DE2837374A1

DE2837374A1 - Linearbewegungs-kugellager

Info

Publication number: DE2837374A1
Application number: DE19782837374
Authority: DE
Inventors: William Edward Headen; George Napoleon Levesque
Original assignee: Brown and Sharpe Manufacturing Co
Current assignee: Brown and Sharpe Manufacturing Co
Priority date: 1977-08-30
Filing date: 1978-08-26
Publication date: 1979-03-08
Also published as: CA1073954A; DE2837374C2; JPS5827406B2; JPS5447052A; GB2012887A; GB2012887B; US4128278A

Description

Brown & Sharpe Manufacturing Company, North Kingstown, U.S.A.

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Linearbewegungs-Kugellager

Die Erfindung betrifft ein Linearbewegungs-Kugellager für eine axiale Bewegung längs eines Schaftes, insbesondere die Bewegung des Spindelantriebs und der Spindel einer Werkzeugmaschine längs zylindrischer Pührungsstangen, mit einem mehrere Laufbahnen aufweisenden Kugelhalter, die Umlaufkugeilagerglieder mit einem Lastaufnahmeteil und einem lastfreien Teil aufweisen, wobei der Halter den Schaft umgibt und in einem Gehäuse mit einer zylindrischen Bohrung angeordnet ist, eine Lastaufnahmeplatte dem Lastaufnahmeteil jeder Laufbahn zugeordnet ist und jede Lastaufnahmeplatte einen dickeren Mittelteil aufweist, der mit dem Gehäuse in Berührung steht.

Linearbewegungs-Kugellager sind bekannt. So ist in der US-PS 3 545 826 ein sich selbst ausrichtendes Kugellager beschrieben, dessen besonderer Vorteil darin besteht, daß es die Abnutzung zwischen den jeweiligen Teilen verringert, die dadurch bewirkt wird, daß sich der Schaft bzw. die Welle relativ zu den Kugeln verbiegt. Einer der Hauptgründe für die Abnutzung von Linear-Kugellageranordnungen hängt mit der Fehlausrichtung des Schafts bzw. der Welle gegenüber dem Gehäuse zusammen, in dem das Linearlager angeordnet ist. Linearbewegungs-Umlaufkugellager dämpfen außerdem Schwingungen nicht so gut wie Gleitlager. Die Selbstausrichtung hat lediglich den Zweck, die Herstellungskosten zu verringern, insbesondere wenn mehrere Lagerbuchsen verwendet werden, um eine hohe Steifigkeit zu erzielen. Ein Selbstausrichtungs-Kugellager ist außerdem in der US-PS 3 893 732 angegeben, bei dem die zur Selbstausrichtung verwendeteten elastischen O-Ringe so bemessen sein können, daß das Lager vorbelastet wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugellager der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine "radiale Durchbiegung" besser gedämpft ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer Ausnehmung auf der Außenseite jeder Lastaufnahmeplatte ein langgestreckter Streifen aus elastomerem Material in Längsrichtung angeordnet ist, daß der Streifen und der dickere Mittelteil der Lastaufnahmeplatte mit der Bohrung des Gehäuses in Berührung stehen, daß die Kugeln in dem Gehäuse aufgrund der Berührung mit diesem entsprechend einer diametralen Stauchung, die zwischen etvra 43 und 56 Mikrometer liegt, vorbelastet sind und daß das elastomere Material um etwa 130 Mikrometer gestaucht ist.

Der Bereich der diametralen Stauchung der Kugellagerbüchse von 0,043 mm (0,0017 Zoll) bis 0,056 mm (0,0022 Zoll) ist nicht allzu kritisch. Auch die Stauchung des elastomeren Streifens in der Größenordnung von 0,13 mm (0,005 Zoll) braucht nicht ganz genau eingehalten zu sein. Dennoch ergibt sich ein Linearbewegungs-Kugellager, das sich dynamischen Fehlausrichtungen anpaßt und ein Dämpfungssystem darstellt, das zwischen der Lastaufnahmeplatte und dem Gehäuse bzw. einem Stehlagerblock vorbelastet ist und eine hohe statische Steifigkeit aufweist.

Bevorzugte Ausführungs- und Anwendungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einzelteildarstellung eines erfindungsgemäßen Lagers,

Fig. 2 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Linearbewegungs-Kugellageranordnung,

Fig. 3 den Schnitt 2-2 der Fig. 2 im unbelasteten Zustand,

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Fig. 3A eine ähnliche Ansicht wie die nach Fig. 3 im belasteten Zustand, die

Fig. 4, 5 und 6 graphische Darstellungen von Versuchsergebnissen und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Werkzeugmaschinenständers mit erfindungsgemäßen Kugellagern.

Das in der Zeichnung dargestellte, reibungsarme Kugellager, das in der US-PS 3 545 826 ausführlicher beschrieben ist, so daß hier auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet werden kann, weist mehrere langgestreckte Laufbahnen 12 in einem inneren hülsenartigen Kugelhalter 14 auf, der in der kreisförmigen Bohrung eines Gehäuses 10 angeordnet ist. Über den Umfang des Halters verteilt angeordnete Lastaufnahmeplatten 16 sind mit einem vorspringenden oder dickeren Mittelteil versehen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Lastaufnahmeplatten 16 weisen jeweils eine sich in Längsrichtung erstrekkende geradlinige Laufrille 18 auf, die die Kugeln B aufnimmt. Auf der radial äußeren Seite dieses Lastaufnahmeteils 16 ist eine Ausnehmung 20 vorgesehen, in der ein Streifen aus elastomerem Material angeordnet ist. Ähnliche Lastaufnahmeplatten sind über den Umfang des Gehäuses verteilt angeordnet, z.B. an den durch die gestrichelten Linien 26, 28, 30 und 32 angedeuteten Stellen. Die Lastaufnahmeplatten 16 sind aus hartem Metall hergestellt und weisen außen eine Längsnut 20 auf, die den Streifen 22 aus elastomerem Material aufnimmt. Wie der US-PS 3 545 826 zu entnehmen ist, hat die Platte 16 eine Erhebung oder Verdickung, die das Gehäuse berührt und wie in dem "Thomson Super Ball Bushing Catalog", Seite 8, angegeben ist, wird die Vorbelastung oder das "Spiel" vom Durchmesser des Gehäuses oder vom Lagerinnendurchmesser bestimmt, der die Maße der Kugeln, der Platte, des Schaftdurchmessers und des Gehäuseinnendurchmessers umfaßt. Die

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beschriebene Anordnung ist um eine zylindrische Stange 54 herum angeordnet, die an einem Konstruktionsteil 53 angebracht ist. Anhand der Fig. 3 und 3A erkennt man, daß bei einer geringfügigen Durchbiegung der Lagerplatte 16 bei wechselnder Belastung und demzufolge einer Auslenkung der Kugeln (siehe Fig. 3A) der elastomere Streifen 22 dieser Durchbiegung bzw. Auslenkung entgegenwirkt, was einer merklichen Dämpfung des Systems entspricht. Um eine optimale Dämpfung zu erzielen, sind jedoch noch bestimmte Faktoren zu berücksichtigen.

Fig. 4 stellt graphisch verschiedene diametrale Vorbelastungen in Abhängigkeit von der dynamischen Steifigkeit in Kraft pro Längeneinheit dar, wobei die Vorbelastungen oder das "Spiel" als diametrale Stauchung (auch Zusammendrückung, Quetschung, Pressung oder Verdichtung genannt) in Längeneinheiten angegeben ist. Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, stellt die Kurve 41 einen Fall ohne jegliche Dämpfung bei Verwendung eines normalen Lagers dar. Die Kurve 42 stellt den Verlauf der dynamischen Steifigkeit bei Verwendung eines 70-Shore-Schwarz-Neopren-Einsatzes in der Anordnung dar_o Die Kurven 43, 43V gelten für 70-Shore-Einsätze (Shore-Skala A) aus Butyl-Material Nr. X308. Im Vergleich zur ursprünglichen einsatzlosen Lagerbüchse hat die optimale Anordnung mit den Butyl-Einsätzen, die durch die Kurven 43 und 43' dargestellt wird, etwa die siebenfache Dämpfung und eine um etwa 55 % höhere Steifigkeit. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß hier auf der X- bzw«, Vorbelastungsachse der graphischen Darstellung Einheiten einer Stangendurchmesserzunahme gegenüber derjenigen Stange, die gerade einen zusätzlichen Dreh- und Gleitwiderstand aufnehmen würde, aufgetragen sind. Ferner wurden bei den Versuchen weitgehend Bedingungen nachgeahmt, denen Lagerbüchsen normalerweise in Werkzeugmaschinen ausgesetzt sindo Bei Werkzeugmaschinen liegt die natürliche oder Eigenfrequenz bei etwa 70 Hertz, und in Fig. 5 sind, die ,Werte

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für die statische Steifigkeit dargestellt, die sich aus Messungen bei einer niedrigen Frequenz ergaben, da die Reaktion eines Systems auf eine Kraft, die mit einer weit unterhalb der Eigenfrequenz liegenden Frequenz ausgeübt wird, die gleiche wie bei einer statischen Kraft ist. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Zunahme der dynamischen Steifigkeit von der Kurve 41 ohne Dämpfung zur Kurve 43 mit Butyl-Dämpfern sehr erheblich ist, während die statische Steifigkeit zwar ebenfalls, jedoch weniger zunimmt, wie die Kurve 44 ohne Dämpfung und die Kurve 45 mit Butyl-Dämpfern erkennen läßt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ferner, daß es bestimmte optimale Bedingungen gibt, um die maximale dynamische Dämpfung des Lagers zu erzielen. So ist beispielsweise die Vorbelastung oder diametrale Beeinflussung bei einer normalen Kugellagerbüchse ohne elastomeren Streifen äußerst ungünstig hinsichtlich einer Optimisierung des dynamischen Verhaltens der Lagerbüchse. Zuviel ist ebenso schlecht wie zuwenig« So beträgt beispielsweise die optimale Beeinflussung bei einer Lagerbuchse mit 50 mm (2 Zoll) Durchmesser etwa 0,053 mm (0,0022 Zoll). Bei einer Kugellagerbuchse, die mit den besten elastomeren Dämpfungsstreifen versehen ist, ist diese Vorbelastung weniger kritisch als bei einer unveränderten Lagerbüchse, d.h. einer Lagerbüchse ohne die elastomeren Streifen, da Änderungen von + oder - 0,01 mm (0,0004 Zoll) nur eine Änderung von etwa 5 % im dynamischen Verhalten bewirken» Wie Untersuchungen ergeben haben, liegt die optimale Vorbelastung bei Verwendung elastomerer Streifen etwa zwischen 36 Mikrometer (0,0014 Zoll) und 56 Mikrometer (0,0022 Zoll).

Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel biegen sich die Platten 16 bei Belastung so weit durch, daß die Bewegung der Lastaufnahmeplatte relativ zum Getriebe- bzw. Stehlagerblock in der Mitte der Platte 16 nahezu am größten, dagegen am Ende der Lastaufnahmeplatten sehr klein ist. Infolgedessen wird der elastomere Streifen bei einer radialen Durchbiegung oder Aus-

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lenkung des Schaftes oder einer Bewegung senkrecht zur Achse des Schaftes in Richtung auf den Stehlagerblock oder das Gehäuse 10 nach außen zu den Enden hin gedrückt (siehe Fig. 3A), so daß sich die gewünschte Scherung des elastomeren Materials und demzufolge Dämpfungswirkung ergibt.

Bei einigen bekannten Kugellagern, z.B. dem Kugellager nach der US-PS 3 893 732, tritt praktisch die gesamte relative radiale Durchbiegung zwischen Schaft und Stehlagerblock 10 an den Grenzflächen zwischen den Kugeln und dem Schaft und zwischen den Kugeln und den gehäuseseitigen Laufbahnen auf. Die Durchbiegung des Gehäuses ist sehr klein, und zwar deshalb, weil der Berührungsbereich zwischen Gehäuse und Stehlagerblock dem einer Kugel entspricht, die in einer zylindrischen Bohrung gleichen Durchmessers liegt. Es läßt sich zeigen, daß die Berührungsverformungen bei diesem Aufbau eine sehr steife Konstruktion im Vergleich zu der Verbindung zwischen dem Schaft und den Lagerkugeln ergibt, und obwohl sowohl in vorliegendem Lager als auch dem nach der US-PS 3 893 732 eine Drehwinkelbewegung des Schafts relativ zum Gehäuse verhindert ist, besteht doch ein wesentlicher Unterschied in der radialen Durchbiegung des Schafts relativ zum Gehäuse.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung sind geradlinige Laufbahnen in Werkzeugmaschinen. Bekanntlich verursachen Vibrationskräfte ein Rattern der Maschine, wenn Schneidwerkzeuge, wie beispielsweise Fräser, verwendet werden, und dieses Rattern bewirkt eine kleine Verbiegung der Lagerlaufbahnen, welche die Energie ist, die vom Schneidwerkzeug gegen das Werkstück erzeugt wird. Diese Energie wird in den Elastomer übertragen und wird durch dessen Verformung verbraucht. Wie sich beispielsweise bei einer Fräsmaschine gezeigt hat, bei der mit erfindungsgemäßen Lagern versehene Führungsschienen verwendet wurden, war diese praktisch ratterfrei, als sie zur Abhebung von mehr als 325 Kubikzentimeter Stahl verwendet wurde. Die her-

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vorragenden Ergebnisse sind in Fig. 6 wiedergegeben. Dieser lag eine Versuchsanordnung zugrunde, bei der eine Kraft auf das Ende einer 46-Zentimeter-Stange ausgeübt wurde, auf der' in einer Entfernung von etwa 25 cm von ihrer Verdickung ein erfindungsgemäß ausgebildetes Lager angeordnet war, dessen Vorbelastung einer diametralen Stauchung von etwa 0,043 mm (0,0017 Zoll) entsprach« Hier wurde eine schwingende Kraft mit einer konstanten Amplitude und verschiedenen Frequenzen aufgebracht, und die Amplitude der Kraftvibration wurde in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet. Wie deutlich zu erkennen ist, handelte es sich hierbei um ein einfaches Feder-Masse-Dämpfer-System, bei dem eine erhebliche Verringerung der Vibrationsamplitude durch die Verwendung der elastomeren Streifen auftrat.

In Fig. 7 ist ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Linearbewegungs-Kugellager dargestellt. An einem Maschinenständer 50 sind zwei Führungsschienen oder -stangen 52, 52' angeschweißt. Jede Schiene besteht aus einem Bauteil 53, 53', an dem eine zylindrische Stange 54, 54' einteilig ausgebildet ist. Auf der zylindrischen Stange oder Schiene 54 ist ein Kugelhalter 14 angeordnet, der mehrere geschlossene Laufbahnen mit Kugeln darin aufweist, und jede besitzt eine Lastaufnahmeplatte 16. Der Kugelhalter 14 ist in einem Stehlagerblock oder Gehäuse 10' angeordnet, an dem das Spindel- und Antriebsgehäuse 58 befestigt ist, das einen Antriebsmotor 59 und eine Spindel 60 zur Anbringung eines Werkzeugs aufweist.

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Claims

Patentansprüche

1. Linearbewegungs-Kugellager für eine axiale Bewegung längs eines Schaftes, insbesondere die Bewegung des Spindelantriebs und der Spindel einer Werkzeugmaschine längs zylindrischer Führungsstangen, mit einem mehrere Laufbahnen aufweisenden Kugelhalter, die Umlaufkugellagerglieder mit einem Lastaufnahmeteil und einem lastfreien Teil aufweisen, wobei der Halter den Schaft umgibt und in einem Gehäuse mit einer zylindrischen Bohrung angeordnet ist, eine Lastaufnahmeplatte dem Lastaufnahmeteil jeder Laufbahn zugeordnet ist und jede Lastaufnahmeplatte einen dickeren Mittelteil aufweist, der mit dem Gehäuse in Berührung steht,

dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ausnehmung (20) auf der Außenseite jeder Lastaufnahmeplatte (16) ein langgestreckter Streifen (22) aus elastomerem Material in Längsrichtung angeordnet ist, daß der Streifen (22) und der dickere Mittelteil (17) der Lastaufnahmeplatte (16) mit der Bohrung des Gehäuses (10, 10.') in Berührung stehen, daß die Kugeln (B) in dem Gehäuse (10, 10¹) aufgrund der Berührung mit diesem entsprechend einer diametralen Stauchung, die zwischen etwa 43 und 56 Mikrometer liegt, vorbelastet sind und daß das elastomere Material um etwa 130 Mikrometer gestaucht ist.

2. Kugellager nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material eine Shore-Härte von etwa 70 aufweist.

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