Bezeichnung der Erfindung Name of the invention
Hochgeschwindigkeitsloslager, insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer WerkzeugmaschineHigh-speed loose bearing, in particular for supporting the main spindle of a machine tool
Beschreibungdescription
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitsloslager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 , welches insbesondere vorteilhaft zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine oder zur Lagerung anderer schnell umlaufender Maschinenteile eingesetzt werden kann.The invention relates to a high-speed floating bearing according to the preamble of forming features of claim 1, which can be used in particular advantageous for storage of the main spindle of a machine tool or storage of other fast rotating machine parts.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Dem Fachmann auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass zur Führung und Abstützung eines umlaufenden Maschinenteils zumindest zwei in bestimmten Abständen voneinander angeordnete Lager erforderlich sind. Erfolgt dabei die Abstützung der Welle in üblicher Weise in zwei Ra- diallagem, tritt das Problem auf, dass die Abstände der Lagersitze auf der Welle und im Gehäuse nur im Rahmen der Fertigungstoleranzen übereinstimmen. Außerdem erwärmt sich die Welle unter Betriebsbedingungen in der Regel
stärker als das Gehäuse, so dass auch die temperaturbedingten Längendifferenzen der Welle in den Lagerstellen ausgeglichen werden müssen. Die seit langem bewährteste Möglichkeit zum Ausgleich dieser Fertigungstoleranzen und Längendifferenzen ist es daher, die Welle nur in einem Festlager in axialer Richtung zu führen, während an der anderen Lagerstelle durch ein Loslager die unterschiedlichen Abstände entweder an der Sitzstelle des Innenrings, an der Sitzstelle des Außenrings oder im Lager selbst durch Verschieben der Lagerringe zueinander ausgeglichen werden. Während sich als Festlager einer solchen Wellenlagerung je nach geforderter Genauigkeit der axialen Führung der Welle vor allem Rillenkugellager, Pendel- oder Kegelrollenlager oder auch zweireihige oder zwei einreihige Schrägkugellager als besonders geeignet erwiesen haben, sind Loslager am einfachsten durch Zylinderrollenlager oder Nadellager realisierbar, da bei diesen Lagertypen eine Verschiebung des RoII- körperkranzes auf der Laufbahn des jeweils bordlosen Lagerringes bzw. der Welle möglich ist.It is generally known to the person skilled in the art of rolling bearing technology that at least two bearings arranged at specific distances from one another are required for guiding and supporting a revolving machine part. If the support of the shaft in the usual way takes place in two radial bearings, the problem arises that the distances of the bearing seats on the shaft and in the housing only coincide within the framework of the manufacturing tolerances. In addition, the shaft usually warms under operating conditions stronger than the housing, so that the temperature-related differences in length of the shaft must be compensated in the bearings. The longest proven way to compensate for these manufacturing tolerances and differences in length is therefore to guide the shaft only in a fixed bearing in the axial direction, while at the other bearing by a floating bearing the different distances either at the seating position of the inner ring, at the seating position of the outer ring or be balanced in the bearing itself by moving the bearing rings to each other. While have proven to be particularly suitable as a bearing of such a shaft bearing depending on the required accuracy of the axial guidance of the shaft deep groove ball bearings, spherical or tapered roller bearings or double row or two single row angular contact ball bearings, floating bearings are most easily realized by cylindrical roller bearings or needle roller bearings, as in these A shift of the RoII- corona is possible on the track of each bordlosen bearing ring or shaft.
Vor allem beim Einsatz von Zylinderrollen- oder Nadellagern als Loslager einer wassergekühlten Werkzeugmaschinen-Hauptspindel hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass diese Lager zumeist eine hohe radiale Steifigkeit aufweisen, die sich bei Temperaturunterschieden zwischen Innen- und Außenring oder zwischen Welle und Spindelgehäuse durch unterschiedliche Wärmeausdehnung in einer zunehmenden Radialverspannung im Lager bemerkbar macht. Die durch diese temperaturbedingte Radialverspannung immer weiter zunehmende Reibung zwischen den Lagerringen und den Rollkörpern kann dabei so stark werden, dass durch die entstehende Reibungswärme die zulässige Betriebstemperatur des Lagers überschritten wird und der erforderliche Schmierfilm zwischen den Rollen und den Lagerringen bis hin zum teilweisen Verbrennen des Schmierstoffs und dem vorzeitigen Ausfall des Lagers örtlich abreißt. Eine bekannte Möglichkeit zur Vermeidung eines solchen vorzeitigen Lagerausfalls ist es zwar, das Radialspiel des Lagers entsprechend voreinzustellen, jedoch ist eine derartige Radialspieleinstellung über einen kostenintensiven Kegelsitz des inneren Lagerrings auf der Werkzeugmaschinen-Haupt-
Spindel sehr zeitaufwändig und bedarf zudem sehr kostenaufwändiger Hüllkreis-Messgeräte.Especially when using cylindrical roller or needle roller bearings as a floating bearing of a water-cooled machine tool main spindle, it has proved to be disadvantageous that these bearings usually have a high radial stiffness, resulting in different temperatures between inner and outer ring or shaft and spindle housing Thermal expansion in an increasing radial tension in the bearing makes noticeable. The ever-increasing by this temperature-induced radial stress friction between the bearing rings and the rolling elements can be so strong that the permissible operating temperature of the bearing is exceeded by the resulting frictional heat and the required lubricating film between the rollers and the bearing rings to the partial burning of the lubricant and the premature failure of the camp breaks down locally. Although a known possibility for avoiding such a premature bearing failure is to preset the radial play of the bearing accordingly, such a radial play adjustment via a costly conical seat of the inner bearing ring on the main machine tool Spindle very time consuming and also requires very costly enveloping circle gauges.
Eine andere Möglichkeit zur Realisierung eines Loslagers bei der Lagerung einer Werkzeugmaschinen-Hauptspindel stellt auch das in der EP 926 368 A2 offenbarte einreihige Kugellager dar, bei dem der äußere Laufring mit einer rillenförmigen Kugellaufbahn und der innere Laufring mit einer im Längsschnitt ebenen Kugellaufbahn ausgebildet ist und die zwischen den Laufringen angeordneten Lagerkugeln aus Keramik bestehen. Durch die Ausbildung des Lagers mit einer definierten Radialluft soll dabei erreicht werden, dass das Lager sowohl einen ausreichenden Sitz auf der Welle und im Gehäuse als auch ein günstiges Betriebsspiel aufweist, während die Loslagerfunktion durch die Möglichkeit der Axialverschiebung des inneren Lagerrings im Bereich seiner ebenen Lauffläche gewährleistet ist.Another possibility for realizing a movable bearing in the storage of a machine tool main spindle is also disclosed in EP 926 368 A2 single row ball bearings, in which the outer race is formed with a groove-shaped ball raceway and the inner race with a longitudinally planar ball track and the arranged between the races bearing balls made of ceramic. Due to the design of the bearing with a defined radial clearance to be achieved that the bearing has both a sufficient seat on the shaft and in the housing and a favorable operating clearance, while the movable bearing function by the possibility of axial displacement of the inner bearing ring in the region of its flat tread is guaranteed.
Ein derart ausgebildetes Kugellager wirkt zwar betriebsbedingten radialen Wärmedehnungen der Lagerringe durch dessen definierte Radialluft entgegen, es hat demgegenüber jedoch den Nachteil, dass es nur eine niedrige Belastbarkeit aufweist und damit in so genannten Crashfällen, bei dem das Lager schlagartig einer extrem hohen Punktbelastung ausgesetzt ist, zu Materialschäden sowie letztendlich zum Totalausfall neigt. Darüber hinaus hat es sich in der Praxis gezeigt, dass auch die definierte Radialluft des Lagers nicht ausreicht, bei einem größeren Wärmegefälle vom Lagerinnenring zum Lageraußenring eine Überbelastung des Lagers zu vermeiden, so dass es mit einem solchen Lager selbst in zweireihiger Ausführung nicht möglich ist, bei jedem Betriebszustand des Lagers eine gleichmäßig präzise radiale Spindelführung zu gewährleisten.Although a ball bearing designed in this way counteracts operational radial thermal expansion of the bearing rings by its defined radial clearance, it has the disadvantage that it has only a low load capacity and thus in so-called crash cases, in which the bearing is suddenly exposed to extremely high point load, to material damage and ultimately to total failure tends. In addition, it has been found in practice that even the defined radial clearance of the bearing is not sufficient to avoid overloading the bearing with a larger heat gradient from the bearing inner ring to the bearing outer ring, so that it is not possible with such a bearing even in a double-row design, to ensure a uniformly precise radial spindle guidance in every operating condition of the bearing.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein
Hochgeschwindigkeitsloslager, insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, zu konzipieren, mit welchem es neben der Funktion temperaturbedingte Längendifferenzen der Hauptspindel gegenüber deren Festlager auszugleichen auch möglich ist aus betriebsbedingten radialen Wärmedehnungen der Lagerringe resultierende Überbelastungen des Lagers zu vermeiden sowie bei jedem Temperatur- und Betriebszustand des Lagers eine gleichmäßig präzise radiale Spindelführung zu gewährleisten.Based on the stated disadvantages of the solutions of the known prior art, the invention is therefore based on the object, a Hochgeschwindigkeitsloslager, in particular to support the main spindle of a machine tool to design, with which it compensate in addition to the function temperature-related differences in length of the main spindle relative to the fixed bearing is also possible from operational radial thermal expansion of the bearing rings resulting overloading of the bearing to avoid and at each temperature and operating state of Bearings ensure a uniformly precise radial spindle guide.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Hochgeschwindigkeitsloslager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass das Hochgeschwindigkeitsloslager als betriebsbedingte radiale Wärmedehnungen der Lagerringe selbsttätig ausgleichendes Kugelloslager mit mehreren nebeneinander angeordneten Kugelreihen ausgebildet ist, dessen Lagerringe im kalten Zustand des Hochgeschwindigkeitsloslagers durch eine konvexe Ausführung der Lauffläche für die Wälzkörper am inneren Lagerring über lediglich eine Kugelreihe miteinander in Tragkontakt stehen, wobei mit zunehmender Wärmedehnung und Fliehkraftaufweitung beider Lagerringe durch eine radialelastisch nachgiebige Ausbildung eines oder beider Lagerringe die weiteren Kugelreihen nacheinander in eine derartige Kontaktposition mit beiden Lagerringen treten, dass die Lagerringe bei Betriebstemperatur des Hochgeschwindigkeitsloslagers über alle Kugelreihen miteinander in Tragkontakt stehen.According to the invention, this object is achieved in a high-speed floating bearing according to the preamble of claim 1 such that the high-speed floating bearing is formed as operational radial thermal expansion of the bearing rings self-balancing ball bearing with several juxtaposed rows of balls whose bearing rings in the cold state of the high-speed ball bearing by a convex design of the tread for the rolling elements on the inner bearing ring via only one row of balls are in contact with each other, with increasing thermal expansion and centrifugal expansion of both bearing rings by a radially elastic compliant design of one or both bearing rings successively enter the other rows of balls in such a contact position with two bearing rings that the bearing rings at operating temperature of High-speed loose bearing over all rows of balls in supporting contact with each other.
In zweckmäßiger Weiterbildung weist das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwindigkeitsloslager dabei bevorzugt fünf nebeneinander angeordnete Kugelreihen mit durchmessergleichen Stahl- oder Keramikkugeln als Wälzkörper auf, von denen nur die Wälzkörper der mittleren Kugelreihe im kalten Zustand des Hochgeschwindigkeitsloslagers mit beiden Lagerringen in Tragkontakt stehen. Die Anordnung von fünf Kugelreihen nebeneinander hat dabei den Vorteil, dass äußere Radialbelastungen nahezu gleichmäßig auf die einzelnen Kugel-
reihen verteilt werden und dass das Lager insgesamt wesentlich robuster ist als bekannte ein- oder zweireihige Kugelloslager. Je nach Anwendungsfall ist es jedoch auch möglich, das Hochgeschwindigkeitsloslager mit weniger oder mehr als fünf Kugelreihen auszubilden. Bei der Auswahl des Werkstoffes und der Form für die Wälzkörper hat sich vor allem die Verwendung von Keramikkugeln als vorteilhaft erwiesen, da Kugeln aufgrund ihrer idealen Form präziser herstellbar sind als beispielsweise Zylinderrollen und sich mit diesen eine ausgezeichnete Laufruhe des Loslagers ergibt. Zudem sind Keramikkugeln im Vergleich zu Zylinderrollen aus Keramik ähnlich kostengünstig herstellbar wie die alternativ auch verwendbaren bekannten Kugeln aus einem Wälzlagerstahl oder dergleichen.In an expedient development, the inventively designed high-speed bearing preferably has five juxtaposed rows of balls with diametrically identical steel or ceramic balls as rolling elements, of which only the rolling elements of the middle row of balls in the cold state of Hochgeschwindigkeitsloslagers are in bearing contact with both bearing rings. The arrangement of five rows of balls next to each other has the advantage that external radial loads almost uniformly on the individual ball be distributed in rows and that the camp is a lot more robust than known single or double ballless ball bearings. However, depending on the application, it is also possible to form the high-speed floating bearing with fewer or more than five rows of balls. In the selection of the material and the shape of the rolling elements, especially the use of ceramic balls has proven to be advantageous because balls are due to their ideal shape produce more precise than, for example, cylindrical rollers and with these results in excellent smoothness of the floating bearing. In addition, ceramic balls are compared to cylindrical rollers made of ceramic similarly inexpensive to produce as the alternative also usable known balls from a bearing steel or the like.
Damit ein mit einer solchen Anzahl an Kugelreihen ausgebildetes Loslager nicht wesentlich mehr axialen Bauraum als herkömmliche Loslager benötigt, wird es als vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindigkeitsloslagers des Weiteren vorgeschlagen, die Wälzkörper der einzelnen Kugelreihen jeweils in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander beabstandet in einem gemeinsamen Lagerkäfig ineinander verschachtelt anzuordnen, so dass die Axialbreite des Hochgeschwindigkeitsloslagers geringer als die Summe der Durchmesser einer Querreihe von fünf Wälzkörpern ist. In der Praxis hat es sich dabei gezeigt, dass die Axialbreite eines mit fünf ineinander verschachtelten Kugelreihen ausgebildeten Loslagers etwa der doppelten Breite des im Stand der Technik beschriebenen einreihigen Kugelloslagers entspricht und dass sich dies durch den bei den meisten Anwendungen Vorhände- nen axialen Bauraum nicht nachteilig auswirkt.In order that a movable bearing designed with such a number of rows of balls does not require much more axial space than conventional movable bearings, it is further proposed as an advantageous embodiment of the inventively designed Hochgeschwindigkeitsloslagers, the rolling elements of the individual rows of balls each circumferentially evenly spaced apart in a common bearing cage nested to arrange so that the axial width of the high-speed loose bearing is less than the sum of the diameters of a transverse row of five rolling elements. In practice, it has been found that the axial width of a floating bearing formed with five nested rows of balls corresponds approximately to twice the width of the single-row ball bearing described in the prior art and that this is not disadvantageous due to the axial space available in most applications effect.
Die verschachtelte Anordnung der Kugelreihen ist dabei in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindigkeitsloslagers derart realisierbar, dass die Wälzkörper der mittleren und der axial äußeren Kugel- reihen und die Wälzkörper der beiden der mittleren Kugelreihe benachbarten Kugelreihen jeweils auf gemeinsamen, in Umfangsrichtung wechselweise aufeinander folgenden Querachsen angeordnet werden. Dabei ist zwischen den
auf einer Querachse angeordneten Wälzkörpern der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen nur ein deren Kugeltaschen im Lagerkäfig begrenzender Steg angeordnet, während die ebenfalls nur durch einen deren Kugeltaschen im Lagerkäfig begrenzenden Steg voneinander getrennten Wälzkörper der bei- den der mittleren Kugelreihe benachbarten Kugelreihen jeweils zwischen den Querachsen der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen auf der Höhe der die Kugeltaschen dieser Kugelreihen begrenzenden Stege angeordnet sind.The nested arrangement of the rows of balls can be realized in such a way that the rolling elements of the middle and the axially outer rows of balls and the rolling elements of the two ball rows adjacent the middle ball row each arranged on common, circumferentially alternately successive transverse axes become. It is between the arranged on a transverse axis rolling elements of the middle and the axially outer rows of balls only one of their ball pockets in the bearing cage delimiting web arranged, while also separated only by a ball pockets in the cage cage limiting web of separate rolling elements of the two of the central ball row adjacent rows of balls between the transverse axes the middle and the axially outer rows of balls are arranged at the height of the ball pockets of these rows of balls limiting webs.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindig- keitsloslagers ist es darüber hinaus, dass in die bevorzugt eben ausgebildete Innenfläche des äußeren Lagerrings entsprechend der Anzahl der Kugelreihen fünf nebeneinander angeordnete Laufrillen als Führung für die Wälzkörper eingearbeitet sind. Diese, aufgrund der Wälzkörperschmiegung einen etwas größeren Radius als der Radius der Wälzkörper aufweisenden Laufrillen sind im Querschnitt jeweils mit der gleichen Breite und der gleichen Tiefe ausgebildet und gehen unmittelbar ineinander über, so dass die Wälzkörper mit etwa einem Viertel ihres Umfangs in den Laufrillen geführt werden.A further feature of the inventively designed Hochgeschwindig- Klosslosloslagers it is beyond that in the preferred planar inner surface of the outer bearing ring according to the number of rows of balls five juxtaposed grooves are incorporated as a guide for the rolling elements. These, due to the Wälzkörperschmiegung a slightly larger radius than the radius of the rolling elements having grooves are formed in cross section in each case with the same width and the same depth and go directly into each other, so that the rolling elements are guided in the grooves with about a quarter of its circumference ,
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwin- digkeitsloslagers wird es schließlich noch vorgeschlagen, dass aufgrund des besonders hohen Wärmegefälles zwischen der Hauptspindel und dem Spindelgehäuse einer Werkzeugmaschine bevorzugt beide Lagerringe zur radialelastisch nachgiebigen Ausbildung an ihren Außenflächen mit jeweils einer im Querschnitt konkaven Ringvertiefung ausgebildet sind, die sich nahezu über die gesamte Axialbreite der Lagerringe erstreckt und deren größte Tiefe etwa der halben Dicke der Lagerringe entspricht. Diese umlaufenden Vertiefungen in den Außenflächen der Lagerringe bewirken somit eine Verringerung des Materialquerschnitts der Lagerringe, durch die die Steifigkeit der Lagerringe zu deren Axialmitte hin abnimmt und durch die gleichzeitig die radiale Elastizität der La- gerringe zu deren Axialmitte hin zunimmt. Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, die Oberflächen der konkaven Ringvertiefungen zusätzlich durch Feinschleifen zu bearbeiten, um einen gegebenenfalls aus der Kerbwirkung von
Oberflächenrauheiten resultierenden Überlastungsbruch der Lagerringe zu vermeiden. Die sich an die konkaven Ringvertiefungen anschließenden axialen Randbereiche beider Lagerringe sind dagegen wieder eben und bevorzugt ohne Feinschliff ausgebildet, so dass die Lagerringe über diese als ringförmige Lagersitze ausgebildeten Randbereiche problemlos im Spindelgehäuse bzw. auf der Hauptspindel befestigt werden können. In Anwendungsfällen mit weniger hohem Wärmegefälle zwischen den Lagerringen ist es jedoch auch möglich, nur den äußeren oder nur den inneren Lagerring in der genannten Weise radialelastisch auszubilden, so dass bei dem jeweils anderen in herkömmlicher Weise ausgebildeten Lagerring die aus der Kerbwirkung von Oberflächenrauheiten resultierende Bruchgefahr entfällt.In a further embodiment of the inventively designed Hochgeschwin- digkeitsloslagers it is finally proposed that due to the particularly high heat gradient between the main spindle and the spindle housing of a machine tool preferably both bearing rings for radially elastic compliant training on their outer surfaces are each formed with a concave cross-section annular recess, the extends almost over the entire axial width of the bearing rings and their greatest depth corresponds to about half the thickness of the bearing rings. These circumferential depressions in the outer surfaces of the bearing rings thus cause a reduction in the material cross section of the bearing rings, through which the stiffness of the bearing rings decreases towards the axial center and through which simultaneously increases the radial elasticity of the bearing rings to the axial center. It has proven to be advantageous in addition to process the surfaces of the concave annular recesses by fine grinding to a possibly from the notch effect of Surface roughness resulting in overload fracture of the bearing rings to avoid. The adjoining the concave annular recesses axial edge regions of both bearing rings, however, again flat and preferably formed without fine grinding, so that the bearing rings can be easily fixed in the spindle housing or on the main spindle over this designed as an annular bearing seats edge regions. In applications with less high heat gradient between the bearing rings, however, it is also possible to design radially elastic only the outer or only the inner bearing ring in the manner mentioned, so that in each case formed in a conventional manner bearing ring resulting from the notch effect of surface roughness risk of breakage ,
Das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwindigkeitsloslager, insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Wälzlagern den Vorteil auf, dass es durch die spezielle Ausbildung seiner Lagerringe sowie durch Ausbildung als mehrreihiges Kugellager neben der Fähigkeit temperaturbedingte Längendifferenzen der Hauptspindel gegenüber deren Festlagersitz ausgleichen zu können auch in der Lage ist, betriebsbedingte radiale Wärmedehnun- gen und Fliehkraftaufweitungen der Lagerringe selbsttätig auszugleichen und somit bei jedem Betriebs- und Temperaturzustand des Lagers eine gleichmäßig präzise Spindelführung zu gewährleisten. Durch die konvexe Ausführung der Lauffläche für die Wälzkörper am inneren Lagerring und eine entsprechende Auslegung der Lagerradialluft ist dabei im kalten Zustand des Lagers eine prä- zise Spindelführung zunächst über die mittlere, mit beiden Lagerringen in Tragkontakt stehende Kugelreihe gewährleistet. Mit zunehmenden Fliehkräften und betriebsbedingten Wärmedehnungen der Lagerringe treten dann auch die beiden der mittleren Kugelreihe benachbarten Kugelreihen in Tragkontakt mit beiden Lagerringen. Erreicht das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwin- digkeitsloslager schließlich seine Betriebstemperatur, treten durch die radialelastisch nachgiebige Ausbildung der Lagerringe dann auch die beiden axial äußeren Kugelreihen in Tragkontakt mit beiden Lagerringen, wobei die mittlere
Kugelreihe nicht überlastet wird und in jedem Temperaturzustand des Lagers eine ausreichende Lagersteifigkeit gegeben ist. Die Ausbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindigkeitsloslager als fünfreihiges Kugellager ist zwar im Vergleich zu bekannten einreihigen Kugellagern ursächlich für eine geringfügig erhöhte Lagerreibung, die Hochgeschwindigkeitseignung dieses Lagers bleibt jedoch erhalten. Gleichzeitig wird damit beispielsweise im Vergleich zu zweireihigen Zylinderrollenlagern erreicht, dass das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitsloslager wesentlich unempfindlicher gegenüber Verkippungen des inneren Lagerrings zum äußeren Lagerrings ist. Des Weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwindigkeitsloslager durch die Möglichkeit des Einsatzes von berührungsfreien Dichtscheiben zur Schmierstoffspeicherung durch Wartungsfreiheit sowie durch die Verwendung kostengünstig herstellbarer Keramikkugeln anstelle teurer Keramikrollen durch niedrige Herstellungskosten aus.The inventively designed high-speed floating bearing, in particular for supporting the main spindle of a machine tool, thus has the advantage over the known from the prior art bearings that it is due to the special design of its bearing rings and training as a multi-row ball bearing in addition to the ability temperature-related differences in length of the main spindle be able to compensate their fixed seat and is able to compensate for operational radial thermal expansion and centrifugal expansion of the bearing rings automatically and thus to ensure a uniform and precise spindle guide at each operating and temperature condition of the camp. Due to the convex design of the tread for the rolling elements on the inner bearing ring and a corresponding design of Lagerradialluft a precise spindle guide is initially ensured in the cold state of the bearing via the middle, standing with two bearing rings in contact bearing ball row. With increasing centrifugal forces and operational thermal expansions of the bearing rings, the two rows of balls adjacent to the middle row of balls then come into bearing contact with both bearing rings. When the high-speed idler bearing designed according to the invention finally reaches its operating temperature, the two axially outer rows of balls then come into bearing contact with both bearing rings due to the radially elastic design of the bearing rings Ball row is not overloaded and in any temperature condition of the bearing sufficient bearing stiffness is given. Although the design of the inventively designed Hochgeschwindigkeitsloslager as five-row ball bearings is compared to known single-row ball bearings cause of a slightly increased bearing friction, the high speed suitability of this camp remains. At the same time it is thus achieved, for example compared to double-row cylindrical roller bearings, that the high-speed endless bearing according to the invention is much less sensitive to tilting of the inner bearing ring to the outer bearing ring. Furthermore, the inventively designed high-speed floating bearing is characterized by the possibility of using non-contact sealing disks for lubricant storage by maintenance freedom and by the use of inexpensive producible ceramic balls instead of expensive ceramic rolls by low production costs.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Hoch- geschwindigkeitsloslagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:A preferred embodiment of the inventively designed high-speed floating bearing will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing:
Figur 1 einen Querschnitt durch den Antrieb einer Werkzeugmaschine mit einer in einem Festlager und in einem erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsloslager gelagerten Hauptspindel;1 shows a cross section through the drive of a machine tool with a main spindle mounted in a fixed bearing and in a high-speed endless bearing according to the invention;
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung einer Hälfte eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Hochgeschwindigkeitsloslager.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenFigure 2 is an enlarged view of a half of a cross section through an inventively designed high-speed floating bearing. Detailed description of the drawings
In Figur 1 ist schematisch der Antrieb einer Werkzeugmaschine dargestellt, der im Wesentlichen aus einem Elektromotor 26 und aus einer von diesem ange- triebenen Hauptspindel 27 besteht. Diese Hauptspindel 27 ist deutlich sichtbar mit einem Ende in zwei Schrägkugellagern 29, 30 gelagert, die als Festlagersitz 31 innerhalb eines Spindelgehäuses 28 ausgebildet sind. Das andere Ende der Hauptspindel 10 ist dagegen in einem Loslagersitz 32 gelagert, welcher durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Hochgeschwindigkeitsloslager 1 gebildet wird. Wie dazu Figur 2 entnehmbar ist, besteht dieses Hochgeschwindigkeitsloslager 1 im Wesentlichen aus einem auf der Hauptspindel 27 befestigten inneren Lagerring 2 und aus einem im Spindelgehäuse 28 befestigten äußeren Lagerring 3 sowie aus einer Anzahl zwischen diesen Lagerringen 2, 3 angeordneten Wälzkörpem 4 und weist als Loslagerfunktion die Möglichkeit der Axial- Verschiebung des inneren Lagerrings 2 im Bereich seiner Lauffläche 5 für die Wälzkörper 4 auf.FIG. 1 schematically shows the drive of a machine tool, which consists essentially of an electric motor 26 and of a main spindle 27 driven by it. This main spindle 27 is clearly visible with one end mounted in two angular contact ball bearings 29, 30, which are formed as a fixed bearing seat 31 within a spindle housing 28. The other end of the main spindle 10, however, is mounted in a movable bearing seat 32, which is formed by an inventively designed high-speed floating bearing 1. As can be seen from FIG. 2, this high-speed loose bearing 1 consists essentially of an inner bearing ring 2 fastened to the main spindle 27 and an outer bearing ring 3 fastened in the spindle housing 28 and a number of rolling elements 4 arranged between these bearing rings 2, 3 and has a floating bearing function the possibility of axial displacement of the inner bearing ring 2 in the region of its tread 5 for the rolling elements 4.
Darüber hinaus geht aus Figur 2 deutlich hervor, dass das Hochgeschwindigkeitsloslager 1 erfindungsgemäß als betriebsbedingte radiale Wärmedehnun- gen der Lagerringe 2, 3 selbsttätig ausgleichendes Kugelloslager ausgebildet ist, welches fünf nebeneinander angeordnete Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 mit durchmessergleichen Keramikkugeln als Wälzkörper 4 aufweist. Lediglich andeutungsweise wird dabei aus Figur 2 ersichtlich, dass die Lagerringe 2, 3 des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 im kalten Zustand des Lagers durch eine konvexe Ausführung der Lauffläche 5 für die Wälzkörper 4 am inneren Lagerring 2 lediglich über die mittlere Kugelreihe 8 miteinander in Tragkontakt stehen, während mit zunehmender Wärmedehnung und Fliehkraftaufweitung beider Lagerringe 2, 3 durch eine radialelastisch nachgiebige Ausbildung beider Lagerringe 2, 3 die weiteren Kugelreihen 6, 7, 9, 10 nacheinander in eine derar- tige Kontaktposition mit beiden Lagerringen 2, 3 treten, dass die Lagerringe 2, 3 bei Betriebstemperatur des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 über alle Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 miteinander in Tragkontakt stehen.
Die Wälzkörper 4 der einzelnen Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 sind zu diesem Zweck, wie ebenfalls nur andeutungsweise aus Figur 2 hervorgeht, jeweils in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander beabstandet in einem gemeinsamen Lagerkäfig 11 ineinander verschachtelt angeordnet, so dass die Axialbreite des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 geringer als die Summe der Durchmesser einer Querreihe von fünf Wälzkörpern 4 ist. Zur verschachtelten Anordnung der Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 sind dabei die Wälzkörper 4 der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen 6, 8, 10 auf einer gemeinsamen Querachse ange- ordnet, während die Wälzkörper 4 der beiden der mittleren Kugelreihe 8 benachbarten Kugelreihen 7, 9 ebenfalls auf einer gemeinsamen Querachse angeordnet sind, die in Umfangsrichtung jeweils zwischen den Querachsen der Wälzkörper 4 der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen 6, 8, 10 angeordnet sind. Die axiale Führung der im Lagerkäfig 11 fixierten Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 zwischen den Lagerringen 2, 3 erfolgt darüber hinaus über fünf nebeneinander angeordnete und in Figur 2 deutlich sichtbare Laufrillen 13, 14, 15, 16, 17,die in die eben ausgebildete Innenfläche 12 des äußeren Lagerrings 3 eingearbeitet sind und im Querschnitt jeweils die gleiche Breite und die gleiche Tiefe aufweisen sowie mit einem geringfügig größeren Radius als der Radius der Wälzkörper 4 ausgebildet sind.In addition, it is clear from Figure 2 that the high-speed floating bearing 1 according to the invention as operational radial Wärmedehnun- conditions of the bearing rings 2, 3 automatically compensating ball bearing is formed, which five juxtaposed rows of balls 6, 7, 8, 9, 10 with the same diameter ceramic balls as rolling elements 4 has. Only hinted at Figure 2 it can be seen that the bearing rings 2, 3 of the high speed loose bearing 1 in the cold state of the bearing by a convex design of the tread 5 for the rolling elements 4 on the inner bearing ring 2 only via the central ball row 8 are in contact with each other, while With increasing thermal expansion and centrifugal force expansion of both bearing rings 2, 3 by a radially elastic compliant design of both bearing rings 2, 3, the further rows of balls 6, 7, 9, 10 successively in such a contact position with both bearing rings 2, 3 occur that the bearing rings 2, 3 at operating temperature of the high-speed loose bearing 1 over all rows of balls 6, 7, 8, 9, 10 are in contact with each other. The rolling elements 4 of the individual rows of balls 6, 7, 8, 9, 10 are arranged for this purpose, as also only hinted at Figure 2, each circumferentially evenly spaced from each other in a common bearing cage 11 nested, so that the axial width of the Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 is less than the sum of the diameters of a transverse row of five rolling elements 4. For the nested arrangement of the rows of balls 6, 7, 8, 9, 10 while the rolling elements 4 of the middle and the axially outer rows of balls 6, 8, 10 are arranged on a common transverse axis, while the rolling elements 4 of the two adjacent the middle row of balls 8 Ball rows 7, 9 are also arranged on a common transverse axis, which are arranged in the circumferential direction between the transverse axes of the rolling elements 4 of the middle and the axially outer rows of balls 6, 8, 10. The axial guidance of the fixed in the bearing cage 11 rows of balls 6, 7, 8, 9, 10 between the bearing rings 2, 3 is also about five juxtaposed and clearly visible in Figure 2 grooves 13, 14, 15, 16, 17, in the newly formed inner surface 12 of the outer bearing ring 3 are incorporated and each have the same width and the same depth in cross-section and are formed with a slightly larger radius than the radius of the rolling elements 4.
Ebenso ist in Figur 2 schließlich noch erkennbar, dass beide Lagerringe 2, 3 des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 zur radialelastisch nachgiebigen Ausbildung an ihren Außenflächen 18, 19 mit jeweils einer im Querschnitt konkaven Ringvertiefung 20, 21 ausgebildet sind, die sich nahezu über die gesamte Axialbreite der Lagerringe 2, 3 erstreckt und deren größte Tiefe etwa der halben Dicke der Lagerringe 2, 3 entspricht. Diese konkaven Ringvertiefungen 20, 21 in den Außenflächen 18, 19 der Lagerringe 2, 3 bewirken eine Verringerung des Materialquerschnitts der Lagerringe 2, 3, durch die die Steifigkeit der La- gerringe 2, 3 zu deren Axialmitte hin abnimmt und durch die gleichzeitig die radiale Elastizität der Lagerringe 2, 3 zu deren Axialmitte hin zunimmt. Die sich an diese Ringvertiefungen 20, 21 anschließenden axialen Randbereiche 22,
23, 24, 25 beider Lagerringe 2, 3 sind dagegen eben ausgebildet und bilden jeweils ringförmige Lagersitze, über welche die Lagerringe 2, 3 im Spindelgehäuse 28 bzw. auf der Hauptspindel 27 befestigt sind.
Likewise, in FIG. 2, it can finally be seen that both bearing rings 2, 3 of the high-speed loose bearing 1 are designed for radially elastically yielding design on their outer surfaces 18, 19, each having a concave annular recess 20, 21, which extends almost over the entire axial width of the bearing rings 2, 3 and whose greatest depth is about half the thickness of the bearing rings 2, 3 corresponds. These concave annular recesses 20, 21 in the outer surfaces 18, 19 of the bearing rings 2, 3 cause a reduction in the material cross section of the bearing rings 2, 3, by the stiffness of the bearing rings 2, 3 decreases towards the axial center and through which the radial Elasticity of the bearing rings 2, 3 increases towards the axial center. The axial edge regions 22 adjoining these annular recesses 20, 21, 23, 24, 25 of both bearing rings 2, 3, however, are flat and each form annular bearing seats, via which the bearing rings 2, 3 are fixed in the spindle housing 28 and on the main spindle 27.
BezugszahlenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Hochgeschwindigkeitsloslager 18 Außenfläche von 21 high speed bearing 18 outer surface of 2
2 innerer Lagerring 19 Außenfläche von 3 3 äußerer Lagerring 20 Ringvertiefung2 inner bearing ring 19 outer surface of 3 3 outer bearing ring 20 ring recess
4 Wälzkörper 21 Ringvertiefung4 rolling elements 21 ring recess
5 Lauffläche von 2 22 Randbereich von 185 tread of 2 22 edge area of 18
6 Kugelreihe 23 Randbereich von 186 ball row 23 edge area of 18
7 Kugelreihe 24 Randbereich von 19 8 Kugelreihe 25 Randbereich von 197 ball row 24 edge area of 19 8 row of balls 25 edge area of 19
9 Kugelreihe 26 Elektromotor9 Ball row 26 Electric motor
10 Kugelreihe 27 Hauptspindel10 ball row 27 main spindle
11 Lagerkäfig 28 Spindelgehäuse11 bearing cage 28 spindle housing
12 Innenfläche von 3 29 Schrägkugellager 13 Laufrille 30 Schrägkugellager12 Inner surface of 3 29 Angular contact ball bearings 13 Raceway 30 Angular contact ball bearings
14 Laufrille 31 Festlagersitz14 Raceway 31 Fixed seat
15 Laufrille 32 Loslagersitz15 raceway 32 floating seat
16 Laufrille16 raceway
17 Laufrille
17 raceway