Hydrostatische Führungen und Lager

Hydrostatische Führungen und Lager

Božina Perović Hydrostatische Führungen und Lager Grundlagen, Berechnung und Auslegung von Hydraulikplänen 2123

Prof. Dr.-Ing. Božina Perović Blohmstr. 3 12307 Berlin Deutschland b.perovic@yahoo.de ISBN 978-3-642-20297-1 e-isbn 978-3-642-20298-8 DOI 10.1007/978-3-642-20298-8 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Vorwort Dieses Buch befasst sich mit hydrostatischen Führungen und Lagern. Sein Zweck ist es, den Konstrukteur von Werkzeugmaschinen in die Lage zu versetzen, ihre eigenen Führungen und Lager rasch, ohne zusätzliche Literatur und unabhängig von externen Berechnungshilfen zu berechnen, sowie die zu den Führungen passende Hydraulikpläne auszulegen. Neben den Praktikern soll dieses Buch auch Studierenden an Hoch- und Fachschulen als praxisorientiertes und leicht verständliches Lehrbuch dienen. Durch den Einsatz von hydrostatischen Führungen erhält man Werkzeugmaschinen mit über Jahre hinweg gleich bleibend exzellenten Eigenschaften: sie sind spielfrei, arbeiten ohne Verschleiß, ohne ruckendes Gleiten, und weisen eine ausgezeichnete Dämpfung auf. Höchste Präzision, beste Oberflächengüte, höchste Repetierbarkeit der Maschinen, sowie präzise Bearbeitung ohne Korrekturen und ohne Service, sind das Ergebnis. Hydrostatische Führungen und Lager werden in der bisher vorliegenden Literatur in Lehr- und Fachbüchern in prinzipiellen Darstellungen behandelt und dargestellt. In dem vorliegenden Buch werden erstmals für alle wissenschaftlich untersuchten Ölversorgungssysteme mit Kapillardrosseln, Membrandrosseln und Mehrkreispumpen die für die Berechnung und Auslegung erforderlichen Formeln abgeleitet und für alle bekannten Ausführungsformen von Führungen und Lagern vollständig durchgeführte Berechnungsbeispiele und Hydraulikpläne angeboten. Erstmalig werden für das Ölversorgungssystem Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln die vollständigen Berechnungsgrundlagen und die detaillierte Konstruktionszeichnungen zur Verfügung gestellt. Kapitel 1 Grundlagen enthält prinzipielle Darstellungen und Beschreibungen hydrostatischer Führungen und Lager. Kapitel 2 Berechnungen von hydrostatischen Führungen und Lagern stellt vollständige Ausführungen von hydrostatischen Führungen und Lagern dar, die Berechnungsformeln werden abgeleitet, die einzelnen Berechnungsschritte werden angegeben. In Kap. 3 Auslegungen von Hydraulikplänen werden für jedes behandelte Berechnungsbeispiel die Hydraulikpläne der drei oben aufgeführten Ölversorgungssysteme ausgelegt. V

VI Vorwort Die Voraussetzungen für dieses Buch ergaben sich durch meine Forschung und der Promotion auf dem Gebiet der hydrostatischen Führungen am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Berlin, der Lehre und Forschung an schnelllaufenden hydrostatischen Lagern im Ingenieurwissenschaftlichem Zentrum (IWZ) Köln, und meine Konstruktionspraxis an hydrostatischen Führungen und Lagern in Werkzeugmaschinenfirmen und eigenem Konstruktionsbüro. Großer dank gilt dem Springer-Verlag, besonders Frau Eva Hestermann-Beyerle für die vertrauensvolle und anregende Zusammenarbeit. Für die Durchsicht des Manuskriptes und hilfreiche Anmerkungen zu seiner Verbesserung danke ich meinem Sohn Aleksandar Perović. Berlin, März 2011 Božina Perović

Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen... 1 1.1 Einleitung... 1 1.2 Prinzipieller Aufbau eines hydrostatischen Lagers... 4 1.3 Kennlinien und Hydraulikpläne der Ölversorgungssysteme... 8 2 Berechnungen von hydrostatischen Führungen- und Lagern... 13 2.1 Formelzeichen und Abkürzungen... 13 2.2 Berechnungsformeln... 14 2.3 Berechnungstabellen... 22 2.4 Zentrisch belastete hydrostatische Führung mit Umgriff... 24 2.4.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 36 2.4.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 41 2.4.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 45 2.4.4 Zusammenfassung... 48 2.5 Exzentrisch belastete hydrostatische Führung mit Umgriff... 49 2.5.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardroseln... 55 2.5.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 62 2.5.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 67 2.5.4 Zusammenfassung... 76 2.6 Kombinierte Radial- und Axiallager... 76 2.6.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapilladrosseln... 80 2.6.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 85 VII

VIII Inhaltsverzeichnis 2.6.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 90 2.6.4 Zusammenfassung... 93 2.7 Zentrisch belastete hydrostatische Radiallagerung... 94 2.7.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 98 2.7.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 102 2.7.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 106 2.7.4 Zusammenfassung... 109 2.8 Exzentrisch belastete hydrostatische Radiallagerung... 110 2.8.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 116 2.8.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 121 2.8.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 127 2.8.4 Zusammenfassung... 132 2.9 Hydrostatischer Gewindetrieb... 133 2.9.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 139 2.10 Vorgespannte hydrostatische Mittenführung... 143 2.10.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung: Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 145 2.11 Vorgespannte, zentrisch belastete hydrostatische Mittenführung... 146 2.11.1 Berechnungsbeispiel mit Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 148 2.12 Zentrisch belasteter hydrostatischer Schlitten... 151 2.12.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 155 2.12.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 161 2.12.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 165 2.12.4 Zusammenfassung... 170 2.13 Schnelllaufende hydrostatische, axial- und radial gelagerte Spindeln... 171 2.13.1 Theoretische Grundlagen... 171 2.13.2 Berechnungsgrundlagen... 172 2.13.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapilladrosseln... 173 2.13.4 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 180

Inhaltsverzeichnis IX 2.13.5 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 186 2.13.6 Zusammenfassung... 192 2.14 Schnelllaufende hydrostatische, zentrisch belasteten, radial gelagerte Spindeln... 192 2.14.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapilladrosseln... 193 2.14.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 197 2.14.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 201 2.14.4 Zusammenfassung... 204 2.15 Schnelllaufende hydrostatische, exzentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 205 2.15.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 205 2.15.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 212 2.15.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 218 2.15.4 Zusammenfassung... 224 2.16 Schnelllaufende hydrostatische, beidseitig exzentrisch belastete... 225 2.16.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 230 2.16.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 237 2.16.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 243 2.16.4 Zusammenfassung... 249 2.17 Hydrostatische Schmierung der Axiallager der Tragbahn eines Rundschalttisches... 250 2.17.1 Berechnungsbespiel mit hydrostatischer Schmierung... 252 2.18 Zentrisch belastete hydrostatische Flachführung ohne Umgriff... 253 2.18.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 257 2.18.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 261 2.18.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 265 2.18.4 Zusammenfassung... 269 2.19 Zentrisch belastete hydrostatische offene V-Flachführung... 270 2.19.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 274 2.19.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 279

X Inhaltsverzeichnis 2.19.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 283 2.19.4 Zusammenfassung... 288 2.20 Zentrisch belastete hydrostatische geschlossene V-Flachführung... 289 2.20.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 295 2.20.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 300 2.20.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 305 2.20.4 Zusammenfassung... 309 2.21 Zentrisch belastete hydrostatische geschlossene Dachführungen... 309 2.21.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 314 2.21.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 317 2.21.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 321 2.21.4 Zusammenfassung... 324 2.22 Exzentrisch belastete hydrostatische geschlossene Dachführung... 325 2.22.1 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardroseln... 331 2.22.2 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 337 2.22.3 Berechnungsbeispiel bei Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 343 2.22.4 Zusammenfassung... 352 3 Auslegung von Hydraulikplänen... 353 3.1 Ölversorgungsaggregat... 353 3.2 Rückkühlaggregat... 356 3.3 Ölversorgungssystem Eine gemeinsame Pumpe und Kapillardrosseln... 358 3.3.1 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische Führung mit Umgriff... 361 3.3.2 Auslegungsbeispiel: Kombinierte Radial- und Axiallager... 363 3.3.3 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische Radiallagerung... 366 3.3.4 Auslegungsbeispiel: Hydrostatischer Gewindetrieb... 367 3.3.5 Auslegungsbeispiel: Vorgespannte hydrostatische Mittenführung... 369 3.3.6 Auslegungsbeispiel: Vorgespannte, zentrisch belastete hydrostatische Mittenführung... 370 3.3.7 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belasteter hydrostatischer Schlitten... 372

Inhaltsverzeichnis XI 3.3.8 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende, hydrostatische axial- und radial gelagerte Spindeln... 373 3.3.9 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende hydrostatische, zentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 375 3.3.10 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende hydrostatische, exzentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 377 3.3.11 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende hydrostatische, beidseitig exzentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 380 3.3.12 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische Flachführung ohne Umgriff... 382 3.3.13 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische offene V-Flachführung... 386 3.3.14 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische geschlossene V-Flachführung... 387 3.3.15 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische geschlossene Dachführung... 389 3.3.16 Anwendungsbereiche der Ölversorgung mit Kapillardrosseln... 391 3.4 Ölversorgungssystem Eine Pumpe pro Tasche... 393 3.4.1 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische Führung mit Umgriff... 395 3.4.2 Auslegungsbeispiel: Exzentrisch belastete hydrostatische Führung mit Umgriff... 396 3.4.3 Auslegungsbeispiel: Kombinierte Radial- und Axiallager... 399 3.4.4 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische Radiallagerung... 401 3.4.5 Auslegungsbeispiel: Exzentrisch belastete hydrostatische Radiallagerung... 403 3.4.6 Auslegungsbeispiel: zentrisch belasteter hydrostatischer Schlitten... 406 3.4.7 Auslegungsbeispiel: schnelllaufende hydrostatisch axialund radial gelagerte Spindeln... 407 3.4.8 Auslegungsbeispiel: schnelllaufende hydrostatische zentrisch belastete radial gelagerte Spindeln... 410 3.4.9 Auslegungsbeispiel: schnelllaufende hydrostatische, exzentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 412 3.4.10 Auslegungsbeispiel: schnelllaufende hydrostatische, beidseitig exzentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 415 3.4.11 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische Flachführung ohne Umgriff... 418 3.4.12 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische offene V-Flach-führung... 420 3.4.13 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische geschlossene V-Flachführung... 424

XII Inhaltsverzeichnis 3.4.14 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische geschlossene Dachführung... 425 3.4.15 Auslegungsbeispiel: Exzentrisch belastete hydrostatische geschlossene Dachführung... 427 3.4.16 Anwendungsbereiche der Ölversorgung Eine Pumpe pro Tasche... 428 3.5 Ölversorgungssystem Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 430 3.5.1 Theoretische Grundlagen... 430 3.5.2 Konstruktion der Membrandrosseleinheit... 437 3.5.3 Prüfung der Membrandrossel... 439 3.5.4 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische Führung mit Umgriff... 442 3.5.5 Auslegungsbeispiel: Exzentrisch belastete hydrostatische Führung mit Umgriff... 444 3.5.6 Auslegungsbeispiel: Kombinierte Radial und Axiallager... 448 3.5.7 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belastete hydrostatische Radiallagerung... 453 3.5.8 Auslegungsbeispiel: Exzentrisch belastete hydrostatische Radiallagerung... 457 3.5.9 Auslegungsbeispiel: Zentrisch belasteter hydrostatischer Schlitten... 460 3.5.10 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende hydrostatische, axial- und radial gelagerte Spindeln... 467 3.5.11 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende hydrostatische, zentrisch belastete radial gelagerte Spindeln... 470 3.5.12 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende hydrostatische, exzentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 475 3.5.13 Auslegungsbeispiel: Schnelllaufende hydrostatische, beidseitig exzentrisch belastete, radial gelagerte Spindeln... 479 3.5.14 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische Flachführung ohne Umgriff... 482 3.5.15 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische offene V-Flachführung... 486 3.5.16 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische geschlossene V-Flachführung... 491 3.5.17 Auslegungsbeispiel: zentrisch belastete hydrostatische geschlossene Dachführung... 493 3.5.18 Auslegungsbeispiel: Exzentrisch belastete hydrostatische geschlossene Dachführung... 497 3.5.19 Anwendungsbereiche der Ölversorgung Eine gemeinsame Pumpe und Membrandrosseln... 501

Inhaltsverzeichnis XIII Formelverzeichnis... 503 Verzeichnis der Hydraulikpläne... 505 Firmenverzeichnis... 507 Literaturverzeichnis... 509 Sachverzeichnis... 511