PL223712B1 - Mechanizm napinania łożysk - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm napinania łożysk, zwłaszcza dla szybkoobrotowych wrzecion obrabiarek skrawających przez wywarcie siły osiowej o określonej i/lub podlegającej regulacji wielkości.

Z publikacji pt. „The modelling of motorized spindle properties with spring preload bearing sets” (Machine Engineering) znane są szybkoobrotowe wrzeciona obrabiarek, które w większości zbudowane są z wykorzystaniem dwóch lub więcej kulkowych łożysk skośnych zestawianych w układach „O”, „X” lub w układach mieszanych. Wstępne napięcie, wymagane w znanych zespołach wrzecionowych, zwykle jest wywoływane przez wywarcie na pierścienie łożysk siły osiowej o określonej wart ości, przy czym w przypadku układu „O” jest to siła powodująca rozciąganie wrzeciona, a w przypadku układu „X” jego ściskanie. Siły odśrodkowe działające na części wirujące, zwłaszcza na elementy toczne oraz odkształcenia elementów zespołu łożyskowego spowodowane zmianami ich temperatury powodują zmianę geometrii oraz sztywności zespołu wrzecionowego. Szczególnie niepożądany jest spowodowany tymi zjawiskami niekontrolowany wzrost siły osiowej w łożyskach. Jednym z rozwiązań w celu minimalizacji wpływu tych zmian jest jedno lub więcej łożysk mocowane w sposób umożliwiający jego osiowe przemieszczanie a siła napięcia wywoływana jest np. za pomocą sprężyny/sprężyn. Łożyska przesuwne zwykle osadzane są w obudowie wrzeciona lub w tulei, która ma możliwość osiowego ruchu względem obudowy wrzeciona. W celu zapewnienia możliwości przesuwu pomiędzy powierzchnią bieżni łożysk/tulei ruchomej a obudową wrzeciona stosuje się dodatni luz montażowy lub wprowadza się elementy toczne. Ponadto w przypadku wrzecion szybkoobrotowych łożyska są chłodzone za pomocą wymuszonego przepływu czynnika chłodzącego przez rowki na zewnętrznej powierzchni tulei, co wymaga stosowania odpowiednich uszczelnień.

W przypadku tulei suwliwej lub suwliwego osadzenia łożysk, konieczne jest zapewnienie dodatniego luzu, który zmniejsza promieniową sztywność oraz dokładność zespołu wrzecionowego. Ponadto w wyniku zmian temperatury powstających w trakcie pracy, wartość luzu montażowego ulega zmianie, co prowadzi do wzrostu ciśnienia i sił tarcia między tuleją a obudową. W przypadku stosowania chłodzenia istnieje konieczność stosowania uszczelnień zabezpieczających zwiększających również siły tarcia, powstające między tuleją ruchomą a obudową, co powoduje zmianę siły napięcia roboczego w łożyskach. Z opisu patentowego US4116506 znane jest rozwiązanie, które pozwala na zmniejszenie współczynnika tarcia pomiędzy zewnętrznymi pierścieniami łożysk a obudową wrzeciennika, polegające na wprowadzeniu oleju pod ciśnieniem.

Układ, w którym pomiędzy częściami przesuwnymi stosuje się elementy toczne charakteryzuje się brakiem luzu promieniowego, a w celu przemieszczenia tulei konieczne jest pokonanie sił tarcia tocznego, przy czym siły te w znacznym stopniu zależą od luzu pomontażowego oraz jego zmian w ywołanych temperaturą. Taka konstrukcja wymaga również stosowania us zczelnienia zabezpieczającego przed wyciekami czynnika chłodzącego. Podobnie jak w rozwiązaniu z tuleją ślizgową warunki tarcia ulegają zmianie wraz ze zmianą temperatury i niemożliwe jest precyzyjne określenie rzeczywistej siły napięcia w każdym momencie pracy łożyska.

Ze zgłoszenia patentowego EP2278181 znane jest rozwiązanie, które pozwala na regulację sił napięcia łożysk, w którym wykorzystuje się dodatkowe zespoły hydrauliczne, które wymagają zasilania czynnikiem o regulowanym ciśnieniu. Regulacja sił napięcia łożysk jest konieczna ze względu na zapewnienie odpowiedniej trwałości łożysk, a wartość napięcia wstępnego powinna być odpowiednia do prędkości obrotowej wrzeciona. Przy dużych prędkościach obrotowych, w celu zapewnienia wystarczającej trwałości oraz małych strat mocy, wartość napięcia wstępnego powinna być możliwie mała natomiast przy małych prędkościach obrotowych, w celu zapewnienia dużej sztywności wartość napięcia powinna być możliwie duża.

Istotą mechanizmu napinania łożysk wrzeciona w obudowie według wynalazku jest to że wrzeciono jest ułożyskowane co najmniej jednym łożyskiem skośnym stałym oraz co najmniej jednym łoż yskiem skośnym ruchomym, przy czym łożysko skośne stałe jest zamocowane dociskami łożyska do obudowy oraz wrzeciona, a łożysko skośne ruchome jest zamocowane w tulei ruchomej oraz na wrzecionie dociskami łożyska, natomiast tuleja ruchoma jest połączona z obudową co najmniej jednym elementem sprężystym najkorzystniej mocowanym dociskami elementów sprężystych oraz tuleją stałą zamocowaną do obudowy dociskiem tulei stałej, a do tulei ruchomej jest zamocowana pierścieniem sprężyna, co wywołuje napięcie wstępne łożyska skośnego stałego i łożyska skośnego ruchomego.

Korzystnie tuleja ruchoma jest osadzona suwliwie lub tocznie w tulei stałej.

PL 223 712 B1

Korzystnie pomiędzy łożyskami skośnymi stałymi są zamocowane co najmniej dwie tuleje d ystansowe i pomiędzy łożyskami skośnymi ruchomymi zamocowane są co najmniej dwie tuleje d ystansowe.

Korzystnie pomiędzy tuleją stałą a obudową i elementami sprężystymi oraz tuleją ruchomą i elementami sprężystymi znajduje się uszczelnienie.

Korzystnie przestrzeń zamknięta pomiędzy tuleją ruchomą, tuleją stałą i co najmniej jednym elementem sprężystym jest wypełniona płynem.

Korzystnie do przestrzeni zamkniętej poprzez kanał dolotowy jest doprowadzany pod ciśnieniem płyn wywołujący napięcie wstępne łożysk skośnych stałych i łożysk skośnych ruchomych.

Korzystnie płyn chłodzący łożyska doprowadzany do przestrzeni zamkniętej jest rozprowadzany rowkami do kanałów wylotowych.

Korzystnie płyn w szczelinie tłumi wiskotycznie drgania tulei wewnętrznej.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest minimalizacja sił występujących podczas osiowego przemieszczania łożysk skośnych ruchomych, a także brak tarcia pomiędzy współpracującymi elementami. Rozwiązanie według wynalazku pozwala również na przewidywanie charakterystyki zmian siły oporu wywieranej przez mechanizm napinania łożysk w funkcji przemieszczenia. Dzięki zastosowaniu elementów sprężystych w miejsce tradycyjnie stosowanych połączeń ślizgowych lub prowadnic tocznych zmniejszeniu ulega wymagana dokładność wykonania oraz twardość współpracujących części, a także taka konstrukcja pozwala na skuteczniejsze chłodzenie w porównaniu do znanych rozwiązań, a także taka konstrukcja jest mniej wrażliwa na zmiany wymiarów elementów wywoływanych przez zmiany temperatury. Istnieje możliwość regulacji siły osiowej działającej na łożyska ruchome na drodze zmiany ciśnienia panującego w przestrzeni zamkniętej dzięki czemu w zależności od warunków pracy wrzeciona możliwy jest dobór optymalnej siły napięcia wstępnego łożysk. Podczas pracy przy niskich prędkościach obrotowych siła napięcia wstępnego łożysk może być wysoka zapewniając wysoką sztywność natomiast przy wysokich prędkościach obrotowych, w celu zwiększenia trwałości łożysk i zmniejszenia strat mocy siła napięcia wstępnego może być zmniejszona. Ponadto rozwiązanie według wynalazku pozbawione jest luzu promieniowego dzięki czemu możliwe jest uzyskanie większej dokładności ruchu wrzeciona.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia tuleję ruchomą prowadzoną elementem sprężystym oraz połączeniem ślizgowym, fig. 2 tuleję ruchomą z węzłem łożyskowym prowadzonym elementami sprężystymi, fig. 3 przedstawia tuleję ruchomą w której napięcie łożysk zmienia się płynem o regulowanym ciśnieniu, fig. 4 przedstawia tuleję ruchomą chłodzoną płynem chłodzącym oraz w przykładach.

P r z y k ł a d 1

Wrzeciono 1 jest ułożyskowane w obudowie 2 poprzez łożysko skośne stałe 3 oraz łożysko skośne ruchome 4. Łożysko skośne stałe 3 jest zamocowane w sposób uniemożliwiający jego osiowy przesuw względem wrzeciona 1 i obudowy 2 za pomocą docisków łożyska 6. Łożysko skośne ruchome 4 jest zamocowane w tulei ruchomej 7 oraz na wrzecionie 1 za pomocą docisków łożyska 6. Tuleja ruchoma 7 jest połączona z obudową 2 za pośrednictwem elementu sprężystego 8 oraz z tulei stałej 9, która jest zamocowana do obudowy 2 dociskiem tulei stałej 10. Element sprężysty 8 mocowany jest do tulei ruchomej 7 i tulei stałej 9 dociskami elementu sprężystego 11, a tuleja ruchoma 7 jest osadzona suwliwie w tulei stałej 9. Sprężyna 12 zamocowana jest za pomocą pierścienia 13 do tulei ruchomej 7, co pozwala na wywołanie napięcia wstępnego łożyska skośnego stałego 3 i łożyska sk ośnego ruchomego 4.

P r z y k ł a d 2

Wrzeciono 1 jest ułożyskowane w obudowie 2 poprzez dwa łożyska skośne stałe 3 pomiędzy którymi znajdują się dwie tuleje dystansowe 5 oraz dwa łożyska skośne ruchome 4, pomiędzy którymi znajdują się dwie tuleje dystansowe 5. Łożyska skośne stałe 3 są zamocowane w sposób uniemożliwiający ich osiowy przesuw względem wrzeciona 1 i obudowy 2 za pomocą docisków łożyska 6. Łożyska skośne ruchome 4 są zamocowane w tulei ruchomej 7 oraz na wrzecionie 1 za pomocą docisków łożyska 6. Tuleja ruchoma 7 jest połączona z obudową 2 elementami sprężystymi 8 oraz z tuleją stałą 9, która jest zamocowana do obudowy 2 dociskiem tulei stałej 10. Elementy sprężyste 8 mocowane są do tulei ruchomej 7 i tulei stałej 9 dociskami elementów sprężystych 11. Sprężyna 12 zamocowana jest za pomocą pierścienia 13 do tulei ruchomej 7, co pozwala na wywołanie napięcia wstępnego łożyska skośnego stałego 3 i łożyska skośnego ruchomego 4.

PL 223 712 B1

P r z y k ł a d 3

Wrzeciono 1 jest ułożyskowane w obudowie 2 poprzez dwa łożyska skośne stałe 3 pomiędzy którymi znajdują się dwie tuleje dystansowe 5 oraz dwa łożyska skośne ruchome 4, pomiędzy którymi znajdują się dwie tuleje dystansowe 5. Łożyska skośne stałe 3 są zamocowane w sposób uniemożliwiający ich osiowy przesuw względem wrzeciona 1 i obudowy 2 za pomocą docisków łożyska 6. Łoż yska skośne ruchome 4 są zamocowane w tulei ruchomej 7 oraz na wrzecionie 1 za pomocą docisków łożyska 6. Tuleja ruchoma 7 jest połączona z obudową 2 elementami sprężystymi 8 oraz z tuleją stałą 9, która jest zamocowana do obudowy 2 dociskiem tulei stałej 10. Elementy sprężyste 8 mocowane są do tulei ruchomej 7 i tulei stałej 9 dociskami elementów sprężystych 11 o różnych polach powierzchni. Pomiędzy tuleją stałą 9 a obudową 2 i elementami sprężystymi 8 oraz tuleją ruchomą 7 i elementami sprężystymi 8 znajdują się uszczelnienia 14. Tuleja ruchoma 7, tuleja stała 9 i elementy sprężyste 8 tworzą przestrzeń zamkniętą 15. Do przestrzeni zamkniętej 15 kanałem dolotowym 16 jest doprowadzany płyn pod ciśnieniem, co pozwala na wywołanie napięcia wstępnego łożysk skośnych stałych 3 i łożysk skośnych ruchomych 4.

P r z y k ł a d 4

Wrzeciono 1 jest ułożyskowane w obudowie 2 poprzez dwa łożyska skośne stałe 3 pomiędzy którymi znajdują się dwie tuleje dystansowe 5 oraz dwa łożyska skośne ruchome 4, pomiędzy którymi są dwie tuleje dystansowe 5. Łożyska skośne stałe 3 są zamocowane w sposób uniemożliwiający ich osiowy przesuw względem wrzeciona 1 i obudowy 2 za pomocą docisków łożyska 6. Łożyska skośne ruchome 4 są zamocowane w tulei ruchomej 7 oraz na wrzecionie 1 za pomocą docisków łożyska 6. Tuleja ruchoma 7 jest połączona z obudową 2 elementami sprężystymi 8 oraz z tuleją stałą 9, która jest zamocowana do obudowy 2 dociskiem tulei stałej 10. Elementy sprężyste 8 mocowane są do tulei ruchomej 7 i tulei stałej 9 dociskami elementów sprężystych 11 o różnych polach powierzchni. Sprężyna 12 zamocowana jest za pomocą pierścienia 13 do tulei ruchomej 7, co pozwala na wywołanie napięcia wstępnego łożyska skośnego stałego 3 i łożyska skośnego ruchomego 4. Pomiędzy tuleją stałą 9 a obudową 2 i elementami sprężystymi 8 oraz tuleją ruchomą 7 i elementami sprężystymi 8 znajdują się uszczelnienia 14. Tuleja ruchoma 7, tuleja stała 9 i elementy sprężyste 8 tworzą przestrzeń zamkniętą 15. Do przestrzeni zamkniętej 15 kanałem dolotowym 16 jest doprowadzany płyn, który rowkami śrubowymi 17 przepływa do kanałów wylotowych 18. Płyn przepływający przez przestrzeń zamkniętą 15 chłodzi łożyska skośne ruchome 4. Pomiędzy tuleją ruchomą 7 a tuleją stałą 9 znajduje się szczelina 19, której wielkość jest tak dobrana, że płyn przepływa głównie przez rowki śrubowe 17, a płyn znajdujący się w szczelinie 19 pozwala na wiskotyczne tłumienie drgań.

Spis oznaczeń:

1. wrzeciono,

2. obudowa,

3. łożysko skośne stałe,

4. łożysko skośne ruchome,

5. tuleja dystansowa,

6. docisk łożyska,

7. tuleja ruchoma,

8. element sprężysty,

9. tuleja stała,

10. docisk tulei stałej,

11. docisk elementu sprężystego,

12. sprężyna,

13. pierścień,

14. uszczelka,

15. przestrzeń zamknięta,

16. kanał dolotowy,

17. rowek śrubowy,

18. kanał wylotowy,

19. szczelina.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mechanizm napinania łożysk wrzeciona w obudowie, znamienny tym, że wrzeciono (1) jest ułożyskowane co najmniej jednym łożyskiem skośnym stałym (3) oraz co najmniej jednym łożyskiem skośnym ruchomym (4), przy czym łożysko skośne stałe (3) jest zamocowane dociskami łożyska (6) do obudowy (2) oraz wrzeciona (1), a łożysko skośne ruchome (4) jest zamocowane w tulei ruchomej (7) oraz na wrzecionie (1) dociskami łożyska (6), natomiast tuleja ruchoma (7) jest połączona z obudową (2) co najmniej jednym elementem sprężystym (8) korzystnie mocowanym dociskami elementów sprężystych (11) oraz tuleją stałą (9) zamocowaną do obudowy (2) dociskiem tulei stałej (10), a do tulei ruchomej (7) jest zamocowana pierścieniem (13) sprężyna (12), co wywołuje napięcie wstępne łożyska skośnego stałego (3) i łożyska skośnego ruchomego (4).
2. 2. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleja ruchoma (7) jest osadzona suwliwie lub tocznie w tulei stałej (9).
3. 3. Mechanizm według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że pomiędzy łożyskami skośnymi stałymi (3) są zamocowane co najmniej dwie tuleje dystansowe (5) i pomiędzy łożyskami skośnymi ruchomymi (4) zamocowane są co najmniej dwie tuleje dystansowe (5).
4. 4. Mechanizm według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że pomiędzy tuleją stałą (9) a obudową (2) i elementami sprężystymi (8) oraz tuleją ruchomą (7) i elementami sprężystymi (8) znajduje się uszczelnienie (14).
5. 5. Mechanizm według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że przestrzeń zamknięta (15) pomiędzy tuleją ruchomą (7), tuleją stałą (9) i co najmniej jednym elementem sprężystym (8) jest wypełniona płynem.
6. 6. Mechanizm według zastrz. 5, znamienny tym, że do przestrzeni zamkniętej (15) poprzez kanał dolotowy (16) jest doprowadzany pod ciśnieniem płyn wywołujący napięcie wstępne łożysk sk ośnych stałych (3) i łożysk skośnych ruchomych (4).
7. 7. Mechanizm według zastrz. 5, znamienny tym, że płyn chłodzący łożyska doprowadzany do przestrzeni zamkniętej (15) jest rozprowadzany rowkami (17) do kanałów wylotowych (18).
8. 8. Mechanizm według zastrz. 7, znamienny tym, że płyn w szczelinie (19) tłumi wiskotycznie drgania tulei wewnętrznej (7).