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Lagerung einer sich mit großer Geschwindigkeit auf mindestens zwei
Schulterkugellagern drehenden Spindel Bei Lagerungen von sich mit großer Geschwindigkeit
auf mindestens zwei Schulterkugellagern drehenden Spindeln sind Konstruktionen bekannt,
beispielsweise Schleifspindelköpfe, in denen sich die Spindeln mit großer Geschwindigkeit
auf Radiallagern drehen, die gruppenweise angeordnet und mit einer solchen Genauigkeit
hergestellt sind, daß jedes Spiel praktisch aufgehoben und die Last ziemlich genau
auf die einzelnen Lagerstellen verteilt ist. Trotz der bei der Herstellung verwendeten
Sorgfalt nutzen sich solche Lager verhältnismäßig schnell ab., da nach 5oo bis 6oo
Betriebsstunden das entstandene Spiel die zulässige Grenze überschreitet.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, Schulterwälzlager zu verwenden,
die man durch Distanzstücke voneinander trennt, deren Gesamtdicke etwa alle 4oo
bis 6oo Betriebsstunden vermindert wird, um das Lagerspiel aufzuheben. Dieses Vorgehen
ist sehr heikel und verlangt eine Demontage.
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Konstruktionen, in welchen die Distanzstücke durch vorgespannte, auf
die Wälzlager einwirkende Federn ersetzt sind, denen die Aufgabe zufällt, die Abnutzung
und das Spiel aufzuheben, konnten. nicht vollständig befriedigen. Die erwähnten
Vorspaunungen verringern die Lebensdauer der Lager und die Stabilität der Spindeln.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung einer sieh mit großer
Geschwindigkeit auf mindestens zwei Schulterkugellagern drehenden. Spindel von der
bekannten Gattung, bei welcher jede Kugel im Betrieb die innere und die äußere Lauffläche
nur j e in einem Punkt berührt und bei welcher ferner die durch die Berührungspunkte
der
Kugeln mit den Laufflächen gelegten Flächen bei einander zugeordneten
Kugellagern einander entgegengesetztgerichtete konische Flächen sind, deren Spitzen
auf der Spindeldrehachse liegen, woben die inneren und die äußeren Laufflächen gegeneinander
unbeweglich sind.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Kugeln im Gegensatz zu den bekannten
Lagerungen der obengenannten Art im Ruhezustand zwischen ihren Laufflächen ein gewisses
Spiel haben, so daß sie unter dem Einfluß der im Betrieb auf jede Kugel einwirkenden
Zentrifugalkraft um ihre Berührungspunkte mit der äußeren Lauffläche verdreht und
an der inneren Lauffläche derart zur abstützenden Anlage gebracht werden, daß die
Mittelpunkte der Kugeln neben den erwähnten, durch die Berührungspunkte mit den
Laufflächen gelegten konischen Flächen liegen und im Zusammenspiel aller Kugeln
radiale und axiale Verschiebungen der Spindel verhindert werden. Bei einer derartigen.
Lagerung ergibt sich eine durch ihre Einfachheit hervorstechende Konstruktion. Es
fallen spielfreie Wälzlager, deren haargenaue Ausrichtung und des weiteren jegliches
Gewinde oder Distanzstück für die Korrektur und jede Feder weg.
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Die Zeichnung stellt zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes,
dar.
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Fig. I zeigt eine Lagerung im Schnitt für eine Spindeldrehzahl von
12o ooo U/min; Fig. 2 zeigt in ähnlicher Weise eine Lagerung für eine Spindeldrehzahl
vom 6o ooo U/min; Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie I-II der Fig. 2 durch den
Käfig eines der Kugellager, und Fig. 4 zeigt an Hand einer schematischen. Darstellung
einen Kräfteplan der auf eine einzelne Kugel einwirkenden Kräfte.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. I besitzt der Lagerkörper I keine
innere Schulter, was die Bearbeitung erleichtert und ein besseres Ausrichten der
äußeren Kugellagerringe aufeinander ermöglicht. Der Lagerkörper i umschließt eine
Verstärkungshülse 2, die mit Gleitsitz eingepaßt ist, wie das auch für die Außenringe
der Kugellager 3 und 4 der Fall ist. Letztere stützen sich auf Schließringe 5, 6
ab, die durch federnde Ringe 7 und 8 festgehalten werden. Die Spindel g dreht auf
Kugelreihen Io und II.
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Damit bei der Inbetriebnahme der Druckwinkel a auf die Kugeln 8° beträgt,
wenn die Spindel g mit ihrer Betriebsdrehzahl dreht, müssen die Kugellager so ausgelegt
sein, daß das Spiel etwa o,oI mm beträgt.
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Bei der Montage der Spindel werden die Stützringe 5 und 6 so auf Dicke
bearbeitet, daß das, Radialspiel der Spindel anfänglich nicht mehr als. o,oI mm
beträgt. Es genügt hierzu, daß die Stützringe 5 und 6 die richtige Dicke haben.
In diesem Fall sind die Reibmomente beim Anfahren bedeutend höher. Das. Einpassen
der Kugellager ist auch wichtiger. Im normalen Betriebszustand (s. Fig. 4) wirkt
die Zentrifugalkraft 27 auf die Kugeln 26 ein. Die Komponente 28 bewirkt das Abstützen
der Kugeln auf beiden Laufflächen, und macht sie gegen die äußere Lauffläche ansteigen.
Die Komponente 3o bewirkt das Abstützen der äußeren Kugellagerringe gegen die Stützringe
5 und 6. Die Komponente 28 ruft eine Kraft 34 hervor, die auf die Spindel 24 einwirkt.
Die Kräfte 34 des einen Kugellagers halten aber denen des anderen. Kugellagers die
Waage. Gleichzeitig bestimmen aber diese von beiden Kugellagern hervorgerufenen
Kräfte 34 die axiale Lage der Spindel, welche Lage diese Spindel auch unter, der
Belastung nicht v erläßt, für welche sie ausgelegt wurde.
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Gewöhnlich wird sich. die Spindel g ein wenig mehr erwärmen als der
Lagerkörper, so daß der Druckwinkel a auf die Kugeln ein ganz klein wenig abnimmt.
Diese Veränderung des Druckwinkels a ist nur dann möglich, wenn die Spindel mit
einer gewissen Geschwindigkeit dreht. Die von solchen Temperaturschwankungen herrührenden.
Ausdehnungen haben demzufolge nicht die geringste schädliche Auswirkung.
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Der in Fig. 2 wiedergegebenen Baueinheit liegen die gleichen Gedankengänge
zugrunde wie derjenigen der Fig. I, die für eine Umdrehungszahl von. etwa I2o ooo
U/min bestimmt ist. Demgegenüber ist aber die zweite Ausführungsform für eine Drehzahl
von nur 6o ooo U/min und für bedeutend größere Belastungen gedacht. Sie umfaßt daher
vier Kugellager 17, 18, I9 und 2o, die viel stärker sind als die des ersten Beispiels,
aber in kleinerem. Maßstab gezeichnet wurden. Im Lagerkörper 14 ist mit Gleitsitz
die Verstärkungshülse 15 eingepaßt und mittels einer Schraube 16 so festgehalten,
daß sie dem äußeren Laufring das Kugellagers 17 des vorderen Kugellagerpaares als
Abstützung dienen kann.
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Der äußere Laufring des Kugellagers 18 stützt sich auf dem Ring 22
ab, und dieser stützt sich wieder auf dem Ring 23 ab. Die äußeren Laufringe der
Kugellager I9 und 2o stützen sich auf der Distanzbüchse 21 ab: Diese hat eine solche
Länge, daß die Kugellager I9 und 2o nur ein äußerst kleines Spiel haben. Diese Distanzbüchse
besteht auf zwei Hälften, damit sie zwischen die äußeren Laufringe der Kugellager
I9 und 2o eingeschoben werden kann.
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Die äußeren Laufringe der Kugellager 17, 18,19 und 2o und die Distanzbüchse
21 sind mit Gleitsitz in den Lagerkörper 14 eingepaßt, so daß diese Bauteile sowie
die Spindel 24 und die Hülse 15 zusammengefügt werden können und das Ganze dann
in den Lagerkörper eingeschoben werden, kann.
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Die Laufbedingungen dieser Konstruktion. sind dieselben wie diejenigen
der Fig. i.
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Die Unterschiede in den Ausdehnungen der Spindel -24 zwischen den
Kugellagern 17 und 18 sind hier ausgeglichen wie beim Beispiel nach Fig. i mit dem
einzigen Unterschied, da.ß in diesem zweiten Beispiel der Ausgleich eine sehr kleine
Vergräßenung der Druckwinkel auf die Kugeln bewirkt.
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Die Kugellager 19 und 2o bilden zusammen mit der Distanzbüchse 2i
die hintere Lagerstelle der Spindel; diese Lagerstelle kann sich im Lagerkörper
14
unter dem Einfluß der veränderlichen Ausdehnungen der Spindel 24 verschieben.
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Soll die Zentrifugalkraft groß genug sein, um die axiale Lage der
Spindel 24 zu. bestimmen und das Spiel aufzuheben, so wie das. bei der Beschreibung
des. ersten. Beispiels erläutert wurde, so muß der Durchmesser der Kugeln, im wesentlichen
das o,85fache des kleinsten Durchmessers d der Spindel an den Laufstellen betragen.
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Wie Fig. 3 zeigt, sind die. Kugelkäfige so ausgebildet, daß sie die
größtmögliche Anzahl von Kugeln, aufnehmen können. Die Kugeln, können aus den. Käfigen
entfernt werden, sobald. die äußeren Laufringe weggenommen und doch genügend zurückgeschoben
sind, um die Kugeln abzudecken.
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Fig. 4 zeigt, wie die Zentrifugalkraft 27 während des Betriebs auf
jede einzelne Kugel 26 einwirkt und. sie zwischen den, Laufflächen 29 und 35 ansteigen
läßt, bis sie sich in den Berührungspunkten: 32 und 33 auf diesen abstützt. Die
Zentrifugalkraft hat dann beständig das Bestreben, die Kugel um den Berührungspunkt
32 zu verdrehen, wobei sie im Berührungspunkt 33 eine Andrückkraft erzeugt, deren
Axialkomponente 34 durch die gleich große, aber entgegengesetztgerichtete Axialkomponente
im benachbarten Kugellager aufgewogen, wird, wobei aber die Welle 24 genauestens
zentriert ist und jede axiale oder radiale Verschiebung derselben verhindert. Die
im Berührungspunkt 32 angreifende Komponente 31 der Zentrifugalkraft 27 hat ihrerseits
eine Axialkomponente 30, welche den äußeren, Laufring des Kugellagers gegen seine
Abstützung drückt.
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Damit der ursprüngliche Druckwinkel auf die Kugeln 8° beträgt oder
82°, wenn von der Spindelachse ausgegangen, wird, bei einem radialen Spiel von o,oI
mm, muß der Krümmungsradius der Laufflächen für die Kugeln das I,Ifache des Kugelradius
betragen.
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Die Breite des. äußeren Laufringes jedes Kugellagers soll mindestens
das Dreifache des Kugeldurchmessers, betragen, um einten guten. Sitz dieser Laufringe
zu sichern und um zu verhüten, daß letztere sich im Lagerkörper verdrehen; einer
solchen Verdrehung wird durch das, Anhaften. an den Bauteilen. I bzw. 14 entgegengenwirkt.
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Man, könnte versucht sein:, die Kugeln übertrieben groß zu wählen
zwecks Erhöhung der auf sie einwirkenden. Zentrifugalkraft. Das würde aber zu einer
unnützen Vergrößerung der Belastung und Abnutzung der Kugellager führen.
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Die Anzahl der Gruppen mit je zwei Kugellagern wird bestimmt durch
die Lasten und, die Drehzahlen, mit denen man es zu tun hat. Diese Lasten: und Drehzahlen
bestimmen ebenfalls den Wert der Zentrifugalkraft.