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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Lagerspalts zwischen
einer Welle und einer Wellenaufnahme eines hydrodynamischen Lagers unter
Ermittlung des hydraulischen Durchmessers des Lagerspalts vor Einbringung
von Schmiermittel in den Lagerspalt und vor Endmontage des hydrodynamischen
Lagers sowie eine entsprechende Vorrichtung.
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Aus
der
DE 37 13 358 A1 ist
eine Einrichtung zur berührungslosen
Messung des radialen Lagerspiels an Wellen von Verarbeitungsmaschinen
bekannt, bei der in den Lagerbuchsen mit einem pneumatischen Meßsystem
verbundene Zuleitungsbohrungen oder radiale Düsenbohrungen angeordnet sind.
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Aus
der
AT 005 225 U1 ist
ein Verfahren zum Überprüfen der
Lager eines Maschinenelements nach dessen Zusammenbau bekannt, bei
dem zu einem Zeitpunkt an das Lager Druckluft von einem bestimmten
Druck angelegt, ein bestimmter konstanter Luftstrom eingestellt
und nach einer bestimmten Zeitspanne zu einem späteren Zeitpunkt gemessen wird; das
Maschinenelement wird für
gut befunden, wenn der zum späteren
Zeitpunkt gemessene Druck in einem vorgegebenen Bereich liegt.
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Aus
der
US 3,683,673 ist
ein Verfahren zum Prüfen
der Schmiermittelbeaufschlagung von Lagern bekannt.
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Aus
der
JP 06137997 A ist
ein Verfahren zur Bewertung von dynamischen Druck-Gaslagern bekannt.
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Hydrodynamische
Lager werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren
für Festplattenlaufwerke
eingesetzt. Solche Motoren weisen bei großer Robustheit und Schockresistenz eine
hohe Laufruhe und Laufgenauigkeit auf. Es ist jedoch bei der Herstellung
eines hydrodynamischen Lagers wichtig, daß für den Lagerspalt zwischen Welle
und Wellenaufnahme sehr enge Toleranzen eingehalten werden. Da insbesondere
die Spaltbreite für den
Aufbau des hydrodynamischen Drucks in einem Schmiermittel in dem
Lagerspalt und damit die Spaltbreite für die Funktionssicherheit des
Lagers bzw. des Motors von entscheidender Bedeutung ist, ist es wichtig,
vor der Endmontage des Lagers den Lagerspalt zu prüfen bzw.
zu untersuchen.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem
bzw. welcher sich eine sichere Prüfung des Lagerspalts durchführen läßt.
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Die
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß bei
einem Lagerprüfling
die Welle in der Wellenaufnahme in Funktionslage positioniert wird,
dafür gesorgt
wird, daß ein
Meßfluid
den Lagerspalt in einer Strömungsrichtung
durchströmt,
welche im wesentlichen parallel zu einer Längsachse der Welle ist, wobei
der Lagerprüfling
an beiden Enden der Wellenaufnahme für den Fluiddurchfluß offen
ist und das Meßfluid
von einem Ende her durch den Lagerprüfling strömt, und bei dem ein oder mehrere
den Fluiddurchfluß durch
den Lagerspalt charakterisierende Parameter gemessen werden, wobei
aus dem oder den gemessenen Parametern der mittlere hydraulische
Durchmesser ermittelt wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung läßt sich
der mittlere hydraulische Durchmesser des Lagerspalts und insbesondere
die Spaltbreite vor der Endmontage des hydrodynamischen Lagers ermitteln.
Da die Welle in der Funktionslage in der Wellenaufnahme positioniert
wird, werden damit auch die für die
Funktionsfähigkeit
des hydrodynamischen Lagers relevanten Lagerspaltparameter erfaßt, das heißt die für den Aufbau
des hydrodynamischen Drucks relevanten Lagerparameter. Es wird also
der Lagerprüfling
in seiner funktionellen Montagekonstellation vor der Endmontage
geprüft.
Dadurch läßt sich eine
sichere Charakterisierung und damit Klassifizierung des Lagerprüflings und
damit auch des endmontierten Lagers vornehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich auf
einfache und schnelle Weise durchführen, so daß auch eine Vielzahl von Lagerprüflingen
in kurzer Zeit zerstörungsfrei
getestet werden können.
Damit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur
Klassifizierung von vormontierten Lagern, um diese beispielsweise
in eine bestimmte Toleranzklasse einordnen zu können.
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Die
erfindungsgemäße Prüfung bzw.
Untersuchung des Lagerspalts erfolgt dabei vor der Endmontage des
hydrodynamischen Lagers, so daß das Meßfluid noch
durch den Lagerspalt strömen
kann. Insbesondere erfolgt die Prüfung bzw. Untersuchung vor
Befüllung
des Lagerspalts mit Schmiermittel. Wenn eine zu kleine Spaltbreite
oder eine zu große Spaltbreite
ermittelt wird, kann die Welle aus der Wellenaufnahme entfernt werden.
Es lassen sich dann bei entsprechender Ausmessung passende Wellen
in entsprechende Wellenaufnahmen einsetzen. Der Ausschußanteil
läßt sich
so stark reduzieren.
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Der
Lagerprüfling
ist an beiden Enden der Wellenaufnahme offen, so daß sich eine
erzwungene Durchströmung
des Meßfluids
einstellen kann, wobei das Meßfluid
dann von einem Ende her in den Lagerprüfling eingekoppelt wird.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn als Medium für die Prüfung ein gasförmiges Meßfluid verwendet
wird, wobei entsprechende Randbedingungen geschaffen werden, die
eine erzwungene Durchströmung
des Meßfluids
durch den Lagerspalt bewirken. Dadurch lassen sich auch Lagerspalte
mit sehr geringer Spaltbreite beispielsweise im μm-Bereich untersuchen und prüfen, wobei
gute Genauigkeiten erreicht werden. Beispielsweise können bei
typischen Spaltbreiten von 3 μm
noch Toleranzabweichungen im Bereich ± 0,5 μm erfaßt werden.
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Es
ist vorgesehen, daß der
Lagerspalt in einer definierten Haupt-Strömungsrichtung vom Meßfluid durchströmt wird,
welche im wesentlichen parallel zu einer Längsachse der Welle ist. Dadurch
kann auf einfache Weise beispielsweise über Messung einer Druckdifferenz
ein mittlerer hydraulischer Durchmesser und eine Breite des Lagerspalts
ermittelt werden.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Beaufschlagung des Prüflings mit
Meßfluid
derart erfolgt, daß sich
bei der Durchströmung
des Lagerspalts kein turbulenter Strömungszustand einstellt. Turbulente
Strömung
ist stets mit Druckverlusten verbunden, die entsprechend das Meßergebnis
beeinflussen können.
Wenn dafür
gesorgt wird, daß sich eine
quasistationäre
laminare Strömung
in dem Lagerspalt ausbildet, dann läßt sich auf einfache Weise insbesondere über eine
Druckdifferenzmessung der Lagerspalt des ausgemessenen Lagerprüflings mit hoher
Genauigkeit charakterisieren.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
den Volumenstrom zu messen, mit welchem der Lagerspalt von dem einem
Ende des Lagerprüflings
her zum anderen Ende hin durchströmt wird. Eine Messung mit hoher
Genauigkeit läßt sich
erreichen, wenn das Meßfluid
unter einem bestimmten Ausgangs-Druck steht.
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Ein
Parameter, welcher den Fluiddurchfluß des Meßfluids durch den Lagerspalt
bestimmt, ist der Differenzdruck zwischen einem definierten Ausgangsdruck
und einem sich durch den Strömungswiderstand
bei der Durchströmung
des Lagerspalts einstellenden Druck.
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Die
Druckdifferenz zu dem Ausgangs-Druck ist dann ein Parameter, welcher
den Fluiddurchfluß durch
den Lagerspalt charakterisiert. Durch Messung dieser Druckdifferenz
läßt sich
somit der mittlere hydraulische Spaltdurchmesser bestimmen. Eine
solche Differenzdruckmessung läßt sich
auf einfache Weise durchführen,
wenn beispielsweise nach einem Druckminderer, welcher einen definierten
Ausgangs-Druck erzeugt, ein Drucksensor angeordnet ist, welcher
wiederum in fluidwirksamer Verbindung mit dem Beaufschlagungsbereich
des Lagerspalts für das
Meßfluid
steht. Die Druckdifferenz bezüglich
des Ausgangs-Drucks
steht dann in direkter Relation zu dem Fluiddurchfluß durch
den Lagerspalt.
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Insbesondere
ist dabei die Druckmessung einem Einkopplungsbereich des Meßfluids
in das Lager bezogen auf die Strömungsrichtung
des Meßfluids
vorgeschaltet. So läßt sich
auf einfache Weise eine genaue Druckmessung durchführen, wobei
die Differenz zwischen Ausgangs-Druck und sich einstellendem Druck
ein Maß für den Fluiddurchfluß durch den
Lagerspalt ist.
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Ein
ausgemessener Lagerprüfling
läßt sich gemäß dem Meßergebnis
klassifizieren und insbesondere bezüglich der Fertigungstoleranzen
in Klassen einordnen.
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Insbesondere
wird das für
die Klassifizierung eines Lagers benutzte Meßergebnis erst nach Erreichen
von quasistationären
Bedingungen ermittelt, das heißt
wenn sich stabile Strömungsverhältnisse
in dem Spalt eingestellt haben, wenn sich also die Druckdifferenz,
welche durch den Drucksensor ermittelbar ist, nicht mehr ändert.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Prüfung des
Lagerspalts zwischen einer Welle und einer Wellenaufnahme eines Lagerprüflings für ein hydrodynamisches
Lager ferner erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß eine Beaufschlagungseinrichtung
zur Beaufschlagung des Lagerspalts mit einem Meßfluid vorgesehen ist, wobei
die Beaufschlagungseinrichtung eine Zuführungseinrichtung umfaßt, über welche
der Lagerspalt von einem Ende her mit dem Meßfluid beaufschlagbar ist,
und mittels der Zuführungseinrichtung
der Lagerspalt zum Außenraum
hin abdichtbar ist, eine Meßeinrichtung
zur Messung mindestens eines Parameters, welcher den Fluiddurchfluß durch
den Lagerspalt charakterisiert, vorgesehen ist, und eine Haltevorrichtung
zur Positionierung der Welle in einer Funktionslage in der Wellenaufnahme
vorgesehen ist, wobei die Haltevorrichtung ein Anlageelement aufweist,
mittels welchem die Bewegung der Welle in Durchströmungsrichtung
des Meßfluids
sperrbar ist, oder die Haltevorrichtung eine Kraftbeaufschlagungseinrichtung
umfaßt,
mittels welcher auf die Welle entgegen der Durchströmungsrichtung
des Meßfluids
eine Kraft ausübbar
ist.
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Diese
Vorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläuterten
Vorteile auf.
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Erfindungsgemäß ist eine
Haltevorrichtung zur Positionierung der Welle in der Wellenaufnahme in
Funktionslage vorgesehen. Die Funktionslage ist eine Lage, welche
die Welle in dem endmontierten Lager einnimmt. Deshalb ist es zweckmäßig, den
Lagerprüfling
auch in diesem Zustand zu prüfen.
Durch die Haltevorrichtung wird sichergestellt, daß insbesondere
durch die Beaufschlagung des Lagerprüflings mit Meßfluid die
Welle nicht aus ihrer Funktionslage verschoben wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
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Insbesondere
ist ein Druckminderer vorgesehen, mittels welchem ein definierter
Ausgangs-Druck einstellbar ist. Dadurch lassen sich stabile und
reproduzierbare Anfangsbedingungen einstellen, so daß durch
eine Differenzdruckmessung auf einfache und schnelle Weise insbesondere
der mittlere hydraulische Durchmesser des Spalts zwischen der Welle
und der Wellenaufnahme ermittelbar ist.
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Die
Druckmessung läßt sich
mit hoher Genauigkeit durchführen,
so daß der
mittlere hydraulische Durchmesser des Lagerspalts mit hoher Genauigkeit
ermittelbar ist.
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Es
ist vorgesehen, daß die
Beaufschlagungseinrichtung eine Zuführungseinrichtung umfaßt, über welche
der Lagerspalt von einem Ende her mit dem Meßfluid beaufschlagbar ist,
wobei mittels der Zuführungseinrichtung
der Lagerspalt zum Außenraum
hin abdichtbar ist. Über
die Zuführungseinrichtung
wird ein Einkopplungsbereich für
das Meßfluid
in den Lagerspalt bereitgestellt, wobei dann die Zuführungseinrichtung
dafür sorgt,
daß kein
Bypass entsteht, durch den Meßfluid
entweichen kann, so daß eine
Druckänderung
bezogen auf den Ausgangs-Druck des Meßfluids allein durch den Strömungswiderstand
beim Fluiddurchfluß durch
den Lagerspalt hervorgerufen wird. Auf diese Weise läßt sich
dann eine einfache und genaue Messung des hydraulischen Spaltdurchmessers über die
Durchströmung
des Meßfluids
durch den Lagerspalt erreichen.
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Da
das Meßfluid
in Richtung der Durchströmungsrichtung
eine Kraft auf die Welle ausübt,
ist bei einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung
ein Anlageelement vorgesehen, mittels welchem die Bewegung der Welle
in Durchströmungsrichtung
sperrbar ist. Die Welle liegt an dem Anlageelement zumindest während der
Durchströmung
des Meßfluids
durch den Lagerspalt an. Damit ist die Welle zumindest während der
Durchströmung
des Meßfluids
in einer definierten Lage auch bezüglich einer Längsposition
fixiert.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
umfaßt
die Haltevorrichtung eine Kraftbeaufschlagungseinrichtung, mittels
welcher eine Kraft auf die Welle entgegen der Durchströmungsrichtung
des Meßfluids
ausübbar
ist. Durch die Kraftbeaufschlagungseinrichtung läßt sich die Welle gegen eine
Anlagefläche der
Wellenaufnahme drücken
und dabei insbesondere eine Druckscheibe der Welle gegen diese Anlagefläche drücken. Über die
Kraftbeaufschlagungseinrichtung ist dabei eine Kraft ausübbar, welche
größer ist
als die Abhebekraft des Meßfluids
auf die Welle in Durchströmungsrichtung.
Eine solche Haltevorrichtung läßt sich
dann vorteilhafterweise einsetzen, wenn eine Druckscheibe der Welle
mit Rezirkulationsbohrungen für
Schmiermittel versehen ist. Über solche
Rezirkulationsbohrungen kann dann Meßfluid den Lagerprüfling durchströmen.
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Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit
der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen.
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1 eine
Blockbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Schnittansicht eines hydrodynamischen Lagers vor der
Endmontage, welches an die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 gekoppelt
ist, wobei eine Welle in Funktionslage in einer Wellenaufnahme positioniert
ist;
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3 eine
Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Haltevorrichtung;
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Haltevorrichtung in Teilansicht, und
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5 eine
Schnittansicht des hydrodynamischen Lagerprüflings gemäß 4.
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Ein
hydrodynamisches Lager, welches in 2 schematisch
als Lagerprüfling
in einem Zustand vor der Endmontage dargestellt und dort als Ganzes
mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Wellenaufnahme 12,
in welcher eine Welle 14 drehbeweglich angeordnet ist.
Die Welle 14 erstreckt sich dabei in einer Längsrichtung 16.
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An
einem Ende der Welle 14 sitzt eine Druckscheibe 15,
deren Außendurchmesser
größer ist
als der Durchmesser der Welle 14. Die Wellenaufnahme 12 weist
einen ersten zylindrischen Aufnahmebereich 17 auf, in welchem
ein Teilabschnitt der Welle 14 positioniert ist, der zusammen
mit dem korrespondierenden Teilabschnitt der Wellenaufnahme 12 ein Radiallager
bildet. An diesen ersten Aufnahmebereich 17 schließt sich
ein zweiter zylindrischer Aufnahmebereich 19 an, in welchem
die Druckscheibe 15 positionierbar ist.
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Das
hydrodynamische Lager wird bei der Endmontage mit einem Widerlager
versehen (in der Zeichnung nicht gezeigt), welches die Wellenaufnahme 12 an
einem Ende verschließt.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
ist eine zylindrische Ausnehmung 21 vorgesehen, welche
auf den zweiten Aufnahmebereich 19 der Wellenaufnahme 12 folgt und
in den das Widerlager einsetzbar ist.
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Zwischen
der Wellenaufnahme 12 und der Welle 14 ist bei
eingesetzter Welle 14 ein im Querschnitt im wesentlichen
ringförmiger
Lagerspalt 18 gebildet. Eine typische Spaltbreite für hydrodynamische
Lager, welche beispielsweise zur Drehlagerung von Kleinmotoren für Festplattenlaufwerke
verwendet werden, liegt bei ca. 3 μm, wobei Toleranzen in der Größenordnung ± 0,5 μm erlaubt
sind. Bei einem fertiggestellten Lager ist in den Lagerspalt 18 ein Schmiermittel
eingebracht.
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Die
Klassifizierung eines hydrodynamischen Lagers vor der Endmontage
kann aufgrund dieser kleinen Toleranzen nur bei in der Wellenaufnahme 12 in
Funktionslage eingesetzter Welle 14 erfolgen, da die Reibungsverluste
im Lagerspalt 18 innerhalb des Schmiermittels maßgeblich
durch die Spaltausbildung und insbesondere die Spaltbreite bestimmt sind.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, daß zur Prüfung (Untersuchung)
und Klassifizierung eines solchen Lagers der Lagerprüfling 10 mit
in Funktionslage in der Wellenaufnahme 12 positionierter
Welle 14 mit einem gasförmigen
Meßfluid
wie Luft beaufschlagt wird und die strömungsbedingten Fluiddurchflußparameter
durch den Lagerspalt 18 des Lagerprüflings 10 ermittelt
werden. Diese Untersuchung erfolgt vor Endmontage des Lagers und
insbesondere vor Montage des Widerlagers und Einbringen von Schmiermittel
in den Lagerspalt 18.
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Dazu
ist, wie in 1 gezeigt, eine als Ganzes mit 20 bezeichnete
Beaufschlagungseinrichtung zur Beaufschlagung des Lagerprüflings 10 mit
gasförmigem
Meßfluid
vorgesehen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Beaufschlagungseinrichtung
einen Druckminderer 22, über welchen ein definierter
Ausgangs-Druck des gasförmigen Meßfluids,
welches dann durch den Lagerspalt 18 strömt, einstellbar
ist; ein Ausgang 24 des Druckminderers 22 ist
fluidwirksam mit dem Lagerspalt 18 verbunden, so daß diesem
ein Meßgasstrom
mit definiertem Ausgangs-Druck, welcher eben durch den Druckminderer 22 eingestellt
ist, zuführbar
ist. Beispielsweise ist bei Luft als Meßfluid ein typischer Druckbereich
für den
Ausgangs-Druck 2 bar bis 3 bar.
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Dem
Druckminderer 22 ist ein Filter/Wasserabscheider 26 vorgeschaltet,
mit dem sich Verunreinigungen aus dem Meßfluid ausfiltern lassen. Bei
der Verwendung von Luft als Meßfluid
läßt sich
auch Wasser abscheiden, so daß zur
Prüfung
des Lagerprüflings 10 im
wesentlichen gereinigte trockene Luft als Meßfluid verwendbar ist.
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Über ein
steuerbares Ventil 28 läßt sich
die Beaufschlagungseinrichtung 20 fluidwirksam an eine Quelle 30 für das Meßfluid ankoppeln
bzw. abkoppeln. Bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist das Ventil 28 ein hebelbetätigtes 2/2-Ventil.
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Bei
der Verwendung von Luft als Meßfluid kann
die Quelle 30 beispielsweise die Umgebungsluft sein, wobei
ein Luftverdichter die Luft einsaugt und der Beaufschlagungseinrichtung 20 bereitstellt bzw.
zuführt.
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Das
Meßfluid
wird, wie in 2 gezeigt, über eine Zuführungseinrichtung 32 in
den Lagerspalt 18 des Lagerprüflings 10 eingespeist.
Dazu ist der Lagerprüfling 10 an
beiden Enden 34, 36 der Wellenaufnahme 12 offen,
so daß das
Meßfluid
vom einen Ende 34 her durch den Lagerspalt 18 zum
anderen Ende 36 strömen
kann. Die Zuführungseinrichtung 32 ist
an das Ende 34 gekoppelt. Die Druckscheibe 15 sitzt
im Bereich des anderen Endes 36, wobei das Widerlager eben
zur Durchströmbarkeit
des Lagerspalts 18 nicht eingesetzt ist.
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Die
Zuführungseinrichtung 32 ist
mit einer Haube 38 versehen, welche auf das Ende 34 des
Lagerprüflings 10 aufsetzbar
ist. Zwischen einer Stirnseite 40 der Haube 38 und
der Wellenaufnahme 12 ist dabei eine Dichtung 42 beispielsweise
in der Form eines O-Rings angeordnet. Diese Dichtung 42 umgibt
den Lagerspalt 18 und sorgt dafür, daß das Meßfluid aus der Zuführungseinrichtung 32 nur
durch den Lagerspalt 18 hindurch abströmen kann. Die Dichtung 42 ist
insbesondere an der Stirnseite 40 der Haube 38 angeordnet,
so daß bei
Aufsetzen der Haube 38 auf die Wellenaufnahme 12 die
entsprechende Abdichtung sichergestellt ist.
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Ein
Eingang 44 der Zuführungseinrichtung 32 steht
in fluidwirksamer Verbindung mit dem Ausgang 24 des Druckminderers 22,
so daß das
Meßfluid
der Zuführungseinrichtung 32 mit
einem definierten Ausgangs-Druck bereitgestellt werden kann.
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Durch
Messung von einem oder mehreren Parametern, welche den Fluiddurchfluß des Meßfluids
durch den Lagerspalt 18 charakterisieren, läßt sich
der Lagerspalt 18 selber charakterisieren, da die engste
Stelle des durchströmten
Systems die Durchflußparameter
bestimmt. Beispielsweise läßt sich
das hydraulische Volumen des Lagerspalts 18 ermitteln. Da
das Gesamtmaß der
Wellenaufnahme 12 in der Längsrichtung 16 der
Welle 14 mit hoher Genauigkeit bekannt ist, läßt sich
aus dem hydraulischen Volumen ein mittlerer hydraulischer Durchmesser
des Lagerspalts 18 bestimmen und so wiederum die Spaltbreite
ermitteln. Es läßt sich
dann auf einfache Weise feststellen, ob der geprüfte Lagerprüfling 10 die vorgegebenen
Fertigungstoleranzen einhält
oder nicht bzw. es läßt sich
eine Klassifizierung eines endmontierten hydrodynamischen Lagers
bezüglich
der Fertigungsqualität
durchführen.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
die Durchflußmenge
des Meßfluids
durch den Lagerspalt 18 zu ermitteln.
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Bei
der in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist es vorgesehen,
den Druckverlust des Meßfluids
aufgrund des Durchflusses durch den Spalt 18 zu messen.
Dazu stellt der Druckminderer 22 einen definierten Ausgangs-Druck
bereit.
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Dem
Druckminderer 22 ist in einer Meßeinrichtung 45 ein
Drucksensor 46 nachgeschaltet und dem Lagerprüfling 10 vorgeschaltet,
welcher den an der Zuführungseinrichtung 32 anstehenden
Druck mißt.
Dieser Druck ist aufgrund des Strömungswiderstands bei der Durchströmung des
Meßfluids
durch den Lagerspalt 10 gegenüber dem Ausgangs-Druck des
Druckminderers 22 reduziert, wobei bei einer Ausführungsform,
bei welcher der definierte Ausgangs-Druck in der Größenordnung von 2 bis 3 bar liegt,
die typische Druckdifferenz (Druckerniedrigung) in der Größenordnung
zwischen 0,7 bar bis 1,4 bar liegt.
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Das
Meßergebnis,
also die Druckdifferenz, welche den Lagerprüfling 10 charakterisiert,
wird an einer Anzeigeeinrichtung 48 angezeigt.
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Der
Drucksensor 46 kann dabei auch in Verbindung stehen mit
einer Steuerungseinrichtung, welche den Herstellungsprozeß von hydrodynamischen
Lagern steuert und dazu beispielsweise für jedes einzelne Lager die
Herstellungsschritte überwacht
und protokolliert. So kann beispielsweise das Meßergebnis direkt dazu benutzt
werden, dem ausgemessenen Lagerprüfling 10 eine Kennzeichnung zuzuordnen
und diese Kennzeichnung zu speichern, welche den gemessenen mittleren
hydraulischen Durchmesser des Lagerspalts 18 des Prüflings 10 charakterisiert.
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Der
Drucksensor 46 umfaßt
beispielsweise einen pneumatisch-elektrischen Piezo-Wandler, durch
welchen der anstehende Druck in ein elektrisches Signal gewandelt
wird, welches dann beispielsweise an der Anzeigeeinrichtung 48 ablesbar ist.
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Zum
Halten der Welle 14 in der Wellenaufnahme 12 in
der Funktionslage ist eine als Ganzes mit 50 bezeichnete
Haltevorrichtung vorgesehen (3 und 4).
Durch die Beaufschlagung des Meßfluids
wird auf die Welle 14 eine Kraft ausgeübt, welche dazu tendiert, die
Welle aus der Wellenaufnahme 12 zu bewegen. Die Haltevorrichtung 50 dient dazu,
die Welle 14 in der Funktionslage in der Wellenaufnahme 12 zu
halten.
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Bei
einer ersten Ausführungsform,
welche in 3 schematisch gezeigt ist, umfaßt die Haltevorrichtung 50 ein
Anlageelement 52, welches an der Welle am Ende 36 anliegt
und damit die Verschiebung der Welle 14 auf das Anlageelement 52 zu sperrt,
sobald die Welle 14 anliegt. Das Anlageelement 52 ist
dabei so positioniert, daß zwischen
der Druckscheibe 15 und einer ringförmigen Querfläche 54,
welche den zweiten Aufnahmebereich 19 begrenzt, ein ringförmiger Spalt 56 als
Teil des Lagerspalts 18 gebildet ist. Das Meßfluid wird
dann in seiner Strömungsrichtung,
welche in demjenigen Teil des Lagerspalts 18, welcher im
ersten Aufnahmebereich 17 liegt, im wesentlichen parallel
zur Längsrichtung 16 ist,
quer umgelenkt, um in den Spalt 56 zwischen einem dem Ende 34 zugewandten
Stirnbereich der Druckscheibe 15 und dem zweiten Aufnahmebereich 19 zu
strömen.
Am äußeren Ende
des Spaltes 56 wird dann das Meßfluid nochmals umgelenkt,
um zwischen einer Außenseite
der Druckscheibe 15 und der Wellenaufnahme 12 wiederum
im wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 16 zum Ende 36 hin
zu strömen.
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Eine
zweite Ausführungsform
einer Haltevorrichtung, welche in den 4 und 5 schematisch
gezeigt ist, ist insbesondere verwendbar, wenn die Druckscheibe 15 mit
Rezirkulationsbohrungen 58 für Schmiermittel versehen ist.
Eine Solche Rezirkulationsbohrung 58 verbindet dabei den
Lagerspalt 18 mit der Ausnehmung 21 für das Widerlager.
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Die
Haltevorrichtung 50 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
umfaßt
eine Kraftbeaufschlagungseinrichtung 60, mittels welcher
die Welle 14 auf die Querfläche 54 des zweiten
Aufnahmebereichs 19 drückbar
ist. Durch die Kraftbeaufschlagungseinrichtung 60 ist somit
eine Kraft in Gegenrichtung zu der Durchströmungsrichtung des Meßfluids
durch den Lagerspalt 18 ausübbar. Beispielsweise umfaßt dazu die
Kraftbeaufschlagungseinrichtung 60 ein elastisches Element 62 wie
eine Kompressionsfeder, um für
die entsprechende Kraftwirkung sorgen zu können.
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Nach
Durchströmung
des Lagerspalts 18 durchströmt das Meßfluid die Rezirkulationsbohrungen 58 in
der Druckscheibe 15.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
funktioniert wie folgt:
Der Lagerspalt 18 wird mit
gasförmigem
Meßfluid
wie beispielsweise Luft unter einem definierten, durch den Druckminderer 22 vorgegebenen
Ausgangs-Druck p0 beaufschlagt. Aufgrund des Strömungswiderstands
bei Durchströmung
des Lagerspalts 18 entsteht dann, bezogen auf den Ausgangs-Druck
ein Druckverlust, so daß sich
in der Zuführungseinrichtung 32 ein
geringerer Druck p1 einstellt, wobei die
Größe der Druckdifferenz Δp = p0 – p1 charakteristisch ist für den mittleren hydraulischen Durchmesser
des Lagerspalts 18.
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Es
läßt sich
dann durch Ermittlung der Druckdifferenz Δp der Lagerspalt 18 des
gemessenen Prüflings 10 und
damit der Lagerprüfling 10 oder das
endmontierte hydrodynamische Lager selbst charakterisieren und klassifizieren.
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Die
Messung zur Charakterisierung des Prüflings 10 erfolgt
vorzugsweise erst dann, wenn quasistationäre Bedingungen herrschen, das
heißt bei
fest vorgegebenem Ausgangs-Druck durch den Druckminderer 22 wird
erst gemessen, wenn der Drucksensor 46 einen im Rahmen
der Meßgenauigkeit
stabilen Wert anzeigt.
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Die
Verhältnisse
der Fluidbeaufschlagung, das heißt die Ausgangsparameter, sind
dabei vorzugsweise so gewählt,
daß sich
bei der Durchströmung
des Lagerspalts 18 von dem einen Ende 34 her in
Richtung auf das andere Ende 36 hin keine turbulente Strömung ausbildet
und damit auch keine durch turbulente Strömung verursachten Druckverluste, sondern
eine quasistationäre
laminare Strömung.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung und
durch das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich ein
hydrodynamisches Lager auch mit sehr kleinen Lagerspaltbreiten in
der Größenordnung
von wenigen μm
auf einfache und schnelle Weise charakterisieren. Insbesondere lassen
sich Prüflinge,
bei denen die Welle 14 in der Wellenaufnahme 12 in
Funktionslage positioniert ist, so prüfen.