DE19909491A1 - Kühleinrichtung für eine Welle - Google Patents

Abstract

Auf einer in einem Gehäuse (1) drehbar gelagerten Welle (3) ist ein mit der Welle (3) in wärmeleitendem Kontakt stehender erster Kühlkörper (6) mit Kühlrippen (9) und zur Wellenachse koaxialen, der Wärmeabgabe dienenden Rotationsflächen angebracht und im Gehäuse (1) ist ein mit einem Kühlmedium beaufschlagter zweiter Kühlkörper (7) mit Kühlrippen (12, 13) und den Rotationsflächen in geringem Abstand gegenüberliegenden, der Wärmeaufnahme dienenden Kühlflächen angeordnet. Der Raum zwischen den Rotationsflächen und den Kühlflächen ist mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Welle.

Eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Welle erwärmt sich infolge der Lagerreibung im allgemeinen stärker als das die Welle umgebende Gehäuse. Insbesondere ist dies dann der Fall, wenn das Gehäuse geschlossen ist und die Welle nur mit einem kurzen Abschnitt aus dem Gehäuse herausragt. Wäh­ rend das Gehäuse über seine Mantelfläche relativ leicht zu kühlen ist, bereitet die Kühlung der innenliegenden Welle jedoch größere Schwierigkeiten, da das Heranführen eines Kühlmediums an die rotierende Welle wegen der Art der Lage­ rung, der eventuell erforderlichen Abdichtung, der mögli­ chen Verwirbelung und anderer Faktoren oft nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrich­ tung für eine in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle zu schaffen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, keine besondere Abdichtung gegenüber der Welle benötigt und die für Wellen geeignet ist, die mit sehr hoher Drehzahl rotieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Welle ein mit der Welle in wärmeleitendem Kontakt ste­ hender erster Kühlkörper mit zur Wellenachse koaxialen, der Wärmeabgabe dienenden Rotationsflächen angebracht ist, daß im Gehäuse ein mit einem Kühlmedium beaufschlagter zweiter Kühlkörper mit den Rotationsflächen in geringem Abstand gegenüberliegenden, der Wärmeaufnahme dienenden Kühlflächen angeordnet ist und daß der Raum zwischen den Rotationsflä­ chen und den Kühlflächen mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt ist.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ermöglicht eine wirk­ same Kühlung der Welle durch Erzeugung eines Wärmestroms in Richtung des gehäuseseitigen Kühlkörpers, der sowohl auf Strahlung als auch auf Wärmeübertragung durch das zwischen den Kühlkörpern befindliche Gas beruht. Diese Wärmeübertra­ gung wird hierbei begünstigt durch die Rotation des wellen­ seitigen ersten Kühlkörpers und die dadurch vorgerufene starke Verwirbelung des zwischen den Kühlkörpern befindli­ chen Gases. Für den Wärmetransport wird mit neben der Strahlung lediglich das in dem Gehäuse vorhandene Gas benö­ tigt. Die ständige Zufuhr eines Kühlgases oder einer Kühl­ flüssigkeit in den zwischen der Welle und dem Gehäuse vor­ handenen Raum mit allen damit verbundenen Nachteilen kann unterbleiben. Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung eignet sich daher auch in besonderem Maße zur Kühlung von Wellen, die in mit Fett geschmierten Wälzlagern gelagert und für so hohe Drehzahlen bestimmt sind, daß eine Berührungsdichtung an den Wälzlagern nicht vorgesehen werden kann.

Die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist der Größe der Rotationsfläche, des ersten Kühlkörpers und der Kühlfläche des zweiten Kühlkörpers proportional. Zur Erzielung einer möglichst großen Kühlleistung auf kleinem Raum können nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung beide Kühlkörper mehrere axial nebeneinander angeordnete und mit Rotations- bzw. Kühlflächen versehene Kühlrippen aufweisen, wobei jeweils einer Kühlrippe des einen Kühlkör­ pers eine Kühlrippe des anderen Kühlkörpers benachbart ist. Eine solche Gestaltung der Kühlkörper läßt sich auf einfa­ che Weise herstellen und ist insbesondere auch für hohe Drehgeschwindigkeiten geeignet. Die Kühlrippen beider Kühl­ körper können parallele Rotations- bzw. Kühlflächen oder im gleichen Winkel geneigte, kegelige Rotations- bzw. Kühlflä­ chen haben. Zur Herstellung der Kühlkörpers wird vorzugs­ weise ein Material verwendet, das eine gute Wärmeleitfähig­ keit hat und die Herstellung von Oberflächen mit gutem Strahlungsemissionsverhalten ermöglicht.

Der zweite Kühlkörper kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine in das Gehäuse einsetzbare Hülse aufwei­ sen, in deren Bohrung die Kühlrippen angeordnet sind, wobei die Mantelfläche der Hülse einen die Hülse umgebenden Kanal für das Hindurchleiten des Kühlmediums begrenzt. Bei­ derseits des Kanals kann die Hülse gegenüber dem Gehäuse mittels Dichtringen abgedichtet sein. Durch diese Gestal­ tung läßt sich mit einfachen Mitteln und geringem Bearbei­ tungsaufwand die Beaufschlagung des gehäuseseitigen Kühl­ körpers mit einem Kühlmedium realisieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt im Querschnitt einen Abschnitt eines Gehäuses 1 einer frequenzgesteuerten Motorspindel zum Antrieb von Bearbeitungswerkzeugen mit sehr hoher Drehzahl. Das Gehäuse 1 weist eine zentrale Bohrung 2 auf, in der eine Welle 3 mittels zweier im Abstand voneinander angeord­ neten Kugellagerpaaren 4, 5 gelagert ist. Zwischen den Kugellagerpaaren 4, 5 ist auf der Welle 3 ein innerer Kühl­ körper 6 und in der Bohrung 2 ein äußerer Kühlkörper 7 angeordnet.

Der innere Kühlkörper 6 besteht aus einer zylindrischen Hülse 8, die fest auf der Welle 3 sitzt und sich in axialer Richtung an den beiden Wälzlagerpaaren 4, 5 abstützt. Der Wärmeübergang von der Welle 3 zur Hülse 8 kann durch eine geringe Rautiefe der Kontaktflächen und/oder durch das Auf­ bringen von Mitteln zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit verbessert sein. Auf ihrer Mantelfläche weist die Hülse 8 sechs Kühlrippen 9 auf, die die Form von ebenen Kreisring­ scheiben mit rechteckigem Querschnitt haben und einstückig mit der Hülse 8 ausgebildet sind. Die Kühlrippen 9 sind in einheitlichem Abstand parallel zueinander angeordnet und ihre Oberflächen bilden koaxial zur Wellenachse angeordnete Rotationsflächen.

Der äußere Kühlkörper 7 weist eine in die Bohrung 2 einge­ setzte, zylindrische Hülse 10 auf, die an ihren axialen Enden durch Dichtringe 11 gegenüber dem Gehäuse 1 abgedich­ tet ist. In der Bohrung der Hülse 10 befinden sich sieben Kühlrippen 12, 13 die im gleichen axialen Abstand voneinan­ der angeordnet sind wie die Kühlrippen 9. Die von den bei­ den äußeren Kühlrippen 13 eingeschlossenen inneren Kühlrip­ pen 12 ragen jeweils in einen Zwischenraum zwischen den Kühlrippen 9 des Kühlkörpers 6 bis nahe an die Hülse 6 hin­ ein, wobei ihre äußeren Abmessungen so groß bemessen sind, daß in axialer Richtung zwischen den Kühlrippen 9 und den Kühlrippen 12 jeweils ein freier Zwischenraum von 0,1-0,2 mm Breite bestehen bleibt. Die beiden äußeren Kühlrippen 13 decken jeweils die benachbarten Kühlrippen 9 auf der Kugel­ lagerseite ab und haben von diesen und von der Hülse 8 einen Abstand in der Größe der vorgenannten Breite. Die Kühlrippen 12, 13 haben die Form ebener Kreisringscheiben mit rechteckigem Querschnitt und tragen an ihrem äußeren Rand einen axial vorspringenden Kragen 14, durch den der Abstand zwischen den Kühlrippen 12, 13 bestimmt wird. Mit ihrer äußeren Mantelfläche liegen die Kragen 14 spielfrei an der Hülse 10 an, wodurch ein guter Wärmeübergang von der Hülse 10 auf die Kühlrippen 12, 13 erreicht wird. Zusätzli­ che Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangs können außerdem vorgesehen sein. Zur Montage der inneren Kühlrip­ pen 12 können diese entweder geteilt oder durch einen radialen Schlitz unterbrochen sein.

In dem die Hülse 10 umgebenden Abschnitt zwischen den Dichtringen 11 ist in der Bohrung 2 des Gehäuses 1 eine wendelförmige Nut 15 ausgebildet, deren Enden mit radial das Gehäuse 1 durchdringenden Anschlußbohrungen 16, 17 in Verbindung stehen. An die Anschlußbohrungen 16, 17 wird ein Kühlkreislauf angeschlossen, der die Hülse 10 mit einem vorzugsweise flüssigen Kühlmittel beaufschlagt.

Durch die Kühlung der Welle mit der beschriebenen Kühlein­ richtung kann die an den Innenringen der Kugellager entste­ hende Reibungswärme abgeführt und die Temperatur der Welle und der Innenringe der Kugellager in solchem Maß niedriger gehalten werden, daß eine nachteilige Veränderung des Lagerspiels unterbleibt und eine längere Lagerlebensdauer erreicht wird. Da durch die Kühleinrichtung der Lagerumge­ bung fremde Kühlmedien ferngehalten werden, bedarf es kei­ ner besonderen Abdichtmaßnahmen und die Welle kann mit einer bei frequenzgesteuerten Motorspindeln üblichen hohen Drehzahlen gedreht werden. Ist eine Erhöhung der Kühllei­ stung erforderlich, so kann die Kühleinrichtung bei ent­ sprechender Vergrößerung ihrer Baulänge mit einer größeren Zahl von Kühlrippen versehen werden. Auch eine Vergrößerung der Kühlrippen in radialer Richtung ist durch geeignet Gestaltung des Gehäuses 1 möglich. Befinden sich die Wel­ lenlager in einem größeren Abstand voneinander so kann auch an jedem Wellenlager eine separate Kühleinrichtung mit an das Lager angepasster Kühlleistung angeordnet sein. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist nicht auf eine bestimmte Lagerbauart beschränkt, wenngleich ihre Vorteile vor allem bei fettgeschmierten Wälzlagern beson­ ders augenfällig sind. Die Kühlung einer in ölgeschmierten Wälzlagern oder in Gleitlagern gelagerter Welle ist mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ebenfalls möglich.

Claims (7)

1. Kühleinrichtung für eine in einem Gehäuse drehbar gela­ gerte Welle, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (3) ein mit der Welle (3) in wärmeleitendem Kontakt stehender erster Kühlkörper (6) mit zur Wellenachse koaxialen, der Wärmeabgabe dienenden Rotationsflächen angebracht ist, daß im Gehäuse (1) ein mit einem Kühl­ medium beaufschlagter zweiter Kühlkörper (7) mit den Rotationsflächen in geringem Abstand gegenüberliegen­ den, der Wärmeaufnahme dienenden Kühlflächen angeordnet ist und daß der Raum zwischen den Rotationsflächen und den Kühlflächen mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beide Kühlkörper (6, 7) mehrere axial nebeneinander angeordnete und mit Rotations- bzw. Kühl­ flächen versehene Kühlrippen (9, 12, 13) aufweisen, wobei jeweils einer Kühlrippe (9) des einen Kühlkörpers (6) eine Kühlrippe (12 bzw. 13) des anderen Kühlkörpers (7) benachbart ist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlrippen (9, 12, 13) beider Kühlkörper (6, 7) parallele Rotations- bzw. Kühlflächen haben.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlrippen (9, 12, 13) beider Kühlkörper (6, 7) im gleichen Winkel geneigte, kegelige Rotations- bzw. Kühlflächen haben.

5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlkörper (7) eine in das Gehäuse (1) einsetzbare Hülse (10) auf­ weist, in deren Bohrung die Kühlrippen (12, 13) ange­ ordnet sind, wobei die Mantelfläche der Hülse (10) einen die Hülse (10) umgebenden Kanal (14) für das Hin­ durchleiten des Kühlmediums begrenzt.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hülse (10) in dem Gehäuse (1) mittels Dichtungen (11) abgedichtet ist.

7. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) eine mit sehr hoher Drehzahl antreibbare, in mit Fett geschmier­ ten Wälzlagern gelagerte Welle einer frequenzgesteuer­ ten Motorspindel zum Antrieb von spanenden Bearbei­ tungswerkzeugen ist.