DE3436268C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagervorspannung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 9.

Eine solche Einrichtung und ein solches Verfahren sind aus DE-AS 15 25 256 bekannt.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere auch im Bereich der Feinmechanik, werden an die Güte der Lagerung von drehbeweglichen Bauteilen besonders hohe Anforderungen gestellt. Im vorliegenden Fall werden unter dem Begriff der Lagergüte u. a. Eigenschaften wie Spielfreiheit, Schwingungsfreiheit, ein eng toleriertes Losbrechmoment und ein ruhiger Lagerlauf verstanden. Allgemein kann man davon ausgehen, daß die zueinander relativ beweglichen Elemente, d. h. eine Spindel und eine Trommel, üblicherweise zweifach, häufig durch Kugellager gelagert sind. Dazu ist z. B. aus "Die Wälzlagerpraxis", R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1978, S. 315 bekannt, die Kugellager bei definiertem Übermaß auf die Spindel bzw. in die Trommel mit einer mechanischen oder hydraulischen Presse zu pressen.

Beim heutigen Stand der Fertigungstechnik muß zwischen den Elementen des Lagers, d. h. Außenring, Innenring und Kugeln eine Verformung von mindestens 10^-1 µm erzielt werden, um Spielfreiheit zu sichern. Eine noch enger tolerierte Ausrichtung von Innenring zu Außenring des Lagers ist konstruktiv nicht durchführbar, denn dann können Verhältnisse auftreten, bei denen die elastische Verformbarkeit des Lagermaterials bei Überschreiten einer zulässigen Vorspannkraft in Verbindung mit schwellender Belastung schon eine wesentliche Rolle spielt.

Auch der Begriff der Schwingungsfreiheit der Lagerung muß relativiert werden, denn absolute Schwingungsfreiheit ist praktisch nicht realisierbar. Qualitativ hochwertige Lagerungen werden daher konstruktiv derart ausgelegt, daß Lagereigenfrequenzen erster und höherer Ordnung in einen vom Anwendungsfall abhängigen Frequenzbereich fallen, der zumindestens eindeutig über dem Nenndrehzahlbereich liegt. Wenn die erste Eigenfrequenz bereits hoch genug liegt, werden die Eigenfrequenzen höherer Ordnung in ihrer Amplitude so klein, daß sie für den Normalbetrieb der Bauteile praktisch keine Rolle mehr spielen.

In diesem Zusammenhang ist auf ein aus DE-AS 22 22 000 bekanntes Verfahren zur Laufprüfung hinzuweisen, das sich für die Durchführung einer Endkontrolle eines Kugellagers eignet, bevor es im eigentlichen Montagevorgang auf die Spindel bzw. in die Trommel gepreßt wird. Bei diesem Verfahren läuft der eine Kugellagerring um und der andere Kugellagerring ist axial belastet und steht mit einem Körperschall- Schwingungsaufnehmer in Berührung. Während der Laufprüfung dreht sich der axial belastete Kugellagerring vorzugsweise mit niedriger Drehzahl und wird bezüglich des anderen Kugellagerringes entsprechend den Betriebsbedingungen in größtmöglicher Weise verkantet. Damit läßt sich zwar die Schwingungsneigung eines einzelnen Kugellagers messen. Nach dieser bekannten technischen Lehre ist aber kein Montagevorrichtung zum Einstellen der spielfreien Lagerung eines drehbeweglichen Bauteiles durchführbar, da dieses Verfahren insbesondere darauf beruht, die beiden Kugellagerringe zueinander axial zu verkanten.

Weiterhin wird es vom Anwendungsfall abhängen, wie das statische Losbrechmoment, d. h. das gerade ausreichende Moment, mit dem das Bauteil aus der Ruhelage heraus in Drehbewegung versetzt wird, ausgelegt ist. Dabei sind sowohl Anwendungsfälle mit einem gegen Null gehenden Losbrechmoment denkbar, damit bereits kleinste ausgeübte Drehmomente eine entsprechende Drehbewegung auslösen, als auch Anwendungsfälle, bei denen dieses Losbrechmoment dem jeweiligen normalen Antriebsmoment angepaßt ist. Diese Anpassung liegt dann darin, daß das Losbrechmoment hoch genug gewählt wird, damit die Lagerung nicht zum Schwingen neigt. Dabei kann auch berücksichtigt sein, daß eine gewisse Größe des statischen Losbrechmomentes toleriert wird, um durch Längenänderungen am Bauteil hervorgerufene Änderungen in den Lagerstellen die entsprechenden Lagervorspannkräfte nicht bereits zu Null gehen zu lassen.

Schließlich ist die Laufruhe einer Lagerstelle einerseits durch die Formgenauigkeit der Einzelteile des Lagers, d. h. also im wesentlichen der Laufbahnen im Innen- bzw. Außenring und bei Kugellagern die einheitliche Größe und Form der Kugellager und andererseits durch die exakte Zuordnung dieser Teile im justierten Lager bestimmt. Nur durch das Zusammenspiel entsprechender Maßnahmen wird erreicht, daß alle Wälzelemente beim Lauf des Bauteiles im Nenndrehzahlbereich gleichmäßig belastet sind. Jede Unsymmetrie führt hier zu schwankenden Lagerbelastungen und resultiert damit in einem unruhigen Lagerlauf. Nur bei ausreichenden Werten für die genannten Größen ist eine Lageranordnung von gewünschter Güte definiert.

Um ein solches Konstruktionsziel zu verwirklichen, sind eine Reihe von konventionellen Lösungen bekannt. Man kann zunächst sogenannte Duplexlager verwenden, die nach Spezifikation des Anwenders genau auf den Anwendungsfall abgestimmt sind und nach Vorschrift des Lagerherstellers eingebaut werden. Diese Lösung für das Problem der Lageranordnung ist konstruktiv sehr aufwendig und damit in vielen Anwendungsfällen aus Kostengründen nicht vertretbar, darüber hinaus möglicherweise auch aus anderen konstruktiven Gründen nicht geeignet.

Viel häufiger werden auch für qualitativ hochwertige Lageranordnungen Standardkugellager eingesetzt und einzelne Lagerpaare durch Messung der kritischen Lagerabmessungen ausgewählt und zusammengestellt. Für den Aufbau einer spielfreien Lagerung bieten sich dann grundsätzlich zwei Konstruktionsformen an. In der einen Form besteht eine doppelte Lagerung einer Trommel auf einer Spindel, aus einer Kombination von einem Loslager mit einem Festlager. Dabei ist das Festlager mit dem Innenring auf die Spindel aufgepreßt und mit dem Außenring mit Preßsitz in die Trommel eingeschoben. Beim Loslager ist einer der beiden Lagerringe gegenüber dem entsprechenden Lagerring des Festlagers in einem vorgegebenen Abstand fest und der andere Lagerring mit einem eng tolerierten Spiel angeordnet. Auf den mit Spielpassung angeordneten Lagerring des Loslagers wird z. B. durch eine vorgespannte Feder eine Kraft ausgeübt, die diesen Lagerring gegenüber dem zugeordneten, mit Festsitz angeordneten Lagerring verschiebt und damit in gleicher Weise auch die Lagerringe des Festlagers zueinander ausrichtet. Für die konstruktive Auslegung des Federelementes sind eine ganze Reihe von konstruktiven Deteillösungen bekannt. Jedoch sind eine Reihe von Anwendungsfällen bekannt, bei denen es aus bestimmten konstruktiven Gründen unzweckmäßig erscheint, eine derartige Kombination von Los- und Festlager einzusetzen.

Deshalb besteht eine zweite Konstruktionsform darin, beide Lager einer doppelseitigen Lageranordnung als Festlager auszubilden und die zur Spielfreiheit notwendige Verspannung der Lager durch genau angepaßte Distanzhülsen sicherzustellen. Bei dieser Konstruktionsform besteht offensichtlich die Notwendigkeit eine aufgrund der allgemeinen Lagertoleranzen vorgegebene individuelle Lageranordnung zu schaffen. Da beide Lagerstellen fest angeordnet sind, müssen vor der Montage der Lager Toleranzberechnungen ausgeführt werden. Dabei sind zunächst eine Reihe von Messungen durchzuführen, um die einzelnen Elemente dieser Lageranordnung miteinander paaren zu können. In Bezug auf die zu verwendenden Lager sind Innen- und Außendurchmesser, sowie Lagerüberstand und Radialluft festzustellen: Für jede Lagerstelle sind dann sowohl Außendurchmesser der Spindel als auch Innendurchmesser der Trommel festzustellen. Schließlich muß auch die Länge der Distanzhülse, die zwischen den Innenringen angeordnet wird, bekannt sein. Aufgrund dieser Messungen werden Paarungen zusammengestellt, um sicherzustellen, daß ein gewisses Übermaß in radialer Richtung, sowie ein minimales Spiel in axialer Richtung nach dem Einpressen der Teile gewährleistet ist. Wenn alle Einflußfaktoren bekannt sind, und eine bestimmte Vorspannkraft für die Lageranordnung definiert ist, kann aus dem Übermaß, dem Überstand, dem Radialspiel und der Länge der inneren Distanzhülse die Länge der äußeren Distanzhülse in bekannter Weise errechnet werden. Allerdings ist dies nur eine Toleranzberechnung aufgrund der genannten Größen. In die konventionelle Berechnung gehen Form- und innere Lagertoleranzen nicht ein. Außerdem sind Ausgangsgrößen für diese Berechnung gemessene Werte, daher also auch fehlerbehaftet. Alle diese Einflußgrößen führen zu einer gewissen Unsicherheit des Rechenergebnisses, die insbesondere bei niedrigen Vorspannkräften so kritisch wird, daß eine serienmäßige Fertigung einer solchen Lageranordnung ausschußfrei fast nicht möglich ist.

Ein Lösungsversuch, aufgrund individueller Paarung von Wälzlagern und Messung einer sich aus einer solchen Paarung ergebenden Einstellgröße, eine Lagereinrichtung mit definierter Vorspannung zu schaffen, ist - wie eingangs erwähnt - aus DE-AS 15 25 256 bekannt. Bei dem daraus bekannten Verfahren wird das dynamische Reibmoment ermittelt, das einer gewünschten Vorspannkraft, die auf ein Paar von gegeneinander anzustellenden Wälzlagern aufgebracht werden soll, entspricht. Dazu wird unter Benutzung einer der endgültigen Einbauanordnung gleichartigen Versuchsanordnung der betreffenden Wälzlager die gewünschte Vorspannkraft aufgebracht und das ihr entsprechende Reibungsmoment gemessen. Nach der bekannten technischen Lehre wird also zunächst in einer Versuchsanordnung der endgültige Einbau simuliert, dabei ein der gewünschten Vorspannkraft entsprechender Wert einer Einstellgröße simuliert und im endgültigen Einbau die Lagerpaarung mit diesem Wert der Einstellgröße entsprechend eingestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, daß sie bei doppelseitigen Lageranordnungen unter Verwendung von als Festlager ausgebildeten Wälzlagern ungeachtet einer nicht immer ausreichend genauen, rein rechnerischen Ermittlung von Lagerpaarungen auch bei hohen Anforderungen an die Qualität der Lageranordnung eine unmittelbare Lagermontage und Prüfung der Lageranordnung im montierten Zustand gestatten.

Bei einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Patentanspruches beschriebenen Merkmale gelöst. Bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9 wird diese Aufgabe durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Auch bei der erfindungsgemäßen Lösung kann zwar nicht darauf verzichtet werden, die wesentlichen, den Sitz der Lager bestimmenden Größen, d. h. Innen- und Außendurchmesser der Kugellager und die zugeordneten Größen, die Außendurchmesser der Spindel an beiden Lagerstellen bzw. den Innendurchmesser der Trommel an den entsprechenden Stellen zu messen. Die Montage der Lager und ihre endgültige Einstellung beruhen jedoch nicht mehr auf einer alle Einflußgrößen nur unzureichend berücksichtigenden theoretischen Berechnung, sondern auf einer Justierung der Lager aufgrund von individuell ermittelten Meßergebnissen, mit deren Hilfe der Justierungsvorgang gesteuert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besagt im Prinzip, daß bei der Lagermontage zunächst in einem ersten Schritt die gewünschte und vorgegebene Lagervorspannung unter Zuhilfenahme eines statischen Losbrechmomentes für das drehbewegliche Bauteil eingestellt wird. Im anschließenden zweiten Schritt wird im dynamischen Betrieb das Schwingungsverhalten des montierten Bauteiles gemessen und gegebenenfalls die Lagereinstellung literativ an die Meßergebnisse angepaßt.

Bei dem Verfahren nach dem Patentanspruch 9 wird deutlich, daß der Justierungsvorgang für die Lager auch iterativ unter Berücksichtigung zwischenzeitlicher Meßergebnisse durchgeführt werden kann und damit im Ende eine Lageranordnung erzielt wird, die weitgehend im Toleranzbereich vorgegebener Meßgrößen, wie z. B. einer vorgegebenen Vorspannkraft für die Lager, einem bestimmten statischen Losbrechmoment und einem vorgegebenen Toleranzbereich der Amplitude der Eigenschwingungen liegt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden der Einstellvorgang und der Prüfvorgang bei unterschiedlichen Temperaturen der Lager ausgeführt. Damit wird erreicht, daß eine geprüfte Lageranordnung im praktischen Betrieb ihre Funktion in einem angestrebten Temperaturbereich voll erfüllt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines drehbeweglichen Bauteiles mit einer Spindel, auf der doppelseitig über gegeneinander verspannte Lager eine Trommel rotatorisch beweglich angeordnet ist,

Fig. 2 und 3 je eine Vorder- bzw. Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung zum Verspannen der Lager des Bauteiles und zum Prüfen der Lagereigenschaften unter Verwendung eines Beschleunigungssensors als Signalgeber und eines Frequenzanalysators als Auswerteeinrichtung,

Fig. 4 eine weitere Ansicht dieser Einrichtung mit einer Anordnung zum Bestimmen des statischen Losbrechmomentes für das Bauteil,

Fig. 5 ein Schaubild, das in Abhängigkeit von der Frequenz das Amplitudenspektrum des von dem Signalgeber abgegebenen Prüfsignales für eine bestimmte Lageranordnung erläutert und

Fig. 6 und 7 je ein Schaubild eines analysierten Prüfsignales aufgetragen über der Zeitachse, wobei das in Fig. 6 gezeigte Schaubild noch unzulässige Spannungsspitzen als Beispiel für eine nicht ausreichend vorgespannte bzw. nicht spielfreie Lageranordnung illustriert und das Schaubild von Fig. 7 einen Signalverlauf mit nur geringfügig aus dem "weißen Rauschen" herausragenden Signalspitzen demonstriert.

Aus einer Vielzahl von möglichen Anwendungsfällen ist ein besonders einfaches Beispiel für ein drehbewegliches Bauteil ausgewählt und in Fig. 1 schematisch dargestellt, bei dem auf einer Spindel 1 zwei Kugellager 2 mit ihren Innenringen 200 mit Festsitz angeordnet sind. Es sind Kugeln 210 der Kugellager angedeutet, die sich auf dem Innenring 200 abstützen und den entsprechenden Außenring 220 tragen, der seinerseits in einer Trommel 3 festgelegt ist. Die Lagerstellen sind durch Dichtscheiben 4 nach außen abgedichtet. Die schematische Darstellung verdeutlicht, daß die Innenringe 200 der Kugellager 2 enger zusammenstehen als die entsprechenden Außenringe 220. Die Lager 2 sind daher mit einer bestimmten in axialer Richtung wirkenden und durch Pfeile angedeuteten Vorspannkraft K gegeneinander verspannt. Daraus resultiert ein nach innen gerichteter Druckwinkel α, der sich aus der Lage der Berührungspunkte der Kugeln 210 mit den Laufschalen des Innen- und Außenringes 200 bzw. 220 ergibt. Üblicherweise spricht man bei einer solchen, innen liegende Druckwinkel α aufweisenden Lageranordnung von einer sogenannten O-Anordnung. Ebensogut hätte jedoch auch eine X-Anordnung gewählt werden können, bei der dann die entsprechenden Lager in der umgekehrten Funktionsrichtung zueinander verspannt sind, so daß die Druckwinkel α außen liegen. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung für ein drehbeweglich gelagertes Bauteil bedeutet daher keine Beschränkung. Außerdem wird wohl deutlich, daß die schematische Darstellung eines solchen Bauteiles keineswegs bedeutet, daß die Trommel 3 immer das umlaufende Element sein müssen und auch nicht ausgebildet sein könnte als, wie hier dargestellt, ein einfacher Hohlzylinder.

Die Vorderansicht einer Einrichtung zum Einstellen der spielfreien Lagerung für ein solches drehbar gelagertes Bauteil ist in Fig. 2 dargestellt. Die in dieser Fig. enthaltene Schnittlinie III-III kennzeichnet die Schnittebene für eine Seitenansicht, die in Fig. 3 dargestellt ist. Beide Ansichten werden daher im folgenden gemeinsam beschrieben. Diese Einrichtung soll biegesteif ausgebildet sein und ist möglichst schwingungsfrei zu lagern, um Meßfehler zu vermeiden. Sie steht daher auf einem massiven Fundament 5, das auch noch stoßgedämpft ausgeführt sein kann. Die Einrichtung selbst besteht in ihrem mechanischen Teil aus einer Presse mit Bodenplatte 6, die auf dem Fundament 5 aufsitzt, mit Seitenstützen 7 und einer von diesen Seitenstützen getragenen Deckplatte 8. In einer Zentralbohrung 81 dieser Deckplatte ist ein Stempel 9 geführt, der hier als Zahnstange ausgebildet ist und über ein Ritzel 10 in vertikaler Richtung ausgelenkt wird. Das Ritzel 10 ist auf einer Welle 11 gelagert, die in einer Führung der Deckplatte horizontal geführt ist und auf deren einer Seite seitlich heraussteht. An diesem herausstehenden Wellenende ist ein Arm 12 angelenkt, der zur Bodenplatte 6 hinunterreicht und sich auf dem Umfang eines Exzenterrades 13 abstützt, das parallel zur entsprechenden Seite der Bodenplatte 6 angeordnet ist.

Mit der Längsachse des Stempels 9 fluchtend, ist innerhalb des beschriebenen Rahmens eine Aufnahmevorrichtung für das Bauteil mit seinen zu justierenden Lagerstellen angeordnet. Um die vom Stempel 9 ausgeübte Kraft eindeutig und gleichmäßig auf das Bauteil zu übertragen, besteht die Aufnahmevorrichtung aus einer horizontal liegenden Traverse 14 mit zwei seitlichen Stützen 15, die als Hohlzylinder ausgebildet sind und auf je einem auf der Oberseite der Bodenplatte 6 fest angeordneten Führungsbolzen 16 laufen. Der Stempel 9 greift zentral auf der Oberseite der Traverse 14 an, die an dieser Stelle zur besseren Kraftübertragung eine noppenförmige Erhebung 17 aufweist. Zwischen der Unterseite der Traverse 14 und der Oberseite der Bodenplatte 6 ist nun das Bauteil über Andruckbüchsen 18 eingespannt. Diese Andruckbüchsen 18 sind über die entsprechenden Enden der Spindel 1 geschoben und drücken gegen die Innenringen 200 der Kugellager 2.

Die vom Stempel 9 über die Traverse 14 auf die Andruckbüchsen 18 übertragene Einpreßkraft wird von dem Exzentertrieb bestehend aus Exzenterrad 13 und Arm 12 beim Drehen des Exzenterrades 13 aufgebracht. Dazu ist das Exzenterrad 13 über eine in Fig. 2 schematisch dargestellte schaltbare Kupplung 19 mit einem Stellmotor 20 verbunden. Dieser Exzenterantrieb erlaubt es, eine bestimmte Drehzahl des Stellmotors 20 zugrundegelegt, eine gleichmäßige ansteigende Einpreßkraft für die Justierung der Kugellager 2 des vormontierten Bauteiles aufzubringen. Dabei sorgt die abschaltbare Kupplung 19 für eine schnelle Entlastung des Exzentertriebes, sobald dies erforderlich wird.

Die diesem mechanischen Aufbau zugeordneten Meßeinrichtungen bestehen zunächst aus einer an der Traverse 14 festgelegten µm-Meßuhr 21, die sich auf einem Anlagedorn 22 abstützend die vertikale Auslenkung der Traverse 14 anzeigt. Weiterhin ist seitlich an der Bodenplatte 6 ein Antriebsmotor 23 angeordnet, der im eingeschalteten Zustand über einen Riementrieb 24 die Trommel 3 des Bauteiles mit einer vorbestimmten Montagedrehzahl anzutreiben gestattet. Diesem Antriebsmotor 23 kann eine in Fig. 2 schematisch angedeutete elektrische Ansteuerungsschaltung 25 zugeordnet sein. Sie besteht aus einer Stromquelle 251 und einem in den Stromkreis seriell eingeschalteten Amperemeter 252. Sie kann weiterhin einen Stromwandler 253 aufweisen, an den sekundärseitig ein Schwellwertglied 254 angeschlossen ist. Das Schwellwertglied soll dann so ausgebildet sein, daß bei Unterschreiten einer Mindeststromaufnahme des Antriebsmotors 23 ein Ausgangssignal abgegeben wird, das, wie schematisch angedeutet, einen Schalter 26 zum Abschalten der Kupplung 19 betätigt. Die Wirkungsweise dieser Anordnung wird später im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Einstellvorganges für die Lager des Bauteiles im einzelnen näher erläutert.

Eine weitere Meßeinrichtung besteht aus einem Beschleunigungssensor 27, der Schwingungen des Bauteiles während des Einstellvorganges aufnimmt und dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 28 einem schematisch dargestellten Frequenzanalysator 29 zugeführt wird. Mit Hilfe dieses Frequenzanalysators werden die beim Umlaufen der Trommel 3 des Bauteiles auftretenden Beschleunigungsspitzen, die vom Beschleunigungssensor 27 in elektrische Signale umgesetzt werden, sowohl in einem Amplitudenspektrum als auch in einem Phasenspektrum sichtbar gemacht, wie noch im einzelnen zu erläutern sein wird.

In Fig. 4, die nochmals eine Ansicht der beschriebenen Einrichtung zeigt, ist eine weitere Meßanordnung dargestellt, die zur Messung des statischen Losbrechmomentes verwendet wird. Schematisch ist hier dargestellt, daß auf die Trommel 3 des Bauteiles eine Schnur 30 aufgewickelt ist, an deren freiem Ende, über eine möglichst leichtgängige Rolle 31 laufend, ein Satz von Gewichten 32 befestigt ist. Mit dieser wahlweise verwendeten Einrichtung läßt sich durch schrittweises Erhöhen des Belastungsgewichtes für jeden Zustand einer Lagervorspannung das zugehörige statische Losbrechmoment der Lageranordnung messen, d. h. dasjenige Moment, das an der ruhenden Trommel 3 angreifend diese gerade noch aus der Ruhelage heraus bewegt.

Nachfolgend wird die bisher beschriebene Einrichtung in ihrer Wirkungsweise im Hinblick auf einen bestimmten Anwendungsfall im einzelnen näher erläutert. Das erläuterte und in Fig. 1 schematisch dargestellte drehbeweglich gelagerte Bauteil kann als die Lagerung für einen Drehpositionierer eines Plattenspeichergerätes aufgefaßt werden. In diesem Anwendungsfall ist das drehende Teil die Trommel 3, sie führt im normalen Betriebsfall eine oszillierende Bewegung in einem beschränkten Winkelbereich aus, dabei soll die Achslage beliebig sein und trotzdem in dem Arbeitsbereich eine nicht wiederholbare Rundlaufungenauigkeit von weniger als 1 µm erreicht werden. Die Betriebsfrequenz liegt in einem Bereich von ca. 20 Hz und für den normalen Betrieb ist ein Temperaturbereich von etwa 10°C bis 55°C angenommen.

Als vorbereitende Arbeiten für den Lagereinbau werden die angelieferten Teile, Spindel und Trommel einerseits und Kugellager andererseits, gemessen und entsprechend ihren Toleranzen zum Paaren vorsortiert. Ist die Fertigung dieser Teile ausreichend abgestimmt, d. h. die entsprechenden Durchmesser auf ein definiertes Übermaß toleriert, dann erübrigt sich sogar dieses Paaren. Dabei ist jedoch zu beachten, daß in jedem Fall noch eine definierte Lagerluft erforderlich ist, um einen ausreichenden Druckwinkel α der Lagerung zu erzielen.

Sodann werden die Lager vormontiert. Aus den obengenannten Gründen ist es dabei zweckmäßig, die Einpreßkraft zu messen, da sie eine Bewertungsgröße für das Übermaß darstellt. Im gewählten Anwendungsfall liegt die Einpreßkraft beispielsweise zwischen 500 und 1000 N. Die Obergrenze ergibt sich aus der Forderung, daß beim Montieren der Lager noch keine Formänderungen an der Trommel 3 auftreten dürfen, während die Untergrenze dadurch bedingt ist, daß die Lager später unter bleibender Vorspannung stehen sollen und die Vorspannkräfte, aber auch mögliche Erschütterung der Lagerung z. B. Stoßbeanspruchungen nicht zu einer Dejustage der Lagerstellen zueinander führen dürfen. Im vormontierten Zustand sind die Kugellager 2 noch nicht vorgespannt.

Das insoweit vorbereitete Bauteil wird mit aufgeschobenen Andruckbüchsen 18 in die beschriebene Einrichtung eingesetzt und wird gegebenenfalls zunächst vorjustiert. Bei dieser Vorjustage wird die Trommel 3, wie in Fig. 2 dargestellt, über den Riemenantrieb 24 durch den Antriebsmotor 23 angetrieben. Zweck dieser Drehbewegung ist es, den normalen Betriebsfall für das drehbar gelagerte Bauteil zu simulieren. Die Drehzahl muß auf jeden Fall hoch genug liegen, um die Eigendämpfung der Lageranordnung zu überwinden, im gewählten Anwendungsfall beträgt sie etwa 1000 U/min. Mit Hilfe des Stellmotors 20 wird dann über den Exzenterantrieb 13, 12 langsam eine Justagekraft aufgebracht, die über den Stempel 9 und die in bezug auf die Anlageflächen der Andruckbüchsen 18 planparallel geführte Traverse 14 gleichmäßig auf die Innenringe 200 der Kugellager 2 übertragen wird.

Dabei werden die Kugellager 2 durch das Verschieben der Innenringe langsam vom entlasteten Zustand in den vorgespannten Zustand übergeführt. Bei diesem Übergang in den vorgespannten Zustand treten normalerweise charakteristische Schwingungen in Verbindung mit erhöhter Geräuschemission auf, die dann schnell abklingen. Mit dem Abklingen der Geräuschemission geht zugleich die Stromaufnahme des Antriebsmotors 23 zurück. Schrittweise wird diese Stromaufnahme bei einer Meßkraft von 10 N, d. h. weitgehender Entlastung des drehbeweglich gelagerten Bauteiles, gemessen. Diese Vorjustage ist abgeschlossen, sobald die Stromaufnahme einen vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht. Dieser Grenzwert ist selbstverständlich abhängig von der Ausführung der Lagerung, z. B. insbesondere der Viskosität der Schmierung, aber auch der Ausführungsform der Einrichtung; er ist also ein individueller Wert, der empirisch ermittelt werden muß. Zusätzlich lassen sich die während dieser Vorjustage auftretenden Lageänderungen der Innenringe 200 der Kugellager 2 mit Hilfe der µm-Meßuhr 21 überwachen. Ein erfahrener Bediener kann auch aufgrund der durch den simulierten Betrieb hervorgerufenen Lagergeräusche Rückschlüsse auf die Lagereinstellung ziehen, da ein Kugellager mit zuviel Radialluft Lagergeräusche abgeben kann, die mit dem Erreichen der richtigen Vorspannung abklingen. Zugleich erreicht auch die Stromaufnahme für den Antriebsmotor 23 den unteren Grenzwert unter der Voraussetzung, daß die vorgeschriebene geringe axiale Meßlast wirksam wird.

Die beschriebene Vorjustage ist jedoch nicht in allen Fällen erforderlich. Vielmehr kann es auch ausreichen, sofort mit der eigentlichen Justage der Lager 2 zu beginnen, die bei einer vorbestimmten Lagertemperatur von beispielsweise 30°C durchgeführt wird. Bei diesem Vorgang wird die Trommel 3 nicht angetrieben, stattdessen wird die in Fig. 4 dargestellte Meßeinrichtung 30, 31, 32 benutzt. Diese dient dazu, die statische Losbrechkraft wiederum bei einer Meßlast von 10 N zu prüfen. Dabei werden schrittweise die Gewichte 32 aufgesetzt, bis sich die Trommel 3 aus der Ruhelage herauszubewegen beginnt. Im vorgegebenen Anwendungsfall soll die statische Losbrechkraft 0,16 N mit einer Abweichung von 1,5% betragen. Die statische Losbrechkraft ist für einen gegebenen Anwendungsfall ein gutes Maß für die wirksame Vorspannkraft der Kugellager 2. Deshalb werden die Innenringe 200 der Kugellager schrittweise solange unter Aufbringen der Justagekraft weiter zusammengeschoben, bis die vorbestimmte Losbrechkraft erreicht ist. Dabei kann wiederum die Verschiebung der Innenringe 200 über die µm-Meßuhr 21 verfolgt werden. Die Verschiebung sollte unter Einbeziehung der trotz einer biegesteifen Ausführung immer noch vorhandenen Durchbiegung der Einrichtung etwa in Schritten von 1 µm erfolgen.

Dabei kann es nun vorkommen, daß die Kugellager 2 bei dieser Feineinstellung trotz des iterativen Vorgehens zu stark vorgespannt werden und dann die statische Losbrechkraft den vorgeschriebenen Wert übersteigt. Da diese Lagerkonstruktion ohne Distanzhülsen auskommt, ist die Lagervorspannung reversibel, d. h. die Lager können durch Zusammendrücken der Außenringe 220 wieder entlastet und dann erneut fein eingestellt werden. Eine solche Korrekturmöglichkeit ist bei einem konventionellen Lageraufbau mit Distanzhülsen nicht gegeben.

Daran schließt sich nun ein Prüfvorgang für die eingestellte Lageranordnung an, der wiederum bei einer Lagerbelastung mit der Meßlast von 10 N, nun aber mit einer Lagertemperatur von beispielsweise 10°C erfolgt. Wie ersichtlich werden die Justage und der Prüfvorgang bei unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen. Damit wird der praktische Betrieb simuliert, die gewählten Lagertemperaturen hängen demzufolge auch von den Einsatzbedingungen ab.

Bei diesem Prüfvorgang wird die Trommel 3 wieder angetrieben, die Drehzahl beträgt z. B. 400 U/min und es wird nochmals die Stromaufnahme des Antriebsmotors 23 geprüft, die mit geringer Abweichung den beschriebenen unteren Grenzwert haben soll. Weiterhin werden bei diesem Prüfvorgang vor allem aber an der Spindel 1 des drehbeweglich galagerten Bauteiles auftretende mechanische Schwingungen über den Beschleunigungssensor 27 aufnommen und mit dem Frequenzanalysator 29 dargestellt und ausgewertet. Vorzugsweise wird dieser Prüfvorgang für beide Drehrichtungen durchgeführt, bei denen die gleichen Ergebnisse auftreten sollen. Die Meßeinrichtung 27, 28, 29 ist dabei mit handelsüblichen Meßgeräten zu realisieren, wie sie z. B. von Brüel und Kjaer angeboten werden. Mit dem Frequenzanalysator 29 wird zunächst ein Amplitudenspektrum der über den Beschleunigungssensor 27 aufgenommenen Schwingungen aufgezeichnet. Für den gegebenen Anwendungsfall ist ein solches Amplitudenspektrum in dem Schaubild von Fig. 5 über der Frequenz f aufgetragen. Dieses Spektrum zeigt ein erstes Maximum bei einer Frequenz f 1, dies ist die Lagereigenfrequenz, die in diesem Beispiel etwas über 2 KHz liegt. Ein zweites Maximum tritt bei einer Frequenz f 2 ≈ 12 KHz auf, dies ist die Lagervorspannfrequenz. Das Schaubild von Fig. 5 soll im wesentlichen zeigen, daß die Lagervorspannfrequenz f 2 weit höher als die Lagereigenfrequenz f 1 gelegt ist. Die Lagervorspannfrequenz f 2 ist u. a. auch ein Maß für den zulässigen Temperaturbereich der Lageranordnung, ist im wesentlichen durch die Wahl der Lagervorspannkraft bedingt und kann durch steigende Vorspannkraft höher gelegt werden. Im gegebenen Anwendungsfall entspricht der Lagervorspannfrequenz f 2 im Bereich von etwa 12 KHz einer Lagervorspannung in der Größenordnung von 150 N.

Wenn aus Toleranzgründen einer Wälzkörper nicht vorgespannt ist, so schlägt dieser an den Laufflächen bzw. am Käfig ankontrolliert an, daraus resultiert ein unruhiger Lagerlauf. Dieser sporadisch auftretende Vorgang läßt sich in der Praxis nur sehr schwer mit der Frequenzanalyse, jedoch sehr wohl mit einem Zeitschaubild erfassen. Deshalb wird weiterhin mit dem Frequenzanalysator 29, in Fortsetzung des Prüfvorganges, das über den Beschleunigungssensor 27 aufgenommene Schwingungssignal bewertet und im zeitlichen Verlauf dargestellt. Zwei entsprechende Zeitschaubilder sind in Fig. 6 bzw. 7 gezeigt, die einen Signalverlauf, aufgetragen über der Zeitachse t, zeigen. Die beiden Schaubilder sind einander direkt gegenübergestellt, um unter Ausschaltung einer variablen Empfindlichkeit des Frequenzanalysators 29 je ein Beispiel für eine Lageranordnung mit unzulässigen bzw. zulässigen Werten für das Zeitsignal zu zeigen. Das Zeitschaubild von Fig. 6 weist weit über das weiße Rauschen hinausgehende Spannungsspitzen auf, die von einem unruhigen Lagerlauf herrühren. In diesem Fall muß die Ursache ermittelt und gegebenenfalls die Lagerjustage mit den beschriebenen Schritten nochmals durchgeführt werden, bis die in den Schaubildern 5 bzw. 7 dargestellten Bedingungen erfüllt sind. Andernfalls ist die Lageranordnung zumindestens mit der gegebenen Kombination von Bauteilen nicht akzeptabel.

An diesen Prüfvorgang schließt sich die Endmontage an, bei der noch die Dichtungsscheiben 4 aufgesetzt werden und ein Probelauf zum Einlaufen der Lager durchgeführt wird. Danach kann es zweckmäßig sein, die oben beschriebenen Prüfungen für die fertig montierte und eingelaufene Anordnung nochmals durchzuführen.

Bezugszeichenliste:

Fig. 1:

1 Spindel
2 Kugellager
200 Innenring
210 Kugel
220 Außenring
3 Trommel
4 Dichtungsscheiben
K Vorspannkraft
α Druckwinkel

Fig. 2 und 3:

5 Fundament
6 Bodenplatte
7 Seitenstützen
8 Deckplatte
81 Zentralbohrung der Traverse
82 Führung der Traverse
9 Stempel
10 Ritzel
11 Welle
12 Arm
13 Exzenterrad
14 Traverse
15 Stützen
16 Führungsbolzen
17 noppenförmige Erhebung
18 Andruckbüchsen
19 schaltbare Kupplung
20 Stellmotor
21 µm-Meßuhr
22 Anlagedorn
23 Antriebsmotor
24 Riementrieb
25 elektrische Ansteuerungsschaltung
251 Stromquelle
252 Amperemeter
253 Stromwandler
254 Schwellwertglied
26 Schalter
27 Beschleunigungssensor
28 Verstärker
29 Frequenzanalysator

Fig. 4:

30 Schnur
31 Rolle
32 Satz von Gewichten

Claims (11)

1. Einrichtung zum Einstellen einer definierten Lagervorspannung bei einem Bauteil mit einer auf einer Spindel über gegeneinander verspannte Wälzlager gelagerten Trommel, unter Verwendung einer Spannvorrichtung, mit der durch Aufbringen einer stufenlos verstellbaren Einpreßkraft die über die Spindel geschobenen Wälzlager gegeneinander verspannbar sind und unter Verwendung einer Motoranordnung zum wahlweisen Antreiben der Trommel gegenüber der dabei feststehenden Spindel mit einer vorgegebenen Drehzahl, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30, 31, 32) zum Messen des statischen Losbrechmomentes beim Einstellen der Lager (2), und durch eine dynamische Prüfeinrichtung mit einem Beschleunigungssensor (27), der am Bauteil befestigbar ist und einer an den Beschleunigungssensor angeschlossenen Einrichtung (28, 29) zur Frequenzanalyse, die das Schwingungsspektrum bzw. den zeitlichen Verlauf dieser Schwingungen für ein voreingestelltes Bauteil, das mit einer vorgegebenen Drehzahl umläuft, aufzeichnet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung als Presse mit einem durch Aufbringen einer Einpreßkraft stufenlos verstellbaren Stempel (9) und einer starren Bodenplatte (6) ausgebildet ist, zwischen denen das Bauteil (1, 2, 3) über die Spindel (1) geschobene, auf jeweils einander entsprechende Lagerringe (200 bzw. 220) einwirkende Büchsen (18) einspannbar ist und ein Getriebe (12, 13) zum Übertragen der Einpreßkraft auf den Stempel (9), sowie eine weitere Motoranordnung (19, 20) aufweist, die an die Antriebsseite des Getriebes angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe als Exzenterantrieb mit einer angetriebenen Exzenterscheibe (13) und einem davon ausgelenkten, den Stempel (9) in Preßrichtung bewegenden Hebelarm (12) ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Motoranordnung einen Stellmotor (20) und eine schaltbare Kupplung (19) aufweist, die zwischen dem Stellmotor und dem Getriebe (12, 13) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Motoranordnung neben einem Antriebsmotor (23) und einem Riementrieb (24) eine Einrichtung zum Messen des aufgenommenen Motorstromes (25) enthält, um die Einpreßkraft bei Erreichen eines vorbestimmten Wertes für den Motorstrom zurückzunehmen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des aufgenommenen Motorstromes (25) an eine der Kupplung (19) zugeordnete Schalteinrichtung (26) zum Ausrasten der Kupplung bei Abfall des aufgenommenen Motorstromes auf einen vorbestimmten Wert angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Presse (9, 14) eine Meßuhr (21) zum Anzeigen der Stempelverschiebung während des Einpreßvorganges angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Presse auf einem schwingungsfrei gelagerten Fundament (5) angeordnet ist.

9. Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagervorspannung bei einem Bauteil mit einer auf einer Spindel über gegeneinander verspannte Wälzlager gelagerten Trommel, unter Verwendung einer Spannvorrichtung, mit der durch Aufbringen einer stufenlos verstellbaren Einpreßkraft die über die Spindel geschobenen Wälzlager gegeneinander verspannbar sind und unter Verwendung einer Motoranordnung zum wahlweisen Antreiben der Trommel gegenüber der dabei feststehenden Spindel mit einer vorgegebenen Drehzahl unter Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) an dem im vormontierten Zustand in diese Einrichtung eingespannten Bauteil wird schrittweise die Einpreßkraft verändert und zwischenzeitlich das statische Losbrechmoment ermittelt, bei dem das Bauteil gerade eben beginnt, sich aus der Ruhelage herauszubewegen,
• b) dieser Schritt a) wird solange fortgesetzt, bis das bei einer axialen Lagerbelastung mit einer vorgegebenen Meßlast auftretende Losbrechmoment einen vorgegebenen Wert annimmt und
• c) zum Prüfen und Protokollieren der Charakteristik der so eingestellten Lagervorspannung wird das Bauteil nun mit einer vorbestimmten Drehzahl angetrieben und dabei werden über den an den Frequenzanalysator (29) angeschlossenen Beschleunigungssensor (27) gegebenenfalls noch verbliebene, durch Laufunruhe der Lager (2) am Bauteil hervorgerufene Schwingungen gemessen und mit dem Frequenzanalysator in Form eines Amplitudenspektrums sowie eines Zeitdiagrammes dargestellt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellvorgang an den Lagern (2) bei einer ersten Lagertemperatur und der Prüfvorgang für die Lagerung bei einer zweiten von der ersten abweichenden Lagertemperatur vorgenommen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Voreinstellen der Lagervorspannung das Bauteil mit einer vorbestimmten Drehzahl angetrieben und zugleich eine ansteigende Einpreßkraft auf einander entsprechende Lagerringe (200) der Lager (2) solange ausgeübt wird, bis ein vorbestimmter Wert der sich in Abhängigkeit von der Lagervorspannung ändernden Antriebsdrehmomentes erreicht ist.