DE102007001920A1

DE102007001920A1 - Wälzlagereinrichtung für Spindeln, insbesondere Motorspindeln

Info

Publication number: DE102007001920A1
Application number: DE102007001920A
Authority: DE
Inventors: Gordana Dr. Michos; Gabriele Laugisch; Oswald Bayer; Lothar Rödemer; Oliver Schellberg; Horst Masuch; Wolfgang May
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2008-09-25
Also published as: WO2008083650A1

Abstract

Wälzlagereinrichtung für Spindeln, insbesondere Motorspindeln, umfassend ein Tandemlager mit einem in Spindelachsrichtung gesehen inneren und einem äußeren Wälzlager, die unter radialer Vorspannung betrieben werden, und jeweils einen Außenring aufweisen, wobei beide Wälzlager (3a, 3b) in einer gemeinsamen Hülse (7) o. dgl. aufgenommen sind, und dasss eine Einrichtung (11) zum Ausgleich thermisch bedingter Änderungen der radialen Vorspannung, umfassen einen auf dem Außenring (6a) des inneren Wälzlagers (3a) axial verschiebbaren, über ein Spannelement (18) axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring (12), der mit seiner Keilfläche (14) auf einer weiteren ringförmigen Keilfläche (15) läuft, vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Wälzlagereinrichtung für Spindeln, insbesondere Motorspindeln, umfassend ein Tandemlager mit einem in Spindelachsrichtung gesehen inneren und äußeren Wälzlager, die unter radialer Vorspannung betrieben werden, und jeweils einen Außenring aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
Bei vielen Spindeln, insbesondere bei Motorspindeln, bildet sich im Betrieb beispielsweise durch den Wärmeeintrag des Motors ein Temperaturgradient in axialer Richtung von der Wellenmitte zu den Wellenenden hin aus. Nachdem derartige Spindeln üblicherweise über ein Tandemlager, also zwei axial hintereinander geschaltete Wälzlager an einem Gehäuse oder sonstigen Bauteil gelagert sind, erfahren folglich auch die Wälzlager den Temperaturgradienten, wobei sich dieser dort sowohl axial als auch radial einstellt. Der Temperaturgradient kann in axialer wie radialer Richtung mitunter noch da durch vergrößert werden, dass das Gehäuse oder das Bauteil, an dem die Wälzlager angeordnet sind, zusätzlich gekühlt wird. Mithin stellt sich folglich ein beachtlicher axialer Temperaturgradient ein, wobei das innere, motornähere Wälzlager wärmer ist als das äußere, wie sich auch ein radialer Temperaturgradient in jedem Wälzlager einstellt, wobei der innere Lagerring warmer ist als der äußere. Bei den üblicherweise in Motorspindeln verwendeten Hochgenauigkeits-Schrägkugellagern führt dies letztlich zu unterschiedlichen Änderungen des axialen Überstandes innerhalb eines Tandempaares.
Ein weiterer Effekt ist die durch die unterschiedlichen Temperaturen bedingte unterschiedliche thermische Längendehnung von Welle und Gehäuse, wobei sich naturgemäß die wärmere Welle stärker dehnt als das gekühlte Gehäuse. Dadurch wandern die Innenringe des Tandempaares weiter auseinander als die gehäuseseitig fixierten Außenringe.
Letztendlich führen die unterschiedlichen Temperaturgradienten zu unterschiedlichen Belastungen der einzelnen Wälzlager eines Tandempaares, wobei das innere, also motornäher bzw. stärker erwärmte Lager stärker belastet wird, mithin also eine Vorspannung dort deutlich stärker erhöht wird als im äußeren Lager, an dem es gegebenenfalls auch zu einem Vorspannungsverlust mit entsprechenden Schlupfschäden kommen kann.
Aus DE 10 2004 048 720 A1 ist ein Kugellager, das insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine geeignet ist, bekannt, bei dem zum Ausgleichen der temperaturbedingten Radialverspannungserhöhung, die zur zunehmenden Reibung zwischen den Lagerringen und den Rollkörpern führt, wodurch eine zu hohe Reibungswärme entsteht, die die zulässige Betriebstemperatur des Lagers überschreitet und gegebenenfalls den Schmierfilm verbrennt, der äußere Lagerring in Form zweier separater Lagerringe ausgebildet ist, die beide in einer Schiebehülse aufgenommen sind. Der eine Lagerring ist in der Schiebehülse starr aufgenommen, während der andere gegen die Rückstellkraft einer Feder axial verschieblich an geordnet ist. Das Lager ist damit innerhalb dieser Schiebehülse sowohl als die temperaturbedingte Längendifferenz der Hauptspindel gegenüber deren Festlagersitz ausgleichendes Loslager als auch als die temperaturbedingte Radialverspannungen zwischen dem inneren Lagerring und den äußeren Lagerringen ausgleichendes, in sich vorgespanntes Dreipunktlager ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist sehr aufwändig, da sie separate äußere Lagerringe erfordert, wie sich auch letztlich bei einer Auseinanderbewegung dieser beiden Lagerringen nur eine Dreipunktauflage ergibt.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Wälzlagereinrichtung anzugeben, die einfach ausgeführt und für Tandemlager geeignet ist.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Wälzlagereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass beide Wälzlager in einer gemeinsamen Hülse oder dergleichen aufgenommen sind, und dass eine Einrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter Änderungen der radialen Vorspannung umfassend einen auf dem Außenring des inneren Wälzlagers axial verschiebbaren, über ein Spannelement axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring, der mit seiner Keilfläche auf einer weiteren ringförmigen Keilfläche läuft, vorgesehen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung wird über den aufweitbaren Keilring eine Vorspannung auf den Außenring erzeugt, der seinerseits radial vorgespannt bezüglich des Innenrings angeordnet ist. Ergibt sich nun aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeren Innenring und dem kälteren Außenring eine Erhöhung der Lagervorspannung, bedingt durch die stärkere thermisch bedingte Aufweitung des Innenrings, so kann der Außenring, weil vom aufweitbaren Keilring übergriffen, sich seinerseits etwas weiten, was in einer entsprechenden Aufweitung des Keilrings resul tiert. Das heißt, die vom Temperaturgradienten bedingte Erhöhung der Lagervorspannung wird in den Keilring abgeleitet, so dass sich insgesamt eine im Wesentlichen konstante Lagervorspannung auch bei Anliegen eines Temperaturgradienten ergibt, nachdem über den Keilring etwaige Spannungserhöhungen abgebaut werden können. Der Keilring bewegt sich axial gegen das Spannelement, nachdem er mit seiner Keilfläche auf der weiteren Keilfläche gleitet. Über das Spannelement wird er bei Erkalten auch wieder zurückgestellt.
Um die Aufweitung des Keilrings zu ermöglichen, ist der Keilring wenigstens einmal axial geschlitzt. Denkbar wäre aber auch eine Ausführung eines Keilrings aus einem entsprechend weichen Material, das eine Aufweitung ermöglicht.
Hinsichtlich der Anordnung bzw. Ausbildung der weiteren ringförmigen Keilfläche sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar. Nach einer ersten Erfindungsalternative kann die weitere Keilfläche an einem weiteren Keilring, der den ersten Keilring außenseitig umgreift, vorgesehen sein. Dieser weitere Keilring ist axial und radial lagefest, so dass der erste Keilring mit seiner Keilfläche an der Keilfläche des zweiten Keilrings entlang gleiten kann, wobei er sich axial relativ zum Außenring bewegt.
Eine Erfindungsalternative sieht vor, die weitere Keilfläche an der Innenseite der Hülse oder dergleichen vorzusehen. Die Hülse kann letztlich beliebiger Natur sein, es kann sich dabei auch um einen Gehäuseabschnitt handeln. In jedem Fall handelt es sich um ein Bauteil, an dem axial gesehen ein Keil mit einer entsprechenden Keilfläche vorspringt, oder an dem radial gesehen ein Keil zum Lager hin mit einer entsprechenden Keilfläche vorspringt.
Eine dritte Erfindungsalternative sieht vor, die Keilfläche unmittelbar an der Außenseite des Außenrings selbst vorzusehen, mithin also den Lagerring als Keilringführungsteil zu nutzen.
Wie eingangs beschrieben, ist der Keilring über ein Spannelement axial vorgespannt. Über dieses Spannelement wird ihm ein Widerstand entgegengesetzt, der beim Aufweiten zu überwinden ist, damit die axiale Bewegung des Keilrings möglich ist. Dieses Spannelement kann nach einer ersten Erfindungsausgestaltung als Federelement ausgeführt sein. Dabei kann es sich um eine Tellerfeder, eine oder mehrere Spiralfedern oder eine oder mehrere Blattfedern oder dergleichen handeln, oder einen Ring mit einer bestimmten Steifigkeit.
Alternativ zur Verwendung eines axial vorspannenden Federelements kann das Spannelement auch ein piezoelektrischer Aktor oder ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Spannelement oder ein hydraulischer oder pneumatischer Aktor sein. Unter Verwendung eines piezoelektrischen Aktors erfolgt die Verspannung des Keilrings durch elektrische Ansteuerung dieses piezoelektrischen Aktors, der spannungsbedingt seine Form ändert, worüber die Grundspannung aufgebaut werden kann. Denkbar ist aber auch der Einsatz eines aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Spannelements. Als Formgedächtnislegierung kann beispielsweise eine NiTi- oder eine CuZnAl-Legierung verwendet werden. Solche Legierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Formwandlung ab Erreichen einer bestimmten Temperatur vornehmen, die aus einer Gefügeänderung resultiert. Es ist also denkbar, ein aus einem solchen Material bestehendes Spannelement zu verwenden, das bei der üblichen Betriebstemperatur eine bestimmte, die Spannung erzeugende Form automatisch einnimmt. Als weitere Ausgestaltung sind hydraulische oder pneumatische Aktoren denkbar, die ebenfalls eine entsprechende Ansteuerung bzw. Versorgung mit Hydraulikfluid oder einem Druckmedium, beispielsweise Luft, erfordern.
Schließlich ist der Außenring zweckmäßigerweise über eine Verdrehsicherung gesichert, so dass er sich bei einer Drehung der Welle, bei der der Innenring mitgenommen wird, nicht mitdreht.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung einer ersten Ausführungsform, teilweise im Schnitt, und
2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung einer zweiten Ausführungsform, teilweise im Schnitt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine erfindungsgemäße Wälzlagereinrichtung 1 umfassend ein Tandemlager 2 bestehend aus zwei Wälzlagern 3a, 3b, wobei das Wälzlager 3a das innere Wälzlager und das Wälzlager 3b das äußere Wälzlager, bezogen auf die Anordnung einer Spindel 4, beispielsweise einer Motorspindel ist. Das innere Wälzlager 3a wird im Betrieb stärker thermisch belastet, da es motornäher ist als das äußere Wälzlager 3b.
Jedes Wälzlager 3a, 3b umfasst einen Innenring 5a, 5b, die jeweils an der Spindel 4 angeordnet sind, sowie im gezeigten Beispiel einen Außenring 6a, 6b. Das Tandemlager 2 ist im Inneren einer Hülse 7 angeordnet, die beiden Außenringe 6a, 6b der Wälzlager 3a, 3b, die hier als Schrägkugellager ausgeführt sind, übergreift. Die beiden Wälzlager sind spindelseitig über einen Distanzring 8, an dem die beiden Innenringe 5a, 5b anliegen, voneinander beabstandet. Im Bereich der Lageraußenringe ist an der Hülse ein Radialsteg 9 vorgesehen, der die beiden Lagerringe 6a, 6b voneinander beabstandet. Beide Außenringe 6a, 6b sind in der Hülse 7 lagefest aufgenommen.
Das innere Wälzlager 3a ist im Betrieb stärker thermisch belastet als das äußere Wälzlager 3b. Es bildet sich ein radialer Temperaturgradient aus, nachdem die Spindel 4 sich im Betrieb erwärmt, mit ihr auch der Innenring 5a. Der Außenring 6a ist demgegenüber kälter, insbesondere, wenn die Hülse 7 an einem Motorgehäuse oder dergleichen, das aktiv gekühlt wird, angeordnet ist. Es stellt sich also ein beachtlicher Temperaturgradient vom Innenring 5a zum Außenring 6a ein. Bedingt durch die Erwärmung dehnt sich der Innenring 5a etwas aus, woraus eine erhöhte, über die Kugeln 10 auf den Lagerring 6a übertragene Erhöhung der von Haus aus gegebenen Vorspannung resultiert.
Um diese thermisch bedingten Spannungsänderungen in radialer Richtung ausgleichen zu können, ist eine Einrichtung 11 vorgesehen, über die diese Spannungsänderungen kompensiert werden können. Diese Einrichtung 11 umfasst einen Keilring 12, der auf der Außenseite 13 des Außenrings 6a axial verschiebbar angeordnet ist. Der Keilring 12 ist wenigstens einmal axial geschlitzt, so dass er sich weiten kann. Mit seiner Keilfläche 14 läuft er auf der Keilfläche 15 eines zweiten Keilrings 16, der seinerseits in der Hülse 7 lagefest aufgenommen ist. Die beiden Keilflächen 14, 15 laufen also aufeinander. Der erste Keilring 12 ist des Weiteren über ein Spannelement 18, hier beispielsweise eine Tellerfeder, axial vorgespannt, hierüber wird er mit seiner Keilfläche 14 gegen die Keilfläche 15 gedrückt.
Über den Keilring 12 wird nun grundsätzliche eine radiale Spannung auf den Außenring 6a und damit auf das Wälzlager 3a aufgebracht. Stellt sich nun ein Temperaturgradient zwischen dem Innenring 5a und dem Außenring 6a ein, was im Betrieb beispielsweise bei Anwendung der Wälzlagereinrichtung 1 in einem Motor oder dergleichen durchaus der Fall sein kann, so dehnt sich der Innenring 5a, da er wärmer wird, etwas stärker aus als der kältere Außenring 6a. Dies führt dazu, dass die Vorspannung zwischen Innenring 5a und Außenring 6a, der in einem definierten, kalten Zustand beider Ringe eingestellt wurde, vergrößert wird, wobei diese Vorspannung, wäre der Au ßenring 6a unmittelbar radial im Gehäuse gelagert, vollständig vom Außenring aufgenommen werden und sich über Gebühr erhöhen würde, so dass letztendlich der Verschleiß deutlich zunimmt.
Im gezeigten Beispiel kann aber die Vorspannung zur Erhöhung über die erfindungsgemäße Einrichtung 11 kompensiert bzw. abgebaut werden. Denn zum einen besteht radial gesehen um den Außenring 6a noch hinreichend Raum, in den sich der Außenring 6a ausdehnen kann. Die erhöhte Vorspannung wird nun von dem Keilring 12 aufgenommen und über diesen abgeleitet. Der sich infolge der Ausdehnung des Innenrings 5a belastungsbedingt ebenfalls etwas dehnende Außenring 6a dehnt nun seinerseits den ersten Keilring 12, der sich, da geschlitzt, etwas aufweitet. Diese radiale Vergrößerung führt dazu, dass die Keilfläche 14 auf der feststehenden Keilfläche 15, ausgehend vom Beispiel gemäß 1, nach rechts abgleitet, mithin also der Keilring 12 gegen das Spannelement 18, dieses komprimierend, gedrückt wird. Dabei ist die Federkraft so ausgelegt, dass bei einer temperaturbedingten Erhöhung der Vorspannung sowohl die Federkraft als auch die Reibkraft zwischen den Keilflächen 14, 15 und der Auflage an der Außenseite 13 überwunden wird und es zur axialen Verschiebung des Keilrings 12 kommt. Diese Verschiebung ermöglicht damit die radiale Aufweitung des Lagerrings, wodurch eine Überbelastung durch die temperaturbedingte Vorspannung zur Erhöhung des Wälzlagers vorteilhaft vermieden wird.
Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung 1 zeigt 2. Das dortige Tandemlager 2 weist ebenfalls zwei Wälzlager 3a, 3b auf, die in einer Hülse 7 aufgenommen sind. Beide bestehen jeweils wie üblich aus einem Innenring 5a, 5b sowie einem Außenring 6a, 6b. Die Innenringe 5a, 5b sind wiederum auf einer Spindel 4 angeordnet.
Auch hier ist eine Einrichtung 11 zur Kompensation einer thermisch bedingten Spannungserhöhung vorgesehen, die wiederum einen Keilring 12 umfasst, der eine Keilfläche 14 aufweist. Diese läuft hier jedoch auf einer weite ren Keilfläche 15, die an der Außenseite 13 des Außenrings 6a ausgebildet ist. Das heißt, hier kommt kein separater weiterer Keilring zum Einsatz, vielmehr dient der Außenring 6a mit seiner Außenfläche selbst als Keilring. Bei einer thermisch bedingten Dehnung des Außenrings 6a gleitet auch hier der Keilring 12 über die Keilfläche 14, die auf der Keilfläche 15 läuft, nach rechts gegen die Rückstellkraft des Spannelements 18, das dabei komprimiert wird.
Bei dieser Ausführungsform ist weiterhin eine Verdrehsicherung 19 vorgesehen, über die der Außenring 6a in Position gehalten und vermieden wird, dass er mitrotiert.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wälzlagereinrichtung ermöglicht es, überhöhte Lagervorspannungen abzubauen und in das Spannelement, hier den axial verschiebbaren, im Schiebesitz auf dem Außenring 6a befindlichen Keil 14 zu leiten. Es ergibt sich somit am inneren Wälzlager 3a keine Überlastung, aus der ein entsprechender Vorspannungsverlust am äußeren Wälzlager 3b resultieren würde. Vielmehr kann die Vorspannung am inneren Lager weitgehend konstant gehalten werden, so dass sich auch am äußeren Wälzlager 3a eine im Wesentlichen konstante Vorspannung beibehalten lässt. Zwar kann auch an diesem Lager ein Temperaturgradient auftreten, jedoch ist dieser, da dieses Wälzlager etwas motorferner ist, kleiner als der am inneren Wälzlager 3a auftretende Temperaturgradient, so dass dort die Spannungsverhältnisse sich nicht in einem solchen Maß ändern wie im Bereich des inneren Wälzlagers 3a. Ein etwaiger Lagerschlupf kann hierüber mit besonderem Vorteil vermieden werden.
Anstelle des Spannelements 18 in Form einer Feder oder dergleichen ist es auch denkbar, den Keilring 12 beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch zu belasten, mithin als über eine pneumatische oder hydraulische Regelung vorzuspannen. Auch die Verwendung eines piezoelektrischen Aktors zur Erzeugung der Keilringvorspannung oder eines Spannrings aus einer Formgedächtnislegierung ist denkbar.

1: Wälzlagereinrichtung
2: Tandemlager
3a: Wälzlager
3b: Wälzlager
4: Spindel
5a: Innenring
5b: Innenring
6a: Außenring
6b: Außenring
7: Hülse
8: Distanzring
9: Radialsteg
10: Kugeln
11: Einrichtung
12: Keilring
13: Außenseite
14: Keilfläche
15: Keilfläche
16: Keilring
18: Spannelement
19: Verdrehsicherung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004048720 A1 [0005]

Claims

Wälzlagereinrichtung für Spindeln, insbesondere Motorspindeln, umfassend ein Tandemlager mit einem in Spindelachsrichtung gesehen inneren und einem äußeren Wälzlager, die unter radialer Vorspannung betrieben werden, und jeweils einen Außenring aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wälzlager (3a, 3b) in einer gemeinsamen Hülse (7) o. dgl. aufgenommen sind, und dass eine Einrichtung (11) zum Ausgleich thermisch bedingter Änderungen der radialen Vorspannung umfassend einen auf dem Außenring (6a) des inneren Wälzlagers (3a) axial verschiebbaren, über ein Spannelement (18) axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring (12), der mit seiner Keilfläche (14) auf einer weiteren ringförmigen Keilfläche (15) läuft, vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilring (12) wenigstens einmal axial geschlitzt ist.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Keilfläche (15) an einem weiteren Keilring (16), der den ersten Keilring (12) außenseitig umgreift, vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Keilfläche (15) an der Innenseite der Hülse (7) o. dgl. vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilfläche (15) an der Außenseite (13) des Außenrings (6a) selbst vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement ein Federelement (18) ist, oder ein Ring mit einer bestimmten Steifigkeit.
Wälzlagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (18) ein piezoelektrischer Aktor oder ein aus einer Formgedächtnislegierungen bestehendes Spannelement oder ein hydraulischer oder pneumatischer Aktor ist.
Wälzlagereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (6a) über eine Verdrehsicherung (19) gesichert ist.