DE102007059105A1

DE102007059105A1 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102007059105A1
Application number: DE102007059105A
Authority: DE
Inventors: Sven Claus; Erich Lunz
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-10

Abstract

Lageranordnung, umfassend eine Welle, die in zwei Wälzlagern drehgelagert ist, wobei wenigstens einem Wälzlager eine Einrichtung (13) zum lösbaren radialen Klemmen des Wälzlagers derart zugeordnet ist, dass das Wälzlager im geklemmten Zustand axial fixiert und im nicht geklemmten Zustand axial beweglich ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung umfassend eine Welle, die in zwei an Lagerböcken angeordneten Wälzlagern, von denen ein erstes als Festlager ausgeführt ist, drehgelagert ist.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Lageranordnungen sind vornehmlich Teil von Vorschubsystemen mit Gewindetrieben, wie sie beispielsweise im Bereich der Werkzeugmaschinen Einsatz finden. Auf der in zwei Wälzlagern, die als einreihige oder mehrreihige Einzel- oder Doppellager ausgeführt sein können, gelagerten Gewindespindel läuft eine Spindelmutter, mit der das zu bewegende Maschinenteil gekoppelt ist. An solche Vorschubspindeln und ihre Lagerung werden hohe Anforderungen gestellt, beispielsweise eine hohe statische und dynamische Steifigkeit, eine hohe axiale Tragfähigkeit sowie Realisierung hoher Beschleunigungen und Geschwindigkeiten. Probleme bei Vorschubspindeln ergeben sich durch eine Ortsabhängigkeit der Axialsteifigkeit der Spindel, die von der Position der Gewindetriebmutter beeinflusst wird, sowie eine längenabhängige Axialsteifigkeit; ferner ist eine Begrenzung der Spindeldrehzahl und damit der Verfahrgeschwindigkeit durch die biegekritische Drehzahl der Spindel sowie durch Wärmedehnungen bzw. Wärmespannungen infolge der Erwärmung der Gewindespindel im Betrieb gegeben. Um insbesondere den rein mechanischen Anforderungen Rechnung zu tragen, wird eine Fest-Fest-Lagerung der Gewindespindel angestrebt. Diese ermöglicht es, den Einfluss der Position der Gewindetriebmutter auf die Axialsteifigkeit zu reduzieren und das Steifigkeitsniveau signifikant anzuheben. Eine solche Lagerung zeichnet sich durch eine hohe statische und dynamische Axialsteifigkeit aus, ferner kann eine hohe biegekritische Drehzahl und eine hohe knickkritische Axialspindelmutterlast erreicht werden. Mit üblichen Fest-Fest-Lagerungen können jedoch keine thermischen Dehnungen der Spindel im Betrieb aufgefangen bzw. ausgeglichen werden, sofern nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden. Hierzu sieht DE 10 2004 062 320 B4 eine Lageranordnung vor, bei der ein Wälzlager mit einer Kupplung versehen ist, die einen Aufnahmeraum aufweist, in dem ein viskoelastisches Material vorgesehen ist, das sich je nach Krafteinwirkung viskos, plastisch, elastisch oder starr verhält. Bei einer niedrigen Wellendrehfrequenz kommt es zu keiner Abstützung des inneren Kupplungselements gegen das äußere Kupplungselement, was es ermöglicht, dass sich die ergebende thermische Dehnung, die langsam vonstatten geht, ausgeglichen werden kann, indem das innere Kupplungselement relativ zum äußeren Kupplungselement axial verschoben wird. Hingegen werden axiale Kräfte hoher Frequenz, z. B. Schwingungen aufgrund des Betriebs der Vorschubspindel, abgestützt, so dass das innere Kupplungselement gegen das äußere Kupplungselement abgestützt ist. Für thermische Dehnungen wirkt die dort beschriebene Lageranordnung somit wie eine Lageranordnung mit einem Festlager und einem Loslager. Für Kräfte hoher Frequenz wirkt die Lageranordnung wie eine solche mit zwei Festlagern. Zwar kann über die dort beschriebene Lageranordnung ein thermischer Längenausgleich realisiert werden, jedoch ist die konstruktive Ausführung der dort beschriebenen Lageranordnung aufwändig, ihre Funktion hängt stark von dem Verhalten des viskoelastischen Materials ab. Weiterhin können keine Axialkräfte mit konstantem Wert ±0 sowie Axialschwingungen mit Mittelwert ±0 aufgenommen werden. Derartig einwirkende Belastungen haben zur Folge, dass sich die in DE 10 2004 062 320 B4 beschriebene Lösung in ihre Endlage verschiebt.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, einfach aufgebaute Lageranordnung anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist eine Lageranordnung der beschriebenen Art vorgesehen, die sich darin auszeichnet, dass mindestens einem der Lager eine reversibel zwischen einer Klemmstellung und einer Lösestellung schaltbaren Klemmeinrichtung zum lösbaren radialen Klemmen des Lagers derart zugeordnet ist, dass das Lager im geklemmten Zustand axial fixiert und im nicht geklemmten Zustand axial beweglich ist. Somit kann dieses Lager sowohl die Funktion eines Fest- als auch eines Loslagers übernehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist eines der beiden als Lager ausgeführten Spindellager gesteuert radial verklemmbar, durch welche Verklemmung eine hohe axiale Haltekraft übertragen werden kann. Die Übertragung von aus dem Betrieb resultierenden Axiallasten ist bei gleichzeitig hoher Axialsteifigkeit möglich. Das heißt, dieses Wälzlager weist die mechanisch vorteilhaften Eigenschaften eines Festlagers auf. Bei Bedarf ist es möglich, die radiale Verklemmung wieder zu lösen, so dass sich das Lager temporär wie ein Loslager verhält, es ist axial beweglich. Dies führt dazu, dass auftretende Wärmedehnungen bzw. Wärmespannungen seitens der Gewindespindel im gelösten, also nicht geklemmten Zustand, ausgeglichen werden. Es kommt zu einer wenngleich sehr kurzen axialen Ausgleichsbewegung von wenigen hundertstel oder zehntel Millimetern zwischen dem Lager und einem der radialen Fixierung des Wälzlagers dienenden Lagerbock. Über diese axiale Ausgleichsbewegung können die Spannungen vorteilhaft abgebaut werden, sie wirken sich nicht nachteilig auf den Betrieb, insbesondere die Lebensdauer der Lager, aus. Sobald die Spannungen abgebaut sind, kann das Wälzlager erneut mit dem Lagerbock in eine verklemmte Festlager-Anordnung geschaltet werden, es ist dann erneut axial fixiert und kann zusätzlich zu den Radiallasten hohe axiale Lasten aufnehmen.
Die gesteuerte radiale Verklemmung erfolgt über eine geeignete Klemmeinrichtung, die zwischen einer Klemmstellung oder Klemmfunktion und einer Lösestellung oder Lösefunktion reversibel, also beliebig geschaltet werden kann. Nachdem es sich bei dem Wälzlager um ein rotationssymmetrisches Bauteil handelt, ist die Klemmeinrichtung zweckmäßigerweise eine durch Verdrehen eines Bauteils des Wälzlagers oder der Einrichtung um die Lagerachse radial verspannend wirkende Einrichtung. Als eine solche Klemmeinrichtung ist besonders vorteilhaft ein Klemmkörperfreilauf geeignet, der am Außenring des zu verklemmenden Lagers angreift. Die radiale Verklemmung des Spindellagers findet hierbei auf mechanischem Wege unter zu Hilfenahme wenigstens eines Klemmkörperfreilaufs statt. Durch gezielte Ansteuerung, hier durch Drehung um einen definierten Winkel, des Außenrings des Spindel- oder Wälzlagers oder eines Bauteils des Klemmkörperfreilaufs (also der Außenlaufbahn des Klemmkörperfreilaufs) wird der Kraftschluss durch Verklemmen der Klemmkörper erzielt. In diesem Fall besitzt das geklemmte Wälzlager die Eigenschaften eines Festlagers. Soll auf ein Loslager geschaltet werden, so wird beispielsweise zeitabhängig (in Intervallen) oder bei Überschreitung einer definierten Messgröße (beispielsweise der wirkenden Axialkraft, ermittelt durch geeignete Kraftsensoren im Bereich der Vorschubspindel eine definierte Drehung des gesteuerten bzw. steuernden Teils der Klemmeinrichtung bzw. des Wälzlagers entgegen die Sperrrichtung erreicht, das Lager wird also „entsperrt" und kann sich entsprechend der gegebenen Dehnung axial bewegen. Die Ausgleichsbewegung findet hierbei zwischen dem Außenring des Wälzlagers und dem Klemmkörperfreilauf statt. Nach dem Ausgleich wird der Klemmkörperfreilauf erneut bis zum Erreichen der nächsten Zeitintervallgrenze bzw. dem Erreichen des nächsten Schwellwerts der definierten Messgröße gesperrt. Die Sperrung des Klemmkörperfreilaufs und somit die axiale Festsetzung des Lagers wird als Betriebszustand definiert. Der Zeitaufwand für den thermischen Ausgleich ist als sehr gering anzusehen.
Das Wälzlager selbst ist zweckmäßigerweise ein zwei- oder mehrreihiges Lager, insbesondere als Schrägkugellager ausgeführt, wobei in diesem Fall wenigstens zwei parallel wirkende Klemmkörperfreiläufe vorgesehen sind, gegebenenfalls können auch mehr Freiläufe, mitunter abhängig von der Anzahl der Kugelreihen sowie der erforderlichen Radialkräfte zum Klemmen, vorgesehen sein. Selbstverständlich werden alle parallel wirkenden Klemmkörperfreiläufe durch eine gemeinsame Steuerbewegung gesperrt oder entsperrt.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen den Klemmkörperfreilaufläufen wenigstens ein weiteres Wälzlager, insbesondere ein Rollenlager zur Lagerung und Zentrierung der Klemmkörperfreiläufe auf dem Außenring des die Welle lagernden Wälzlagers vorgesehen ist. Die Klemmkörperfreiläufe, umfassend die vielen Klemmkörper, die in einem geeigneten Käfig gehaltert sind, sind bei dieser Erfindungsausgestaltung über das weitere Wälzlager, vornehmlich ein Rollenlager, auf dem Lageraußenring, der eine Laufbahn für die Klemmkörperfreiläufe bildet, gelagert.
Zum Sperren bzw. Entsperren der Klemmkörpereinrichtung(en) ist zweckmäßigerweise eine automatische oder manuelle Einrichtung zum Bewegen des Außenrings des Wälzlagers oder eines den oder die Klemmkörperfreiläufe radial lagernden äußeren Rings vorgesehen. Über diese Einrichtung besteht also die Möglichkeit, den Schaltvorgang zwischen Festlager und Loslager automatisch durchzuführen, oder bei Bedarf von Maschinenbediener manuell. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise in Form einer mit dem Außenring des Wälzlagers oder dem äußeren Ring des Freilaufs gekoppelten, vorzugsweise gelenkig gelagerten Stange oder dergleichen realisiert sein.
Insgesamt kann durch das Prinzip der erfindungsgemäßen Verklemmung unter Verwendung insbesondere der Klemmkörperfreiläufe mit viele Klemmkörpern, die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt sind, durch gezielte Gestaltung und Anordnung des bzw. der Freiläufe ein hohes Maß an Axial- und Kippsteifigkeit erreicht werden. Aus dem Betrieb resultierende Radialkräfte werden direkt über den oder die Klemmkörperfreiläufe bzw. das optional vorgesehene Rollenlager in den Lagerbock geleitet, während axiale Betriebslasten über den Reibschluss abgeführt werden müssen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung,
2 eine Längsschnittansicht eines Wälzlagers mit zwei Klemmkörperfreiläufen, und
3 eine Seitenansicht des Wälzlagers aus 2.
4 eine Schnittansicht in Richtung der Linie IV–IV in 2, und
5 eine Schnittansicht in Richtung der Linie V–V in 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Lageranordnung 1, umfassend eine Gewindespindel 2, auf der in bekannter Weise eine Gewindemutter 3 läuft, die, wenn die Lageranordnung 1 Teil einer Werkzeugmaschine ist, mit einem axial zu bewegenden Werkzeugmaschinenelement verbunden ist. Die Gewindespindel 2 ist in zwei Wälzlagern 4, 5 (Spindellager), die jeweils an einem Lagerbock 6, 7 angeordnet sind, an beiden Enden drehgelagert. Das Wälzlager 5, hier ein doppelreihiges Schrägkugellager, ist als reines Festlager ausgeführt, es ist über Schraubverbindungen 8 fest mit dem Lagerbock verschraubt. Demgegen über ist das Wälzlager 4 als reversibel zwischen dem Festlager und einem Loslager schaltbares Lager ausgeführt, wozu das Wälzlager 4, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, über eine reversibel zwischen einer Klemmstellung und einer Lösestellung schaltbare Klemmeinrichtung bildende Klemmkörperfreiläufe in reibschlüssige Kopplung mit dem Lagerbock 6 gebracht werden kann.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Wälzlagers 4 aus 1. 3 zeigt eine Seitenansicht des Lagers. Wälzlager 4 besteht aus einem Innenring 9, der fest auf der Gewindespindel aufsitzt. Über zwei Kugelreihen 10 ist der Außenring 11 drehgelagert, die gezeigte Ausgestaltung ist jeweils als Schrägkugellager ausgeführt. Gleichwohl können selbstverständlich auch beliebig andere Lagertypen zum Einsatz kommen.
Die Außenfläche 12 des Außenrings 11 bildet die Lauffläche für zwei Klemmkörperfreiläufe 13, die außenseitig radial von einem gehärteten Stahlring 14, dessen Innenseite die zweite Laufbahn bildet, umgriffen sind. Die beiden Klemmkörperfreiläufe 13 weisen eine Vielzahl von gleichmäßig um den Umfang verteilten Klemmkörpern 15 auf, die in geeigneten Käfigen 16 aufgenommen sind. Zwischen den beiden Klemmkörperfreiläufen 13 ist ein weiteres Wälzlager 17 vorgesehen, hier als Rollenlager, über das beide Klemmkörperfreiläufe auf dem Außenring 11 gelagert und zentriert sind.
Die Klemmkörper 15 können durch eine entsprechende Stellbewegung des Außenrings 11 zwischen einer Klemmstellung, in der sie fest zwischen dem Außenring 11 und dem Stahlring 14 verklemmt sind, und einer gelösten Stellung, in der sie nicht kraftschlüssig an diesen anliegen, verstellt werden. Im gezeigten Beispiel ist hierfür eine Einrichtung 18 vorgesehen, die mit dem Außenring 11 gekoppelt und hier als Stange 19 ausgeführt ist, die über ein Kugelgelenk 20 mit dem Außenring 11 verbunden ist. Hierüber kann der Außenring 11 ein kurzes Stück relativ zu dem drehfest mit dem Lagerblock verbundenen Stahlring 14 unter entsprechender Verkippung der Klemmkörper 15 beider Klemmkörperfreiläufe verstellt werden. Je nachdem, ob die Klemmkörper an beiden Ringen angreifen oder nicht, ist im einen Fall das Wälzlager 4 als Festlager geschaltet (klemmende Anlage), im anderen Fall als Loslager (entsperrter Zustand).
Das Wälzlager 4 ist über nicht näher gezeigte Haltemittel mit dem Lagerbock 6 verbunden. Beispielsweise kann am Stahlring 14 ein entsprechender seitlicher Halteflansch vorgesehen sein, über den das Wälzlager 4 mit dem Lagerbock über geeignete Schraubverbindungen gekoppelt wird.
Anstelle der gezeigten Stange 19 kann auch jedwede andere Verstelleinrichtung, beispielsweise in Form einer Gewindespindel oder dergleichen, vorgesehen sein, die eine automatische oder manuelle Stellbewegung ermöglicht. Der Antrieb des zu steuernden Teils ist auch über ein Getriebe (Harmonic Drive) oder einen direkten Stellantrieb (elektrisch) möglich.

1: Lageranordnung
2: Gewindespindel
3: Gewindemutter
4: Wälzlager
5: Wälzlager
6: Lagerbock
7: Lagerbock
8: Schraubverbindung
9: Innenring
10: Kugelreihe
11: Außenring
12: Außenfläche
13: Klemmkörperfreiläufe
14: Stahlring
15: Klemmkörper
16: Käfig
17: Radiallager
18: Einrichtung
19: Stange
20: Kugelgelenk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004062320 B4 [0002, 0002]

Claims

Lageranordnung umfassend eine Welle, die in zwei Wälzlagern drehgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Wälzlager (4) eine reversibel zwischen einer Klemmstellung und einer Lösestellung schaltbare Klemmeinrichtung (13) zum lösbaren radialen Klemmen des Wälzlagers (4) derart zugeordnet ist, dass das Wälzlager (4) im geklemmten Zustand axial fixiert und im nicht geklemmten Zustand axial beweglich ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine durch Verdrehen eines Bauteils des Wälzlagers (4) oder der Klemmeinrichtung (13) um die Lagerachse radial verspannend wirkende Klemmeinrichtung (13) ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmeinrichtung wenigstens einen Klemmkörperfreilauf (13) umfasst, der am Außenring (11) eines Wälzlagers (4) des Festlagers angreift.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (4) als zwei- oder mehrreihiges Lager, insbesondere als Schrägkugellager ausgeführt ist, und dass wenigstens zwei parallel wirkende Klemmkörperfreiläufe (13) vorgesehen sind.
Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Klemmkörperfreiläufen (13) wenigstens ein weiteres Radiallager (17), insbesondere ein Rollenlager, zur Lagerung der Klemmkörperfreiläufe (13) auf dem Außenring (11) des die Welle (2) lagernden Wälzlagers (4) vorgesehen ist.
Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische oder manuelle Einrichtung (18) zum Bewegen des Außenrings (11) des Wälzlagers (4) oder eines den oder die Klemmkörperfreiläufe (13) radial lagernden äußeren Rings (14) vorgesehen ist.
Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (18) eine mit dem Außenring (11) oder dem äußeren Ring (14) gekoppelte Stange (19) ist.
Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorschubeinrichtung umfassend eine Spindel ist.