DE102009030667A1

DE102009030667A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse oder einer Welle in einer Buchse

Info

Publication number: DE102009030667A1
Application number: DE102009030667A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer; Martin Arnold; Elmar Mattes; Thomas Grüner; Lars Gehrke
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse unter Verwendung einer zugehörigen Welle, wobei der Durchmesser der Welle geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung in der Buchse. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. In einem ersten Schritt wird die Buchse um eine Achse konzentrisch zur Bohrung drehgelagert. Dann wird die Welle relativ zur Bohrung in der Buchse positioniert derart, dass zwischen der Welle und der Buchse ein erster zu vermessender Fluidspalt gebildet wird. Dann wird eine feststehende Bremsbuchse derart angeordnet, dass sie die zu vermessende Buchse unter Bildung eines zweiten Fluidspalts mit bekannter Abmessung konzentrisch umgibt. Danach wird ein fluides Medium in den ersten und den zweiten Fluidspalt eingebracht. Nun wird die Welle drehend angetrieben mit einer vorgegebenen Drehzahl, worauf das Drehmoment über das fluide Medium im ersten Fluidspalt auf die drehgelagerte Buchse übertragen wird, die dann ebenfalls in Drehung versetzt wird. Im letzten Schritt werden die Drehzahlen der Buchse und der Welle gemessen und ein die Abmessungen des ersten Fluidspalts beschreibender Wert aus dem Verhältnis der gemessenen Drehzahlen von Buchse und Welle ermittelt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse bzw. einer Welle 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 geforderte Breite 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 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, beträgt die Breite eines solchen Radiallagerspaltes zwischen dem Außendurchmesser der Welle und dem Innendurchmesser der Buchsenbohrung beispielsweise 2,2 μm. Die Spaltbreite darf höchstens um +/–15%, das heißt +/–0,3 μm variieren, 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 ein Hartmetalltaster als Abtastorgan positioniert ist. Diese Art der Messung ist zwar vergleichsweise genau mit Messgenauigkeiten im Mikrometer-Bereich, erfordert jedoch bedingt durch die Oberflächenrauhigkeit jedoch eine langwierige Mittelung der Ergebnisse und kann außerdem durch die berührende Messung die Oberfläche des zu messenden Bauteils beschädigen. 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.
Außerdem sind für die Vermessung von Bohrungen optische Sensoren bekannt, die beispielsweise nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Diese sind durch die benötigte Mittelung der Ergebnisse sehr zeitaufwändig. Ein großer Nachteil dieser Verfahren ist außerdem, 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.
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. Diese Verfahren sind relativ ungenau.
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.
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. Die Kugel hat einen etwas geringeren Durchmesser als die Bohrung und wird entlang der Bohrung bewegt. Gleichzeitig wird ein Fluid durch die Bohrung bzw. den verbleibenden Spalt zwischen Kugel und Bohrungswandung geleitet. Der sich in Abhängigkeit des Innendurchmessers der Bohrung einstellende Staudruck des Fluids wird gemessen und ausgewertet.
Bei der Vermessung einer Lagerbohrung eins FDBs mittels Luftdruck oder Luftdruckunterstützung ist eine zuverlässige Messung der fertigen Lagerbuchse, nach dem Einbringen der Lagerstrukturen nicht möglich, da der Druckabfall durch die rillenförmigen Lagerstrukturen beeinflusst würde. Daher können mit dieser Messmethode Fehler, die durch die sich anschließenden Prozess-Schritte zur Einbringung der Radiallagerstrukturen verursacht werden, nicht ermittelt werden.
DE 10 2007 007 459 B1 offenbart ein Verfahren zur Vermessung von Fluidlagern, bei dem eine Messwelle in eine Lagerbohrung der Lagerbuchse, eingebracht wird, wobei der Durchmesser der Bohrung geringfügig größer ist als der Durchmesser der Welle. Dann wird ein Messfluid mit einer definierten Viskosität in einen zwischen Lagerbuchse und Welle verbleibenden Spalt, eingebracht. Die Welle wird mit einer definierten Drehzahl relativ zur Lagerbuchse in Rotation versetzt derart, dass sich ein fluiddynamischer Effekt im Lager einstellt. Dann wird das Drehmoment gemessen, das von der Welle über das Lagerfluid auf die Lagerbuchse übertragen wird. Daraus kann man dann die Abmessungen des Spalts bestimmen. Um die Abmessungen des Spaltes mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmen zu können, müssen hochgenaue Sensoren zu Messung des Drehmoments verwendet werden.
Der größte Nachteil bei der Verwendung eines Messfluids ist allerdings, dass das Fluid zur Erzielung von genauen und vor allem vergleichbaren Ergebnissen eine definierte und gleichbleibende Viskosität aufweisen muss. Daher muss die Messung unter konstanten Umweltbedingungen, wie konstanter Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit, vorgenommen werden, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
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, unter Verwendung eines fluiden Mediums anzugeben, das unabhängig von den Eigenschaften des Fluids eine hochgenaue Vermessung und Gruppierung von Lagerbuchsen-Wellen-Paaren erlaubt. 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.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse unter Verwendung einer zugehörigen Welle, wobei der Durchmesser der Welle geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung in der Buchse. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. In einem ersten Schritt wird die Buchse um eine Achse konzentrisch zur Bohrung drehgelagert. Dann wird die Welle relativ zur Bohrung in der Buchse derart positioniert, dass zwischen der Welle und der Buchse ein erster zu vermessender Fluidspalt gebildet wird. Dann wird eine feststehende Bremsbuchse derart angeordnet, dass sie die zu vermessende Buchse unter Bildung eines zweiten Fluidspalts mit bekannten Abmessungen konzentrisch umgibt. Danach wird ein fluides Medium in den ersten und den zweiten Fluidspalt eingebracht. Nun wird die Welle drehend angetrieben mit einer vorgegebenen Drehzahl, worauf das Drehmoment über das fluide Medium auf die drehgelagerte Buchse übertragen wird, die dann ebenfalls in Drehung versetzt wird. Im letzten Schritt werden die Drehzahlen der Buchse und der Welle gemessen und über eine geeignete Kalibration ein die Abmessungen des ersten Fluidspalts beschreibender Wert aus dem Verhältnis der gemessenen Drehzahlen von Buchse und Welle und den bekannten Abmessungen des zweiten Fluidspalts ermittelt. Die Breite des zweiten Fluidspalts kann konstant sein oder über die Länge der Buchse variieren.
Erfindungsgemäß wird also das Drehmoment zwischen der Welle und der Buchse ausgenutzt, um die Abmessung des ersten Fluidspalts im Bereich der Lagerflächen zu bestimmten. Das von der Welle auf die Buchse übertragene Drehmoment hängt sehr stark von den Abmessungen des Fluidspalts zwischen Welle und Buchse ab. Es ist sehr schwierig, das Drehmoment direkt zu messen, da hierfür ein sehr genauer Drehmomentsensor verwendet werden muss. Solche Sensoren sind zwar bekannt, sind aber meist ungeeignet, da sie durch Verkantung sehr schnell zerstört werden. Außerdem muss während der Messung die Viskosität und somit auch die Temperatur des fluiden Mediums bekannt sein und möglichst konstant gehalten werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird kein Drehmomentsensor benötigt und auch die Temperatur und Viskosität des fluiden Mediums ist nicht verfahrenswesentlich. Gemäß der Erfindung wird durch die rotierende Welle und die Kraftübertragung über das im ersten Fluidspalt befindliche fluide Medium die drehbar gelagerte Buchse angetrieben. Das Fluid im ersten Fluidspalt überträgt das Drehmoment von der Welle auf die Buchse. Die Buchse ist komplett von dem fluiden Medium umgeben, so dass ein Teil des Drehmoments von der Buchse auf das die Buchse umgebende fluide Medium übertragen wird, was die von der Buchse erreichte Drehzahl leicht verringert. Wird die Buchse nicht gebremst, so nähert sich ihre Drehzahl der Drehzahl der Welle an. Daher wird erfindungsgemäß eine zweite, in der Regel feststehende Bremsbuchse um die zu vermessende Buchse angeordnet. Diese Bremsbuchse wirkt, wie der Name schon sagt, als Bremse. Zwischen der zu vermessenden Buchse und der Bremsbuchse verbleibt ein zweiter Fluidspalt, dessen Abmessungen wesentlich größer sind, als die Abmessungen des zu bestimmenden ersten Fluidspalts. Beispielsweise hat der erste Fluidspalt eine Breite von 1 Mikrometer bis 6 Mikrometer, wogegen der zweite Fluidspalt um eine bis zwei Größenordnungen größer ist, also etwa 30 Mikrometer bis 500 Mikrometer breit ist. Die Breite des zweiten Fluidspalts kann leicht angepasst werden, so dass man ein optimales Verhältnis zwischen Drehzahl der Welle und Drehzahl der zu vermessenden Buchse erhält. Dieses Verhältnis beträgt erfahrungsgemäß 20% bis 80%.
Die zu vermessende Buchse ist axial vorzugsweise mittels eines statischen Fluidlagers drehbar gelagert. Zum Antrieb der Welle kann beispielsweise ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem vorgesehen werden, wobei die Welle mindestens so lang ist, wie die Länge der Buchse, um eine optimale Kraftübertragung zwischen Welle und Buchse sicherzustellen. Abhängig von der Form der Lagerbuchse kann der zweite Fluidspalt eine variierende Breite aufweisen, dies hat jedoch keinen Einfluss auf das grundlegende Prinzip der Erfindung.
Da in beiden Fluidspalten dasselbe fluide Medium benutzt wird und man aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der Lagerbuchse davon ausgehen kann, dass die Temperatur des fluiden Mediums in beiden Fluidspalten gleich groß ist, geht die Viskosität und Temperatur des Fluids nicht in den Messvorgang ein. Das ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, wo die Temperatur und damit die Viskosität des fluiden Mediums konstant gehalten werden musste. Ferner wirken sich die Parameter des Antriebsmotors für die Welle ebenfalls nicht auf den Messvorgang aus, da zur Bestimmung der Abmessung des ersten Fluidspalts lediglich das Verhältnis der Drehzahlen der Welle und der Buchse sowie die Abmessungen des zweiten Fluidspalts eine Rolle spielen. Die Drehzahlen werden gleichzeitig gemessen und ausgewertet.
Für einfache Geometrien mit konstanter Breite des zweiten Fluidspalts kann die Abmessung des ersten Fluidspalts berechnet werden. Für komplizierter aufgebaute Lagerbuchsen wird die Abmessung des ersten Fluidspalts vorzugsweise über eine geeignete Kalibration bestimmt.
Als fluides Medium können Flüssigkeiten als auch Gase verwendet werden. Erfindungsgemäß sind demnach zwei Ausgestaltungen vorgesehen, eine auf Basis eines flüssigen Mediums und die andere auf Basis eines gasförmigen Mediums. Die Drehzahl der Welle kann beispielsweise von der Antriebselektronik abgeleitet werden. Die Drehzahl der Buchse kann durch optische Sensoren berührungslos ermittelt werden. Da nur das Verhältnis der Drehzahl der Welle und der Buchse von Belang ist, kann die Auswertelektronik so ausgebildet sein, dass sie nur dieses Drehzahlverhältnis ausgibt. Nachdem die Welle in Drehzahl versetzt wurde, muss eine bestimmte Zeit gewartet werden, bis die Buchse ihre endgültige Drehzahl erreicht hat. Um diese Wartezeit zu verkürzen, kann die Welle zunächst bei Überdrehzahl betrieben werden, so dass die Buchse schneller auf Drehzahl gebracht wird, wonach die Überdrehzahl wieder auf den eigentlichen Drehzahlwert zurückgestuft wird, sobald die Drehzahl der Buchse in den Bereich der erwarteten Drehzahl kommt.
Alternativ kann die Lagerbuchse auch auf einem Drehteller angebracht sein, der mit einem magnetischen Drehzahlencoder ausgestattet ist.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Vermessung und Gruppierung von Lagerbuchsen-Wellen-Paaren, wie sie in Fluidlagern vorgesehen sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die gesamte Anordnung aus Buchse, Welle und Bremsbuchse während des Messvorgangs in einem Bad aus dem fluiden Medium angeordnet, so dass ständig eine ausreichende Menge des fluiden Mediums in den Fluidspalten vorhanden ist. Alternativ können natürlich auch Maßnahmen vorgesehen sein, die eine ausreichende Menge des fluiden Mediums ausschließlich in den Fluidspalten sicherstellen. Dies erfordert jedoch spezielle Zuführeinrichtungen und/oder Vorratsbehälter für das fluide Medium.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine entsprechende Vorrichtung zur Vermessung eines fluiddynamischen Lagers.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung und die für die Messung relevanten Komponenten gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung und die für die Messung relevanten Komponenten gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
3a zeigt eine vereinfachte Simulation des Verhältnisses der zu erwartenden Drehzahlen von Buchse und Welle in Abhängigkeit der Abmessung des zweiten Lagerspalts für verschiedene Breiten des ersten Lagerspalts.
3b zeigt eine vereinfachte Simulation des Verhältnisses der zu erwartenden Drehzahlen von Buchse und Welle in Abhängigkeit der Abmessung des ersten Lagerspalts für verschiedene Breiten des zweiten Lagerspalts.
4 zeigt beispielhaft Messergebnisse des Drehzahlverhältnisses, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurden.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt eine erste Ausgestaltung einer Anordnung und Messvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dieser Vorrichtung kann eine Paarung einer Buchse 18, vorzugsweise einer Lagerbuchse eines fluiddynamischen Lagersystems, mit einer Welle 10 vermessen werden. Die zu vermessende Lagerbuchse 18 weist eine axiale Bohrung 19 auf und ist konzentrisch zur Achse 34 dieser axialen Bohrung 19 mittels eines axialen statischen Fluidlagers 24 drehbar gelagert. Die für die Messung verwendete Welle 10 wird durch einen Antriebsmotor 12 angetrieben und wird konzentrisch zur Bohrung der Buchse 18 ausgerichtet und in diese Bohrung eingeführt. Der Durchmesser der Welle 10 ist an den Durchmesser der Bohrung 19 angepasst. In vorteilhafter Weise können die Buchse 18 und die Welle 10 vorselektiert werden, da sie bei der Herstellung ohnehin vermessen werden. Wenn die Welle 10 in die Bohrung 19 der Buchse 18 eingeführt wird, verbleibt zwischen Welle und Buchse ein erster Fluidspalt 16 mit einem definierten Wert, der im Rahmen der Erfindung vermessen werden soll. Bei fluiddynamischen Lagersystemen beträgt dieser Fluidspalt zwischen Welle 10 und Buchse 18 beispielsweise wenige Mikrometer.
Konzentrisch zur Buchse 18 ist eine feststehende Bremsbuchse 22 angeordnet, deren Innendurchmesser deutlich größer ist als der Außendurchmesser der Buchse 18. Zwischen der Buchse 18 und der Bremsbuchse 22 wird daher ein zweiter Fluidspalt 20 gebildet, der beispielsweise eine Abmessung von 30 bis 500 Mikrometern aufweist und damit ein bis zwei Größenordnungen größer ist als der erste Fluidspalt 16. Die Bremsbuchse 22 ist nach unten vollständig abgedichtet und mit einer Zuführeinrichtung 32 für ein fluides Medium 36, hier vorzugsweise Wasser oder Öl, verbunden. Die Bremsbuchse 22 wird vollständig mit dem fluiden Medium 36 gefüllt, so dass die Buchse 18 sowie die Welle 10 vollständig in einem Bad mit dem fluiden Medium eingetaucht sind. Das fluide Medium befindet sich also im ersten Fluidspalt 16 sowie im zweiten Fluidspalt 20, wobei die beiden Fluidspalte miteinander in Verbindung stehen. Die Buchse 18 kann aufgrund der Drehlagerung mittels des statischen Fluidlagers 24 frei rotieren.
Zur Durchführung des Messverfahrens wird nun das fluide Medium 36 mittels der Zuführeinrichtung 32 der Vorrichtung zugeführt und die Weile 10 in die Bohrung 19 der Buchse 18 eingeführt. Mittels eines Drehzahlreglers 30 wird der Antriebsmotor 12 in Bewegung gesetzt und auf eine bestimmte Nenndrehzahl n_W gebracht, die durch einen Drehzahlsensor 14 erfasst wird. Das von der Welle 10 auf das Fluid im ersten Fluidspalt 16 übertragene Drehmoment wird auf die Buchse 18 übertragen. Die Buchse 18 ist drehbar gelagert und wird daher durch die Welle 10 in Rotation versetzt und erreicht nach einer gewissen Zeit eine bestimmte Enddrehzahl n_B. Diese Enddrehzahl n_B wird mittels eines Drehzahlsensors 28 gemessen, welcher beispielsweise eine auf der Buchse 18 angebrachte Markierung 26 erfasst und daraus die Drehzahl n_B ermittelt. Falls die Buchse 18 nicht abgebremst würde, würde die Enddrehzahl n_B der Buchse 18 nahezu der Drehzahl n_W der Welle 10 entsprechen. Dies hätte den Nachteil, dass die Lagerwirkung bei kleiner Relativdrehzahl zu stark absinkt. Die Bremsbuchse 22 bewirkt jedoch ein Abbremsen der Drehzahl der Buchse 18 dadurch, dass die von der Buchse 18 auf das im zweiten Fluidspalt 20 befindliche fluide Medium erzeugte Drehmoment an der feststehenden Bremsbuchse eine Reibung erzeugt, so dass sich nach einer Anlaufzeit die Enddrehzahl n_B der Buchse 18 auf einen wesentlich geringeren Wert einstellt als die Drehzahl n_W der Welle 10. Vorzugsweise wird die Abmessung des zweiten Fluidspalts 20 so gewählt, dass das Verhältnis der Drehzahlen n_B/n_W zwischen 0,2 und 0,8 beträgt. Aus dem Verhältnis der Drehzahlen n_B/n_W sowie der festgelegten Breite des zweiten Fluidspalts 20 kann dann erfindungsgemäß die Breite des ersten Fluidspalts 16 bestimmt werden. Für einfache Geometrien mit konstanten Spaltbreiten lässt sich die Breite des ersten Fluidspalts 16 bei bekannten Abmessungen der Welle oder der Buchse analytisch ermitteln:
Der Drehmomentübertrag vom Fluid im ersten Spalt (16; 116) Y auf die Buchse (18; 118) wird beschrieben durch die Gleichung:
Der Drehmomentübertrag von der Buchse (18; 118) auf das Fluid im zweiten Spalt (20; 120) X wird beschrieben durch die Gleichung:
Dabei ist η die Viskosität des Fluids, L, die Länge der Buchse, d_W der Wellendurchmesser, d_B der Außendurchmesser der Buchse, f_W die Drehfrequenz der Welle, f_b die sich einstellende Drehfrequenz der Buchse, X die Breite des zweiten Fluidspalts und Y die Breite des ersten Fluidspalts. Im stationären Zustand ist der Drehmomentübertrag M₁ gleich dem Drehmomentübertrag M₂. M1 = M2
Diese Gleichung kann nach dem gesuchten ersten Spalt (16; 116) Y als Funktion der Drehzahlen von Welle und Buchse sowie anderer bekannter geometrischen Größen algebraisch umgeformt werden.
Das Ergebnis gilt exakt nur für zylindrische Lagerbuchsen mit durchgehender Lagerbohrung mit konstantem Innen- und Außendurchmesser und berücksichtigt keine Störeffekte, die durch das axiale statische Lager verursacht werden. Das Verfahren ist jedoch nicht auf solche Geometrien beschränkt. Für allgemeine Geometrien kann die Breite des ersten Fluidspalts über eine geeignete Kalibration aus dem Verhältnis der Drehzahlen n_B/n_W bestimmen.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei welcher als fluides Medium 136 ein Gas, vorzugsweise trockene Luft, verwendet wird. Es wird ein Gestell 108 verwendet, an welchem der Antriebsmotor 112 angeordnet ist, der eine Welle 110 antreibt, die senkrecht von unten aus dem Gestell 108 hinausragt. Die zu vermessende Buchse 118, die in diesem Beispiel von der zylindrischen Form abweicht, kann nun über die Welle 110 gestülpt werden, so dass ein erster Fluidspalt 116 zwischen der Welle und der Buchse 118 verbleibt. Die Bohrung 119 weist in diesem Beispiel einen Bereich mit vergrößerter Spaltbreite 116a auf, den so genannten Separatorbereich. Die Buchse 118 ist an ihrem unteren stirnseitigen Ende mittels eines statischen axialen Luftlagers reibungsfrei gelagert und schwebt sozusagen über der Welle 110. Hierzu wird durch eine Zuführeinrichtung 132 Druckluft in das statische Luftlager 124 zugeführt, welche einerseits zur Lagerung der Buchse 118 dient und andererseits durch den ersten Fluidspalt 116 und auch einen zweiten Fluidspalt 120 strömt. Der zweite Fluidspalt 120 wird zwischen dem Außendurchmesser der Buchse 118 und dem Innendurchmesser einer Bremsbuchse 122 gebildet, die fest auf dem Gestell 108 angeordnet ist und die Buchse 118 konzentrisch umgibt. Die Buchse weist einen über ihre axiale Länge variierenden Außendurchmesser auf. Damit variiert auch die Breite des zweiten Fluidspaltes 120. Sobald das statische axiale Luftlager in Betrieb genommen ist und die Welle 110 durch den Antriebsmotor 112 in Drehung versetzt wird, überträgt sich das Drehmoment der Welle 110 über den luftgefüllten ersten Fluidspalt 116 auf die Buchse 118, die ihrerseits in Rotation versetzt wird. Das Drehmoment der rotierenden Buchse 118 überträgt sich weiter über den luftgefüllten zweiten Fluidspalt 120 auf die Bremsbuchse 122. Nach einer gewissen Zeit erreicht die Buchse 118 eine Enddrehzahl n_B, die unter anderem von der Abmessung des ersten Fluidspalts 116 abhängt. Die Drehzahl n_W der Welle 110 wird durch einen Drehzahlsensor 114 und die Drehzahl n_B der Buchse 118 durch einen berührungslosen Drehzahlsensor 128 erfasst und einem Drehzahlregler 130 zugeführt. Aus dem Verhältnis der beiden Drehzahlen n_B/n_W können über eine geeignete Kalibration die Abmessung des ersten Fluidspalts 116 im Bereich der Lagerflächen ermittelt werden. Der Separatorbereich 116a wird durch eine entsprechende Korrektur berücksichtigt.
In den 3a und 3b sind berechnete Drehzahlverhältnisse n_B/n_W für verschiedene Breiten des ersten und zweiten Fluidspaltes beispielhaft für eine Lagerbuchse mit konstantem Außendurchmesser gezeigt.
Die Kurvenschar in 3a zeigt grafisch das Verhältnis der Drehzahlen n_B/n_W in Abhängigkeit der bekannten Breite des zweiten Fluidspalts jeweils für verschiedene Breiten des ersten Fluidspaltes zwischen 1 μm und 5 μm. Die Kurvenschar in 3b zeigt grafisch das Verhältnis der Drehzahlen n_B/n_W in Abhängigkeit der bekannten Breite des ersten Fluidspalts jeweils für verschiedene Breiten des zweiten Fluidspaltes zwischen 100 μm und 500 μm. Das Drehzahlverhältnis n_B/n_W ist unabhängig von der Viskosität des verwendeten fluiden Mediums 36, 136.
Der Durchmesser der Welle 10 beträgt in diesen Beispielen etwa 4 Millimeter. Der Außendurchmesser der Lagerbuchse beträgt in diesem Beispiel etwa 11,5 Millimeter, die Länge der Lagerbuche etwa 17,5 Millimeter. Für die Berechungen wurde berücksichtigt, dass die Bohrung in der Lagerbuchse einen Separatorbereich aufweist.
4 zeigt das gemessene Verhältnis der Drehzahlen n_B/n_W in Abhängigkeit von der Zeit für eine Lagerbuchse mit den für die Berechnungen in 3 verwendeten Abmessungen. In dieser beispielhaften Messung betrug die Breite des zweiten Fluidspaltes 100 μm. Man erkennt, dass sich das Drehzahlverhältnis innerhalb von 200 Sekunden auf einen bis auf eine Schwankung von < 1% konstanten Wert von 0,3827 einstellt. Aus diesem Drehzahlverhältnis ließ sich in diesem Beispiel die Breite des ersten Fluidspaltes im Lagerbereich zu ungefähr 3,2 μm ermitteln.

10: Welle
12: Antriebsmotor
14: Drehzahlsensor
16: Fluidspalt (erster)
18: Buchse
19: Bohrung (Buchse)
20: Fluidspalt (zweiter)
22: Bremsbuchse
24: Statisches Fluidlager
26: Markierung
28: Drehzahlsensor
30: Drehzahlregler
32: Zuführeinrichtung (Fluid)
34: Achse
36: fluides Medium (flüssig)
108: Gestell
110: Welle
112: Antriebsmotor
114: Drehzahlsensor
116: Fluidspalt (erster)
116a: Separatorspalt
118: Buchse
119: Bohrung (Buchse)
120: Fluidspalt (zweiter)
122: Bremsbuchse
124: Statisches Fluidlager
128: Drehzahlsensor
130: Drehzahlregler
132: Zuführeinrichtung (Fluid)
136: fluides Medium (gasförmig)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 06137997 A [0005]
- GB 1544967 [0006]
- GB 1573682 [0006]
- EP 1452829 A1 [0007]
- DE 102007007459 B1 [0009]

Claims

Verfahren zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse (18; 118) unter Verwendung einer zugehörigen Welle (10; 110) bzw. einer Welle in einer Bohrung, wobei der Durchmesser der Welle (10; 110) geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung (19) in der Buchse (18; 118), mit den Schritten: Drehlagerung der Buchse (18; 118) um eine Achse (34) konzentrisch zur Bohrung, Positionieren der Welle (10; 110) relativ zur Bohrung in der Buchse (18; 118) derart, dass zwischen der Welle und der Buchse ein erster, zu vermessender Fluidspalt (16; 116) gebildet wird, Anordnen einer feststehenden Bremsbuchse (22; 122) derart, dass sie die Buchse (18; 118) unter Bildung eines zweiten Fuidspalts (20; 120) mit bekannter Abmessung konzentrisch umgibt, Einbringen eines fluiden Mediums (36; 136) in den ersten (16; 116) und den zweiten Fluidspalt (20; 120), drehendes Antreiben der Welle (10; 110) mit einer vorgegebenen Drehzahl n_W relativ zur Buchse (18; 118), Messen der sich einstellenden Drehzahl n_B der Buchse (18; 118) und der Drehzahl n_W der Welle (10; 110), Ermitteln eines die Abmessung des ersten Fluidspalts (16; 116) beschreibenden Wertes aus dem Verhältnis der gemessenen Drehzahlen n_B/n_W von Buchse und Welle.).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des ersten Fluidspalts (16; 116) aus dem Verhältnis der gemessenen Drehzahlen n_B/n_W von Buchse und Welle durch eine Kalibration bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluiddynamisches Lager mit einer Lagerbuchse gebildet aus der Buchse (18: 118) und der in der Bohrung angeordneten Welle (10; 110) vermessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als fluides Medium ein flüssiges (36) oder gasförmiges Medium (136) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus Buchse (18; 118), Welle (10; 110) und Bremsbuchse (22; 122) in ein Bad aus dem fluiden Medium (36) eingetaucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (16; 116) und der zweite Fluidspalt (20; 120) von demselben fluiden Medium (136) durchströmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Welle (10; 110) eine spezielle Messwelle mit einem genau bekannten Durchmesser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des zweiten Fluidspalts (20; 120) so gewählt wird, dass Verhältnis der beiden Drehzahlen n_B/n_W von Buchse und Welle zwischen 0,2 und 0,8 beträgt.
Vorrichtung zur Vermessung einer Bohrung in einer Buchse (18; 118) unter Verwendung einer zugehörigen Welle (10; 110) wobei der Durchmesser der Welle (10; 110) geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung (19) in der Buchse (18; 118), welche umfasst: Mittel (12; 112) zum Positionieren der Welle (10; 110) relativ zu der Bohrung in der Buchse derart, dass zwischen der Welle und der Buchse ein erster, zu vermessender Fluidspalt (16; 116) gebildet wird, eine Antriebsvorrichtung (12; 112) zum Drehantrieb der Welle (10; 110) mit einer vorgegebenen Drehzahl n_W relativ zur Buchse (18; 118), gekennzeichnet durch: eine axiale Lagervorrichtung (24; 124) zur Drehlagerung der Buchse (18; 118) um eine Achse (34) konzentrisch zur Bohrung, eine feststehende Bremsbuchse (22; 122), welche die Buchse (18; 118) unter Bildung eines zweiten Fluidspalts (20; 120) mit bekannter Abmessung konzentrisch umgibt, Mittel (32; 132) zum Einbringen eines fluiden Mediums (36; 136) in den ersten und den zweiten Fluidspalt; eine Messvorrichtung (14; 114; 28; 128; 30; 130) zur Messung der sich einstellenden Drehzahl n_B der Buchse und der Drehzahl n_W der Welle, wobei aus dem Verhältnis n_B/n_W der gemessenen Drehzahlen von Buchse und Welle ein die Abmessung des ersten Fluidspalts (16; 116) beschreibender Wert ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des ersten Fluidspalts (16; 116) aus dem Verhältnis der gemessenen Drehzahlen n_B/n_W von Buchse und Welle durch eine Kalibration bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (18; 118) eine Lagerbuchse und die Welle (10; 110) eine zugehörende Welle eines fluiddynamischen Lagers ist, wobei der erste Fluidspalt (16; 116) ein Lagerspalt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (18; 118) und/oder die Welle (10; 110) mit Lagerflächen versehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium ein flüssiges (36) oder gasförmiges Medium (136) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus Buchse (10), Welle (18; 118) und Bremsbuchse in einem Bad aus dem fluiden Medium (36) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidspalt (16; 116) und der zweite Fluidspalt (20; 120) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des zweiten Fluidspalts (20; 120) mindestens um eine Größenordnung größer ist als die Abmessung des ersten Fluidspalts (16; 116).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Lagervorrichtung (24; 124) zur Drehlagerung der Buchse (18; 118) ein statisches Fluidlager ist.