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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Drehantrieb von Maschinen,
insbesondere Spindeln in Werkzeugmaschinen nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Bekannte
Antriebsvorrichtungen für
Werkzeugmaschinenspindeln bestehen im Allgemeinen aus einem Schaltgetriebe,
an das ein Antriebsmotor angeflanscht ist. Dieses Konstruktionsprinzip
hat den Nachteil, dass an der Schnittstelle zwischen Motor und Getriebe
herstellungs- und montagebedingte Toleranzen unvermeidlich sind,
die bei hohen Leistungen und großen Drehmomenten Bearbeitungsungenauigkeiten
zur Folge haben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung der
angegebenen Gattung zur Verfügung
zu stellen, die so konzipiert ist, dass ein weitgehend spielfreier
Betrieb gewährleistet
wird.
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Nach
dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Elektromotor und das Zahnradgetriebe eine fest miteinander
verbundene Baueinheit mit einem Einbaumotor bilden, dessen Rotor auf
die Rotorwelle aufgesetzt ist, die eine in das Getriebe hineinreichende
Achsverlängerung
hat, die Antriebsritzelwelle des Getriebes und koaxial mit der Abtriebswelle
verbunden ist, während
der Sta tor in ein Motorgehäuse
eingebaut ist, das in Achsrichtung fest mit dem Getriebegehäuse verbunden
ist.
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Diese
integrierte Bauweise der aus Motor und Getriebe bestehenden Einheit,
bei der die Motorwelle gleichzeitig Eingangswelle des Getriebes
ist, hat den erheblichen Vorteil, dass Kupplungsorgane zwischen
Motor und Getriebe nicht mehr erforderlich sind, was einen nahezu
spielfreien Betrieb gestattet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die
Rotorwelle mit ihrer Achsverlängerung
einteilig ausgebildet ist.
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Die
gemäß der Erfindung
ausgebildete Baueinheit ist vor allem in radialer Richtung sehr
kompakt, da die Gehäuse
des Motors und des Getriebes nicht ineinander, sondern axial hintereinander
angebracht sind. Als Einbaumotor eignet sich vor allem ein handelsüblicher
Synchronmotor, wie er beispielsweise von der Firma Siemens hergestellt
wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung können
sowohl die Rotorwelle mit ihrer Achsverlängerung als auch die Abtriebswelle
hohl ausgebildet sein, um Versorgungsleitungen hindurchführen zu
können.
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Es
ist vorteilhaft, wenn das Zahnradgetriebe in an sich bekannter Weise
aus Stirnzahnrädern
mit Außenverzahnung
besteht, wobei eine auf der Achsverlängerung der Rotorwelle angebrachte
Sonnenverzahnung wenigstens ein Zwischenrad mit einer ortsfesten,
zur Rotorwelle parallelen Ritzelwelle antreibt, die mit einem Abtriebssonnenrad
direkt oder indirekt in Eingriff ist, das über eine Kupplungsverzahnung
mit der Abtriebswelle verbunden ist.
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Durch
die ausschließliche
Verwendung von außenverzahnten
Stirnrädern
anstelle von Hohlrädern
mit Innenverzahnung ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung bei
der Herstellung und der Feinbearbeitung der Verzahnungen, die ein
kontinuierliches Schleifen ermöglichen.
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Wenn
nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Sonnenverzahnung mit
mehreren Zwischenrädern
kämmt,
die in einer Ebene liegen, können
sehr hohe Leistungen übertragen
werden, da diese auf mehrere Zwischenräder aufgeteilt werden. In diesem
Fall kann zur optimalen Leistungsverteilung eine Einstellbarkeit
der Verzahnungen auf den Zwischenrädern vorgesehen sein. Durch
die Anordnung der Zwischenräder
in einer einzigen Ebene ist der axial erforderliche Bauraum sehr
kurz.
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Wenn
das Getriebe als Schaltgetriebe mit zwei oder mehr Schaltstufen
ausgebildet werden soll, ist in Weiterbildung der Erfindung die
Kupplungsverzahnung an einer Schaltmuffe ausgebildet, die über einen
ringförmigen
Schaltkolben hydraulisch oder pneumatisch axial verschiebbar ist.
Diese Maßnahme
hat gegenüber
dem Stand der Technik, bei dem am Umfang des Getriebes lokal ein
Schaltelement angebracht ist, den erheblichen Vorteil, dass auch der
Platzbedarf in radialer Richtung so gering wie möglich ist und ein rotationssymetrischer
Aufbau geschaffen wird. Ferner wird durch den Einsatz eines ringförmigen Schaltkolbens
zur Betätigung
der Schaltmuffe eine optimale Krafteinleitung über dem Umfang gewährleistet,
so dass Kippmomente beim Schalten nicht auftreten können.
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Es
ist vorteilhaft, wenn der ringförmige Schaltkolben über Schaltstangen
und zwei halbkreisförmige
Scheibensegmente mit der Schaltmuffe verbunden ist, was sich ebenfalls
günstig
auf die gleichförmige
Kraftverteilung über
den Umfang auswirkt.
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Zur
durchgängig
spielfreien Lagerung ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
die Rotorwelle und/oder die Abtriebswelle und/oder die Ritzelwellen
der Zwischenräder
durch ange stellte Lagerpaare zu lagern, beispielsweise mittels Schrägkugellagern
oder Schrägrollenlagern.
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Die
Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, die
in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:
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1 einen
Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung
gemäß der Erfindung,
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2 eine
Variante der 1 in einer ersten, direkten
Schaltstellung,
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3 eine
der 2 entsprechende Darstellung in einer zweiten Schaltstellung
mit Übersetzung
ins Langsame und
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4 eine
weitere Variante der Erfindung mit einem mehrstufigen Schaltgetriebe.
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Wie 1 zeigt,
ist die Antriebseinheit, die für
den Einsatz als Hauptspindelantrieb in Werkzeugmaschinen oder auch
für andere
Zwecke eingesetzt werden kann, als eine Baueinheit 10 ausgebildet,
die sich aus einem Elektromotor 12 und einem Zahnradgetriebe 14 zusammensetzt.
Als Elektromotor 12 dient ein Einbaumotor, vorzugsweise
ein wassergekühlter
Synchronmotor, bestehend aus einem Stator 16 und einem
Rotor 18. Der Stator 16 ist in ein zylindrisches
Motorgehäuse 20 eingebaut,
das auf einer Seite durch einen Flanschdeckel 22 abgeschlossen ist.
Der Rotor 18 ist auf eine Rotorwelle 24 aufgesetzt,
die an einem Ende über
ein Schrägkugellager 26 im
Deckel 22 gelagert ist. Das andere Ende der Rotorwelle 24 ist über ein
weiteres Schrägkugellager 28 in
einem Deckelflansch 30 des Motorgehäuses 20 gelagert.
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Die
beiden Schrägkugellager 26 und 28 sind in
X-Anordnung gegeneinander angestellt, so dass sich eine in Axialrichtung
spielfreie Lagerung der Rotorwelle 24 ergibt.
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Am
Deckelflansch 30 des Motorgehäuses 20 ist über nicht
weiter dargestellte Schrauben ein zylindrisches Getriebegehäuse 32 angebaut,
das durch einen Abschlussdeckel 34 geschlossen ist. In
dem Getriebegehäuse 32 ist
ein Stirnzahnradgetriebe 36 untergebracht, das nicht schaltbar
oder – wie
im dargestellten Ausführungsbeispiel – schaltbar
ausgebildet sein kann. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.
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Das
Zahnradgetriebe 36 ist gemäß auf einer Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 gelagert, die vorzugsweise einstückig miteinander
ausgebildet sind. Wie in 1 gestrichelt dargestellt ist,
besteht auch die Möglichkeit,
beide aus fertigungstechnischen Gründen getrennt voneinander herzustellen, um
sie dann allerdings an der gestrichelt eingezeichneten Stufe 39 nicht
mehr trennbar miteinander zu verbinden, beispielsweise durch Fügen in einem Presssitz.
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Durch
die dreh- und axialfeste Verbindung des Getriebegehäuses 32 mit
dem Motorgehäuse 20 und
durch die durchgehende Ausbildung der Rotorwelle 24 mit
ihrer in das Getriebe 36 hineinreichenden Achsverlängerung 38 ergibt
sich eine zusammenhängende,
spielfreie Baueinheit 10, die ohne Kupplungselemente zwischen
Motor 12 und Getriebe 14 auskommt.
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Sowohl
das Motorgehäuse 20 als
auch das Getriebegehäuse 32 haben
eine rotationssymmetrische, zylindrische Außenform ohne radial vorstehende
Teile, so dass die Baueinheit 10 problemlos in einen entsprechenden
Zylindersitz eingeschoben werden kann.
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An
den Abschlussdeckel 34 des Getriebegehäuses 32 ist ein weiteres
Zylindergehäuse 40 angeflanscht,
in dem über
zwei in O-Anordnung
angestellte Schrägkugellager 42 eine
Abtriebswelle 44 axial spielfrei gelagert ist. Zwischen
die einander gegenüberliegenden
Enden der Abtriebswelle 44 und der Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 ist eine Dichtung 46 eingesetzt.
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Die
koaxial zueinander ausgerichteten Wellen 44 und 24 mit
Verlängerung 38 sind
als Hohlwellen ausgebildet, so dass eine durchgängige Bohrung 48 großen Durchmessers
zur Verfügung
steht, durch die hindurch Versorgungsleitungen geführt werden können.
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Das
Zahnradgetriebe 36 besteht ausschließlich aus Stirnzahnrädern mit
Außenverzahnung,
was gegenüber
innenverzahnten Zahnrädern
den Vorteil hat, dass außenverzahnte
Zahnräder
wirtschaftlich sinnvoll geschliffen ausgeführt werden können, so dass
das Getriebe nahezu spielfrei und schwingungsarm läuft.
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In 1 ist
ferner zu erkennen, dass in die Oberfläche der Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 eine Sonnenverzahnung 50 eingearbeitet
ist, die mit mehreren Zwischenrädern 52 kämmt. Damit
bildet die Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 die Antriebsritzelwelle des Getriebes 36.
Zur Leistungsverteilung sind zwischen drei und fünf Zwischenräder 52 möglich, die
in einer gemeinsamen Ebene gleichmäßig über den Umfang der Sonnenverzahnung 50 angeordnet
sind. Jedes Zwischenrad 52 ist über eine Spannringkupplung 54 fest
mit einer Ritzelwelle 56 verbunden, die parallel zur Rotorwelle 24 und
deren Achsverlängerung 38 ausgerichtet
ist. Mittels der Spannringkupplungen 54 können die
Verzahnungen exakt zueinander eingestellt werden. Zur spielarmen Lagerung
dienen, wie 1 zeigt, zwei in X-Richtung zueinander
angestellte Schrägrollenlager 58.
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Die über die
Schrägrollenlager 58 im
Getriebegehäuse 32 ortsfest
gelagerten Ritzelwellen 56 sind jeweils über eine
Außenverzahnung 60 in
Eingriff mit einem Abtriebssonnenrad 62, das über zwei in
O-Anordnung angestellte Schrägkugellager 64 auf der
Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 drehbar gelagert ist. Das Abtriebssonnenrad 62 ist
damit auf einem zur Antriebs-Sonnenverzahnung 50 gehörenden Bauelement
gelagert.
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Einstückig mit
dem Abtriebssonnenrad 62 ist eine zylindrische Buchse 66 ausgebildet,
in der eine zylindrische Schaltmuffe 68 axial verschoben
werden kann. Hierzu dient ein ringförmiger Schaltkolben 70, der
in einem Ringzylinder 72 hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden
kann. Der ringförmige Schaltkolben 70 ist über Schaltstangen 74 mit
zwei halbkreisförmigen
Scheibensegmenten 76 verbunden, die in eine Umfangsnut
der Schaltmuffe 68 eingreifen.
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Bei
der in 1 gezeigten Schaltstufe ist die Innenverzahnung
der Schaltmuffe 68 sowohl mit der entsprechenden Außenverzahnung 80 am
Ende der Achsverlängerung 38 als
auch mit der Außenverzahnung 82 am
anschließenden
Ende der Abtriebswelle 44 in Eingriff. Auf diese Weise
wird eine direkte Verbindung der antreibenden Rotorwelle 24 zur
Abtriebswelle 44 ohne Übersetzung
hergestellt. In der zweiten Schaltstufe, bei der die Schaltmuffe 68 durch den
Schaltkolben 70 in 1 nach rechts
verschoben ist, erfolgt eine Übersetzung über das
Zahnradgetriebe 36 ins Langsame, worauf in 3 näher eingegangen
wird.
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1 zeigt
schließlich,
dass in das Motorgehäuse 20 Schmierölkanäle 84 eingearbeitet
sein können,
die in entsprechende Verteilkanäle 86 im
Getriebegehäuse 32 münden, von
denen über
radiale Sprühdüsen 88 eine Ölschmierung
des Zahnradgetriebes 36 gewährleistet werden kann.
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Der
in 2 gezeigte Aufbau der Baueinheit 10 entspricht
im wesentlichen der in 1 gezeigten Antriebsvorrichtung
und zeigt diese ebenfalls in der direkten Schaltstufe, bei der die
Antriebsübertragung von
der Rotorwelle 24 auf die Abtriebswelle 44 unmittelbar über die
Schaltmuffe 68 und nicht über das Zahnradgetriebe 36 erfolgt.
Ergänzend
zu 1 ist in 2 eine Druckölleitung 90 dargestellt,
die an entsprechende Druckölkanäle 92 im
Zylindergehäuse 40 angeschlossen ist. über die
Druckölkanäle 92 wird der
Ringzylinder 72 auf seiner in 2 rechten
Seite mit Druck beaufschlagt, wodurch der Schaltkolben 70 in
die direkte Schaltstellung für
die Schaltmuffe 68 verstellt ist.
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Selbstverständlich münden auch
auf der anderen Seite des Ringzylinders 72 entsprechende
und nicht weiter dargestellte Druckölkanäle, um den ringförmigen Schaltkolben 70 in
seine zweite Schaltstellung zu verschieben, die in 3 gezeigt
ist.
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In
der Schaltstellung der 3 ist die Innenverzahnung 78 der
Schaltmuffe 68 außer
Eingriff mit der Außenverzahnung 80 am
Ende der Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24, während
die Außenverzahnung 94 am
freien Ende der Schaltmuffe 68 in Eingriff mit der Innenverzahnung 96 am
Ende der Buchse 66 ist, die hier über Schrauben 98 mit
dem Abtriebssonnenrad 62 verbunden ist; dieses kämmt, wie 2 besser
zeigt, mit den Ritzelwellen 56 der Zwischenräder 52.
In der in 3 gezeigten Schaltstellung erfolgt
mithin die Übertragung
des Drehmomentes ins Langsame von der Sonnenverzahnung 50 auf
der Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 auf die Zwischenräder 52 und von deren
Ritzelwellen 56 auf das Abtriebssonnenrad 62,
das über
die Kupplungsverzahnung 94–96–78 die
Abtriebswelle 44 antreibt.
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Abweichend
von 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Abtriebssonnenrad 62 nicht
einteilig mit der hier über
die Schrägkugellager 64 im Getriebegehäuse 32 gelagerten
Buchse 66 ausgeführt,
sondern an dieser durch die Schrauben 98 befestigt.
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Insbesondere 3 zeigt,
dass bei dieser Konstruktionsvariante das Zylindergehäuse 40 als eine Ölwanne ausgebildet
ist, aus der das Öl über eine
Absaugleitung 100 abgeführt
wer den kann. Diese Konstruktion eignet sich damit auch für einen senkrechten
Einbau. Um einen rotationssymmetrischen Aufbau der Baueinheit 10 zu
schaffen, besteht in Abweichung von 3 auch die
Möglichkeit,
die Absaugleitung 100 nicht außen anzubringen, sondern als
Längsbohrung
in die beiden Gehäuse 20 und 32 zu
integrieren.
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Bei
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Zahnradgetriebe 36 so
konstruiert, dass zwei unterschiedliche Übersetzungen ins Langsamen
ohne direkte Schaltstufe geschaltet werden können. Hierzu sind zwei Abtriebssonnenräder 62, 162 vorgesehen,
wobei das erste Abtriebssonnenrad 62 über die beiden Schrägkugellager 64 im
Getriebegehäuse 32 gelagert
ist, während
das zweite Abtriebssonnenrad 162 über ein Kugellagerpaar 106 im
ersten Abtriebssonnenrad 62 und über ein Stützlager 116 auf der
Abtriebswelle 44 gelagert ist. Die Zwischenräder 52 sind
hier dreiteilig ausgebildet und haben drei unterschiedliche Verzahnungsdurchmesser, von
denen der erste, große
Durchmesser auf einem Zahnring 52' ausgebildet ist, der mit der Sonnenverzahnung 50 der
Achsverlängerung 38 kämmt und über die
Spannringkupplung 54 auf einen Zwischenring 114 mit
mittlerem Verzahnungsdurchmesser aufgezogen ist, der in Eingriff
mit der Antriebsverzahnung 102 am in 4 linken
Ende des zweiten Abtriebssonnenrades 162 ist. Die Ritzelwelle 56 des Zwischenrades 52 trägt die dritte
Verzahnung mit dem kleinsten Durchmesser.
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In
dem Getriebegehäuse 32 sind
ferner zweite Zwischenräder 108 in
einer Ebene über
den Umfang gleichmäßig angeordnet
und ortsfest gelagert. Jedes von diesen besteht aus einem großen Verzahnungsring 110 und
einer Ritzelwelle 112 kleineren Durchmessers, die mit der
Außenverzahnung
des ersten Abtriebssonnenrades 62 kämmt. Der Verzahnungsring 110 ist
in Eingriff mit der Ritzelwelle 56 des zugehörigen ersten
Zwischenrades 52.
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Bei
der in 4 gezeigten Axialstellung der Schaltmuffe 68 stellt
die Kupplungsverzahnung 94, 96 eine Verbindung
zwischen der Abtriebswelle 44 und dem zweiten Abtriebssonnenrad 162 her,
dessen Abtriebsverzahnung 102 in Eingriff mit dem Zwischenring 114 mittleren
Durchmessers der Zwischenräder 52 ist,
deren Zahnringe 52' großen Durchmessers
mit der Sonnenverzahnung 50 auf der Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 kämmen.
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In
der zweiten Schaltstufe sind der Schaltkolben 70 und damit
auch die Schaltmuffe 68 nach rechts verschoben, so dass
deren Kupplungsverzahnung 94, 96 eine Verbindung
zur Innenverzahnung 104 des ersten Abtriebssonnenrades 62 herstellt. Damit
erfolgt die Drehmomentübertragung
von der Achsverlängerung 38 der
Rotorwelle 24 über
die Sonnenverzahnung 50 auf den Zahnring 52' der jeweils
ersten Zwischenräder 52,
deren Zwischenringe 114 das zweite Abtriebssonnenrad 162 im
Leerlauf mitdrehen, während
deren Ritzelwellen 56 über
die zweiten Zwischenräder 108 das
erste Abtriebssonnenrad 62 und damit die Abtriebswelle 44 in
Drehung versetzen.
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Über die
dargestellten Ausführungsbeispiele hinaus
besteht auch die Möglichkeit,
die Zahnradgetriebe 36 mit der Schaltmuffe 68 so
auszubilden, dass eine Neutralstellung möglich ist, bei der Antrieb
und Abtrieb nicht miteinander verbunden sind.