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Die Erfindung betrifft eine Axialfederanordnung mit zwei relativ zueinander verlagerbaren Endanschlägen und mit mindestens zwei zwischen den Endanschlägen angeordneten Federelementen.
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Werkzeugspannsysteme mit einer derartigen Axialfederanordnung werden beispielsweise bei Werkzeugmaschinen zum Einspannen von drehenden Werkzeugen in ein Spannfutter verwendet, wobei mit Hilfe der Axialfederanordnung ein vergleichsweise schnelles Lösen des eingespannten Werkzeugs ermöglicht wird. Zu diesem Zweck werden bei herkömmlichen Werkzeugspannsystemen häufig Axialfederanordnungen mit mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Tellerfedern eingesetzt. Diese Tellerfedern bestehen üblicherweise aus einem Federstahl.
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Beim Betrieb der Werkzeugmaschine wird das in dem Werkzeugspannsystem eingespannte Werkzeug in eine Drehbewegung versetzt, wobei das Werkzeugspannsystem mit der gleichen Drehzahl wie das Werkzeug rotiert. Um eine präzise Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe des rotierenden Werkzeugs zu ermöglichen und um eine Beschädigung der Werkzeugmaschine zu vermeiden, ist es erforderlich, dass die rotierenden Teile der Werkzeugmaschine möglichst keine Unwucht aufweisen. Unter anderem auf Grund der vergleichsweise hohen Masse der aus Federstahl gefertigten Tellerfedern ist es zur Vermeidung von Unwucht erforderlich, die Tellerfedern mit einer hohen Präzision zu fertigen. Aus diesem Grund ist die Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Axialfederanordnungen für Werkzeugspannsysteme besonders aufwändig und kostenintensiv.
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Als Aufgabe der Erfindung wird es daher angesehen, eine Axialfederanordnung bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Federelemente in axialer Richtung der Axialfederanordnung hintereinander zwischen den Endanschlägen angeordnet sind, wobei die Federelemente in der axialen Richtung verlagerbar sind, wobei die Federelemente Anlagebereiche aufweisen, wobei die Federelemente in den Anlagebereichen aneinander oder an den Endanschlägen anliegen, wobei die Anlagebereiche relativ zueinander und relativ zu den Endanschlägen verlagerbar sind und wobei die Federelemente aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind. Durch die Verwendung einer solchen Axialfederanordnung mit mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Federelementen aus dem Faserverbundwerkstoff kann das Gewicht der Axialfederanordnung erheblich reduziert werden, so dass eine bei einer Rotation des Werkzeugspannsystems durch die Axialfederanordnung hervorgerufene Unwucht vergleichsweise gering ist. Zudem können die Federelemente aus dem Faserverbundwerkstoff erheblich einfacher und kostengünstiger hergestellt werden als in ihrer Funktion vergleichbare Tellerfedern aus Federstahl.
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Besonders vorteilhafter Weise werden die Federelemente aus einem Glasfaser-Kunststoff-Verbund (GFK) oder einem Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden (CFK) hergestellt. Auf diese Weise kann die Masse der Federelemente im Vergleich zu herkömmlichen Tellerfedern erheblich gesenkt werden. Zudem können die Federelemente vorteilhafterweise aus unidirektional angeordneten Fasern hergestellt sein.
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Die Federelemente können beispielsweise hintereinander zwischen den Endanschlägen in einem Federraum angeordnet werden, wobei eine Größe des Federraums so bemessen ist, dass die Federelemente in einem entspannten und einem eingefederten Zustand frei verlagert werden können und ein Spiel zwischen den Federelementen und einer die Federelemente umgebenden und durch den Federraum vorgegebenen Begrenzung so klein ist, dass ein unerwünschtes Verrutschen oder Verkanten der Federelemente vermieden wird.
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Um eine besonders gute Federwirkung der Axialfederanordnung zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Federelemente untereinander und mit den Endanschlägen ausschließlich in den Anlagebereichen miteinander in Wirkverbindung stehen. Die Federwirkung der erfindungsgemäßen Federelemente wird durch die relative Verlagerung der Anlagebereiche der Federelemente zueinander erreicht. Dadurch dass die Federelemente untereinander und mit den Endanschlägen ausschließlich in den Anlagebereichen miteinander in Wirkverbindung stehen wird erreicht, dass der maximale Federweg der einzelnen Federelemente beim Einfedern zur Verfügung steht.
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Um eine möglicherweise von der Axialfederanordnung ausgehende Unwucht weiter zu verringern, den bei herkömmlichen Werkzeugspannsystemen für die Axialfederanordnung üblicherweise zur Verfügung stehenden Bauraum auszunutzen und gegebenenfalls vorhandene Werkzeugspannsysteme mit erfindungsgemäßen Axialfederanordnungen nachzurüsten ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass mehrere Federelemente ringförmig angeordnet sind und einen Federring bilden, wobei eine Ringachse des Federrings in der axialen Richtung ist und wobei mindestens zwei Federringe in der axialen Richtung hintereinander zwischen den Endanschlägen angeordnet sind, wobei die Federringe in der axialen Richtung verlagerbar sind. Dabei sind die Federringe so in axialer Richtung hintereinander angeordnet, dass jeweils mindestens ein Federelement eines jeden Federrings in dem Anlagebereich des Federelements mit einem der Endanschläge oder einem weiteren Anlagebereich in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise kann der für die Anordnung der Axialfederanordnung in dem Werkzeugspannsystem erforderliche Bauraum einfach an den Bauraum angepasst werden, der für einen Einbau von Tellerfedern benötigt wird.
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Es ist auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anlagebereiche benachbarter Federelemente durch einen an einer Außenseite der Anlagebereiche der Federelemente angeordneten Anlagering oder dergleichen miteinander verbunden sind, so dass die Anlagebereiche über den Anlagering mit einem der Endanschläge oder einem weiteren Anlagering in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise ist eine genaue Ausrichtung benachbarter Federringe zueinander nicht erforderlich.
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Um eine relative Position der Federelemente eines Federelements zueinander und in radialer Richtung einfach vorgeben zu können ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass benachbarte Federelemente eines Federrings untereinander verbunden sind. Die Federelemente des Federrings können beispielsweise an einem ringförmig ausgestalteten Befestigungselement festgelegt sein.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Axialfederanordnung ist vorgesehen, dass ein Federring aus mindestens vier Federelementen, vorzugsweise acht Federelementen und besonders vorzugsweise zwölf Federelementen besteht. Vorteilhafterweise weisen die Federringe jeweils möglichst viele Federelemente auf. Auf diese Weise kann eine möglicherweise von der Axialfederanordnung ausgehende Unwucht weiter reduziert werden und eine besonders gute Federwirkung erzielt werden.
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Die mögliche Anzahl der Federelemente eines Federrings wird maßgeblich durch einen Durchmesser des Federrings bestimmt. Beispielsweise ist es möglich, einen Federring mit einem Durchmesser von 19mm mit zwölf Federelementen bereitzustellen, wobei die Federelemente jeweils eine Länge in Umfangsrichtung von 4,2mm aufweisen. Die Federelemente können besonders einfach und kostengünstig dadurch hergestellt werden, dass die Federelemente zwei in einem Verbindungsbereich miteinander verbundene Federschenkel aufweisen, wobei die Anlagebereiche an den Federschenkeln ausgebildet sind. Die Federwirkung wird dabei vorteilhafterweise durch eine Verformung der Federschenkel bei einer relativen Verlagerung der Anlagebereiche des Federelements hervorgerufen. Der Verbindungsbereich ist an vorgegebene Biegespannungen angepasst und vorteilhafterweise steifer als die Federschenkel ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine Form der Federelemente an eine vorgegebene Biegebeanspruch angepasst ist.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Federelemente U-Profil-förmig oder V-Profil-förmig ausgestaltet sind. Bei solchen U-Profil-förmig oder V-Profil-förmig ausgestalteten Federelementen sind die Anlagebereiche im Bereich der einander gegenüberliegenden freien Enden der U-Profil-förmigen bzw. V-Profil-förmigen Federelemente ausgebildet. Bei Verwendung solcher U-Profil-förmiger oder V-Profil-förmiger Federelemente bei einem Federring sind die Federelement vorteilhafterweise so angeordnet, dass die freien Enden der einzelnen Federelemente in radialer Richtung nach außen ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass ein Innendurchmesser des Federrings bei einer Verformung der Federelemente konstant bleibt. Auf diese Weise können die Federringe auch einfach beispielsweise um eine Drehwelle oder einen Schaft angeordnet werden und an der Drehwelle bzw. dem Schaft anliegen.
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Es ist aber auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Federelemente so angeordnet sind, dass die freien Enden der einzelnen Federelemente in radialer Richtung nach innen ausgerichtet sind.
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Zur Verbindung der einzelnen Federelemente eines Federrings miteinander ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Federelemente eines Federrings in den Verbindungsbereichen der Federelemente durch einen Ringverbinder miteinander verbunden sind. Der Ringverbinder kann beispielsweise aus einem Stahldraht oder vorteilhafterweise aus einem Faserverbundwerkstoff und insbesondere aus in Umfangsrichtung des Ringverbinders unidirektional ausgerichtetem CFK oder GFK hergestellt werden.
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Um einen möglichst großen Anlagebereich der Ringverbinder in den Verbindungsbereichen insbesondere U-Profil-förmiger Federelemente zu ermöglichen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen den Federschenkeln in dem Verbindungsbereich Konturelemente angeordnet sind, an denen die Ringverbinder anliegen, wobei die Konturelemente so ausgestaltet sind, dass von dem Ringverbinder auf einen Verbindungsbereich wirkende Kräfte in einer Umfangsrichtung des Ringverbinders gleichmäßig auf den Verbindungsbereich verteilt wirken. Es ist aber auch möglich, eine Länge der Federelemente in Umfangsrichtung besonders kurz auszugestalten, so dass der Ringverbinder nahezu vollständig an dem Verbindungsbereich anliegt.
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Häufig ist es erforderlich, die Federelemente längs des Umfangs einer Drehwelle oder dergleichen anzuordnen. Um zu vermeiden, dass die an dem Umfang der Drehwelle anliegenden Federelemente verkippen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Form der Federelemente und insbesondere der Verbindungsbereiche an eine Oberfläche der Drehwelle oder dergleichen angepasst ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Axialfederanordnung ist zu diesem Zweck vorgesehen, dass die Federelemente auf Lagerelementen angeordnet sind. Die Lagerelemente weisen z.B. eine kreisbogenabschnittsförmig ausgestaltete und an einen Radius einer Drehwelle angepasste Unterseite auf und liegen mit der Unterseite an der Drehwelle an. Eine Oberseite der Lagerelemente kann eben ausgestaltet sein und als Anlagefläche für ein oder mehrere Federelemente dienen. Auf diese Weise können die Federelemente mit ebenen Verbindungsbereichen verwendet werden.
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Es ist erfindungsgemäß möglich, jedes Federelement mit einem separaten Lagerelement zu verbinden und das Lagerelement verlagerbar auf der Drehwelle oder dergleichen zu lagern. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die Federelemente seitlich über die Lagerelemente hinausragen, damit die Federelemente auch in einem eingefederten Zustand in den Anlagebereichen aneinander anliegen und sich die Lagerelemente nicht berühren. Bei dem Lagerelement kann es sich auch um einen Gleitring handeln, der in axialer Richtung verschiebbar um die Drehwelle angeordnet ist. Der Gleitring besteht vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Matrix und in Umfangsrichtung des Gleitrings orientierten Fasern. Auf diese Weise werden besonders gute Gleiteigenschaften erreicht.
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Die Federelemente eines Federrings können vorteilhafterweise einfach mit Hilfe des Ringverbinders an den Gleitring angepresst und an dem Gleitring festgelegt werden. Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß Ringverbinder vorgesehen, die eine veränderbare Länge aufweisen, so dass die Ringverbinder auf einer Innenseite der Federelemente an die Federelemente angelegt werden können und durch Festziehen der Ringverbinder die Federelemente an die Gleitringe angepresst werden.
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Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass mehrere Federelemente verlagerbar auf einem Lagerelement angeordnet sind. Das Lagerelement kann dann gegebenenfalls mit der Drehwelle oder dergleichen verbunden sein. Um eine Federwirkung der erfindungsgemäßen Axialfederanordnung weiter zu erhöhen ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass mindestens einer der Endanschläge zylinderförmig ausgestaltet ist, wobei ein Durchmesser des zylinderförmigen Endanschlags größer ist als ein Ringinnendurchmesser der Federringe, dass der Durchmesser kleiner ist als ein Ringaußendurchmesser der Federringe und dass die Federringe über den zylinderförmigen Endanschlag hinaus verlagerbar sind. Bei einer Verlagerung der Federringe über den zylinderförmigen Endanschlag hinaus müssen die Federringe so weit verformt werden, dass der Ringaußendurchmesser dem Durchmesser entspricht. Je nach vorgegebenen Verhältnis des Ringaußendurchmessers und des Innendurchmessers des zylinderförmigen Endanschlags ist die Verformungsenergie vorgegeben, die zur Verlagerung des Federrings über den zylinderförmigen Endanschlag hinaus erforderlich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Axialfederanordnung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Schnittansicht einer Axialfederanordnung mit einem zylinderförmigen Endanschlag,
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2 eine schematisch dargestellte Ansicht auf einen um eine Drehwelle angeordneten Federring in axialer Richtung,
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3 eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer Axialfederanordnung mit einem Federring und Konturelementen,
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4 eine schematische Darstellung eines U-Profil-förmig ausgestalteten Federelements mit einem Konturelement,
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5 eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines um eine Drehwelle auf einem Gleitring angeordneten Federrings, wobei die Schnittebene in radialer Richtung der Drehwelle verläuft,
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6 eine schematisch dargestellte ausschnittsweise Schnittansicht einer Drehwelle und zweier auf Gleitringen um die Drehwelle angeordneter Federringe, wobei die Schnittebene in axialer Richtung der Drehwelle verläuft und
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7 eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines V-förmig ausgestalteten Federelements.
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1 zeigt eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer Axialfederanordnung 1 mit zwei relativ zueinander verlagerbaren Endanschlägen 2 und 3, wobei der Endanschlag 3 zylinderförmig ausgestaltet ist. Zwischen den Endanschlägen 2 und 3 sind mehrere U-Profil-förmig ausgestaltete Federelemente 4 aus einem Faserverbundwerkstoff angeordnet. An freien Enden 5 der Federelemente 4 sind Anlagebereiche 6 ausgebildet, wobei benachbarte Federelemente 4 in den Anlagebereichen 6 aneinander anliegen. Eine auf die Endanschläge 2 und 3 wirkende Federkraft der zwischen den Endanschlägen 2 und 3 angeordneten Federelemente 4 über die Anlagebereich 6 übertragen wird. Die Anlagebereiche 6 der Federelemente 4 sind durch Verbindungsbereiche 7 miteinander verbunden.
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Mehrere Federelemente 4 sind ringförmig angeordnet und bilden jeweils einen Federring 8. Eine Ringachse 9 ist in der axialen Richtung 10 der Axialfederanordnung 1. Die Federelemente 4 eines Federrings 8 sind durch Ringverbinder 11 miteinander verbunden.
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Ein Ringaußendurchmesser 12 der Federringe 8 ist größer als ein Innendurchmesser 13 des zylinderförmigen Endanschlags 3. Bei einer Verlagerung der Federringe 8 über eine Anschlagsfläche 14 des zylinderförmigen Endanschlags 3 hinaus werden Federschenkel 15 der U-Profil-förmig ausgestalteten Federelemente 4 stark verformt, so dass für eine weitere Verlagerung der Federelemente 4 in der axialen Richtung 10 eine besonders große Verformungsenergie erforderlich ist.
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2 zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht auf einen Federring 8 einer Axialfederanordnung 1 in axialer Richtung 10. Der Federring 8 besteht aus acht ringförmig angeordneten und U-Profil-förmig ausgestalteten Federelementen 4.
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Die Federelemente 4 sind mit einem Ringverbinder 11 miteinander verbunden und auf Lagerelementen 16 angeordnet, wobei die Lagerelemente 16 an einer Drehwelle 17 anliegen. Die Lagerelemente 16 weisen eine kreisbogenabschnittsförmige und an einen Radius der Drehwelle 17 angepasste Unterseite 18 und eine ebene Oberseite 19 auf. Auf den Oberseiten 19 der Lagerelemente 16 sind jeweils mehrere Federelement 4 in axialer Richtung 10 hintereinander und relativ zueinander verlagerbar angeordnet.
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Die U-Profil-förmig ausgestalteten Federelemente 4 sind so angeordnet, dass freie Enden 5 der Federelemente 4 in radialer Richtung nach außen ausgerichtet sind.
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3 zeigt eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer Axialfederanordnung 1 mit einem Federring 8. Eine Schnittebene entspricht einer durch Verbindungsbereiche parallel zu Federschenkeln verlaufenden Ebene. 4 zeigt eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines der in 3 dargestellten, U-Profil-förmig ausgestalteten Federelemente 4 ebenfalls längs einer durch einen Verbindungsbereich parallel zu Federschenkeln verlaufenden Schnittebene.
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In den Verbindungsbereichen 7 ist jeweils ein Konturelement 19 angeordnet, das so ausgestaltet ist, dass bei einer ringförmigen Anordnung mehrerer Federelemente 4 ein Ringverbinder so an die Konturelemente 20 angelegt werden kann, dass von dem Ringverbinder 11 auf den Verbindungsbereich 7 des Federelements 4 wirkende Kräfte in einer Umfangsrichtung des Ringverbinders 11 gleichmäßig auf den Verbindungsbereich 7 verteilt wirken.
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In den 5 und 6 sind jeweils Schnittansichten einer Drehwelle 17 schematisch dargestellt. Um die Drehwelle 17 sind Federringe 8 angeordnet, wobei zwischen den Federringen 8 und der Drehwelle 17 jeweils ein Gleitring 21 angeordnet ist. Die Gleitringe 21 sind in axialer Richtung verschiebbar auf der Drehwelle 17 gelagert. Die Federelemente 4 der Federringe 8 sind durch die auf einer Innenseite der Federelemente 4 an den Federelementen 4 anliegenden Ringverbindern 11 auf die Gleitringe 21 gepresst und an den Gleitringen 21 festgelegt. Auf diese Weise können die Federelemente 4 einfach zu Federringen 8 miteinander verbunden werden, in dem die Federelemente 4 um einen Gleitring 21 herum angeordnet und beispielsweise durch eine Verkürzung einer Länge eines in der Länge veränderlichen Ringverbinders 11 an dem Gleitring 21 angedrückt werden.
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7 zeigt eine schematische Ansicht eines V-förmig ausgestalteten Federelements 4. Das Federelement 4 weist eine optimierte und an eine vorgegebene Biegebeanspruchung angepasste Kontur auf.
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In den in der Zeichnung dargestellten Figuren sind jeweils einzelne Bauteile mehrerer gleichartiger Bauteile exemplarisch mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
