DE19854277C1

DE19854277C1 - Wälzlager mit veränderbarer Laufbahn sowie Verfahren zur Laufbahnänderung

Info

Publication number: DE19854277C1
Application number: DE19854277A
Authority: DE
Inventors: Michael Rombach; Jens Wemhoener
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2018-11-26

Abstract

Beschrieben wird ein Wälzlager mit wenigstens einer Laufbahn, die eine Laufbahngeometrie derart aufweist, daß ein Wälzkörper wenigstens punktuell mit der Laufbahn im Eingriff steht, sowie ein Verfahren zur Laufbahnänderung. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein die Laufbahngeometrie verändernder Aktor vorgesehen ist, der unabhängig von einer zwischen Wälzkörper und Wälzlager wirkenden Kraft die Laufbahngeometrie des Wälzlagers verändert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager mit wenigstens einer Laufbahn, die eine Laufbahngeometrie aufweist, daß ein Wälzkörper wenigstens punktuell mit der Laufbahn im Eingriff steht.

Stand der Technik

Wälzlager sind mechanische Baugruppen, mit deren Hilfe insbesondere auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen bewegte Maschinenteile oder Werkstücke nahezu spielfrei gelagert werden können, ohne dabei ihre Drehbeweglichkeit zu nachhaltig zu beeinträchtigen. Durch langjährigen Einsatz an sich bekannter Wälzlager auf den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten, vorzugsweise in Werkzeugmaschinen, haben sich eine Vielzahl diverser Bauformen ausgebildet, die als Kugellager, Zylinderrollenlager, Nadellager, Kegelrollenlager und Tonnenlager, um nur einige zu nennen, bekanntgeworden sind.

Allen konventionellen Wälzlagern ist gemeinsam, daß ihre Laufbahnen, mit denen die einzelnen Wälzkörper in Eingriff stehen und entlang denen sie in der Regel abrollen, in ihrer Geometrie zeitlich konstant, im Sinn von starr und unverformbar, ausgebildet sind. Um den Wälzlagern Laufruhe, Dauergenauigkeit und die entsprechende Steifigkeit in jeder ihrer Betriebssituation zu gewährleisten, werden die Wälzkörper gegen die Laufbahn des Wälzlagers mit mechanischen Mitteln vorgespannt. Durch eine derartige mechanische Vorspannung der Wälzkörper gegen die Laufbahn des Wälzlagers kann das Lagerspiel minimiert und die Lagerung präzisiert werden, indem die Auflagefläche zwischen Wälzkörper und Laufbahn des Wälzlagers durch geringfügige Deformation des Wälzkörpers respektive des Wälzlagers verändert wird.

Den bekannten Wälzlagern, deren Laufbahngeometrie starr vorgegeben ist und die während ihres Betriebes einer unaufhörlichen, zwischen dem Wälzlager und dem Wälzkörper wirkenden mechanischen Vorspannung ausgesetzt sind, haftet der Nachteil an, daß die Lager permanent belastet werden, auch in jenen Betriebszuständen, in denen das Wälzlager keiner externen Last unterworfen ist. Vorspannungsbeaufschlagte Wälzlager unterliegen somit einer erhöhten Belastung, die mit permanent wirkenden Ermüdungserscheinungen im Lager selbst verbunden sind, wodurch die Lebensdauer derartiger Wälzlager erheblich vermindert wird.

Aufgrund der starr vorgegebene Laufbahngeometrie können diese Wälzlager nur für eine bestimmte Belastungssituation optimiert ausgelegt werden, wobei sich die Wälzlagereigenschaften bei davon abweichenden Belastungssituationen nachhaltig verändern. Ein erhöhter Verschleiß des Wälzlagers, ein unnötiger Energieverbrauch infolge hoher Reibungsverluste oder eine geringe Tragfähigkeit des Lagers können hierbei die Folge sein.

Von modernen Hochleistungswälzlagern, die in multifunktional ausgebildeten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden wird erwartet, daß Wälzlager in unterschiedlichsten Betriebssituationen präzise, eigenstabil und mit einem hohen Wirkungsgrad, d. h. mit nur geringen Reibungsverlusten, arbeiten. So muß beispielsweise eine Spindellagerung einer Werkzeugmaschine z. B. bei einem Fräsvorgang mit einem verhältnismäßig großen Fräswerkzeug bei der Vorbearbeitung eines Werkstückes mit niedrigen Drehzahlen und hohen Radialkräften betrieben werden, gleichwohl die gleiche Spindellagerung nach einem entsprechend durchgeführten Werkzeugwechsel für eine vielfach höhere Drehzahl bei verminderten Radialkräften eingesetzt wird.

So weist ein Rillenkugellager, mit einer verhältnismäßig engen Laufbahngeometrie, eine große Kontaktfläche zu den in der Laufbahn befindlichen Wälzkörper auf, über die eine hohe Belastung übertragen werden kann. Durch die enge Schmiegung zwischen der Laufbahn des Wälzlagers und der Wälzkörper ist jedoch auch der Nachteil verbunden, daß bei mittleren oder geringen Belastungen hohe Reibungsverluste erzeugt werden. Umgekehrt ist ein Wälzlager mit weiter Schmiegung, d. h. die Laufbahn verläuft flacher und die Wälzkörper treten nur über eine geringe Auflagefläche in Kontakt mit dem Wälzlager, das vornehmlich für einen Leichtlaufbetrieb für niedrige bis mittlere Belastungen ausgelegt ist, kaum in der Lage, Lastspitzen ohne Schädigungen zu ertragen.

In der DE 39 00 121 A1 ist eine Vorrichtung zur Einstellung einer axialen Vorspannung von Wälzlagern sowie Spindelmuttern angegeben. Hierbei befindet sich ein axial drehbar gelagerter Kugelmutterkörper 50 innerhalb eines Montageflansches 51. Beide Körper treten über die Laufbahn des Montageflansches 51 in Kontakt. Um die Vorspannung zwischen beiden in Eingriff befindlichen Körpern zu variieren, sieht der Kugelmutterkörper 50 koaxial ein Spannelement 52 vor, das den Umfangsrand des Kugelmutterkörpers 50 verändern kann. Je nach Betriebsweise der Spindelmutternanordnung kann die Vorspannung mit Hilfe des Spannelementes 52 entsprechend eingestellt werden. Nach wie vor bleibt jedoch die Laufbahngeometrie des Montageflansches 51 unverändert, wodurch auch bei dieser bekannten Anordnung die vorstehend beschriebenen Nachteile entstehen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit wenigstens einer Laufbahn, die eine Laufbahngeometrie derart aufweist, daß ein Wälzkörper wenigstens punktuell auf der Laufbahn in Eingriff steht, derart auszubilden, daß die bei den bekannten, mit Vorspannung betriebenen Wälzlagern, auftretenden Nachteile vermieden werden sollen und zugleich die Möglichkeit geschaffen werden soll, daß die Kontaktgeometrie zwischen der Laufbahn des Wälzlagers und den auf der Laufbahn aufliegenden Wälzkörper variieren werden kann. Das Wälzlager soll insbesondere vorspannungsfrei, d. h. möglichst ohne hohe mechanische Überbeanspruchungen sowie hohen möglicherweise auftretenden Reibungsverlusten betrieben werden können. Durch die Variation der Kontaktgeometrie soll es insbesondere möglich sein, das Wälzlager unterschiedlichen Betriebsbedingungen optimal anzupassen. Ferner ist ein Verfahren anzugeben, das eine Veränderung der Kontaktgeometrie bzw. der Berührfläche zwischen einer Laufbahn eines Wälzlagers und wenigstens einem mit der Laufbahn in Eingriff stehenden Wälzkörpers angibt.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 5. Ferner sind vorteilhafte Merkmale Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Laufbahn eines Wälzlagers unabhängig von der zwischen dem Wälzkörper und dem Wälzlager wirkenden Kraft zu verändern, so daß die Laufbahngeometrie des Wälzlagers je nach Bedarf einen flachen oder engeren Verlauf annehmen kann. Hierzu sieht das Wälzlager einen Aktor vor, der durch entsprechende Betätigung die Laufbahngeometrie zu deformieren vermag.

Grundsätzlich weist das Wälzlager eine Laufbahn auf, deren Laufbahngeometrie durch den Fertigungsprozeß vorgegeben ist. Ausgehend von dieser normalen Laufbahngeometrie vermag nun ein Aktor, der beispielsweise das Wälzlager wenigstens teilweise umfaßt oder innerhalb des Wälzlagers integriert ist, die Laufbahn aus ihrer normalen Geometrie zu deformieren. Je nach Aktorart kann der in der Regel sphärisch gekrümmte Verlauf der Laufbahn abgeflacht oder verengt werden.

Im Falle einer Abflachung tritt zwischen der Laufbahn und dem Wälzkörper eine sogenannte weite Schmiegung auf, d. h. die Laufbahn ist offen ausgebildet, wodurch, trotz ausreichend hoher Tragfähigkeit des Wälzlagers, geringe Lagerreibungen erzielt werden können. Weite Schmiegungen sind hingegen vorzugsweise bei Betriebszuständen von Wälzlagern wünschenswert, bei denen das Wälzlager hohen Drehzahlen und geringen, zu übertragenden Kräften ausgesetzt ist.

Werden hingegen über das Wälzlager hohe Kräfte bei eher niedrigen Drehzahlen übertragen, so ist der Aktor derart anzusteuern, daß eine möglichst enge Schmiegung innerhalb des Wälzlagers entsteht, d. h. die Laufbahn des Wälzlagers ist enger ausgebildet als der Umfangsrand des Wälzkörpers, wodurch die Lagerreibung sowie die Tragfähigkeit erhöht wird, was jedoch bei nur geringen Drehzahlen zu unkritischen Wälzlagerbetriebszuständen führt.

Im Falle eines innerhalb des Wälzlagers integrierten Aktors wird hierfür vorzugsweise ein Piezostellelement verwendet, das bei entsprechender Versorgung mit elektrischer Spannung längbar ist. Ist das Piezoelement innerhalb des Wälzlagers entsprechend positioniert, so kann die Laufbahn des Wälzlagers bei entsprechender Längung des Piezostellelementes in seinem Krümmungsverhalten verengt werden.

Die Ansteuerung des Aktors bzw. des Piezostellelementes erfolgt unabhängig von jeglichen Krafteinflüssen zwischen Wälzlager und Wälzkörper, sondern vielmehr je nach den aktuellen Einsatzbedingungen, dem das Wälzlager ausgesetzt ist.

Beispielsweise könnte der Aktor, der in einem Wälzlager einer Werkzeugspindel integriert ist, über die aktuelle Drehzahl sowie über die am Werkzeugtisch auftretenden Kräfte angesteuert werden. Ebenso können vorgegebene Prozeßverläufe, die einen Arbeitsgang innerhalb einer Werkzeugmaschine beschreiben, Stellgrößen für den Aktor innerhalb des Wälzlagers zur Verfügung stellen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnittsdarstellung durch ein Wälzlager mit Wälzkörper, sowie

Fig. 2 Wälzlager mit integriertem Aktor.

Der der Erfindung zugrundeliegende geometrische Vorgang der Kontaktgeometrieanpassung zwischen Wälzlager und Wälzkörper betrifft die Veränderung der Querformgeometrie der Laufbahn eines Wälzlagers.

Die nachstehenden Ausführungen sollen beispielhaft an einem einreihigen Rillenkugellager dargestellt werden und das Grundprinzip der Änderung der Querformgeometrie beschreiben. Die Anwendung dieses Prinzips ist jedoch nicht auf diesen Lagertyp beschränkt, sondern kann auch auf andere Wälzlager bzw. Kugellager, wie beispielsweise zweireihige Rillen-, Schulter- oder auch Vierpunktlager, um nur einige Beispiele zu nennen, angewendet werden.

In Fig. 1 ist der Querschnitt durch ein einreihiges Rillenkugellager dargestellt, dessen Lageraußenring 1 eine Laufbahn 2 aufweist, in dem als Wälzkörper 3 eine Kugel aufliegt. Der geometrische Verlauf der Laufbahn 2 ist grundsätzlich durch den Laufbahnradius R_q festgelegt. Die Kugel mit Radius R_k rollt innerhalb der Laufbahn 2 ab. Grundsätzlich bezeichnet man das Verhältnis zwischen R_k und R_q als Schmiegung.

In allgemeinerer Darstellung kann die Schmiegung auch bei einer nicht zwingend kreissegmentförmigen Querschnittsform der Laufbahn 2 beschrieben werden. So ist zur allgemeinen Beschreibung der Laufbahngeometrie der Radius R_q nicht mehr ausreichend, sondern die Laufbahngeometrie wird über eine allgemeine Funktion q(α), relativ zu einem festgelegten Koordinatenursprung Q eindeutig festgelegt. Wird die Querschnittsform der Kugel 3, ebenfalls bezogen auf den Ursprung Q mit der Funktion k(α) beschrieben, so ergibt sich für den unbelasteten Zustand des Wälzlagers eine normierte Abstandsfunktion von folgender Form:

Die Abstandsfunktion a(α) wird auch als verallgemeinerte Schmiegung bezeichnet, die es gilt, im weiteren in besonderem Maße zu beeinflussen.

In Fig. 2 sind zur Darstellung zweier unterschiedlicher Laufbahngeometrien zwei Laufbahnlinien 2, 2' eingezeichnet, von denen die Laufbahn 2 einer weiten Schmiegung und die Laufbahn 2' einer engen Schmiegung entsprechen. Durch gezielte Deformation der Laufbahn des Wälzlagers 1 kann je nach Betriebs- bzw. Belastungszustand eine optimale Kontaktgeometrie eingestellt werden. Grundsätzlich gilt, daß für hohe Wälzlagerbelastungen eine enge Schmiegung von Vorteil ist, so daß in diesen Betriebszuständen die Laufbahngeometrie 2' einzustellen ist. In Fällen mittlerer bis geringer Belastung des Wälzlagers kann die Schmiegung offen verlaufen, was der Laufbahn 2 entspricht.

Zentrale Bedeutung für die Realisierung der Kontaktgeometrieanpassung ist die Einstellung der unterschiedlichen Laufbahngeometrien, die durch den Faktor q(α) beschrieben werden. Um eine Änderung dieses Faktors herbeiführen zu können und damit verbunden die Laufbahngeometrie in ihrer Krümmung zu beeinflussen, sieht das in Fig. 2 dargestellte Wälzlager einen Piezoaktor 4 vor, der in das Innere des Wälzlagers integriert ist. Der Piezoaktor 4 ist in zwei Stellzuständen k, l eingezeichnet. Im Falle des Stellzustandes k weist der Piezoaktor 4 seine Ausgangslänge auf, so daß das Wälzlager 1 die Laufbahngeometrie 2 im entspannten Zustand einnimmt. Unter Anlegung einer entsprechenden elektrischen Spannung an den Piezoaktor 4 dehnt sich dieser aus und nimmt einen zweiten, gelängten Stellzustand l ein. Hierbei wird das Wälzlager 1 in seinem unteren Bereich auseinandergedrückt, was zur Folge hat, daß der obere Bereich des Wälzlagers und insbesondere die Laufbahn 2' eine engere Laufbahngeometrie einnimmt. Selbstverständlich kann der Piezoaktor 4 auch Zwischenzustände zwischen den beiden eingetragenen Stellzuständen l und k einnehmen, wodurch kontinuierliche Übergänge in der Laufbahngeometrie erreicht werden können.

Je nach Anordnung und Ausbildung des Wälzlagers 1 ist der Aktor 4 an einer entsprechenden Stelle innerhalb des Wälzlagers anzuordnen. Grundsätzlich kann der Aktor auch von außen an das Wälzlager 1 angreifen und auf dieses einen entsprechenden Kraftfluß zur Deformation der Laufbahn ausüben.

Bezugszeichenliste

1

Wälzlager, Lageraußenring

2

,

2

' Laufbahn

3

Wälzkörper, Kugel

4

Aktor, Piezoaktor
l, k unterschiedliche Längen am Piezoaktor

Claims

1. Wälzlager (1) mit wenigstens einer Laufbahn (2), die eine Laufbahngeometrie derart aufweist, daß ein Wälzkörper (3) wenigstens punktuell mit der Laufbahn (2) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Laufbahngeometrie im Achsschnitt verändernder Aktor (4) in Form eines in Axialrichtung des Wälzlagers wirkenden Piezo-Stellelements vorgesehen ist, der unabhängig von einer zwischen Wälzkörper (3) und Wälzlagerring wirkenden Kraft durch Deformation des Lagerrings die Laufbahngeometrie des Wälzlagers (1) verändert.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) eine auf das Wälzlager (1) einwirkende Kraft erzeugt, durch die die Laufbahngeometrie nach Bedarf zwischen einer weiten und einer engen Schmiegung einstellbar ist.

3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) Bestandteil des Lagerrings ist und längbar ist, wodurch das Wälzlager (1) und somit die Laufbahngeometrie bei Längung des Aktors (4) deformierbar ist.

4. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei Längung des Aktors (4) eine engere Schmiegung einstellt, wodurch sich die Kontaktfläche zwischen Wälzlager (1) und Wälzkörper (3) vergrößert.

5. Verfahren zur Veränderung der Berührfläche zwischen einer Laufbahn (2) eines Wälzlagers (1) und wenigstens einem mit der Laufbahn (2) in Eingriff stehenden Wälzkörpers (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahngeometrie des Wälzlagers (1) im Achsschitt mittels eines Aktors (4) in Form eines in Axialrichtung des Wälzlagers wirkenden Piezo-Stellelements verändert wird und die Laufbahnänderung unabhängig von einer zwischen Wälzkörper (3) und Wälzlagerring wirkenden Kraft durch Deformation des Lagerrings erfolgt.