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Verfahren und Einrichtung zur Erzielung einer gewünschten Stellung
einer Welle bei Lagerungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen
zur Erzielung einer gewünschten Stellung einer Welle bei Lagerungen.
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Eine in einem Gleitlager umlaufende Welle nimmt bekanntlich eine ganz
bestimmte Lage in der Lagerschale ein, die von der Drehzahl der Welle, dem Durchmesscr,
dem Lagerspiel, der Viskosität des Schmiermittels usw. abhängt. Wird die Welle durch
äußere Kräfte belastet, so verändert sie ihre Lage in der Lagerschale, bis sich
ein Gleichgewichtszustand zwischen den belastenden Kräften bzw. deren Resultierenden
und den durch die Verlagerung entstehenden inneren Kräften im Schmiermittel des
Lagers einstellt.
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Zwischen der Verlagerung der Welle und den durch die Verlagerung hervorgerufenen
inneren Lagerkräften besteht kein linearer Zusammenhang, vielmehr steigen die inneren
Lagerkräfte stärker als proportional mit steigender Verlagerung an. Die gesetzmäßige
Beziehung zwischen beiden Größen hängt ab von der Drehzahl, dem Durchmesser, dem
Lagerspiel und den physikalischen Konstanten, insbesondere der Zähigkeit des Schmiermittels
usw. Es besteht die Ungleichung
Diese Beziehung ist in ,Fig. r der Zeichnung graphisch dargestellt. Daraus ergibt
sich folgendes: Vergrößert sich beispielsweise die Lagerlast P um einen kleinen
Betrag A P, so ist die Änderung L\ e der Verlagerung e der Welle nicht nur
von
der Größe der Laständerung A. P, sondern auch von der absoluten Größe der Last P
abhängig. Ist die Last P relativ klein, dann bewirkt eine Änderung derselben um
einen bestimmten Betrag A. P eine wesentlich größere Verlagerung A ei, als
sie eine gleiche Laständerung d P bei einer relativ großen Last bewirkt, wobei die
kleinere Verlagerung A e2 eintritt. Die größte Verlagerung der Welle tritt ein für
P = o.
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Dieser Zusammenhang bildet die Grundlage der Erfindung. Man hat ihn
in der Praxis bisher nicht gebührend berücksichtigt, und die Erfindung hat sich
zur Aufgabe gestellt, diesem Mangel abzuhelfen. Besonders bei Werkzeugmaschinen
macht er sich störend bemerkbar. Bei solchen Maschinen hängt die Genauigkeit des
bearbeiteten Werkstückes wesentlich von der genauen Führung der Arbeitsspindeln,
-wellen, -achsen u. dgl. in ihren Lagern ab. Je geringer die Verlagerung einer Welle
im Lager bei einer Änderung der Belastung ist, desto genauer wird das bearbeitete
Werkstück ausfallen.
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Die Erfindung besteht darin, Verlagerungen von Wellen in ihren Lagern
infolge von Änderungen der sie belastenden Kräfte durch Erzeugung einer zusätzlichen
Belastung der Wellen zu verringern. Das kann auf verschiedene Weise geschehen. Zusätzliche
Wellenbelastungen können durch Einwirkung äußerer Kräfte an der Welle oder innerer
Kräfte im Lager erzeugt werden.
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Vorteilhaft ist es, die zusätzliche Belastung durch innere Kräfte
im Lager hervorzubringen. Das kann beispielsweise durch Erzeugung einer bestimmten
Druckverteilung im Lagerspalt geschehen. Eine solche Druckverteilung läßt sich durch
geregelte Zuführung von unter Druck stehenden flüssigen oder gasförmigen Medien
erzielen. Zweckmäßig kann man das im Lager vorhandene Schmiermittel zur Erzeugung
der gewünschten Druckverteilung ausnutzen. Zwecks Beeinflussung der Druckverteilung
im Lagerspalt kann der Zufluß des Druckmittels durch Düsen geregelt werden, die
beispielsweise die Gestalt von die Lagerschale durchquerenden, radialen Bohrungen
haben können. Durch geeignete Anordnung, Form und Größe solcher Düsen für das Druckmittel
sowie die Höhe des anzuwendenden Druckes sind weitere Beeinflussungsmöglichkeiten
für die Druckverteilung im Lagerspalt gegeben. Ferner ist es möglich, die Druckverteilung
durch Beeinflussung der Abströmungsverhältnisse des Druckmittels zu regeln. Schließlich
läßt sich die Druckverteilung auch bei Änderung der Richtung und der Größe der belastenden
Kraft nachregulieren, bei Richtungsänderung der belastenden Kraft 'beispielsweise
durch einen Drehschieber, der die teilweise Öffnung bzw. den Verschluß der den Zufluß
des Druckmittels regelnden Organe (Düsen od.dgl.) ermöglicht, während bei Größenänderung
der belastenden Kraft der Druck des Druckmittels vor seinem Eintritt in die Zuführungsorgane
(Düsen od. dgl.) eine Änderung erfahren oder durch Änderung des Querschnittes der
Zuführungsorgane, Änderung ihrer Anzahl oder ihrer Form geregelt werden kann. Auch
die Änderung des wirksamen Querschnittes der Zuführungsorgane kann auf verschiedene
Weise geschehen, vorzugsweise durch einen Schieber.
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Die Erfindung umfaßt die weitere Möglichkeit, die Nachregulierung
der Druckverteilung bei Änderung von Größe und Richtung der Belastung durch die
Welle selbst einzuleiten, indem die Änderung der Stellung der Welle in der Lagerschale
zur Steuerung der Druckverteilung benutzt wird. So kann beispielsweise die Bewegung
der Welle durch ein pneumatisches oder ähnliches Meßgerät erfaßt werden, dessen
Meßimpulse vorzugsweise über einen Drosselregler zur Steuerung des Druckmittels
dienen.
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Es ist aber auch möglich, die infolge der Verlagerung der Welle sich
ändernden Druckverhältnisse im Lagerspalt zur selbsttätigen Steuerung des Druckes
im Spalt auszunutzen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen
schematisch veranschaulicht. Fig. 2 zeigt die Anwendung zusätzlicher äußerer Kräfte;
Fig. 3 zeigt das Prinzip eines durch zusätzliche innere Kräfte belasteten Lagers
in einem stark verzerrten Querschnitt; Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein
Lager mit einem Drehschieber zur Nachregulierung der Druckverteilung im Lagerspalt;
Fig. 5 ist ein Quer- bzw. Längsschnitt durch eine Einrichtung zur Nachregulierung
der Druckverteilung im Lagerspalt bei Änderung von Größe und Richtung der belastenden
Kraft; Fig.6 verdeutlicht eine Steuervorrichtung zur Nachregulierung mittels eines
pneumatischen Meßgerätes.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Abbildungen gleiche Teile.
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Um zu erreichen, daß die Verlagerung einer Welle in ihrem Lager bei
Änderung ihrer Belastung, wie sie z. B. durch Kräfteänderungen beim Betrieb einer.
Werkzeugmaschine vorkommt, möglichst klein gehalten und dadurch die Funktionsgenauigkeit
erhöht wird, erhält die Welle erfindungsgemäß eine zusätzliche Belastung.
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Eine derartige zusätzliche Belastung der Welle kann auf verschiedene
Weise erfolgen.
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Fig. 2 veranschaulicht schematisch eine Welle i, die in der Lagerschale
2 gelagert ist. Die Belastung der Welle i ruft eine bestimmte Verlagerung der Welle
in der Lagerschale 2 hervor. Ändert sich die Belastung, so ändert sich auch die
Stellung der i Welle i in der Lagerschale 2, und zwar nach dem in Fig. i dargestellten
Gesetz. Wird die Welle i durch äußere Kräfte, wie sie durch die Pfeile P/2 angedeutet
sind, zusätzlich belastet, so wird bei einer Änderung der Belastung während des
Be- i triebes nur eine relativ kleinere Verlagerung der Welle eintreten.
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Die anzuwendenden zusätzlichen Belastungskräfte können mechanischer,
elektrischer, magnetischer, hydraulischer oder pneumatischer Natur sein, können
also durch Gewichte, Hebel oder
Federn, durch Ausnutzwrg der magnetischen
Anzielitrngskraft einer Welle, durch elektrische Felder oder auf hydraulischem oder
pneumatischem Wege erzeugt werden. Die jeweilige Wahl des geeigneten Mittels richtet
sich nach den Erfordernissen des Einzelfalles. Die zusätzlichen Kräfte greifen vorzugsweise
in Richtung der Resultierenden der belastenden Kräfte an.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich besonders vorteilhaft durch im Innern
des Lagers auf die Welle einwirkende zusätzliche Kräfte bzw. Belastungen verwirklichen.
Fig. 3 veranschaulicht eine derartige prinzipielle Ausführungsform der Erfindung.
Die Abbildung stellt einen stark verzerrten Querschnitt durch ein Wellenlager dar.
Die umlaufende Welle 3 ist in einer Lagerschale 4 gelagert. Zwischen Welle 3 und
Lager 4 befindet sich der stärk vergrößert dargestellte Schmierspalt 5. Die Lagerschale
4 ist mit Kanälen 6 versehen, -die mit einem die Lagerschale umgehenden Hohlzylinder
7 in Verbindung stehen. Der Hohlzylinder 7 ist Tiber eine Leitung 8 an eine Vorrichtung
angeschlossen, aus welcher ein Druckmittel unter Überdruck in den Hohlzylinder eintritt.
Dieses Druckmittel kann eine -Flüssigkeit, ein Gas, Gasgemisch oder Dampf sein.
Durch die als radiale Bohrungen ausgeführten Kanäle 6 tritt das Druckmittel in geregelter
!Menge in den Spalt 5 ein, durchströmt (las Lager in axialer Richtung und tritt
an den Stirnflächen des Lagers durch geeignete nicht dargestellte Öffnungen aus
und wird erneut der Druckmittel(luelle (Druckbehälter, Pumpe od. dgl.) zugefiihrt.
Hieraus ist ersichtlich, daß je nach Höhe des Druckmittels, Anzahl und Querschnitt
der düsenartig wirkenden Kanäle 6 im Lagerspalt eine zusätzliche Belastung der Welle
3 erzielt werden kann mit allen schon geschilderten erwünschten Folgen.
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Will man die Druckverteilung im Lagerspalt 5 nachregulieren, so kann
(las, wie in Fig. 4 gezeigt, mittels eines die Lagerschale 4 umgebenden Drehschiebers
g geschehen, der die Gestalt eines Hohlzylinders hat und über einen gewissen Teil
seines Umfangs eine oder mehrere Durchlaßöffnungen ro aufweist.
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Wie im Fall der Fig.3 strömt das Druckmittel aus einer Liefervorrichtung,
an die das Lager über die Leitung 8 angeschlossen ist, in den HohlzyIirider 7 und
von dort über die Öffnungen to des brehschiebers g und die darunter befindlichen
düsenartigen Organe 6 in den Lagerspalt 5. Mit Hilfe eines I?instellhebels i r .kann
der Drehschieber g um die Längsachse drehbar verstellt werden. Durch Drehen des
Drehschiebers g werden jeweils andere 1)urcliflul.ikariäle 6 dem 1)rtrckmittelstrom
von den Durchlaßöffnungen to des Drehschiebers g preisgegeben, wodurch die Druckverteilung
im Lagerspalt geändert wird. Eine Änderung der Richtung der belastenden Kraft kann
durch Drehen des Drehschieber: ausgeglichen werden.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht Fig. S.
Die in dieser Abbildung schematisch dargestellte Einrichtung gestattet die Nachregulierung
der Druckverteilung bei Änderung von Gr=öße Lind Richtung der belastenden Kraft.
Auch hier ruht die Welle 3 in der Lagerschale 4, welche Kanäle 6 für die Zuführung
des Druckmittels zum Lagerspalt 5 aufweist. Die Lagerschale 4 wird von zwei Hohlzylindern,
den Drehschiebern 12 und 13 umschlossen, die um die Achse der Lagerschale drehbar
und in Richtung der Achse einzeln verschiebbar sind. Beide Drehschieber haben Durchlaßöffnungen
14 bzw. 15, durch welche das Druckmittel den Kanäjen 6 zuströmt. Durch Drehen beider
Drehschieber 12, 13 in Richtung der Pfeile a können in der bezüglich Fig. 3 beschriebenen
Weise jeweils andere Kanäle 6 für den Eintritt des Druckmittels in den Lagerspalt
5 freigegeben werden. Durch eine gegensinnige axiale Verschiebung der beiden Drehschieber
12, 13, relativ zueinander, wie in Fig. 5 durch die Pfeile b angedeutet, "erden
weitere Reihen von Zuführungskanälen 6 für den Durchfluß des Druckmittels zum Lagerspalt
5 freigegeben. Dadurch wird der vom Druckmittel beaufschlagte Teil der Wellenoberfläche
und damit die Kräftewirkung auf die Welle 3 je nach der Schiebereinstellung gräßer.
Die Nachregulierung kann durch Einstellung der Drehschieber sowohl von Hand als
auch durch Steuervorrichtungen von der Welle selbst vorgenommen werden. Fig. 6 veranschaulicht
eine derartige Steuereinrichtung, die zur Nachregulierung der Druckverteilung mit
einem pneumatischen Meßgerät ausgestattet ist.
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Die Welle 3 ist, wie oben beschrieben, in der Lagerschale 4 gelagert.
Die Verlagerung der Welle 3 wird mit einem pneumatischen Meßgerät gemessen. Das
Meßgerät besteht beispielsweise aus dem Druckregler 16, der Drosseldüse 17 und der
1N-Ießdfise 18. Der Meßdüse 18 wird Druckluft zugeführt, deren Druck vom Druckregler
16 auf konstanter einstellbarer Höhe geregelt wird. Die Meßdüse 18 bildet mit der
Oberfläche der Welle 3 eine Austrittsdüse; deren wirksame Öffnung vom Abstand der
Welle von der 1leßdüse 18 abhängt und sich li-ei einer Verlagerung der Welle ändert.
Wird z. 13. durch eine Verlagerung der Welle der Abstand zwischen Welle 3 und Meßdiise
15 größer, dann wird die wirksame Öffnung der Austrittsdüse größer. Der Luftdruck
in dem von Preßluft erfüllten Raum zwisch,Cn Drosseldüse 17 und Meßdüse 18 ist von
. der jeweilig wirksamen Öffnung der Austrittsdüse abhängig. Ist die wirksame Öffnung
der Austrittsdüse sehr groß, dann wird der Luftdruck im Raum zwischen Drossel- und
Meßdüse praktisch auf den Umgebungsdruck absinken, weil die Preßluft durch die Drosseldüse
17 am schnellen Nachströmen gehindert wird. Bei einer Verkleinerung des Abstands
zwischen Welle 3 und Meßdfise 18 wird der wirksame Querschnitt der Austrittsdüse
verringert, der Luftdruck im Raum zwischen Drossel- und Meßdiise steigt an. Die
Änderung des Druckes wird zur Steuerung verwendet. Das Steuergerät besteht aus der
Barometerdose ig, dem Regelventil 2o, das durch die Leitung 21 mit der Lieferungseinrichtung
für das Druckmittel verbunden ist. Eine weitere Leitung 22 verbindet das Lager mit
(lern Regelventil 20. Die Barometerdose i- ist mit (lern Druckraum
zwischen
der Drosseldüse 17 und der Meßdüse 18 verbunden und betätigt das Drosselventil 2o,
indem die Längenänderung der Barometerdose i9 bei Änderung des Luftdruckes im Raum
zwischen Meß- und Drosseldüse zur Verstellung des Regelventils 2o benutzt wird.
Durch die Verstellung des Regelventils 2o wird, der Druck, mit dem das Druckmittel
dem Lager zugeführt wird, geregelt. Bei einer Verringerung der die Welle belastenden
Kräfte verlägert sic ie Welle in Ricfitüng auf die zentrische L ge:iri-ä= Lagerschale
4. Dadurch wird die wirksame -Öffnung der Austrittsdüse kleiner. Der Luftdruck im
Raum vor der Meßdüse 18 steigt an, dadurch dehnt sich die Barometerdose i9 aus und
bewirkt eine Verstellung des Regelventils 2o im Sinne einer Vergrößerung des Druckes,
unter dem das Druckmittel dem Lager zugeführt wird. Dadurch steigt die Kraft, die
das Druckmittel im Lagerspalt auf die Welle ausübt und die Welle wird ganz oder
teilweise in ihre alte Lage zurückgeführt.
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Als Druckmittel kann man zweckmäßigerweise in allen geschilderten
Fällen innerer Belastung das im Lager verwendete Schmiermittel verwenden, wobei
auch dieses flüssig oder gasförmig sein kann.
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Es ist auch möglich, die Nachregulierung des Druckes bei Änderung
der Belastung durch die Welle selbst vorzunehmen, indem die Änderung der Druckverhältnisse
im Lagerspalt infolge der Verlagerung zur selbsttätigen Steuerung des Druckes im
Lagerspalt benutzt wird. Durch Änderung der Lage der Welle ändern sich nämlich die
Durchflußquerschnitte für das durchströmende Druckmittel im Lagerspalt. Damit ist
aber eine Änderung der Drücke im Spalt verbunden, die bei passender Bemessung der
Strömungskanäle zu einer Drucksteigerung auf derjenigen Hälfte der Welle, auf welcher
der Spalt durch die Lageränderung der Welle kleiner geworden ist, führt. Eine solche
Steigerung im Spalt bewirkt, daß die Welle in entgegengesetzter Richtung zur belastenden
Kraft bewegt wird, und daß somit die Wirkung der Änderung der belastenden Kraft
ganz oder teilweise aufgehoben wird.