DE3028106A1

DE3028106A1 - Lageranordnung fuer werkzeugmaschienenspindeln

Info

Publication number: DE3028106A1
Application number: DE19803028106
Authority: DE
Inventors: Fracois C. Pully Pruvot
Original assignee: F Jos Lamb Co
Current assignee: F Jos Lamb Co
Priority date: 1980-07-18
Filing date: 1980-07-24
Publication date: 1982-02-11
Also published as: GB2080443B; DE3028106C2; GB2080443A; FR2493206B1; FR2493206A1

Description

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Beschre ibung

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine drehbare Welle, insbesondere eine Spindel einer Werkzeugmaschine hoher Präzision; die Lageranordnung benutzt Wälzlager.

Lager für herkömmliche Hochpräzisions- Werkzeugmaschinenspindeln und für Wellen anderer Maschinentypen fallen häufig vorzeitig aus; die Gründe hierfür können nicht auf die externe Belastung, die von den Schneidkräften oder anderen externen Kräften auf die Spindel bzw. Welle ausgeübt werden/ zurückgeführt werden. Viele Versuche wurden gemacht, um ein solches Versagen zu verhindern. Wenn auch einige Versuche bis zu einem gewissen Grad erfolgreich waren, ging jedoch der größte Teil dieser Erfolge zu Lasten der Präzision sowie der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung.

In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Werkzeugmaschinenspindel beschrieben; die Erfindung ist jedoch auch bei vielen anderen Maschinentypen mit Hochpräzisions-Wellen anwendbar.

Bei einer vorbekannten Spindelanordnung ist ein hinteres Lager mit unter winkliger Berührung stehenden Wälzkörpern vorgesehen, wobei der äußere Lagerring durch axiale Federn vorgespannt ist, um auf die Wälzkörper eine konstante Last auszuüben. Dies wird dadurch erreicht, daß der äußere Lagerring des federbelasteten Lagers in der Bohrung des Spindelgehäuses gleitbar angeordnet wird, um die Spindelgenauigkeit aufrechtzuerhalten, muß das Spiel zwischen dem. äußeren Lagerring und der Bohrung des Gehäu-

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-Vi ses, in dem er angeordnet ist, in der Größenordnung von nur wenigen Micron liegen. Eine Spindelanordnung dieser Art erfordert daher nicht nur kostspielige Bearbeitungsgänge, sondern sie leidet auch unter einer Kontaktkorrosion zwischen dem Lagerring und der Gehäusebohrung, die nach einer gewissen Zeit das Lager daran hindert, in der gewünschten Weise zu arbeiten.

Bei einem weiteren Versuch zur Lösung dieses Problemes mit Hilfe von Kegelrollenlagern werden axial festgelegte innere und äußere Lagerringe und ein axial beweglicher Ring verwendet, der am große Ende der Kegelrollen anliegt. Dieser Ring hat die Form eines Ringkolbens, der durch am einen Ende des Kolbens aufgebrachten hydraulischen Druck verschiebbar ist, während das andere Ende an den Kegelrollen anliegt und somit eine vorgegebene axiale Kraft auf sie ausübt. Das vordere und hintere Lager der Spindelanordnung werden auf diese Weise vorgespannt. Bei dieser Anordnung wird der Ringkolben durch die Kegelrollen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen irgendwelcher Komponenten der Spindelanordnung axial verschoben, und der Kolben hält somit die auf die Rollen ausgeübte Kraft und damit die Vorspannung der Lager konstant. Diese Anordnung besitzt jedoch mehrere Nachteile. Das Lager selbst ist teuer. Es erfordert einen relativ langen Überhang zwischen dem hinteren Lager und dem Antrieb am rückwärtigen Ende der Spindel. Außerdem erfordert eine Spindelanordnung dieser Art eine getrennte kostspielige Einheit zur Erzeugung von Hydraulikdruck. Ferner erfordert diese Spindelanordnung einen ölkreislauf, da diese Spindelanordnung nur durch öl und nicht durch Fett geschmiert werden kann; in vielen Fällen sind Hilfseinrichtungen wie Wärmetauscher, Filter usw. erforderlich.

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Bei einem weiteren Versuch zur Lösung der oben geschilderten Probleme werden Lager mit einem dünnwandigen äußeren Lagerring verwendet, der am einen Ende am Spindelgehäuse festgespannt ist, wobei die Wälzkörper angrenzend am gegenüberliegenden Ende des Lagerringes angeordnet sind. Der Innendurchmesser des äußeren Lagerrings ist so vorbestimmt, daß die Wälzkörper am inneren Lagerring vorgespannt werden. Die Dicke des äußeren Lagerrings ist so vorbestimmt, daß er sich in .Abhängigkeit von den radialen Kräften, die von den sich thermisch ausdehnenden Wälzkörpern auf ihn ausgeübt werden, in ümfangsrichtung ausdehnt, ohne daß die vorgegebene anfängliche Vorspannung des Lagers merklich vergrößert wird. Der offensichtlichste Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß das Lager nicht den Standardlagergrößen entspricht und daher kostspielig ist und auch nicht gegen Standardlager ausgetauscht werden kann.

Bei einer weiter vorbekannten Spindelanordnung werden herkömmliche Kugellager am vorderen und hinteren Ende der Spindel verwendet. Der äußere Lagerring des vorderen Lagers wird im Spindelgehäuse fest abgestützt, und der äußere Lagerring des hinteren Lagers wird durch eine ringförmige Scheibe abgestützt. Da die Scheibe relativ große Verschiebungen der Spindel, die von einer thermischen Ausdehnung der verschiedenen Teile der Spindelanordnung herrühren, aufnehmen muß, wird der Außendurchmesser der Scheibe relativ groß. Dies vergrößert nicht nur den Außendurchmesser des Spindelgehäuses auf einen relativ großen Wert im Vergleich zum Durchmesser des Lagers, sondern, was noch wichtiger ist, der große Außendurchmesser der Scheibe hat einen Verlust an

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radialer Steifigkeit und somit einen Verlust an Präzision der Spindel zur Folge.

Bei einer weitere vorbekannten Spindellageranordnung zum Aufrechterhalten einer im wesentlichen konstanten Vorspannung der Lager werden zwei vordere Lager des üblichen Kugellagertyps mit winkli-* ger Berührung verwendet. Zwei hintere Lager mit winkliger Berührung sind innerhalb eines zylindrischen Lagergehäuses abgestützt, das seinerseits in einer Bohrung am hinteren Ende des Gehäuses mittels einer oder mehrerer Tellerfedern abgestützt ist. Das Lagergehäuse ist mit Paßsitz auf dem inneren Umfang der Tellerfedern geführt, und der Außenumfang der Tellerfedern ist mit Paßsitz in der Bohrung des Spindelgehäuses angeordnet. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, daß die Tellerfedern unabhängig von einer thermischen Ausdehnung der Komponenten der Spindelanordnung eine im wesentlichen konstante Vorspannung der Lager aufrechterhalten. Da jedoch die Lager einen herkömmlichen Aufbau haben, wird die axiale Nachgiebigkeit der Tellerfedern in Abhängigkeit von der thermischen Ausdehnung notwendigerweise relativ hoch. Aus diesem Grund muß der Außendurchmesser der Tellerfedern relativ groß sein und/oder die Tellerfedern selbst müssen sehr dünn sein. Abgesehen von den Abmessungserfordernissen der Tellerfedern hat diese Lageranordnung einen weiteren schwerwiegenden Nachteil. Eine Tellerfeder verformt sich in der gewünschten Weise nur dann, wenn der innere und äußere Umfang sich frei ausdehnen und zusammenziehen kann. Wenn der innere oder äußere Umfang einer Tellerfeder durch eine Paßsitzzentrierung auf einem starren Teil gehalten wird, verringert sich die Flexibilität der Tellerfeder. Wenn sowohl der Innen- wie auch Außendurchmesser einer Tellerfeder in dieser Weise gehalten wird, wird die Steif-

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hext der Federscheibe extrem groß, und zwar um ein Mehrfaches größer als einer Tellerfeder, die in der normal erwünschten Weise benutzt wird. Bei dieser Lageranordnung, bei der sowohl der Innen- wie auch Außenumfang der Tellerfedern an einer Radialbewegung gehindert werden, entwickeln sich außerdem extrem hohe Druckspannungen sowohl im Lagergehäuse wie auch im Spindelgehäuse. Diese Spannungen sind häufig größer als die Streckgrenze des Materials, aus dem das Lagergehäuse und das Spindelgehäuse bestehen, und somit entwickelt sich ein Spiel zwischen dem Spindelgehäuse und dem Lagergehäuse. Selbst wenn die Tellerfedern in dieser Lageranordnung relativ großen Kräften ausgesetzt werden, entwickeln die minimalen Verschiebungen zwischen den Tellerfedern und den Sitzen am Lagergehäuse und Spindelgehäuse ein "Fressen", d.h. eine Kontaktkorrosion, die ebenfalls ein Spiel und möglicherweise sogar einen vollständigen Ausfall der Spindel zur Folge hat.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Vorspannung der Lager einer Spindelanordnung im wesentlichen konstantgehalten werden, während gleichzeitig die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden sollen. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Vorspannung unabhängig von den Betriebsparametern der Spindel wie Zeit, Drehzahl, Last, usw. im wesentlichen konstantgehalten. Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Lageranordnung die Verwendung von Lagern mit Standardabmessungen und Standardaufbau, und es ist auch nicht erforderlich, daß bestimmte Spindelkomponenten mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden, ohne daß die Präzision der Spindel selbst beeinträchtigt wird.

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Durch die Erfindung soll ferner eine Lageranordnung geschaffen werden, bei der die äußeren Lagerringe sich in Abhängigkeit von einem Anstieg ihrer Temperatur so ausdehnen können, daß die axiale Verschiebung der Spindel minimal bleibt.

Insbesondere soll der äußere Lagerring bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Lageranordnung die Möglichkeit haben, sich in der gleichen Weise thermisch auszudehnen, wie sich der Durchmesser der von den Wälzkörpern gebildeten kreisförmigen Umhüllung in Abhängigkeit von einer Änderung der Betriebsparameter vergrößert, so daß bei instationären Zuständen eine im wesentlichen konstante Vorspannung des Lagers aufrechterhalten wird. Außerdem ist der äußere Lagerring so aufgebaut, daß die Temperatur des äußeren Lagerrings, wenn die Spindel in einem Gleichgewichtszustand arbeitet, zu der Temperatur der Wälzkörper so in Beziehung steht, daß das Ausmaß der thermischen Ausdehnung sowohl der Wälzkörper wie auch des äußeren Lagerringes eine im wesentlichen konstante Vorspannung der Lager aufrechterhält.

Ferner soll durch die vorliegende Erfindung ein einfaches Mittel zum Ändern der Vorspannung der Lager angegeben werden, ohne daß eine Bewegung zwischen den Lagerringen und ihren Lagerflächen erforderlich ist.

Die Erfindung ist in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Anhand.der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eim erfindungsgemäß ausgebildete Werkzeugmaschinenspindel;

Fig. 2 eine fragmentarische Schnittansicht durch das vordere Spindellager zur Veranschaulichung einer Maßnahme zum Vergrößern der Wärmedissipation im Bereich des thermischen Adapters und des äußeren Lagerrings;

Fig. 3 eine fragmentarische Schnittansicht des vorderen Spindellagers zur Veranschaulichung einer Maßnahme zum Verringern der Wärmedissipation im Bereich des thermischen Adapters und des äußeren Lagerrings;

Fig. 4 eine fragmentarische Schnittansicht des vorderen Spindellagers zur Veranschaulichung einer Maßnahme zum Dämpfen der Bewegung der vom thermischen Adapter und dem äußeren Lagerring gebildeten Anordnung relativ zum Spindelgehäuse;

Fig. 5 eine fragmentarische Schnittansicht des vorderen Spindellager zur Veranschaulichung eines äußeren Lagerringes, der einstückig mit dem thermischen Adapter ausgebildet ist;

Fig. 6 eine fragmentarische Schnittansicht des hinteren Spindellagers zur Veranschaulichung einer Maßnahme zum Vorspannen des Lagers sowie einer abgewandelten Ausführungsform des thermischen Adapters.

Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, sollen bestimmte Ausdrücke und Zustände, die in der Beschreibung und den Ansprüchen wiederholt verwendet werden, definiert werden.

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Ein thermischer Gleichgewichtszustand bzw. thermisches Gleichgewicht herrscht dann, wenn bei einem gegebenen Satz von Betriebsparametern die Temperatur jedes oder aller Punkte im Spindellager und Spindelgehäuse jeweils einen Wert erreicht, der sich danach nicht mehr ändert. Mit anderen Worten, bei thermischem Gleichgewicht herrscht eine konstante Temperaturverteilung in der Spindel, den Lagern und im Gehäuse für einen vorgegebenen Satz von Betriebsparametern. Die wichtigsten dieser Betriebsparameter sind Spindeldrehzahl und Last, und von geringerer Bedeutung die UmgebungskühIbedingungen für Spindel und Gehäuse.

Ein instationärer thermischer Zustand herrscht unmittelbar nach einer Änderung eines oder mehrerer der Betriebsparameter, und zwar solange, bis ein neues thermisches Gleichgewicht erreicht ist. In einigen Fällen erreicht ein instationärer thermischer Zustand (Übergangszustand) kein thermisches Gleichgewicht, stattdessen baut sich die Wärme lokal soweit auf, bis ein Versagen des Lagers die Folge ist. Beispielsweise bewirken eine zu große Belastung oder Drehzahl des Lagers einen solchen instabilen Zustand. Wenn ein thermischer instationärer Zustand zu thermischem Gleichgewicht führt, ist das System stabil, und allgemein läßt sich sagen: Je stabiler das System ist, desto rascher ist thermisches Gleichgewicht erreicht.

Ein instationärer thermischer Anfangszustand ergibt sich, wenn sich eine Spindel aus dem Stillstand zu drehen beginnt, und zwar ausgehend von einem Zeitpunkt, zu dem sämtliche Teile der Spindel, des Lagers und des Gehäuses eine gemeinsame Umgebungstemperatur besitzen. Dieser instationäre thermische Anfangszustand

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setzt sich fort, bis thermisches Gleichgewicht erreicht ist, was in einigen Fällen Stunden dauern kann; andernfalls, wenn zu hohe Belastungen und/oder Drehzahlen im Lager auftreten, kann der instationäre thermische Anfangszustand in einer Überhitzung und entsprechenden Lagerschaden enden.

Wie bereits eingangs erwähnt, soll durch die vorliegende Erfindung ein Spindel-Lager- und Gehäusesystem geschaffen werden, das unter einer großen Vielfalt von Betriebsbedingungen hinsichtlich Belastung und Drehzahl, insbesondere bei Betrieb unter sehr hohen Drehzahlen, von Hause aus stabil ist.

Bekanntlich ist es zur Erzielung einer starren und präzisen Lageranordnung notwendig, die Lager vorzuspannen, d.h. die Laufflächen und Wälzkörper sind so angeordnet, daß die Wälzkörper unter einer Druckspannung zwischen den Laufflächen stehen, und zwar selbst bei Fehlen von äußeren Belastungen der Spindel. Wenn eine Spindel, die in solchen vorgespannten Lagern gelagert ist, umläuft, ist ein Drehmoment erforderlich, das zum Grad der Vorspannung in Beziehung steht. Dieses Drehmoment, multipliziert mit der Drehzahl, ist die Leistung bzw. Energie pro Zeiteinheit, die innerhalb der Lager abgeführt werden muß, was tatsächlich eine Umwandlung der mechanischen Energie in thermische Energie bzw. Wärme darstellt.

Es ist erwünscht, den Vorgang, durch den die mechanische Energie in Wärme umgewandelt wird, theoretisch zu untersuchen. In jedem Berührungsbereich zwischen Wälzkörper und Lauffläche werden sowohl der Wälzkörper wie auch die Lauffläche örtlichen Spannungen,

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üblicherweise als Hertzsche Spannungen bezeichnet, unterworfen, die die örtliche Verformung sowohl des Wälzköprers wie auch der Lauffläche begleiten. Diese haben ungefähr die gleiche Größe auf beiden Seiten einer Berührungsfläche zwischen Wälzkörper und Lauffläche. Jeder vorgegebene Abschnitt eines Wälzkörpers bzw. einer Lauffläche wird wiederholt verformt und unter Spannung gesetzt, und dann wieder in einen verformungs- und spannungsfreien Zustand entlastet, während das Lager rotiert. Aufgrund der Hysterese des Materials und anderer sekundärer Gründe wird ein gewisser kleiner Teil der Verformungsenergie in Wärme umgewandelt. Die wichtige Erkenntnis ist nun, daß die Größe der auf beiden Seiten einer Berührungsfläche erzeugte Wärme im wesentlichen gleich ist; d.h., die Wärme, die innerhalb der Wälzkörper aufgrund der Berührung mit einer Lauffläche erzeugt wird, ist im wesentlichen gleich der Wärme, die in dieser Lauffläche erzeugt wird. Die gesamte Wärme, die innerhalb des Wälzkörpers erzeugt wird, ist daher exakt die gleiche wie die Wärme, die in beiden Laufflächen erzeugt wird, oder die Hälfte der Gesamtwärme, die im gesamten Lager erzeugt wird, wobei ein Viertel der gesamten erzeugten Wärme daher in jeder Lauffläche auftritt. Diese theoretisch angegebene Wärmeverteilung ist durch Versuche erhärtet worden.

Es muß nun der Vorgang der Wärmedissipation und -verteilung betrachtet werden. Unter der Annahme eines nichtexternen Schmier- und Kühlsystems können die Wälzkörper die in ihnen selbst erzeugte Wärme nur durch Konvektion oder durch Zurückführung zu den Laufflächen abgeben. Da die Berührungsflächen zwischen den Wälzkörpern und den Laufflächen sehr klein sind, ist der Wärme-

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verlust durch Leitung sehr klein, und der Hauptteil· der Wärme muß durch Konvektion zu der umgebenden Atmosphäre innerhaib des Spindel·gehäuses abgegeben werden. Es l·äßt sich auch zeigen, daß bei der reiativ niedrigen Temperatur die Dissipation durch Strahlung unbedeutend ist.

Bei den herkömmlichen Lageranordnungen erfolgt die Wärmedissipation der Laufflächen durch Ableitung zu der Spindel und zum Spindelgehäuse und zu einem geringeren Grad durch Konvektion. Die Auswirkung der Lagervorspannung muß für jede Lauffläche getrennt betrachtet werden, und zwar sowohl für den stationären wie auch den instationären Zustand. Der instationäre thermische Zustand wird zuerst betrachtet.

Der innere Lagerring sitzt üblicherweise in Paßsitz oder Preßsitz auf der Spindel selbst. Der Paßsitz stellt eine gute Leitfähigkeit zwischen dem inneren Lagerring und der Spindel sicher. Im instationären thermischen Anfangszustand hindert die große thermische Masse der Spindel· den inneren Lagerring an einem nennenswerten raschen Temperaturanstieg, und seibst wenn sich ein Temperaturunterschied zwischen dem inneren Lagerring und der Spindel· entwickein soll·te, erzeugt dies nur eine geringfügige Durchmesseranderung in der Lauffiäche des inneren Lagerringes, was eher dazu tendiert, die vorhandenen Zugspannungen im Lagerring aufgrund des Preßsitzes zu verringern, ohne von einer entsprechenden Durchmesseranderung begieitet zu sein. Praktisch bedeutet dies, daß die Wälzkörperl·auffläche des inneren Lagerringes während des instationären thermischen Anfangszustandes und aus den gleichen Gründen während sämtlicher instationärer thermischer

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Zustände einen konstanten Durchmesser besitzt.

Das thermische und dimensionale Verhalten des äußeren Lagerrings bei herkömmlichen Lageranordnungen ist sehr kritisch. Wenn er im Paßsitz (oder gar im Preßsitz) in das Gehäuse eingesetzt ist, was üblich ist, kann sich sein Wälzdurchmesser unter thermischen Belastungen nur geringfügig vergrößern, und zwar wegen des Widerstandes, der von den sehr viel schwereren Abschnitten des Gehäuses auf ihn ausgeübt wird.

Außerdem kann bei dem instationären thermischen Anfangszustand die im äußeren Lagerring erzeugte Wärme durch seine Berührung mit dem Gehäuse, das als Wärmesenke wirkt, rasch abgeleitet werden.

Bei einer herkömmlichen Lageranordnung tritt daher, zusammengefaßt, im instationären thermischen Anfangszustand folgendes auf: der innere Lagerring dehnt sich, wenn überhaupt, nur geringfügig aus, der äußere Lagerring dehnt sich ebenfalls nur geringfügig aus, und die Wälzkörper, die die geringste Masse haben, und genausoviel Wärmezufuhr erfahren wie der innere und äußere Lagerring gemeinsam, erwärmen sich sehr rasch. Die hierdurch bedingte Ausdehnung vergrößert die Vorspannung des Lagers, wodurch die erzeugte Wärme erhöht wird, und ein instabiler Zustand, der zu einem Versagen des Lagers führt, kann häufig erreicht werden. Dies läßt sich nur dadurch vermeiden, daß die anfängliche Vorspannung, falls überhaupt, sehr klein gewählt wird. Aber selbst dann ergibt sich ein von Hause aus instabiles Gebilde, und bereits eine kleine äußere Störung kann das System instabil machen, was zu einem Lagerversagen führt.

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Da die in den Lagerkomponenten anfangs erzeugte Wärmemenge im wesentlichen der Drehzahl der Spindel proportional ist, steht diese Instabilität direkt in Beziehung zur Drehzahl, und sie kann bei kleinen Drehzahlen überhaupt nicht auftreten.

Es sei der instationäre thermische Anfangszustand eines idealen Lagersystems unter folgenden nicht-änderbaren Einschränkungen betrachtet:

1. Der innere Lagerring behält einen im wesentlichen konstanten Durchmesser;

2. Eine Hälfte der Wärmezufuhr wird in den Wälzkörpern erzeugt;

3. Ein Viertel der Wärmezufuhr wird in jedem der beiden Lagerringe erzeugt;

4. Eine axiale Bewegung des inneren Lagerringes bezüglich des äußeren Lagerringes ist nicht zulässig bzw. nicht erwünscht.

Dann sollte sich im Idealfall der äußere Lagerring mit der gleichen Zeit-Durchmesser-Beziehung wie in der äußeren Umhüllung der Wälzkörper ausdehnen. Außerdem muß der äußere Lagerring so angeordnet werden, daß er sich thermisch ausdehnen kann. Dieses Ideal wird durch die vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen erreicht bzw. angestrebt.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine erfindungsgemäß ausgebildete Werkzeugmaschinenspindel 1o zeigt. Die Spindel 1o ist in einem Gehäuse 12 durch ein vorderes Lager 14 und ein hinteres Lager 16 drehbar gelagert. Für die Spindel ist ein Antrieb in Form einer Riemenscheibe 18 an ihrem hinteren Ende vorgesehen,

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Das vordere Ende der Spindel 1o trägt einen Werkzeughalter oder ein Werkstück (nicht gezeigt). Der innere Lagerring 2o des vorderen Lagers 14 ist mittels eines Abstandselementes 24, den inneren Lagerring 2 6 und des hinteren Lagers 16, die Riemenscheibe 18 und eine Spannmutter 28 verspannt, die mit dem Gewinde am hinteren Ende der Spindel 1o zusammenwirkt. Der äußere Lagerring des vorderen Lagers 14 ist mit 3o und der äußere Lagerring des hinteren Lagers 16 mit 32 bezeichnet. Zwischen den inneren und äußeren Lagerringen jedes Lagers befindet sich in üblicher Weise eine Reihe von Wälzkörpern, vorzugsweise kegelige Rollen 34,36. Der äußere Lagerring 3o des vorderen Lagers 14 ist im Paßsitz oder Preßsitz in einen thermischen Adapter 38 eingesetzt, der im Gehäuse 12 durch eine zylindrische Fläche 40 geführt ist. Der thermische Adapter 38 ist axial gegen das Gehäuse 12 positioniert und ist in dieser Lage durch einen Deckel 44 festgespannt, der am Gehäuse 12 durch Schrauben 46 befestigt ist. Der thermische Adapter 38 besitzt einen verdünnten Abschnitt 48, der als thermische Sperre zwischen dem Sitz 50 für den äußeren Lagerring 30 und dem Führungsteil 52 sowie der Schulter 54 wirkt. Zwischen dem Deckel 44 und der Spindel 10 ist eine Dichtung 56 vorgesehen.

Ein wichtiges Merkmal der beschriebenen Konstruktion bildet der verdünnte Abschnitt 48, der als thermische Sperre wirkt, jedoch als vollständig kreisförmiger Abschnitt relativ kurzer Länge für eine ausreichende axiale und radiale Festigkeit für die Befesti-

sorgt

gung des äußeren Lagerringes 30% Die Länge des kreisförmigen Abschnittes 4 8 wird so festgelegt, daß die radiale Verschiebung des Sitzes 50 aufgrund einer auf die Spindel ausgeübten externen radialen Kraft in allen Fällen kleiner als die radiale Verschie-

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bung der Spindel relativ zum äußeren Lagerring bei dieser Belastung ist. Obwohl der verdünnte Abschnitt 48 eine ausreichende radiale und axiale Festigkeit liefert, erlaubt er dennoch die erforderliche Ausdehnung des äußeren Lagerringes 3o und Sitzes 5o, wobei er sehr geringfügig konisch wird, wenn dies eintritt. Wenn vorübergehend angenommen wird, daß der Abschnitt 48 als perfekte thermische Sperre wirkt, d.h. daß unabhängig von irgendwelchen Temperaturdifferenzen ein Wärmestrom durch den Abschnitt 48 erfolgt, und wenn weiter vorübergehend angeommen wird, daß von den Wälzkörpern 34 keine konvektive Wärmedissipation erfolgt, kann die folgende Analyse durchgeführt werden.

Jederzeit während des instationären thermischen Anfangszustandes, bei dem die obigen Annahmen zutreffen, wird im Lager 14 eine Wärmemenge Q erzeugt, wobei 1/2 Q in den Wälzkörpern 34 und 1/4 Q in jedem der Lagerringe 2o, 3o verbleibt. Es sei ferner angenommen, daß die spezifische Wärme und die Ausdehnungskoeffizienten beider Lagerringe und der Wälzkörper die gleichen sind, was eine zulässige Annahme ist, da die Materialien nahezu unveränderbar die gleichen sind.

Wenn die gesamte Masse der Wälzkörper 34 als M. definiert wird und die Masse des äußeren Lagerringes 3o plus der Masse des thermischen Adapters 38 zwischen der thermischen Sperre 48 und dem äußeren Lagerring 30 al-s M₂, so gilt für die Temperaturerhöhung in denWälzkörpern 34:

1/2 Q

Δ T₁ = (D

¹ M₁ G^

¹ -28-

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Für die Temperaturerhöhung im äußeren Lagerring 30 und in dem äußeren Abschnitt 50 des thermischen Adapters 38 gilt:

1/4 Q A

(2)

Hierin bedeutet fir die spezifische Wärme der Komponenten.

Wenn der mittlere Laufflächendurchmesser des inneren Lagerringes 20 als D_n definiert wird, der, wie erläutert wurde, zumindest während des instationären Zustandes über der Zeit unveränderlich ist, und wenn der mittlere Durchmesser der Wälzkörper 34 als D₁ bei Umgebungstemperatur und der mittlere Durchmesser des äußeren Lagerrings 30 als D₂ bei Umgebungstemperatur definiert wird, so ergibt sich für die anfängliche Vorspannung des Lagers, ausgedrückt als Überlappungsgröße

¹O ^{= D}2 - ^{2 D}1 - ^D0

Nachdem die Wärmemenge Q einige Zeit nach dem Anlassen im Lager 38 erzeugt worden ist, bleibt der Durchmesser D„ auf dem Wert D„, während sich der Durchmesser der Wälzkörper um die thermische Ausdehnung vergrößert, die sich ergibt aus:

Δ D₁ = Δ T₁ ^ D₁ (4),

worin Y\^ der Ausdehnungskoeffizient ist. Durch Einsetzen der Gleichung 1 in 4 erhält man:

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1/2 Q^

= —J (5)

M &

In der gleichen Weise ist die Ausdehnung des äußeren Lagerringes und des thermischen Adapters gegeben durch:

d₂ (6)

Durch Einsetzen der Gleichung 2 in 6 erhält man:

1/4 QhD₉
A D„ = -^ (7)

M₂ 6

Es sei für den Augenblick angenommen, daß sich die Spindel nicht axial bewegt; die dimensionale Überlappung I_Q aufgrund der im Lager erzeugten Wärmemenge Q ist gegeben durch:

i_Q = D₂ +Ad₂ - 2 (D₁ + Δ D₁J-D₀ (8)

Damit die Vorspannung des Lagers die gleiche bleibt, nachdem die Wärmemenge Q im Lager erzeugt worden ist, muß gelten:

¹O ^{= 1}Q

- 2 D₁ - D₀ = D₂ +4d₂ " ^{2 (D}1 "MD.,) - D₀ (9)

Nach Vereinfachung erhält man:

₂ = 2 Ad₁ do)

Durch Einsetzen der Gleichungen 5 und 7 in die Gleichung 10 er-

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hält man:

1/4 Q D„ 1/2 Q D₁ £ ₌ 2 L

1/4

^D2
M = 1/4 M₁ — (11).

^D1

Die Gleichung 11 definiert die ideale Masse des äußeren Lagerrings 30 des Lagers 14 und des Abschnittes 50 des thermischen Adapters 38 jenseits der thermischen Sperre 48, derart, daß die Vorspannung des Lagers während des instationären thermischen Zustandes konstant bleibt, und sie wird als ideale Massenbeziehung bezeichnet.Dies gilt unter der Annahme, daß keine Wärme durch Konvektion oder Leitung aus den Wälzkörpern heraus und keine Wärme durch Konvektion oder Leitung aus der äußeren Lagerringanordnung, d.h. dem äußeren Lagerring 30 und dem äußeren Abschnitt 50 des thermischen Adapters 38 heraus verlorenging.

Diese Annahmen sind zutreffend ganz zu Anfang eines instationären Zustandes, ehe die Wärmeverluste aufgrund des Temperaturanstieges von Bedeutung sind. Anders ausgedrückt, zu Beginn eines instationären thermischen Zustandes, insbesondere des instationären thermischen Anfangszustandes wird die anfängliche Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung durch die thermischen Massen der beteiligten Komponenten bestimmt, und ihre ideale

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Massenbeziehung ist durch die Gleichung 11 gegeben. Wenn die Temperaturen ansteigen, müssen die Wärmeverluste berücksichtigt werden, und wenn man sich dem thermischen Gleichgewicht nähert, wird die Auswirkung der thermischen Massen relativ gering, und die durch den Wärmeverlust hervorgerufenen Vorgänge dominieren. Wenn jedoch die Temperaturanstiegverhältnisse der Komponenten bei Steuerung durch ihre Wärmeverluste die gleichen bleiben, wie wenn die Temperaturanstiegverhältnisse durch die thermischen Massen gesteuert werden, dann herrschen die gleichen idealen Bedingungen. Außerdem läßt sich einsehen, daß, falls die Wärmeverluste der Wärmeerzeugung innerhalb der Komponenten proportional ist, die Temperaturanstiegverhältnisse "ideal" bleiben.

Es ist daher wichtig, das Verhältnis des Temperaturanstieges der Wälzkörper zum Temperaturanstieg der äußeren Lagerringanordnung für den idealen Zustand zu bestimmen, d.h., die Aufrechterhaltung einer konstanten Vorspannung des Lagers 14, wobei die Spindel keine Axialbewegung besitzt. Das Verhältnis aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt:

Δ T₁

^Ί - ' (12)

Λ τ₂

1	/2	Q
M	_Ί -
1	/4	Q

M₂

oder .

Δ τ₂ M₁

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-ν- 3Q28108

Aus der Gleichung 11 ergibt sich jedoch für die ideale Massenbeziehung:

M₂ D₂

Die ideale Temperaturanstiegbeziehung ist daher:

^T1 ^D2

—!— = 1/2 —-— (15)

D₂
T₁ = 1/2 -=- T₇ (16)

^D1

^D2

Bei den meisten praktischen Lagern liegt die Größe 1/2

^D1

im Bereich von 3 bis 5. Das Verhältnis des Temperaturanstiegs der Wälzkörper zum Temperaturanstieg der äußeren Lagerringanordnung muß daher in dieser Größenordnung liegen. Es ergibt sich dann das Problem, daß bei einem solchen Temperaturanstiegverhältnis die Wälzkörper die geforderte doppelte Wärmemenge im Vergleich zum Wärmeverlust der äußeren Lagerringanordnung verlieren. Durch Versuche und durch die folgende qualitative Untersuchung läßt sich zeigen, daß dies ein sinnvoller Zustand nur dann ist, wenn der Wärmeverlust der äußeren Lagerringanordnung durch die thermische Sperre 48 sehr klein ist.

Die thermischen Wärmeverlustanforderungen sind dann im wesentlichen die, daß die äußere Lagerringanordnung, die im Idealfall einen Temperaturanstieg von 1/5 bis 1/3 des Temperaturanstieges der Wälzkörper besitzt, Wärme nicht schneller als mit 1/2 der

⁽ -130066/0420 "³*·

Wärmeverlustgeschwindigkeit der Wälzkörper verliert. Dies ist eine sinnvolle und realistische Annahme nur dann, wenn beide den größten Teil ihrer Wärme durch Konvektion verlieren. Wenn die in der äußeren Lagerringanordnung erzeugte Wärme durch Leitung zum Gehäuse 12 abgeleitet werden kann, ist der erforderliche Temperaturanstieg der Lagerringanordnung, wie er durch die Gleichung 16 gegeben ist, nicht erreichbar. Außerdem wird diese Wärme an das Gehäuse übertragen, was größere Verformungen und geometrische Verschiebungen hervorruft, die der Maschinengenauigkeit abträglich sind.

Es läßt sich einsehen, daß die äußere Lagerringanordnung die in ihr selbst erzeugte Wärme primär durch Konvektion an die umgebende Atmosphäre verliert, wenn eine relativ kleine Wärmemenge durch Konduktion durch die thermische Sperre 48 hindurch verlorengeht. An ihren Außenflächen gibt die äußere Lagerringanordnung Wärme an die sie umgebende ruhende Atmosphäre ab, während sie an ihrer Innenfläche Wärme an die durch die Wälzkörper in Bewegung versetzte Atmosphäre abgibt. Die Wälzkörper, die im Idealfall einen Temperaturanstieg von drei- bis fünfmal den der äußeren Lagerringanordnung haben, geben Wärme durch Konvektion an eine Atmosphäre ab, die durch die Wälzkörper in heftige Bewegung versetzt wird. Da der Bereich der äußeren Lagerringanordnung, der der bewegten Atmosphäre ausgesetzt ist, kleiner, jedoch in derselben Größenordnung wie der Bereich der Wälzkörper ist, ist es möglich, daß die äußere Lagerringanordnung nicht genügend thermische Leitung abgibt, um die oben angegebenen Bedingungen zu erfüllen. Die von der äußeren Lagerringanordnung abgegebene Wärme kann durch an ihr vorgesehene Rippen 58, wie

130066/0420 "³^"

in Fig. 2 dargestellt, vergrößert werden. Wenn die Rippen in radialen Ebenen verlaufen, sollten sie in Umfangsrichtung in viele Abschnitte unterteilt sein, um eine nennenswerte erhöhte Dilatationssteifheit des Abschnitts 5 0 des thermischen Adapters 38 zu vermeiden. Gegebenenfalls können die Rippen 58 um den thermischen Adapter herum in Umfangsrichtung verteilt so angeordnet werden, daß sie in Ebenen verlaufen, die die Spindelachse enthalten. Es ist jedoch möglich, daß einige Spindelkonstruktionen eine heftig bewegte Atmosphäre um den gesamten Außenumfang des thermischen Adapters herum erzeugen. Unter diesen Umständen können die Wärmeverluste der äußeren Lagerringanordnung derart sein, daß die Temperatur der äußeren Lagerringanordnung nicht den oben angegebenen Bedingungen entspricht. Unter diesen Umständen können Iso— lierungsmittel vorgesehen werden, die die äußere Oberfläche der größeren Lagerringanordnung gegenüber der damit in Berührung stehenden bewegten Atmosphäre in erforderlichem Ausmaß isolieren. Eine bevorzugte Ausführungsform einer solchen Isolierung besteht aus einer Isolierungsschicht 60, wie in Fig. 3 dargestellt, die sich um die äußere Umfangsflache des Abschnittes 50 des thermischen Adapters 38 erstreckt.

Zusammengefaßt läßt sich sagen: Bei einer idealen Lageranordnung, bei der sich die Lagervorspannung während eines instationären thermischen Zustandes, insbesondere bei Betriebsbeginn, ohne Axialbewegung zwischen den inneren und äußeren Lagerringen, nicht ändert, sind zwei Idealzustandsbedingungen zu erfüllen, von denen jede verlangt, daß sich der äußere Lagerring soviel wie die äußere Umhüllung der Wälzkörper ausdehnt und daß natürlich der äußere Lagerring so angebracht ist, daß er diese Ausdehnung

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30281QB

zuläßt.

Bei Beginn eines instationären thermischen Zustandes, insbesondere bei Betriebsbeginn, wenn die thermischen Massen die Geschwindigkeit des Temperaturanstieges steuern, ist die ideale Masse der äußeren Lagerringanordnung gegeben durch die Beziehung:

^D2
M₉ = 1/4 M₁ ——

^D1 ·

Später, wenn die Wärmeverluste stärker ins Gewicht fallen als die thermischen Massen, ergibt sich das gesuchte ideale Temperaturanstiegsverhältnis aus:

^D2
T₁ = 1/2 -=- T₉

^D1

Dies wiederum erfordert, daß so wenig Wärme wie möglich aus der äußeren Lagerringanordnung durch Leitung verlorengeht. Dies kann durch Verwendung einer wirksamen thermischen Sperre wie dem dargestellten verdünnten Abschnitt 48 des thermischen Adapters 38 erzielt werden. Wenn auch der verdünnte Abschnitt 48 wegen seiner Einfachheit und geringen Kosten die bevorzugte Form einer thermischen Sperre ist, gibt es jedoch viele andere Möglichkeiten zur Erzielung des gleichen Ergebnisses. Beispielsweise kann die thermische Sperre aus einem Material mit guten mechanischen und thermischen Isolierungseigenschaften wie z.B. Keramik hergestellt sein und zwischen die Abschnitte 50 und 52 des thermischen Adapters so eingeführt werden, daß sie der äußeren Lagerringanordnung radiale Festigkeit verleiht.

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Unter Berücksichtigung dieser Umstände können sich die Auswirkungen, die sich bei Abweichung von diesen Idealen ergeben, unter sucht werden. Bei Beginn eines instationären thermischen Zustandes, bei dem der Effekt der thermischen Massen dominiert, hat eine Masse M₂ für die äußere Lagerringanordnung, die kleiner ist als die durch Gleichung 11 definierte ideale Masse, eine raschere Erwärmung und Ausdehnung der äußeren Lagerringanordnung als im Idealfall erforderlich zur Folge, wodurch die Lagervorspannung und der darausfolgende Wärmeaufbau verringert werden. Das Lager und seine Befestigung sind tatsächlich überstabilisiert, was unschädlich ist.

Wenn jedoch die Masse M₂ größer als die ideale Masse nach Gleichung 11 ist, erwärmt sich der äußere Lagerring langsamer, und er dehnt sich langsamer aus als im Idealfall, wodurch die Vorspannung und die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung erhöht werden, was in Richtung eines instabilen Zustandes tendiert, der durch die Verwendung einer kleineren statischen Vorspannung erreicht werden kann. Aber selbst dann, wenn M₂ etwas größer als im Idealfall ist, ergibt sich eine merkliche Verbesserung gegen-^ über vorbekannten Lageranordnungen.

Während des letzteren Teils des instationären thermischen Zustandes und anschließenden thermischen Gleichgewichtes, wenn die Wärmeverlustfaktoren dominieren, wird das ideale Temperaturanstiegverhältnis durch die Gleichung 16 wiedergegeben. Wenn die äußere Lagerringanordnung gegen einen Wärmeverlust zu stark isoliert ist, sind ihr Temperaturanstieg und die darausfolgende Ausdehnung größer als im Idealfall; dies verringert die Vorspan-

130066/0420 ~³

nung und den anschließenden Wärmeaufbau, und das Lager sowie seine Befestigung sind wiederum überstabilisiert, was akzeptabel ist.

Wenn dagegen die äußere Lagerringanordnung unzureichend isoliert ist, ist ihr Wärmeverlust größer als erforderlich, um die Idealbedingungen der Gleichung 16 zu erfüllen; der äußere Lagerring dehnt sich nicht genügend aus, und die Vorspannung nimmt zu, was eine noch größere Geschwindigkeit des Wärmeaufbaus in den Wälzkörpern zur Folge hat, was wiederum zu einem instabilen Zustand tendiert; dies kann durch Verwendung einer kleineren anfänglichen Vorspannung vermieden werden. Aber auch hier wieder, selbst ohne idealen Wärmesperrenschutz der äußeren Lagerringanordnung, hat selbst eine nur teilweise wirksame thermische Sperre einen besseren Lageraufbau als vorbekannte Lager zur Folge, bei denen überhaupt keine thermische Sperre verwendet wird.

Das Lager 14 verwendet eine zylindrische rohrförmige thermische Sperre 48, die axial und radial sehr steif ist und als solche vorteilhafterweise an demjenigen Ende einer Spindel verwendet wird, an dem das Werkzeug angebracht ist. Dieser Aufbau ist für eine solche Anwendung besonders geeignet, da zusätzlich zu der axialen Steifheit die Neigung einer Axialbewegung der Spindel aufgrund thermischer Bewegungen im Lager unter im wesentlichen idealen Bedingungen nicht gegeben ist, selbst wenn Kegelrollenlager verwendet werden. Andere Formen von rohrförmigen thermischen Sperren wie z.B. die konische Form bei 62 in Fig. 3 können verwendet werden.

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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen werden Lager
verwendet, die Standardabmessungen haben. Gegebenenfalls kann jedoch der äußere Lagerring einstückig mit dem thermischen Adapter ausgebildet werden. Diese Abwandlung ist in Fig. 5 gezeigt, wo
das Teil 64 sowohl den äußeren Lagerring wie auch den thermischen Adapter bildet.

Der vorstehend beschriebene thermische Adapter könnte logischerweise auch für das hintere Lager 16 benutzt werden, und die vorstehend beschriebenen Betriebseigenschaften wären für die gesamte Spindelanordnung gegeben. Die axiale Steifheit einer solchen Anordnung aus Lager und thermischen Adapter ist allerdings sehr
hoch. Ein sehr geringfügiger Längserstreckungsfehler irgendeiner der Komponenten der Spindelanordnung, die eine Beziehung zu der relativen axialen Lage der beiden Lager haben, würde daher zu
großen Änderungen in der anfänglichen Vorspannung führen. Außerdem könnte die kleinste Abweichung von den oben aufgestellten
Beziehungen, die die Folge eines kleinen Unterschiedes zwischen
tatsächlichem und theoretischem Zustand ist, beträchtliche Änderungen der tatsächlichen Belastung der Lager hervorrufen und
sogar ein Spiel oder Totraum innerhalb der Lager bewirken.

Aus diesen Gründen hat der thermische Adapter des hinteren
Lagers 16 einen anderen Aufbau. Dieser thermische Adapter ist
in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 66 bezeichnet.

Wie bereits erwähnt, wird der innere Lagerring 26 des hinteren
Lagers 16 durch die Mutter 28 gegen die rückwärtige Stirnseite

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des Abstandselementes 24 durch die Nabe der Riemenscheibe 18 verspannt. Der äußere Lagerring 32 des Lagers 16 ist mit Paßsitz in den Abschnitt 68 des thermischen Adapters 66 eingesetzt. Der ringförmige Abschnitt 68 ist mit einem äußeren ringförmigen Abschnitt 72 des thermischen Adapters 68 durch eine dünne Scheibe 70 verbunden, die in einer radialen Ebene liegt. Der Abschnitt 72 wird durch einen Führungsabschnitt 74 und eine Schulter 76 am Gehäuse zentriert und mit ihm verspannt. Er wird in dieser verspannten Stellung zwischen einem hinteren stirnseitigen Deckel 78 und dem hinteren Ende des Spindelgehäuses durch Schrauben 80 gehalten. Wenn sich, wie in Fig. 1 gezeigt, die Schrauben durch die Scheibe 70 erstrecken, könnte ein Spielraum zwischen den Schrauben 80 und den öffnungen in der Scheibe 70, durch die sich die Schrauben erstrecken, vorhanden sein. Die Scheibe 70 liegt praktisch in der axialen zentralen Ebene des Lagers 16.

Wenngleich die Scheibe 7 0 in Fig. 1 als einzelnes Teil dargestellt

Einzelist, kann die Scheibe aus mehreren dünnen scheiben bestehen, deren gesamte Dicke so bemessen ist, daß sie dem Lager die entsprechende radiale Steifheit und die gleichen thermischen Eigenschaften wie die Scheibe 70 verleihen. Die Verwendung von meh-

Einzelreren solcher dünnen^vs'cheiben vergrößert jedoch die axiale Flexibilität der Scheibe beträchtlich. Die Scheibe 70 erfüllt nicht nur die gleiche Funktion wie die thermische Sperre 48 des thermischen Adapters 38 am vorderen Lager, sondern sie erlaubt auch durch ihre Durchbiegung eine leichte Verstellbarkeit der anfänglichen Vorspannung trotz geringfügiger Fehler der Längsabmessungen der Komponenten der Spindelanordnung, die den axialen Abstand zwischen den beiden Lagern bestimmen.

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Statt die einzelne zentral angeordnete Scheibe 70 durch mehrere schichtartig angeordnete dünne Scheiben ^u ersetzen, können diese dünneren Scheiben auch mit axialem Abstand in im wesentlichen symmetrischer Beziehung hinsichtlich der zentralen radialen Ebene des Lagers angeordnet werden. Solch eine Konstruktion ist in Fig. 6 gezeigt, in der zwei Scheiben 82 und 84 vorgesehen sind. Wie bereits erwähnt, ist die kombinierte Dicke der Scheiben 82, 84 derart, daß dem Lager eine angemessene axiale Flexibilität und radiale Steifheit verliehen wird. Es versteht sich, daß jede der Scheiben 82, 84 wie im Fall der Scheibe 70 aus mehreren noch dünneren Laminaten hergestellt werden kann. In allen anderen Punkten sind die thermische Analyse und die Schlußfolgerungen, die in Verbindung mit dem vorderen Lager 14 und dessen thermischen Adapter 38 erstellt wurden, mit gleicher Gültigkeit auf das hintere Lager 16 und dessen thermischen Adapter 66 anwendbar.

Es sei hervorgehoben, daß die gewünschte Vorspannung und axiale Verschiebung des hinteren Lagers ohne Verwendung von Gleitstücken und den unerwünschten Gleitpaßsitzen, die der Genauigkeit der Spindel abträglich sind, erreicht wird.

Die planare thermische Sperre erlaubt ferner die thermische radiale Ausdehnung der äußeren Lagerringanordnung einfach deshalb, weil der wesentlich größere Querschnitt der äußeren Lagerringanordnung jeglichen Widerstandseffekt der planaren thermischen Sperre übertreffen kann. Obgleich nur sehr wenig Wärme radial nach außen durch die planare thermische Sperre fließt, ist dennoch ein thermischer Gradient an ihr vorhanden, wobei der kleinere Durchmesser die gleiche Temperatur wie die äußere

130066/0420 ~⁴⁴~

\\0

Lagerringanordnung besitzt. Dieser thermische Gradient erzeugt radiale Druckspannungen, die ohne Verspannungen aufgefangen werden können und die Ausdehnung der äußeren Lagerringanordnung ermöglichen.

Die Verwendung von radialen Scheiben wie die in den Fig. 1 und 6 gezeigten, die eine hohe axiale Flexibilität des hinteren Lagers erlauben, sind in bemerkenswerter Weise dazu geeignet, die Vorspannung der Lageranordnung auf einen gewünschten Wert bei verschiedenen Betriebsbedingungen einzustellen. Mit den thermischen Adaptern für die hinteren Lager entsprechend den Fig. 1 und 6 kann die Vorspannung einfach dadurch eingestellt werden, daß auf den inneren Abschnitt 68 des thermischen Adapters unterschiedliche axiale Kräfte ausgeübt werden, die so aufgebracht werden, daß ihre Resultierende mit der Spindelachse zusammenfällt. Eine für diesen Zweck geeignete Ausführungsform ist in Fig. 6 gezeigt und besteht aus mehreren Kolben 86 im Gehäuse bzw. in einem Bauteil, das axial am Gehäuse 12 anliegt und in ihm untergebracht ist. Die Kolben 86 sind um die Spindelachse herum so angeordnet, daß ihr eines Ende an der Stirnfläche des Abschnittes 68 des thermischen Adapters anliegt und ihr anderes Ende mit Druckmittel einer Druckmittelquelle beaufschlagt wird. Anstelle mehrerer Kolben 86 kann ein einzelner ringförmiger Kolben verwendet werden, der auf der Spindelachse zentriert ist.

Alle Spindeln sind Schwingungen unterschiedlichen Ausmasses und unterschiedlicher Frequenzen ausgesetzt. Diese Schwingungen können durch die Spindel selbst und/oder Teile dar Lager erzeugt werden. Die Schwingungen können auch durch externe Kräfte vom

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Schneidwerkzeug oder von der Maschinenumgebung erzeugt werden. Eine Möglichkeit, den Einfluß dieser Schwingungen zu verringern, besteht darin, eine kontinuierliche oder segmentartige Schicht aus Dämpfungsmaterial zwischen der Außenfläche der Lagerträgerabschnitte des thermischen Adapters und der Innenfläche eines umgebenden Abschnittes eines am Gehäuse befestigten Bauteiles vorzusehen. Das letztere Teil kann das Gehäuse selbst, der Lagerdeckel oder irgendein anderes am Gehäuse befestigte Teil sein. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Dämpfungsmaterial, das mit 88 bezeichnet ist, zwischen dem Abschnitt 50 des thermischen Adapters und der Innenseite des Deckels 44. Ein entsprechendes Dämpfungsmaterial kann in der gleichen Weise für das hintere Lager verwendet werden. In jedem Fall soll das Dämpfungsmaterial sehr hochviskose Eigenschaften und, wenn überhaupt, sehr niedrigelastische Eigenschaften haben. Viele derartige Materialien sind im Handel erhältlich, wie z.B. bestimmte Kunststoffharze. Wenn das Dämpfungsmaterial mit einem Teil in Berührung steht, das einem externen thermischen Einfluß ausgesetzt ist, wie z.B. das Gehäuse oder ein stirnseitiger Deckel, sollte es auch thermische Isolierungseigenschaften haben, damit es nicht die Wirksamkeit des thermischen Adapters beeinträchtigt.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Spinde!lageranordnung besteht darin, daß jeglicher externer thermischer Einfluß auf das Spindelgehäuse und die stirnseitigen Deckel die Vorspannung der Lager und das allgemeine Verhalten der Spindel in keiner Weise beeinträchtigen. Dies rührt daher, daß die thermischen Adapter gegen das Gehäuse und die stirnseitigen Deckel wirksam thermisch

130066/0420 "⁴³"

isoliert sind.

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Claims

Patentanwätta

Dipl. Ing. H. Hauck ^

Dipl. Phys. W. Schmitz r.--,

D i ρ I. I η g. E. G r a a I f s ^u _n.^^ _ΛβΓΟβη

Dipl. Ing. W. Wehnert L_-

Dipl- Phys. W. Carstens Dr.-Ing. W. Döring

Mozartslraße 23

8000 Mönchen 2

F. Jos. Lamb Company

East Nine Mile Rd. Anwaltsakte M-5264

Warren, Michigan (USA) 21. Juli 1980

Lageranordnung für Werkzeugmaschinenspindeln

. _ Patentansprüche

f1..Lageranordnung für die Welle einer Maschine, insbesondere die Spindel einer Werkzeugmaschine, mit zwei im axialen Abstand zueinander angeordneten Wälzlagern, die die Welle in einem Gehäuse drehbar lagern und deren Wälzkörper zwischen einem auf der Welle angebrachten inneren Lagerring und einem am Gehäuse abgestützten äußeren Lagerring radial komprimiert werden, wobei eine im wesentlichen konstante Vorspannung der Lager aufrecht erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Lagerring (30, 32) jedes der Lager (14, 16) und dem Gehäuse (12) ein thermischer Adapter (38, 66) mit einem vom Gehäuse (12) abgestützten ersten Abschnitt (52, 72), einem den äußeren Laufring (30, 32) des zugehörigen Lagers (14, 16) abstützenden zweiten Abschnitt (50, 68) und einem den ersten und zweiten Abschnitt verbindenden dritten Abschnitt (48, 70) angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt (50, 68)

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OPJOiNAL INSPECTED

den äußeren Lagerring (30, 32) des zugehörigen Lagers radial und axial mit guter Wärmeleitung so abstützt, daß die im äußeren Lagerring (30, 32) erzeugte Wärme durch Wärmeleitung rasch an den zweiten Abschnitt (50, 68) des zugehörigen thermischen Adapters übertragen wird, und wobei der dritte Abschnitt (48, 70) radial steif ausgebildet ist und eine relativ nicht-leitende thermische Sperre zwischen dem ersten Abschnitt (52, 72) und dem zweiten Abschnitt (50, 68) des betreffenden thermischen Adapters (38, 66) bildet, und daß die Konfiguration jedes äußeren Lagerringes (30, 32), des zweiten Abschnittes (50, 68) jedes thermischen Adapters (38, 66) und der Wälzkörper (34, 36) so getroffen ist, daß der Temperaturanstieg des äußeren Lagerringes (30, 32) und des zweiten Abschnitts (50, 68) jedes thermischen Adapters (38, 66) zu dem Temperaturanstieg der Wälzkörper (34, 36) des zugehörigen Lagers (40, 16) derart in Beziehung steht, daß die Durchmesservergrößerung des äußeren Lagerringes (30, 32) jedes Lagers (14, 16) aufgrund der durch die RoIlberührungskräfte zwischen den Wälzkörpern (34, 36) und den äußeren Lagerringen (30, 32) erzeugten Wärme im wesentlichen ^zweimal so groß ist wie die Durchmesservergrößerung eines Wälzkörpers (34, 36), die von der thermischen Ausdehnung aufgrund der Rollberührungskräfte herrührt.
2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Masse des äußeren Lagerrings (30, 32) jedes Lagers (14, 16) und des zweiten Abschnittes (50, 68) jedes thermischen Adapters (38, 66) bezüglich der Masse sämtlicher Wälzkörper (34, 36) des zugehörigen•Lagers (14, 16) so be-

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messen ist, daß die in den Lagerringen (30, 32) erzeugte Wärme und die in dem Wälzkörper (34, 36) erzeugte Wärme, hervorgerufen durch die Rollberührungskräfte, die entsprechenden Temperaturanstiege erzeugen.
3. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Konvektion und Wärmeleitung beruhenden Wärmeverlusteigenschaften des äußeren Lagerringes (30, 32) jedes Lagers (14, 16) und des zweiten Abschnittes (50, 58) jedes thermischen Adapters (38, 66) zu den auf Konvektion und Wärmeleitung beruhenden Wärmeverlusteigenschaften der Wälzkörper (34,"36) so bemessen sind, daß, wenn die Welle

(10) in einem Gleichgewichtszustand arbeitet, die innerhalb des äußeren Lagerringes (30, 32) erzeugte Wärme und die innerhalb der Wälzkörper (34, 36) erzeugte Wärme, hervorgerufen durch die Rollberührungskräfte, die besagten entsprechenden Temperaturanstiege erzeugen.
4. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der gesamten Masse jedes äußeren Lagerrings (30, 32) und des zweiten Abschnittes (50, 68) jedes thermischen Adapters (38, 66) zur Gesamtmasse der Wälzkörper (34, 36) im wesentlichen ein. Viertel des Verhältnisses des mittleren inneren Durchmessers der Laufbahn jedes äußeren Laufringes (30, 32) zum mittleren Durchmesser der Wälzkörper (34, 36) des entsprechenden Lagers (14,16).
5. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Abschnitt (48) mindestens eines der thermischen Adapter (38) einstückig mit dem ersten Abschnitt (52) und zweiten Abschnitt (48) des Adapters ausgebildet ist.
6. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des dritten Abschnittes (48, 70) jedes thermischen Adapters (38, 66) relativ klein im Vergleich zu den vereinigten Querschnittsflächen des zweiten Abschnittes (50, 68) und des zugehörigen äußeren Lagerringes (30, 32) ist.
7. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des dritten Abschnittes (48, 70) jedes thermischen Adapters (38, 66) relativ klein im Vergleich zu den vereinigten Querschnittsflächen des ersten und zweiten Abschnittes (52, 72) bzw. (50, 68) und des zugehörigen äußeren Lagerringes (30, 32) ist.
8. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Abschnitt (48) eines der thermischen Adapter (38) aus einem axial und radial starren zylindrischen Abschnitt besteht, der sich axial zwischen dem ersten Abschnitt (52) und dem zweiten Abschnitt (50) erstreckt.
9. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 — 7, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß der dritte Abschnitt (48) eines der thermischen Adapter (38) aus einem axial und radial starren ringförmigen Balkenabschnitt besteht, der sich axial zwischen dem ersten Abschnitt (52) und dem zweiten Abschnitt (50) erstreckt.
10. Lageranordnung nach Anspruch.9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des dritten Abschnittes (48) des besagten einen thermischen Adapters. (38) so bemessen ist, daß die radiale Verschiebung des zweiten Abschnittes (50) aufgrund einer auf die Welle (10) ausgeübten externen radialen Kraft wesentlich kleiner als die radiale Verschiebung der Welle (10) relativ zum äußeren Lager (30) des zugehörigen Lagers (14) bei dieser Kraft ist.
11. Lageranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Abschnitt (70) des anderen thermischen Adapters (66) aus einem axial flexiblen und radial starren ringförmigen Teil besteht, das sich radial zwischen dem ersten Abschnitt (72) und dem zweiten Abschnitt (68) erstreckt.
12. Lageranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Teil aus einer einzelnen membranartigen Scheibe (70) besteht, die im wesentlichen in der zentralen radialen Ebene des zugehörigen äußeren Lagerringes (32) angeordnet ist.

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13. Lageranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Teil aus mehreren membranartigen Scheiben (82, 84) besteht.
14. Lageranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die membranartigen Scheiben (82, 84) auf Abstand zueinander angeordnet sind.
15. Lageranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die membranartigen Scheiben (82, 84) im wesentlichen symmetrisch bezüglich der zentralen radialen Ebene des Lagers (16) axial auf Abstand zueinander angeordnet sind.
16. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (34, 36) kegelige Rollen sind.
17. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eines der Lager am vorderen Ende der Welle und das andere Lager am hinteren Ende der Welle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Abschnitt (48) des thermischen Adapters (38) des vorderen Lagers (14) aus einem axial und radial starren Balken besteht, der sich axial zwischen dem ersten Abschnitt (52) und dem zweiten Abschnitt (50) erstreckt, und daß der dritte Abschnitt (70) des thermischen Adapters

(66) des hinteren Lagers (16) aus einem axial flexiblen und radial starren ringförmigen Teil besteht, das sich radial zwischen dem ersten Abschnitt (72) und dem zweiten Abschnitt

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(68) erstreckt.
18. Lageranordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verformen des inneren Umfangs des radial verlaufenden ringförmigen Teils (70) in axialer Richtung relativ zu seinem äußeren Umfang und dem vorderen Lager (14) zum Vorspannen der Lager (14, 16).
19. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (50) mindestens eines der thermischen Adapter (38) mit temperaturbeeinflussenden Mitteln (58; 60) versehen ist, die die Temperatur des äußeren Lagerringes (30) und des zweiten Abschnittes (50) so beeinflussen, daß die Vergrößerung des inneren Durchmessers des äußeren Lagerringes (30) aufgrund thermischer Ausdehnung im wesentlichen zweimal so groß wie die Zunahme des mittleren Durchmessers eines Wälzkörpers (34) ist, wenn die Temperatur der Wälzkörper (34) und des äußeren Lagerringes (30) einen Gleichgewichtszustand erreichen.
20. Lageranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturbeeinflussenden Mittel (58; 60) Wärme durch Konvektion an die Atmosphäre innerhalb des Gehäuses (12) mit einer solchen Ubertragungsrate übertragen, daß im Gleichgewichtszustand das Verhältnis des Temperaturanstieges des äußeren Lagerringes (30) und des zweiten Abschnittes (50) des einen thermischen Adapters (38) zum Temperaturanstieg der Wälzkörper (34) zweimal so groß ist wie das Verhältnis

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zwischen dem mittleren Durchmesser des Wälzkörpers (34) zum mittleren inneren Durchmesser der Laufbahn des zugehörigen äußeren Lagerringes (30), wobei beide Temperaturanstiege auf die Temperatur der Spindelanordnung vor einer Drehbewegung derselben bezogen sind.
21. Lageranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturbeeinflussenden Mittel aus Rippen (58) bestehen, die vom zweiten Abschnitt (50) des thermischen Adapters (38) vorstehen.
22. Lageranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,

daß die temperaturbeeinflussenden Mittel aus einer Schicht (60) aus isolierendem Material auf der Oberfläche des zweiten Abschnittes (50) des thermischen Adapters (38) bestehen.
23. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (12) angebrachte Deckel (44, 78) den zweiten Abschnitt (50, 68) jedes thermischen Adapters (38, 66) und jedes Lager (14, 16) mit Abstand umgeben und gegen eine zur Welle konzentrische und mit der Welle umlaufende äußere Umfangsflache abgedichtet sind, um den zweiten Abschnitt (50, 68) jedes thermischen Adapters (38, 66) sowie das zugehörige Gehäuse (14, 16) gegen äußere thermische Einflüsse zu isolieren.
24. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel (44, 78) jeden thermischen Adapter (38, 66) mit Abstand umgeben und gegen eine

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zur Welle (10) konzentrische und mit der Welle umlaufende äußere Umfangsflache abgedichtet sind, um hierdurch den zweiten Abschnitt (50, 68) jedes thermischen Adapters (38, 66) und das Lager (14, 16) gegen externe thermische Einflüsse zu isolieren.
25. Lageranordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (52, 72) jedes thermischen Adapters (38, 66) durch Befestigungsmittel (46, 48), die die Deckel am Gehäuse befestigen, zwischen den Deckeln und dem Gehäuse festgespannt ist.
26. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, daß auf dem. Gehäuse (12) ein Teil (44) angebracht ist, das. mit Abstand zumindest teilweise den zweiten Abschnitt (50) mindestens eines thermischen Adapters (38) umgibt, wobei der Raum zwischen diesem Teil (44) und dem zweiten Abschnitt (50) des thermischen Adapters (38) ein Material (88) relativ hoher Dämpfungseigenschaften und relativ niedriger Steifheit enthält, und daß das Material (88) in enger Berührung mit dem besagten Teil (44) und dem zweiten Abschnitt (50) des thermischen Adapters (38) steht und sich dazwischen erstreckt.
27. Lageranordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Teil (44) von einem am Gehäuse (12) angebrachten Deckel gebildet wird, der den einen thermischen Adapter (38 , 66 ) mit Abstand umgibt und gegen eine zur Welle (10) konzentrische und mit der Welle umlaufende äußere Umfangsflache

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abgedichtet ist, um hierdurch den zweiten Abschnitt (70) des thermischen Adapters (38) und das Lager gegen externe Einflüsse zu isolieren.
28. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt zumindest eines thermischen Adapters und der äußere Lagerring des zugehörigen Lagers aus einem einstückigen Teil (64) besteht (Fig. 5).
29. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem zweiten Abschnitt (68) des thermischen Adapters (66) des hinteren Lagers (16) eine Betätigungseinrichtung (86) axial in Anlage steht, die zum Beeinflussen der axialen Vorspannung des hinteren Lagers (16) axial verschiebbar ist.
30. Lageranordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung Kolben (86) aufweist, die konzentrisch um die Welle (10) so angeordnet ist, daß die vom einen Ende derselben ausgeübte resultierende Kraft konzentrisch zur Wellenachse verläuft, wenn das andere Ende der Kolben (86) mit Druckmittel beaufschlaat wird.

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