DE102013215557A1 - Lagersystem und Verfahren zum Betreiben eines Lagersystems - Google Patents

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Abstract

Ein Lagersystem 100 zum Lagern relativ zueinander bewegbarer Bauteile 160, 170 weist zumindest ein Lager 110 und eine Vorspanneinrichtung 150 auf. Die Vorspanneinrichtung 150 ist ausgelegt, um eine Vorspannung des zumindest einen Lagers 110 basierend auf einem Betriebszustand des Lagersystems 100 zu verändern.

Description

  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Konzepte zum Vorspannen von Lagern und insbesondere auf ein Lagersystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Lagersystems.
  • Bei Lagersystemen zur Lagerung von zueinander bewegbaren Bauteilen kann es erforderlich sein, eine positive oder negative Betriebslagerluft in der Lageranordnung einzustellen. Bei vielen Einsatzbereichen kann eine positive Betriebslagerluft erwünscht sein, d.h., während des Betriebs ist noch eine geringe Restlagerluft in dem Lager vorhanden.
  • Es gibt jedoch auch viele Fälle, z.B. Lager von Werkzeugmaschinenspindeln, Ritzellager in Kraftfahrzeugachsantrieben, Lageranordnungen bei kleinen Elektromotoren oder Lageranordnungen mit oszillierend Bewegungen, bei denen eine negative Betriebslagerluft, d.h. eine Vorspannung, erwünscht ist, um die Steifigkeit der Lageranordnung zu verbessern oder die Laufgenauigkeit zu erhöhen.
  • In vielen Applikationen ist die Wahl der Vorspannung eines angestellten Lagersystems ein Kompromiss, der einen grenzwertigen Betriebsfall berücksichtigt. Dies kann sich auf verschiedene Lagereigenschaften negativ auswirken.
  • Es besteht daher der Bedarf ein Konzept für ein Lagersystem zu schaffen, die es ermöglicht die Steifigkeit, die Tragfähigkeit, die Zuverlässigkeit, die Lebensdauer und/oder die Schmierstoffgebrauchsdauer des Lagersystems zu erhöhen und/oder die Reibmomententwicklung des Lagersystems zu verringern.
  • Dieser Bedarf wird durch ein Lagersystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gedeckt.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Lagersystem oder eine Lageranordnung zum Lagern relativ zueinander bewegbarer Bauteile. Das Lagersystem weist zumindest ein Lager und eine Vorspanneinrichtung auf. Die Vorspanneinrichtung ist ausgelegt, um eine Vorspannung des Lagers basierend auf einem Betriebszustand des Lagersystems zu verändern.
  • Durch die Integration einer Verstellmöglichkeit der Vorspannung in einem Lagersystem während des Betriebs des Lagersystems kann die Vorspannung auf den jeweiligen Betriebszustand des Lagersystems angepasst werden. Beispielsweise kann die Vorspannung erhöht werden, wenn eine höhere Steifigkeit oder Tragfähigkeit des Lagersystems in einem Betriebszustand benötigt wird, und/oder die Vorspannung reduziert werden, wenn ein geringeres Reibmoment in einem Betriebszustand gewünscht ist. Dadurch kann die Wirtschaftlichkeit erhöht, die Betriebskosten reduziert und/oder der Wartungsaufwand des Lagersystems reduziert werden. Ferner kann durch eine geringere Lagertemperatur auch eine höhere Schmierstoffgebrauchsdauer ermöglicht werden.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen weist die Vorspanneinrichtung ein Peltierelement, ein Piezoelement, einen Dehnstoff oder ein mikromechanisches Element auf, um die Vorspannung des Lagers zu verändern. Dadurch kann eine solche Vorspanneinrichtung einfach und platzsparend realisiert werden.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Lagersystem mit einem zweiten Lager, wobei beide Lager Wälzlager mit jeweils zwei Lagerringen sind. Die Vorspanneinrichtung kann dann außerhalb der beiden Lager angeordnet sein und ausgelegt sein, um einen Abstand zwischen einem Lagerring des ersten Lagers und einem Lagerring des zweiten Lagers zu verändern. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die Vorspannung von beiden Lagern verändert werden.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das zumindest eine Lager ein Wälzlager mit einem Führungsbord für die Wälzkörper des Wälzlagers ist und die Vorspanneinrichtung ausgelegt ist, um einen Druck des Führungsbords auf die Wälzkörper des Wälzlagers zu verändern. Dadurch kann eine Möglichkeit zur Änderung der Vorspannung platzsparend integriert werden.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:
  • 1 einen schematischen Querschnitt einer Spindellagerung;
  • 2a bis 2j zeigen schematische Querschnitte von Kegelrollenlagern mit Vorspanneinrichtungen;
  • 3a, 3b zeigen schematische Querschnitte eines Kegelrollenlagersystems mit außenliegender Vorspanneinrichtung;
  • 4a, 4b zeigen schematische Querschnitte von Schrägkugellagern mit Vorspanneinrichtungen; und
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Lagersystems mit einer Vorspanneinrichtung, die eine Spannmutter mit Feineinstellung aufweist.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die Ausführungsbeispiele zeigen, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Lagersystem oder eine Lageranordnung zum Lagern relativ zueinander bewegbarer Bauteile. Das Lagersystem weist zumindest ein Lager und eine Vorspanneinrichtung auf. Die Vorspanneinrichtung verändert eine Vorspannung des Lagers basierend auf einem Betriebszustand des Lagersystems.
  • Dadurch kann beispielsweise die Steifigkeit, die Tragfähigkeit und/oder das Reibmoment des Lagersystems an den jeweiligen Betriebszustand angepasst werden.
  • Die relativ zueinander bewegbaren Bauteile können beliebige Bauteile einer Maschine sein. Die relativ zueinander bewegbaren Bauteile können sich translatorisch und/oder rotatorisch relativ zueinander bewegen. Eine solche Bewegung wird durch das zumindest eine Lager ermöglicht, das zwischen den relativ zueinander bewegbaren Bauteilen angeordnet ist.
  • Das zumindest eine Lager (und/oder auch die ein oder mehreren weiteren Lager des Lagersystems) können Wälz- oder Gleitlager sein. Ferner kann es sich um ein Axiallager oder ein Radiallager handeln.
  • Die Vorspannung kann entweder eine radiale oder eine axiale Vorspannung sein, was von der Art des Lagers abhängen kann. Beispielsweise können Zylinderrollenlager radial vorgespannt werden und Axialkugellager oder Axialzylinderrollenlager axial vorgespannt werden. Manche Lager oder Lageranordnungen von mehreren Lagern können auch axial und radial vorgespannt werden.
  • Durch eine Vorspannung kann eine hohe Steifigkeit erreicht werden. Die Lagersteifigkeit (z.B. in kN/µm) kann als Verhältnis der Kraft, die an dem Lager angreift, und der elastischen Verformung im Lager definiert werden. Die elastische Verformung durch eine Belastung kann bei vorgespannten Lagern beispielsweise für einen bestimmten Belastungsbereich kleiner als bei nicht vorgespannten Lagern sein.
  • Ferner können Laufgeräusche verringert werden. Je kleiner z.B. das Betriebsspiel eines Lagers, umso besser ist die Führung der Wälzkörperelemente in der nichtbelasteten Zone und umso laufruhiger ist das Lager im Betrieb.
  • Zusätzlich kann eine präzise Wellenführung ermöglicht werden. Vorgespannte Lager erlauben eine exaktere Wellenführung, weil die Vorspannung sowohl die elastischen Verformungen des Lagers selbst reduziert als auch die Möglichkeit der Welle beeinträchtigt, sich unter Belastung durchzubiegen.
  • Ferner können Verschleiß- und Setzvorgänge zumindest teilweise kompensiert werden. Verschleiß- und Setzvorgänge in einer Lageranordnung während des Betriebs können die Lagerluft erhöhen, dies kann jedoch durch die Vorspannung zumindest teilweise kompensiert werden.
  • Auch die Gebrauchsdauer kann erhöht werden. Eine passend dimensionierte Vorspannung kann sich günstig auf die Belastungsverteilung in einem Lager und damit auf die Lagerlebensdauer auswirken.
  • Die Vorspanneinrichtung kann die Vorspannung des Lagers verändern. Dadurch kann die Vorspannung auf unterschiedliche Betriebszustände des Lagersystems angepasst werden. Ein Betriebszustand des Lagersystems kann jeder Zustand sein, den das Lagersystem im Betrieb einnehmen kann. Beispielsweise können Zustände in denen sich die zueinander bewegbaren Bauteile mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten relativ zueinander bewegen unterschiedliche Betriebszustände des Lagersystems sein. Z.B. kann in einer Anwendung bei einer maximalen Geschwindigkeit der zueinander bewegbaren Bauteile eine höhere Vorspannung (z.B. um die Steifigkeit des Lagersystems zu erhöhen) oder eine niedrigere Vorspannung (z.B. um das Reibmoment zu reduzieren) erwünscht sein als bei niedrigeren oder mittleren Geschwindigkeiten. Umgekehrt kann bei niedrigen oder mittleren Geschwindigkeiten eine geringere Vorspannung (z.B. um das Reibmoment zu reduzieren) oder eine höhere Vorspannung wünschenswert sein als bei einer maximalen Geschwindigkeit. Entsprechend können auch für unterschiedliche Lastzustände im Betrieb des Lagersystems unterschiedliche Vorspannungen erwünscht sein, um ein bestimmtes Verhalten (z.B. bezüglich Reibmoment, Steifigkeit, Laufgeräusch oder Verschleiß) zu erreichen.
  • In anderen Worten, die Vorspanneinrichtung kann in einem ersten Betriebszustand des Lagersystems eine erste Vorspannung des Lagers einstellen und in einem zweiten Betriebszustand des Lagersystems eine zweite Vorspannung des Lagers einstellen. Dabei unterscheidet sich die erste Vorspannung von der zweiten Vorspannung und der erste Betriebszustand von dem zweiten Betriebszustand.
  • Die Vorspanneinrichtung kann also die Vorspannung des Lagers während des Betriebs des Lagers verändern.
  • Um die Vorspannung des zumindest einen Lagers des Lagersystems zu verändern, kann die Vorspanneinrichtung beispielsweise ein Element aufweisen, das einstellbar seine räumliche Ausdehnung in zumindest einer Richtung verändern kann, um in dem Lagersystem eine Kraft auf angrenzende Bauteile auszuüben, sodass bei dem zumindest einen Lager die gewünschte Vorspannung erzeugt wird. Beispielsweise kann die Vorspanneinrichtung ein Peltierelement, ein Piezoelement, einen Dehnstoff oder ein mikromechanisches Element aufweisen, um die Vorspannung des Lagers zu verändern.
  • Alternativ kann die Vorspanneinrichtung auch hydraulisch realisiert sein. Dabei kann über eine Zuleitung Hydraulikflüssigkeit in einen Hohlraum gepresst werden, sodass diese mehr oder weniger Druck auf ein Bauteil des Lagers ausübt und so die Vorspannung verändert. Als Dehnstoff kann beispielsweise ein Wachs verwendet werden, das durch eine elektrische Heizung oder ein elektrisches Heizelement in seiner Ausdehnung verändert wird. Alternativ kann auch eine Stellschraube verwendet werden, die über einen elektrischen Motor die Vorspannung des zumindest einen Lagers verändert.
  • So kann einfach und kostengünstig eine Möglichkeit zur Veränderung der Vorspannung des zumindest einen Lagers realisiert werden.
  • Optional, alternativ oder zusätzlich kann das Lagersystem eine Steuereinrichtung aufweisen, die eine Veränderung der Vorspannung des Lagers basierend auf einem detektierten oder bestimmten Betriebszustand des Lagersystems durch die Vorspanneinrichtung steuert. Die Steuereinrichtung kann Teil der Vorspanneinrichtung sein oder eine Einheit, die die Vorspanneinrichtung steuert. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung eine elektrische Spannung für ein Piezoelement der Vorspanneinrichtung bereitstellen, die zu einer Änderung der räumlichen Ausdehnung des Piezoelements führt, sodass die Vorspannung des zumindest einen Lagers in gewünschter Weise verändert wird. Auf diese Weise kann eine betriebszustandsabhängige Veränderung der Vorspannung des zumindest einen Lagers einfach und kostengünstig elektronisch realisiert werden.
  • Ebenso optional, alternativ oder zusätzlich kann das Lagersystem eine Betriebszustandsdetektionseinrichtung aufweisen, die einen Betriebszustand des Lagersystems erkennen und Informationen über den detektierten Betriebszustand für eine Veränderung der Vorspannung des Lagers bereitstellen kann. Eine solche Betriebszustandsdetektionseinrichtung kann beispielsweise eine Bewegungsgeschwindigkeit oder Rotationsgeschwindigkeit der relativ zueinander bewegbaren Bauteile, eine Betriebstemperatur, eine Betriebslast oder einen ähnlichen Parameter, der einen Betriebszustand definiert, detektieren. Diese Informationen kann die Betriebszustandsdetektionseinrichtung beispielsweise als elektronisches Signal (z.B. einer Steuereinrichtung oder der Vorspanneinrichtung) bereitstellen, um darauf basierend eine Veränderung der Vorspannung in Abhängigkeit des detektierten Betriebszustands des Lagersystems zu ermöglichen. Beispielsweise kann aufgrund der bereitgestellten Informationen eine Steuereinrichtung durch eine Klassifizierung des Betriebszustands eine entsprechende Verspannung (z.B. aus einer look-up table, Umsetztabelle) bestimmen oder eine günstige oder optimale Vorspannung für den jeweiligen Betriebszustand berechnen. Auf diese Weise kann einfach und kostengünstig eine Veränderung der Vorspannung in Abhängigkeit eines Betriebszustands realisiert werden.
  • Die Vorspanneinrichtung kann an unterschiedlichen Orten angeordnet sein. Beispielsweise kann die Vorspanneinrichtung direkt in dem zumindest einen Lager (z.B. ein Wälzlager) integriert sein.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine Vorspanneinrichtung zwischen zwei Lagern des Lagersystems außerhalb der beiden Lager angeordnet sein. Beispielsweise können beide Lager Wälzlager mit jeweils zwei Lagerringen (Innenring und Außenring) sein und die Vorspanneinrichtung ist außerhalb der beiden Lager angeordnet, um einen Abstand zwischen einem Lagerring des ersten Lagers und einem Lagerring des zweiten Lagers zu verändern.
  • 1 zeigt einen Teil eines schematischen Querschnitts eines Spindellagers 100 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Allgemein kann ein solches Spindellager 100 als Lagersystem eine Mehrzahl von Wälzlagern 110, 120, 130, 140 mit jeweils zwei Lagerringen (Innenring, Außenring) aufweisen. Die Vorspanneinrichtung 150 ist zwischen zumindest zwei der Lager angeordnet und ausgelegt, um einen Abstand zwischen zumindest einem Lagerring eines ersten Lagers 110 und einem Lagerring eines zweiten Lagers 130 zu verändern.
  • Das in 1 konkret gezeigte Beispiel eines Spindellagers 100 weist vier Schrägkugellager 110, 120, 130, 140 auf, die mit ihren Innenringen an einem radial inneren Bauteil 160 (z.B. Welle oder Spindel) befestigt sind und mit ihren Außenringen mit einem radial äuße- ren Bauteil 170 (z.B. Gehäuse) verbunden sind. Beispielsweise können die Außenringe des ersten Lagers 110 und des zweiten Lagers 120 zumindest in einem begrenzten Umfang axial verschiebbar sein. Die Vorspanneinrichtung 150 kann beispielsweise als Piezoaktuator oder Piezoelement implementiert sein, das sich durch entsprechende elektrische Ansteuerung in seiner axialen Ausdehnung verändert. Durch die Anordnung zwischen dem Außenring des ersten Lagers 110 und einer Kante des äußeren Bauteils 170, das an den Außenringen des dritten Lagers 130 axial anschlägt kann zumindest ein Abstand zwischen den Außenringen des ersten Lagers 110 und des dritten Lagers 130 verändert werden und so die Vorspannung der beiden Lager verändert werden. In dem gezeigten Beispiel weisen die Außenringe des zweiten Lagers 120 und des vierten Lagers 140 konstanten Abstand zu den benachbarten Außenringen der benachbarten Lager (erstes oder drittes Lager) auf. Dadurch kann auch die Vorspannung des zweiten Lagers 120 und des vierten Lagers 140 durch die Vorspanneinrichtung 150 verändert werden.
  • 1 zeigt ein Beispiel für ein Lagersystem, bei dem die Vorspanneinrichtung außerhalb der Lager des Lagersystems angeordnet ist, wobei beispielsweise im Anwendungsfall von Werkzeugmaschinenspindeln auch andere Anordnungen der Vorspanneinrichtung, analog zu einer der folgenden Beispiele und Figuren verwendet werden können.
  • Die Vorspanneinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch in ein Lager oder in einen Teil eines Lagers integriert werden. Beispielsweise zeigt 2a einen Teil eines Querschnitts eines Kegelrollenlagers 200 als ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Vorspannvorrichtung 250 am Innenring 220 integriert ist und eine Verstellung des Anpressdrucks des Führungsbords 234 auf die Wälzkörper 230 des Kegelrollenlagers 200 ermöglicht. Das Kegelrollenlager 200 bildet insofern ein komplettes Lagersystem. Die Vorspanneinrichtung 250 kann beispielsweise als Dehnstoff ausgebildet sein, der sich bei Erhitzung ausdehnt. Alternativ können jedoch auch in die Ausnehmung am Innenring 220 andere bereits zuvor erwähnte Vorspanneinrichtungen 250 (z.B. als Piezoelement) realisiert werden. Zusätzlich sind in 2a der Außenring 210 und der Lagerkä232 des Lagers im Querschnitt angedeutet.
  • 2b zeigt einen Teil eines Querschnitts eines weiteren Kegelrollenlagers 202 (Lagersystem) als ein Ausführungsbeispiel. Dabei ist ähnlich wie in 2a die Vorspanneinrichtung 250 so realisiert, dass sie den Druck den das Führungsbord 234 auf die Wälzkörper 230 des Kegelrollenlagers 202 ausübt, variieren kann. Dabei weist die Vorspanneinrichtung 250 ein Peltierelement auf, das über Anschlussdrähte oder Versorgungsdrähte 252 auf gegenüberliegenden Seiten auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden kann.
  • Axial an das Peltierelement angrenzend befinden sich ein erster Abstandsring 260 (axial den Wälzkörpern näher liegend) und ein zweiter Abstandsring 270 (axial den Wälzkörpern ferner liegend). Diese Abstandshalterringe 260, 270 können ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das einen vergleichsweise hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist (z.B. im Vergleich zu dem Material der Lagerringe oder der Wälzkörper des Lagers). In dem in 2b gezeigten Beispiel weist die an den axial innenliegenden Abstandsring 260 angrenzende Seite des Peltierelements eine höhere Temperatur als die an den axial außenliegenden Abstandsring 270 angrenzende Seite des Peltierelements auf, sodass sich das Führungsbord 234 von dem Wälzkörper 230 des Kegelrollenlagers 202 axial entfernt und somit die Vorspannung sinkt. 2c zeigt entsprechend eine umgekehrte Temperaturverteilung am Peltierelement, sodass sich das Führungsbord auf den Wälzkörper 230 axial zubewegt und somit die Vorspannung erhöht wird.
  • Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 2d einen Teil eines schematischen Querschnitts einer O-Anordnung oder Rücken-zu-Rücken-Anordnung von zwei Kegelrollenlager eines Lagersystems 206. Dabei weist das erste Kegelrollenlager unter anderem einen Außenring 210, einen inneren Ring 220 und Wälzkörper 230 und das zweite Kegelrollenlager einen Außenring 212, einen Innenring 222 und Wälzkörper 231 auf. Axial zwischen den beiden Außenringen 210, 212 der Kegelrollenlager ist die Vorspanneinrichtung 250 und ein Abstandsring 260 angeordnet. Die Vorspanneinrichtung 250 weist jeweils zwischen einem Außenring 210, 212 der beiden Kegelrollenlager und dem Abstandsring 260 ein Peltierelement auf. Die Peltierelemente können über Anschlussdrähte 252 elektrisch versorgt werden und so an ihren Oberflächen unterschiedliche Temperaturen annehmen. 2d zeigt ein Beispiel bei dem die dem Abstandsring 260 zugewandten Seiten kühler sind als die den Außenringen zugewandten Seiten der Peltierelemente, sodass sich der Abstandsring 260 zusammenzieht. Der Abstandsring 260 kann dazu wiederum ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das einen vergleichsweise hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten (z.B. mehr als 10%, 20%, 30% oder 50% höher als ein Material eines Außenrings) aufweist. Dadurch wird eine Bewegung der Außenringe der Kegelrollenlager zueinander ermöglicht, sodass die Vorspannung der Kegelrollenlager verringert wird.
  • 2e zeigt ein Beispiel für eine entsprechend umgekehrte Temperaturverteilung, sodass sich der Abstandsring 260 ausdehnt und die Außenringe der Kegelrollenlager voneinander entfernt werden. Dadurch erhöht sich die Vorspannung der Kegelrollenlager.
  • 2f zeigt einen Teil eines schematischen Querschnitts eines Lagersystems 208 als ein weiteres Ausführungsbeispiel. Der Aufbau des Lagersystems 208 entspricht im Wesentlichen jenem aus 2d und 2e. Der Abstandsring 260 ist hier jedoch axial direkt mit den Außenringen 210, 212 der Kegelrollenlager verbunden oder axial zwischen den Außenringen angeordnet. Das Peltierelement der Vorspanneinrichtung 250 ist an einer radial außen liegenden Oberfläche des Abstandsrings 260 (alternativ oder zusätzlich radial innen) angeordnet und kann den Abstandsring 260 auf diese Weise erhitzen oder kühlen, sodass der Abstandsring 260 durch seine temperaturabhängige Ausdehnung den Abstand zwischen den Außenringen der Kegelrollenlager verändert. An der radial außen liegenden Oberfläche des Peltierelements kann eine Isolierung 280 (z.B. Wärmeisolierung) angeordnet sein.
  • 2g zeigt einen Teil eines Querschnitts eines weiteren Lagersystems 201 mit zwei Kegelrollenlagern in O-Anordnung ähnlich den 2d–2f. Hier ist jedoch die Vorspanneinrichtung 250 in das erste Kegelrollenlager integriert und nicht außerhalb zwischen den beiden Kegelrollenlagern angeordnet. Ähnlich wie in 2a bis 2c kann ein Führungsbord 234 des Kegelrollenlagers durch die Vorspanneinrichtung 250 axial verschoben werden. In diesem Beispiel ist die Vorspanneinrichtung 250 in einer Ausnehmung des Außenrings 210 des ersten Kegelrollenlagers integriert. Die Vorspanneinrichtung 250 kann beispielsweise ein Piezoelement oder einen Dehnstoff aufweisen, die durch eine Veränderung ihrer axialen Ausdehnung das Führungsbord 234 des ersten Kegelrollenlagers axial verschieben und so den Druck auf die Wälzkörper 230 des Kegelrollenlagers verändern, um eine Vorspannung des Kegelrollenlagers zu verändern. In dem in 2g gezeigten Beispiel weist das zweite Kegelrollenlager keine zusätzliche Vorspanneinrichtung auf, jedoch kann alternativ oder zusätzlich auch in dem zweiten Kegelrollenlager eine solche integriert werden. In dem gezeigten Beispiel sind die Außenringe der Kegelrollenlager über ein äußeres Bauteil 292 (z.B. Gehäuseteil) verbunden und die beiden Innenringe 220, 222 sind auf einer Welle 294 befestigt.
  • 2h zeigt einen Teil eines schematischen Querschnitts eines Kegelrollenlagers 203 (Lagersystem) mit integrierter Vorspanneinrichtung 250 als ein Ausführungsbeispiel. Das Kegelrollenlager 203 weist einen ähnlichen Aufbau wie das Kegelrollenlager aus 2a auf, jedoch ist die Vorspanneinrichtung 250 in eine Ausnehmung des Außenrings 210 integriert anstelle des Innenrings. Die Vorspanneinrichtung 250 weist beispielsweise einen Dehnstoff (z.B. Wachs) auf, das durch Erhitzung über ein elektrisches Element (z.B. angeschlossen über Anschlussdrähte 252) in seiner Ausdehnung oder seinem Volumen verändert werden kann, sodass das Führungsbord 234 des Kegelrollenlagers 203 von den Wälzkörpern 230 entfernt oder in Richtung der Wälzkörper 230 geführt werden kann, um die Vorspannung des Kegelrollenlagers 203 zu verändern.
  • 2j zeigt ein weiteres Beispiel eines Kegelrollenlagers 205 (Lagersystem) mit einer Vorspanneinrichtung 250, die eine in eine Ausnehmung des Innenrings 220 integrierte Vorspanneinrichtung 250 aufweist. Ferner ist der Aufbau ähnlich den Kegelrollenlagern aus 2a und 2h und es gelten die entsprechenden Ausführungen.
  • 3a zeigt einen Querschnitt eines Lagersystems 300 mit zwei Kegelrollenlagern 310, 320 in O-Anordnung als ein Ausführungsbeispiel. Dabei ist die Vorspanneinrichtung 350 außerhalb der Lager angeordnet und kann einen Abstand der Innenringe der beiden Kegelrollenlager zueinander verändern. Dabei sind die Außenringe bei beiden Kegelrollenlagern 310, 320 mit einem äußeren Bauteil 360 (z.B. Gehäuse) verbunden. Die Innenringe der beiden Kegelrollenlager 310, 320 sind mit einer Welle 330 oder einem Bauteil 332, das drehfest mit der Welle 330 verbunden ist, verbunden. Dabei ist der Innenring des ersten Kegelrollenlagers 310 zumindest teilweise axial verschiebbar auf der Welle 330 oder dem auf der Welle axial verschiebbar angeordneten Bauteil 332 angeordnet. Die Vorspanneinrichtung 350 weist ein Peltierelement auf, das die Welle 330 in einem axialen Bereich umgibt. Das Peltierelement wird von einem Vorspannring 354 umgeben. Axial zwischen dem Vorspannring 354 und dem Innenring des ersten Kegelrollenlagers 310 ist ein Abstandsring 340 angeordnet. Das Peltierelement wird über Anschlussdrähte 352 elektrisch angeschlossen und kann so die Welle 330 und den Vorspannring 354 auf unterschiedliche Temperaturen bringen. Beispielsweise kann die Welle 330 erwärmt werden und der Vorspannring 354 abgekühlt werden, sodass sich die Welle in diesem axialen Bereich ausdehnt und der Vorspannring 354 zusammenzieht, wie es durch die Pfeile in 3a angedeutet ist. Dadurch vergrößert sich der Abstand der Innenringe der beiden Kegelrollenlager, sodass die Vorspannung der beiden Kegelrollenlager reduziert wird. Eine entsprechend umgekehrte Temperaturverteilung ist in 3b angedeutet. Dadurch kann der Abstand zwischen den Innenringen der beiden Kegelrollenlager verringert werden und so die Vorspannung der beiden Kegelrollenlager erhöht werden.
  • 4a zeigt einen Teil eines schematischen Querschnitts eines Lagersystems 400 mit zwei Schrägkugellagern. Die beiden Schrägkugellager weisen einen gemeinsamen Außenring 410 und jeweils einen Innenring 420, 422 auf. Ferner sind von beiden Schrägkugellagern Wälzkörper 430, 432 und Lagerkäfige 438, 436 gezeigt. Der Innenring 420 zumindest eines der beiden Schrägkugellager weist zusätzlich einen Abstandsring 434 auf, der (im Rahmen der einstellbaren Vorspannung) axial gegenüber dem Innenring 420 des zumindest einen Schrägkugellagers bewegbar ist und an den Innenring 422 des anderen Schrägkugellagers axial anschlägt. Zwischen dem Innenring 420 des ersten Schrägkugellagers und dem Abstandsring 434 ist die Vorspanneinrichtung 450 in Form eines Dehnstoffs in einer Ausnehmung angeordnet. Durch Veränderung des Volumens des Dehnstoffs kann der Abstandsring 434 in axialer Richtung gegenüber dem Innenring 420 des ersten Schrägkugellagers bewegt werden. Dadurch kann der Abstandsring 434 den Innenring 422 des zweiten Schrägkugellagers von dem ersten Schrägkugellager axial wegdrücken oder heranziehen oder herankommen lassen, sodass die Vorspannung der beiden Schrägkugellager verändert wird.
  • 4b zeigt einen Teil eines schematischen Querschnitts eines weiteren Lagersystems 402 mit zwei Schrägkugellagern als ein Ausführungsbeispiel. Der Aufbau des Lagersystems 402 ähnelt dem in 4a gezeigten Lagersystem. Jedoch weist jedes der beiden Schrägkugellager einen Außenring 410, 412 auf. Die Vorspanneinrichtung 450 ist beispielsweise in Form eines Dehnstoff in einem Hohlraum zwischen den beiden Außenringen 410, 412 der beiden Schrägkugellager angeordnet. Durch eine Veränderung des Volumens des Dehnstoffs können die Außenringe der beiden Schrägkugellager axial voneinander entfernt oder einander angenähert werden, sodass die Vorspannung der beiden Schrägkugellager verändert werden kann.
  • 5 zeigt einen Teil eines schematischen Querschnitts eines Lagersystems 500 als ein Ausführungsbeispiel. Dabei ist die Vorspanneinrichtung als Spannmutter 520 mit Feinein- stellung implementiert. Die Spannmutter 520 weist einen Hohlraum 530 mit einem darin befindlichen axial verschiebbaren Bauteil 534 auf. Im Raum zwischen dem axial verschiebbaren Bauteil 534 und der Spannmutter 520 befindet sich z.B. eine Hydraulikflüssigkeit (oder z.B. ein Dehnstoff). Über eine Stellschraube 532 einer Bohrung der Spannmutter 520 kann das Volumen, in dem sich die Hydraulikflüssigkeit (oder der Dehnstoff) befindet, verändert werden, sodass der axial bewegliche Bauteil 534 aus der Spannmutter 520 hinausgedrückt wird oder in die Spannmutter 520 axial zurückweicht. Die Stellschraube 532 kann beispielsweise durch einen elektrischen Motor bedient werden, sodass das axial bewegliche Bauteil 534 während des Betriebs des Lagersystems 500 axial bewegt werden kann. Das axial bewegbare Bauteil 534 kann beispielsweise einen Druck auf einen Innenring oder ein Führungsbord eines Lagers ausüben oder verändern, sodass die Vorspannung des Lagers verändert werden kann. In dem in 5 gezeigten Beispiel drückt das axial verschiebbare Bauteil 534 auf einen Innenring 510 eines Lagers und die Spannmutter 520 ist auf einer Welle 540 angeordnet.
  • Die zuvor gezeigten Ausführungsbeispiele stellen beispielsweise aktiv einstellbare Schrägkugellager, Ritzeleinheiten mit verschiebbarem Führungsbord am Außenring, Spannmuttern mit Feineinstellung, Kegelrollenlager mit verschiebbaren Führungsbord am Innenring oder Kegelrollenlager mit verschiebbarem Führungsbord am Außenring.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein in der Vorspannung aktiv einstellbares Lagersystem. Es kann z.B. eine günstige Vorspannung gewählt und eingestellt werden, wie sie für die meisten Lastzustände passend ist. Beispielsweise kann bei einer Spindellagerung der höchste zugelassene Drehzahlbereich für die Wahl einer Vorspannung (für diesen Betriebszustand) herangezogen werden, um hier die Lagerreibung bei geringer Vorspannung kontrollierbar zu machen. Bei halber Drehzahl beispielsweise, die meist weitaus öfter angefahren wird, kann das Lagersystem mit einer höheren Vorspannung eingestellt werden ohne zu überhitzen. Damit kann sich eine höhere Steifigkeit und damit eine größere Tragkraft erreichen lassen, um z.B. höhere, d.h. wirtschaftlichere Vorschubgeschwindigkeit wählen zu können.
  • In Windenergieanlagen können beispielsweise geringe Lagervorspannungen mit geringer Reibmomententwicklung bei fast Windstille realisiert werden, während bei Sturm eine vorgespannte Lagerung eingestellt werden kann.
  • Ein Lagersystem, das sich in seiner Vorspannung auf die Betriebszustände einstellen kann, kann neben einer erhöhten Wirtschaftlichkeit auch eine geringere Lagertemperatur und somit eine höhere Schmierstoffgebrauchsdauer ermöglichen.
  • Das beschriebene Konzept kann sowohl in bestehenden Spindeln nachgerüstet, als auch bei Neukonstruktionen von vornherein vorgesehen werden. Daneben kann es bei vielen anderen Industrieanwendungen, bei denen ähnliche Anforderungen wie bei Werkzeugmaschinenspindeln vorliegen, Verwendung finden.
  • Mit einem beschriebenen Lagersystem kann sich die Reibleistung in einer vorgespannten Lagerung auf das nötige Maß reduzieren lassen und somit Temperatur und die Tragfähigkeit und Lagerlebensdauer erhöht werden.
  • Die Lagerung muss nicht mehr (dauerhaft) auf den schlimmsten Lastfall (worst case) angepasst und eingestellt werden. Es kann eine aktive Anpassung des Lagersystems an die jeweiligen Anforderungen der auftretenden Betriebszustände ermöglicht werden.
  • In Lagersystemen kann die Vorspannung beispielsweise durch die Position eines Lagers oder einer Lagergruppe gegenüber eines anderen Lagers oder einer anderen Lagergruppe eingestellt werden. Es können z.B. eingeschliffene Ringe verwendet werden, um die Vorspannung (z.B. zur Einstellung einer Anfangsvorspannung) in einer Lagerung zu verändern. Für die weitere Verschiebung einer Lagergruppe lassen sich verschiedene physikalische Prinzipien nutzen. Beispielsweise können Peltierelemente, Piezokristalle oder Dehnstoffe verwendet werden.
  • Durch das beschriebene Konzept kann eine reduzierte Reibleistung und somit eine erhöhte Effizienz, eine erhöhte Tragfähigkeit der Lagerung in speziellen Betriebszuständen, eine reduzierte Betriebstemperatur in den meisten Lastfällen und/oder eine erhöhte Fettgebrauchsdauer ermöglicht werden.
  • Als ein Beispiel ist in 1 eine Spindellagerung mit eingezeichnetem Piezoelement dargestellt.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein in der Vorspannung aktiv einstellbares Kegelrollenlager (TRB, Tapered Roller Bearing). Bisher wurde z.B. in vielen Anwendungen die Wahl der Vorspannung eines Lagersystems, das z.B. aus einem TRB (Tapered Roller Bearing, Kegelrollenlager) und einem ACBB (Angular Contact Ball Bearing, Schrägkugellager) oder aus zwei TRB aufgebaut ist, ein Kompromiss, der einen grenzwertigen Betriebsfall berücksichtigt, gemacht. So wurde oft eine höhere Vorspannung gewählt, als sie für die meisten übrigen Lastzustände notwendig wäre. Durch das beschriebene Konzept kann die Vorspannung verändert werden und das Lagersystem muss z.B. nicht mehr mit konstant höherem Reibwiderstand betrieben werden. Durch die Reduzierung der Reibleistung kann eine höhere Wirtschaftlichkeit und auch eine geringere thermische Belastung der Lagerung und dessen Schmierstoffe ermöglicht werden. In anderen Worten, eine Lagerung, die gemäß dem jeweiligen Lastzustand (oder Betriebszustand) nur die nötige (oder eine angepasste) Vorspannung aktiv einstellen kann, kann neben der erhöhten Wirtschaftlichkeit auch eine geringere Lagertemperatur und somit eine höhere Schmierstoffgebrauchsdauer ermöglichen.
  • Neben z.B. einer Anwendung in Automotivlagern kann auch in vielen anderen Industrieanwendungen das beschriebene Konzept angewendet werden.
  • Mit einem vorgeschlagenen Lager lässt sich z.B. die Reibleistung in einer vorgespannten Lagerung auf ein nötiges Maß reduzieren und somit Temperatur und die Lagerlebensdauer erhöhen.
  • In Kegelrollenlagern kann die Vorspannung beispielsweise durch die Position des Führungsbords eingestellt werden. Ein verschieb- oder verkippbares Führungsbord kann verwendet werden, um die Vorspannung in einer Lagerung zu verändern. Für die notwendige Verschiebung können verschiedene physikalische Prinzipien genutzt werden. Beispielsweise kann ein Peltierelement, ein Piezokristall oder ein Dehnstoff verwendet werden.
  • Durch das beschriebene Konzept kann die Reibleistung reduziert und somit die Effizienz erhöht werden, die Betriebstemperatur in den meisten Lastfällen reduziert werden und/oder die Fettgebrauchsdauer erhöht werden.
  • Einige der zuvor gezeigten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Kegelrollenlager, wenn das Führungsbord am Innenring (IR) oder Außenring (OR) verschiebbar ausgeführt wird oder auf Lagersysteme mit Peltierelementen (welche einfach zu integrieren sind, jedoch aufgrund der gegebenen Wärmeleitung möglicherweise schwieriger umsetzbar sein können).
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Lagersystems zum Lagern relativ zueinander bewegbarer Bauteile. Das Verfahren umfasst ein Verändern einer Vorspannung zumindest eines Lagers eines Lagersystems basierend auf einem Betriebszustand des Lagersystems.
  • Optional kann das Verfahren noch weitere Schritte umfassen, die einem oder mehreren der zuvor in Verbindung mit dem allgemeinen Konzept oder einem der Ausführungsbeispiele beschriebenen Aspekte entsprechen.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • Obwohl manche Aspekte der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit ei-ner Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details bzw. Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele präsentiert wurden, beschränkt ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Spindellager
    110
    Lager
    120
    Lager
    130
    Lager
    140
    Lager
    150
    Vorspanneinrichtung
    160
    inneres Bauteil
    170
    äußeres Bauteil
    200
    Kegelrollenlager
    201
    Lagersystem
    202
    Kegelrollenlager
    203
    Kegelrollenlager
    205
    Kegelrollenlager
    206
    Lagersystem
    208
    Lagersystem
    210
    Außenring
    212
    Außenring
    220
    Innenring
    222
    Innenring
    230
    Wälzkörper
    231
    Wälzkörper
    232
    Lagerkäfig
    234
    Führungsbord
    250
    Vorspannvorrichtung
    252
    Anschlussdrähte
    260
    Abstandsring
    270
    Abstandsring
    280
    Isolierung
    292
    äußeres Bauteil
    294
    Welle
    300
    Lagersystem
    310
    Kegelrollenlager
    320
    Kegelrollenlager
    330
    Welle
    332
    Bauteil
    340
    Abstandsring
    350
    Vorspanneinrichtung
    352
    Anschlussdrähte
    354
    Vorspannring
    360
    äußeres Bauteil
    400
    Lagersystem
    402
    Lagersystem
    410
    Außenring
    412
    Außenring
    420
    Innenring
    422
    Innenring
    430
    Wälzkörper
    432
    Wälzkörper
    434
    Abstandsring
    436
    Lagerkäfig
    468
    Lagerkäfig
    450
    Vorspanneinrichtung
    500
    Lagersystem
    510
    Innenring
    520
    Spannmutter
    530
    Hohlraum
    532
    Stellschraube
    534
    axial verschiebbares Bauteil
    540
    Welle

Claims (10)

  1. Lagersystem (100, 200, 201, 202, 203, 205, 206) zum Lagern relativ zueinander bewegbarer Bauteile (160, 170), mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Lager (110, 120, 130, 140); und einer Vorspanneinrichtung (150), die ausgelegt ist, um eine Vorspannung des zumindest einen Lagers (110) basierend auf einem Betriebszustand des Lagersystems zu verändern.
  2. Lagersystem gemäß Anspruch 1, wobei die Vorspanneinrichtung (150) ausgelegt ist, um in einem ersten Betriebszustand des Lagersystems eine erste Vorspannung des Lagers (110) einzustellen und in einem zweiten Betriebszustand des Lagersystems eine zweite Vorspannung des Lagers (110) einzustellen, wobei die erste Vorspannung und die zweite Vorspannung unterschiedlich sind.
  3. Lagersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorspanneinrichtung (150) ausgelegt ist, um die Vorspannung des Lagers (110) während des Betriebs des Lagers (110) zu verändern.
  4. Lagersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Steuereinrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um eine Veränderung der Vorspannung des Lagers (110) basierend auf einem detektierten Betriebszustand des Lagersystems durch die Vorspanneinrichtung (150) zu steuern.
  5. Lagersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Betriebszustandsdetektionseinrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um einen Betriebszustand des Lagersystems zu erkennen und Informationen über den detektierten Betriebszustand für eine Veränderung der Vorspannung des Lagers (110) durch die Vorspanneinrichtung (150) bereitzustellen.
  6. Lagersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorspanneinrichtung (150) ein Peltierelement, ein Piezoelement, einen Dehnstoff oder ein mikromechanisches Element aufweist, um die Vorspannung des Lagers (110) zu verändern.
  7. Lagersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein zweites Lager (130) aufweist, wobei beide Lager (110, 120) Wälzlager mit jeweils zwei Lagerringen sind, wobei die Vorspanneinrichtung (150) außerhalb der beiden Lager angeordnet ist und ausgelegt ist, um einen Abstand zwischen einem Lagerring des ersten Lagers und einem Lagerring des zweiten Lagers zu verändern.
  8. Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zumindest eine Lager ein Wälzlager ist, wobei die Vorspanneinrichtung (250) in das Lager integriert ist.
  9. Lagersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Lager (110) ein Wälzlager mit einem Führungsbord (234) für die Wälzkörper (230) des Wälzlagers ist und die Vorspanneinrichtung (150) ausgelegt ist, um einen Druck des Führungsbords (234) auf die Wälzkörper (230) des Wälzlagers zu verändern.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Lagersystems zum Lagern relativ zueinander bewegbarer Bauteile (160, 170), mit folgendem Schritt: Verändern einer Vorspannung zumindest eines Lagers (110) eines Lagersystems basierend auf einem Betriebszustand des Lagersystems.
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