STITZINGER, Rupert (Breitstrasse 27, Ansbach, 91522, DE)
Patentansprüche
1. Lagerungsanordnung zur Lagerung und zum Antrieb eines rotierenden Maschinenelementes, umfassend:
- einen ersten Lagerring (01) und einen zu diesem rotierbaren zweiten
Lagerring (02), wobei der zweite Lagerring (02) das rotierende Maschinenelement aufnimmt, und wobei zwischen dem durch die Lagerringe (01 ,02) gebildeten inneren Umfang der Lagerungsanordnung und dem durch die Lagerringe (01 , 02) gebildeten äußeren Umfang der Lagerungsanordnung ein ringförmiger Hohlraum (06) ausgebildet ist;
- ein Reibelement (08) im ringförmigen Hohlraum (06), welches drehfest mit dem einen der beiden Lagerringe (01 , 02) verbunden ist; und
- ein Schwingelement (11) im ringförmigen Hohlraum (06), welches drehfest mit dem anderen der beiden Lagerringe (02, 01) verbunden ist und in Wirkkontakt (09) mit dem Reibelement (08) steht.
2. Lagerungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement (08) drehfest mit dem zweiten, an das rotierende Ma- schinenelement gekoppelten Lagerring (02) verbunden ist, und dass das Schwingelement (11) drehfest mit dem ersten, gestellfesten Lagerring (01) verbunden ist.
3. Lagerungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungsanordnung weiterhin ein Federelement (12) umfasst, welches zwischen dem Schwingelement (11 ) und dem ersten Lagerring (01) angeordnet ist und dessen Federkraft auf das Schwingelement
(11) in Richtung des Wirkkontaktes (09) mit dem Reibelement (08) ausgerichtet ist.
4. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement durch ein piezoelektrisches Element (11) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen gebildet ist, welches durch eine elektronische Ansteuereinheit zum Schwingen angeregt wird.
5. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement (08) ringförmig ausgebildet ist.
6. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lagerringen (01 , 02) Wälzkörper (03) angeordnet sind.
7. Lagerungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper durch Kugeln (03) gebildet sind und die Lagerungsan- Ordnung als Vierpunktkugellager ausgebildet ist.
8. Lagerungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper durch Kegelrollen gebildet sind, welche innerhalb der Lagerringe (01 , 02) verspannt sind.
9. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch αe- kennzeichnet, dass der erste Lagerring durch einen Lageraußenring
(01) gebildet ist und der zweite Lagerring durch einen Lagerinnenring
(02) gebildet ist.
10. Lagerungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Hohlraum (06) innerhalb einer Distanzhülse (04) aus- gebildet ist, welche an einer Stirnseite des Lageraußenringes (01) angeordnet ist und diesen axial verlängert, wobei der Lagerinnenring (02) sich über die axiale Länge des Lageraußenringes (01) und der Distanzhülse (04) erstreckt.
11. Lagerungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement (11 ) ringförmig ausgebildet ist und an der die
Distanzhülse (04) tragenden Stirnseite des Lageraußenringes (01) angeordnet ist.
12. Lagerungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement (08) am sich innerhalb der Distanzhül- se (04) axial erstreckenden Teil des Lagerinnenringes (02) befestigt ist.
13. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Wirkkontakt zwischen dem Reibelement (08) und dem Schwingelement (11) bildende Kontaktfläche (09) schräg gegenüber der Achse der Lagerungsanordnung ausgerichtet ist.
14. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (06) gegenüber den Laufflächen der Lagerringe (01 , 02) mit einer Dichtung (07) abgedichtet ist.
15. Lagerungsanordnung nach Anspruch 3 oder einem auf diesen rückbe- zogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement durch eine Ringwellfeder (12) gebildet ist. |
Bezeichnung der Erfindung
Lagerungsanordnung mit integriertem Schwingungsantrieb
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagerungsanordnung zur Lagerung rotierender Maschinenelemente, die einen Schwingungsantrieb umfasst.
Schwingungsantriebe, welche auch als Wanderwellenantriebe bezeichnet werden und oft als Ultraschallantriebe ausgeführt sind, finden zunehmend Verwendung als Stellantriebe beispielsweise in der Feinmechanik und in der Kfz-Technik. Sie zeichnen sich durch eine hohe Kraftdichte, durch einen einfachen mechanischen Aufbau und durch eine Positioniergenauigkeit im Nanometer-Bereich aus.
Aus der DE 30 10 252 C2 ist eine Antriebsvorrichtung mit einem Oszillator bekannt, bei welcher die übertragung des Momentes über einer Vielzahl federnd gelagerter Bauteile erfolgt. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Vorrichtung umfasst einen Rotor, welcher in Kugellagern drehbeweglich angeordnet ist. Eine Stirnfläche des Rotors ist mit Vibrationsstücken einstückig zusammengeformt und geht eine Wirkverbindung mit einer Vibrationsschei-
be eines axial angeordneten Ultraschalloszillators ein. Die Kugellager werden insbesondere in axialer Richtung belastet, da die Vibrationsscheibe Kräfte in axialer Richtung auf den Rotor ausübt. Daher weisen die Laufflächen der Kugellager eine besondere Formung zur Aufnahme der axial wir- kenden Kräfte auf. Die Kugellager sind unweit der mit Vibrationsstücken versehenen Stirnfläche des Rotors angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet, dass die an der Stirnfläche auftretenden seitlichen Kräfte kein hohes Kippdrehmoment auf die Kugellager ausüben können. Nachteilig an dieser Lösung ist der große Raumbedarf für den Ultraschalloszillator. Zudem kann diese Lösung nur an einem axialen Ende eines rotierenden Maschinenelementes realisiert werden, wodurch die Anwendbarkeit deutlich eingeschränkt ist.
Aus der DE 690 26 650 T2 ist ein Ultraschallmotor zum Drehen eines Rotors bekannt, bei welchem eine in einem Schwingelement erzeugte schwingende
Welle genutzt wird. Der Motor umfasst einen Rotor, der mit einem Kugellager drehbar auf einem Träger angeordnet ist. An dem Träger ist weiterhin das
Schwingelement befestigt, welches auf den Rotor seitlich einwirkt. Eine vom
Träger gehaltene druckregulierende Feder wirkt auf den Innenring des Ku- gellagers ein und erzeugt auf diese Weise einen Kontaktdruck zwischen dem
Rotor und dem Schwingelement. Auch diese Lösung weist den Nachteil auf, nur an einem axialen Ende eines rotierenden Maschinenelementes realisiert werden zu können, da der Träger in der Drehachse des Motors angeordnet ist. Nachteilig ist ebenfalls der Raumbedarf für das Schwingelement im Um- fangsbereich des Kugellagers.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die zur Lagerung und zum Antrieb eines rotierenden Maschinenelementes notwendigen Lagerungen und Antriebe hinsichtlich ihres Raumbedarfes zu minimieren und einen Antrieb für rotierende Maschinenelemente zur Verfügung zu stellen, welcher nicht an einem axialen Ende des rotierenden Maschinenelementes angeordnet werden muss.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lagerungsanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Eine erfindungsgemäße Lagerungsanordnung umfasst eine ersten und ei- nem zweiten Lagerring, welche rotierbar zueinander angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Lagerungsanordnung ein für den Antrieb erforderliches Schwingelement und ein dazu gehöriges Reibelement. Das Schwingelement und das Reibelement sind innerhalb eines ringförmigen Hohlraumes angeordnet, welcher zwischen dem durch die Lagerringe gebildeten inneren und äußeren Umfang der Lagerungsanordnung ausgebildet ist. Das Schwingelement zur Erzeugung von Schwingungen ist drehfest mit dem ersten Lagerring verbunden und steht in Wirkkontakt mit dem Reibelement, welches drehfest mit dem zweiten Lagerring verbunden ist. Wird das Schwingelement zum Schwingen gebracht, wobei die Oberfläche des Schwingelementes bei- spielsweise elliptische Bewegungen ausführt, leistet es eine Vorschubkraft auf das Reibelement, welches aufgrund seiner über den zweiten Lagerring rotierbaren Lagerung ein Drehmoment erfährt und ein im zweiten Lagerring aufgenommenes Maschinenelement zur Rotation antreibt. Es ist somit ein vollständiger Schwingungsantrieb innerhalb der erfindungsgemäßen Lage- rungsanordnung ausgebildet.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung besteht darin, dass sie gleichzeitig ein Mittel zur Lagerung und ein Mittel zum Antrieb eines rotierbaren Maschinenelementes bildet. Aufgrund dieser Dop- pelfunktion wird der Raumbedarf für diese Mittel deutlich gesenkt. Der Antrieb bildet eine kompakte Baugruppe und kann ein bereits existierendes Lager einer Maschine ersetzen. Der Schwingungsantrieb ermöglicht eine hohe Drehzahl bei einem moderaten Drehmoment. Weiterhin ermöglicht der Schwingungsantrieb einen spielfreien Stellantrieb, der sehr schnelle und sehr genaue Verstellungen erlaubt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung besteht darin, dass sie gleichzeitig als kontrollierbare Bremse fungieren kann, indem das Schwingelement zu einer entsprechenden Verformung oder entsprechenden Schwingungen angeregt wird. Die Bremskraft und die Antriebskraft können aber auch vollständig zurückgenommen werden, sodass die Lagerungsanordnung frei rotieren kann.
Bevorzugt ist zwischen dem Schwingelement und dem ersten Lagerring ein Federelement angeordnet, welches das Schwingelement an das Reibele- ment presst. Hierdurch ist eine sichere und belastbare Wirkverbindung zwischen dem Schwingelement und dem Reibelement gewährleistet. Weiterhin erzeugt das Federelement ein Haltemoment, sodass eine Rotation der Lagerungsanordnung im antriebslosen Zustand verhindert wird. Das Federelement kann beispielsweise durch eine Ringwellfeder, durch eine Tellerfeder oder auch durch mehrere kleine Schraubendruckfedern gebildet sein. Das Federelement kann auch einstückig mit dem ersten Lagerring und/oder dem Schwingelement ausgeführt sein.
Das Schwingelement ist vorzugsweise durch ein piezoelektrisches Element zur Erzeugung von Ultraschall gebildet. Derartige piezoelektrische Elemente sind für die Verwendung in Ultraschallantrieben etabliert und hinsichtlich ihres Werkstoffes optimiert. Hierfür sind auch geeignete elektronische Ansteuereinheiten verfügbar, mit denen das Schwingungsverhalten zur Erzielung unterschiedlicher Geschwindigkeiten des Antriebes gesteuert werden kann.
Das Reibelement ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet, sodass es sich über den gesamten äußeren bzw. inneren Umfang des zweiten Lagerringes erstreckt. Hierdurch ist ein sehr gleichmäßiger Rotationsantrieb gewährleis- tet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Lagerungsanordnung ist der erste Lagerring durch einen Lageraußenring gebildet, während der zweite Lagerring durch einen Lagerinnenring gebildet ist. Das zu lagernde und anzutreibende Maschinenelement wird vom Lagerinnenring aufgenommen und rotiert beispielsweise in einem Maschinengestell, in welchem der Lageraußenring befestigt ist.
Bevorzugt ist die Lagerungsanordnung als Wälzlager mit rotierenden Wälzkörpern ausgeführt. Insbesondere sind Wälzlager geeignet, welche die axial wirkenden Kräfte spielfrei aufnehmen können. Dies ist beispielsweise bei Vierpunktkugellagem und Kegelrollenlagern mit verspannten Kegelrollen gegeben.
Eine erfindungsgemäße Lagerungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die den Schwingungsantrieb bildenden Elemente in dem ringförmigen Hohlraum angeordnet sind. Dieser Hohlraum kann auf unterschiedliche Weise geschaffen werden. Bevorzugt ist der ringförmige Hohlraum innerhalb einer Distanzhülse ausgebildet, welche an einer Stirnseite eines Lageraußenringes befestigt ist. Die Distanzhülse weist bevorzugt den gleichen Au- ßendurchmesser wie der Lageraußenring auf und bildet so eine axiale Verlängerung eines herkömmlichen Lagers aus. Da die Distanzhülse eine dünnere Wandung als ein typischer Lageraußenring aufweist, ist ein ausreichend großer Hohlraum ausgebildet. Die Distanzhülse bietet gleichzeitig einen Schutz des Hohlraumes, insbesondere beim Einbau der Lagerungs- anordnung, aber auch gegen radial auf die Lagerungsanordnung einwirkende Kräfte und Fremdkörper. Der Lagerinnenring erstreckt sich bei dieser Ausführungsform auch über die axiale Länge der Distanzhülse, sodass dort das Reibelement als ein Rotor befestigt werden kann. Die Stirnseite des Lageraußenringes, an welcher die Distanzhülse befestigt ist, bietet genügend Fläche zur drehfesten Anordnung des Schwingelementes und des Federelementes. Bei anderen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung kann der ringförmige Hohlraum auch durch umlaufende
Ausnehmungen am Lagerinnenring oder am Lageraußenring gebildet sein. Der Hohlraum kann aber auch durch den neben den Wälzkörpern vorhandenen Hohlraum gebildet sein. Der Hohlraum muss nicht zwangsläufig durch eine Distanzhülse oder ähnliche Elemente räumlich begrenzt sein. Die den Schwingungsantrieb bildenden Elemente können auch seitlich an einer Stirnseite eines bestehenden Lagers befestigt werden, ohne dass diese E- lemente nach allen Seiten des Hohlraumes durch Begrenzungen eingeschlossen sind. Erfindungsgemäß erstreckt sich der ringförmige Hohlraum nicht über den Bereich zwischen dem inneren und äußeren Umfang der La- gerungsanordnung hinaus, sodass die Lagerungsanordnung wie ein typisches Lager in Maschinen, Fahrzeugen usw. verwendet werden kann.
Vorzugsweise stehen ein ringförmiges Schwingelement und ein ringförmiges Reibelement in einer kreisringförmigen Fläche in Wirkkontakt. Diese kreis- ringförmige Kontaktfläche des Schwingelementes und des Reibelementes ist bevorzugt gegenüber der Achse der Lagerungsanordnung geneigt, beispielsweise in einem Winkel von 45°. Hierdurch kann das im Hohlraum zur Verfügung stehende Volumen effektiv genutzt werden, um eine möglichst große Kontaktfläche auszubilden. Eine große Kontaktfläche gewährleistet die übertragung großer Drehmomente. Die Kontaktfläche kann aber auch parallel oder senkrecht zur Achse der Lagerungsanordnung ausgerichtet sein. Die Kontaktfläche des Reibelementes weist einen großen Reibungskoeffizienten auf. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung oder durch eine Oberflächenbearbeitung des Reibelementes erzielt werden. Auf der Kontaktfläche können aber auch viele kleine Stützelemente angeordnet werden, welche das Reibelement infolge der Schwingungen des Schwingelementes antreiben. Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen zur Gestaltung des überganges vom Schwingelement auf ein anzutreibendes Element eines Schwingungsantriebes bekannt. Das Schwingelement kann auch so ausgeführt sein, dass es sich über mehrere voneinander beabstandete Abschnitte oder sogar nur über einen kleinen Abschnitt des Reibelementes erstreckt und mit diesem in Wirkkontakt steht.
Alternativ kann das Schwingelement ringförmig ausgeführt sein, während sich das Reibelement nur über Abschnitte dieses Ringes erstreckt. Insofern der Stellantrieb keine vollständige Rotation ermöglichen soll, müssen das Schwingelement und das Reibelement keine vollständige Ringform aufwei- sen.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Die einzige Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Details einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung. Die Lagerungsanordnung umfasst einen Lageraußenring 01 und einen Lagerinnenring 02, welche zueinander rotierbar sind. Zwischen dem Lageraußenring 01 und dem Lagerinnenring 02 sind Kugeln 03 als Wälzkörper angeordnet. Die Lagerungsanordnung bildet ein so genanntes Vierpunktkugellager aus, bei welchem die Kugeln zwischen jeweils zwei umlaufenden Flanken in den Laufflächen der Lagerringe geführt werden. Ein solches Vierpunktkugellager weist nur ein geringes axiales Spiel auf. Der Lagerinnenring 02 dient der Aufnahme eines rotierbaren und anzutreibenden Maschinenelementes, beispielsweise einer Welle. Die Lagerungsanordnung ist für eine Montage in einer Maschine oder einem Fahrzeug vorgesehen. Hierzu wird der Lageraußenring 01 an der Maschine oder am Fahrzeug befestigt.
Der Lageraußenring 01 ist an einer seiner beiden Stirnflächen durch eine Distanzhülse 04 in axialer Richtung verlängert. Bei abgewandelten Ausführungsformen könnten Lageraußenring und Distanzhülse auch einstückig ausgeführt sein. Der Außendurchmesser des Distanzhülse 04 gleicht dem Außendurchmesser des Lageraußenringes 01. Folglich ist die Lagerungsan- Ordnung hinsichtlich ihrer äußeren Begrenzung wie ein konventionelles Lager ausgeführt, welches lediglich in seiner axialen Ausdehnung verlängert ist.
Eine solche Lagerungsanordnung kann in vielen Anwendungen ein bestehendes Lager ersetzen.
Der Lagerinnenring 02 erstreckt sich axial über die gesamte Länge, welche durch den Lageraußenring 01 und die ihn verlängernde Distanzhülse 04 gebildet ist. Zwischen der Distanzhülse 04 und dem Lagerinnenring 02 ergibt sich somit ein ringförmiger Hohlraum 06 in der Form eines Hohlzylinders. Die radial äußere Begrenzung des Hohlraumes 06 wird durch die Innenseite der Distanzhülse 04 gebildet. Die radial innere Begrenzung des Hohlraumes 06 wird durch den Lagerinnenring 02 gebildet, der im axialen Abschnitt der Distanzhülse 04 gegenüber konventionellen Lagern verlängert ist. Zwischen dem Hohlraum 06 und dem Bereich der Lagerungsanordnung, in welchem die Kugeln 03 rotieren, ist eine Dichtung 07 angeordnet. Die Dichtung 07 gewährleistet, dass ein Schmiermittel zur Schmierung der Kugeln 03 nicht in den ringförmigen Hohlraum 06 gelangen kann. Die Dichtung ist in Form eines Dichtungsringes ausgeführt, bei welchem eine Dichtlippe am rotierenden Lagerinnenring anliegt. An der außen liegenden Stirnseite des Hohlraumes 06 ist dieser nicht verschlossen. Eine offene Ausführung dieser Art ist für Lagerungsanordnungen geeignet, bei denen durch deren bestimmungsge- mäße Verwendung gewährleistet ist, dass keine Fremdkörper, wie Schmiermittel oder Späne in den Hohlraum 06 gelangen können. Ist dies nicht gewährleistet, ist die Lagerungsanordnung so auszuführen, dass der ringförmige Hohlraum vollständig verschlossen ist. Grundsätzlich ist die Ausführung des Hohlraumes an die bestimmungsgemäße Verwendung der Lagerungs- anordnung anzupassen. Insbesondere ist deren Anordnung in der Maschine zu berücksichtigen. So kann beispielsweise auch auf die Distanzhülse verzichtet werden, wenn deren Funktion durch die Einbauanordnung der Lagerungsanordnung gewährleistet ist.
Am Lagerinnenring 02 ist ein ringförmiges Reibelement 08 befestigt. Das Reibelement 08 ist innerhalb des Hohlraumes 06 angeordnet und rotiert gemeinsam mit dem Lagerinnenring 02. Die für die Funktion erforderliche Reibwirkung weist das Reibelement 08 nur innerhalb einer Kontaktfläche 09 auf. Das Reibelement 08 besteht aus Stahl oder einem anderen Werkstoff, der geeignet ist, die auftretenden Drehmomente aufnehmen zu können, wobei die Kontaktfläche 09 z.B. durch eine Beschichtung einen hohen Reibungskoeffizienten aufweisen sollte.
An der die Distanzhülse tragenden Stirnseite des Lageraußenringes 01 ist ein ringförmiges Schwingelement 11 in Form eines piezoelektrischen Elementes angeordnet, welches den Stator des Schwingantriebs bildet. Das Schwingelement 11 ist drehfest mit dem Lageraußenring 01 dadurch verbunden, dass Führungsnasen (nicht gezeigt) des Schwingelementes 11 in Führungsausnehmungen der Distanzhülse 04 geführt werden und so eine Rotation des Schwingelementes 11 gegenüber dem Lageraußenring 01 verhindern. Zwischen dem Schwingelement 11 und der Stirnseite des Lageraußenringes 01 ist eine Ringwellfeder 12 oder ein vergleichbares Federelement angeordnet, deren Federkraft das Schwingelement 11 in Richtung des Reib- elementes 08 drückt und so den Wirkkontakt zwischen dem Reibelement 08 und dem Schwingelement 11 in der Kontaktfläche 09 gewährleistet. Die Ringwellfeder 12 kann auch mit dem Schwingelement 11 und dem Lageraußenring 01 so verbunden sein, dass hierdurch die drehfeste Anordnung des Schwingelementes 11 gegenüber dem Lageraußenring 01 gewährleistet ist.
Das piezoelektrische Schwingelement 11 ist an eine elektronische Ansteuereinheit (nicht gezeigt) elektrisch angeschlossen. Die Ansteuereinheit kann direkt an der Lagerungsanordnung oder an einer geeigneten Position an der Maschine oder am Fahrzeug angebracht werden. Die Ansteuereinheit um- fasst leistungselektronische Schaltungen, mit denen das piezoelektrische Schwingelement 11 in Uitraschallschwingungen versetzt werden kann.
Dabei kann die Amplitude und die Frequenz der Ansteuerspannung verändert werden, wobei das piezoelektrische Schwingelement 11 vorzugsweise in seiner Resonanzfrequenz zu betreiben ist. Die elektrischen Anschlussleitungen (nicht gezeigt) sind durch eine öffnung in der Distanzhülse 04 zum pie- zoelektrischen Schwingelement 11 geführt.
Bezugszeichenliste
01 Lageraußenring
02 Lagerinnenring
03 Kugeln
04 Distanzhülse
05 -
06 ringförmiger Hohlraum
07 Dichtung
08 Reibelement
09 Kontaktfläche
10 —
11 Schwingelement
12 Ringwellfeder