DE102010054455A1

DE102010054455A1 - Wälzlager sowie Lageranordnung umfassend ein Wälzlager und Verfahren zum Betreiben der Lageranordnung

Info

Publication number: DE102010054455A1
Application number: DE102010054455A
Authority: DE
Inventors: Henri van der Knokke
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) mit einer Vielzahl von Wälzkörpern (2), die zwischen einem Außenring (3) und einem Innenring (4) um einer Lagerachse (5) abwälzen, wobei der Außenring (3) und/oder der Innenring (4) eine zwei Stirnseiten (6, 7) verbindende Trennfuge (8) mit sich umfänglich zugewandten Endflächen (10, 11) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wälzlager (1) mindestens einen auf zumindest Teilabschnitte (10', 11') der Endflächen (10, 11) wirkenden, krafterzeugenden Aktor aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer Vielzahl von Wälzkörpern, die zwischen einem Außenring und einem Innenring um einer Lagerachse abwälzen, wobei der Außenring und/oder der Innenring eine zwei Stirnseiten verbindende Trennfuge mit sich umfänglich zugewandten Endflächen aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Lageranordnung umfassend ein derartiges Wälzlager sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Lageranordnung.
Hintergrund der Erfindung
Bei vielen zu lagernden Maschinenteilen, z. B. Spindeln von Werkzeugmaschinen, ist eine präzise und eine hohe Laufruhe aufweisende Lagerung erforderlich.
Bei zur Lagerung eingesetzten Wälzlagern ist dabei unter Anderem das im Betrieb herrschende Spiel (Betriebsspiel) entscheidend. Ein möglichst geringes Betriebsspiel ermöglicht eine hoch genaue Lagerung. Zu beachten ist jedoch, dass einerseits stets ausgeschlossen werden muss, dass das Betriebsspiel unter einen Minimalwert fällt, da in diesem Fall eine erhöhte Flächenpressung zwischen den Wälzkörpern und der bzw. den Laufbahnen zu einem frühzeitigen Lagerausfall führen würde (Heißlaufen). Andererseits birgt ein zu großes Betriebsspiel in radialer Richtung – neben der Abnahme der Genauigkeit der Lagerung – die Gefahr, dass insbesondere bei geringer radialer Belastung ein (teilweises) Gleiten der Wälzkörper über eine oder beide Laufbahnen erfolgen kann (Schlupf).
Zwar kann das Betriebsspiel durch Wahl einer entsprechenden Lagerluft des Wälzlagers bzw. einem entsprechendem Lagerspiel des eingebauten Wälzlagers gezielt beeinflusst werden. Eine Herausforderung stellen dabei jedoch Anwendungen dar, in denen hohe und vor allem zeitlich schwankende Temperaturgradienten innerhalb der Lagerung auftreten, z. B. in Werkzeugmaschinen.
Beim Anfahren einer Werkzeugmaschine aus einem längeren Stillstand, kann von einer in etwa gleichen Temperatur am Innenring, Außenring und den Wälzkörpern ausgegangen werden. Mit fortschreitendem Betrieb jedoch, bildet sich ein Temperaturgradient von Innenring zu Außenring auf. Der Innenring ist also heißer als der Außenring. Dieser Temperaturgradient resultiert durch den Wärmeeintrag des Motors, vor allem aber durch Reibungswärme beim Abwälzen der Wälzkörper in Verbindung mit den schlechteren Abkühlungsverhältnissen des Innenringes. Der Temperaturgradient bewirkt letztendlich eine Verringerung des Betriebsspieles: Die zu lagernde Welle samt Innenring dehnt bzw. weitet sich stärker aus, als dies beim Außenring der Fall ist.
Um dieser betriebsbedingten Veränderung des Betriebsspieles entgegenzuwirken, sind Lagerungen für Werkzeugmaschinen bekannt, die eine Spieleinstellung während des Betriebes mittels mechanischer Komponenten ermöglichen sollen.
So ist es aus der DE 10 2007 001 920 A1 bekannt, auf einen Außenring eines Wälzlagers einen axial verschiebbaren, über ein Spannelement axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring vorzusehen, wobei der Keilring mit einer weiteren, ringförmigen Keilfläche zusammenwirkt, so dass ein axiales Verschieben des Keilringes eine Änderung seines Umfanges und damit mittelbar eine Änderung des Umfanges des Außenrings und letztendlich des Betriebsspieles bewirken soll. Nachteilig bei der Lösung der DE 10 2007 001 920 A1 ist, dass diese einen relativ komplexen, aus vielen Einzelteilen bestehenden Aufbau benötigt, schwierig zu steuern ist und einen großen Bauraum um das Wälzlager herum (axial und radial) erfordert.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein gattungsgemäßes Wälzlager zu schaffen, welches eine einfache und kostengünstige Möglichkeit darstellt, das Betriebsspiel während des Betriebes zu beeinflussen, und welches einen kompakten Aufbau besitzt sowie eine ein solches Wälzlager umfassende Lagerung und ein Verfahren zum Betreiben dieser Lagerung anzugeben.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Wälzlager, eine Lagerung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Lagerung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Demzufolge ist ein gattungsgemäßes Wälzlager dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager mindestens einen auf zumindest Teilabschnitte der Endflächen wirkenden, krafterzeugenden Aktor aufweist.
Das erfindungsgemäße Wälzlager, z. B. ein Radialwälzlager in Form eines Rollenlagers oder Kugellagers, weist somit zumindest einen Lagerring (Außenring oder Innenring) auf, der eine Trennfuge besitzt. Die Trennfuge verläuft von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite des Lagerringes, verbindet die beiden Stirnseiten somit, und erstreckt sich radial über die komplette Dicke des Lagerringes. Der die Trennfuge aufweisende Lagerring ist somit geschlitzt. Dieser Lagerring weist insbesondere nur eine Trennfuge auf, ist also nur einfach geschlitzt. Bezogen auf die Lagerachse kann die Trennfuge sowohl in radialer als auch in axialer Richtung gerade, gekrümmt, unter einem Winkel oder durch mehrere gerade Segmente verbunden verlaufen.
Der Lagerring weist an der Trennfuge zwei sich umfänglich zugewandte Endflächen auf. Die Endflächen befinden sich auf Endabschnitten des Lagerringes und können sich kontaktieren oder – zumindest abschnittsweise – durch einen Spalt voneinander beabstandet sein.
Entscheidend ist, dass durch die Trennfuge ein Lagerring entsteht, dessen Umfang auf einfache Weise verändert werden kann. Nämlich indem auf zwei an der Trennfuge zugewandten Enden des Lagerringes tangentiale Kräfte einwirken. Sofern die tangentialen Kräfte in entgegengesetzte Richtungen wirken, kann der Lagerring geweitet, d. h. sein Durchmesser vergrößert, werden. Sofern die Trennfuge einen Spalt aufweist und die Kräfte aufeinander gerichtet sind, kann der Durchmesser des Lagerringes verringert werden.
Erfindungsgemäß soll eine Einflussnahme auf das Betriebsspiel durch eine direkte Aufweitung oder Verringerung des Lagerringdurchmessers erfolgen. Hierzu ist vorgesehen, dass mindestens ein krafterzeugender Aktor auf zumindest Teilabschnitte der Endflächen wirkt. Der Aktor kontaktiert somit (zumindest Teilabschnitte) beide(r) Endflächen beider Endabschnitte und kann somit eine insbesondere tangentiale Kraft auf beide Endflächen aufbringen. Letztendlich kann durch den Aktor eine Aufweitung des Lagerringes bewirkt werden.
Durch die Wahl welcher Lagerring, also Außenring und/oder Innenring, eine Trennfuge mit einen Endflächen der Trennfuge kontaktierenden krafterzeugenden Aktor aufweist, und der Wahl des Lagerspieles kann somit eine sehr effektive Einstellung des Betriebsspieles ermöglicht werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der krafterzeugende Aktor kann durch ein Piezo-Element gebildet werden. Ein Piezoelement ist ein Bauteil, das den Piezoeffekt ausnutzt, um z. B. durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung auszuführen.
Denkbar ist auch, den krafterzeugenden Aktor durch ein Hydraulikelement, z. B. einen Hydraulikkolben, auszubilden.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Ausführungsform umfassend ein Piezoelement als krafterzeugenden Aktor beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Innenring ohne Trennfuge ausgebildet ist und dass der Außenring die Trennfuge aufweist. Der Außenring kann somit durch Betätigung des Aktors, z. B. Piezoelementes, in seinem Durchmesser vergrößert werden, so dass bei z. B. temperaturbedingter Aufweitung des Innenringes weiterhin ein konstantes Betriebsspiel vorherrscht.
Denkbar ist natürlich auch, dass alternativ der Außenring ohne Trennfuge ausgebildet ist und dass der Innenring die Trennfuge aufweist. In diesem Fall kann z. B. durch Wahl einer entsprechend niedrigen radialen Vorspannung des Wälzlagers ein Ausgangszustand von sehr großem Lagerspiel geschaffen werden und durch Aktivierung des Aktors, z. B. Piezoelementes, dieses Lagerspiel auf das gewünschte Maß des Betriebsspieles verringert werden. Bei durch temperaturbedingter Aufweitung z. B. des Innenringes kann durch Reduzierung der Spannung an dem Piezoelement das gewünschte Betriebsspiel gehalten werden.
Selbstverständlich können auch sowohl der Außenring als auch der Innenring eine Trennfuge aufweisen und mindestens zwei Aktoren, z. B. Piezoelemente, vorgesehen seien, wobei je ein Aktor, z. B. Piezoelement, auf zumindest Teilabschnitte der Endflächen eines Lagerringes wirkt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Teilabschnitte durch sich umfänglich zugewandte Flächen eines radial außen oder radial innen liegenden Absatzes der Trennfuge gebildet werden. Der in den Lagerring radial eingebrachte Absatz, z. B. eine entlang dem Verlauf der Trennfuge von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite folgende Nut, ermöglicht die Aufnahme des mindestens einen Aktors, z. B. Piezoelementes. Der Absatz ermöglicht insbesondere das Einbringen von mehreren Aktoren, z. B. Piezoelementen. So kann zur Erhöhung der maximal möglichen Spreizkraft vorgesehen sein, dass das Wälzlager mehrere, in Reihe und/oder parallel angeordnete Aktoren aufweist.
Um das Überrollen mit Wälzkörpern reibungs- und vibrationsarm zu gestalten, kann eine Laufbahn, des die Trennfuge aufweisenden Lagerringes, im Bereich der Trennfuge zurückgenommen werden, z. B. hinterschliffen werden. Das Überrollen erfolgt hierbei im Wesentlichen lastfrei. Denkbar ist auch, dass die Trennfuge oder ein einer Laufbahn zugewandter Abschnitt der Trennfuge unter einem Winkel zur Lagerachse verläuft oder dass die Trennfuge parallel zur Lagerachse verläuft. Insbesondere kann die Trennfuge unter einem Winkel von 5 bis 25 Grad zur Lagerachse geneigt verlaufen. Möglich ist dabei, dass nur ein der Laufbahn zugewandter Abschnitt der Trennfuge unter einem Winkel zur Lagerachse verläuft, während ein Absatz der Trennfuge parallel zur Lagerachse verläuft.
Die Ansteuerung des Aktors, z. B. Piezoelementes, kann über eine entsprechende Steuereinheit erfolgen. Grundsätzlich denkbar ist, dass die Ansteuerung drehzahlabhängig erfolgt. Vorzugsweise wird jedoch zumindest zusätzlich ein Temperaturwert herangezogen, um Aussagen über das momentane Betriebsspiel zu erlauben, und um damit den Aktor anzusteuern. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Wälzlager weiterhin mindestens einen Temperatursensor umfasst, der vorzugsweise in dem die Trennfuge aufweisenden Lagerring angeordnet ist. Der Temperatursensor kann in einer Bohrung des Lagerringes untergebracht sein.
Durch das erfindungsgemäße Wälzlager wird eine universell einsetzbare Anpassung des Betriebsspieles ermöglicht. Denkbar ist insbesondere, dass das Wälzlager ein Schrägkugellager, ein Rillenkugellager, ein Zylinderrollenlager, ein Kegelrollenlager oder ein Pendelrollenlager ist.
Das erfindungsgemäße Wälzlager eignet sich insbesondere als Spindellager in Werkzeugmaschinen. Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst ein erstes Maschinenteil, insbesondere eine Welle, welches gegenüber einem zweiten Maschinenteil, vorzugsweise einem Gehäuseelement, mittels eines erfindungsgemäßen Wälzlagers drehbar gelagert ist und die Lageranordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mit einem Temperatursensor und dem mindestens einen Piezoelement verbunden ist. Der Temperatursensor kann entweder in das Lager, z. B. in den die Trennfuge aufweisenden Lagerring, integriert sein. Oder aber der Temperatursensor befindet sich außerhalb des Lagers, z. B. an der Welle. Möglich ist, mehrere Temperatursensoren einzusetzen, die allesamt mit der Steuereinheit verbunden sind. Die Steuereinheit umfasst z. B. einen Mikrochip.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Lageranordnung umfasst die Schritte:

– Erfassen mindestens eines (Ist-)Temperaturwertes
– Online Vergleichen des mindestens eines (Ist-)Temperaturwertes in der Steuereinheit mit einem Solltemperaturwert eines Lagerringumfanges
– Verarbeiten der Differenz zwischen Ist- und Solltemperaturwert zu einer Änderung des Lagerringumfanges bzw. einer Lagerluft.
– Dynamische Ansteuerung des mindestens einen krafterzeugenden Aktors, um einen Istwert des Lagerringumfanges bzw. der Lagerluft auf den Sollwert des Lagerringumfanges bzw. der Lagerluft anzupassen.

Die Schritte können dabei laufend wiederholt werden. Die Verarbeitung des mindestens eines Temperaturwertes zu einem Sollwert eines Lagerringumfanges kann anhand von vorgegebenen Wertepaaren für Temperatur/Lagerringumfang erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigen
1 ein erfindungsgemäßes Wälzlager nach einem ersten Ausführungsbeispiel und
2 ein erfindungsgemäßes Wälzlager nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel in Form eines Kugellagers. Das Wälzlager 1 umfasst eine Vielzahl von Wälzkörpern 2, d. h. Kugeln. Die Wälzkörper 2 wälzen zwischen einem Außenring 3 und einem Innenring 4 um eine Lagerachse 5 ab.
Der Außenring 3 weist zwei Stirnseiten 6, 7 sowie eine die Stirnseiten 6, 7 verbindende Trennfuge 8 auf. Die Trennfuge 8 erstreckt sich axial über die gesamte axiale Erstreckung des Außenringes 3 und verläuft dabei parallel zur Lagerachse 5. Radial erstreckt sich die Trennfuge 8 über die komplette Dicke 9 des Außenringes und verläuft dabei ausschließlich radial. Die Trennfuge 8 wird in diesem Ausführungsbeispiel komplett durch einen Spalt gebildet, d. h. sich umfänglich zugewandte Endflächen 10, 11 der Trennfuge 8 kontaktieren sich nicht. Die Endflächen liegen vollständig auf Radialebenen (Ebenen umfassend die Lagerachse).
Innerhalb der Trennfuge ist ein Piezoelement 12 als krafterzeugender Aktor angeordnet. Insbesondere erstreckt sich das Piezoelement 12 weder axial noch radial über die Trennfuge hinaus. Das Piezoelement 12 wirkt auf die Endflächen 10, 11 ein. Durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung kann das Piezoelement 12 aktiviert werden und übt mittels des Kontaktes mit den Endflächen 10, 11 eine tangentiale Spreizkraft auf diese auf. Der Außenring 3 kann somit aufgeweitet werden.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in Form eines Zylinderrollenlagers in einer Draufsicht. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Trennfuge 8 einen radial nach außen gerichteten, also einen radial außen liegenden, Absatz 13. In diesem Absatz 13 sind mehrere bezüglich der Richtung ihrer Kraftentfaltung in Reihe geschaltete Piezoelemente 12 angeordnet. Die Piezoelemente 12 sind ausschließlich in dem Absatz 13 untergebracht, d. h. die Piezoelemente 13 wirken nur auf Teilabschnitte 10', 11' der aus allen Teilabschnitten 10', 10'', 11', 11'' bestehenden Endflächen 10, 11 ein. Die Trennfuge 8 erstreckt sich radial wiederum über die gesamte Breite 9 des Außenringes. Die Teilabschnitte 10'', 11'' der Trennfuge 8, die nicht Teil des Absatzes 13 sind, kontaktieren sich, sofern die Piezoelemente 12 nicht aktiviert werden.
In einer Bohrung 14 im Außenring ist ein Temperatursensor 15 angeordnet.
Der Absatz 13 verläuft parallel zur Lagerachse 5, während die Teilabschnitte 10'', 11'' der Endflächen 10, 11, die sich kontaktieren, unter einem Winkel zur Lagerachse verlaufen.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Wälzkörper
3: Außenring
4: Innenring
5: Lagerachse
6: Stirnseite
7: Stirnseite
8: Trennfuge
9: Dicke
10: Endflächen
10': Teilabschnitt der Endfläche
10'': Teilabschnitt der Endfläche
11: Endflächen
11': Teilabschnitt der Endfläche
11'': Teilabschnitt der Endfläche
12: Piezoelement
13: Absatz
14: Bohrung
15: Temperatursensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007001920 A1 [0007, 0007]

Claims

Wälzlager (1) mit einer Vielzahl von Wälzkörpern (2), die zwischen einem Außenring (3) und einem Innenring (4) um einer Lagerachse (5) abwälzen, wobei der Außenring (3) und/oder der Innenring (4) eine zwei Stirnseiten (6, 7) verbindende Trennfuge (8) mit sich umfänglich zugewandten Endflächen (10, 11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (1) mindestens einen auf zumindest Teilabschnitte (10', 11') der Endflächen (10, 11) wirkenden, krafterzeugenden Aktor aufweist.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der krafterzeugende Aktor durch ein Piezoelement (12) und/oder ein Hydraulikelement gebildet wird.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (4) ohne Trennfuge (8) ausgebildet ist und dass der Außenring (3) mit Trennfuge (8) ausgebildet ist.
Wälzlager (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte (10', 11') durch sich umfänglich zugewandte Flächen eines radial außen oder radial innen liegenden Absatzes (13) der Trennfuge (8) gebildet werden.
Wälzlager (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (1) mehrere, in Reihe und/oder parallel angeordnete Piezoelemente (12) als Aktoren aufweist.
Wälzlager (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (8) oder ein einer Laufbahn zugewandter Abschnitt der Trennfuge (8) unter einem Winkel zur Lagerachse (5) verläuft.
Wälzlager (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (8) parallel zur Lagerachse (5) verläuft.
Wälzlager (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (1) weiterhin mindestens einen Temperatursensor (15) umfasst, der vorzugsweise in dem die Trennfuge (8) aufweisenden Lagerring angeordnet ist.
Wälzlager (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (1) ein Schrägkugellager, ein Rillenkugellager, ein Zylinderrollenlager, ein Kegelrollenlager oder ein Pendelrollenlager ist.
Lageranordnung, umfassend ein erstes Maschinenteil, insbesondere eine Welle, welches gegenüber einem zweiten Maschinenteil, vorzugsweise einem Gehäuseelement, mittels eines Wälzlagers (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche drehbar gelagert ist, die Lageranordnung ferner umfassend eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mit einem Temperatursensor (15) und dem mindestens einen krafterzeugenden Aktor, vorzugsweise ein Piezoelement (12) oder ein Hydraulikelement, verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Lageranordnung nach Anspruch 10, umfassend die Schritte: – Erfassen mindestens eines (Ist-)Temperaturwertes – Online Vergleichen des mindestens eines (Ist-)Temperaturwertes in der Steuereinheit mit einem Solltemperaturwert eines Lagerringumfanges – Verarbeiten der Differenz zwischen Ist- und Solltemperaturwert zu einer Änderung des Lagerringumfanges bzw. einer Lagerluft – Dynamische Ansteuerung des mindestens einen krafterzeugenden Aktors, um einen Istwert eines Lagerringumfanges bzw. einer Lagerluft auf den Sollwert des Lagerringumfanges bzw. der Lagerluft anzupassen.