DE102008014252A1 - Spindelanordnung - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Spindelanordnung umfassend eine Spindel, die zumindest an einem Ende in einer Lageranordnung drehgelagert ist, insbesondere Friktionsspindelanordnung, wobei die Lageranordnung ein als Loslager ausgeführtes und infolge einer Spindelauslenkung radial relativ zu einem lagefesten Lagergehäuse bewegbares Wälzlager sowie eine Einrichtung zur Beeinflussung des Drehzahlbereichs, in dem ein Resonanzfall auftreten kann, umfasst.
- Hintergrund der Erfindung
- Eine solche Spindelanordnung in Form einer Friktionsspindelanordnung ist beispielsweise aus
EP 0 571 580 B1 bekannt. Solche Spindeln sind meist nur einseitig in einer Lageranordnung gelagert, wobei die Lageranordnung üblicherweise ein Festlager sowie ein Loslager aufweist. Das Loslager weist ein Radialspiel aus, um eine Spindelauslenkung zu ermöglichen. Zum Dämpfen der Radialbewegung der Spindel ist bei dieser Friktionsspindelanordnung ein Reibungsdämpfer vorgesehen, der dort bevorzugt in Form einer Tellerfeder ausgeführt ist, die mit einem Ende an einer Stirnplatte des Lagergehäuses und mit dem anderen Ende am Außenring des Wälzlagers aufgelagert ist. Die Dämpfungswirkung wird dadurch erreicht, dass über die Feder eine axiale Andruckkraft gegen die Stirnfläche des Außenrings wirkt, die die Radialbewegung der Spindel dämpft. Über eine solche Dämpferanordnung ist es möglich, den Drehzahlbereich, in dem es zu Resonanzerscheinungen kommen kann, zu erniedrigen, so dass die Spindel im Betriebsdrehzahlbereich gefahrfrei drehen kann. Da diese Spindeln extrem hohe Drehzahlen bis zu 20.000 U/min und mehr haben können, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass die Eigenfrequenzen im Betriebsbereich liegen können und es infolgedessen zu einem Resonanzfall kommen kann. Dem wird über eine solche Dämpfereinrichtung entgegengewirkt. Zwar kann hierüber eine gute Dämpfung erreicht werden, jedoch ist die Dämpfereinrichtung mit zusätzlichen Kosten verbunden. - Zusammenfassung der Erfindung
- Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Spindelanordnung anzugeben, die einfach aufgebaut und gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist
- Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Spindelanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einrichtung zwei axial hintereinander angeordnete O-Ringe umfasst, von denen wenigstens einer am Außenring des Wälzlagers angreift und zumindest axial vorgespannt ist.
- Die Erfindung sieht den Einsatz lediglich zweier axial hintereinander geschalteter O-Ringe vor, über die das gesamte Steifigkeitsverhalten definiert und eingestellt werden kann, worüber wiederum die Lage der kritischen Drehzahl, bei der es zu einer Resonanzerscheinung kommen kann, beeinflusst bzw. erniedrigt werden kann. Der wenigstens eine axial verspannte O-Ring dient der Lagerverspannung, nicht aber der Dämpfung. Eine Reibungsdämpfung, die hauptsächlich die Schwingungsamplitude beeinflusst, entfällt. Die O-Ringe selbst sind sehr einfache und damit kostengünstige Bauteile. Darüber hinaus kann, nachdem beide O-Ringe die Steifigkeit bzw. die axiale Verspannung der Lagerabordnung definieren, durch entsprechende Wahl der verwendeten O-Ringe das Steifigkeitsverhalten relativ breitbandig eingestellt werden. Denn je nachdem, wie die elastischen Eigenschaften der O-Ringe gewählt werden, ändert sich die resultierende Verspannung und damit die Lagersteifigkeit.
- Hinsichtlich der konkreten Anordnung der O-Ringe bzw. der Gestaltung der Lageranordnung und deren axialer Verspannung selbst sind unterschiedliche Ausführungen denkbar. Nach einer ersten Erfindungsalternative kann vorgesehen sein, dass zwei direkt hintereinander und einander berührend angeordnete O-Ringe vorgesehen sind, wobei am einen O-Ring ein in das Lagergehäuse eingepresster Spannring angreift und der andere O-Ring stirnseitig am Außenring gegengelagert ist. Hier erfolgt eine direkte Hintereinanderschaltung der O-Ringe. Der Vorspannungsgrad kann einerseits durch die Wahl des -Ring-Materials beeinflusst werden, zum anderen dadurch, wie stark die beiden Ringe durch den in das Lagergehäuse eingepressten Spannring axial deformiert und mithin verspannt werden. Je stärker die O-Ringe zusammengedrückt werden, je weiter also der Spannring in das Lagergehäuse eingeschoben wird, umso größer ist die Lagerverspannung.
- Eine Erfindungsalternative zu dieser dem Außenring quasi vorgelagerten O-Ring-Anordnung sieht vor, die beiden O-Ring außenseitig am Außenring selbst anzuordnen und sie gehäuseinnenseitig gegenzulagern, wobei beide O-Ringe radial verspannen. Bei dieser Erfindungsausgestaltung kommt also ein radialer Aufbau der Versteifungseinrichtung zum Einsatz. Sie sind am umgebenden Lagergehäuse gegengelagert, bewirken also beide eine radiale Steifigkeit. Wenigstens einer der O-Ringe ist darüber hinaus auch axial vorgespannt, bietet also auch zusätzlich eine axiale Steifigkeitskomponente bei der Wellenbewegung, die auch die zuvor beschriebene Ausgestaltung infolge der axialen Verspannung bietet. Auch diese Erfindungsausgestaltung lässt eine sehr gute, variable und kostengünstige axiale Verspannung bzw. Lagervorspannung zu.
- Innerhalb dieser Ausführungsform, bei der die beiden O-Ringe am Außenring angeordnet sind, sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar. Nach einer ersten Alternativausführung kann vorgesehen sein, dass die axiale Vorspannung mittels eines in das Lagergehäuse eingepressten Spannrings erzeugt wird, der am einen O-Ring angreift, während der andere O-Ring an einer gehäuseseitig ausgebildeten Gegenlagerschulter gegengelagert ist. Auch hier wird der Grad der Vorspannung und damit auch der Steifigkeit einerseits über die Wahl der verwendeten O-Ringe, zum anderen aber auch über den Spannring definiert. Je nachdem, wie weit der Spannring in das Lagergehäuse eingepresst wird, werden die beiden O-Ringe entsprechend stark zusammengedrückt und damit vorgespannt. Nachdem beide O-Ringe radial gesehen am Außenring wie auch am Lagergehäuse gelagert sind, ergibt sich hierbei auch zwangsläufig bei beiden eine radiale Vorspannung, wie auch eine axiale Vorspannung. Am Außenring selbst ist zweckmäßigerweise ein radial nach außen vorspringender Gegenlagerbund vorgesehen, zu dessen beiden Seiten je ein O-Ring vorgesehen ist. Gegen diesen Gegenlagerbund wird der direkt vom Spannring beaufschlagte O-Ring gedrückt und damit axial vorgespannt, während er radial zwischen dem Außenring und dem Lagergehäuse verspannt wird. Über den Gegenlagerbund wird weiterhin der zweite O-Ring gegen die Gegenlagerschulter am Lagergehäuse gedrückt, die derart positioniert ist, dass sich nach dem Befüllen des Wälzlagers zwangsläufig eine axiale Vorspannung infolge des Verspannens des O-Rings zwischen der Gegenlagerschulter und dem Gegenlagerbund ergibt. Die Resonanzcharakteristik kann damit direkt und auf einfache Weise eingestellt werden.
- Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass gehäuseseitig zwei Schultern vorgesehen sind, an denen jeweils ein O-Ring anliegt, wobei am Außenring wenigstens eine Gegenlagerschulter für einen O-Ring, der axial und radial vorgespannt ist, vorgesehen ist. Auch hier ist quasi eine geometrische Vorspannung des einen O-Rings durch Zusammenwirken der außenringseitigen Gegenlagerschulter und der gehäuseseitigen Schulter in der Montagestellung realisiert, während der andere O-Ring zumindest radial vorgespannt ist, ohne axial gegen die gehäuseseitige Schulter gepresst zu sein. Eine Weiterbildung dieser Erfindungsausgestaltung in dieser Richtung ist jedoch möglich, wobei dann am Außenring zwei Gegenlagerschultern für je einen O-Ring vorgesehen sind. Bei dieser Ausgestaltung wären dann beide O-Ringe axial und radial geometrisch vorgespannt. Die Ausbildung der gehäuseseitigen Schultern ist zweckmäßigerweise durch Ausbildung entsprechender Nuten am Gehäuse, in denen ein O-Ring aufgenommen ist, realisiert.
- Eine weitere Erfindungsalternative innerhalb der Ausführungsvariante mit am Außenring angeordneten O-Ringen sieht vor, am Außenring eine gemeinsame Nut für beide O-Ringe und gehäuseseitig eine Schulter, gegen die ein O-Ring anliegt, vorzusehen. Die Nut ist beidseits über Schultern begrenzt, so dass eine Schulter letztlich axial gesehen der gehäuseseitigen Schulter gegenüberliegt. Zwischen diesen beiden Schultern erfolgt die axiale Verspannung der beiden hintereinander und einander berührend angeordneten O-Ringe, die gleichermaßen auch radial verspannt sind. Hier ist also wiederum eine geometrische Vorspannung in der Montagestellung infolge der Schulterlagen realisiert.
- Die O-Ringe können aus gleichen Werkstoffen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen sein, bzw. so ausgelegt sein, dass sie unterschiedliche Elastizitätseigenschaften besitzen, auch wenn sie aus gleichen Werkstoffen sind. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, O-Ringe verschiedenen Durchmessers einzusetzen, wobei in diesen Fällen dann die entsprechenden Gegenlagerabschnitte bzw. Schultern ebenfalls im Durchmesser entsprechend bemessen sind.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine Spindelanordnung einer ersten Ausführungsform in einer geschnittenen Teilansicht, -
2 eine Spindelanordnung einer zweiten Ausführungsform in einer geschnittenen Teilansicht, -
3 eine Spindelanordnung einer dritten Ausführungsform in einer geschnittenen Teilansicht, -
4 eine Spindelanordnung einer vierten Ausführungsform in einer geschnittenen Teilansicht, -
5 eine Spindelanordnung einer fünften Ausführungsform in einer geschnittenen Teilansicht, -
6 eine Spindelanordnung einer sechsten Ausführungsform in einer geschnittenen Teilansicht, und -
7 eine Prinzipdarstellung einer kompletten Spindelanordnung. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Spindelanordnung einer ersten Ausführungsform. Gezeigt ist die Spindel2 sowie die sie lagernde Lageranordnung3 umfassend ein Gehäuse4 nebst einem Wälzlager5 , das hier als Loslager ausgeführt ist. Dieses umfasst im gezeigten Beispiel Kugeln als Wälzkörper6 , die in einer spindelseitigen Kugelrille7 laufen und in einem Käfig8 gehaltert sind. Das Wälzlager5 umfasst ferner einen Außenring9 , der über zwei Ringe10 radial gedämpft im Lagergehäuse4 gelagert ist. - Infolge der Loslagereigenschaft des Wälzlagers
5 ist die Spindel2 etwas radial bewegbar. Zur gezielten Erniedrigung der Resonanzstelle bzw. Resonanzdrehzahl eine Verspanneinrichtung11 vorgesehen, hier umfassend zwei axial gesehen hintereinander angeordnete, einander berührende O-Ringe12 , vorzugsweise bestehend aus einem Kunststoff- oder Gummimaterial. Im Lagerge häuse4 ist ein vorzugsweise metallischer Spannring13 eingepresst, der mit seiner Stirnkante gegen den linken der beiden O-Ringe12 drückt, worüber der rechte O-Ring12 gegen die Stirnkante14 des Außenrings9 gedrückt wird. Beide O-Ringe12 sind also axial vorgespannt und üben eine axiale Anpresskraft auf den Außenring9 aus, worüber das Lager axial verspannt wird, also die Steifigkeit erhöht wird. Die axiale Vorspannkraft kann auf mehrerlei Weise variiert werden. Zum einen darüber, wie weit der Spannring13 in das Lagergehäuse eingepresst wird und folglich die beiden O-Ringe12 komprimiert werden. Je weiter der Spannring13 eingepresst und infolge dessen die Kompression ist, umso größer ist die axiale Andruckkraft und damit die Verspannung. Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht in der Wahl der verwendeten O-Ringe hinsichtlich deren Elastizität bzw. Steifigkeit. Weniger elastische und damit geringer verformbare O-Ringe üben bei vergleichbarer Kompression eine höhere axiale Vorspannkraft aus als weicher eingestellte O-Ringe. - Die Art der Verspannung, also ob axial und/oder radial, ist bei allen beschriebenen Ausführungsformen durch die jeweiligen Doppelpfeile, die in den jeweiligen O-Ring
12 eingezeichnet sind, dargestellt. -
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spindelanordnung1 , wobei – auch geltend für die nachfolgenden Figuren – soweit möglich gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet werden. Auch hier ist zur Lagerung der Spindel2 ein Wälzlager5 mit einem Kugel-Wälzkörper6 und einem Außenring9 vorgesehen, sowie ein Lagergehäuse4 als Teil der Lageranordnung3 . Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die beiden O-Ringe12 an der Außenseite des Außenrings9 angeordnet. Der Außenring9 weist einen Gegenlagerbund15 auf, zu dessen beiden Seiten die beiden O-Ringe12 angeordnet sind. Die Erzeugung der Lagervorspannung erfolgt auch hier über einen in das Lagergehäuse4 eingepressten Spannring13 , der wiederum gegen den in2 links gezeigten O-Ring12 drückt. Der rechte O-Ring12 ist an einer Gegenlagerschulter16 am Lagergehäuse4 gegengelagert. Durch das Einpressen des Spannrings13 werden auch hier beide O-Ringe12 zusammengedrückt und über diese Kompression axial sowie radial vorgespannt, nachdem sie radial gesehen zwischen dem Außenring9 und der Innenwand des Lagergehäuses4 aufgenommen sind. Auch hier kann über die Einpresstiefe des Spannrings12 die Steifigkeit der beiden O-Ringe und somit die Resonanzcharakteristik direkt eingestellt werden. - Eine weitere Ausführungsform einer Spindelanordnung
1 ist in3 gezeigt. Auch hier sind die beiden O-Ringe12 an der Außenseite des Außenrings9 des Wälzlagers5 angeordnet. Am Lagergehäuse4 sind zwei Nuten17 ausgebildet, in denen je ein O-Ring12 aufgenommen ist, wobei die Durchmesser der beiden O-Ringe unterschiedlich sind. Der in3 rechts gezeigte O-Ring ist etwas kleiner im Durchmesser als der links gezeigte O-Ring. Bei dieser Ausgestaltung ist nur der rechts gezeigte O-Ring12 auch axial vorgespannt. Zu diesem Zweck ist am Außenring eine Gegenlagerschulter18 ausgebildet, die nach dem Befüllen des Wälzlagers5 und vollständigem Einpressen des Außenrings9 derart positioniert ist, dass der O-Ring12 zwischen dieser Gegenlagerschulter18 und der Gegenlagerschulter16 des Lagergehäuses, die die Nut17 begrenzt, axial verspannt wird. Die radiale Verspannung erfolgt ebenfalls zwischen dem Außenring9 und dem Grund der Nut17 . Demgegenüber ist der in3 links gezeigte O-Ring12 lediglich radial vorgespannt, nachdem auf ihn über den Außenring9 keine axiale Kraft aufgebracht wird. Die axiale Verspannung erfolgt hier ausschließlich geometrisch, der auch hier gezeigte Spannring13 wirkt hier nicht mit dem O-Ring-Paket zusammen. - Eine der Ausführungsform nach
3 ähnliche Spindelanordnung1 zeigt4 . Hier sind am Außenring9 zwei Gegenlagerschultern18 vorgesehen, die den jeweiligen O-Ring12 gegen jeweils eine Gegenlagerschulter16 am Lagergehäuse4 verspannen. Auch hier ist, nachdem der Spannring13 nicht mit den beiden axial hintereinander angeordneten O-Ringen12 zusammenwirkt, eine rein geometrische Axialverspannung realisiert, die dann gegeben ist, wenn das Wälzlager5 befüllt und alle Bauteile in ihrer Montageposition sind. Die radiale Verspannung ist auch hier in gleicher Weise wie bei den anderen Ausführungsformen gemäß der2 und3 gegeben. -
5 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform einer Spindelanordnung1 . Hier weist der Außenring9 eine gemeinsame Nut19 auf, in der beide O-Ringe12 aufgenommen sind. Am Lagergehäuse4 ist wiederum eine hier exemplarisch schräg stehende Gegenlagerschulter16 ausgebildet, die mit einer weiteren hier ebenfalls schräg stehenden Gegenlagerschulter20 , die die Nut19 begrenzt, derart zusammenwirkt, dass zwischen diesen beiden Schultern16 und20 die beiden O-Ringe12 axial verspannt werden. Die O-Ringe12 liegen hier einander berührend in der Nut19 , auch hier ist in der Montageposition eine geometrische Axialverspannung realisiert. Die Radialverspannung ist auch hier zwischen dem Lagergehäuse4 und dem Grund der Nut19 definiert. -
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Spindelanordnung1 , bei der am Außenring9 zwei Nuten19 vorgesehen sind, in denen jeweils ein O-Ring12 aufgenommen ist. Der in6 links gezeigte O-Ring12 wird über den Spannring13 axial belastet, er stützt sich an dem Steg zwischen den beiden Nuten19 ab, wobei der Außenring über die Reihe der Wälzkörper6 in der Kugelrille7 verspannt wird. Der zweite O-Ring12 ist hier axial nicht verspannt, er liegt radial am Gehäuse4 an. - An dieser Stelle ist festzuhalten, dass natürlich auch bei den Ausführungsformen gemäß der
2 –6 vom Material und damit den elastischen bzw. mechanischen Eigenschaften her beliebige und auf den Einsatzzweck abgestimmte O-Ringe12 verwendet werden können, wobei auch ein O-Ring-Paar mit Ringen aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden kann. Hierüber kann die Variationsbreite hinsichtlich der Einstellung der Axialverspannung und damit der Beeinflussung der Resonanzcharakteristik noch erweitert werden. -
7 zeigt eine Prinzipdarstellung einer kompletten Spindelanordnung, hier einer Friktionsspindel, wobei hier beispielhaft die Verspannungseinrichtung, wie sie in2 gezeigt ist, integriert ist. Gezeigt ist das Lagergehäuse4 , in dem die Spindel2 in der erfindungsgemäßen Form über das als Loslager ausgelegte Wälzlager5 und am Spindelende über ein Festlager21 gelagert ist. Über das Festlager21 ist die Spindel2 axial festgelegt. Über das Loslager ist eine radiale Auslenkung der Spindel möglich, die dabei aber über das Festlager axial fixiert bleibt. -
- 1
- Spindelanordnung
- 2
- Spindel
- 3
- Lageranordnung
- 4
- Gehäuse
- 5
- Wälzlager
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Kugelrille
- 8
- Käfig
- 9
- Außenring
- 10
- Ring
- 11
- Verspanneinrichtung
- 12
- O-Ringe
- 13
- Spannring
- 14
- Stirnkante
- 15
- Gegenlagerbund
- 16
- Gegenlagerschulter
- 17
- Nut
- 18
- Gegenlagerschultern
- 19
- Nut
- 20
- Gegenlagerschulter
- 21
- Festlager
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0571580 B1 [0002]
Claims (10)
- Spindelanordnung umfassend eine Spindel, die zumindest an einem Ende in einer Lageranordnung drehgelagert ist, insbesondere Friktionsspindelanordnung, wobei die Lageranordnung ein als Loslager ausgeführtes und infolge einer Spindelauslenkung radial relativ zu einem lagefesten Lagergehäuse bewegbares Wälzlager sowie eine Einrichtung zur Beeinflussung des Drehzahlbereichs, in dem ein Resonanzfall auftreten kann, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (
11 ) wenigstens zwei axial hintereinander angeordnete O-Ringe (12 ) umfasst, von denen wenigstens einer am Außenring (9 ) des Wälzlagers (5 ) angreift und zumindest axial vorgespannt ist. - Spindelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei direkt hintereinander und einander berührend angeordnete O-Ringe (
12 ) vorgesehen sind, wobei am einen O-Ring (12 ) ein in das Lagergehäuse (4 ) eingepresster Spannring (13 ) angreift und der andere O-Ring (12 ) stirnseitig am Außenring (9 ) gegengelagert ist. - Spindelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden O-Ringe (
12 ) außenseitig am Außenring (9 ) angeordnet und gehäuseseitig gegengelagert sind, wobei beide O-Ringe (12 ) axial verspannen. - Spindelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannung mittels eines in das Lagergehäuse (
4 ) eingepressten Spannrings (13 ) erzeugt ist, der am einen O-Ring (12 ) angreift, während der andere O-Ring (12 ) an einer gehäuseseitig ausgebildeten Gegenlagerschulter (16 ) gegengelagert ist. - Spindelanordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass am Außenring (
9 ) ein radial nach außen vorspringender Gegenlagerbund (15 ) vorgesehen ist, zu dessen beiden Seiten je ein O-Ring (12 ) vorgesehen ist. - Spindelanordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass gehäuseseitig zwei Schultern (
16 ) vorgesehen sind, an denen jeweils ein O-Ring (12 ) anliegt, wobei am Außenring (9 ) wenigstens eine Gegenlagerschulter (18 ) für einen O-Ring (12 ), der axial und radial vorgespannt ist, vorgesehen ist. - Spindelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenring (
9 ) zwei Gegenlagerschultern (18 ) für je einen O-Ring (12 ) vorgesehen sind. - Spindelanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder beide O-Ringe (
12 ) in am Lagergehäuse (4 ) vorgesehenen Nuten (17 ) aufgenommen sind. - Spindelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenring (
9 ) eine gemeinsame Nut (19 ) für beide O-Ringe (12 ) und gehäuseseitig eine Schulter (16 ), gegen die ein O-Ring (12 ) anliegt, vorgesehen ist. - Spindelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden O-Ringe (
12 ) verschiedene Durchmesser aufweisen und/oder aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.
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