DE102007024253B4

DE102007024253B4 - Hochgenauigkeits-Schrägkugellager

Info

Publication number: DE102007024253B4
Application number: DE102007024253A
Authority: DE
Inventors: Christian Prof. Dr.-Ing. Brecher; Guido Dipl.-Ing. Spachtholz
Original assignee: WERKZEUGMASCHINENLABOR WZL RWT; Werkzeugmaschinenlabor Wzl-Rwth Aachen Lehrstuhl fur Werkzeugmaschinen
Current assignee: WERKZEUGMASCHINENLABOR WZL RWT; Werkzeugmaschinenlabor Wzl-Rwth Aachen Lehrstuhl fur Werkzeugmaschinen
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: DE102007024253A1

Abstract

Hochgenauigkeits-Schrägkugellager mit einem Außen- und einem Innenring, die jeweils Laufrillen aufweisen, in die Wälzkörper eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager einen axialen Druckwinkel (α) zwischen etwa 10° und etwa 30° aufweist, dass die Laufrille (3) des Außenringes (1), ausgehend vom Kontaktpunkt (7) des Wälzkörpers (5) im Stillstand des Wälzlagers, in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille (3) einen stetig zunehmen Krümmungsradius aufweist, dass die Laufbahnkontur, im Axialschnitt gesehen, durch eine mathematische Polynom- bzw. eine erweiterte Kreisfunktion darstellbar ist, und dass die Laufrille (4) des Innenringes (2) konstanten Krümmungsradius hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochgenauigkeits-Schrägkugellager nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein solches Hochgenauigkeits-Schrägkugellager ist aus der DE 199 46 383 A1 bekannt.
Bei Werkzeugmaschinen für die Hochgeschwindigkeitszerspanung werden Hauptspindeln eingesetzt, die überwiegend mit hochgenauen Schrägkugellagern ausgestattet sind. Aufgrund ihrer hervorragenden Rundlaufeigenschaften sowie ihrer sehr geringen Reibmomente sind diese Lager für diesen Einsatz gut geeignet. 1 zeigt ein solches Schrägkugellager mit einem Außenring 1 und einem Innenring 2, in denen jeweils eine Laufrille 3, 4 vorgesehen ist, in die Wälzkugeln 5 eingreifen. Die Laufrille 3 des Außenringes 1 weist, im Axialschnitt gesehen, über den gesamten Rillenverlauf einen einheitlichen Radius R1 bis R4 auf. Die beispielhaft eingezeichneten Radien R1 bis R4 sind demnach gleich groß. Durch die Wahl der Lagerschmiegung, d. h. des Verhältnisses von Radius der Laufrille zum Radius des Wälzkörpers 5, kann dieses Wälzlager entweder hinsichtlich der Lasttragfähigkeit und damit der engen Lagerschmiegung oder hinsichtlich einer geringen Reibung und damit einer weiten Lagerschmiegung optimiert werden. Beide Anwendungsfälle können jedoch mit diesem Wälzlager nicht abgedeckt werden. Das Wälzlager wird darum entweder für den Hochgeschwindigkeitsbereich und damit einer geringen Lasttragfähigkeit mit einer weiten Lagerschmiegung oder für den Hochlastbereich mit einer niedrigen Drehzahl und einer engen Lagerschmiegung ausgelegt. Der Spindeleinsatzbereich wird dadurch allerdings eingeschränkt.
Aus der DE 101 04 211 B4 ist ein Radialkugellager bekannt, bei dem der Außenring mit mehreren unterschiedlichen Krümmungsradien ausgebildet ist. In Richtung auf den einen, an die Laufrille anschließenden Schulterabschnitt nimmt der Krümmungsradius zu und in Richtung auf den anderen Schulterabschnitt ab. In beiden Fällen wird von einer kreisförmigen Laufbahn ausgegangen, die in den verschiedenen Abschnitten unterschiedliche Krümmungsradien aufweist. Die einzelnen Abschnitte des Außenringes haben einen konstanten Krümmungsradius.
Aus der DE 10 2007 005 007 A1 (ältere Anmeldung) ist ein Schrägkugellager bekannt, das eine Innenlaufbahn mit unterschiedlichen Krümmungen zur Bildung unterschiedlicher Schmiegungen hat.
Die JP 09 177 795 A zeigt ein Kugellager, bei dem die Außen- und die Innenlaufbahn so gestaltet sind, dass der Krümmungsradius nach rechts und links abnimmt (Außenlaufbahn) bzw. zunimmt (Innenlaufbahn).
Die JP 2005 172 137 A zeigt ein Kugellager mit einer Außenlaufbahn mit einem konstanten Krümmungsradius. Mit diesem Kugellager sollen Oszillationen, unnatürliche Geräusche oder auch ein frühzeitiger Verschließ aneinander liegender Teile vermieden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Hochgenauigkeits-Schrägkugellager so auszubilden, dass es sowohl für einen Hochgeschwindigkeitsbereich mit geringer Lasttragfähigkeit als auch für einen Hochlastbereich mit niedriger Drehzahl eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Hochgenauigkeits-Schrägkugellager erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Hochgenauigkeits-Schrägkugellager, das einen axialen Druckwinkel zwischen etwa 10° und etwa 30° aufweist, hat die Laufrille des Innenringes konstanten Krümmungsradius, während die Laufrille des Außenringes, ausgehend vom Kontaktpunkt des Wälzkörpers im Stillstand des Wälzlagers, in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille einen stetig zunehmenden Krümmungsradius aufweist. Der modifizierte Rillenbereich zeichnet sich somit durch ein nicht kreisförmiges Profil aus. Es wird eine stetige Öffnung der Schmiegung mit abfallendem Außendruckwinkel eingestellt. Die Laufbahnkontur ist, im Axialschnitt gesehen, durch eine mathematische Polynom- bzw. eine erweiterte Kreisfunktion darstellbar. Diese Gestaltung der Laufrille des Außenringes ermöglicht es, das erfindungsgemäße Lager sowohl für den Hochgeschwindigkeitsbereich als auch für den Hochlastbereich einzusetzen. Treten sehr hohe Drehzahlen auf, dann werden die Wälzkörper unter der Einwirkung von Zentrifugalkräften und auch von thermischen Effekten radial und axial in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille des Außenringes verlagert. Dementsprechend verlagert sich der Wälzkontakt der Wälzkörper mit der Laufrille des Außenringes ebenfalls entlang der Laufrillenkontur in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille. Dadurch gelangt der Wälzkörper in einen Bereich der Laufrille, die größeren Krümmungsradius aufweist. Somit verlagert sich der Wälzkörper mit steigender Drehzahl aus einem Bereich enger Lagerschmiegung in einen Bereich weiter Lagerschmiegung und damit geringer Reibung. Beim Einsatz im Hochlastbereich sind die Drehzahlen niedrig, so dass sich der Wälzkörper dementsprechend, da die Zentrifugalkräfte gering sind, in einem Bereich der Laufrille des Außenringes befindet, die kleineren Krümmungsradius aufweist. Dementsprechend tritt hier eine enge Lagerschmiegung und damit eine hohe Lasttragfähigkeit des Wälzlagers auf. Somit kann infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung die durch die Zentrifugalkraft bedingte Verlagerung der Wälzkörper dazu genutzt werden, eine dem Betriebspunkt angepasste Lagerschmiegung im Wälzkörperkontakt zu gewährleisten.
Die Erfindung wird anhand eines in 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im Axialschnitt eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Lagers.
Das Lager ist ein Spindellager in Form eines Wälzlagers, das einen Außenring 1 und einen Innenring 2 aufweist. Der Außenring 1 und der Innenring 2 sind jeweils mit einer Laufrille 3, 4 für Wälzkörper 5 versehen. Die Wälzkörper 5 sind Kugeln, die in einem Wälzlagerkäfig 6 angeordnet sind. Die Laufrille 4 des Innenringes 2 hat im Axialschnitt konstanten Radius. Die Laufrille 3 des Außenringes 1 hingegen hat eine modifizierte Rillengeometrie, die so gestaltet ist, dass in Abhängigkeit von der Drehzahl des zu lagernden Elementes, vorzugsweise der Hauptspindel, eine Anpassung der Schmiegungsverhältnisse im Wälzkontakt erzielt wird. In 2 sind die Geometrieverhältnisse der Laufrille 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit vergrößert dargestellt. Die Laufrille 3 hat beispielhaft vier unterschiedliche Radien R1 bis R4. Hierbei gilt die Beziehung: R1 < R2 < R3 < R4.
Die Laufrille 3 ist so gestaltet, dass der Krümmungsradius der Laufrille 3, ausgehend vom Kontaktpunkt 7 im Stillstand des Wälzlagers bei Nenndruckwinkel, in Richtung auf den Rillenscheitelpunkt und damit in Richtung kleinerer Außendruckwinkel α_A zunimmt. Demnach hat die Laufrille 3 im Bereich des Kontaktpunktes im Stillstand des Wälzlagers bei Nenndruckwinkel den kleinsten Radius R1. In Richtung auf den Rillenscheitelpunkt nimmt der Krümmungsradius entsprechend der oben angegebenen Beziehung zu. Es können definierte Rillenbereiche 8 bis 11 mit unterschiedlichem, aber in dem jeweiligen Bereich konstantem Krümmungsradius R1 bis R4 vorliegen. In diesem Fall gehen die einzelnen Rillenbereiche 8 bis 11 stufenlos ineinander über. Vorteilhaft nimmt der Krümmungsradius stetig zu, so dass eine kontinuierliche Radienzunahme auftritt. Die Laufbahnkontur im Axialschnitt wird in diesem Fall durch eine Polynom- oder eine erweiterte Kreisfunktion beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel hat das Radialwälzlager einen Druckwinkel α im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 30°.
Das Wälzlager weist ein stark drehzahlabhängiges Verhalten auf. Unter Einwirkung von Zentrifugalkräften und thermischen Effekten werden die Wälzkörper 5 in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille 3 des Außenringes 1 verlagert. Dadurch verlagert sich auch der Wälzkontakt 7 zwischen dem Wälzkörper 5 und der Laufrille 3 entlang der Laufrillenkontur in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille 3. Mit steigender Drehzahl des gelagerten Elementes wandert der Wälzkörper 5 aus dem Bereich enger Schmiegung, d. h. aus dem Bereich hoher Lasttragfähigkeit, in den Bereich weiter Schmiegung, d. h. in einen Bereich geringer Reibung. Somit wird durch die durch die Zentrifugalkraft erzeugte Verlagerung der Wälzkörper 5 erreicht, dass selbsttätig eine dem Betriebspunkt angepasste Schmiegung im Wälzkontakt 7 der Wälzkörper 5 gewährleistet ist. Somit kann durch die Wahl der Lagerschmiegung, d. h. des Verhältnisses von Lagerrillenradius R zu Wälzkörperradius, das Lager hinsichtlich Lasttragfähigkeit oder hinsichtlich geringer Reibung optimiert werden. In der Regel ist die Forderung nach einer großen Lasttragfähigkeit mit einer geringen Drehzahl des gelagerten Elementes verbunden. Bei geringer Drehzahl treten vernachlässigbare Zentrifugalkraft bedingte Wälzkörperverlagerungen auf. Der Wälzkontakt liegt in einem Laufbahnbereich enger Lagerschmiegung und somit hoher Lasttragfähigkeit. Erfordert die Einbausituation hingegen nur eine geringe Reibung und dementsprechend eine weite Schmiegung der Wälzkörper, was bei hohen Drehzahlen des zu lagernden Elementes notwendig ist, dann verlagern sich die Wälzkörper 5 aufgrund der beschriebenen Rillengeometrie des Außenringes 1 durch die auftretenden Zentrifugalkräfte selbsttätig in den Lagerrillenbereich mit größerem Radius.
Das Wälzlager kann somit sowohl für den Hochlastbereich als auch für den Hochgeschwindigkeitsbereich eingesetzt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Radien der Laufrille 3 sowie der Radiuszunahme in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille 3 gelangen die Wälzkörper 5 selbsttätig bei den hohen Drehzahlen in den Bereich weiter Schmiegung und damit in den Be reich geringer Reibung. Die auf die Wälzkörper wirkende Zentrifugalkraft, die zu einer Verlagerung der Wälzkörper 5 führt, wird somit dazu ausgenutzt, die jeweils günstigste und/oder optimale Lagerschmiegung im Wälzkontakt zu erreichen.
Das beschriebene Lager wird durch einen axialen Druckwinkel von 10° bis 30° gekennzeichnet.
Das Wälzlager lässt sich bevorzugt in Werkzeugmaschinen für die Hochgeschwindigkeitszerspanung einsetzen. Da das Wälzlager sowohl für den Hochlastbereich als auch für den Hochgeschwindigkeitsbereich eingesetzt werden kann, bedeutet dies eine vorteilhafte Erweiterung des Einsatzbereiches der Hauptspindel von Werkzeugmaschinen. Es müssen für die unterschiedlichen Einsatzbereiche der Spindeln keine gesonderten, angepassten Wälzlager eingesetzt werden.

Claims

Hochgenauigkeits-Schrägkugellager mit einem Außen- und einem Innenring, die jeweils Laufrillen aufweisen, in die Wälzkörper eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager einen axialen Druckwinkel (α) zwischen etwa 10° und etwa 30° aufweist, dass die Laufrille (3) des Außenringes (1), ausgehend vom Kontaktpunkt (7) des Wälzkörpers (5) im Stillstand des Wälzlagers, in Richtung auf den Scheitelpunkt der Laufrille (3) einen stetig zunehmen Krümmungsradius aufweist, dass die Laufbahnkontur, im Axialschnitt gesehen, durch eine mathematische Polynom- bzw. eine erweiterte Kreisfunktion darstellbar ist, und dass die Laufrille (4) des Innenringes (2) konstanten Krümmungsradius hat.