JP3940444B2 - 高速回転する工具又は紡糸ロータの気体支承部 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、高速回転する工具又は紡糸ロータの気体支承部に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来紡糸ロータの支承のために、主として公知のかつ選択されたツインディスク支承部（ローラ支承部）が使用された。その際紡糸ロータは駆動ベルトと２つのローラとの間で回転する軸の一端に位置し、両ローラは少なくとも軸の１０倍の直径を有しかつゴムを成層されている。この１対１０の変速比によって球軸受の寿命が紡糸軸を直接球軸受支承する場合に比して著しく長くなる。それにもかかわらず略２０，０００時間が磨耗のためにローラ及び球軸受を交換しなければならない。しかしツインディスク支承部は重要な利点を提供する、そのわけはツインディスク支承部は比較的高い負荷に耐えかつゴム層によってローラ及び駆動装置上にベルトを介して軸を紡糸ロータと共に臨界超過振動領域において回転させ、その結果支承部での不釣り合い力が本質的に減少されるからである。この支承部は例えば西独国特許明細書２５２５４３５号に詳しく記載されている。ここでは支持軸受が存在するが、特許請求の範囲に記載された軸受４とは全く別の構成である。
【０００３】
この使用のケースでは度々空気静圧軸受の使用が意図された、そのわけはここでは軸受の磨耗は生じないからである。例えば西独国特許明細書第２３４９０７２号から公知のように、ここではロータは空気静圧支承された軸と結合され、それによってこの軸受は紡糸ロータにおける糸切断の際に不釣り合い力による高い負荷に耐えることができないからである。
【０００４】
ラックスプレーでは、例えば度々存在する空気静圧軸受の使用において、常に回転する軸へのスプレーの剛固な固定が普通であり、それによって小さい不釣り合い質量又は軸上のスプレーの僅かに偏心した座が空気静圧軸受の過負荷に繋がり得る。等しい構造大きさではころがり軸受に対する気体軸受の負荷容量は何倍も小さく、その使用は従来は不可能であったからである。更に気体軸受の僅かな過負荷は高い回転数では回復できない程の全体故障に繋がる。
【０００５】
更に紡糸ロータの外、他の高速回転する工具でも気体支承部が意図される。例えばそのような工具はラッカスプレーのヘッド、遠心器の樽状部及びプリズム、ポリゴン等のような光学的工具である。空気の代わりに支承のために他の気体も使用されることができる。支承部は静圧的に又は動圧的でなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高速回転する工具又は紡糸ロータの気体支承部を創造することであり、その支承部は不釣り合い力のような発生する力による過負荷にされることができず、その結果気体軸受の過負荷によって生じる障害が排除されかつ臨界超過振動領域において運転される。多くの研究によれば、ここでは大きい軸受隙間（１／１０ｍｍの領域）が必要である。しかしこのことは極端に高い空気消費量に繋がり，その結果エネルギーコストが負担できない状態となる。狭い軸受隙間（８〜１２ミクロン）にもかかわらず、紡糸ロータの臨界超過支承を保証することが可能性によって研究された。Ｏリングにおける軸受リング（軸受金）の弾性的支持によって臨界超過運転が達成されるが、空気軸受隙間は振動領域の内方に位置し従って質量補償力が伝達されなければならないので、その際必要な不釣り合い質量は収容されることができない。
【０００７】
空気静圧支承された軸における紡糸ロータ自体の超過危険的懸架は最終的な可能性として考慮された。そのために紡糸ロータは自由振動する張り出し部（例えばロッド）で支持され、張り出し部はその寸法によって、第１の固有振動（振動共振）の発生が比較的低い回転数で可能であるように形成される。しかし共振発生の際に振動衝撃は、空気静圧軸受が過負荷されるような大きさである。臨界超過回転数領域における張り出し部の自由振動を可能にするために、張り出し部の端で軸受は最終的に問題の解決（請求項１）を考慮した。この軸受は紡糸ロータを備えた張り出し部の端での振動衝撃が軸受の遊隙よりも大きい場合に初めて機能する。紡糸ロータが臨界超過的に回転しなければならない場合に直ちに、軸受と張り出し部との間の接触が排除され、そのこめに軸受について空気静圧ラジアル軸受の少なくとも２倍の軸受隙間が必要である。紡糸ロータのこの支持により僅かに磨耗する支承部の利点の他に不釣り合い力による過負荷の生じない支承部も創造される。
【０００８】
スピンドルの長さを短くしかつ紡糸ロータから発せられる不釣り合い力を空気静圧軸受の近くに引き込むために、振動しない張り出し部が大部分空気静圧支承された軸の中心穴に格納される。張り出し部の第１の固有振動を低い回転数で行わせることができるために、張り出し部の長さは張り出し部の最小直径の少なくとも４倍でなければならない。張り出し部の第２の固有振動は運転回転数から充分に離れているので、固定個所から紡糸ロータまでの張り出し部の直径増加が必要である（請求項２）。
【０００９】
他の問題は軸の穴底における張り出し部の固定である。先ずねじが使用され、このことは動力学的に交番する高い応力によるゆるやかな運転の際にねじにおける移動現象による緩みを生じる。圧入結合を行うことは極端に高い製造コストに結びついた、そのわけは、高すぎる圧入力による張り出し部の屈曲を防止するために、圧入部分は非常に狭い寸法公差（５〜１０ミクロン）で製造されなければならないからである。張り出し部上又は軸においてねじは形成されると、１／１０ｍｍの寸法公差によって、張り出し部の屈曲をおそれる必要なしに、圧入力は常に許容可能な限界に位置する。
【００１０】
空気静圧軸受でも、紡糸ロータの交換は保証されなければならない。従って従来の実施形態では軸と紡糸ロータとの間に係脱可能な結合が行われた。しかしこのことは、紡糸ロータの各交換の際にスピンドルが改めて不釣り合いにされるか又は軸と紡糸ロータとの間の係脱可能な結合が行われなければならないか又は高精密で、効果な嵌合が軸と紡糸ロータとの間で行われなければならないことを意味する（公差幅０. ００２ｍｍ）、そのわけは紡糸ロータ１僅かに偏心した座が空気静圧軸受の限界負荷を上昇させるからである。空気静圧支承された軸の上記の張り出し部の端への係脱可能な結合によって大まかな公差（０. ０５ｍｍ）を有する結合が実現される、そのわけは連結は比較的低い回転数で達成される臨界超過振動領域の内方に位置するからである。
【００１１】
多くの使用例では、張り出し部が略貫通されることができる（例えばラッカ、木材繊維等）穴を有することが必要である。従って最小直径が設定され、かつ自由振動は、軸の圧入結合部と張り出し部の軸受との間の張り出し部の壁厚さが相応して薄く形成されることによって発生される（請求項４）。
駆動要素の自由端での追加のラジアル軸受は空気静圧軸受のラジアル負荷容量を本質的に高める。更に磨耗のない軸受ユニットを保証するために追加のラジアル軸受として空気静圧軸受を使用することが意味がある。両空気静圧軸受の間の駆動要素のこの中央の配列は傾倒モーメントのない負荷につなかる。従って軸受全長に渡って両軸受隙間の均一な狭量化が形成されかつ空気静圧軸受の高い負荷容量を作用する好適な圧力分布が生じる。
【００１２】
製造技術的理由から、ラジアル軸受において駆動要素の自由端に支承された軸の部分及び、その端に紡糸ロータが固定されている自由振動する張り出し部を一体に製造することが有利である。紡糸ロータと駆動要素との間に支承された軸の部分を軸の後方部分に固定するために、駆動要素の領域において好適な圧入結合が行われる。
【００１３】
本発明の有利な実施形態では、軸の端に、軸受の大きな直径から小さい内径へ貫流する両空気静圧スラスト軸受がある。ラジアル軸受の摩擦動力を減少させるために、軸受直径は減少されなければならない、それによって、スラスト軸受はアキシャル方向の自励振動が生じるという問題が生じる。従って軸の一端に、軸の両側のスラスト支承に役立つディスクを取りつけることが有利である。製造又は組立方法に従って、軸とディスクを一体で製造し又は圧入結合又は溶接結合によって相互に結合することが好適である。
【００１４】
軸の端でディスク上に引き込み力を作用させる、リング状の永久磁石の片側の取りつけによって、両空気静圧スラスト軸受は省略され得、このことは実施形態に従って製造技術的利点を提供する。
駆動要素上へのベルト圧着力によって軸の変形が生じる。空気静圧軸受は、軸受の連結部材の変形が駆動要素の領域における軸の変形に適合されると、最高の負荷容量を保証することが見出された、そのわけは各ラジアル軸受の全長さに亘って軸受隙間の均一な狭量化が行われるからである。このことを達成しなければならないために、両空気静圧軸受は個々にスピンドルハウジングにおいて、軸受は抵抗なしにスピンドルの縦軸線に対する傾きを行うことができるように支持される。このために膜状に形成された物体又はＯリングによる弾性的支持が好適である。駆動要素の直径が設定されるので、空気静圧軸受の連結部材は長さ、幅及び高さのような幾何学的寸法について、ベルト圧着力による所定の負荷の際に軸受の連結部材と軸の駆動要素とが殆ど等しい撓みを形成するように適合されなければならない。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、自由振動する張り出し部の端での紡糸ロータの交換のための係脱可能な結合が行われる。ここでは迅速な紡糸ロータの交換を可能にする、特別な実施形態を詳しく説明する。
連結部材の弾性変形によって圧縮力が発生するスナップ結合が特に好適である。弾性的連結部分としてばね鋼から成るリングが好適である。ロータの特別な座を保証するために連結部材は円錐形に形成されるべきである。リングの周囲のスリットは高い弾性率を作用し、それによって連結部の高い製造公差が設定される。リングに基づくこの連結部の他の利点は発生した遠心力によってリングの膨径が行われ、それによって連結部が動的な状態で強い保持を受けることである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は特許請求の範囲に記載された構成によって解決される。
アキシャル方向の支承のために役立つディスクを追加的に軸の制動のために使用することが行われる。ここで、ディスクの縁にリング状張り出し部を固定する可能性があり、縁はハウジングと共にラジアル方向隙間を形成し、隙間には穴を介して液体が押圧され、その結果液体摩擦によって軸が液圧動力学的に制動される。他の可能性は、ディスクをリング状ブレーキライニングによって制動することにあり、ブレーキライニングはハウジング内に移動可能に固定されている。このブレーキライニングのための圧着力は機械的、電磁的又は空気圧的に発生されることができる。空気圧的に作動されるブレーキではブレーキライニングはハウジング内でＯリングで支持され、それによってハウジング内における穴を介して圧縮空気を供給される室に対する緊塞が生じる。この構成の利点はスラスト力によってＯリング内において達成されるブレーキライニングの復元であり、それによってブレーキ行程の終了後ライニングは最早ディスクを摩擦しない。
【００１７】
次に本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて詳しく記載する。
【００１８】
【実施例】
図１によれば、軸５はハウジング８内に空気静圧的にラジアル方向及びアキシャル方向に支承される。空気静圧軸受の実施形態は技術水準から公知である。ここで使用される空気静圧支承部は特に低い空気消費によって特徴づけられる、そのわけはラジアル軸受の排出空気はスラスト軸受で利用されるからである。
【００１９】
軸は軸端７で接線ベルトを介して駆動される。軸５には中心穴があり、その根元部で張り出し部が圧入結合部６によって固定されている。張り出し部はロッド２の形に形成され、その端に紡糸ロータ１がねじ結合によって取りつけられている。ロッド２と軸５との間の圧入結合部６は、ロッド２上に又は軸５の穴中にねじが設けられており（プレス寸法が０. ２〜０. ３ｍｍ）であることによって形成される。ロッド２はその直径を紡糸ロータ１に向かって段階的に増大させる。軸とロッドとの間の圧入結合部６の近くでの最小直径は、直径が紡糸ロータ１の駆動−及び制動トルクを充分な安全性をもって伝達することかできるような大きさに選択され、かつロッド２の第１固有振動が比較的低い回転数で行われることができるように小さく選択されなければならない（この実施形態では３ｍｍである）。ロッド２の全長は最小直径の寸法の略２０倍である。
【００２０】
紡糸ロータ１が取りつけられているロッド２の端に、空気静圧ラジアル軸受１１の２０倍の軸受隙間１０を備えた追加のラジアル軸受４がある。このラジアル軸受４は油潤滑滑り軸受として実施されている。同様に充分な軸受隙間を備えたころがり軸受が使用されることができる。第１固有振動の際に軸受の良好な減衰を達成するために、滑り軸受４はハウジングにＯリング３を介して支持されている。紡糸ロータ１は磨耗のために１０，０００運転時間で交換されなければならないので、油潤滑されかつ部分的に磨耗した滑り軸受４を交換するのに大きなコストはかからない。各時点で滑り軸受４の作用寿命にわたる記述は行われない。
【００２１】
紡糸ロータ１は１２０，０００R.P.M.の運転回転数にされる。ロッド２の第１固有振動は回転数１２，０００R.P.M.で行われる。その後紡糸ロータ１は臨界超過振動領域で、即ち紡糸ロータ１の慣性力は常に補償されかつ大きな不釣り合い錘の場合でさえ、空気静圧支承部では慣性力は僅かである。回転数１１，０００R.P.M.まで紡糸ロータ１は臨界に達しない。
【００２２】
図２によれば、軸５はハウジング８内で空気静圧的にラジアル方向に支承されている。アキシャル方向支承部は永久磁石１２と、ラジアル軸受隙間を通して空気を供給される、片側に作用する空気静圧スラスト軸受との間の組合せから成る。空気静圧軸受の実施形態は技術水準により公知である。ここで使用される空気静圧支承部は特に低い空気消費量を特徴とする。
【００２３】
軸は一端で空気タービン９を介して駆動される。軸５には中心穴があり、その端に圧入結合部６’を介して張り出し部２が固定されている。
張り出し部２は中空管の形に形成され、その端にラッカスプレー１がねじ結合部によって取りつけられている。張り出し部２の壁厚さは圧入結合部６’と張り出し部２の軸受との間の範囲１３で極端に薄く（０. ０８ｍｍ）に形成されており、それによって、６，０００R.P.M.と８，０００R.P.M.との間の回転数領域で固有振動を行うことができるために、自由振動する張り出し部２の充分な弾性が与えられる。工具（紡糸ロータ）側端では、支承及び係脱可能な工具収容を可能にするために張り出し部２の壁厚さは再び厚さ増大させられる。
【００２４】
ラッカスプレー１が取りつけられる張り出し部２の端で滑り軸受４は２０ミクロンの遊隙を有する、空気静圧的ラジアル軸受１１の２０倍の軸受隙間１０を有する。この滑り軸受４は油含浸焼結青銅滑り軸受として実施される。同様に充分な軸受隙間をもった転がり軸受けも使用されることができる。第１固有振動の発生の際に軸受での良好な減衰を達成するために、滑り軸受４はハウジングにＯリング３を介して支持される。
【００２５】
スピンドルは８０，０００R.P.M.の運転回転数にされる。張り出し部２の第１固有振動は回転数７，０００R.P.M.で行われる。その後ラッカスプレーが臨界超過振動領域で、即ちスプレーにおける慣性力が常に補償されかつ力が大きな不釣り合い錘の場合でも空気静圧的支承部上の慣性力は小さい。
図３において紡糸ロータ１が示され、紡糸ロータ１は係脱可能な結合部によって自由振動する張り出し部２の端に固定されている。この端には滑り軸受７があり、滑り軸受７は張り出し部２の第１固有振動の発生の際に振動振幅を制限する。ハウジング内にラジアル方向及びアキシャル方向に空気静圧的に支承された軸は２つの軸受部分３、５から成り、これらは駆動要素４によって相互に結合されている。この駆動要素４を介して平ベルトが走行し、平ベルトはラジアル方向力を作用する。軸の２つの軸受部分３、５は駆動要素４の領域において圧入結合部１３によって相互に結合されている。軸５の後方の軸受部分と自由振動する張り出し部２は別体に製造される。軸５のロータ側端ではディスク１０が圧入結合によって軸受部分３に取りつけられ、この圧入結合は軸受部分３，５、 従って張り出し部２のアキシャル方向両方向の支承のために役立つ。リングの形の両軸受体６’’、１１はブッシュ８中に圧入されており、ブッシュ８には２つのリングの間の位置に空気静圧的ラジアル軸受の空気供給のために必要な隙間がある。各軸受体６’’、１１は空気接続部を有する。両軸受体６’’、１１のブッシュ８の形の連結部材１２はその幾何学的寸法で、駆動要素４の負荷に依存する変形に適応できるように形成されている。軸受６’’、１１及び連結部材１２はこの実施形態においては一体的である。軸受６’’、１１及び連結部材１２はＯリング１４を介してスピンドルハウジング１５内に固定されている。前方の軸受体１１にはブッシュ９が挿入され、ブッシュ９はスラスト軸受の支持のために設けられている。このブッシュ９には上記の滑り軸受７がＯリングを介して支持される。
【００２６】
図４にはスナップ結合部が示され、紡糸ロータ１及び自由振動する張り出し部２は相互に結合されている。張り出し部２の円錐状端に溝２５があり、溝中には弾性的に変形可能なリング２３が挿入されている。ピストンの座は、スナップ結合部２６に生じる２つの対向した円錐によって形成されている。リング２３の高い弾性率を達成するために、リングは周囲２４に１つのスリットを有する。
【００２７】
図５には流体動力学的の実施形態が示されている。このためにリング状張り出し部３４が軸３６のスラスト支承のために設けられており、ディスク３５の縁に固定されている。この張り出し部３４はハウジング３１と共にラジアル方向隙間３３を形成する。穴３２を介して油が隙間３３中に押圧される。液体摩擦によって軸３６と紡糸ロータ１は停止まで制動される。
【００２８】
図６には空気圧的に作動される摩擦ライニングブレーキの実施形態が示されている。その際同様に軸４６のスラスト軸受のために設けられており、ディスク４５が使用され、その際ブレーキライニング４４は片側でアキシャル方向面に押圧される。ブレーキライニング４４はハウジング４１内に移動可能に、Ｏリングによって固定されている。Ｏリング４３を備えたブレーキライニング４４とハウジング４１とは１つの空間を形成し、その空間は制動の際に穴４２を介して圧縮空気を供給される。制動圧に対抗するスラスト力は空気静圧スラスト軸受によって発生される。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、高速回転する工具又は紡糸ロータの気体支承部が創造され、その支承部は不釣り合い力のような発生する力によって過負荷にされることが生ずることなく、その結果気体軸受の過負荷によって生じる障害が排除されかつ臨界超過振動領域において運転される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ハウジング中で軸がアキシャル方向及びラジアル方向に支承されている構成を示す図である。
【図２】 ハウジング中で軸がラジアル方向に支承されている構成を示す図である。
【図３】 図３は紡糸ロータの本発明による支承部の他の実施形態を示す図である。
【図４】 図４は自由振動する張り出し部の端に紡糸ロータを固定するための本発明によるスナップ結合部の実施形態を示す図である。
【図５】 図５は制動装置の実施形態を示し、その際アキシャル支承ディスクが軸の端に利用されているものを示す図である。
【図６】 図６は制動装置の実施形態を示し、その際アキシャル支承ディスクが軸の端に利用されているものを示す図である。
【符号の説明】
１ 工具又は紡糸ロータ
２ 張り出し部
４ 滑り軸受又はころがり軸受
５ 軸
１０ 軸受隙間
１１ ラジアル気体支承部

Claims (23)

1. ハウジング内でアキシャル方向及びラジアル方向を支承される高速回転する工具の気体支承部において、
   軸（５）は自由に振動する張り出し部（２）を有し、その一端には工具（１）が取りつけられており、そして工具側端でのこの張り出し部（２）の支承は滑り軸受又はころがり軸受（４）によって行われ、その際この軸受（４）はラジアル方向の気体支承部（１１）の少なくとも２倍の軸受隙間（１０）を有することを特徴とする前記支承部。
2. 軸（５）は中心穴を有し、中心穴には張り出し部（２）が固定されておりかつ張り出し部（２）の直径はロータ側端に向かって増大しており、その際張り出し部の最小直径は張り出し部の全長に対して少なくとも1 対４の比を有する、請求項1 に記載の支承部。
3. 張り出し部（２）は中心穴中に圧入結合部（６）によって固定されており、その際中心穴にのみ又は、中心穴中に圧入される張り出し部（２）の部分にのみねじが設けられている、請求項２に記載の支承部。
4. 軸（５）が中心穴を有し、中心穴には中空の張り出し部（２）が圧入結合部（６’）によって固定されておりかつ張り出し部（２）の壁厚さは工具側端に向かって増大している、請求項1 に記載の支承部。
5. 軸の張り出し部（２）と工具（１）との間に工具の簡単な交換を可能にする係脱可能な結合部が存在する、請求項１から４までのうちのいずれか一つに記載の支承部。
6. 駆動要素の自由端に追加のラジアル軸受が取りつけられている、請求項1 に記載の支承部。
7. 軸受が駆動要素の自由端で空気静圧ラジアル軸受として形成されている、請求項２に記載の支承部。
8. ラジアル方向において駆動要素の自由端に支承された軸（５）の部分と、その先端に工具（１）が固定されている自由振動する張り出し部（２）とが一体的に形成されている、請求項３に記載の支承部。
9. ラジアル軸受において工具（１）と駆動要素との間に支承された軸（３）の部分と軸受において駆動要素の自由端に支承された軸（５）の部分とが圧入結合部（１３）により相互に結合している請求項３に記載の支承部。
10. ディスク（１０）が軸（３、５）の両端の一方に取りつけられておりディスクは軸の空気静圧支承のために役立つ、請求項６又は７に記載の支承部。
11. ディスク（１０）及び軸（３、５）が一体的である、請求項１０に記載の支承部。
12. ディスク（１０）が圧入結合又は溶接結合によって軸（３、５）と結合されている、請求項１０に記載の支承部。
13. ディスク（１０）の片側にリング状の永久磁石が取りつけられている、請求項１０に記載の支承部。
14. 両空気静圧ラジアル軸受（６’’、１１）の連結部材（１２）が幾何学的寸法で、連結部材（１２）の変形が負荷された軸（３、４、５）の変形に適合されるように、形成されている請求項７に記載の支承部。
15. 工具（１）と軸（２）の張り出し部との間の係脱可能な係合としてスナップ結合部が設けられる請求項６又は７に記載の支承部。
16. スナップ要素として弾性リング（２３）が使用されかつ工具と張り出し部との間の座が円錐状に形成されている、請求項１５に記載の支承部。
17. 弾性リング（２３）が周囲に少なくとも1 個所スリット（２４）を有する、請求項１６に記載の支承部。
18. 軸（３６）と一体的に取りつけられたディスク（３５）が縁でリング状張り出し部（３４）によって形成されかつこの張り出し部（３４）がハウジング（３１）と共にラジアル隙間（３３）を形成する請求項６又は１０に記載の支承部。
19. リング状張り出し部（３４）とハウジング（３１）との間に形成されたラジアル隙間（３３）に穴（３２）が通じている、請求項１８に記載の支承部。
20. ディスク（３５）のリング状張り出し部（３４）が少なくとも1 つの１対２の壁厚−幅比を有する、請求項１８に記載の支承部。
21. 軸（４６）の端に取りつけられたディスク（４５）に対してリング状ブレーキライニング（４４）が配設されており、かつブレーキライニングがハウジング（４１）内においてアキシャル方向に移動可能に固定されている、請求項６又は１０に記載の支承部。
22. リング状ブレーキライニング（４４）がハウジング（４１）内でゴムリング（４３）に懸架されておりかつこのゴムリング（４３）がブレーキライニング（４４）と共にハウジング内で、穴（４２）を介して時々圧縮空気を供給される空間を緊塞している、請求項２１に記載の支承部。
23. 高速回転する紡糸ロータの空気静圧的支承部において、
    軸（５）は自由に振動する張り出し部（２）を有し、その一端には紡糸ロータ（１）が取りつけられており、そして紡糸ロータ側端でのこの張り出し部（２）の支承は滑り軸受又はころがり軸受（４）によって行われ、その際この軸受（４）はラジアル方向の気体支承部（１１）の少なくとも２倍の軸受隙間（１０）を有することを特徴とする前記支承部。

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