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Präzisionsspindel- oder -wellenlagerung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Spindel-oder Wellenlagerung zur Verwendung bei einer Maschine oder einem
Meßgerät, z. B. einem Gerät zum Messen oder Prüfen der Rundheit bzw. Zylindrizität
einer Oberfläche; die Erfindung bezweckt in erster Linie, eine Spindel- oder Wellenlagerung
zu schaffen, bei der die Lage der Drehachse der Spindel im Raum mit einem hohen
Grad von Genauigkeit konstant gehalten wird.
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Es wurde bereits eine Präzisionsspindellagerung vorgeschlagen, bei
der jedes Ende der Spindel durch Lagerorgane gehalten wird, die aus in geringem
Maße verjüngten Lagerflächen bestehen, welche einerseits an der Spindel und andererseits
an einem Lagerglied vorgesehen sind, das in einem festen, hohlen Gehäuse oder einer
Hülse, die die Spindel umgibt, gegen Drehung festgehalten wird. Eine ältere Erfindung
der Patentinhaberin bezieht sich auf eine andere Bauart einer Präzisionsspindellagerung,
und zwar ist bei einer Ausführungsform dieser älteren Erfindung die Spindel an einem
Ende in einem Konuslager der vorgenannten Art und am anderen Ende in sphärischen
Lagerflächen gelagert.
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Bei beiden früheren Ausführungsarten ist das Lagerglied, das die eine
der zusammenarbeitenden, verjüngten, konischen Lagerflächen aufweist, in genauer,
axialer Lage durch Organe festgelegt, die von dem Gehäuse bz-,v. der Hülse getragen
werden.
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Die Erfindung bezweckt nun insbesondere, ein mit Verjüngung bzw. Konus
versehenes Lager der obengenannten Art zu verbessern, und zwar darin, daß das Lagerglied
in seiner genauen Lage mit größerer Genauigkeit als bei den früheren Ausführungsarten
angebracht werden kann..
Bei einer Präzisionsspindellagerung gemäß
der Erfindung sind eine drehbare Spindel oder Welle, ein ortsfestes, hohles, die
Spindel umgebendes Gehäuse und Lagerorgane zur radialen Lagerung der Spindel im
Gehäuse und zur axialen Einspannung der Spindel vorgesehen; diese Lagerorgane bestehen
an einem Ende der Spindel aus. einer mit Verjüngung oder Konus versehenen Vorrichtung,
bei der geringfügig verjüngte Lagerflächen an der Spindel und an einem von der Spindel
getragenen Lagerglied zusammenarbeiten. Ferner sind gemäß der Erfindung von der
Spindel getragene Organe vorgesehen, die die genaue axiale Einstellung des Lagergliedes
an der Spindel bewirken, während weitere Organe die Stellung des Lagergliedes im
Gehäuse bestimmen, wobei das Lagerglied gegen Drehung im Gehäuse festgehalten wird,
sich aber in axialer Richtung relativ zum Gehäuse frei bewegen kann. Der von der
Verjüngung gebildete, eingeschlossene Winkel bzw. Kegelwinkel soll klein sein und
die Größenordnung von nur einigen wenigen Graden haben, und zwar gewöhnlich kleiner
als 30 sein.
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Die Organe zur Festlegung der Stellung des. Lagergliedes der eine
Verjüngung bzw. einen Konus aufweisenden Lagervorrichtung sind vorzugsweise so angeordnet,
daß sie eine kleine Winkelbewegung des Lagergliedes zulassen, um dadurch jegliche
kleine Ungenauigkeit in der Fluchtung bzw. Achsenübereinstimmung der Kegelachse
mit der Drehachse der Spindel zu berücksichtigen. Bei einer derartigen Ausführungsform
wird die Stellung des Lagergliedes in radialer Richtung in dem hohlen Gehäuse durch
einen Ring von Kugeln in einem Käfig innerhalb des Gehäuses bestimmt. Bei einer
anderen Ausführungsform besitzt das Lagerglied eine sphärische Außenoberfläche,
die dicht in das Gehäuse paßt.
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Um das Lagerglied gegen Drehung relativ zum Gehäuse festzuhalten,
ist vorzugsweise eine Ausgleichkupplung (balanced coupling) zu verwenden, die ein
sogenanntes schwimmendes, d. h. lose gelagertes Glied enthält, das eine kleine axiale
Relativbewegung zwischen dem Lagerglied und dem Gehäuse zuläßt, aber das Auftreten
radialer Kräfte ausschaltet oder auf ein Minimum herabsetzt; das sogenannte schwimmende
Glied wird nachstehend als Balancierglied bezeichnet.
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Die Lagervorrichtung am anderen Ende der Spindel kann gleichfalls
aus einer eine Verjüngung bzw. einen Konus aufweisenden Lagervorrichtung bestehen,
die derjenigen am gegenüberliegenden Ende der Spindel ähnlich ist; in diesem Falle
wird der Axialdruck durch ein Axialdrucklager aufgenommen, das gesondert von den
beiden Lagervorrichtungen vorgesehen ist.. Statt .dessen kann die Lagervorrichtung
am vorgenannten anderen Ende nicht nur die genaue radiale Einstellung der Spindel
im Gehäuse bewirken, sondern zugleich auch ein Axialdrucklager für die Spindel bilden.
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In diesem Falle kann die Lagervorrichtung an diesem letztgenannten
anderen Ende aus zusammenarbeitenden, sphärischen Lagerflächen bestehen, ' die einerseits
an der Spindel und andererseits am Gehäuse vorgesehen sind.
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Im allgemeinen wird es zweckmäßig sein, die Spindel bzw. Welle in
senkrechter Richtung zu lagern und mindestens einen Teil ihres Gewichtes von einer
Feder tragen zu lassen, die mit einem Antriebsglied verbunden ist, von dem aus die
Spindel über eine Ausgleichkupplung, z. B. eine Oldham-Kupplung, mit balancierendem
Glied derart angetrieben wird, daß sie nur einem eine Drehbewegung bewirkenden Drehmoment
ausgesetzt ist.
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Die Erfindung läßt sich in verschiedener Weise praktisch ausführen;
einige zweckmäßige Ausführungsformen der Spindellagerung gemäß der Erfindung werden
nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben, und zwar zeigt Fig.
i einen axialen Längsschnitt einer Ausführungsform, Fig. 2 und 3 je eine Einzelansicht
eines bei der Ausführung nach Fig. i verwendeten Teiles, und Fig.4, 5 und 6 zeigen
je einen Teilschnitt zur Darstellung je einer von drei weiteren Ausführungsformen.
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Bei diesen Ausführungsformen ist die Spindel oder Welle A in senkrechter
Richtung innerhalb eines zylindrischen Gehäuses B gelagert, das nachstehend als
Hülse bezeichnet wird und. in starrer Verbindung von einem Gehäuse C herabhängt,
das den Antriebsmechanismus für die Spindel enthält. Die Spindel A selbst besteht
aus einer hohlen Stange, die einen Flansch A1 besitzt, der an ihrem oberen Ende
befestigt ist, auf das der Antrieb einwirkt. Der Antrieb wird von einer geeigneten
Antriebsquelle aus über ein Triebwerk übertragen, das in Form eines Riemens D und
einer Riemenscheibe D1 sowie eines Zahnradgetriebes D2, D3 dargestellt ist; das
Triebwerk ist in dem Gehäuse C untergebracht, und der Antrieb wird auf ein Antriebsglied
E übertragen, das mittels des am Zahnrad D3 angebrachten Kugellagers Cl im Gehäuse
C drehbar gelagert ist: Vom Antriebsglied E wird der Antrieb über eine sogenannte
Oldham-Kupplung auf die Spindel übertragen. Diese Kupplung besteht aus einer (in
Fig. 2 gesondert dargestellten) Scheibe F, die an ihrer Oberseite zwei einander
diametral gegenüberliegende Schlitze F1 und an der Unterseite ein zweites Paar Schlitze
F2 besitzt, die gegenüber den Schlitzen F1 um 9o° versetzt sind. Vom Antriebsglied
E getragene Stifte F3 greifen in die Schlitze F1, und vom Flansch Al axn Spindelende
getragene weitere Stifte F4 greifen in die Schlitze F2 ein. Diese Ausführung gewährleistet,
daß vorn Antrieb keine andere Kraft auf die Spindel übertragen wird als lediglich
ein Drehung bewirkendes Drehmoment um die Spindelachse.
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Ein Teil des: vom Gewicht der Spindel und der mit ihr verbundenen
Teile bewirkten Axialdruckes wird von Federn El übernommen., die mit ihrem einen
Ende an dem Antriebsglied E und mit ihrem anderen Ende an der Spindel A befestigt
sind, so daß ein Teil des Axialdruckes durch die Kugellager Cl im oberen Gehäuse
C aufgenommen wird.
Die verschiedenen Ausführungsformen unterscheiden
sich in der Anordnung und Ausbildung der Lagerorgane für die Spindel A innerhalb
der Hülse B voneinander. In jedem Falle ist jedoch, wie in Fig. I gezeigt, die Lagervorrichtung
am oberen Ende der Spindel A als Konuslager ausgebildet. Demgemäß ist das obere
Ende der Spindel bei A2 mit einer sehr geringfügigen konischen Verjüngung versehen,
die z. B. einen Kegelwinkel zwischen I und 2° einschließt; zwischen dieser Verjüngung
und dem Endflansch Al, über den der Antrieb auf die Spindel übertragen wird, befindet
sich ein kurzer, zylindrischer Teil A3. Ein Lagerglied G, das als Muffe ausgebildet
ist und dessen innere Oberfläche dem konischen Teil A2 der Spindel entsprechend
konisch ist, umgibt diesen Teil A2 und wird in seiner genauen Lage auf der Spindel
durch ein Paar ringförmiger Abstandsstücke G1, G2 gehalten, die gegen Ansätze oder
Bünde der Spindel anliegen und an diese angeschraubt oder angeklemmt sind. Dementsprechend,
liegt das obere Abstandsstück G1 gegen den Flansch Al an und ist mit diesem verschraubt,
während das untere Abstandsstück G'2 in gleicher Weise an einer ringförmigen Scheibe
G3 angreift; diese ist (wie in Fig.3 gezeigt) in zwei Hälften ausgeführt und greift
in eine Nut A4 ein, die um die Spindel herumführt. Es ist wichtig, daß die ringförmigen
Abstandsstücke G1, G2 genau mit den richtigen axialen Abmessungen gefertigt sind,
damit das Lagerglied G in seiner richtigen axialen Stellung gehalten wird, in der
es genau die richtige Dicke für den Ölfilm zwischen den zusammenarbeitenden konischen
Flächen gewährleistet.
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Die axiale Einstellung des Lagergliedes G wird also gemäß der Erfindung
durch Organe bewirkt, die von der Spindel selbst getragen werden, so daß das Lagerglied
in seiner genauen Stellung auf der Spindel endgültig angebracht werden kann, bevor
die Spindel in die Hülse B eingebracht wird; hierdurch kann der gewünschte, hohe
Genauigkeitsgrad in der Einstellung leicht erreicht werden. Zwar könnten auch andere
Mittel, z. B. genau gefertigte Gewindeteile, verwendet werden, um diese axiale Einstellung
des Lagergliedes G herbeizuführen; die vorstehende Ausführung ist indessen besonders
vorteilhaft, weil bei ihr vermieden wird, daß irgendwelche Radialkräfte auf die
Spindel ausgeübt werden, die eine Verzerrung und demzufolge Ungenauigkeit und Schütteln
bei der Drehbewegung hervorrufen könnten.
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Das Lagerglied G muß in der Hülse B gegen Drehung festgehalten werden;
und hierbei ist es wiederum erwünscht, eine Halterung anzuwenden, durch die vermieden
wird, daß irgendwelche Radialkomponenten des durch Reibung entstehenden Drehmomentes
entstehen. Zu diesem Zweck ist die Anwendung einer ausbalancierten Kupplung bzw.
Ausgleichkupplung mit Balancierglied, z. B. einer Oldham-Kupplung, zu empfehlen,
d. h. einer Kupplung, bei der ein lose gelagertes Balancierglied H zwischen dem
Lagerglied G und der Hülse B vorgesehen ist; diese Kupplung wird dann so angeordnet,
daß auf das Lagerglied kleine axiale Bewegungen relativ zur Hülse nicht übertragen
werden, so daß es keinerlei Axialdruck erfährt, und daß es eine Bewegung ausführen
kann, durch die relative Ausdehnung und Zusammenziehung der Teile zufolge von Temperaturänderungen
ausgeglichen bzw. unschädlich gemacht werden. Das Balancierzwischenglied H besitzt
Paare von Schlitzen Hl und H2, und zwar in gleicher Weise, wie dies für die Scheibe
F beschrieben wurde; vom Lagerglied G getragene Stifte H3 greifen in die Schlitze
Hl, während in die Schlitze H2 eingreifende Stifte H4 an einem Ring J sitzen, der
an der Hülse B axial gleitend verschiebbar, z. B. mittels einer Keil-Nut-Führung
gelagert ist.
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Es muß auch noch eine genaue radiale Einstellung des Lagergliedes
G in der Hülse B gewährleistet werden; die hierzu dienenden Mittel sollen so gestaltet
sein, daß sie eine kleine Winkelbewegung des Lagergliedes während der Drehung zulassen,
um Raum für irgendeine kleine Ungenauigkeit zu schaffen, die in der Ausrichtung
der Kegelachse zur Drehachse vorliegen könnte. Dieses Ziel kann auf verschiedenen
Wegen erreicht werden.
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Bei einer Ausführungsform, wie sie in Fig. I gezeigt ist, bildet die
äußere Oberfläche des Lagergliedes G einen flachen Konus und greift an einem Ring
von Kungeln J1 an, die in einem Käfig 12 gen lagert sind; der Käfig wird mittels
einer Feder J3 gegen einen im Gehäuse C vorgesehenen Bund C2 gedrückt. Dabei ist
der axiale Abstand zwischen dem Bund C2 und dem Kugelring J1 genau derart bemessen,
daß die verjüngte äußere Oberfläche des Lagergliedes G gerade richtig an den Kugeln
J1 angreift. Die kleinen Spielräume der Kugeln im Käfig J2 werden gewöhnlich so
bemessen, daß Raum für irgendwelche kleine Axialbewegungen des Lagergliedes G relativ
zum Käfig J2 geschaffen wird.
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Bei einer anderen, in Fig. q. gezeigten Ausführungsform besitzt das
Lagerglied G eine sphärische äußere Oberfläche G4, die gerade die richtige Größe
hat, um dicht an die zylindrische innere Oberfläche der Hülse B zu passen, wobei
der Kugelkäfig wegfällt. Der Ring J ist in diesem Falle an der Hülse festgemacht,
statt wie bei Fig. i axial in dieser verschiebbar zu sein; im übrigen ist diese
Ausführungsform entsprechend derjenigen nach Fig. i gestaltet.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. i besteht die Lagervorrichtung am
unteren Ende der Spindel A gleichfalls aus einem Kouuslager, das im ganzen in gleicher
Weise wie das Langer am oberen Ende ausgeführt ist. Die Kegelflächen A2 und AS an
den beiden Enden der Spindel verlaufen in der gleichen Richtung, d. h., sie verjüngen
sich nach oben. Demgemäß greift ein Lagerglied K an der unteren Kegelfläche AS der
Spindel an und ist in seiner Stellung auf der Spindel axial durch zwei Abstandsstücke
K1 und K2 festgelegt, von denen K1 gegen einen geteilten Ring K3 anliegt und mit
diesem verschraubt ist, der seinerseits an dem unteren Ende der Spindel A befestigt
ist. Das Lagerglied K wird gegen Drehung mittels einer
Oldham-Kupplung
festgehalten, die ein ringförmiges Balancierglied L aufweist, das einerseits über
Schlitze L1 und Stifte L3 mit, dem Lagerglied K und andererseits über Schlitze L2
und Stifte L4 mit einem axial gleitend verschiebbaren Ring 14 in Verbindung steht;
das. untere Ende der genannten Feder 13 greift an diesem Ring J4 an. Die äußere
Oberfläche des Lagergliedes K greift an einem Ring von Kugeln J5 an, die in einem
Käfig J6 gelagert sind; der Käfig J6 wird durch die Feder J3 gegen einen nach innen
vorstehenden Flansch B1 gedrückt, der am Boden der Hülse B befestigt ist.
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Da bei dieser Ausführungsform. die beiden kegeligen Lagerflächen nicht
dafür bestimmt sind, irgendwelchen Axialdruck aufzunehmen,. muß ein zusätzliches
Axialdrucklager für die Spindel angebracht werden. Dieses Axialdrucklager kann an
irgendeiner beliebigen Stelle längs der Spindel angebracht werden, z. B. an deren
unterem Ende, und es kann in irgendeiner geeigneten Form ausgeführt sein. Bei der
einen in Fig. I gezeichneten Ausführungsform besteht das Drucklager aus einem an
der Spindel sitzenden Flansch, z. B. einem Flansch A6, der zwischen zwei an der
Hülse vorgesehenen Bünden eingepaßt ist; der eine Bund wird durch den Flansch B1
gebildet, während der andere Bund aus einem zweiten Flansch B2 besteht, der gleichfalls
mit der Hülse verschraubt ist. Der Abstand zwischen den beiden Bünden ist etwas
größer als die Dicke des Flansches A6, um Raum für einen Ölfilm von hinreichender
Dicke zwischen den beiden Seiten des Flansches A6 und dem jeweils benachbarten Bund
der Hülse zu schaffen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.5 ist abweichend der Flansch A6 der
Fig. I durch einen geteilten Ring A7 ersetzt, der mit kleinem Spielraum gegen den
Flansch B1 anliegt, der einen Bund an der Hülse bildet. In diesem Falle kann das
Drucklager als ein Ring M ausgestaltet sein, der selbsttätig die Ausrichtung des
Lagers zur Spindel. besorgt und einerseits an einer sphärischen bzw. kugelförmigen
Oberfläche A8 der Spindel, andererseits an der flachen Oberfläche des zweiten Flansches
B2 der Hülse angreift.
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Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist statt dessen die Lagervorrichtung
am unteren Ende der Spindel als sphärisches bzw. kugelförmiges Lager ausgeführt,
das in der gleichen Weise gestaltet und angeordnet ist, wie es in einer älteren
Erfindung der Patentinhaberin beschrieben und gezeichnet ist; bei dieser Ausführung-
dient das sphärische Lager nicht nur als Drehlager, sondern zugleich auch als Axialdrucklager.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsart, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, ist ein
ringförmiges Lagerglied N, das eine sphärische bzw. kugelförmige äußere Oberfläche
N1 aufweist, an der Spindel z. B. mittels eines Flansches N2 befestigt, der vom
Glied N vorsteht und zwischen einem Bund der Spindel und einer Mutter N3 eingeklemmt
ist. Hierbei ergibt sich, daß der Mittelpunkt der sphärischen Fläche N1 sich genau
in der Verlängerung der Spindelachse befindet, wobei diese mit einer zu ihr passenden
sphärischen Fläche eines Flanschringes B3 zusammenarbeitet, der am unteren Ende
der Hülse B befestigt ist.
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Bei allen diesen Ausführungsformen sind geeignete Einrichtungen vorgesehen,
die in an sich bekannter Weise eine zweckentsprechende Ölzufuhr zu den verschiedenen
Lagerflächen gewährleisten und Ölfilme an diesen aufrechterhalten.