴承(1)，其特征在于，所述锥形滚子(6)具有为1.02至1.1的滚动元件长度(Lw)与滚动元件直径(Dw)的比率。
5.根据权利要求4所述的锥形滚子轴承，其特征在于，所述锥形滚子(6)具有为1.04的滚动元件长度(Lw)与滚动元件直径(Dw)的比率。
6.根据前述权利要求中的一项所述的锥形滚子轴承(1)，其特征在于，所述内圈滚道(3)和所述外圈滚道(5)和/或所述锥形滚子(6)设置有磨损保护涂层(10、11)。
7.根据权利要求6所述的锥形滚子轴承(1)，其特征在于，设置了基于碳和氢以及可选地包含呈氮化物、硼化物、碳化物或硅化物的形式的集成纳米粒子的磨损保护涂层(10、11)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的锥形滚子轴承(1)，其特征在于，在所述内圈(2)和/或所述外圈(4)上、特别地在所述内圈(2)或所述外圈(4)的边缘(8、9)上设置有允许润滑剂进入滚动区域的一个或更多个孔(19)。
9.一种工具主轴装置，所述工具主轴装置包括工具主轴(13)、壳体(14)和将所述工具主轴(13)支承在所述壳体(14)中的若干滚子轴承，其特征在于，根据前述权利要求中的任一项所述的锥形滚子轴承(1)被设置为滚子轴承。
10.根据权利要求9所述的工具主轴装置，其特征在于，所述工具主轴(13)仅经由两个轴向上间隔开的锥形滚子轴承(1)被支承在所述壳体(14)中。
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