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Lagerung einer Welle Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung einer
Welle, insbesondere bei Werkzeugmaschinen, vorzugsweise Drehbänken, mit schwenkbar
angeordneter Lagerschale.
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Um eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu erhalten, trachtet man bei
Werkzeugmaschinen danach, Verformungen der einzelnen Teile unter den aufgebrachten
Lasten nach Möglichkeit zu vermeiden. Es werden daher beispielsweise auch die Spindeln
von Drehbänken möglichst biegungssteif ausgeführt.
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Jede Spindel, auch wenn sie mit verhältnismäßig großem Durchmesser
ausgeführt ist, biegt sich bei Aufbringen einer Last durch. Es hat sich gezeigt,
daß beim Aufspannen schwerer Werkstücke sich die Spindeln in ihren Lagern merklich
schief steilen und an den Endkanten der Lagerschale zu metallischer Berührung mit
dem Lager kommen kann. Hierdurch kann es nicht nur zu Betriebsstörungen, sondern
auch zu erhöhter Abnutzung des Lagers an diesen Punkten kommen, so daß dann auch
die gerade Spindel im Lager nicht mehr gleichmäßig aufliegt.
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Es sind Lager bzw. Lagerungen, auch als Pendellager ausgeführte Gleit-
und Wälzlager und pendelnd aufgehängte Gleitlager, bekannt, in denen die gelagerte
Welle jeweils bei ihrer Durchbiegung durch die aufgebrachte Last frei einstellbar
ist. Bekannt ist ferner eine Lagerung auf einem flüssigen Medium, bei welcher in
der Lagerfläche für die Welle mehrere Druckflüssigkeitspolster vorgesehen und die
Lagerfläche der Welle als Kugelfläche ausgebildet oder die Lagerschale schwenkbar
angeordnet ist.
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Die bekannte schwenkbare Anordnung der Lagerschale bringt zwar eine
Verbesserung gegenüber der festen Anordnung der Lagerschale, indem hier die Möglichkeit
gegeben wird, daß sich bei einer Durchbiegung der Welle die Lagerschale entsprechend
der Neigung der Welle einstellt. Es wird aber hierbei nicht der Tatsache Rechnung
getragen, daß zur Bewegung der Lagerschale an den Lagerungsflächen der Schale selbst
Reibungskräfte zu überwinden sind, die besonders groß sind, wenn es sich um ein
hochbelastetes Lager handelt. Es müssen also auch hier in der Nähe der Endkanten
der Lagerschale von der Welle auf die Schale mehr oder weniger konzentrierte Kräfte
ausgeübt werden, um die Schale in ihrer Neigung zu verstellen. Wenn auch die auftretenden
Kräfte im allgemeinen kleiner sein werden als bei einer fest angeordneten Lagerschale,
so kann in diesem Falle doch unter Umständen eine metallische Berührung zwischen
der Welle und der Lagerschale auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist die selbsttätige, denkbar leicht ansprechende
Einstellung der Lagerschale nach der Neigung der Welle.
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Dies wird dadurch erreicht, daß an der Lagerschale Steuerflächen angebracht
sind, welche mit entsprechenden Flächen der umlaufenden Welle zusammenarbeiten und
mit Druckflüssigkeitspolstern versehen sind, die auf 'die Lagerschale Schwenkmomente
auszuüben gestatten.
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Die Erfindung ermöglicht es, nach Neigung der Welle über Steuerflächen
mit Druckflüssigkeitspolstern ein Schwenkmoment auszuüben, was insbesondere bei
hochbelasteten Lagern mit entsprechend großen, der Bewegung der Lagerschale an deren
Lagerungsflächen entgegenwirkenden Reibungskräften gegenüber den bekannten Lagerungen
den Vorteil hat, daß die Reibungskräfte durch besondere Schwenkmomente leichter
überwunden werden.
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Mit den Druckflüssigkeitspolstern der bekannten Art zur Lagerung der
Welle läßt sich ein zusätzliches Schwenkmoment auf die Lagerschale im Sinne einer
Anpassung an die Wellenlage, falls die Welle sich an der Lagerstelle neigt, nicht
ausüben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Steuerflächen
der Lagerschale koaxial zur Welle angeordnete zylindrische Flächen, deren Druckflüssigkeitspolster
gegen den Drehpunkt der Lagerschale in axialer Richtung versetzt sind. Diese zur
Ausübung eines Schwenkmomentes vorhandenen Druckflüssigkeitspolster sind zusätzlich
zu etwaigen in der Gleitfläche der Lagerschale vorhandenen Vertiefungen, die mit
Schmiermittel versorgt werden, vorhanden, wie man sie bei hydro=
statischen
Lagern vorsieht. Von diesen sind sie in einem axialen Ansatz der Lagerschale gesondert
angeordnet.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Steuerflächen
der Lagerschale senkrecht zur Spindelachse verlaufen und mit in axialer Richtung
wirkenden Druckflüssigkeitspolstern versehen sind. Bei dieser zweiten Ausführungsform
bedarf es keines zusätzlichen axialen Ansatzes an der Lagerschale, da die die Druckpolster
bildenden Vertiefungen in den Steuerflächen der Lagerschale mit mit der Welle verbundenen
Ringflächen zusammenarbeiten. Da sich in den Vertiefungen der Druck bei Veränderung
der Weit e des Abströmspaltes zwischen den zusammenarbeitenden Flächen sehr stark
ändert, falls sich die Spindel infolge ihrer Belastung durchbiegt, so ergeben sich
schon bei geringer Neigung der Spindel gegen die Lag--rschale sofort große Verstellkräfte,
so daß die Reibung bei der selbsttätigen Einstellung der Lagerschale leicht überwunden
wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Erreichung
einer Nachgiebigkeit der Lagerschale gegenüber den von den Steuerflächen ausgeübten
Schwenkmomenten Drehzapfen etwa auf der Hälfte ihres Umfanges in einem Ansatz der
Lagerschale und im übrigen Teil ihres Umfanges in einem festen Tragkörper gelagert
sind und diese Teile durch einen den Drehzapfen mit Spiel durchdringenden, biegsamen
Bolzen zusammengehalten sind. Diese vorteilhafte Ausbildung der Lagerung ermöglicht
einerseits die selbsttätige Einstellung der Lagerschale im Sinne der Nachstellung
auf die jeweilige Neigung der Spindel sowie die elastische Rückstellung der Lagerschale
in ihre Ausgangsstellung, in der die Lager durch die verwendeten schlanken und biegsamen
Balzen gehalten werden.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen in Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform der Lagerung einer Spindel
in zwei Lagern, F i g. 2 das linke Lager der Ausführungsform nach F i g. 1 in Ansicht,
in größerem Maßstab, F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 111-11I der F i g. 2,
F i g. =1 das rechte Lager der Ausführungsform nach F i g. 1 in Ansicht, in größerem
Maßstab, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 4. und F i g. 6 einen
Schnitt nach der Linie VI-VI der F i g. -a..
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Gemäß den F i g. 1 bis 6 ist die horizontalachsige .Spindel 12 einer
Drehbank in zwei Radiallagern 13 und 14 mit in der Neigung einstellbaren Lagerschalen
15 bzw. 16 gelagert. Die Lagerschale 15 des Lagers 13 weist außerdem zur Aufnahme
des Axialschubes beidseitig in Ebenen senkrecht zur Spindelachse verlaufende Lagerflächen
17 und 18 auf, welche mit auf die Spindel 12 aufgesetzten Ringen 19 bzw. 20 zusammenarbeiten.
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Wie aus den F i g. 2 und 3 zu ersehen ist, wird die Einstellbarkeit
der Lagerschale 15 dadurch erreicht, d-:#") sie über seitliche Ansätze 21 in zwei
Drehzapfen 22 gelagert ist, deren Achsen senkrecht zur Spindelachse und senkrecht
zur Vertikalebene stehen. Die Vertikalebene ist hier die bevorzugte Schwenkebene,
.da die Gewichte der zu bearbeitenden Werkstücke eine Durchbiegung der Spindel in
dieser Ebene verursachen. Von den Drehzapfen 22 ist in der Zeichnung nur einer gezeigt.
Der andere würde mit Bezug auf die durch die Spindelachse gehende Vertikalebene
symmetrisch dazu liegen.
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Die Ansätze 21 der Lagerschale 15 sind auf ihrer Unterseite mit Ausnehmungen
von etwa halbkreisförmigem Querschnitt versehen, in die die Drehzapfen 22 mit ihrer
oberen Hälfte eingreifen. Die untere Hälfte der Drehzapfen 22 ruht in Ausnehmungen
von etv_,a halbkreisförmigem Querschnitt eines festen Tragkörpers 23 des Spindelstockes.
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Der Drehzapfen 22 ist -mit einer vertikalen Bohrung 24 versehen, durch
die ein im Tragkörper 23 ein-Bolzen 25 mit Spiel hindurchgeht. Der Bolzen 25 durchdringt
auch den Ansatz 21 der Lagerschale 15. An seinem oberen Ende ist eine Mutter 26
aufgesetzt, welche diesen Ansatz 21 gegen den Zapfen 22 andrückt, jedoch nur so
stark, daß sich im Betrieb die Lagerschale 15 nicht nach oben abheben kann.
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Der schlanke Bolzen 25 ist so wenig biegungssteif, daß er mit der
aufgesetzten Mutter 26 einer Drehung der Lagerschale um die Achse des Zapfens 22
in dem in Betracht fallenden Winkelbereich keinen merklichen Widerstand entgegensetzt.
Um eine solche Drehung zu gestatten, ist auch zwischen dem Ansatz 21 der Lagerschale
15 und dem Tragkörper 23 ein Spiel 27 vorgesehen.
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Die Flächen 17, 18 des Axiallagers wirken zugleich als Steuerflächen
für eine selbsttätige Einstellung der Lagerschale 15 nach der Neigung der Spindel
12. Neigt sich diese beispielsweise links vom Lager 13 (F i g. 1) nach unten, so
wird der Ring 19 auf der Unterseite stärker an die Fläche 17 der Lagerschale 15
angepreit als auf der Oberseite. Es wird somit auf die Lagerschale 15 mit Bezug
auf die Achsen der Drehzapfen 22 ein Schwenkmoment ausgeübt, welches die Lagerschale
entsprechend der Neigung der Spindel einstellt. Entsprechend wirkt auch der mit
der Fläche 18 zusammenarbeitende Ring 20.
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Es werden hydrostatische Lager an sich bekannter Art verwendet. Dementsprechend
sind in der Lagerfläche der Lagerschale 15 auf dem Umfang verteilt einzelne Vertiefungen
28 vorgesehen, welche durch unter Druck zugeführtes Schmiermittel Flüssigkeitspolster
bilden. Jede dieser Vertiefungen wird gemäß F i g. 1 je durch eine besondere Pumpe
29 mit Schmiermittel versorgt, welche eine bestimmte Schmiermittelmenge in die betreffende
Vertiefung fördert.
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Auch die Endflächen 17 und 18 der Lagerschale 15 sind mit einzelnen,
am Umfang verteilt angeordneten Vertiefungen 30 bzw. 31 versehen, welche je durch
eine besondere Pumpe 32 bzw. 33 (F i g. 1) mit Schmiermittel unter Druck beliefert
werden und so Flüssigkeitspolster bilden, an denen die Ringe 19 bzw. 20 der Spindel
12 anliegen. Dadurch wird nicht nur ein kleiner Reibungsverlust an den Flächen 17
und 18 erhalten, sondern es kann auch durch entsprechende Bemessung der Schmiermittelzufuhr
eine metallische Berührung der Lagerschale 15 mit den Ringen 19 bzw.
20 zuverlässig vermieden werden. Da sich in den Vertiefungen 30 bzw. 31 der
Druck bei Veränderung der Weite des Abströmspaltes zwischen den zusammenarbeitenden
Flächen sehr stark ändert, ergeben sich bei geringer Neigung der Spindel 12 gegen
die Lagerschale 15 sofort große Verstellkräfte,
so daß die Reibung
in den Drehzapfen 22 leicht überwunden wird.
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Es kann auch genügen, nur an einer der Flächen 17 bzw.
18, beispielsweise an der Fläche 17, mehrere Vertiefungen anzubringen
und bei der anderen Fläche lediglich eine einzige ringförmige Vertiefung vorzusehen.
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Beim Lager 14 ist zur Ermöglichung der Einstellbarkeit im wesentlichen
die gleiche Vorrichtung vorgesehen wie beim Lager 13. Die Lagerschale 16 ist gemäß
den F i g. 4 und 5 seitlich mit Ansätzen 34 versehen, welche auf Drehzapfen 35 mit
horizontaler Achse, die senkrecht zur Spindelachse stehen, drehbeweglich aufliegen.
Die Drehzapfen 35 liegen mit ihrer unteren Hälfte in entsprechenden Ausnehmungen
eines Tragkörpers 36 des Spindelstockes. Zum Festhalten der Lagerschale dient hier
wieder ein den Drehzapfen 35 mit Spiel durchquerender Bolzen 37 mit Mutter 38.
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Auch das Radiallager 14 ist als hydrostatisches Lager ausgebildet.
In der Gleitfläche der Lagerschale 16 sind dementsprechend am Umfang verteilt
mehrere Vertiefungen 39 vorgesehen, welche in gleicher Weise wie die Vertiefungen
der Lagerschale 15 durch besondere Pumpen 40 (F i g. 1) mit Schmiermittel
versorgt werden.
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Da in diesen Vertiefungen der Druck des Schmiernüttels axial auf der
ganzen Länge praktisch konstant ist, sind die Flüssigkeitspolster bei Schiefstellung
der Spindel 12 im Lager nicht imstande, ein Schwenkmoment auf die Lagerschale
16 auszuüben. Es ist daher in einem axialen Ansatz 41 der Lagerschale 16
eine besondere zylindrische Steuerfläche 42 vorgesehen, welche etwa mit gleichem
Spiel wie die Lagerschale selbst die Spindel 12 umschließt. In dieser Fläche
42 sind zwei Vertiefungen 43 vorgesehen, welche wieder, wie dies bei
den hydrostatischen Lagern bekannt ist, so mit Schmiermittel versorgt werden, daß
sich in jeder Vertiefung ein von der Spaltweite zwischen Steuerfläche 42 und Spindel
12 abhängiger Druck einstellt. An die Vertiefungen 43 sind zu diesem Zweck
besondere Pumpen 44 angeschlossen, von denen jede der entsprechenden Vertiefung
die gleiche Schmiermittelmenge unter Druck zuleitet.
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Die Vertiefungen 43 sind in Achsrichtung der Spindel 12 mit
Bezug auf die Drehzapfen 35 um einen Betrag a (F i g. 4) versetzt angeordnet, so
daß durch den Schmiermitteldruck in den Vertiefungen 43 Schwenkmomente auf
die Lagerschale 16 ausgeübt werden. Die eine der beiden Vertiefungen 43 liegt
oben und die andere unten (F i g. 4). Liegt die Spindel 12 zentrisch in der
Steuerfläche 42, so ist der Abströmspalt für beide Vertiefungen gleich groß.
Es stellt sich somit in beiden Vertiefungen der gleiche Druck ein, und da die Vertiefungen
einander diametral gegenüberliegen, heben sich die durch den Schmiermitteldruck
auf den Ansatz 41 der Lagerschale 16 ausgeübten Kräfte gegenseitig auf.
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Bewegt sich demgegenüber infolge einer Durchbiegung der Spindel
12 der mit der Steuerfläche 42
zusammenarbeitende Teil nach oben, so
wird der Abströmspalt der oberen Vertiefung 43 kleiner und jener der unteren Vertiefung
43 größer. In der oberen Vertiefung steigt daher der Schmiermitteldruck, und in
der unteren Vertiefung sinkt er. Das Gleichgewicht ist gestört. Die auf den Ansatz
41 der Lagerschale 16 ausgeübten Kräfte ergeben eine nach oben gerichtete
Resultierende, welche mit Bezug auf die Drehzapfen 35 im Uhrzeigerdrehsinn ein Drehmoment
auf die Lagerschale 16 ausübt. Diese schwenkt daher so lange im gleichen Drehsinn
um die Zapfen 35, bis sie die gleiche Neigung wie die Spindel erreicht hat und durch
Zentrierung der Steuerfläche 42 mit Bezug auf die Spindel 12 der Gleichgewichtszustand
wieder hergestellt ist.
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Im vorliegenden Fall, in welchem nur eine Schwenkbarkeit der Lagerschale
14 um die horizontale Achse vorgesehen ist, genügen die dargestellten zwei Vertiefungen
43 in der Steuerfläche 42. Bei allseitiger Schwenkbarkeit müßten mindestens drei,
möglichst gleichmäßig auf dem Umfang verteilte, mit Druckflüssigkeit beschickte
Vertiefungen in der Steuerfläche vorgesehen werden.
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Die Steuerfläche 42 mit den Vertiefungen 43 bildet für
sich auch ein hydrostatisches Lager. Dieses könnte grundsätzlich gleich ausgeführt
werden wie das eigentliche Radiallager mit den Vertiefungen 39 in der Lagerschale
16. Beide zusammen bilden ein hydrostatisches Radiallager mit zwei um den Betrag
a axial gegeneinander versetzten Reihen von Vertiefungen. Infolge der axialen Versetzung
der Vertiefungen vermögen dann die sich darin einstellenden Drücke zusammen ein
Schwenkmoment um eine zur Spindel senkrecht stehende Achse auf die Lagerschale auszuüben.
Bei gleichwertiger Ausbildung der beiden axial nebeneinanderliegenden Lagerhälften
wird der Drehzapfen für die Schwenkung der Lagerschale in die Mitte zwischen die
beiden Lagerhälften verlegt.
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Die beschriebene Lagerung kann außer für Spindeln von Werkzeugmaschinen
auch für andere Wellen angewendet werden, die sich der jeweiligen Belastung im Betrieb
anzupassen haben, beispielsweise für die durch den im Betrieb veränderlichen Strahldruck
belastete Welle einer Peltonturbine.