ШПИНДЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СТАНКА Российский патент 1995 года по МПК F16H25/20 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено для увеличения быстроходности вращения шпинделей станков на опорах качения, которая ограничивается возникающими при вращении инерционными силами тел качения.

Известны шпиндельные устройства, в которых приводятся во вращение внутренние и наружные кольца подшипников качения, кинематически связанные с приводами вращения и являющиеся опорами шпинделя.

В известной шпиндельной бабке токарно-фрезерного станка вращение внутренних колец подшипников качения токарного шпинделя связано кинематически с приводом вращения этого шпинделя, а наружные кольца этих подшипников кинематически связаны с приводом фрезерного шпинделя.

Однако в этом устройстве единовременно вращается или внутреннее кольцо при вращении токарного шпинделя, или только наружное - при вращении фрезерного шпинделя. При этом инерционные силы тел качения указанных подшипников не уменьшаются, а ограничивают наибольшую скорость вращения.

Цель изобретения - повышение быстроходности путем одновременного вращения шпинделя и гильзы.

Это достигается тем, что устройство снабжено дополнительными подшипниками качения, установленными на наружной поверхности гильзы, наружные кольца которых связаны с внутренней поверхностью корпуса, а внутренние - с наружной поверхностью гильзы, элементами, установленными на гильзе и предназначенными для фиксации основных подшипников в осевом направлении, и элементами, расположенными на соответствующих торцах корпуса и предназначенными для фиксации дополнительных подшипников в осевом направлении, двигатель жестко связан с корпусом, гильза кинематически связана с двигателем, а кинематические связи между шпинделем и двигателем и гильзой и двигателем выполнены из элементов передач, например из двух шестерен, одна из которых жестко установлена на шпинделе, другая - на валу двигателя, и двух шестерен, одна из которых жестко установлена на гильзе, а другая - на валу двигателя.

На фиг. 1 приведена схема кинематики тела качения шарикового радиально-упорного подшипника на двух сечениях; на фиг. 2 - конструктивная схема шпиндельного устройства.

Тело качения 1, представляющее шар радиусом r (фиг. 1), контактирует с внутренним кольцом 2 в точке, отстоящей от оси вращения последнего на расстоянии R_в. Тело качения контактирует с наружным кольцом 3, отстоящим от указанной оси на расстоянии R_н наружного радиуса. При работе на подшипник действуют внешние силы - радиальная F_ри осевая F_ос. Шпиндель 4 связан с внутренними кольцами основных подшипников 5, наружные кольца которых связаны с гильзой 6, и установлен с возможностью вращения относительно гильзы 6, имеющей в качестве опор дополнительные подшипники 7, внутренние кольца которых связаны с гильзой, а наружные - с корпусом 8.

Гильза 6 установлена в корпусе 8 с возможностью вращения, на гильзе расположены элементы, например кольца 9, которые фиксируют основные подшипники 5 в осевом направлении. В корпусе 8 установлены элементы, например фланцы 10 и 11, которые фиксируют дополнительные подшипники 7 в осевом направлении. Шпиндель 4 и гильза 6 жестко связаны с элементами передачи, например шестернями 12 и 13. Двигатель 14 жестко связан с корпусом 8, на валу которого закреплены ответные элементы передачи, например шестерни 16 и 17. Причем шестерня 16 связана с шестерней 12 кинематической цепью i₁, а шестерня 17 с шестерней 13 - кинематической цепью i₂. Вместо шестерен могут быть использованы и другие элементы передач, например шкивы ременных передач.

В предлагаемом устройстве внутреннее кольцо (фиг. 1) 2 приводится во вращение с частотой n_в, а наружное кольцо 3 - с частотой n_н, при этом каждое тело качения получает два вращения: одно вращение вокруг оси внутреннего и наружного колец с частотой n_к (линейной скоростью v_к), а другое вращение с частотой n_r (угловой скоростью ω_r) вокруг оси, наклоненной к первой под углом α и проходящей через центр тяжести тела качения, т.е. в данном случае через центр шара.

В результате этих вращений тело качения приобретает нормальное ускорение - W_n, радиальное - W_R и кариолисово - W_τ. Наличие этих ускорений является причиной появления инерционных усилий. При n_в = 0 и n_н ≠0 тело качения будет вращаться (на фиг. 1) по часовой стрелке, а при n_н = 0 и n_в≠0 тело качения будет вращаться против часовой стрелки. Благодаря этому возможно регулирование соотношением частот вращения наружного кольца n_н и внутреннего кольца n_в частотой и направлением вращения тела качения n_r, уменьшая при равных условиях ускорение его движения, тем самым уменьшая и инерционные силы. Последнее дает возможность увеличить частоту вращения внутреннего кольца в сравнении с традиционными способами, когда n_н = 0, или наружного кольца в сравнении, когда n_в = 0.

В практике конструирования предлагается производить расчет части работы сил трения при движении тел качения в подшипнике, которые идут на нагрев опор, следующим образом:
[A] ≥f S P K, (1) где f - коэффициент сопротивления движения тел качения (коэффициент трения) зависит от формы тел качения, условий смазки и т. д.

S - путь движения (перемещения) сил трения, S = 2πr˙n_r ,
Р - нормальная нагрузка, действующая на тело качения в точке контакта, легко определяется как сумма инерционных и внешних сил, используя законы теоретической механики;
[A] - допускаемое значение части работы сил трения, идущей на нагрев опор;
К - коэффициент рассеивания тепла.

Если условия рассеивания тепла в традиционных устройствах и предлагаемом устройстве можно принять одинаковыми, то К = 1, так как эти величины входят в правую и левую части неравенства (1) в качестве сомножителей. Произведя соответствующие математические преобразования можно получить следующие уравнения:
nZMR·U_R(n_Rcosα + 2n_r) -F=
= nF - 0,5 ZMR n0,5 n_воcosα - 2 n (2) где n_r= (R_н- iR_в) , 1/мин;
n_R = 0,5 (1 + i) n_но, 1/мин;
F = F_рcosα+ F_ocsinα, Н;
i =
n_в - частота вращения шпинделя, 1/мин;
n_н - частота вращения гильзы, 1/мин;
n_но, n_во - наибольшая допустимая частота вращения подшипников качения соответственно опор гильзы и шпинделя, определяемая из их технических характеристик при вращении только внутреннего кольца 2, 1/мин;
R_н - радиус контакта тела качения подшипника в плоскости его центра тяжести с наружным кольцом, м;
R_в - то же, с внутренним кольцом, м;
R - радиус центра тяжести тела качения, м ;
r, M, Z - радиус, масса, количество тел качения в подшипнике м, кг, шт. ;
α- угол наклона оси вращения тела качения, град;
F_р и F_ос - радиальное и осевое усилие, Н.

Это уравнение позволяет числовыми методами с помощью ЭВМ определить оптимальные соотношения между n_в и n_н, что дает возможность:
увеличить частоту вращения внутреннего и наружного колец в зависимости от необходимости;
уменьшить работу сил трения тел качения подшипника. При этом можно получить в пределе значения n_в и n_н, при которых A = 0, т.е. или нагрузка на тела качения исчезает, что напоминает эффект невесомости, или тела качения перестают вращаться.

В первом случае происходит увеличение быстроходности шпинделей металлорежущих станков.

Механизм работает следующим образом. Двигатель вращения 14 с частотой вращения вала 15, равной n_д, приводит во вращение с помощью шестерни 16 кинематической цепи i₁ и шестерни 12 шпиндель 4 и внутреннее кольцо основных подшипников 5 так, что
n_в = n_д ˙i₁.

Аналогично вал 15 с помощью шестерни 17, кинематической цепи i₂ и шестерни 13 приводит во вращение гильзу 6 и наружные кольца дополнительных подшипников 9 так, что n_н = n_д˙i₂.

Таким образом в данном механизме осуществляется одновременное вращение наружного и внутреннего колец подшипников 5, являющихся опорами шпинделя. При этом используя уравнение (2) определяется оптимальное значение i, в соответствии с чем и проектируется шпиндельное устройство. Благодаря этому повышается быстроходность шпиндельного узла, чем и достигается цель изобретения.

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в металлорежущих станках. Цель - увеличение быстроходности путем одновременного вращения шпинделя и гильзы. На наружной поверхности гильзы 6 установлены подшипники качения 7, наружные кольца которых связаны с внутренней поверхностью корпуса 8, а внутренние - с наружной поверхностью гильзы 6. На шпинделе 4 установлены элементы 9 для фиксации подшипников 5 в осевом направлении. На торцах корпуса 8 установлены дополнительные элементы 10 и 11 для фиксации подшипников 7 в осевом направлении. Двигатель 14 жестко связан с корпусом 8, а гальза 6 и шпиндель 4 кинематически связаны с двигателем 14. Посредством шестерен 16 и 12 двигатель 14 приводит во вращение шпиндель 4 и внутреннее кольцо подшипников 5, а посредством шестерен 17 и 13 приводит во вращение гильзу 6. 2 ил.

ШПИНДЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СТАНКА, содержащее корпус, размещенную в нем с возможностью вращения гильзу, шпиндель, установленный в нем с возможностью вращения на подшипниках качения, наружные кольца которых связаны с внутренней поверхностью гильзы, а внутренние - с наружной поверхностью шпинделя, и кинематически связанный со шпинделем двигатель, отличающееся тем, что, с целью повышения быстроходности путем одновременного вращения шпинделя и гильзы, устройство снабжено дополнительными подшипниками качения, установленными на наружной поверхности гильзы, наружные кольца которых связаны с внутренней поверхностью корпуса, а внутренние - с наружной поверхностью гильзы, элементами, установленными на шпинделе и предназначенными для фиксации основных подшипников в осевом направлении, и дополнительными элементами, установленными на соответствующих торцах корпуса и предназначенными для фиксации дополнительных подшипников в осевом направлении, двигатель жестко связан с корпусом, а гильза кинематически связана с двигателем.