DE19725784A1 - Dynamische Gaslagerung eines schnelldrehenden Werkzeugs - Google Patents

Description

Im Hauptpatent 196 43 412.2 ist das Grundkonzept zur Stabilisierung einer dynamischen Gas­ lagerung beschrieben. Hierbei werden die Gaslager exzentrisch versetzt zueinander angeordnet, was eine Verspannung und somit Stabilisierung der Gesamtlagerung zur Folge hat. Diese ex­ zentrisch zueinander positionierten Lagerbohrungen sind durch zerspanende Fertigung nur sehr aufwendig herzustellen, weil hierbei sehr kleine Fertigungstoleranzen beachtet werden müssen. Deshalb wird im Hauptpatent eine günstigere Methode beschrieben, wobei mittels einer paßge­ nauen Übermaßwelle eine Justierung der exzentrisch versetzten Lager erfolgt, bevor die Lager in das Spindelgehäuse eingeklebt werden. Es wurde nun nach Möglichkeiten gesucht diese exzentrische Versetzung der Gaslager noch präziser einstellen zu können, ohne dabei auf kleine Fertigungstoleranzen achten zu müssen.

Durch die exzentrische Versetzung der Gaslager zueinander bilden sich zwischen den Lagern und der Welle engste Spalthöhen am Umfang des Gaslagerspaltes (siehe Hauptpatentanmel­ dung). Diese engsten Spalthöhen sind im wesentlichen für die Stabilität und Steifigkeit der Gaslagerung verantwortlich. Je kleiner diese engsten Spalthöhen ausgeführt werden, um so steifer wird die Lagerung und um so höhere Drehzahlen der Welle sind erreichbar, bevor stö­ rende Lagerinstabilitäten auftreten. Außerdem nimmt mit Verkleinerung der engsten Spalthö­ hen der Wirkungsgrad der Lagerung stetig zu, d. h. die Lagerung benötigt immer weniger An­ triebsleistung, um eine bestimmte Steifigkeit zu erhalten, um somit eine vorgegebene Masse mit einer bestimmten Drehzahl stabil zu rotieren. Folglich ergab sich die Schlußfolgerung, daß das Lageroptimum bei immer kleiner werdenden, engsten Lagerspalthöhen liegt.

Ein statisches Herstellen der sehr engen Spalthöhen durch spanende Formgebung oder dem Einstellen anhand von Paßwellen ist immer an sehr kleine Fertigungstoleranzen gebunden und man kommt hierbei schnell an Grenzen der Machbarkeit. Um beispielsweise engste Spalthöhen von 1 bis 3 µm zu verwirklichen müßten die Fertigungstoleranzen für Welle und Lager im Be­ reich von 0,1 bis 0.5 µm liegen.

Es wurde nun gefunden, daß es günstiger ist die engsten Spalthöhen direkt beim Betrieb der Gaslagerung einzustellen und hierbei das Schwingungsverhalten der Lagerung zu benutzten. Dieses dynamische Herstellen der sehr engen Spalthöhen ist jedoch nur mit einer präzisen Verstellvorrichtung zur exzentrischen Versetzung der Lager möglich.

Das dynamische Einstellen der engsten Lagerspalthöhen wird so ablaufen, daß die Lagerung bis zu der Drehzahl betrieben wird, bei der die Schwingungsinstabilität (sogenannter Halbfre­ quenzwirbel) auftritt. Dann werden anhand der Verstellvorrichtung die Lager exzentrisch ver­ setzt, so daß sich engste Spalthöhen bilden und sich die Lagerung stabilisiert. Nun kann die Drehzahl weiter erhöht werden, bis die Lagerung wieder instabil wird, worauf mit der Verstell­ vorrichtung die engsten Spalthöhen weiter verkleinert werden müssen, bis wieder ein stabiler Lauf einsetzt. Diese Schritte müssen solange wiederholt werden bis die endgültige Betrieb­ drehzahl erreicht ist. Oft reichen zwei bis drei Schritt aus um die Betriebdrehzahl der Lagerung zu erreichen. Aus Sicherheitsgründen sollte die Lagerung so eingestellt werden, daß die Ein­ satzdrehzahl für den Halbfrequenzwirbel ungefähr 20 Prozent über der Betriebdrehzahl liegt. Bei einer zu grobgängigen Verstellvorrichtung besteht die Gefahr, daß die engsten Spalthöhen beim Einstellen zu eng werden und ein blockieren bzw. abbremsen der Welle eintritt, was je­ doch bei den verwendeten Lagerwerkstoffen keine Beschädigungen an Lager oder Welle zur Folge hat.

Für die Verstellvorrichtung der Gaslager gibt es eine Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten, die sich jedoch alle in zwei Gruppen einteilen lassen. Die erste Gruppe sind die kraftbetätigten Verstellvorrichtungen, wodurch das Ausüben einer Kraft auf die Lager die genannte exzentri­ sche Versetzung der Lager bewirkt. Ein Erhöhen der Verstellkraft führt hierbei zur Verkleine­ rung der engsten Spalthöhen und somit zur Steifigkeitserhöhung der Lagerung. Die kraftbetä­ tigten Verstellvorrichtungen können beispielsweise pneumatisch, hydraulisch oder elektroma­ gnetisch funktionieren.

Die zweite Gruppe der Ausführungsmöglichkeiten sind die wegbetätigten Verstellvorrichtun­ gen. Hierbei erfolgt die exzentrische Versetzung der Lager direkt über eine Wegverschiebung, wobei jedoch zusätzliche mechanische Übersetzungsmöglichkeiten eine sehr feine Verstellung ermöglichen. Die wichtigsten wegbetätigten Verstellvorrichtungen funktionieren nach dem Prinzip der schiefen Ebene (Schrauben, Kegel, Nocken usw.), nach dem Hebelprinzip oder durch Zahnradübersetzungen.

Vor allem die kraftbetätigten Verstellvorrichtungen sind gut geeignet über eine aktive Steue­ rungs- oder Regelungstechnik betätigt zu werden. Das hat den Vorteil, daß die exzentrische Verstellung der Lager an den jeweiligen Belastungszustand der Lagerung (äußere Kräfte, Drehzahl, Erwärmung, Leistung usw.) angepaßt wird, so daß keine kritischen Schwingungs­ zustände entstehen. Diese aktive Gaslagerung ist geeignet höhere äußere Tragkräfte aufzu­ nehmen und trotzdem einen stabilen Lauf zu gewährleisten. Zur Erfassung der Lagerzustands­ größen für die Steuerungs- oder Regelungstechnik können beispielsweise Druck-, Drehzahl- und Temperatursenoren eingesetzt werden.

Eine einfache und kostengünstige Verstellvorrichtung ist im Ausführungsbeispiel näher be­ schrieben. Hier sind die exzentrisch versetzten Lager durch dünne Stege miteinander verbun­ den, die der Versetzung durch eine wegbetätigte Verstellvorrichtung anhand einer Schraube einen Biegewiderstand entgegensetzt, so daß eine große Drehmomentänderung an der Schrau­ be nur einen kleinen Verstellweg bewirkt. Auf diese Art und Weise ist eine feine Einstellung der engsten Spalthöhen möglich.

Ein weiter Vorteil besteht darin, daß beim zusätzlich gasstatischen Einsatz der Lagerung die Gasversorgung der einzelnen Lager über die dünnen Stege erfolgen kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Gaslagerung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles.

Fig. 1 zeigt die maßstäbliche Ausführung der Lagerung eines schnelldrehenden Spiegelrades. Hierbei ist eine Welle 1 in radialer und axialer Richtung in einem Gehäuse 2 aerodynamisch gelagert. An einem Ende der Welle 1 befindet sich eine Scheibe, auf deren Radialfläche das Spiegelrad angebracht ist, das zur Umlenkung eines Laserstrahles in optischen Geräten benö­ tigt wird (z. B. Scanner, Printer, Laser Display Technologie, usw.). Durch eine Bohrung im Abschlußdeckel 8 kann der Laserstrahl auf das Spiegelrad gelangen und von dort reflektiert werden. Am anderen Ende der Welle 1 befindet sich der Antriebsmotor, der aus einem auf der Welle 1 befestigten Rotor 10 und einem im Spindelgehäuse 2 angebrachten Stator 5 besteht. Die Befestigung zwischen Welle 1 und Rotor 10 ist hier durch eine Preßverbindung gewähr­ leistet.

Zur radialen Luftlagerung der Welle 1 sind drei Lager 3a, 3b, 3c vorhanden. Das erste und dritte Lager 3a und 3c sind in das Spindelgehäuse 2 eingeklebt. Beim Einkleben wird der La­ gerkörper über eine Schraube in der Gewindebohrung 7 fixiert. Das mittlere Lager 3b ist über dünne Stege 4 mit dem ersten und dritten Lager verbunden und kann radial durch die Schraube 5 verstellt werden. Nachdem die Luftlagerung wie oben beschrieben auf ein stabiles Laufver­ halten eingestellt wurde, kann das mittlere Lager 3b zusätzlich anhand der Bohrungen 6 mit dem Spindelgehäuse 2 verklebt werden. Die Lagerschale 3 aus Graphit ist in die Lager einge­ preßt.

Claims (8)

1. Dynamische Gaslagerung eines schnelldrehenden Werkzeugs, bestehend aus einer rotieren­ den, zylindrischen Welle, die in einem Gehäuse in radialer Richtung gasgelagert ist, wobei zur radialen Lagerung entlang der Welle mindestens drei Gaslager vorhanden sind, und die Lager­ bohrungen des ersten und des dritten Lagers konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Lagerbohrung des zweiten Lagers, das sich in der Mitte befindet, exzentrisch versetzt zu den Lagerbohrungen des ersten und des dritten Lagers angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur exzentrischen Versetzung eine Verstellvorrichtung vorhanden ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei genannten Gaslager durch dünne Stege am Lagerkörper miteinander verbunden sind.

3. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur exzentrischen Versetzung eine oder mehrere Schrauben angebracht sind, die auf den Lagerkörper des mittleren Lagers drüc­ ken.

4. Lagerung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen genannter Schraube und Lagerkörper ein elastisches Glied vorhanden ist und daß sich auf der Schraube ein Feingewinde mit geringer Gewindesteigung befindet.

5. Lagerung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Fixierung die genannte Schraube und der Lagerkörper mit dem oben genannten Gehäuse verklebt sind.

6. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und dritte Lager in das Gehäuse eingeklebt sind.

7. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Lager fest angebracht ist und das erste und dritte Lager durch eine Verstellvorrichtung exzentrisch versetzt angeord­ net sind.

8. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Lagern verwen­ det wird, die durch eine Vielzahl von Verstellvorrichtungen zueinander exzentrisch versetzt werden.