DE2837374C2

DE2837374C2 - Linearbewegungs-Kugellager

Info

Publication number: DE2837374C2
Application number: DE2837374A
Authority: DE
Inventors: William Edward East Greenwich R.I. Headen; George Napoleon Warwick R.I. 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: 1982-06-16
Also published as: GB2012887B; CA1073954A; US4128278A; JPS5827406B2; DE2837374A1; GB2012887A; JPS5447052A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein 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 auf der Außenseite jeder Lastaufnahmeplatte ein sich in Schaftlängsrichtung erstreckendes elastomeres Material angeordnet ist das mit der Gehäusebohrung in Berührung steht und gestaucht ist

Ein derartiges Lager ist aus der US-PS 40 05 913 bekannt Bei diesem Lager stützt sich die Lastaufnahmeplatte allein über das elastomere Material und nicht direkt an der Innenseite der Gehäusebohrung ab. Dadurch erhält das Lager in der Gehäusebohrung ein radiales Spiel. Die »statische« (radiale) Steifigkeit des Lagers ist im wesentlichen nur durch das elastische Material bestimmt und daher verhältnismäßig gering. Eine hohe statische Steifigkeit wird angestrebt, damit das Lager die sich auf dem Schaft verschiebende Vorrichtung richtig abstützt, so daß Lager und Schaft möglichst koaxial ausgerichtet bleiben. Sodann nimmt bei dem bekannten Lager die Dicke des elastischen Materials in Schaft-Längsrichtung von der Mitte zu den Enden hin ab. Auf diese Weise läßt sich nur eine geringe »dynamische« Steifigkeit oder Stoßdämpfung während des Betriebs erzielen, die einer radialen Durchbiegung der Lastaufnahmeplatte entgegenwirkt
Bei dem aus der US-PS 35 45 826 bekannten Linearbewegungs-Kugellager ergibt sich zwar eine höhere statische Steifigkeit aufgrund einer direkten Berührung (Metall auf Metall) eines dickeren Mittelteils der Lastaufnahmeplatte mit der Gehäusebohrung. Dagegen ist dort die dynamische Steifigkeit geringer, da

ίο kein elastomeres Material vorhanden ist

Bei dem aus der US-PS 38 93 732 bekannten Kugellager sind zur selbsttätigen axialen Ausrichtung des Lagers elastische O-Ringe vorgesehen, die so bemessen sein können, daß das Lager vorbelastet wird.

is Die US-PS 39 00 233 zeigt eine Längsnut in der Lastaufhahmeplatte zur Verteilung der Belastungskräfte auf Bereiche seitlich der Längsnut und damit zur Verringerung der Flächenpressung zwischen den Kugeln und der radial inneren Laufrille der Lastaufnahmeplatte. Ein elastomeres Material ist ebenfalls nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugellager der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem nicht nur eine höhere statische, sondern auch eine höhere dynamische Steifigkeit im Hinblick auf eine bessere Dämpfung des Lagers bei radialer Durchbiegung der Lastaufnahmeplatte erzielt wird.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst daß in einer Ausnehmung auf der Außenseite jeder Lastaufnahmeplatte ein langgestreckter Streifen aus dem elastomeren Material in Schaft-Längsrichtung angeordnet ist, daß jede Lastaufnahmeplatte einen dickeren Mittelteil aufweist, der mit der Bohrung des Gehäuses in Berührung steht, daß die Kugeln in dem Gehäuse aufgrund der Berührung von dickerem Mittelteil und Gehäuse 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

Während hierbei der dickere Mittelteil jeder Lastaufnahmeplatte aufgrund seiner (direkten) Berührung mit der Gehäusebohrung eine hohe statische Steifigkeit sicherstellt, bewirkt der langgestreckte elastomere Streifen eine erhebliche Verbesserung der dynamischen Steifigkeit Mit zunehmender Durchbiegung einer Lastaufnahmeplatte erhöht sich der Widerstand des langgestreckten elastischen Streifens bzw. seine Rückstellkraft und damit die Dämpfung, insbesondere an den Enden des Streifens. Die Stauchung führt zu einer weiteren Verbesserung sowohl der dynamischen als auch der statischen Steifigkeit.

Der Bereich der diametralen Stauchung von 43 Mikrometer bis 56 Mikrometer ist nicht allzu kritisch. Auch die Stauchung des elastomeren Streifens in der Größenordnung von 130 Mikrometer braucht nicht ganz genau eingehalten zu sein. Dennoch ergibt sich ein Linearbewegungs-Kugellager, das sich Fehlausrichtungen zwischen Schaft bzw. Welle und Gehäuse bzw. einem Stehlagerblock selbsttätig anpaßt

Bevorzugte AusfUhrungs- und Anwendungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Einzelteildarstellung eines erfindungsgemäßen Lagers,

F i g. 2 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Linearbewegungs-Kugellageranordnung,

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

F i g, 3A eine ähnliche Ansicht wie die nach F i g, 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 35 45 826 ausführlicher beschrieber· ist, so daß hier auf eine detalliertere 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 Ober den Umfang des Hallers verteilt angeordnete Lastaufnahmeplatten 16 sind mit einem vorspringenden oder dickeren Mittelteil 17 versehen, wie es in Fig.3 dargestellt ist. Die Lastaufnahmeplatten 16 weisen jeweifs eine sich in Längsrichtung erstreckende geradlinige Laufrille 18 auf, die die Kugeln Saufnimmt Auf der radial äußeren Seite dieses Lastaufnahmeteils 15 ist eine Ausnehmung 20 vorgesehen, in der ein Streifen 22 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 35 45 826 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 beschriebene Anordnung ist um eine zylindrische Stange 54 herum angeordnet, die an einem Konstruktionsteil 53 angebracht ist Anhand der F i g. 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 optimal Dämpfung zu erziele/t, sind jedoch noch bestimmte Faktoren zu berücksichtigen.

F i g. 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-Schwara-Neopren-Einsatzes in der Anordnung dar. Die Kurven 43,43' 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 Stwigendurchmesserzunahme gegenüber derjenigen Stange, die gerade einen zusätzlichen Dreh- und Gleitwiderstand aufnehmen wtiide, aufgetragen sind. Ferner wurden bei den Versuchen weitgehend Bedingungen nachgeahmt, denen Lagerbüchsen normalerweise in Werkzeugmaschinen ausgesetzt sind. Bei Werkzeugmaschinen liegt die natürliche oder Eigenfrequenz bei etwa 70 Hertz, und in F i g, 5 sind die Werie für die statische Steifigkeit dargestellt, die sich aus

ι ο 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 ferr'r, daß es bestimmte optimale Bedingungen gibt, um cie 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 Optimierung des dynamischen Verhaltens der Lagerbüchse. Zuviel ist ebenso schlecht wie zu wenig. 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 e!astomerer Streifen etwa zwischen 36 Mikrometer (0,0014 Zoll) und 56 Mikrometer (0,0022 Zoll).

Bei diesem speziellen Ausführungsbeispie! biegen sich die Platten 16 bei Belastung so weit durch, daß die Bewegung der Lastaufnahmeplatte reiaSiv 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 Auslenkung des Schaftes oder einer Bewegung

so 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 38 93 732, 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 gehäu.eseitigen 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 38 93 732 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 entsprechend der 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 ausgebildetes Lager angeordnet war, dessen Vorbelastung einer diametralen Stauchung von etwa 0,043 mm (0,00t 7 Zoll) entsprach. Hier wurde eine schwingende Kraft mit einer konstanten Amplitude und verschiede-

j nen Frequenzen aufgebracht, und die Amplitude der Kraftvibration wurde in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet. Wie deutlich zu erkennen ist, handelt es sich hierbei um ein einfaches Feder-Masse-Dämpfer-System, bei dem eine erhebliche Verringerung

ίο der Vibrationsamplitude durch die Verwendung der elastomeren Streifen auftrat

In Fi g. 7 ist ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Linearbewegungs-Kugellager dargestellt. An einem Maschinenständer 30 sind zwei

ι-, Führungsschienen oder -stangen 52, 52' angeschweißt. Jede Schiene besteht aus einem Bauteil 33, 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

lltlfl TCi vrciiuct wuiuc. l/ic -'" t^autt/aiiu*.!! mit

hervorragenden Ergebnisse sind in F i g. 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 viif uai in «mivrciat, uiiu jcuc LfC3ll£l

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.

Hier/u 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Linearbewegungs-KugelJager 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 auf der Außenseite jeder Lastaufnahmeplatte ein sich in Schaftlängsrichtung erstreckendes elastomeres Material angeordnet ist, das mit der Gehäusebohrung in Berührung steht und gestaucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ausnehmung (20) auf der Außenseite jeder Lastaufhahmeplatte (16) ein langgestreckter Streifen (22) aus dem elastomeren Materia! in Schaftlängsrichtung angeordnet ist, daß jede Lastaufnahmeplatte (16) einen dickeren Mittelteil (17) aufweist, der mit der Bohrung des Gehäuses (10; 10') in Berührung steht, daß die Kugeln (B) in dem Gehäuse (10; 10') aufgrund der Berührung voa dickerem Mittelteil (17) und Gehäuse 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. Kuge''ager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material eine Shore-Härte von etwa 70 aufweist