DE2814342A1

DE2814342A1 - Antriebsvorrichtung fuer spindeln

Info

Publication number: DE2814342A1
Application number: DE19782814342
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: GLEITLAGERTECHNIK GmbH
Current assignee: Fortuna Werke Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 1978-04-03
Filing date: 1978-04-03
Publication date: 1979-10-04
Also published as: GB2017828B; FR2421711B1; CH639022A5; GB2017828A; DE2814342B2; DE2814342C3; FR2421711A1

Description

Gleitlagertechnik GmbH
Gaußstraße 10*!·

7000 Stuttgart 1

Antriebsvorrichtung, für Spindeln

Antriebsvorrichtungen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Gattung sind bekannt. Zumeist liefert ein an die Spindelwelle gekoppelter Tachogenerator das erforderliche drehzahlproportionale Signal.

Sehr schnell laufende Spindeln für hohe vtfellenleistung, die insbesondere zum rationellen Einsatz von neuzeitlichen Schleifwerkstoffen erforderlich sind, lassen sich am besten als turbinengetriebene Spindeln ausführen. Als Arbeitsmedium dient vorzugsweise Flüssigkeit. Dieses Arbeitsmedium kann auch zur Schmierung der Spindellager herangezogen werden. Es wird angestrebt, einen anderen Energieträger, z.B. elektrischen Strom, im Zusammenhang mit der Drehzahlregelung zu vermeiden,

S0984Ö/GUS

-S-

28U342

Aufgabe der vorliegenden Erfindung 1st es daher, eine xiegelvorrichtung für turbinengetritbene schnellaufende Spindeln zu schaffen, die ohne systemfremde Energie auskommt, eine zuverlässige und .wirksame Stabilisierung, dabei aber in weiten Grenzen variierbare Einstellung einer Betriebsdrehzahl erls.ubt und. dabei .von einfachem und problemlosem Aufbau ist.

Diese Aufgabe xfird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Ein Staurohr ist ein äußerst einfaches Bauelement. Das erfindungsgemäße Keßprinzip beruht darauf, daß die Oberfläche einer rotierenden Welle Teile des sie umgebenden Mediums mitreißt. Der im Staurohr sich einstellende Staudruck ist von der Strömungsgeschwindigkeit des iiediums an der Sts-urohrmündung abhängig. Die Strömungsgeschwindigkeit steht in einer an sich bekannten gesetzmäßigen Beziehung zur Wellendrehzahl in Abhängigkeit vom Abstand zur Wellenoberfläche und vom Wellendurchmesser«

Der Bewegungszustand des die Welle ohnehin umgebenden Mediums wird mit dem einfachsten Bauelement in einen der Wellendrehzahl· proportionalen Druckzustand umgewandelt. In ebenso einfacher Weise kann dieser Druckzustand auf das Stellventil zur Einwirkung gebracht werden. Ein Versagen dieses Meßelementes ist praktisch ausgeschlossen, so daß die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung deren bevorzugten Einsatz für Schleifspindeln mit geringstem Unfallrisiko gestattet.

909840/04A8

28H342

Bei Sohle if spindeln ist bekanntlich eine obere C-renzdrehsahl zu beachten, bei deren Überschreitung zufolge der enormen te ej.n nevs'cea ues

Eine in diesem Zusammenhang bedeutsame Ergänzung zu jeder beliebigen Antriebsvorrichtung, insbesondere aber Weiterbildung der im Anspruch 1 bezeichneten Vorrichtung, ist mit den Erfindungsmerkmalen des Anspruchs 2 gekennzeichnet.

Der entscheidende Wirkungseffekt der hierin p/ annten besonderen räumlichen Anordnung der Mündung dar· yuerbohrung oder des Rohrstückes beruht darauf, daß beim Überschreiten der (optimalen) Nenndrehzahl des Schaufelkranzes die einzelnen Schaufeln dem aus der Strahldüse austretenden Strahl gewissermaßen davoneilen, so daß der Strahl nicht mehr vollständig von den Schaufeln abgefangen wird und dann mit seiner schlecht ausgenutzten kinetischen Energie direkt auf die Mündung trifft. Dies verursacht in der Querbohrung bzw. im Kohrstück einen raschen und energiereichen sprunghaften Druckanstieg, der für die Schließbewegung des Stellventils sehr wirkungsvoll herangezogen wird. Das im Anspruch 2 angesprochene Stellventil kann dabei einem beliebigen anderen zur Drehzahlregelung dienenden Stellventil vor- oder nachgeschaltet sein oder aber damit identisch sein.

Im Idealfall ist eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 (allgemeine Drehzahlregelung) gemäß den spezifischen Merkmalen des Anspruchs 2 ergänzend modifiziert (Grenzwertregelung).

9098/₊n/0U8

28U342

\"!eim eine Schleifspindel ζ.B₀ am Ende eines Zerspanungsvorsanros vor. Werkstück zurückgezogen und somit plötzlich entlastet wird, besteht die Gefahr des Uberdrehens, wenn die .tiegeleinrichtung zu. langsam oder zu schwach reagiert. Der besondere Vorteil der im Anspruch 2 angegebenen Erfindung liegt nun gerade darin, dai3 die Regeleinrichtung bei Überschreitung der Kenndrehzahl äußerst rasch reagiert.

Die vorgenannte (optimale) Nenndrehzahl ist abhängig von der Geschwindigkeit des aus der Strahldüse austretenden und gegen den Schaufelkranz gerichteten Arbeitsmediutas. Allgemein gilt für optimalen Turbinenbetrieb, daß die Strahlgeschwindigkeit dem Zweifachen der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades entspricht. Da aber die Strahlgeschwindigkeit allein abhängig ist von dem Druck, unter dem das Arbeitsmedium bis zur Strahldüse stent, läßt sich damit sozusagen von ferne die ijenndrehzahl vorgeben.

Der Druck des Arbeitsmediums wird in bekannter fceise am Versorgungsaggregat geregelt oder mittels eines zwischengeschalteten Druckreduziergerätes eingestellt.

Das der Strahldüse vorgeschaltete Stellventil, welches Bestandteil der Antriebsvorrichtung gemäß der Ansprüche 1 oder 2 ist, beeinflußt nicht die Strahlgeschwindigkeit, sondern die Strahlmenge. Es bewirkt somit eine geregelte Änderung der Antriebsleistung im Sinne einer Stabilisierung der vorgegebenen Drehzahl.

909840/OU6

Damit das Laufrad in der Lage ist, der vorstehenden Forderung zu. entsprechen, wonach die Umfangsgeschwindigkeit dar Kälfte der Strahlgeschwinaigkeit sein soll, muß das Laufrad hinsichtlich der Anzahl .und Geometrie der Schaufeln nach den an sich bekannten iJimensionierungsvorschriften für die Kauptabmessunge^n von FreiStrahlturbinen gestaltet werden.

Im Anspruch 3 wird eine besonders günstige Ausbildung des Staurohrs angegeben. Es versteht sich hierbei, daß die genannte Querbohrung in eine die Spindelwelle oder damit drehstarr verbundene Teile aufnehmende Längsausnehmung einmündet.

Da der Abstand der Staurohrmündung von der Oberfläche des rotierenden Teiles unter Umständen ungünstig groß sein kann, läßt sich gemäß der Variante des Anspruchs 4 vorteilhafterweise die Mündung des Hohrstückes stets ausreichend nahe anstellen.

Als zweckmäßig hat sich erwiesen, die auf das Stellventil einwirkenden Mittel gemäß Anspruch 5 auszubilden.

Gemäß der im Anspruch 6 bezeichneten Ausgestaltung wirkt der Eingangsdruck des Arbeitsmediums als den Drehzahlsollwert vorgebende Führungsgröße und der im Staurohr herrschende Dx"uck als den Drehzahlistwert darstellende Regelgröße.

Da beide Größen mittelbar bzw. unmittelbar auf die Stellnadel einwirken, und zwar jeweils gegeneinander gerichtet,· erfolgt hier der Soll-Ist-Vergleich, und die daraus resultierende

909840/0U6

2&U34.2

Verschiebung der Stellnadel ist die Stellgröße dieser Regeleinrichtung. Durch Einstellung des üingangsdruckes kann also in weiten Grenzen die dann jeweils selbsttätig stabilisierte Betriebsdrehzahl vorgegeben werden.

Besonders die Herstellung und Montage vereinfachende konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen ? bis 9 angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert.

Die Figur stellt einen auf die erfindungswesentlichen Details beschränkten Querschnitt durch eine Spindel in der Ebene der Beschaufelung dar.

Die Spindel besteht aus einem äußeren rohrförmigen Gehäusemantel 1, der sich zweckmäßigerweise über die gesamte Länge der Spindel erstreckt, einem inneren Gehäuseteil 2 und der Spindelwelle 3, welche den Schaufelkranz 4 trägt. Im Gehäuseteil 2 ist eine Längsausnehmung 5 ausgespart, um den Durchtritt der Spindelwelle 3 zu gestatten.

Herstellungstechnisch günstig ist es dabei, die axial aufeinanderfolgenden Baugruppen, wie das vordere (hier nicht gezeichnete) Wellenlager, das rückwärtige (ebenfalls nicht gezeichnete) Wellenlager und die gezeichnete Antriebs- und Regeleinheit jeweils als gesonderte, allgemein scheibenförmige

809840/0448

28U342

Gehäuseteile auszubilden. Diese Gehäuseteile werden bei der Endmontage aneinandergefügt und dann wenigstens teilvjeise vom Mantelteil 1 abgedeckt. An der Außenseite des hantelteils greifen dann auch die Einspanneleciente an, die die Spindel an der entsprechenden Werkzeugmaschine festlegen.

Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung läßt sich besonders einfach im zugehörigen Gehäuseteil 2 unterbringen.

Über eine im Beispiel parallel zur Spindelachse verlaufende Sackbohrung 6, die an der Rückseite der Spindel in bekannter V/eise mit einem Schlauch gekuppelt wird, wird Flüssigkeit unter Druck zugeführt. Die Sackbohrung 6 wird von einer Querbohrung durchsetzt, die nach einer Seite hin eine Strahldüse 7 bildet und tangential zur Beschaufelung k in die Ausnehmung 5 einmündet und nach der Außenseite hin als Gewindebohrung 8 ausgebildet ist. Eine damit gleichachsige Bohrung größeren Durchmessers bildet eine Zylinderkammer 9s in der ein Kolben 10 verschiebbar geführt ist. Der Kolben ist an einem Ende einer Stellnadel 11 befestigt, deren Schaft in einer in die Gewindebohrung 8 eingeschraubten Führungsbuchse 12 gleitet. Die gegenüberliegende Spitze der Stellnadel 11 ragt je nach Kolbenstellung mehr oder weniger weit in die Bohrung der Strahldüse 7, und der Ringspalt zwischen den konisch zur Spitze zulaufenden Flanken und der Bohrungseinmündung ist entsprechend weiter oder enger. ' '

909840/0448

— 1 ? —

28U342

Während dss Arbeitsmedium aus der Sackbohrung 6 in die Strahldüse 7 gelangen soll, wird es durch eine den Schaft der Stellnadel 11 umschließende und in der Führungsbuehse 12 anliegende Ringdichtung 13 am Übertritt in die Zylinderkammer 9 gehindert. Der in der Sackbohrung 6 herrschende Eingangsdruck übt auf die Stellnadel 11 eine der schraffiert angedeuteten Querschnittsfläche 14· proportionale Schiebekraft aus, die somit bestrebt ist, den Ringspalt des Stellventils zu vergrößern. Diese vom Eingangsdruck abhängige Kraft dient, wie eingangs schon ausgeführt wurde, als Führungsgröße der Regeleinrichtung.

Eine dem Eingangsdruck und der Ringfläche der Ringdichtung 13 proportionale Kraft drückt auch gegen die Ringdichtung 13, so daß diese an einer Ringstufe 15 der Führungsbuchse 12 entsprechend axial abgestützt werden muß.

Im Ausführungsbeispiel legt sich ein Bund Ib der Führungsbuchse 12 dichtend gegen die innere Begrenzungswand 17 der Zylinderkammer 9· An den Bund l6 anschließend ist ein Außensechskant 18 angeformt. Die Führungsbuchse 12 entspricht also einer handelsüblichen, mit einer Bohrung nachträglich versehenen Sechskantk-opfschra-ube.

Aus räumlichen Gründen übergreift der Kolben 10 den Außensechskant 18 und ist zweckmäßigen^ise mit einem Innensechskant 19 größerer Weite versehen. In Eingriffslöcher 20 an der auswärts weisenden Stirnfläche des Kolbens 10 kann ein geeignetes Werkzeug eingreifen. Damit kann der Kolben 10

909840/0446

28U342

gedreht werden, und über die FormscnluSkupplung zwischen ihm und der Führungsbuchse 12 läßt sich die Baueinheit Kolben-Führungsbuchse-Stellnadel gemeinsam mittels des Außengewindes 21 der¹ Führungsbuchse 12 in der Gewindebohrung 8 verankern.

In koaxialer Verlängerung mit der Bohrung der Strahldüse ist im Gehäuseteil 2 eine Querbohrung 22 eingebracht, in die noch ein Rohrstück 23 eingesetzt werden kann, uieses Rohrεtück 23 (oder auch die Querbohrung 22 allein) wirkt als Staurohr, wie es zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bekannt ist.

Am Außenumfang des Gehäuseteiles 2 ist eine umlaufende Nut 24 eingestochen, die sowohl die Querbohrung 22 als auch die Zylinderkammer 9 anschneidet. Im montierten Zustand wird die Nut 2H- durch die Innenwandung des Mantelteils 1 nach außen abgeschlossen und stellt somit einen die Querbohrung 22 mit der Zylinderkammer 9 verbindenden Verbindungskanal dar, der in einfachster weise herzustellen ist.

Wenn eine größere Dämpfung des ßegelvorganges erwünscht ist, kann die Nut aber auch in mehrfach verschlungenen Bahnen zwecks Längenstreckung ausgeführt werden. Kinematisch gleichwertig ist es auch, wenn anstelle eines Einstiches die seitlichen Begrenzungswände der "Nut" am Außenumfang des Gehäuseteils 2 aufgesetzt werden.

909840/0440

23U342

Beidseitig· der i.ut 2'4, zwischen es em Gehäuseteil 2 und dem Mantelteil 1 anliegend gehaltene, hier nicht besonders dargestellte Lichtringe sind zum dichten Abschluß des Verbindung s kanal ε · zv:eckaiä"-ik.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt :

Ausgehend vom Stillstana der Spindelwelle 3 wird ein nicht gezeigtes Einschaltventil geöffnet, so daß das .arbeitsmedium unter einem vorgegebenen LinganEsdruck in die Sackbohrung 6 strömt, die Stellnadel 11 mühelos nach links in maximale Stellventil-Öffnungsla^e verschiebt, durch die Strahldüse 7 gerichtet gegen den Schaufelkranz k strömt und damit die Spindelwelle 3 in Drehung versetzt. Das seiner kinetischen Energie ledige Medium sammelt sich im unteren erweiterten Bereich der Ausnehmung 5 ^nd wird über eine nicht gezeigte Rückflußleitung abgeleitet.

Mit zunehmender Drehzahl der Spindelwelle 3 stellt sich ■ im Staurohr (Bohrung 22 bzw. ßohrstück 23) ein zunehmend steigender Staudruck ein, der über den Verbindungskanal (hut 2k) auf die linke Seite des Kolbens 10 in die Zylinderkammer 9 übertragen wird.

Das an sich geringere Druckniveau des drehzahlproportionalen Staudrucks wird durch eine entsprechend gegenüber der Querschnittsfläche Ik wesentlich größere Kolbenfläche aus g e gli ch eh.

ORlQJMAL A^z~^:'z 909840/0448

28H342

Bei ständig steigender Drehzahl wird folglich aer Zustand eintreten, daß die dem Drehzahl-Istwert proportionale nach rechts gerichtete j\rai't gleich isü aer aei Doiiwert κλτ,-sprechenden linksgerichteten Kraft. Bei weiterem Ansteigen 'überwiegt sodann die nach rechts wirkende Kraft und. verschiebt die Stellnadel 11 entsprechend, wodurch das Stellventil die aus der Strahldüse 7 austretende Strahltnenge drosselt und somit einer weiteren Drehzahlsteigerung entgegenwirkt. Sinkt daraufhin die Drehzahl, z.B. zufolge einer Belastung der Spindelwelle 3₅ unter den Sollwert, so überwiegt wieder die nach links wirkende Kraft und öffnet das Stellventil. Durch Einstellung des Eingangsdruckes wird dabei in einfachster Weise die gewünschte Betriebsdrehzahl vorgegeben.

Wie vorhin schon ausgeführt wurde, ist die Nenndrehzahl von derselben Führungsgröße abhängig, wie die vorstehend angesprochene Betriebsdrehzahl. Wenn also, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, die Mündung des Staurohres der Strahldüse gegenüberliegend angeordnet wird, ist es zweckmäßig, z.B. durch geeignete Bemessung der lojuerschnittsflache I^ der Stellnadel 11, dafür zu sorgen, daß die itfenndrehzahl gleich ist der Betriebsdrehzahl oder nur unwesentlich darüber liegt.

Sobald die Wenndrehzahl überschritten wird, gelangt der aus der Strahldüse 7 austretende Strahl partiell mit voller Energie unmittelbar zur Mündung des Staurohres. Daraus

909840/OUS

28 H

resultiert ein starker Druckanstieg im Staurohr, der, übertragen auf die Zylinderkasmer 9 und den Kolben 1O₅ ein rasches Schließen des St'ellventils bewirkt.

Diese Grenzwertregelung bedient sich (im Ausführungsbeispiel) vorteilhafterweise derselben Elemente (Staurohr, Stellventil) wie die Betriebszahlregelung, jedoch resultiert die Hegelgröße (Drehzahl-Istwert) aus einer anderen physikalischen Erscheinung.

Um Schwingungserscheinungen im Regelkreis entgegenzuwirken, ist es erforderlich, die Bewegung des Kolbens 10 zu dämpfen. Dies kann z.B. durch Drosselung einer entsprechend eng bemessenen Druckausgleichsleitung 25 bewirkt werden, die von der inneren Begrenzungswand 17 in die Ausnehmung 5 führt oder durch einen langen und engen Verbindungskanal (Nut 24).

Abweichend vom Ausführungsbeispiel kan^ der Kolben 10 in der einen oder anderen .Richtung mittels einer Feder vorbelastet werden, wodurch sich geänderte fiegelcharakteristiken vorgeben lassen. Dabei kann es zweckmäßig sein, entweder das gehäusefeste Widerlager der Feder verstellbar auszugestalten oder die Stellnadel 11 im Kolben 10 schraubbar und damit relativ dazu verstellbar zu halten.

909840/0446

Claims

28U342

GLT 1

Gleitlagertechnik GmbH
Gaußstraße 4

?C00 Stuttgart 1

Ansprüche
Γΐ)JAntriebsvorrichtung für schneilaufende Spindeln, insbesondere Schleifspindeln, mit einem Gehäuse, einer gehäusefesten Strahldüse für ein unter Druck zuführbares Arbeitsmedium, einer im Gehäuse drehbar gelagerten Spindelwelle mit im Strahlbereich angeordnetem Schaufelkranz, sowie mit einem Stellventil zur Verstellung des aus der Strahldüse austretenden Strahles in vorgebbarer Abhängigkeit von der Drehzahl der Spindelwelle, dadurch gekennzeichnet,

daS ein Staurohr (22,23) vorgesehen ist, dessen Mündung zur Spindelwelle (3) gerichtet ist, und daß in vorgebbarer Abhängigkeit von dem sich im Staurohr einstellenden Staudruck auf 'das Stellventil (6,7,11) einwirkende Mittel (9,10,2^-) vorgesehen sind.

909840/0446

2*14342

2) Antriebsvorrichtung für schnell&ufende Spindeln, insbesondere Sohleifspindeln, mit einem Gehäuse, einer gehäusefesten Strahldüse für ein unter Druck zuführbares Arbeitsmedium, einer im Gehäuse drehbar gelagerten Spindelwelle mit im Strahlbereich angeordnetem Schaufellcranz, sowie mit einem Stellventil zur Verstellung des aus der Strahldüse austretenden Strahles, insbesondere Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Mündung einer Querbohrung (22) im Gehäuse (2), gegebenenfalls die Hündung eines in eine Querbohrung (22) eingesetzten Rohrstückes (23), insbesondere die Mündung eines Staurohres bezüglich des Schaufelkranzes (4) der Strahldüse (7) gegenüberliegend und koaxial zu dem unmittelbar aus der Strahldüse (7) austretenden Strahl angeordnet ist, und daß in vorgebbarer Abhängigkeit von dem sich in der Querbohrung, dem Rohrstück oder dem Staurohr einstellenden Druck auf das Stellventil (6,7,11) einwirkende Mittel (9,10,2*0 vorgesehen sind.

3) Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Staurohr durch eine Querbohrung (22) im Gehäuse (2) gebildet wird, die in eine die Spindelwelle (3) aufnehmende Längsausnehmung (5) einmündet,

909840/0448

k) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Staurohr durch ein in eine Querbohrung (22) des Gehäuses (2) eingesetztes üohrstück (23) gebildet wird.

5) Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder U?_t dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen in einer Zylinderkammer (9) verschiebbaren und mit der Stellnadel (11) des Stellventils gekoppelten Kolben ClO) sowie einen vom der Mündung gegenüberliegenden Ende der '<iuerbohrung (22), des Rohr Stückes (23) oder des Staurohres zur Zylinderkammer (9) führenden Verbindungskanal (2^) umfassen.

6) Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel im Sinne einer Schließung auf das Stellventil einv7irkend ausgebildet sind und das Stellventil unter der Wirkung des Eingangsdruckes des Arbeitsmediums im Sinne einer Öffnung sich verstellend ausgebildet ist.

7) Vorrichtung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (2^-) als ringförmiger Hohlraum im Gehäuse (2) ausgebildet ist.

909840/OUB

28U342

8) Vorrichtung nach Atispruch 7,
dadurch gekennzeichne1₅

daß dap Gehäuse zumindest zweiteilig ausgeführt ist mit einem die Spindelwelle (3) bzw. den Schaufelkranz (*0 _s das Stellventil (6,7_S11) und die Querbohrung, (22) bzw, das Rohrstück (23) aufnehmenden Gehäuseteil (2) und einem 'darauf aufgeschobenen rohrförmigen hantelteil (1), wobei der ringförmige Hohlraum durch eine am .außenumfang, des Gehäuseteiles (2) umlaufende riut (2*0 gebildet ist, die durch die Innenwandung des I'lanteilteiles (1) nach außen abgeschlossen wird.

9) Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß beidseitig der i\fut (2*0 jüichtringe zwischen dem Gehäuseteil (2) und der Innenwandung des aantelteiles (1) anliegend gehalten sind»