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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung
eines Elektromotors, vorzugsweise eines Spindelmotors, wie er beispielsweise
zum Antrieb von Festplattenlaufwerken oder auch Lüftern
eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Motoren
mit fluiddynamischen Lagersystemen sind aus dem Stand der Technik
in vielfältigen Bauformen bekannt. Insbesondere Antriebsmotoren für
Festplattenlaufwerke, optische Speicherlaufwerke aber auch Lüfter
müssen eine hohe Drehgeschwindigkeit bei großer
Präzision gewährleisten, zugleich aber eine geringere
Geräuschentwicklung aufweisen und zu geringen Kosten herstellbar
sein. Zur Drehlagerung dieser Art von Motoren haben sich in den
letzten Jahren fluiddynamische Lagersysteme als erste Wahl herausgestellt.
In vielen Fällen sind solche Konstruktionen von Motoren
mit fluiddynamischen Lagersystemen sehr kompliziert aufgebaut und
teuer in der Herstellung, wie beispielsweise ein Spindelmotor mit fluiddynamischem
Lager gemäß
US 7,015,611 B2 .
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Es
sind jedoch auch einfacher gebaute Lagersysteme für Kleinmotoren
bekannt, wie beispielsweise aus
US 7,025,505 B2 . Das hier gezeigte Lagersystem
ist zwar einfach und kostengünstig aufzubauen, eignet sich
jedoch aufgrund des verwendeten reibungsbehafteten Axiallagers nicht über
eine längere Zeitdauer für sehr hohe Drehzahlen
im Bereich von 10000 U/min und darüber, wie sie heutzutage
in entsprechenden Präzisionsmotoren gefordert werden.
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Die
US 7,008,112 B2 offenbart
ebenfalls ein einfach aufgebautes Lagersystem, bei dem anstelle eines
reibungsbehafteten Axiallagers ein fluiddynamisches Axiallager verwendet
wird, das eine mit der Welle verbundene Druckplatte und eine Lagerplatte als
Gegenlager umfasst. Die Welle ist in einer Sinterbuchse gelagert.
Die gesamte Lageranordnung ist von einem Gehäuse umgeben,
das als Tiefziehteil hergestellt ist. Ein Dichtungsspalt und Reservoir
ist zwischen der Welle und einer Abdeckung angeordnet. Wird das
Lager bei sehr hohen Drehzahlen betrieben, kann es aufgrund der
Fliehkraft, die auf das Lagerfluid wirkt, dazu kommen, dass Lagerfluid
aus dem Lager herausgedrückt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben,
das einfach und kostengünstig aufgebaut ist. Die Abdichtung
des Lagers und die Bevorratung von Lagerfluid sollen so ausgestaltet
sein, dass auch bei hohen Drehzahlen eine hohe Betriebssicherheit
des Lagers gegeben ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das
beschriebene Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors umfasst
eine weitgehend zylindrische Lagerbuchse mit einer zentralen Lagerbohrung,
eine in der Lagerbohrung unter Bildung eines mit einem Lagerfluid
gefüllten Lagerspaltes um eine Drehachse drehbar aufgenommene
Welle, eine an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte und
ein einseitig offenes, die Lagerbuchse und die Druckplatte umschließendes
Gehäuse. Das Lagersystem weist mindestens ein fluiddynamisches
Radiallager auf, das gebildet wird durch einander zugeordnete axial
verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse und der Welle.
Ferner ist mindestens ein fluiddynamisches Axiallager vorhanden,
das gebildet wird durch einander zugeordnete, radial verlaufende
Lagerflächen der Druckplatte und der Lagerbuchse und/oder
des Gehäuses. Erfindungsgemäß ist das
offene Ende des Gehäuses durch einen Dichtungsspalt abgedichtet,
der gebildet wird durch einen radial in Richtung der Welle gerichteten
Rand des Gehäuses, dessen Innendurchmesser im Bereich des
Dichtungsspaltes ein Minimum aufweist. Zwischen dem Gehäuse
und der Lagerbuchse ist ein teilweise mit Lagerfluid gefülltes
Fluidreservoir angeordnet, das mit dem Lagerspalt und dem Dichtungsspalt verbunden
ist, wobei sich das Fluidreservoir ausgehend vom Lagerspalt radial
nach außen erstreckt und im Querschnitt radial nach außen
erweitert.
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Das
vorgeschlagene fluiddynamische Lager besteht aus wenigen, einfach
maschinell zu bearbeitenden Bauteilen. Die Bauteile können
aus preiswerten Materialien hergestellt werden. Das Lagersystem ist
daher einfach und kostengünstig aufzubauen und im Betrieb
sehr robust und langlebig, da es über ein großes
Fluidreservoir verfügt, das in einem Hohlraum schocksicher
zwischen der Lagerbuchse und dem Gehäuse angeordnet ist.
Das Lagersystem eignet sich sehr gut für preiswerte Lüftermotoren,
aber auch zur Drehlagerung von Spindelmotoren bei sehr hohen Drehzahlen.
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Das
Lagersystem folgt prinzipiell dem sogenannten Single-Plate-Design,
das heißt ein Design mit Welle und Druckplatte. Aufgrund
des einfachen Aufbaus des erfindungsgemäßen Lagersystems
können weniger starke Toleranzvorgaben gestellt werden,
wobei größere Toleranzen des Lagerspaltes jedoch
eine größere Menge an Lagerfluid erfordert, die durch
das großzügig bemessene Fluidreservoir bereitgestellt
wird.
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Der
Dichtungsspalt dichtet den Lagerspalt und auch natürlich
auch das Fluidreservoir nach außen hin ab, wobei sich dessen
Querschnitt zum offenen Ende des Gehäuses hin aufweitet.
Der Dichtungsspalt ist als konische Kapillardichtung ausgebildet.
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Der
Querschnitt des Fluidreservoirs wird durch die Formgebung der Stirnseite
der Lagerbuchse und die Formgebung des Gehäuses bestimmt, welche
das Fluidreservoir begrenzen. Die der Öffnung des Gehäuses
also dem Fluidreservoir zugewandte Stirnseite der Lagerbuchse weist
hierzu einen Rand auf, der radial nach außen abgerundet
ist und in eine ebene Fläche übergeht. Das Gehäuse
ist im Bereich des Fluidreservoirs radial nach innen in Richtung
der Welle gebogen, so dass zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse
und dem nach innen gebogenen Rand des Gehäuses ein Spalt
verbleibt, dessen geringste Breite g2 größer ist
als die geringste Spaltbreite g1 des Dichtungsspaltes, aber kleiner als
300 μm. Die Spaltbreite des Dichtungsspaltes beträgt
mindestens 10 μm, wobei gilt:
g1 <= g2 <=
300 μm.
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Der
Dichtungsspalt geht in eine konische Kapillardichtung mit dem Öffnungswinkel α über.
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Vorzugsweise
verläuft das Fluidreservoir in einem variablen Winkel in
Bezug auf die Drehachse, beginnend bei anfangs etwa 90° im
Bereich der Welle bis hin zu 0° am radial äußeren
Ende des Fluidreservoirs. Die konvexe Oberfläche des Öls
im Fluidreservoir hat aufgrund ausgeglichener Druckverhältnisse denselben
Krümmungsradius, wie die Oberfläche des Öls
im Dichtungsspalt (Man geht von einer Kugeloberfläche aus,
da der Kontaktwinkel des Öls 0° beträgt).
Durch die größere Spaltbreite g2 des Fluidreservoirs
im Vergleich zur Spaltbreite g1 des Dichtungsspaltes und durch die
geeignete Wahl des Winkels α wird das Lagerfluid bei allen
Betriebsbedingungen sicher im Lagerspalt bzw. dem Fluidreservoir
gehalten, ohne dass es aus dem Dichtungsspalt austritt.
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Die
Druckplatte bildet zusammen mit der Lagerbuchse bzw. dem Boden des
Gehäuses vorzugsweise zwei Axiallager aus, wobei die jeweils
das Axiallager bildenden Lagerflächen der Druckplatte und der
Lagerbuchse bzw. der Druckplatte und des Gehäuses Lagerrillenstrukturen
aufweisen, die bei Drehung der Druckplatte eine Pumpwirkung auf
das Lagerfluid erzeugen, so dass sich ein hydrodynamischer Druck
im Lagerspalt aufbaut. Ebenso können die Lagerflächen
der Welle bzw. Lagerbuchse, die zusammen vorzugsweise zwei Radiallager
ausbilden, mit Lagerrillenstrukturen versehen sein. Die Lagerrillenstrukturen
der Radiallager und Axiallager können beispielsweise als
asymmetrische oder symmetrische fischgrätförmige
Lagerstrukturen ausgebildet sein, oder aber als spiralförmige
Strukturen, insbesondere die Axiallager. Die Radiallager können
jedoch auch als rillenlose Radiallager ausgebildet sein, wobei der
erforderliche Druck im Radiallagerspalt durch die Pumpwirkung der
Axiallager bereitgestellt wird. Die Radiallager können
aber auch als Segmentspurlager oder Mehrflächengleitlager
ausgebildet sein.
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Sind
die Radiallager als rillenlose Radiallager ausgebildet, wird deren
Herstellung sehr kostengünstig, da ein Einbringen von Lagerstrukturen
auf die Oberflächen entfällt. Damit entfallen
auch weitere kostenintensive Schritte wie Selektion von zueinander
passenden Paaren von Wellen und Lagerbuchsen und Probleme durch
ungleichmäßige, von der idealen zylindrischen
Form abweichenden Lagerbohrungen. Segmentspurlager oder Mehrflächengleitlager
in Form von radialsymmetrischen Keilflächen sind ebenfalls
vorteilhaft, insbesondere wenn die Lagerbuchse aus Sintermaterial
oder Kunststoff besteht. In diesem Fall können die entsprechenden Formgebungen
der Lagerflächen leicht realisiert werden.
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Vorzugsweise
besteht das Gehäuse aus einem einzigen tiefgezogenen Bauteil
aus Metall oder Kunststoff, das am Ende der Montage des Lagers am oberen
Rand umgebogen wird, so dass das Lager bis auf den Dichtungsspalt
verschlossen ist. Das Gehäuse kann jedoch auch aus mehreren
Gehäuseteilen bestehen, wobei ein Gehäuseteil
beispielsweise hohlzylindrisch ausgebildet ist und durch ein Bodenteil
verschlossen wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus
den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Vorteile
und Merkmale der Erfindung.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes
fluiddynamisches Lagersystem.
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2 zeigt
vergrößert den Dichtungsbereich des fluiddynamischen
Lagersystems
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Das
fluiddynamische Lagersystem umfasst ein Gehäuse 10,
das als einseitig geschlossenes und im Wesentlichen zylindrisch
ausgebildet ist. Das Gehäuse 10 nimmt die übrigen
Bauteile des Lagersystems auf und besteht vorzugsweise aus Metall
oder Kunststoff; es kann als Frästeil, bevorzugt jedoch
als Tiefziehteil oder Stanzteil ausgebildet sein. Eine zylindrische
Lagerbuchse 12 ist in das Gehäuse 10 eingepresst
oder eingeklebt. Die Lagerbuchse 12 kann beispielsweise
aus Metall, insbesondere aus Stahl, aus Kunststoff (wie z. B. Polyetheretherketon
PEEK oder Polyamide-imide, z. B. TORLON®)
oder Sintermaterial, beispielsweise Stahl-Sintermaterial, EAK3, etc.,
ausgebildet sein. Die Lagerbuchse 12 weist eine Lagerbohrung
auf, in welcher eine Welle 14 um eine Drehachse 38 drehbar
aufgenommen ist. An einem Ende umfasst die Welle 14 eine
Druckplatte 16, welche in einem Hohlraum zwischen der unteren
Stirnseite der Lagerbuchse 12 und dem geschlossenen Boden
des Gehäuses 10 aufgenommen ist. Die Welle 14 sowie
die damit vorzugsweise einteilig verbundene Druckplatte 16 bestehen
aus Metall vorzugsweise Stahl oder aus Kunststoff (wie z. B. aus
PEEK, Torton®). Die einander zugewandeten
Oberflächen der Welle 14, der Lagerbuchse 12,
der Druckplatte 16 und des Gehäuses 10 sind
durch einen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit
einem Lagerfluid, beispielsweise einem geeigneten Lageröl,
gefüllt ist. Das dargestellte Lagersystem kann als Miniaturlager ausgebildet
sein und beispielsweise eine Länge von 6 bis 20 Millimetern
aufweisen.
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Zur
Erzeugung eines hydrodynamischen Lagerdrucks im Lagerspalt 20 sind
entlang des axialen Abschnitts des Lagerspaltes 20 vorzugsweise
zwei Radiallager 32, 34 vorgesehen, die in einem
gegenseitigen axialen Abstand angeordnet sind. Die Radiallager 32, 34 werden
gebildet durch entsprechende ausgestaltete Lagerflächen
der Welle 14 und diesen gegenüberliegende Lagerflächen
der Lagerbuchse 12. Der Radiallagerspalt ist im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
etwa 2 bis 20 Mikrometer breit, vorzugsweise jedoch 10 Mikrometer.
Vorzugsweise sind die beiden Radiallager 32, 34 als
reine Gleitlager ausgebildet, also als rillenlose Radiallager. Sie
können aber auch feine Radiallagerstrukturen in Form von
fischgrätenförmigen Rillen aufweisen oder aber als
Mehrflächengleitlager in Form von radialsymmetrischen keilförmigen
Strukturen ausgebildet sein. Die Radiallager 32, 34 sind
durch einen Separatorspalt 24 axial voneinander getrennt,
welcher beispielsweise durch eine Ringnut oder einen Freistich in
der Welle 14 oder der Lagerbuchse 12 gebildet
ist. Der Separatorspalt 24 ist bis zu 100 Mikrometer, vorzugsweise 10
bis 40 Mikrometer, breit.
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Ferner
weist das Lager ein erstes Axiallager 26 auf, das durch
einander zugewandte Oberflächen der Druckplatte 16 und
der unteren, ringförmigen Stirnseite der Lagerbuchse 12 gebildet
wird. Das Axiallager 26 ist beispielsweise durch vorzugsweise fischgrätenförmige
Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf der Lagerfläche
der Druckplatte 16 bzw. der Lagerbuchse 12 aufgebracht
sind. Der die Axiallagerflächen trennende Abschnitt des
Lagerspaltes 20 hat im Falle des oben beschriebenen Miniaturlagers
beispielsweise eine Breite von weniger als 100 Mikrometern, vorzugsweise
10 bis 50 Mikrometer. Die Lagerstrukturen des Axiallagers 26 erzeugen
bei Drehung der Welle 14 bzw. der Druckplatte 16 eine Pumpwirkung
auf das Lagerfluid in Richtung der Drehachse 38.
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Zwischen
der Unterseite der Druckplatte 16 und dem Boden des Gehäuses 10,
also in einem weiteren radialen Abschnitt des Lagerspaltes 20 kann ein
zweites Axiallager 28 vorgesehen sein, das dem ersten Axiallager 26 entgegenwirkt.
Auch das zweite Axiallager 28 ist vorzugsweise durch spiralförmige, nach
innen pumpende oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen
gekennzeichnet, die sich auf der Oberfläche der Druckplatte 16,
oder aber auf der Bodenfläche des Gehäuses 10 befinden.
Das Axiallager 28 erzeugt vorzugsweise einen gleichmäßigen Druck,
d. h. keine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid. Die Spaltbreite
des Lagerspaltes 20 im Bereich des axialen Gegenlagers 28 beträgt
vorzugsweise weniger als 100 Mikrometer, vorzugsweise jedoch 10
bis 50 Mikrometer.
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Wie
in 2 deutlich zu sehen ist mündet das offene
Ende des Lagerspalts 20 im Bereich der Öffnung
des Gehäuses 10 in einen Dichtungsspalt 22,
der durch einander zugewandte Oberflächen des radial nach
innen in Richtung der Drehachse 38 gebogenen Randes 36 des
Gehäuses 10 und der Welle 14 begrenzt
wird. Der Dichtungsspalt 22 ist als sogenannte konische
Kapillardichtung ausgebildet, d. h. der Querschnitt des Dichtungsspalts 22 erweitert
sich in Richtung zur Öffnung des Gehäuses im Wesentlichen
konisch mit einem Öffnungswinkel α. Der Winkel α beträgt
vorzugsweise zwischen 5 und 25°. Der Dichtungsspalt hat
eine kleinste Breite g1 von mehr als 10 Mikrometer
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Es
ist ein Fluidreservoir 18 vorgesehen, das teilweise mit
Lagerfluid gefüllt ist und ein Vorratsvolumen für
das Lagerfluid sowie ein Ausgleichsvolumen zum Ausgleich von Lagertoleranzen,
einer Änderung der axialen Position der Welle (piston effect)
und Temperaturausdehnung des Lagerfluids ausbildet. Das Fluidreservoir 18 grenzt
an den Lagerspalt 20 und den Dichtungsspalt 22 und
ist mit diesen verbunden. Der Querschnitt des Fluidreservoirs 18 wird durch
die Formgebung des Gehäuses 10 und der Lagerbuchse 12 bestimmt,
wobei das Fluidreservoir 18 durch die Stirnseite der Lagerbuchse 12 und
die Innenseite des gebogenen Randes des Gehäuses 10 begrenzt
ist. Die Stirnseite der Lagerbuchse 12 ist nicht planeben,
sondern weist einen an die Welle 14 angrenzenden Rand 40 auf,
der radial nach Außen abgerundet ist und in einen im wesentlichen
ebenen Absatz übergeht, der sich bis zum äußeren
Rand der Lagerbuchse 12 erstreckt. Dadurch vergrößert
sich der Querschnitt des Fluidreservoirs 18 ausgehend von
der Welle 14 radial nach außen und weitet sich auf.
Das Fluidreservoir 18 ist ausgehend von der Welle 14 gekrümmt,
wobei eine gedachte Mittellinie des Fluidreservoirs 18 mit
der Drehachse 38 einen veränderlichen Winkel zwischen
90° und bis zu 0° ausbildet. Die geringste Breite
g2 des Dichtungsspalts 18 befindet sich angrenzend an die
Welle 14 und ist vorzugsweise deutlich größer
als die geringste Breite des Dichtungsspalts g1, insbesondere gilt: g1 <= g2 <= 300 Mikrometer.
Die Krümmungsradien R der Ölmenisken 42 und 44 im
Bereich der konischen Kapillardichtung 22 bzw. im Bereich
des Fluidreservoirs 18 sind gleich groß, wobei
der Kontaktwinkel zwischen Lagerfluid und Oberfläche stets
0° beträgt. Somit weicht das Lagerfluid bei Temperaturausdehnung
und Schockeinwirkung in das Fluidreservoir 18 und nicht
in den Dichtungsspalt 22 aus. Im Fluidreservoir 18 kann
eine große Menge an Lagerfluid sicher vor Schockeinwirkung
gelagert werden. Im Gehäuse 10 ist eine kleine
Bohrung 30 vorgesehen, die in das Fluidreservoir 18 mündet
und einen Druckausgleich im Fluidreservoir 18 ermöglicht.
Um die Innenseite der Bohrung 30 herum kann ein Barrierefilm
vorgesehen sein. Der Barrierefilm besteht aus einer ölabweisenden
Schicht, die eine Benetzung des Randes der Bohrung 30 und
ein Austreten von Lagerfluid aus der Bohrung verhindert.
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Zur
Montage des Lagersystems, wird zunächst die Einheit aus
Welle 14 und Druckplatte 16 in die Bohrung der
Lagerbuchse 12 eingeführt. Dann wird die Lagerbuchse 12 an
der vorgesehenen Position im Gehäuse 10 befestigt.
Zu diesem Zeitpunkt ist das Gehäuse ein reiner Hohlzylinder
mit geschlossenem Boden. Der Rand 36 am offenen Ende des
Gehäuses 10 wird erst später in seine
Endposition radial nach innen gebogen. Die Lagerbuchse 12 muss
so im Gehäuse 10 befestigt werden, dass die Druckplatte 16 ein
axiales Spiel hat und sich frei in dem Hohlraum zwischen Lagerbuchse 12 und
dem Boden des Gehäuses 10 bewegen kann. Dabei
sind die entsprechenden Spaltbreiten für die Axiallager 26, 28 einzuhalten,
also die axialen Toleranzen der Axiallager. Schließlich
wird der Dichtungsbereich und das Fluidreservoir 18 gebildet,
indem der obere Rand 36 des Gehäuses 10 verformt
und radial nach Innen in Richtung der Welle 14 gebogen
wird, beispielsweise mit einem entsprechenden Werkzeug. Der dadurch
entstehende Dichtungsspalt 22 muss die erforderliche Breite
g1 aufweisen; außerdem muss auch die Breite g2 des Fluidreservoirs 18 eingehalten
werden. Zum Schluss wird das Lagerfluid unter Vakuum oder durch ein
anderes bekanntes Verfahren in den Lagerspalt 20 und zum
Teil in den Dichtungsspalt 22 eingefüllt.
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Das
Gehäuse 10 ist in 1 einteilig
ausgebildet. Das Gehäuse kann aber auch zweiteilig, z.
B. mit einem separaten Bodenteil ausgebildet sein, wodurch sich
die Montage des Lagers entsprechend vereinfacht und die Montageschritte
in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können.
Beispielsweise kann in diesem Fall der Rand 36 des Gehäuses 10 vor
der Montage bereits fertig gebogen sein. Zum Schluss der Montage
wird das Bodenteil des Gehäuses dann beispielsweise mit
dem restlichen Gehäuse verklebt oder verschweißt.
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Das
Gehäuse kann alternativ aus zwei Gehäuseteilen
besteht. Ein unteres, etwa becherförmiges Gehäuseteil
verschließt einen unteren Bereich des Lagersystems, in
welchem sich die Druckplatte 16 befindet. Ein oberes Gehäuseteil,
das etwa zylinderförmig ausgebildet ist, bildet den oberen
Abschluss des Lagers und definiert zusammen mit der Stirnseite der
Lagerbuchse 12 das Fluidreservoir 18 und den Dichtungsspalt 22 in
gleicher Weise, wie es weiter oben beschrieben ist. Ein solches
zweiteiliges Gehäuse hat den Vorteil, dass die Gehäuseteile leichter
herzustellen und zu montieren sind als ein einteiliges Gehäuse.
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- 10
- Gehäuse
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16
- Druckplatte
- 18
- Fluidreservoir
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Dichtungsspalt
- 24
- Separatorspalt
- 26
- Axiallager
- 28
- Axiallager
- 30
- Öffnung
(Reservoir)
- 32
- Radiallager
- 34
- Radiallager
- 36
- Rand
(Gehäuse)
- 38
- Drehachse
- 40
- Rand
(Lagerbuchse)
- 42
- Meniskus
- 44
- Meniskus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7015611
B2 [0002]
- - US 7025505 B2 [0003]
- - US 7008112 B2 [0004]