-
Vorrichtung zum Nachstellen des bei einer sich drehenden Welle entstehenden
axialen Druckes und zum selbsttätigen Ausgleich des zwischen einer umlaufenden Welle
und ihren Kugellagern auftretenden axialen Spieles Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Ausgleich des axialen Spieles und zur selbsttätigen Einstellung des Achsdruckes
von umlaufenden, insbesondere von mit sehr hohen Winkelgeschwindigkeiten sich drehenden
Wellen, vornehmlich bei Werkzeugmaschinen und ähnlichen Maschinen.
-
Bei mit hohen Geschwindigkeiten in Wälzlagern, d. h. Kugel- oder Rollenlagern,
umlaufenden Wellen bringt die Anwendung der üblichen Drucklager verschiedene Übelstände
mit sich. Kugellager müssen besonders für Schnelläuferspindeln, wie sie zum Ausschleifen
von Bohrungen kleinsten Durchmessers z. B. bei den Brennstoffeinspritzpumpen von
Dieselmotoren oder für ähnliche Zwecke Verwendung finden, zur Ermöglichung der erforderlichen
außerordentlich gesteigerten Drehzahlen vorgesehen werden. Praktisch erfüllen aber
diese Lager dabei ihren Zweck nur unvollkommen, da sich infolge des begrenzten axialen
Spieles die Achsdrücke auf die normalen Wälzlager entladen und von ihnen aufgenommen
werden, so daß diese außergewöhnliche Beanspruchungen aushalten
müssen
und daher in kurzer Zeit unbrauchbar werden. Weiterhin machen sich bei den hohen
Geschwindigkeiten die auf die Kugellager wirkenden dynamischen Beanspruchungen und
desgleichen die fluodynamischen Widerstände der mit hohen Drehzahlen umlaufenden
Teile ganz wesentlich bemerkbar, so daß sie nicht vernachlässigt werden können.
Ferner ist, wenn die Schnelläuferspindeln für Präzisionsarbeiten herangezogen werden,
der Verschleiß der normalen Wälzlager ein so bedeutender, daß die gewünschten Arbeitstoleranzen
kaum eingehalten werden können.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese und ähnliche Mängel
bei der Lagerung und Führung von umlaufenden, insbesondere von sehr rasch umlaufenden
Wellen dadurch zu vermeiden, daß eine selbsttätige Nachstellung des axialen Spieles
der Welle und dessen Begrenzung im Rahmen der gewünschten Toleranzen unter gleichzeitiger
Ausschaltung jeder Gefahr einer möglichen Ausartung des Spieles während des Betriebes
bewirkt wird. Es sind bereits Vorrichtungen zum Ausgleich des axialen Spieles einer
in Kugellagern sich drehenden Welle bekannt, bei denen zwischen den Kugellagern
eine Feder angeordnet ist, die auf diese eine Wirkung ausübt, die höher oder mindestens
gerade so groß als der höchste axiale Druck ist, dem die Welle während des Betriebes
unterliegt. Die Kugellager sind daher immer, auch wenn sie sich nicht im Arbeitszustand
befinden, dem Axialdruck ausgesetzt, der von der Federwirkung abhängt und manchmal
sehr hoch ist, um beim Betriebszustand der Welle eine wirksame Reaktion gegen den
Axialdruck der Spindel zu erzielen.
-
Im Gegensatz zu diesen Vorrichtungen wird nach der Erfindung die Nachstellung
des bei einer sich drehenden Welle auftretenden axialen Druckes sowie der selbsttätige
Ausgleich des zwischen einer umlaufenden Welle und ihren Kugellagern entstehenden
axialen Spieles, insbesondere bei einer mit sehr hohen Winkelgeschwindigkeiten sichdrehenden
Welle, mit Hilfe einer zwischen den Kugellagern angeordneten, mindestens auf eines
dieser Lager wirkenden Feder dadurch in vorteilhafter Weise erreicht, daß zwischen
der Feder und den Kugellagern eine Klemmvorrichtung vorgesehen wird, die einerseits
eine axiale Verschiebung eines Kugellagers nach einer bestimmten Richtung infolge
der Wirkung der Feder zum Ausgleich des sich allmählich bildenden Spieles der Welle
gestattet und anderseits durch Ausübung einer Verkeilungswirkung sich einer durch
den Axialdruck beim Arbeiten der Welle hervorgerufenen axialen Verschiebung der
Welle widersetzt.
-
Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Ausgleichs- und Nachstellvorrichtung
dient die zwischen den Kugellagern der Welle vorgesehene Feder dazu, das nach und
nach entstehende Kugellagerspiel aufzuheben, und übt dabei keine Reaktion gegen
den auf die Welle während des Betriebes wirkenden axialen Druck aus, und ihre Wirkung
auf die Kugellager ist viel geringer. Auch erfolgt die Aufnahme des axialen Druckes
durch die Kugellager nicht mittels eines federnden, sondern eines starren Zwischengliedes,
und das axiale Spiel wird ununterbrochen ausgeglichen und nachgestellt und dadurch
eine höhere Genauigkeit für das Arbeiten der Ausgleich- und Nachstellvorrichtung
erzielt. Auch unterliegen die Kugellager keiner übermäßigen Beanspruchung.
-
Im einzelnen kann die Vorrichtung nach der Erfindung vorzugsweise
so ausgeführt sein, daß eine auf die Welle aufgeschobene und von dieser in bezug
auf Verdrehung unabhängige Muffe in axialer Richtung mit dem einen von zwei Wellenlagern
zusammenwirkt und in einem Abstützglied axial verstellbar ist und mit einer am freien
Ende dieser Muffe vorgesehenen ringförmigen Konusfläche mehrere durch Federn belastete
Verkeilungsmittel zusammenarbeiten, während eine zu dieser Muffe gleichachsige zweite
Muffe sowohl die Verkeilungsmittel als auch die zugehörigen Federn festhält und
dabei unter der Einwirkung von am anderen Wellenlager abgestützte Federn steht.
-
Die Zeichnung veranschaulicht die Vorrichtung nach der Erfindung beispielsweise
in einer für die Praxis besonders geeigneten Ausführungsform.
-
Fig. I zeigt einen Achsschnitt durch die ganze Vorrichtung; Fig. 2
gibt ebenfalls im Achsschnitt einen Teil der Vorrichtung in vergrößertem Maßstab
wieder; Fig. 3 und 4 stellen Querschnitte gemäß den Linien III-III und IV-IV der
Fig. I dar.
-
Gemäß Fig. I wird eine Spindel Io, die im besonderen zum Ausschleifen
von Bohrungen kleinsten Durchmessers in der Art der Zylinderbohrungen von Brennstoffeinspritzpumpen
dient, durch eine Kleinturbine 14 mit einer hohen Umlaufgeschwindigkeit von etwa
150 ooo bis Zoo ooo Umdrehungen in der Minute angetrieben. Das Laufrad der Turbine
14, das auf den am einen Ende der Spindel Io vorgesehenen Zapfen 12 aufgekeilt ist,
befindet sich in einem zylindrischen Gehäuse 16, das an seinen Enden in die beiden
Flansche i8 und i9 übergeht und mittels des Flansches i8 mit einem eine zylindrische
Bohrung aufweisenden Hohlkörper 2o verschraubt ist.
-
In der Zylinderwandung des Gehäuses 16 ist ein Längsschlitz 22 und
in diesem diametral gegenüber eine tangential verlaufende Öffnung 24 ausgespart,
die durch eine Ab-schlußwand 26 abgedeckt ist, an der ein Fensterehen vorgesehen
ist, durch das (vgl. Fig.4) gerade ein kleiner Umfangsteil des Turbinenlaufrades
14 hervorragt. Auf die Flansche 18 und i9 des Turbinengehäuses ist ein zylindrischer
Mantel 28 aufgeschoben, der eine das Gehäuse 16 umgebende Ringkammer 29 begrenzt
und eine zu dem aus dem Gehäuse 16 heraustretenden Umfangsteil des Turbinenlaufrades
14 tangential gerichtete Öffnung 30 aufweist. In der Nähe der Öffnung
30 ist der Mantel 28 mit einem bogenförmigen Schlitz 32 versehen, welcher
der Öffnung 24 des Turbinengehäuses 16 gegenüberliegt und dieser in seiner Länge
entspricht.
-
Durch die Öffnung 30 strömt der die Turbine 14 antreibende
Flüssigkeitsstrahl in der Richtung des
in Fig. 4 eingezeichneten
Pfeiles X in die Ringkammer 29. Die etwaigen Spritzer des Flüssigkeitsstrahles X
werden durch den Schlitz 32 abgeführt, während die krafterzeugende restliche Flüssigkeitsmenge
über das Fenster der Tangentialwand 26 in das Turbinengehäuse 16 eintritt und dieses
nach Einwirkung auf das Laufrad 14 durch den Schlitz 22 verläßt sowie dann durch
die im Mantel 28 gegenüber dem Schlitz 22 ausgesparten Schlitze 34 abgeht. Die Flüssigkeit
andererseits, die durch Schleuderkraft im Augenblick des auf das Laufrad 14 ausgeübten
Stoßes in die Ringkammer 29 geworfen wird, verliert in dieser infolge der Anwesenheit
des Querstückes 31 an Geschwindigkeit und entleert sich schließlich ebenfalls durch
die Schlitze 34 des Mantels 28.
-
Der Flüssigkeitsstrahl X wird in entsprechender Dicke vorteilhafterweise
durch eine Pumpe zugeführt, die zur Erzielung höherer Umdrehungsgeschwindigkeiten
der Spindel Io vorzugsweise als Kolbenpumpe ausgebildet ist, und als Antriebsflüssigkeit
für die Turbine hat sich z. B. Naphtha, Öl, Erdöl und im allgemeinen jede zweckmäßig
zusammenpreßbare Flüssigkeit mit einer Dichte zwischen o, 6 und Io als besonders
vorteilhaft erwiesen.
-
An dem von der Turbine 14 abgekehrten Ende weist die Welle IO (vgl.
Fig. I) eine kegelstumpfförmige Verlängerung 38 auf, an der ein Werkzeug 4o, z.
B. eine Schleifscheibe 40, beweglich angebracht werden kann. Die beiden Enden der
Welle Io laufen auf zwei einander gleichen Kugellagern 42 und 44, von denen jedes
aus einer Reihe von Kugeln 46 besteht, die einerseits in einer entsprechenden in
gewünschter Lage an der Welle ausgefrästen Rille 48 und andererseits in einem am
Kugellagerring 5o ausgearbeiteten Sitz eingebettet sind. Die Ringe 50 gehen
an den einander zugekehrten Enden in je einen Absatz 52 über, welcher den betreffenden
Kugelkranz 46 in axialer Richtung festlegt, während der erforderliche gegenseitige
Abstand den Kugeln 46 bei jedem Lager in üblicher Weise durch einen geeigneten Käfig
(vgl. Fig. 2) gesichert ist.
-
Der Ring 5o des Kugellagers 44 ist (vgl. Fig. I) in einem entsprechenden
am Hohlkörper 2o vorgesehenen Sitz festgelegt, während der Ring 5o des Kugellagers
42 (vgl. Fig. 2) in den Hohlkörper 2o lose eingesetzt ist, so daß er sich in diesem
axial verstellen kann. Zwischen den beiden Kugellagern 42 und 44 sind erfindungsgemäß
Nachstellglieder eingefügt, welche das sich allmählich auswirkende axiale Spiel
der Spindel Io selbsttätig ausgleichen. Zu diesem Zweck ist auf die Spindel IO eine
Hülse 56 frei aufgeschoben, die in die im Hohlkörper 2o vorgesehene Bohrung eingesetzt
und darin mit Hilfe der in dem Hohlkörper 2o geführten Schraube 58 gegen axiale
Verschiebung und gegen Drehung festgelegt ist. An einem eingebogenen Flansch der
Hülse 56 ist das eine Ende einer die Spindel IO umschließenden Schraubenfeder 6o
befestigt, deren anderes Ende an einer zur Hülse 56 gleichachsigen, in der Bohrung
des Hohlkörpers 20 axial verstellbaren Muffe 62 angreift. An ihrem freien Ende weist
die Muffe 62 (vgl. Fig. 2) eine Reihe kurzer axialer Bohrungen 64 auf, in welchen
je eine Schraubenfeder 65 eingebettet ist, deren freies Ende mit einer Kugel 66
zusammenwirkt, die mit einem gewissen Spiel in einer Radialbohrung der Muffe 62
gelagert ist, deren Achse die zu ihr senkrechte Achse der Bohrung 64 schneidet.
Die Kugeln oder Wälzorgane 66 berühren die Wände einer Ringkammer, die einerseits
durch die im Hohlkörper 20 vorgesehene Bohrung, andererseits durch einen an einem
Ende einer zweiten Muffe 72 vorgesehenen Kegelsturnpfkranz 7o begrenzt wird.
-
Die Muffe 72 umgibt die Welle IO mit Abstand und ist in gleicher Weise
wie die Muffe 62 (vgl. Fig.2) in axialer Richtung in der Bohrung des Hohlkörpers
20 verstellbar. Das die Kugeln 66 enthaltende Stirnende der Muffe 62 stützt sich
infolge der auf diese durch die Feder 6o ausgeübten Druckwirkung an einer Anschlagfläche
71 der zweiten Muffe 72 ab, wodurch die von der Muffe 62 gegensinnig zur Pfeilrichtung
y ausgeführte Axialverstellung auf die Muffe 72 übertragen wird. Das gleiche Ergebnis
kann auch dadurch erzielt werden, daß der Konuskranz 7o der Muffe 72 mit einer an
der Muffe 62 vorgesehenen entsprechenden Gegenkonusfläche zum Eingriff gebracht
wird.
-
Dieses Zusammenarbeiten der beiden Muffen 62 und 72 kann vorteilhaft
in Abhängigkeit von dem nachzustellenden Achsspielwert gebracht werden. Zu diesem
Zweck kann die Druckwirkung der Feder 6o entsprechend vorbestimmt werden, indem
sie je nach der Belastung; die auf die Kugellager 42 und .4.1 einwirken soll, genau
festgelegt wird. Diese Wirkung der Feder 6o kann dabei mehr oder weniger durch die
von den Federn 65 ausgeübte Kraftwirkung neutralisiert werden, da diese auf die
Kugeln 66 einwirken und auf die Muffe 62 in entgegengesetzter Richtung zu dem durch
die Feder 6o hervorgerufenen Druck zurückwirken, so daß der auf den Kugelkranz 66
ausgeübte Druck dem Mindestdruck entspricht, über den hinaus zur Wahrung der für
die Nachstellung des axialen Spielraums der Spindel io erwünschten Eigenschaften
und Vorzüge der Vorrichtung nicht gegangen werden soll.
-
Wenn die Federn 65 auf die Kugeln 66 einwirken, bewegen sie diese
längs der Umfläche des Konuskranzes 7o vorwärts und bringen sie dadurch mit den
Wänden der vom Kranz 70 und der Bohrung des Hohlkörpers 2o begrenzten Ringkammer
in Druckberührung und das freie Ende der Muffe 72 greift dabei an dem längs der
Spindel io verschiebbaren Ring 5o des Kugellagers 42 an. Die verschiebbare Muffe
72 und desgleichen die nicht verschiebbare Hülse 56 weisen an ihren an die Ringe
5o der Kugellager 42 und 44 angrenzenden Enden scharfkantige Kränze 73 auf, die
mit der Spindel io einen innerhalb des Kugelkäfigs 47 liegenden Ringschlitz begrenzen.
Dadurch wird nicht nur die Schmierung erleichtert, insbesondere wenn die Kleinturbine
14 durch einen Ölstrahl angetrieben
wird, sondern es wird vor allem
auch die Bildung von wirbelnden Zonen verhindert, die mit besonderer Leichtigkeit
bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten entstehen können. DieBewegung der Spindel
IO kann nämlich einen Luftumlauf bewirken, der nach den Kugelkäfigen 47 gelangt
und einen beachtenswerten Umdrehungsverlust veranlaßt, und dem wird dadurch vorgebeugt,
daß man Luft und Schmiernebel nach den Käfigen gelangen läßt.
-
Die Muffe 62 weist (vgl. Fig. 2) eine Radialbohrung 74 auf, in welche
die Konusspitze 75 einer am Hohlkörper 2o radial geführten Schraube 76 eingreifen
kann. Dreht man die Schraube 76, so bewirkt man den Eingriff der Konusspitze 75
in die Bohrung 74, so daß die Zwischenmuffe 62, entgegen der auf sie von der Feder
6o ausgeübten Wirkung in axialer Richtung verstellt wird. An Stelle der Schraube
76 kann auch ein Zapfen mit Exzenterverlängerung vorgesehen werden, bei dessen Drehung
die auf das Kugellager 42 ausgeübte Wirkung aufgehoben wird. Ferner kann die Spindel
IO an dem von der Turbine 14 abgekehrten Ende mit einer Ringliderung 8o ausgerüstet
sein, die mit Hilfe der auf das benachbarte Ende des Hohlkörpers 2o aufgeschraubten.
Kappe 82 festgehalten wird und das Austreten des Schmiermittels verhindert. Die
Spindelschmierung erfolgt über die im Hohlkörper 2o vorgesehenen Radialbohrungen
84, welche mit einer Schmierleitung in Verbindung stehen. Als Schmiermittel kann
das zum Antrieb der Kleinturbine benutzte Öl dienen, was dadurch erreicht werden
kann, daß die Bohrungen 84 mit der Laufradkammer 14 in Verbindung stehen, so daß
die zerstäubte Flüssigkeit oder der Ölnebel durch die Drehung der Spindel IO die
Kugellager 42 und 44 schmiert.
-
Die ganze in der Zeichnung veranschaulichte Vorrichtung arbeitet wie
folgt: Während die Spindel IO umläuft, steht die Konusspitze 75 der Schraube 76
nicht mit der an der Muffe 62 vorgesehenen Bohrung 74 im Eingriff, wodurch sich
der Druck der Feder 6o teils auf die Muffe 62 und teils auf die Muffe 72 und folglich
auf den Ring 5o des Kugellagers 42 auswirkt. Der auf das Laufrad 14 gerichtete Flüssigkeitsstrahl
setzt die Spindel IO und damit das Werkzeug 40 mit der gewünschten Umdrehungsgeschwindigkeit
in Umlauf. Das sich etwa zwischen dem Kugelkranz 46 und dem entsprechenden Ring
5o des einen oder des anderen Kugellagers 42 bzw. 44 bildende axiale Spiel wird
auf selbsttätige Weise nachgestellt und ausgeglichen, so wie es sich allmählich
infolge des seitens der Feder 6o auf die Ringe 5o der Kugellager ausgeübten Druckes
auswirkt, der in zum Pfeil y der Fig. I entgegengesetzten Richtung zur Geltung kommt.
-
Auf diese Weise wird die Axialverstellung der Muffe 62 im Gegensinn
zu Pfeil y an die Muffe 72 übertragen, da das Ende der Muffe 62 mit gewünschtem
Druck gegen die Anschlagfläche 7I der Muffe 72 gepreßt wird, welche infolgedessen
ebenfalls axial verstellt und .gegen den Ring 5o des Kugellagers 42 gedrückt wird.
Die Kugeln 66 treten im Laufe dieser Verstellung selbsttätig aus ihrem Eingriff
mit den am Kegelstumpfkranz 70 und am Hohlkörper 2o vorgesehenen Eingriffsflächen
und wirken auf die Federn 65 ein, welche sie zusammenpressen. Auf diese Weise wird
das sich am Kugellager 42 bildende axiale Spiel selbsttätig und fortlaufend nachgestellt
und beseitigt.
-
Sollte das Werkzeug 4o beim Arbeitsvorgang unnormalen Axialbeanspruchungen
im Pfeilsinn y ausgesetzt werden, so können diese auf die Kugellager 42 und 44 abgegeben
und auf selbsttätigem Wege neutralisiert werden, indem sich der Achsdruck auf den
Ring 5o des Kugellagers 42 auswirkt. Der Ring 5o des Kugellagers 42 wird dadurch
im Pfeilsinn y gegen die Muffe 72 getrieben, und diese Verstellung bewirkt die Verkeilung
der Kugeln 66 zwischen dem Kegelstumpfkranz 70 und der Bohrung des Spindelhohlkörpers
2o und die darauffolgende Verspannung des Rings sowie schließlich die Neutralisation
bzw. Aufhebung des Achsdruckes. Wenn die Spindel IO untätig ist, muß die Wirkung
der Feder 6o neutralisiert werden, was dadurch erzielt werden kann, daß man auf
die Schraube 76 so einwirkt, daß die Konusspitze 75 in die Bohrung 74 eingreift
und die Kugellager 42 und 44 von der Wirkung der Feder 6o befreit.
-
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann im einzelnen auch in einer
von dem Beispiel der Zeichnung abweichenden Weise ausgeführt werden. So kann beispielsweise
die Spindel so weiter ausgebildet werden, daß der Achsdruck in beiden Richtungen
zu neutralisiert wird, indem zwei erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtungen miteinander
verbunden werden. Desgleichen können als Verspannungsglieder z. B. auch Zahnstangen
und Federklammern Verwendung finden.