DD277189A3 - Einrichtung zur gezielten schmierung von hochtourig laufenden reibstellenpaarungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmiereinrichtung fuer hochtourig laufende Reibstellenpaarungen, bei denen zum Erhalten optimaler Betriebsbedingungen dosierte Schmiermittelmengen erforderlich sind. Dazu werden durch Vernebelung erzeugte Mikrooelnebeltroepfchen polarisiert. Diese polarisierten Troepfchen koennen sich zur Erzeugung eines wirksamen Schmierfilms nur an den nichtisolierten schmierbeduerftigen Kontaktstellen Aussenring - Kugel, Innenring - Kugel und Fuehrungsflaeche Kaefig niederschlagen. Zum Abscheiden eventuell ueberschuessiger Troepfchen sind nichtisolierte Kondensier- und Schleuderscheiben angeordnet, die den nichtverbrauchten Schmierstoff dem Schmierkreislauf wieder zufuehren. Das Transportmedium Luft kann demzufolge absolut oelfrei entweichen. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der rfinH':,ig erstreckt sich auf die Schmierung jeder Art von Reibstellenpaarungen, die in Maschinen, Geräten und Bauelementen mit Relativbewegung vorhanden sind und bei denen das erforderliche Drehmoment zur Einleitung der Relativbewegung, ζ. B. der Drehbewegung insbesondere bei hochtourig laufenden wälzgelagerten Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen, nicht spürbar größer werden darf.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Eine Steigerung der Relativgeschwindigkeit zwischen Reibungspartnern bedingt u.a. immer die Bewältigung von Schmierproblemen, um die Funktionstüchtigkeit des Bauelementes oder Baugruppe nicht durch erhöhte Reibungswärme beeinträchtigen zu lassen. Speziell mit der Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten durch Werkzeugmaschinen konzentrieren sich die Probleme u.a. auf die Entwicklung hochtourigoi Genauigkeitswälzlager für die Arbeitsspindeln, Führungen und Antriebsbaugruppen sowie Isichtbauender schnell bewegter Teile. Für all diese Elemente ist eine betriebssichere Schmierung unabdingbar. Die Schmierung muß diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden.

Eine gezielte Auswahl des Schmierstoffes, des Schmierverfahrens, der konstruktiven Gestaltung der Reibungspartner sam; Umfeld wird erforderlich. Bei Spindellagerungen muß die Schmierung so ausgelegt sein, daß Rollkontaktflächen ständig durch e^;nen Schmierfilm zuverlässig getrennt sind, denn nur mit dieser Vollschmierung kann eine gleichbleibende Qualität ohne Beeinträchtigung durch Verschleiß garantiert werden. Des weiteren ist die Schmierung mit den geringsten Verlustleistungen, d. h. Lagererwärmungen zu wählen, um die Arbeitsgenauigkeit der Maschine nicht zu beeinträchtigen. Folgende Schmierverfahren werden zur Lagerschmierung der Hauptspindeln angewendet:

- Fettschmierung, oft als for-life-Schmierung, geeignet bis zu einem Drehzahlkennwert von d_m-η < 0,8... 1 χ 10⁶mm · min"^! (d_m - mittlerer Lagerdurchm6sser, η - Drehzahl)

- Öl-Minimalmengenschmierung

• (^!nebelschmierung, d_m· η < 1,6· 10^emm-min~'

• Öl-Luft-Schmierung, d_m · n< 1,6 · 10⁶mm · min"¹

- Öl-Einspritzschmierung mitÖlrückkühlung; d_mn> 1 · 10⁶mmmin"'

Geringer konstruktiver Aufwand verschafft der Lebensdauer-Fettschmierung eine weite Verbreitung. Erst bei hohen Drehzahlen ist eine ausreichende Schmierung durch Fett nicht mehr gewährleistet. Eine Ablösung erfolgt durch die Ölminimalmengenschmierverfahren und durch die Öl-Einspritzschmierung. Minimales Reibmoment und damit optimaler Betriebszustand liegt für Wälzlager bei sehr kleinen zugeführten Ölmengen, z. B. für Zylinderrollenlager bei 0,1 mm³ und für Axialkugellager bei 10mm³. Als kleinste hinreichend zuverlässig dosierbare Ölmenge kann mittels Dosiereinrichtung nur ein Volumen von etwa 5 mm³ je Takt realisiert werden.

Bei Ölnebelschmieranlagen wird durch einen Mikronebelöler das Öl in kleinste Teilchen zerstäubt, wobei etwa 60% der Ölteilchen Durchmesser kleiner 0,5pm aufweisen. Kleinste Tropfen haben den Vorteil guter Transportfähigkeit und schlechter Haft- bzw. Benetzungsfähigkeit. So kommt es in den Zuführleitungen kaum zu Ausfällungen.

Allerdings muß dann der feine Ölnebel kurz vor der Lagerstelle wieder rückverdichtet werden, um die Lager mit einem schmierfähigen Ölfilm benetzen zu können. Unbefriedigend bleibt, daß eine genaue Öldosierung und vollständige Rückverdichtung nicht möglich ist. So tritt der überschüssige nicht verbrauchte Ölnebel aus der Spindel aus und belastet die Umwelt.

Um diesen Mangel zu beheben, wurde die Öl-Luft-Schmierung entwickelt. Bei diesem System wird das Öl durch eine luftdurchströmte Leitung dosiert eingespritzt und fließt wellenförmig an der Rohrwandung entlang und bleibt als Kontinum bis zum Leitungsende erhalten.

Die kleinste dosierte Ölmenge (etwa 5mm³) verteilt sich somit über einen Zeitraum von beispielsweise 10 min.

Es ist zu erkennen, daß die Öl-Luft-Schmierung nur für einen festen Betriebspunkt optimal ausgelegt werden kann. Unter wechselnden Betriebsbedingungen wird das System instabil. Es kommt zu einer Überschmierung oder Unterschmierung der zu trennenden Kontaktstellen, da die Öl-Luft-Schmierung auf neue Anforderungen zu träge reagiert. In beiden Fällen würde die Lagertemperatur unzulässig hohe Werte annehmen. Weitere Drehzahlsteigerungen können mit bestehenden Verfahren der Minimalschmierung nicht erfolgen. Es wird dann auf die Schmierung mit großen Ölmengen, auf die Einspritzschmierung, übergegangen, die gleichzeitig die Wärme aus der Lagerung abführt. Bei diesem Verfahren treten hohe Verlustleistungen auf, die unbedingt bei der Antriebsleistung der Maschine berücksichtigt werden müssen.

Aus diesem technischen Stand ergeben sich gravierende Gründe gegen den Einsatz der Minimalmengenschmierung insbesondere bei sich ändernden Drehzahlen, wechselnden Belastungen und Überschreitungen der zulässigen Drehzahlen.

- So wirken bei gesteigerter Überrollzahl an jedem Punkt der Laufbahn Fliehkräfte auf die Schmierstoffschichten, die dann zum Abwandern angeregt werden.

- Mit steigender Drehzahl werden die Käfigführungsflächen stärker beansprucht und deren Versorgung mit frischem Schmierstoff wird schwieriger.

- Die Dosierung des Schmierstoffes in Minimalmengen kann mit heutigen Mitteln zum Beispiel für Zylinderrollenlager nicht fein genug erfolgen. Bei Reibung- und Temporaturänderungen, verursacht durch Mengenschwankungen, treten insbesondere bei Arbeitsspindeln mit geringen Lagerspielen Verspannungen auf, die Heißlauf zur Folge haben können.

- Auftretende Luftwirbel bei hohen Drehzahlen machen es immer schwieriger, kleine Ölmengen gezielt und gleichmäßig ins Lager zu bringen.

- Mit zunehmender Drehgeschwindigkeit wird es erforderlich, die Mindestölmenge mit einem Sicherheitszuschlag zu erhöhen, um eine Unterversorgung der Kontaktstellen abzuwenden. Der Sicherheitszuschlag löst eine Überschmierung aus und führt zur übermäßigen Erwärmung der Lager.

- Praktisch erfolgt dann eine Umstellung auf die energieunwirtschaftliche Einspritzschmierung mit Ölrückkühlung.

- Trotz Vorschläge (Absaugen des Ölnebels) tritt eine hohe Umweltbelastung bei Ölnebelschmierung auf.

So bleibt die Aufgabe bestehen, eine Minimalmengenschmierung zu realisieren, die eine gezielte, genau dosierte Versorgung der Kontaktstellen ermöglicht, und eine hohe Reaktionsfähigkeit auf wechselnde Betriebsbedingungen besitzt. Dabei muß abgesichert werden, daß die hochfeinen Öltröpfchen auch wirklich an den Reibflächen ankommen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei wälzgelagerten Baugruppen oder anderen Reibpaarungen, die hochtourig laufen, durch gezielte Schmierung minimale Reibmomente und somit unter Beachtung der sich ändernden Belastungsverhältnisse optimale Betriebsbedingungen zu erreichen. Darüber hinaus soll die Umweltbelastung durch austretenden Ölnebel sowie das Eindringen von staubartigen sowie anderen Fremdstoffen in z. B. Spindelgehäuse verhindert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfinderisch so zu verbessern, daß eine gezielte Schmierung von hochtourig laufenden Reibstellenpaarungen im Hinblick auf die zu dosierende und an die Reibstelle zu bringende Menge Schmieröl unter Vermeiden von Umweltbelastungen möglich ist. Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß polarisierter Ölnebel belastungsabhängig verwendet wird, daß die Zuführleitung elektrisch isoliert ist, daß elektrisch isolierte Verteilerringe angeordnet sind, daß die Wälzlager bis auf die Kontaktflächen sowie Kugeln und Kontaktflächen des Käfigs elektrisch isoliert sind und daß nichtisolierte Kondensier- und ' Schieuderscheiben sowie Kondenzölrückleitungen angeordnet sind.

Die Isolation ist durch ölbeständige Farbschichten, durch Plastbeschichten oder durch den Einsatz anderer nichtleitender Werkstoffe-ζ. B. Konstruktionskeramik, kohlenstoffaserverstärktem Plast-möglich.

Die Vorteile der Löiung liegen darin, daß sich immer nur die Menge an Mikroölnebeltröpfchen an den schmierbedürftigen nichtisolierten Kontaktstellen niederschlagen, die zum Erhalten optimaler Betriebsbedingungen erforderlich sind, demzufolge Leistungsverluste durch übermäßiges Schmieren nicht eintreten können.

Weitere Vorteile liegen darin, daß durch die nachgeordneten Kondensier- und Schleuderscheiben eventuell überschüssige Mikrortlnebeitröpfchen aufgenommen und dem Ölkreislauf wieder zugeführt werden. Besonders im Hinblick auf den Einsatz synthetischer Schmierstoffe ist damit ein kostengünstiger Vorteil zu erreichen. Darüber hinaus kann das Transportmedium Luft absolut ölfrei aus der Spindel austreten, so daß keinerlei Umweltbelastung eintritt, wobei die austretende Luft das Eindringen von Fremdstoffen verhindert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Prinzipdarstellung einer Hochgeschwindigkeitsfrässpindel Fig. 2: Schmierbedürftige Kontaktstellen am Wälzlager

Als Ausführurigsbeispiel wird eine Frässpindel 4 für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gewählt.

Das Ölnebelgerät 1 erzeugt einen Mikroölnebel mit Tröpfchengröße überwiegend kleiner als 2 pm, dabei ist der Ölgehalt auf die Schmierproblematik abgestimmt.

Das Ölnebelgerät 1 besteht aus bekannter Kombination von vier verschiedenen Einzelgeräten, das sind:

Druckfilter, Druckminderventil mit Manometer, Druckluftschalterund Mikronebelöler.

Dieser Mik'/oölnebel wird in eine Ionisationskammer 2 geleitet. In diesem elektrostatischem Feld mit einer regelbaren Hochspannung von 1O...35kV erfolgt die Ionisation des Ölnebels. Die Zuführungsleitung 3 des ionisierten Ölnebels zu den

Wälzlage/n 5 und 8 ist isoliert, denn jeglicher metallischer Kontakt würde eine kathodische Abscheidung des Ölnebels bedeuten.

Für dies» Isolierung bestehen verschiedene Möglichkeiten:

1. Plastschlauch, der auch durch Spindelgehäuse gezogen wird,

2. Beschichtung mit widerstandsfähigem, ölbeständigem, nichtmetallischem Überzug (Lack)

Die Zwischenringe 13 und 14 sowie die Verteilerringe 15 und 16 aus den Lagerpaaren 5 und 8 sind entweder vollisoliert (Beschichtung) oder gleich aus nichtmetallischen Material (z. B. Konstruktionskeramik oder kohlenstofffaserverstärkter Plastwerkstoff). So gelangt der ionisierte Ölnebel in die Lager 5 und 8 und schlägt sich als feiner Schmierfilm auf Innenring 7 und 10, Kugel 11, Käfig 12 und Außenring 6 und 9 nieder. Um den Luftwirbel in der Lagerumgebung aufgrund höchster Drehzahlen sicher zu durchbrechen, wird der ionisierte Ölnebel mit geringem Überdruck zugeführt. Von einer Verteilernut 17 und 18 führen etwa drei am Umfang verteilte Bohrungen 19 und 20 mit der Strahlrichtung auf den Innen- und Außenring der Wälzlager 5 und 8. Die Strahlrichtung ist von der Käfigführung abhängig, die am Innenring oder Außenring möglich ist.

Dar aufgrund eines Überangebotes durch die Lager strömende ionisierte Ölnebel wird sich an den Kondensier- und Schleuderscheiben 21 bis 24 niederschlagen und kann dann über einen Fangraum 25 bis 28 in einer Kondenzölrückleitung 29 zur Wiederverwendung zurückfließen. Mit der kathodischen Abscheidung des Ölnebels im Lagerbereich verbindet sich die Dichtwirkung durch das nach außen durch die Spalte 30 und 31 ausströmende Trägermedium Luft. Eine Umweltbelastung durch Ölnebel tritt nicht mehr auf.

Um noch gezielter und nur die Kontaktflächen mit Schmierstoff zu versorgen, können die tragenden Funktionsflächen ebenfalls durch eine Beschichtung isoliert werden. In Fig.? wiid ein Wälzlager mit Käfigführung am Außenring gezeigt. Um den kathodischen Ölnebolniederschlag nur in der Kontaktzone zwischen Kugel 11, Innenring 7, Außenring 6 und Käfig 12 zu sichern, werden die übrigen Flächen isolierend beschichtet. Ein wirksamer Schmierfilm entsteht folglich nur an den Kontaktflächen 32 und 33.

Claims (3)

1. Einrichtung zur gezielten Schmierung von hochtourig laufenden Reibstellenpaarungen, wobei Einrichtungen zürn Vernebeln und Polarisieren angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß polarisierter Ölnebel belastungsabhängig verwendet wird, daß die Zuführleitung (3) elektrisch isoliert ist, daß elektrisch isolierte Verteilerringe (15 und 16) angeordnet sind, daß die Wälzlager (5 und 8) bis auf die Kontaktflächen (9 und 10) sowie Kugeln (11) und Kontaktflächen des Käfigs (12) elektrisch isoliert sind und daß nichtisolierte Kondensier- und Schleuderscheiben (21 bis 24) sowie Kondenzölrückleitungen angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation durch eine ölbeständige Farbschicht erreicht wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuführleitung (3) ein Plastschlauch, Verteilerringe (15 und 16) aus Konstruktionskeramik eingesetzt werden und die nichtschmierbedürftigen Flächen der Wälzlager (5 und 6) mit einer ölbeständigen Isolationsschicht abgedeckt werden.