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Gleitlager mit kippbaren Blöcken Die Erfindung betrifft Gleitlager
mit kippbaren Blöcken, die auf ihrer dem Lagerzentrum zugewendeten Seite mit Auflageflächen
versehen sind, welche mit einer auf der Welle vorgesehenen Gleitfläche zur Erzeugung
von die Belastung aufnehmenden Schmiermittelfilmen zusammenwirken. Die Blöcke kippen
um auf ihrer der Welle abgekehrten Seite vorgesehene Stützflächen, so daß sie sich
mit einem keilförmigen Spiel zur Gleitfläche einstellen. In erster Linie betrifft
die Erfindung Radialdrucklager mit gegenüber der gelagerten Welle oder einem mit
dieser verbundenen Teil ortsfesten Blöcken. Wenn nachstehend die Anwendung der Erfindung
bei der Präzisionslagerung von Arbeitsspindeln, wie z. B. Schleifspindeln, in Werkzeugmaschinen
beschrieben wird, so geschieht dies lediglich zwecks Erläuterung .der Eigenart der
Erfindung, ohne jedoch die Erfindung hierauf zu beschränken.
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Wenn eine Schleifspindel belastet wird, tritt eine elastische Verformung
ein, die der vierten Potenz des Spindeldurchmessers umgekehrt proportional ist.
Um diese Verformung zu. vermindern, macht man die Welle im Verhältnis zu den auftretenden
Momenten und Kräften außergewöhnlich stark. Die Umlaufgeschwindigkeit der Schleifspindel
ist hoch, die Belastung von der Schleifscheibe und der Riemenscheibe her dagegen
niedrig.
Es ist an sich bekannt, in diesem Fall die Radialdrucklager
mit ortsfesten, um die Welle herum verteilten Lagerblöcken auszuführen, welche unter
dem Einfluß einer Anfangsbelastung stehen. Man bezweckt hiermit; daß die Mittelachse
der Schleifspindel eine bei allen vorkommenden Belastungsfällen und Betriebszuständen
möglichst gleichbleibende Lage beibehalten soll. Des weiteren wurde bereits vorgeschlagen,
die Blöcke in einem ringförmigen Raum einzuschließen, durch welchen Öl unter einem
gewissen Überdruck zum Umlaufen gebracht wird, und zwar u. a., um die Luft am Zutritt
zu den Gleitflächen zu hindern und eine wirksame Schmierung und Kühlung des Lagers
sicherzustellen.
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Dadurch, daß die Blöcke in einem Ölbad unter Überdruck arbeiten, entsteht
ein besonders schwieriges Dichtungsproblem, indem es gilt, den Leck verlust aus
dem Ölraum niedirig zu halten, ohne gleichzeitig allzu große Reibungsverluste mit
dadurch bedingtem größerem Kraftverbrauch und schädlicher Erwärmung des Lagers hervorzurufen.
Unmittelbar an :der Welle anliegende Dichtungen, wie Manschettendichtungen, sind
in Fällen, wie den in Rede stehenden, nicht anwendbar, nämlich wenn die Welle einen
verhältnismäßig großen Durchmesser hat und zugleich mit verhältnismäßig hoher Drehzahl
umläuft. Wird andererseits zwischen der Wella und einem stillstehenden Lagerteil
ein Spalt ausgebildet, so steigt der Leckverlust proportional zur dritten Potenz
der Spaltweite, während sich die Reibungsverluste bei im übrigen gleichbleibenden
Bedingungen linear verändern. Der Gewinn durch Verminderung der Leckverluste wird
somit bei einer bestimmten Verminderung der Spaltbreite wesentlich größer als die
Vergrößerung :der übrigen Verluste. Hierbei ist man jedoch abhängig von unvermeidbaren
Toleranzen, und diese bestimmen also die untere Grenze, bis. zu der die Spaltbreite
verringert werden kann. Ferner ist wichtig, daß der Spalt um die Welle herum gleich
weit ist. Wenn die Welle zur Spaltfläche im ortsfesten Teil außermittig liegt, wird
der Leckverlust bis zu zweieinhalb Male größer als bei gleich weitem Spalt.
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Wenn also die Welle in einem Radialdrucklager des Blocktyps zylindrisch
ist, müssen die zylindrischen Auflageflächen der Blöcke stets koaxial mit der Gleitfläche
der Welle sein, damit keine Kantendrücke zwischen den Flächen durch eine Verkantung
der Blöcke entstehen können. Dies bringt seinerseits mit sich, daß der Ölfilm zwischen
den Gleitflächen dünn sein kann, etwa von der Größenordnung eines oder einiger weniger
Tausendstel eines Millimeters. Eindünner Ölfilm wiederum ist erstrebenswert mit
Hinblick auf die Förderung, daß die Welle der Schleifspindel ihre Lage in geringst
möglichem Grade verändern soll, wenn die Spindel aus der Ruhelage in Umlauf versetzt
und der Ölfilm zwischen den Gleitflächen :gebildet wird oder wenn sich die Belastung
verändert.
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Die Erfindung bezweckt, ein Blocklager zu schaffen, in welchem die
Blöcke; ohne eine unnötig große Breite erhalten zu brauchen, die richtige Stellung
zu dem mit ihnen zusammenarbeitenden Teil, wie der Gleitfläche der Welle, einnehmen.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, das Lager so .auszubilden,
daß die Lagerblöcke ganz in Öl arbeiten können, während die Leck- und Reibungsverluste
gleichzeitig außerordentlich gering bleiben.
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Gemäß einer die Erfindung kennzeichnenden Eigenschaft sind die Blöcke
mit dieselben miteinander verbindenden Organen verbunden, gegenüber welchen die
Blöcke aber zwecks Durchführung ihrer Kippbewegungen beweglich sind, wobei diese
Organe zu einer Schmiermittel enthaltenden Hülse ausgebildet sind, die sieh: bis
zu der Welle erstreckt und auf wenigstens einer Seite .der Blöcke mit dieser zusammen
einen Spalt bildet.
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Diese Organe erleichtern den Zusammenbau des Lagers und halten die
Blöcke in richtiger Lage auf der Gleitfläche fest, so daß Kantendrücke völlig vermieden
werden. Bei ortsfesten Lagerblöcken bildet die Hülse zusammen mit .der umlaufenden
Welle auf der einen oder auf beiden Seiten der Blöcke einen Dichtungsspalt.
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Da die Gleit- oder Auflageflächen der Blöcke und die stillstehende
Dichtungsfläche des. Spalts zu einem zu einer Einheit zusammengebauten Element ausgebildet
sind und die Blöcke nach ihrem Aufbringen auf die Welle eine bestimmte Lage dieser
gegenüber einnehmen, gilt letzteres auch für die Dichtungsfläche. Dies ermöglicht,
den Spalt bei Verwendung wirtschaftlicher Bearbeitungsmethoden sehr klein zu wählen,
beispielsweise in einerGrößenordnung von etwa o,oI mm, und ihn gleichzeitig konzentrisch
um .den Umfang der Welle herum verteilt auszubilden. Eine Hülse .dieser Art läßt
sich vorteilhaft bei Lagerblöcken verwenden, die gemäß den obigen Ausführungen unter
einer Anfangsbelastung stehen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden nach folgend mit weiteren die Erfindung kennzeichnenden Eigenschaften
beschrieben. Es zeigt Fig. I einen Längsschnitt durch ein gemäß der Erfindung ausgeführtes
Radialblocklager mit stillstehenden Blöcken zum Aufnehmen der Schleifspindel einer
Schleifmaschine, Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. z, Fig.
3 einen Schnitt durch eine halbe Blockhülse entlang .der Linie III-III der Fig.
a in vergrößertem Maßstab und gemäß einer :geringen Abwandlung der Erfindung.
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In der Zeichnung bezeichnet to eine Spindel, mit ,deren Endteil eine
Schleifscheibennabe 1a fest verbunden ist. Die Spindel wird von: zwei Radiallagern
getragen, von welchen eines in :der Zeichnung dargestellt ist und welche von einem
gemeinsamen Lagergehäuse 1q. umschlossen sind. In dem ortsfesten Lagergehäuse 1q.
ist eine. Anzahl gleichmäßig über .den Umkreis verteilter Lagerblöcke 16 kippbar
gelagert. Bei der gezeigten Ausführungsform sind zwecks Erzielung größerer Deutlichkeit
nur
vier Lagerblöcke dargestellt, ihre Anzahl kann aber größer sein. Die Blöcke sind
in bekannter Weise mit Kämmen 18 versehen, die beim Kippen der Blöcke Stützflächen
für diese bilden. Die Stützfläche liegt 'hierbei zweckmäßig hinter der Mitte der
zylindrischen Auflagefläche 22 des Blockes 16, gesehen in der durch den Pfeil 24
in der Fig. 2 angedeuteten Umlaufrichtung der Welle IO. Beim Umlaufen der Spindelwelle
IO kippen die Blöcke 16 um ihre Stützflächen 2o, so daß sich .die Vorderkanten der
Blöcke 16 von der Gleitfläche der Spindel abheben und keilförmige Spielräume entstehen,
in welchen .der tragende Ölfilm erzeugt wird. Dieser Film muß dünn sein, damit sich
die Achsenlinie der Spindel so wenig wie möglich in seitlicher Richtung bewegt,
und dabei ist es besonders wichtig, daß ein Kantendruck der Blöcke vermieden wird.
Deshalb sind die Kämme 18, wie aus der Fig. I hervorgeht, bauchig und außerdem in
axialer Richtung mitten auf dem Block angeordnet, so daß dieselben in der Mitte
belastet werden. Die Gleitflächen der Blöcke können mit einem Futter 26 aus Lagermetall,
beispielsweise Bleibronze, versehen sein.
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Die Blöcke 16 sind miteinander verbunden und bestehen vorzugsweise
mit einer Hülse28 aus einem Stück. Die Hülse 28 wird aus zusammenhängenden, zweckmäßig
zylindrischen Seitenteilen 30 gebildet, die mit den Seitenkanten der Blöcke verbunden
sind und sich in axialer Richtung über dieselben hinaus erstrecken. Zwischen den
Blöcken 16 gehen die Seitenteile 30 in Teile 32 über, die den Zwischenraum zwischen
den Vorder- und den Hinterkanten benachbarter Blöcke überbrücken. Diese Teile der
Hülse sind so .dünn, daß sie sich den Kippbewegungen: der Blöcke nicht in störender
Weise widersetzen. Die Seitenteile 30 sind mit Flanschteilen 34, 36 verbunden, die
zur Welle hin vorspringen und deshalb in radialer Richtung dicker sind als die Teile
30 und 32. Die Flanschteile 34, 36 haben einen größeren Innendurchmesser als der
Durchmesser der Welle IO, so daß zwischen Flanschteil und Welle ein Spalt vorhanden
ist. Dieser Spalt kann bei dem außenliegenden Flanschteil 36 kleiner sein als bei
dem Flanschteil 34, der dem anderen Radiallager im Lagergehäuse 14 zugewendet ist.
Während die Weite des erstgenannten Spaltes von einer Größenordnung von, O,OI bis
O,O2 mm sein kann und damit als Spaltdichtung dient, kann der zweitgenannte Spalt
eine Weite von ungefähr O,I5 mm haben und damit eine Spaltverengung bilden. Um bei
der Herstellung der Hülse 28 die Zwischenteile 32 mittels einer Stoßmaschine formen
zu können, können eine oder beide Flanschteile gemäß Fig. 3 einen gesonderten Ring
37 aufweisen, der auf beliebige an sich bekannte Weise mit dem Hülsenteil 30 fest
verbunden ist. Dabei hat der Ring 37 einen Außendurchmesser, der ebenso groß oder
etwas größer ist als der Innendurchmesser der Zwischenteile 32.
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Die Hülse wird in der für dieselbe vorgesehenen Lage mittels eines
Führungsstiftes 38 od. dgl. gehalten, der im Stützkamm 18 eines der Blöcke 16 angeordnet
ist. Die Flanschteile 34 und! 36 bzw. der Ring 37 können ebenso wie die Blöcke 16
ein inneres Futter 39 aus Lagermetall aufweisen.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, sind die Gleit-
oder Auflageflächen 22 in der Hülse 28 eingeschlossen, wobei zwei radial verlaufende
Kanäle 79, 8o gebildet werden. Dem Innern der Hülse 28 wird Öl durch eine Leitung
40 von einer nicht dargestellten Pumpe zugeführt. Die Leitung 4O ist zweckmäßig
an einen der Blöcke 16 angeschlossen, der einen quer verlaufenden Kanal 42 besitzt,
durch welchen das Ö1 in den Hülsenraum neben dem äußeren Flanschtei136 unter einem
Überdruck von z. B. 3 m Ölsäule geleitet wird. Das Hülseninnere wird somit ständig
gänzlich mit Öl gefüllt, das ununterbrochen durch dasselbe hindurchzirkuliert. Da
der rechte in der Zeichnung dargestellte Spalt als Verengung ausgebildet ist, kann
derselbe gleichzeitig dazu dienen, einen Austritt des Öls aus dem Hülseninnern zu
gestatten. Jedoch kann, insbesondere wenn auch dieser Spalt als Spaltdichtung ausgeführt
ist, die Hülse auch mit einer besonderen Austrittsöffnung für das Öl versehen sein,
die dann zweckmäßig in ein Rohr 44 übergeht, wie mit gestrichelten Linien in der
Fig. I angegeben ist. Das Rohr 44 mündet unterhalb der Oberfläche des Öls, das sich
ständig in dem als Sammelbehälter dienenden unteren Teil des Lagergehäuses sammelt.
Hierdurch wird eine Schaumbildung in dem ausströmenden Öl vermieden. Das Öl ist
vorzugsweise sehr dünn und kann aus Petroleum mit einem kleineren Zusatz von Spindelöl
bestehen, wodurch an die Dichtung weitere Ansprüche gestellt werden. Vom Sammelbehälter
geht das Öl zu einem Vorratsbehälter für Abkühlung, Entlüftung und Reinigung.
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Einige der Blöcke 16, im vorliegenden Fall .der oberste und der gemäß
Fig. 2 am weitesten rechts gelegene Block 16, sind dem Druck von Federorganen ausgesetzt,
so daß die Blöcke bei stillstehender Spindel und somit auch, wenn die Maschine außer
Betrieb ist, unter Belastung stehen. In: einer radialen Bohrung im Lagergehäuse
14 ist eine Dose oder Hülse 6o eingesetzt, die mit Flanschlappen 62 für in das Lagergehäuse
eingeschraubte Bolzen 64 versehen ist. Die radiale Lage der Dose 6o ist mittels
dieser Bolzen 64 verstellbar. Die Dose 6o hat einen federnden Bodenteil 66, gegen
welchen sich der Block 16 kippbar mit seinem Kamm 18 abstützt. Der Bodenteil 66
kann durch Abfräsen von Seitenteilen des Bodens als an beiden Enden eingespannter
Quersteg ausgebildet sein, wie aus der Fig.2 hervorgeht. Dieser Steg bildet also.
eine steife, mit der Dose in einem Stück ausr gebildete Feder. In die Dose 6o ist
ein Meßgerät 68 der Präzisionsbauart eingesetzt, vorzugsweise ein solches, bei dem
jeder Teilstrich auf seiner Skala 70 einer Verschiebung der an der Oberseite des
Steges 66 anliegenden Meßspitze 72 des Meßgerätes um 0,5 X 1o-3 oder io-3 mm entspricht.
Das Meßgerät 68 ist zweckmäßig in bekannter Weise mit Organen zur Dämpfung der Bewegungen
seines Zeigers ausgerüstet. Das Meßgerät hat einen zentralen
Flansch
74, und zwischen diesem und einem Ansatz der Dose 6o ist eine Feder 76 eingesetzt.
Die Meßspitze 72 kann mittels einer Stellschraube 78 auf eine gewünschte Ausgangslage
eingestellt werden.
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Nachdem das Meßgerät so eingestellt ist, daß sein Zeiger .die Nullage
einnimmt, wenn die Meßspitze 72 an dem unbelasteten Steg 66 anliegt, wird es dadurch
kalibriert, daß der Steg einer bekannten Belastung ausgesetzt wird. Auf :diese Weise
läßt sich die Kraft, mit welcher die Dose 6o gegen .den Block 16 gepreßt wird, mit
sehr hoher Genauigkeit kontrollieren. Es leuchtet ein, daß es keine Rolle spielt,
ob die Blöcke 16 verschieden dick sind, und deshalb brauchen die Anforderungen bei
deren Herstellung nicht besonders hoch gestellt zu werden. Von Bedeutung ist, daß
das Federorgan steif ist, so daß die zentrische Lage der Spindel nicht in merkbarem
Grade beeinflußt wird, wenn die Belastung der Spindel ihre Richtung verändert. Der
Begriff »steifes Federorgan« läßt sich in :diesem Zusammenhang dahin .definieren,
daß ihre Federung nicht größer sein ,soll, als sie sich innerhalb der Skala an Präzisionsmeßgeräten
der oben beschriebenen und marktgängigen Bauarten ablesen läßt. Andererseits muß
das Federorgan eine solche Federung zulassen, daß die Federkraft nach Anbringen
der Anfangsbelastung nur in verhältnismäßig kleinem Ausmaße wächst, etwa mit IO
bis 25%, wenn die Spindel in Umlauf versetzt und die keilförmigen Ölfilme zwischen
ihr und den Blöcken gebildet werden.
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Das Lagerspiel zwischen den Blöcken und der Spindel ist dank der Anfangsbelastung
bei stillstehender Welle .gleich Null. Wenn die Spindel IO umläuft und sich die
Blöcke 16 mit keilförmigem Spalt zur Gleitfläche der Spindel einstellen; wird dieser
Spalt an der Vorderkante von der Größen-Ordnung O,OI mm und ist daher in radialer
Richtung gesehen wesentlich kleiner innerhalb der Auflagefläche 2o, wo er deshalb
auch kleiner ist als die Spaltweite am Flanschteil 36. Die Anfangsbelastung trägt
ferner dazu bei, eine gleichförmige Spaltweite zwischen der Hülse 28 und der Spindel
IO um den Umfang herum unter allen Belastungs-und Betriebsverhältnissen -sicherzustellen.
Beim Kippen der Blöcke 16 werden die Seiten- und Zwischenteile 30, 32 der Hülse
28 einer gewissen Verformung ausgesetzt, .die aber an sich unbedeutend ist und:
nur in geringerem Ausmaß auf die Flanschteile 34 36 übertragen wird. Diese können
daher höchstens um die Welle herum eine umrunde Form mit einer Abweichung von der
zylindrischen annehmen, die einen gering-en . Bruchteil der Spaltweite zwischen
den Flanschteilen und der Spindel ausmacht.
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Das Lagergehäuse kann mit einem zu einer Labyrinthdichtung 5o zur
Schleifscheibennabe 12 ausgebildeten Deckel 48 versehen sein:. Innerhalb des Deckels
48 ist auf der Welle ein Abweisring 52 angebracht, der zusammen. mit dem Deckel
einen schmalen kegelstumpfförmigen Spalt 54 bildet, dessen größter Durchmesser einwärts
zum Lager hin gerichtet ist. Der Abweisring kann einen zylindrischen: Flanschtei1
56 haben, der :sich über den äußeren Flanschteil 36 der Hülse 28 erstreckt. Der
an sich bekannte kegelstumpfförmige Spalt 54 hat zur Aufgabe, Öl zurückzuschleudern,
das etwa auf diesem Wege aus dem Lagergehäuse ,hinauszudringen versucht. Der als
Ölsammelraum dienende untere Teil des Lagergehäuses kann beiderseits des untersten
Lagerblocks 16 mit Kanälen 58 versehen sein, so daß der Ölstand auf beiden Seiten
des Lagers die gleiche Höhe aufweist.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsformen:
begrenzt, sondern läßt sich innerhalb des ihr zugrunde liegenden Leitgedankens in
vielfacher Hinsicht abwandeln. So können beispielsweise auch in an sich bekannter
Weise Vorkehrungen getroffen sein, um sicherzustellen, daß :die Hülse 28 mit Öl
gefüllt ist, bevor die Spindel IO in Umlauf versetzt wird.