DE102007007459B4

DE102007007459B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse

Info

Publication number: DE102007007459B4
Application number: DE200710007459
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer; Elmar Mattes
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: DE102007007459A1

Abstract

Verfahren zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse (10), unter Verwendung einer zugehörigen Welle (18; 118), mit den Schritten:
Einspannen der Buchse (10) in eine erste Haltevorrichtung (22),
Einspannen der Welle (18; 118) in eine zweite Haltevorrichtung (24),
Einführen der Welle (18; 118) in die Bohrung (16) der Buchse (10), wobei der Durchmesser der Welle geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung (16),
Einbringen eines fluiden Mediums mit einer definierten Viskosität in einen zwischen Buchse (10) und Welle (18; 118) verbleibenden Spalt (20),
Rotieren der Welle (18; 118) mit einer definierten Drehzahl relativ zur Buchse (10) derart, dass sich eine laminare Strömung des fluiden Mediums im Spalt einstellt,
Messen eines auf die Buchse (10) wirkenden Drehmoments,
Ermitteln eines den radialen Spalt (20) beschreibenden Wertes anhand des gemessenen Drehmoments.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse. Im speziellen betrifft die Erfindung die Vermessung eines fluiddynamischen Lagersystems, beispielsweise eines Lagersystems bestehend aus einer Lagerbuchse und einer in einer Bohrung der Lagerbuchse drehgelagerten Welle. Insbesondere dient die Erfindung zur Vermessung und Gruppierung von Lagerbuchsen-Wellen-Paaren.
Stand der Technik
Aufgrund von unvermeidlichen Toleranzen im Herstellungsprozess von Buchsen und Wellen, insbesondere von Lagerbauteilen wie Lagerbuchsen und Wellen, ist eine Gruppierung, das heißt eine Paarung von Lagerbuchsen und Wellen notwendig, um die geforderten Toleranzen, insbesondere die geforderten Breiten des Lagerspaltes einzuhalten. In der nachfolgenden Beschreibung werden die Begriffe Buchse und Lagerbuchse, Bohrung und Lagerbohrung, sowie Spalt und Lagerspalt synonym verwendet. Bei fluiddynamischen Lagersystemen, wie sie in Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, beträgt die Breite eines solchen Radiallagerspaltes beispielsweise 3 μm, wobei die Spaltbreite höchstens um +/–10%, das heißt +/–0,3 μm entsprechend 6σ variieren darf, damit das Lager unter den spezifizierten Betriebsbedingungen störungsfrei arbeitet.
Kontaktbehaftete Methoden zur Vermessung von Durchmessern von Bohrungen und Wellen, beispielsweise mittels eines mechanischen Messtasters, sind hinlänglich bekannt. Eine solche Messvorrichtung weist zum Beispiel eine dünne Nadel auf, an deren Ende in der Regel eine Saphirkugel als Abtastorgan positioniert ist. Diese Art der Messung ist zwar vergleichsweise genau mit Messgenauigkeiten im Mikrometer-Bereich, jedoch erstens langwierig und zweitens kann durch die berührende Messung die Oberfläche des zu messenden Bauteils beschädigt werden. Weiterhin müssen das Lager und das Messmittel in diesem Falle aufwändig zueinander positioniert werden und Positionierungs-Abweichungen führen zu Messfehlern, etwa indem der Innenumfang der Lagerbohrung nicht axial sondern entlang einer Spiralbahn gemessen wird.
Um ein Lagersystem und insbesondere den Innendurchmesser der Lagerbuchse eines fluiddynamischen Lagers (fluid dynamic bearing, FDB) bezüglich der Maßhaltigkeit der Bohrung zu messen, wird etwa gemäß der JP 06137997 A mittels einer in die Lagerbuchse (sleeve) eingeführten Messwelle („air gauge”) als Messnormal der Druckabfall des entstehenden Luftlagers gemessen. Als Messfluid wird Luft verwendet. Der Druckabfall als Messgröße ist dabei ein Maß für die Größe des Lagerspaltes.
Ein anderes berührungsloses Verfahren zur Vermessung einer Bohrung beschreiben die Druckschriften GB 1 544 967 und GB 1 573 682 . Hierbei wird ein zylindrischer Messkörper innerhalb der zu vermessenden Bohrung positioniert. Im Messkörper sind Mittel zum Einbringen von Druckluft in den Spalt zwischen dem Außendurchmesser des Messkörpers und der Oberfläche der Bohrung vorgesehen, so dass der Messkörper während des Messvorgangs innerhalb der Bohrung ausgerichtet und zentriert wird. Druckunterschiede im Spalt werden mittels Drucksensoren erfasst und daraus die radiale Zylindrizität berechnet. Die Druckunterschiede können durch pneumatisch, induktiv oder kapazitiv arbeitende Drucksensoren erfasst werden.
DE 103 01 429 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung des Lagerspalts eines hydrodynamischen Lagers. Hierbei durchströmt ein Messfluid den Lagerspalt und es werden ein oder mehrere, den Fluiddurchfluss durch den Lagerspalt charakterisierende Parameter bestimmt.
EP 1 452 829 A1 betrifft ein Messverfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Innendurchmessers einer Bohrung in unterschiedlichen Tiefen. In die Bohrung wird eine Kugel eingeführt und entlang der Bohrung bewegt. Gleichzeitig wird ein Fluid durch die Bohrung geleitet. Der sich in Abhängigkeit des Innendurchmessers der Bohrung einstellende Staudruck des Fluids wird gemessen und ausgewertet.
Ein wesentlicher Nachteil der oben beschriebenen Messmethoden ist, dass die bei fluiddynamischen Lagern notwendigen Lagerstrukturen, die für einen Druckaufbau im Lagerfluid notwendig sind, vor der Messung noch nicht in die zu vermessenden Oberflächen eingearbeitet sein dürfen.
Bei der Vermessung mittels Luftdruck oder Luftdruckunterstützung ist eine zuverlässige Messung nicht möglich, da der Druckabfall durch die rillenförmigen Lagerstrukturen beeinflusst wird. Daher können mit dieser Messmethode Fehler, die durch die sich anschließenden Prozess-Schritte zur Einbringung der Radiallagerstrukturen verursacht werden, nicht ermittelt werden.
Bei der kontaktbehafteten Messmethode können der Messtaster und die zu vermessenden Lagerstrukturen beschädigt werden.
Außerdem sind für die Vermessung von Bohrungen optische Sensoren bekannt, die beispielsweise nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Ein großer Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Bohrungswand reflektierend sein muss, um ein Messergebnis zu bekommen. Wie bei allen bekannten Messverfahren besteht auch hier das Problem, dass eine ungenaue Zentrierung des Sensorkörpers in der Bohrung zu Messfehlern führt.
US 6 240 770 B1 offenbart ein Viskosimeter mit einem rotierenden Zylinder, der in einen Behälter mit einem Fluid getaucht wird, dessen Viskosität gemessen werden soll. Das zum Drehen des Zylinders benötigte Drehmoment ist abhängig unter anderem von der Viskosität des Fluids, vom Spalt zwischen dem Zylinder und dem Behälter und der Temperatur des Fluids.
Gegenstand der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung einer Buchse, insbesondere der Lagerbuchse eines fluiddynamischen Lagers anzugeben, mit dem insbesondere eine hochgenaue Gruppierung von Lagerbuchsen-Wellen-Paaren durchgeführt werden kann. Ferner soll das Verfahren eine erste Funktionsprüfung des Lagersystems ermöglichen. Das Verfahren soll für einen Einsatz in einer Massenfertigung tauglich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Vermessung insbesondere eines fluiddynamischen Lagers, insbesondere eines aus einer Kombination von einer Lagerbuchse und einer zugehörigen Welle gebildeten fluiddynamischen Lagers. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Einspannen der Lagerbuchse in eine Haltevorrichtung, Einspannen der Welle in eine Haltevorrichtung, Einführen der Welle in eine Lagerbohrung der Lagerbuchse, wobei der Durchmesser der Bohrung geringfügig größer ist als der Durchmesser der Welle, Einbringen eines fluiden Mediums mit einer definierten Viskosität in einen zwischen Lagerbuchse und Welle verbleibenden Lagerspalt, Rotieren der Welle mit einer definierten Drehzahl relativ zur Lagerbuchse derart, dass sich ein fluiddynamischer Effekt im Lager einstellt, Messen eines auf die Lagerbuchse wirkenden Drehmoments, und Ermitteln eines die Abmessungen des Lagerspalts beschreibenden Wertes anhand des gemessenen Drehmoments.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein fluides Medium mit einer relativ hohen Viskosität verwendet. Vorzugsweise soll das fluide Medium eine Viskosität von größer als 0,1 Pa·s aufweisen. Beispielsweise kann als fluides Medium ein Mineralöl, Pflanzenöl oder synthetisch hergestelltes Öl verwendet werden. Derartige Öle haben Viskositäten von 0,08 Pa·s bis zu mehr als 1 Pa·s, gemessen bei Raumtemperatur: 20°C. Diese hohen Viskositäten stellen sicher, dass ein relativ hohes Drehmoment auf die Lagerbuchse übertragen wird, so dass eine ausreichende Messauflösung sichergestellt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die gesamte Anordnung aus Lagerbuchse und Welle während des Messvorgangs in einem Bad aus dem fluiden Medium angeordnet, so dass ständig eine ausreichende Menge des fluiden Mediums im Lagerspalt vorhanden ist. Alternativ können natürlich auch Maßnahmen vorgesehen sein, die eine ausreichende Menge des fluiden Mediums ausschließlich im Lagerspalt sicherstellen. Dies erfordert jedoch spezielle Zuführeinrichtungen, Dichtungsanordnungen und Vorratsbehälter für das fluide Medium.
Vorzugsweise werden für die Messung Lagerbuchsen-Wellen-Paare verwendet, die bereits fertig maschiniert und mit entsprechenden Lagerstrukturen zur Erzeugung eines fluiddynamischen Druckes innerhalb des Lagerspaltes versehen sind. Die Welle wird für die Messung in ihrer regulären Einbauposition in die Bohrung der Lagerbuchse eingeführt und die Messung in dieser Position vorgenommen. Daher liefert die Messung eine Aussage über die spätere Lagerfunktion. Alternativ kann auch eine spezielle Messwelle verwendet werden, bei der nur ein kleiner Teil als Lagerfläche ausgebildet ist, während der übrige Teil einen kleineren Durchmesser aufweist und lediglich als Träger der Lagerfläche dient. Mit einer solchen Messwelle können dann entsprechende Abschnitte der Lagerbohrung definiert vermessen werden, je nachdem an welcher Axialposition sich die Lagerflächen der Messwelle innerhalb der Lagerbuchse befinden. Dabei wird durch die axiale Ausdehnung der „Messfläche” der Messwelle die kleinste Messauflösung in axialer Richtung definiert. Mit einer solchen Messwelle wird es möglich, die Lagerstrukturen des fluiddynamischen Radiallagers einzeln zu vermessen und auf Funktionsfähigkeit zu prüfen.
Zusätzlich zum Drehmoment, das durch die Rotation der Welle über das fluide Medium auf die Lagerbuchse übertragen wird und an der Lagerbuchse gemessen wird, kann beispielsweise auch ein durch den fluiddynamischen Effekt erzeugter Druck im Lagerspalt gemessen werden. Hierzu ist eine entsprechende Druckmessvorrichtung vorgesehen. Die Druckmessung gibt auch Aufschluss über die Funktion der Lagerstrukturen. Alternativ oder zusätzlich kann ein durch den fluiddynamischen Effekt erzeugter Volumenstrom bzw. ein Fluss des fluiden Mediums gemessen werden. In der Regel erzeugt ein fluiddynamisches Radiallager eine definierte Strömung in axialer Richtung, deren Größe gemessen und ausgewertet werden kann. Auch aus dem gemessenen Strömungswert ergeben sich Rückschlüsse auf die fehlerfreie Funktion der Lagerstrukturen, insbesondere auch die Richtung der Strömung.
Da die Viskosität eines Mediums, insbesondere eines flüssigen Mediums, sehr stark von dessen Temperatur abhängt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Temperatur des fluiden Mediums während des Messvorgangs konstant zu halten. Dadurch bleibt auch die Viskosität des fluiden Mediums während des Messvorgangs konstant und dessen Wert kann als fester Wert in die Auswertung der Messergebnisse einfließen.
Alternativ kann auch bei jeder Vermessung eines Lagers die Temperatur des fluiden Mediums gemessen werden und der für die Berechnungen verwendete Wert der Viskosität entsprechend der gemessenen Temperatur korrigiert werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine entsprechende Vorrichtung zur Vermessung eines fluiddynamischen Lagers. Die Vorrichtung umfasst eine erste Haltevorrichtung zum Einspannen der Lagerbuchse sowie eine zweite Haltevorrichtung zum Einspannen der Welle. Diese Haltevorrichtungen können auf entgegengesetzten Seiten der Lagerbuchse oder auf derselben Seite angeordnet sein. Es ist eine Vorschubeinrichtung vorhanden, um die Welle in axialer Richtung relativ zur Lagerbuchse zu bewegen. Ferner sind Mittel zum Einbringen eines fluiden Mediums mit einer definierten Viskosität in den Lagerspalt zwischen Lagerbuchse und Welle vorgesehen. Durch eine Antriebsvorrichtung wird die Welle mit einer definierten Drehzahl relativ zur Lagerbuchse gedreht, so dass sich ein fluiddynamischer Effekt im Lager einstellt. Es sind verschiedene Messvorrichtungen vorgesehen, insbesondere eine Messvorrichtung zur Messung eines auf die Lagerbuchse wirkenden Drehmoments und zum Ermitteln eines die Abmessungen des Lagerspalts beschreibenden Wertes anhand des gemessenen Drehmoments. Das Drehmoment kann beispielsweise durch die Messung elektrischer Größen des Antriebsmotors, wie etwa dem Strom bei konstanter Drehzahl, ermittelt werden. Weiterhin kann der Drehmomentsensor mit der Lagerbuchse oder mit der Welle verbunden sein. Weitere Messvorrichtungen dienen zur Messung des im Lagerspalt aufgebauten Druckes bzw. der Volumenströmung des fluiden Mediums.
Die Vorrichtung kann auch eine spezielle Messwelle aufweisen, bei der nur ein kleiner Abschnitt als Lagerfläche ausgebildet ist. Da der Durchmesser der Messwelle sowie der Lagerwellen mit demselben Messmittel gemessen werden, da die Wellen eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit aufweisen und da keine absoluten Messwerte für die Wellen-Durchmesser benötigt werden, erhöht sich die Genauigkeit der beschriebenen Messmethode.
Ferner können Temperaturmessvorrichtungen für das fluide Medium bzw. eine Temperaturregelvorrichtung zur Regelung der Temperatur des fluiden Mediums auf einen konstanten Wert vorgesehen sein.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und die für die Messung relevanten Lagerkomponenten.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine spezielle Messwelle.
3 zeigt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des Messverfahrens und dessen Merkmale und Vorteile.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Aufbau der Messvorrichtung
1 zeigt den schematischen Aufbau der Messvorrichtung. Es soll eine Paarung einer Lagerbuchse 10 mit einer Welle 18 vermessen werden. Die zu vermessende Lagerbuchse 10 ist in einer Haltevorrichtung 22 gehalten. Die Lagerbuchse 10 umfasst in bekannter Weise eine Lagerbohrung 16 sowie auf der Innenfläche der Bohrung aufgebrachte Oberflächenstrukturen in Form von Lagerstrukturen 12 und 14, wie sie bei fluiddynamischen Lagersystemen bekannt sind.
Eine für die Messung verwendete Welle 18 ist in einer Haltevorrichtung 24 gehalten. Der Durchmesser der Welle 18 ist an den Durchmesser der Lagerbohrung 16 angepasst. In vorteilhafter Weise können Lagerbuchse 10 und Welle 18 vorselektiert werden, da sie bei der Herstellung ohnehin vermessen werden. Bei Einführen der Welle 18 in die Lagerbohrung 16 verbleibt ein radialer Lagerspalt 20 mit einem definierten Wert, der im Rahmen der Erfindung vermessen werden soll. Bei Lagersystemen, wie sie bei Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet werden, beträgt der Durchmesser der Welle wenige Millimeter und der Lagerspalt wenige Mikrometer.
Die Haltevorrichtung 24 für die Welle 18 umfasst eine Vorschubeinrichtung 26, mit der die Welle 18 in axialer Richtung, siehe Pfeilrichtung 34, relativ zur Lagerbuchse 10 beweglich ist. Ferner ist eine Antriebsvorrichtung 28 vorgesehen, mit welcher die Welle in Pfeilrichtung 36 in Rotation versetzt werden kann.
Vorzugsweise wird die Lagerbuchse 10 zusammen mit der Haltevorrichtung 22 vollständig in ein Bad mit einem fluiden Medium eingetaucht. Es kann sich auch die gesamte Messvorrichtung in einem Fluidbad befinden.
Ein bevorzugtes fluides Medium mit ausreichender Viskosität ist beispielsweise Mineralöl, Pflanzenöl oder aber synthetisch hergestelltes Öl. Vorzugsweise wird ein fluides Medium mit einer Viskosität von mindestens 0,1 Pa·s verwendet.
Im Bereich der Haltevorrichtung 22 für die Lagerbuchse 10 können mehrere Messvorrichtungen angeordnet sein, insbesondere eine Messvorrichtung 30 zur Messung eines auf die Lagerbuchse 10 wirkenden Drehmoments sowie eine Messvorrichtung 32 zur Messung des vom Lager erzeugten Drucks bzw. des Volumenstroms des fluiden Mediums innerhalb des Lagers.
Funktionsweise der Messvorrichtung
Zunächst werden die Lagerbuchse 10 und die Welle 18 in ihre entsprechenden Haltevorrichtungen 22 bzw. 24 eingespannt. Die Lagerbuchse 10 mit Messvorrichtung 22 oder aber die gesamte Anordnung wird in ein Bad mit einem flüssigen Medium mit hoher Viskosität eingetaucht. Hier kann es sich z. B. um Kfz-Motoröl handeln.
Für die Messung wird nun die Welle 18 mittels der Vorschubeinrichtung 26 in Pfeilrichtung 34 ganz oder teilweise in die Bohrung 16 der Lagerbuchse 10 eingeführt. Mittels der Antriebseinrichtung 28 wird die Welle nun in Rotation versetzt, und beispielsweise auf eine Drehzahl von 600 Umdrehungen pro Minute gebracht. Durch die Rotation der Welle 18 der Lagerbohrung 16 wird durch die Oberflächenstrukturen 12 und 14 der Lagerbuchse 10 innerhalb des Lagerspaltes 20 ein fluiddynamischer Druck erzeugt, das heißt es tritt eine Pumpwirkung auf das fluide Medium auf. Durch den fluiddynamischen Druck zentriert sich die Welle 18 selbständig innerhalb der Lagerbohrung 18 und rotiert berührungsfrei innerhalb der Lagerbohrung 16. Durch die Rotation wird eine Reibungskraft zwischen dem fluiden Medium und den Oberflächen der Welle 18 und der Lagerbuchse 16 erzeugt. Die Reibungskraft übt ein bestimmtes Drehmoment auf die Lagerbuchse 10 aus, das abhängig ist von der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 18, der Viskosität und Temperatur des fluiden Mediums, der geometrischen Struktur und Anordnung der Lagerstrukturen 12 und 14 sowie der Breite des Lagerspaltes 20. Mittels einer Messvorrichtung 30 wird nun das auf die Lagerbuchse 10 wirkende Drehmoment gemessen. Da die Parameter Rotationsgeschwindigkeit der Welle, Viskosität und Temperatur des fluiden Mediums, Geometrie der Lagerstrukturen 12, 14 bekannt sind, kann aus dem Drehmoment die Breite des Lagerspaltes 20 abgeleitet werden. Je größer der Lagerspalt 20 ist, desto geringer ist das auf die Lagerbuchse 10 wirkende Drehmoment, je kleiner der Lagerspalt ist, desto größer ist das auf die Lagerbuchse 10 wirkende Drehmoment. Bei fluiddynamischen Lagern, wie sie für Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet werden, beträgt der Durchmesser der Welle wenige Millimeter. Bei einer Drehzahl f von 3000 U/min, einer Viskosität η des fluiden Mediums von 0,1 Pa·s und einem durchschnittlichen Lagerspalt von c = 3 Mikrometern, einer Buchsenlänge L von 2 mm und einem Wellenradius r von 2 mm beträgt das zu erwartende Drehmoment M = 1,05·10^–3 N/m.
Das Drehmoment M zwischen einer feststehenden zylindrischen Buchse (ohne Lagerrillen) und einer rotierenden zylindrischen konzentrisch angeordneten Welle beträgt:
mit Viskosität η, Drehzahl f, Buchsenlänge L, Wellenradius r und radialem Lagerspalt c.
Mit einer Rillentiefe h und entsprechenden Flächen A_Land und A_Groove gilt:
Erfindungsgemäß kann nun der effektive Durchmesser der Lagerbohrung 16 bzw. der Wert des radialen Lagerspaltes 20 aus dem gemessenen Drehmoment ermittelt werden. Dieser Drehmoment-Wert kann dann für eine geeignete Auswahl von Lagerbuchse-Welle-Paaren verwendet werden, derart, dass die Paare so gewählt werden, dass das Drehmoment und damit der Wert des Lagerspalts 20 innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen. Die Relation zwischen dem gemessenen Drehmoment und dem Lagerspalt 20 muss zuvor durch geeignete Referenzmessungen bzw. durch Simulationen ermittelt werden. Diese Referenzwerte können beispielsweise in einer Tabelle gespeichert sein, in welcher die Werte für den Lagerspalt einfach ausgelesen werden können.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass das Verfahren an fertig bearbeiteten Lagerkomponenten durchgeführt werden kann, insbesondere auch Lagerkomponenten mit bereits eingebrachten Lagerstrukturen. Dies war bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen möglich. Weiterhin können auch sogenannte Mehrflächengleitlager mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgemessen werden, bei denen die eingangs erwähnte „air gauge” Methode nicht anwendbar ist.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass zusätzlich zum Drehmoment, also zum Wert des radialen Lagerspalts 20, auch andere Parameter des Lagers vermessen werden können.
Zum einen kann die Haltevorrichtung 22 eine Messanordnung 32 zur Messung des Druckes im fluiden Medium während des Betriebs des Lagers also während der Drehung der Welle 18 aufweisen. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf die korrekte Funktion des Lagers, die in erster Linie von der Genauigkeit der eingebrachten Lagerstrukturen abhängt. Anhand des gemessenen Druckes im fluiden Medium kann festgestellt werden, ob das Lager die vorgegebenen Spezifikationen einhält, noch bevor es endgültig zusammengebaut wird.
Weiterhin kann die Fluss bzw. der Volumenstrom des fluiden Mediums innerhalb des Lagers gemessen werden. Dies wird durch eine Messanordnung 32 ermöglicht. Der Volumenstrom des Fluids gibt ebenfalls Auskunft über die Beschaffenheit und Pumpwirkung der Lagerstrukturen. Insbesondere auch die Flussrichtung ergibt eine Aussage über die Funktionalität des Lagers.
2 zeigt eine spezielle Messwelle 118, die derart ausgestaltet ist, dass sie nur schmale Lagerflächen bzw. Testflächen 118a aufweist. Diese Messwelle kann für spezielle Messungen an der Lagerbuche 10 verwendet werden. Mit dieser Messwelle 118 kann der Innendurchmesser der Lagerbohrung 16 an verschiedenen Stellen vermessen werden, indem die Welle 118 in Pfeilrichtung 34 in der Lagerbohrung 16 fortbewegt wird und an verschiedenen Stellen Drehmomentmessungen durchgeführt werden. Anhand der Messwerte des Drehmoments an verschiedenen Stellen der Lagerbohrung 16 der Lagerbuchse 10 lässt sich jeweils der Wert für den radialen Lagerspalt an diesen Stellen feststellen und somit die Zylindrizität der Lagerbohrung ableiten. Die axiale Ausdehnung der Testflächen 118a definiert dabei die kleinstmögliche axiale Auflösung bei den Messungen.
Ferner lassen sich durch die speziellen Messflächen 118a die Lagerstrukturen 12 und 14 einzeln testen, also insbesondere die fluiddynamischen Druck- und Strömungsverhältnisse im fluiden Medium einzeln bewerten.
In 3 wird das Wesen der Erfindung anhand eines Ablaufdiagramms vereinfacht dargestellt.
Zunächst erfolgt in einem Schritt 100 die Fertigung der Lagerbauteile als Massenware.
In einem nächsten Schritt 102 erfolgt anhand von herkömmlichen physikalischen Messmethoden eine Vorgruppierung der Lagerbauteile also eine Vorselektion von Lagerbuchsen-Wellen-Paaren.
In einem Schritt 104 werden dann die fluiddynamischen Oberflächenstrukturen auf eine oder beide Lagerflächen der Lagerbohrung 16 und/oder der Welle 18 aufgebracht, vorzugsweise auf die Oberfläche der Lagerbohrung 16.
In einem Schritt 106 erfolgt nun die erfindungsgemäße Vermessung der Dimensionen und Funktionen der Lagerbauteile anhand des im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Verfahrens.
Hierbei erfolgt in einem Schritt 108 wahlweise eine Funktionsprüfung des Lagers vor der Montage und ein genaues Gruppieren von Lagerbuchse und Welle in Bezug auf die Lagerspaltbreite bzw. Lagerfunktion.
Diese Vermessung ermöglicht eine direkte Rückmeldung an die Fertigung bezüglich der Toleranzen der Lagerbauteile. Dies betrifft erstmals auch die elektrochemische (ECM) Fertigung der Lagerstrukturen.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet zerstörungsfrei weil kontaktlos. Es ist auch keine Beeinträchtigung durch Oberflächenrauhigkeiten der Lagerflächen gegeben, da derartige Oberflächeneigenschaften durch die Art des Messverfahrens gemittelt werden. Das Messverfahren ist schnell, zuverlässig und ausfallsicher. Ferner ist es kostengünstig und für eine Durchführung im Reinraum geeignet.
Optional kann eine 3D-Vermessung der Lageroberfläche der Lagerbuchse vorgenommen werden, insbesondere mit Hilfe der speziellen Messwelle 118.
In einem Schritt 110 kann nun anhand der durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelten Messwerte eine endgültige Gruppierung von Lagerbuchse 10 und Welle 18 erfolgen. Das heißt zu einer bestimmten Lagerbuchse 10 wird eine Welle 18 selektiert, die zusammen mit dieser Lagerbuchse 10 eine Funktion des fluiddynamischen Lagers in einem vorgegebenen Toleranzbereich sicherstellt.

10: Lagerbuchse
12: Lagerstruktur
14: Lagerstruktur
16: Lagerbohrung
18: Welle
20: Lagerspalt
22: Haltevorrichtung (Lagerbuchse)
24: Haltevorrichtung (Welle)
26: Vorschubeinrichtung
28: Antriebsvorrichtung
30: Messvorrichtung (Drehmoment)
32: Messvorrichtung (Druck, Strömung)
34: Pfeilrichtung (Vorschub)
36: Pfeilrichtung (Rotation)
118: Welle
118a: Lagerfläche
100–110: Ablaufschritte des Verfahrens

Claims

Verfahren zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse (10), unter Verwendung einer zugehörigen Welle (18; 118), mit den Schritten: Einspannen der Buchse (10) in eine erste Haltevorrichtung (22), Einspannen der Welle (18; 118) in eine zweite Haltevorrichtung (24), Einführen der Welle (18; 118) in die Bohrung (16) der Buchse (10), wobei der Durchmesser der Welle geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung (16), Einbringen eines fluiden Mediums mit einer definierten Viskosität in einen zwischen Buchse (10) und Welle (18; 118) verbleibenden Spalt (20), Rotieren der Welle (18; 118) mit einer definierten Drehzahl relativ zur Buchse (10) derart, dass sich eine laminare Strömung des fluiden Mediums im Spalt einstellt, Messen eines auf die Buchse (10) wirkenden Drehmoments, Ermitteln eines den radialen Spalt (20) beschreibenden Wertes anhand des gemessenen Drehmoments.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluiddynamisches Lager mit einer Lagerbuchse gebildet aus der Buchse (10) und der in der Bohrung angeordneten Welle (18; 118) vermessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (10) und/oder die Welle (18; 118) mit Lagerflächen (12, 14; 118a) versehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als fluides Medium ein Fluid mit einer Viskosität von größer als 0,01 Pa·s verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als fluides Medium Wasser, ein Mineralöl, Pflanzenöl oder synthetisch hergestelltes Öl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus Buchse (10) und Welle (18; 118) in ein Bad aus dem fluiden Medium eingetaucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (18; 118) und die Buchse (10) relativ zueinander in axialer Richtung positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) Abschnittsweise in axialer Richtung (34) vermessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine spezielle Messwelle (118) verwendet wird, bei der nur ein kleiner Abschnitt als Lagerfläche (118a) ausgebildet ist, während die übrigen Abschnitte einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Lagerfläche (118a).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den fluiddynamischen Effekt im Spalt (20) erzeugter Druck gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den fluiddynamischen Effekt erzeugte Volumenstrom und die Strömungsrichtung des fluiden Mediums gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des fluiden Mediums während des Messvorgangs konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des fluiden Mediums während des Messvorgangs gemessen wird, und der Wert der Viskosität des fluiden Mediums anhand der gemessenen Temperatur korrigiert wird.
Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse unter Verwendung einer zugehörigen Welle (18; 118), gekennzeichnet durch: eine erste Haltevorrichtung (22) zum Einspannen der Buchse (10), eine zweite Haltevorrichtung (24) zum Einspannen der Welle (18; 118), eine Vorschubeinrichtung (26) zum Einführen der Welle (18; 118) in die Bohrung (16) der Buchse (10), wobei der Durchmesser der Welle (18; 118) geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung (16), Mittel zum Einbringen eines fluiden Mediums mit einer definierten Viskosität in einen zwischen Buchse (10) und Welle (18; 118) verbleibenden Spalt (20), eine Antriebsvorrichtung (28) zum Rotieren der Welle (18; 118) mit einer definierten Drehzahl relativ zur Buchse (10) derart, dass sich eine laminare Strömung des fluiden Mediums im Spalt einstellt, eine Messvorrichtung zur Messung eines auf die Buchse (10) wirkenden Drehmoments und zum Ermitteln eines den radialen Spalt (20) beschreibenden Wertes anhand des gemessenen Drehmoments.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (10) eine Lagerbuchse und die Welle (18; 118) eine zugehörende Welle eines fluiddynamischen Lagers ist, wobei der Spalt (20) ein Lagerspalt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (10) und/oder die Welle (18; 118) mit Lagerflächen (118a) versehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete fluide Medium eine Viskosität von größer als 0,01 Pa s hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium Wasser, ein Mineralöl, Pflanzenöl oder synthetisch hergestelltes Öl ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus Buchse (10) und Welle (18; 118) in einem Bad aus dem fluide Medium angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein kleiner Abschnitt (118a) der Welle (118) als Lagerfläche ausgebildet ist, während die übrigen Abschnitte einen kleineren Durchmesser aufweist als die Lagerfläche.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (32) zur Messung eines durch den fluiddynamischen Effekt erzeugten Drucks im Spalt (20) und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturregelvorrichtung zur Regelung der Temperatur des fluiden Mediums auf einen konstanten Wert vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturmessvorrichtung zur Messung der Temperatur des fluiden Mediums während des Messvorgangs vorgesehen ist, wobei aus der gemessenen Temperatur eine Korrekturwert für den Wert der Viskosität des fluiden Mediums ermittelt wird.