DE20111763U1

DE20111763U1 - Vorrichtung zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers

Info

Publication number: DE20111763U1
Application number: DE20111763U
Authority: DE
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2011-07-17

Description

c ·

Vorrichtung zur automatischen dynamischen Regelung
der Vorspannung des Spindellagers

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers.

Mit der raschen Entwickelung im Gebiet des Maschinenbaus, mit der Erhoehung der Forderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit und mit der Verbreitung der Anwendung der mechanischen Bearbeitung tritt die Problematik bei der Herstellung des Spindeis der Maschinen wegen der Erhoehung der Drehzahl auf. Die Hauptursache liegt darin, dass die Waerme beim Drehen des Spindeis mit hoher Drehzahl erzeugt ist, wobei die Waecme aus dem Antriebsmotor kommt bzw. durch die unter der Vorspannung erzeugte Reibungskraft erzeugt ist.

Wie in Fig.l dargestellt, ist die Waerme mit der Erhoehung der Drehzahl des Spindeis zugenommen. Diese Waerme fuehrt zur warmen Expansion der wesentlichen Teile des Spindeis, wie des Lagers, des Abstandsringes usw.. Mit der Zunahme des Drucks gegeneinander wird noch mehr thermische Spannung erzeugt. Und der Zunahme der thermischen Spannung wird die Vorspannung des Lagers auch erhoeht und noch mehr Waerme im Betrieb des Lagers erzeugt. Diese Kettenwirkung fuehrt schliesslich dazu, dass die Erhoehung der Drehzahl wegen der zu hohen Temperatur unmoeglich ist, und sogar zur Zerstoerung des Spindeis fuehrt.

Um die thermische Expansion der Teile des Spindeis auszugleichen, ist dieses Problem bisher im wesentlichen dadurch gebest:

1. Verfahren zur Vorspannung mittels Feder

Das Spindellager ist mittels Feder vorgespannt. Mit Hilfe einer Feder wird ein fester vorgesehener Druck hergetellt. Wenn die Vorspannung am Lager wegen der Erhoehung der Temperatur veraendert ist, nimmt die Feder als Puffer die Spannung auf und erzeugt eine geringe Verschiebung, um die uebermaessige Vorspannung auszugleichen. Aber dieses Verfahren fuehrt zur Verlust der Steifheit des Spindeis, und es ist sehr schwer, die Bearbeitungsgenauigkeit des Spindeis zu kontrollieren und die Federungskonstante praezis festzulegen. Da die Stabilitaet nicht gut und die Vorspannung nicht gleichmaessig ist, ist es unmoeglich, dieses Verfahren in breitem Umfang anzuwenden.

2. Verfahren zur Kontrolle der Vorspannung mittels Hydraulik von OeI

Die Einrichtung zum Umschalten der Vorspannung mittels der Hydraulik von OeI findet bisher in breitem Umfang Anwendung. Aber sie weist folgende Nachteile auf:
-eine komplette Hydraulikquelle und ihre entsprechenden Zusatzgeraete

• · &phgr;

muessen zusaetzlich vorgesehen sein, so dass die Herstellungskosten zugenommen sind und ihre Fehlerrate auch relativ hoch ist;

-die entsprechenden Zusatzgeraete belegen sehr viele Plaetze;

-der Oeldruck ist sehr leicht durch Oeldruckpuls beeinflusst, so dass entsprechende Abweichung auftritt; und

-das Lager wird sehr leicht verletzt, wenn die Temperatur bei der Oeldruckquelle veraendert ist oder Leckage auftritt.

Gegenueber oben genannten Problemen bei Stand der Technick hat der Erfinder der vorligenden Erfindung bei der mehrjaehrigen hartnaeckigen Forschungstaetigkeit ein Verfahren zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindelagers und eine entsprechende Vorrichtung entwickelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, wobei entsprechende Teile mit unterschiedlicher Expansionszahl miteinander umliegend zusammengesetzt sind und die automatische dynamische Regelung der Vorspannung des Spindelagers erreicht ist, ohne Steifheit des Spindeis zu beeinflussen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers zu schaffen, wobei kein grosses kompliziertes Zusatzgeraet erforderlich ist, so dass die Herstellungskosten reduziert sind und der Platz entsprechend eingespart ist.

Bei dem erfmdungsgemaessen Verfahren zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers und bei der erfmdungsgemaessen Vorrichtung ist zwischen beiden Lagern zusaetzlich ein aeusserer Abstandsring angeordnet, der aus einer aeusseren Huelse und einer inneren Huelse besteht, die beiden miteinander kraftschluessig verbunden sind, wobei die Expansionszahl der aeusseren Huelse groesser als die Expansionszahl der inneren Huelse ist, und die Eigenschaft der warmen Expansion und der kalten Zusammenziehung von Werkstoffen ausgenutzt ist, so dass die innere Huelse unter der Raumtemperatur in axialer Richtung expandiert und damit ein vorgesehener Druck des Lagers gegen den Spindel eingesetzt ist. Wenn die Drehzahl des Spindeis erhoeht ist und die Temperatur des Abstandsringes damit zugenommen ist, ist die axiale Expansion der inneren Huelse vermindert und der vorgesehene Druck gegen das Lager reduziert ist. So wird der vorgesehene Druck gegen das Lager reduziert, waehrend die Waerme, die im Betrieb des Spindeis erzeugt ist, durch den aeusseren Abstandsring aufgenommen wird, ohne die Steifheit des Spindeis zu beeinflussen.

Dabei ist der Innendurchmesser der aeusseren Huelse kleiner als der Aussendurchmesser der inneren Huelse. Bei der Zusammensetzung wird die aeussere Huelse gleichmaessig unter der vorbestimmten Temperatur in der Art erwaermt, so

·· c

dass der Innendurchmesser der aeusseren Huelse groesser als der Aussendurchmesser der inneren Huelse ist. Anschliessend wird die aeussere Huelse umliegend an der inneren Huelse angeordnet. Nachdem die Huelsen bis zur Raumtemperatur abgekuehlt worden sind, werden die beiden Huelsen miteinander kraftschluessig verbunden. Da der inneren Huelse unter Druck der aeusseren Huelse liegt, expandiert die innere Huelse in axialer Richtung. Zum Schluss wird der aeussere Abstandsring zwischen beiden Lagern des Spindeis angeordnet..

Nachfolgend werden die Aufgabe, weitere technische Merkmale und die erreichte technische Wirkung der vorliegenden Aufgabe an Hand von einem bevorzuten Ausfuehrungsbeispiel in Verbindung mit Zeichnungen naeher erlaeutert. Es zeigen:

Fig. 1 das relative Verhaeltnis der entsprechenden Teile bei der Erzeugung der thermischen Spannung im Betrieb des konventionellen Spindellagers in schematischer Darstellung;

Fig.2 der erfindungsgemaesse aeussere Abstansring 21 in schematischem Laegsschnitt, wobei der aeussere Abstandsring an dem Spindel angeordnet ist;

Fig. 3 A der erfindungsgemaesse aeussere Abstandsring 21 unter der Raumtemperatur in schematischem Laengsschnitt; und

Fig.3B der erfindungsgemaesse aeussere Abstandsring 21 unter der hohen Temperatur in schematischem Laengsschnitt,

10	Spindel
11	erstes Lager
12	zweites Lager
13	Druckring
21	aeusserer Abstandsring
22	aeussere Huelse
23	innere Huelse

In Fig.2 sind ein erfindungsgemaesses Verfahren zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers und eine entsprechende Vorrichtung dargestellt, die im wesentlichen folgende Schritte aufweisen:

a) Zwischen dem ersten und dem zweiten Lager 11, 12 ist zusaetzlich ein aeusserer Abstandsring 21 angeordnet, der aus einer aeusseren Huelse 22 und einer inneren Huelse 23 besteht, wobei die beiden Huelsen miteinander kraftschluessig verbunden sind;

b) Die aeussere Huelse aus Messing mit der Expansionszahl (18,7*10**"⁶/°C)

ausgewaehlt ist, die groesser als die Expansionszahl der inneren Huelse aus Invar (1,6* 10* ^/⁰C) ist;

c) Die aeussere und innere Umfangsflaeche der inneren und der aeusseren Huelse 23, 22 ist jeweils fein in der Art bearbeitet, dass das Innendurchmesser der aeusseren Huelse 22 kleiner als das Aussendurchmesser der Inneren Huelse· 23 ist;

d) Die auessere Huelse 22 ist unter einer vorgeshenen Temperatur erwaermt, so dass sie expandiert ist. Sobald das Innendurchmesser der aeusseren Huelse grosser als das Aussendurchmesser der inneren Huelse 23 ist, wird die aeussere Huelse 22 an der inneren Huelse 23 umliegend angeordnet;

e) Wenn die innere und die aeussere Huelse 23, 22 bis zur Raumtemperatur abgekuehlt ist, sind die beiden Huelsen miteinander kraftschluessig verbunden sind, weil die Expansionszahl der aeusseren Huelse 22 groesser als die Expansionszahl der inneren Huelse ist und die aeussere Huelse 22 staerker als die innere Huelse 23 zusammengezogen ist. Wie in Fig. 3A dargeteilt, ergibt sich eine Konstante etwa 1,5&mgr;&eegr;&tgr;/60 ⁰C Temperaturdifferenz durch Poisson-Effekt wegen des Druckes der aeusseren Huelse 22 gegen die innere Huelse 23. Anschliessend wird der aeussere Abstandsring 21 an dem Spindel 10 angeordnet ( Fig. 2 ). Unter Druck der beiden Druckringe 13 gegen die Seitenflaeche der beiden Lager 11, 12 werden die beiden Huelsen gebracht, so dass eine vorgesehene Vorspannung erzeugt ist;

f) Wenn die Drehzahl des Spindeis erhoeht ist, so wird dadurch die Temperatur zwischen den Lagern 11, 12 und dem Abstandsring 21 erhoeht. Die Waerme ist zu den beiden Huelsen 22, 23 uebertragen. Da die Expansionszahl der aeusseren Huelse 22 relativ groesser ist, wird das Innendurchmesser der aeusseren Huelse 22 groesser als das Aussendurchmesser der inneren Huelse 23, nachdem die Temperatur der aeusseren Huelse 22 gesteigert worden ist, so dass der Druck gegen die innere Huelse 23 vermindert und damit die urspruengliche Expansion in axialer Richtung reduziert ist (Fig. 3B) und die Vorspannung der Lager wirkungsvoll abgenommen ist. Wenn die Drehzahl des Spindeis im Gegenteil vermindert ist, wird die Temperatur zwischen den Lagern 11, 12 und dem Abstansring 21 abgenommen. Dabei wird der urspruengliche Zustand der kraftschluessigen Verbindung der beiden Huelsen 22, 23 und der Vorspannung der Lager wiederhergestellt.

Oben ist die vorliegende Erfindung an Hand von einer inneren und einer aeusseren Huelse 23, 22 beispielsweise erlaeutert. Um die Expansion der inneren Huelse 23 in axialer Richtung zu verstaerken, kann zusaetzlich eine weitere Huelse auf der Innenseite der inneren Huelse 23 angeordnet werden. Und die Expansionszahl dieser

zusaetzlichen Huelse sollte ebenfalls auch groesser als die Expansonszahl der inneren Huelse sein. Diese Huelse ist aus Messing oder Keramik herstellbar. Die drei Huelsen sind wie bei zwei Huelsen kraftschluessig miteinander verbunden.

Im Vergleich zu den konventionellen Verfahren weist das vorliegende Verfahren zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers folgende Vorteile auf:

a) Bei der vorliegenden Erfindung ist die automatische dynamische Regelung der Vorspannung des Lagers erreicht, indem die Huelsen aus Werksoffen mit unterschiedlicher Expansionszahl mit Hilfe der Eigenschaft der warmen Expansion und der kalten Zusammenziehung zusammengesetzt sind, ohne die Steifheit des Lagers zu beeinflussen.

b) Bei der vorliegenden Erfindung ist kein grosses und kompliziertes Zusatzgerät

erforderlich. Dabei sind die Herstellungskosten reduziert und ist der Platz eingespart.

.: 5

Claims

1. Vorrichtung zur automatischen dynamischen Regelung der Vorspannung des Spindellagers, umfassend einen Abstandsring, der zwischen zwei Lagern angeordnet ist und aus einer äußeren Hülse und einer inneren Hülse besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionszahl der äußeren Hülse größer als die Expansionszahl der inneren Hülse ist und der Innendurchmesser der äußeren Hülse kleiner als der Außendurchmesser der inneren Hülse ist, und die beiden Hülsen unter Raumtemperatur kraftschlüssig verbunden sind, und die innere Hülse unter Druck der äußeren Hülse in axialer Richtung expandiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine weitere Hülse zusätzlich auf der Innenseite der inneren Hülse mit der inneren Hülse kraftschlüssig verbunden ist und die Expansionszahl dieser zusätzlichen Hülse größer als die Expansionszahl der inneren Hülse ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die äußere Hülse aus Messing ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die innere Hülse aus Invar ist.