EP1354135B1 - Miniature precision bearings for minisystems or microsystems and method for assembling such systems - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a microsystem and a method for manufacturing, adjusting or adjusting a bearing in a miniature to microsystem.
- Such a microsystem is described in WO-A 97/12147 (Fraunhofer) as, for example, a micropump or micromotor.
- a micropump or micromotor To promote a fluid or to be driven by a fluid is the operation of the pump or the motor. Bearings exist there and must be designed appropriately or become.
- the object of the invention is accordingly to propose a cost-effective solution in order to provide a microsystem of the type shown in FIG. 1, for example, with bearings which have the required highest accuracy as well as a long-term strength, in particular when operating with non-lubricating fluids.
- microsystem according to claim 1 or a manufacturing method, fitting method or setting method according to claim 7 for producing at least one bearing point of said microsystem.
- a "hard” bearing material be compared with those of a "soft” stator material.
- the terms should be understood to mean that the hard bearing material is, for example, ceramic or cemented carbide to ensure long term strength and long term accuracy of the at least one bearing. Compared to these hard materials, the easier to be machined to be machined softer stator materials meant that are cheaper to obtain and can be easily processed manufacturing technology. They accommodate the essentially small bearing components, which provide accuracy and abrasion resistance to solve the problem (claim 1).
- the stator has at least one section made of a material that is easier to machine with a cutting edge and that receives at least one bearing body made of the hard material.
- the bearing body preferably a sleeve
- the rotor is mounted either as a shaft or as an outer rotor or inner rotor.
- An alternative variant for the production of the mechanically strong connection consists in the temporally proceeding curing of a filler material which is inserted into a gap which exists between the bearing component and the slightly larger inner dimension of the receiving portion of the stator (claim 5).
- This gap can be in the range between 20 ⁇ m and 70 ⁇ m, in particular below 100 ⁇ m.
- After curing there is a composite of materials that is mechanically stable, durable and durable.
- the realization of the thus formed at least one bearing point is inexpensive.
- a third variant lies in the combination of the two methods described above, when two axially spaced bearings are provided (claim 3). Then, for press-fitting in a mechanical pressing operation with direct mechanical fixed connection for holding the first bearing component, hardening of a filler material between the second bearing component and the stator can be used.
- the first bearing is pressed mechanically displacing the soft material (claim 8).
- the second bearing is first loosely inserted into the stator, supported by the already mechanically fixed bearing whose center is axially spaced.
- a subsequent position positioning of the second bearing relative to the first bearing and thus also the absolute positioning of the second bearing relative to the stator follows and a hardening filler ensures after introduction between the second bearing and the stator for the temporally going to hardening and fixing (claim 9) ,
- the adhesion action forms in a gap which is left between the second bearing and the stator, as described above.
- the first bearing point which is mechanically positioned by displacement of a surface portion of the stator, that of a shaft, wherein the outer diameter of the bearing forming the sleeve has a smaller diameter than the sleeve which forms the subsequently defined second bearing point by curing a Filling material is accurately positioned (claim 4 or 11 or 12).
- the displacement or filling with a hardening material is the area which is to be described as "non-conformity" (feature (a), claim 7).
- the mismatch becomes a fit during the manufacturing process. Either the mismatch is achieved by a mechanical displacement of a part of the stator material (claim 5,6), or the mismatch becomes a mechanically strong connection by providing a hardening intermediate material which reaches the mechanically strong connection as filler material (claim 9).
- the bearing body When pressing in, the bearing body is guided with high precision during the entire pressing process in order to ensure a positionally accurate recording in the stator.
- the surface of the stator section which receives the bearing component is changed, in particular more than the surface, or a radial piece is displaced (claim 6).
- the at least one bearing body which was a separate bearing body made of a different material before completion of the production, is machined by a mechanical fine machining of the inner surface, such as grinding, honing or lapping, that a suitable bearing surface for the shaft or the outer rotor arises.
- a mechanical fine machining of the inner surface such as grinding, honing or lapping
- Particularly rotationally symmetrical bearing body are suitable for grinding operations, such as centerless grinding, and comparatively inexpensive to produce the necessary precision.
- the grinding also allows the machining of hard materials without restriction, whereby the choice of materials is not limited.
- the mechanical connection is made with the stator, wherein the introduction of the bearing sleeves and their mutual alignment, in particular by gluing or pressing, done with a separate device, which Location and orientation of the one, preferably defined by two eccentric bearings (claim 2,14) and achieved the necessary tolerances with relatively little effort.
- the adjustment carried out the sleeves can be made to each other, so that they initially move floating in the filled gap with curable material and align.
- the layer is stabilized and secured during the progressive hardening of the solder or adhesive.
- the manufacturing method advantageously restricts the variety of parts in a modular system with different rotor sizes of the gerotor pump, since with different gears - defined by an eccentricity and the toothing parameters - the same bearing body can be used.
- stator When pressing is carried out with a slight interference fit, in which the manufacturing tolerance of a "not sufficiently precise", for example, machined (under chip formation) produced stator defines the excess of the fit. Since the tolerance of the position of the negative mold in the housing usually does not correspond to the predetermined position of the corresponding bearing body, the material is displaced during the pressing process (claim 8). This process is asymmetric in most cases and is made possible by the roughness or a defined low contact ratio of the surface of the negative mold. The roughness of the surface to be produced is adjusted so that tips of the surface carrying the bearing body to be pressed in can be displaced relatively easily. Alternatively, the surface is also made possible by a defined axial or radial structure (comparable to a wooden dowel). The radial offset to be compensated can amount to approximately 10 ⁇ m to 20 ⁇ m between the bearing body and the section of the stator receiving it.
- the principle of storage can be transferred to other mechanical systems with defined bearings, such as external gear pumps, etc., so that not necessarily only eccentric axes with two bearing points are affected by the invention (claim 2).
- the rough specification of the position of the bearing body is inexpensively by cutting processes (turning, milling or the like) or urformend (eg by injection molding), deforming or predetermined in other manufacturing processes.
- the recesses (the negative forms) have only limited accuracy, so they can have greater tolerances than directly introduced bearings.
- already here shares of manufacturing costs are saved to then achieve the precise and accurate position of the bearing body to each other by means of the mounting device, the highly accurate placed the hard bearing body in the comparatively soft stator and sets micrometer accurate against each other in position and orientation.
- a separately essential mounting device which is also described below, has a decisive influence on all assembly operations. It defines the eccentric position of the two sleeve axes to each other by their mikrometerexakte geometry and stabilizes this position during the assembly process, either during pressing, or during the holding time during curing of the joining material.
- the execution of a storage corresponds to a so-called. Flying (one-sided) storage.
- the one-sided bearing is closer to the drive, as the remote part of the storage, which is occupied by the microsystem.
- the number of bearings requiring accuracy is reduced.
- the bearing body serves for the formation of the shaft bearing as an axial support for the outer rotor of the microsystem.
- the inner diameter of the bearing body for the shaft is smaller than the inner diameter of the bearing body for the outer rotor of the microsystem.
- the outer rotor (and also the inner rotor) are thus on the axial end face of the smallest inner diameter having bearing member. It forms between the two bearing components, a strip which has no constant width in the circumferential direction due to the eccentricity.
- the eccentric sleeves abut one another along their entire circumference (on at least one inner surface) and are in particular attached to an axial end section, that is to say on an end face of the stator.
- a coupling device is provided which creates a connection to a motor device in the sense of a drive.
- the limited spatial dimension of the bearings also allows the use of highly specific and expensive materials for the bearings without unduly increasing the cost of the overall system.
- a further adjustment possibility is provided in the axial direction when it can already be assumed that the first bearing point is a finished first support point (claims 11 to 13).
- the front play refers to the rotor used later, which is rotatably mounted in the second bearing. With the front play friction and fluidic storage can be specified.
- the inner opening of the stator, in which the at least one bearing point, preferably two axially spaced bearing points are used, has two sections, which each form an inwardly facing surface.
- the inner receptacle thus has two functional sections, for receiving two functionally different bearing points with respective bearing body.
- a Compensation function by pressing or gluing then acts in a very small range, with an eccentricity is gear-dependent, for example, 180 microns, in which example, an adhesive gap has a magnitude of not more than 70 microns and a pressure then has about 10 microns oversize.
- the microsystem of Figure 1 in its original size shows the requirements for miniaturization and the need to manufacture bearings provided in this system with high precision and to ensure their durability and abrasion resistance.
- FIGS. 1a and 2 shall be described together in order to obtain an insight into the microsystem illustrated in FIG.
- a drive system A which is coupled to the microcomponent via a flange area.
- a shaft of the motor is coupled via a coupling 23 to the shaft 40 of the microcomponent torsionally rigid or rotationally fixed.
- the designated interior 32 is bounded by a sleeve 21 which extends axially longer than the coupling 23 has in length.
- a first hat-shaped seal 24 is provided with a collar-shaped projecting thin flange portion, which seal 24 has an opening for the passage of the shaft 40.
- the seal is seated in an axial interior 31, in which also a first bearing sleeve 10 is placed, which also has an inner opening, in which the shaft 40 is suitably mounted for its rotation.
- a second, from the outer diameter ago larger sleeve 11 which has a larger inner opening for receiving the rotor or the rotors 2, 3 of the microsystem M, one of which rotatably placed on the shaft 40 via a pin 40a is.
- both internally toothed rotors Upon rotation of the shaft, both internally toothed rotors also rotate, for which purpose the outer bearing of the outer toothed ring is provided on the second sleeve 11.
- the second sleeve 11 has an axially much shorter extension, but a larger radial inner recess, while the first sleeve 10 has a suitable for the shaft small bore, but on an axially greater length.
- microcomponent described is generally designated M, but consists of the two internally toothed rotors 2 and 3 shown in FIG. 1a.
- a stator 30 which may be considered as a portion of the housing. He has a long-extending flange portion 30 b, which extends over the Distance sleeve 21 extends on the outside and the edge of the drive A for fixing engages, and a further upper portion 30a, in which the storage of the Mikrosytems M and the shaft 40 takes place.
- the stator 30 is bolted directly to the engine. Electric small motors have a uniform thread or connection holes, which are usually attached to the engine transmission otherwise.
- the inner opening of the second sleeve 11 for receiving the microsystem M is arranged in the stator at its end face.
- the sleeve can be mounted flush with the end face of the stator 30.
- a small projection can be provided to achieve a better sealing effect on the rotors when the overlying portion 29 29 ', which contains the fluid guide to the terminals F, with a greater pressure via a screw 28 to the stator 30 with intermediate Sealing ring 25 and a kidney plate 25 a is pressed.
- a left-hand thread is preferably provided between the screw flange 28 and the stator 30, which is arranged on the outside. The screwing is done with a special claw key, which engages in a lateral bore.
- the section 29 29 ' contains the fluidic control contours (inlet opening and outlet opening) and is aligned with its lower portion 29' via a cylindrical pin 22 for engagement in a fitting opening 22a in the stator 30 and possibly a collar on the stator 30 exactly (radially and circumferentially) ,
- the described flush bearing of the lower portion 29 'of the fluid guide portion 29, 29' with its drive-oriented surface on the rotors of the fluid system M is improved when a balancing ring 27 is provided between the clamping assembly 28 and the fluid guide portion 29 annular.
- This compensating ring 27 is made of a soft material, such as aluminum, copper or plastic and ensures that the portion 29 'is flush and flush with the likewise provided with an O-shaped seal 25 or an additional disc 25a with fluid-carrying kidney stator, in particular also on the outwardly facing end faces of the rotors in order to achieve a better sealing effect here. Due to the higher surface pressure (the richer concern) of the fluid guide portion 29 'against the second sleeve 11, the better sealing effect is achieved, which is favored by the soft balance ring 27.
- the fluid guide section F with the likewise to be regarded as a stator components 28,29,29 '.
- the drive area A adjoins this area.
- stator 30 is constructed so that the storage is placed flush with the facing away from the drive A end face, so that a placement of the fluid guide portion 29,29 'immediately adjacent to the fluidic microcomponent and with a proposed fluid guide structure of kidneys and Holes a passage and the functional operation of the micro-component M ensures.
- Figure 3 is a section through the axis of the system of Figure 2 showing two staggered axes 100 and 101.
- the axle offset is denoted by dr.
- the axis 100 is that axis of the first sleeve 10 which has a length L10.
- the sleeve is made of a hard material, such as carbide or ceramic. It is initially not inserted into the stator 30, which has an elongated opening 31 for its receptacle, the lower portion has an inner surface 30i. This inner surface can be seen schematically in FIG. 3a (in the lower field). It has a large roughness, which can arise during a cutting process. It does not have to have any particular accuracy and can even be made larger, as can be seen from FIG.
- another, axially above receiving portion in the stator 30 is provided as part of the opening 31, for receiving the second sleeve 11, which may also be made of a hard material such as ceramic or hard metal. She too is not used at first.
- the Bearing sleeves are designed primarily as a hollow cylinder and have a respective interior, for receiving the respective "rotor".
- the first sleeve 10 has an inner space with an inner surface 10i for receiving the shaft 40.
- the inner space is designated W and has a longitudinal extent corresponding to the sleeve length L10.
- the axially adjoining second sleeve 11 is provided for receiving and supporting the outer rotor 2. It has for this purpose a rotor mount R whose diameter d11i is greater than the diameter d10i of the shaft space W.
- the inner surface 11i is designed so that a bearing of the rotor is possible.
- the inner surface 10i of the first sleeve part 10 is also designed so that a bearing of the shaft 40 is possible
- Both surfaces are highly accurate and designed for their respective bearing function by grinding, eroding, honing or lapping.
- both placeholders 52, 53 are spatially fixed relative to a support plate 51.
- the placeholder 52 for the outer rotor takes on the second sleeve 11, wherein the placeholder fills the rotor geometry of the rotor space R.
- the second placeholder 53 for the shaft 40 is axially longer. He takes over the filling of the shaft space W and places the first sleeve 10 spatially geometrically so that the two spaced axes 100,101 is obtained for the eccentric mounting of the existing of two rotors microsystem M.
- An unillustrated pin on the support plate 51 allows its absolute location fixation relative to the stator 30, for engagement in the recess 22a.
- the inserter 50 After the sleeves 10,11 are placed on the inserter 50 and its two radially displaced placeholders 52,53 "dr", the inserter with a mechanical arrangement (not shown) is geometrically and massively precise, even highly precise the intended opening 31 of the stator 30 is inserted axially.
- the thrust path s or thrust direction s produced in this case is shown in FIGS. 5 and 3a. Due to the dimensioning and the Surface structure of the two sleeves 10,11 and the inner surfaces 30i 'and 30i of the stator, a change takes place at least the inner surfaces of the stator 30, which can be seen from Figure 3a before insertion and after insertion of the sleeve part 10.
- the rough surface of the non-high-precision manufactured inner surfaces is leveled or even removed or displaced, wherein the soft material is changed on the surface, but at the same time applies mechanical forces for the spatial geometric fixation of the indented sleeves 10,11, which serve as bearing pieces.
- the inner surfaces 11i, 10i of the two sleeves are high-precision, by insertion then also geometrically determined to meet their bearing function.
- the outer surfaces 10a and 11a of the two sleeves make a mechanical connection with the inner surfaces 30i 'and 30i of the stator when the inserter 50 is pushed axially by pressure.
- the insertion device then assumes the assignment of the eccentrically offset axes 100,101 of the two sleeves and placed them so long in the interior 31 with the two eccentric portions 30i, 30i 'of the stator 30 until an introduced hardening substance 12 fills the gap 13 fixing and the sleeves mechanically determined.
- a hardening substance a solder or an adhesive can be used; the first hardens by lowering the temperature, the second by a chemical reaction.
- the second sleeve 11 is axially shorter and has an axial length L11.
- the entire stator length is L.
- the sum of the two sleeve lengths L11 and L10 is still shorter than the stator length.
- dL represents an axial offset, but with the end faces of the two sleeves 10,11 abut each other. This system of the two end faces will be explained with reference to FIG.
- Figure 7 illustrates a top view in the axial direction 100,101 from above (seen from Figure 3 or Figure 6), the interiors R and W for the outer rotor and shaft are still open, so no wave 40 and no rotor 2 or 3 of the microsystem M used is.
- an end-face bearing surface 10b can be seen, which is also shown in FIG. 3 and in FIG. It has a width b, which is not constant circumferentially, which is due to the offset dr or ⁇ r of the two axes 100,101, and also by the choice of the two diameters of the sleeves, here the outer diameter d10a of the longer sleeve 10 and the inner diameter d11i the shorter Sleeve 11.
- the diameter or the associated radii as respective half-diameter, as well as the radial offset (eccentricity) are chosen so that one of the hard bearing components 10,11 forms a lying outside the surface 10b annular axial support surface 10c, which also circumferentially entirely is continuous and on the other hard bearing component 11 rests.
- the outer diameter d10a of the sleeve 10 is greater than the inner diameter d11i of the sleeve 11, that at no circumferential point of the soft material of the stator 30 as part of the support surface 10b for the rotor 2 of Figure 1a and possibly also the inner rotor 3 of Figure 1a - viewed in the axial direction - comes to light or carrying.
- the rotor or rotors are then axially securely supported, inserted axially into the rotor space R, and have a good seal on the surface 10b, while the ring portion 10c, which supports the sleeves 10 and 11 to each other and aligns orthogonally, no longer visible from the outside.
- the inner surfaces 11i and 10i form bearing surfaces for the shaft 40 and the outer rotor of the fluidic microcomponent M to serve as sliding bearings.
- the annular surfaces 10c and 10b together form the axially facing end face of the entire bearing component 10, which is provided for the shaft.
- the inner portion 10b is for supporting and aligning the microsystem, and the outer portion 10c lying around it on the same plane serves to align and support the second bearing member 11.
- the plan view in FIG. 7 also illustrates the gap 13 from FIG. 6, which is already filled with an adhesive or a solder 12, around the gap Sleeve 11 set against the softer material of the stator 30.
- the sleeve 11 has been aligned with the outer annular surface 10c of the lower sleeve 10 by abutment, so that its axis 101 is aligned exactly parallel to the axis 100.
- the exact alignment results from a highly accurate production of the end faces, which run exactly perpendicular to the axes and thus can indirectly influence the positioning and positional accuracy.
- the sleeve 10 was made to have an outer diameter of 5mm and an inner diameter of 1.2mm.
- the outer rotor 2 had an outer dimension of 3.8 mm and is thus - even taking into account the selected eccentricity of the two axes 100,101 within the outer dimension of 5.0 mm of him axially for providing a pivot bearing supporting sleeve 10. From this measure is also the inner dimension d11i see the second sleeve 11, according to the external dimension of the rotor to support him radially with a ring bearing in this respect. Both perpendicular to each other bearing, the inner wall surface 11i and the axially facing support surface of the sleeve 10 ensure accurate alignment and precise storage of the rotor component. 2
- FIG. 5 shows a perspective view when inserting the two bearing sleeves 10, 11, used in the case of an assembly and adjustment of the sleeves provided with an adhesive substance.
- the adhesive substance 12 is introduced into the gap 13, which is between 20 ⁇ m and 70 ⁇ m, based on the respective inner diameter of the stator 30 on the surfaces 30i and 30i '.
- the interior 31 for receiving the first sleeve 10 is longer than the bearing sleeve 10.
- the corresponding difference is - as shown in Figure 2 - from the radial shaft seal 24, which is set against the motor A through the spacer sleeve 21, taken.
- a Einsetzweg s of the two bearing sleeves 10,11, supported by the insertion device 50 of Figure 4 leads to the exact placement.
- the spatial geometric assignment and absolute placement of the sleeves 10,11 at least for a duration of curing the adhesive substance or the solder until the mechanical solidification occurs.
- the receptacle 22a in which the positioning pin 22 of Figure 2 when placing the fluid guide portion 28,29,29 'engages.
- the bore 22b has a minimum depth L10 + L11.
- the stepped bore 22b which can also be seen in FIG.
- the spatially geometrically highly accurate storage takes place only on one side, with respect to the shaft W but also a second bearing may be provided in the fluid guide member 29, but need not have such precision as the first storage in the sleeve 10, the also effective on an axially longer length L10.
- the bearing parts can be made rotationally symmetrical simple as sleeves. You may also have a different outer diameter in the geometry, only its inner diameter and its inner surface must be aligned so that the rotors 40,2 (shafts and outer rotor of the microsystem) can be geometrically accurate and resistant to abrasion.
- the combined type of insertion can also take place in succession.
- the first receptacle with the inner surface 30i in the first section of the opening 31 of the stator can be connected to a mechanical press-in operation, in which the sleeve 10 is positioned exactly in position, as shown in FIG. 3a.
- the second bearing point (here with the sleeve 11) can be positioned in the section L11 with the arrangement according to FIG. 4, wherein a gap 13 shown in FIG Circumference between the outer surface 11a and the inner surface 30i 'filled with an adhesive substance 12.
- the second sleeve With a tight fit of the first sleeve 10, the second sleeve can be positioned and glued relative thereto and thus also relative to the stator. As an alternative to gluing, a pressing process can also take place during the second process, which corresponds to the variant described above, only in succession.
- the device according to FIG. 4 can be used for all these variants.
- the first sleeve 10 is pressed into the stator 30, wherein the two opening portions 30i, 30i 'are provided as two eccentrically arranged portions of the overall recess 31.
- the second bearing 11 is then formed, in which the highly accurately manufactured bearing sleeve is inserted into the housing, wherein it rests flat on the first sleeve, on the end face portion 10c.
- the position of the second sleeve relative to the first sleeve is defined, for which purpose the device according to FIG. 4 can be used.
- an adhesive 12 is allowed to enter the gap 13 on the outer surface 11a of the second sleeve and hardened to define this bearing point, that is to be firmly connected to the stator 30.
- the two sleeves 10 and 11 can also be reversed in the order of attachment. First, the larger diameter sleeve 11, then - axially supported on the support surface portion 10c - the longer sleeve 10 for the shaft 40. The second sleeve 10 is then inserted from the clutch chamber 32 ago in the lower receiving portion of the recess 31.
- the mechanically accurate positioning in terms of spatial geometric definition relates to two significant dimensions. Once the amount of the eccentricity vector "dr" as a radial offset.
- This pin is not shown in Figure 4, but it opens up from the context and the spatial / geometric arrangement of the receptacle 22a of Figure 2, in which the final assembly accepting pin 22 is located. It takes over the peripheral determination of the fluid guide portion 28,29,29 'relative to the housing 30, which is referred to as a stator.
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Abstract
Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem Mikrosystem und einem Verfahren zum Herstellen, Anpassen oder Einstellen einer Lagerstelle in einem Mini- bis Mikrosystem.The invention relates to a microsystem and a method for manufacturing, adjusting or adjusting a bearing in a miniature to microsystem.
Ein solches Mikrosystem ist in der WO-A 97/12147 (Fraunhofer) als beispielsweise Mikropumpe oder Mikromotor beschrieben. Ein Fluid zu fördern oder von einem Fluid angetrieben zu werden ist der Betrieb der Pumpe bzw. des Motors. Lagerstellen bestehen dort und müssen passend gestaltet sein oder werden.Such a microsystem is described in WO-A 97/12147 (Fraunhofer) as, for example, a micropump or micromotor. To promote a fluid or to be driven by a fluid is the operation of the pump or the motor. Bearings exist there and must be designed appropriately or become.
Aufgrund der geringen Nennmaße für die Mikrosysteme, wozu beispielsweise auf die maßstabgetreue Zeichnung der Figur 1 verwiesen sind, besteht eine erhöhte Anforderung an die Lagerung von Außenrädern, Innenrädern oder von Wellen, die gemeinsam als "Rotoren" bezeichnet werden sollen. Besonders beim Durchleiten (Fördern oder Antreiben) von nicht schmierenden Medien besteht die Notwendigkeit, sehr harte und gleichzeitig korrosionsbeständige Werkstoffe zu verwenden, z.B. Keramik oder Hartmetall. Der Einsatz dieser Werkstoffe ist bei allen tribologisch beanspruchten Funktionsbauteilen des Mikrosystems sinnvoll, um den Einsatz von weichen oder korrosiven Werkstoffen mit einem stetigen oder stärkeren Verschleiß zu vermeiden. Gerade bei kleinen und kleinsten Abmessungen im Millimeterbereich (Minibis Mikrosystem) führt Verschleiß im Lagerbereich schnell zum Versagen des gesamten Systems.Due to the small nominal dimensions for the microsystems, to which reference is made, for example, to the true to scale drawing of Figure 1, there is an increased requirement for the storage of external wheels, internal wheels or shafts, which are collectively referred to as "rotors". Especially when passing (conveying or driving) non-lubricating media, there is a need to use very hard and at the same time corrosion-resistant materials, e.g. Ceramic or carbide. The use of these materials makes sense in all tribologically stressed functional components of the microsystem in order to avoid the use of soft or corrosive materials with a constant or greater wear. Especially with small and smallest dimensions in the millimeter range (Minibis microsystem) wear in the storage area quickly leads to failure of the entire system.
Hinzu tritt die fertigungstechnische Seite, die bei derartig geringen Nennmaßen Schwierigkeiten mit sich bringt, die hochgenau erforderlichen Maße dauerhaft einzuhalten. Diese Maßgenauigkeiten liegen im Mikrometerbereich, wobei geforderte Genauigkeiten im Bereich von 1 bis 2 µm liegen. Gerade die Verwendung von exzentrisch arbeitenden Mikrosystemen, bestehend aus zwei miteinander kämmenden Rotoren, sog. innenverzahnte Mikropumpen nach dem Gerotor-Prinzip, erfordert die hochgenaue Einhaltung der Exzentrizität, die durch zwei exzentrisch angeordnete Lagerstellen erreicht wird. Die so einen Radialversatz aufweisenden Lager haben dazuhin einen axialen Versatz, liegen aber axial dicht beieinander. Die Achsen der beiden Hülsen sind prinzipbedingt zueinander exzentrisch versetzt. Diese Exzentrizität erfordert eine Genauigkeit im Mikrometerbereich, was bei Verwendung spangebender Fertigungsverfahren mit üblichem Gehäuseaufbau aufwendig bis fertigungstechnisch unmöglich ist.Added to this is the manufacturing side, which brings with such low nominal dimensions difficulties, to comply with the high accuracy required dimensions permanently. These dimensional accuracies are in the micrometer range, with required accuracies being in the range of 1 to 2 μm. Especially the use of eccentrically operating microsystems, consisting of two intermeshing rotors, so-called. Internally toothed micropumps according to the gerotor principle, requires the highly accurate compliance with the eccentricity, which is achieved by two eccentrically arranged bearings. The bearing thus having a radial offset also have an axial offset, but are axially close to each other. The axes of the two sleeves are inherently offset from one another eccentrically. This eccentricity requires an accuracy in the micrometer range, which is complicated to manufacturing technology with the use of cutting manufacturing processes with conventional housing construction consuming.
Aufgabe der Erfindung ist demgemäß eine kostengünstige Lösung vorzuschlagen, um ein Mikrosystem der bspw. in Figur 1 abgebildeten Art mit Lagern zu versehen, welche die geforderte höchste Genauigkeit ebenso aufweisen, wie eine langfristige Beanspruchbarkeit, insbesondere bei Betrieb mit nicht schmierenden Fluiden. The object of the invention is accordingly to propose a cost-effective solution in order to provide a microsystem of the type shown in FIG. 1, for example, with bearings which have the required highest accuracy as well as a long-term strength, in particular when operating with non-lubricating fluids.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Mikrosystem nach Anspruch 1 oder einem Herstellverfahren, Anpaßverfahren oder Einstellverfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung zumindest einer Lagerstelle des genannten Mikrosystems.This object is achieved with a microsystem according to
Gemäß der Erfindung wird ein mechanisch präzises Gesamtsystem aus einfachen präzisen Körpern (Hülsen) und einem "ungenau" gefertigten Gehäuse (Stator) durch Verbindungstechnik (Löten, Kleben, Einpressen) kostengünstig aufgebaut, insbesondere im Zusammenhang mit zwei axial beabstandeten Lagern bzw. Lagerstellen und in einer Größenordnung der zu lagernden "Rotoren" in einem Durchmesserbereich unter 15 mm, wobei größere Ausführungen nicht ausgeschlossen werden sollen, die kleineren Durchmesser aber erhöhte Beachtung finden.According to the invention, a mechanically precise overall system of simple precise bodies (sleeves) and a "inaccurate" manufactured housing (stator) by connecting technology (soldering, gluing, press-fitting) constructed inexpensively, especially in connection with two axially spaced bearings or bearings and in an order of magnitude of the "rotors" to be stored in a diameter range of less than 15 mm, although larger versions should not be ruled out, but the smaller diameters should receive increased attention.
Im Rahmen der Erläuterung der Erfindung wird sowohl auf das Mikrosystem Bezug genommen, wie auch auf das Verfahren zur Herstellung der Lagerstelle des Mikrosystems, bei welcher Verfahrensvariante das Mikrosystem in dem Sinne negativ beschrieben wird, daß Räume und Lagerstellen geschaffen werden, in welche dieses Mikrosystem dann positiv eingesetzt werden kann. Ist das Mikrosystem selbst betroffen, ist der fertige Zustand beschrieben, bei dem das Herstellverfahren nur noch mittelbar erkennbar ist, wie aus der folgenden Erläuterung zur Stützung der Ansprüche erkennbar ist.In the context of the explanation of the invention, reference is made both to the microsystem, as well as to the method for producing the bearing of the microsystem, in which process variant the microsystem is described negatively in the sense that spaces and bearings are created, in which this microsystem then can be used positively. If the microsystem itself affected, the finished state is described, in which the manufacturing process is only indirectly recognizable, as can be seen from the following explanation in support of the claims.
Vorauszuschicken ist für den Anspruch 1 und 7, dass die Begriffe eines "harten" Lagerwerkstoffs mit demjenigen eines "weichen" Statorwerkstoffs verglichen werden. Die Begriffe sind so zu verstehen, daß der harte Lagerwerkstoff beispielsweise Keramik oder Hartmetall ist, zur Sicherstellung einer langfristigen Beanspruchbarkeit und einer langfristigen Genauigkeit der zumindest einen Lagerstelle. Gegenüber diesen harten Werkstoffen sind die leichter spangebend zu bearbeitenden weicheren Statorwerkstoffe gemeint, die preisgünstiger zu erhalten sind und leichter fertigungstechnisch bearbeitet werden können. Sie nehmen die im wesentlichen kleinen Lagerbauteile auf, welche Genauigkeit und Abriebfestigkeit zur Lösung der Aufgabe bereitstellen (Anspruch 1).It must be predicated on
Der Stator hat zumindest einen Abschnitt aus spangebend leichter zu bearbeitendem Werkstoff, der zumindest einen Lagerkörper aus dem harten Werkstoff aufnimmt. In dem Lagerkörper, bevorzugt einer Hülse, ist der Rotor entweder als Welle oder als Außenrotor oder Innenrotor gelagert.The stator has at least one section made of a material that is easier to machine with a cutting edge and that receives at least one bearing body made of the hard material. In the bearing body, preferably a sleeve, the rotor is mounted either as a shaft or as an outer rotor or inner rotor.
Zwischen dem harten Werkstoff und dem Statorwerkstoff befindet sich ein die mechanisch feste Verbindung begründender Bereich, der auf drei Weisen erhalten werden kann. Wird mit einem mechanischen Preßvorgang ein Teil des Gehäusewerkstoffs im Lagerbereich verdrängt, so führt eine unmittelbare mechanisch feste Verbindung zum Halten des Lagerbauteils in dem Sinne, daß nach dem Einsetzen eine mechanisch fest Verbindung von Lagerbauteil zum Stator besteht und das Lagerbauteil präzise ausgerichtet ist (Anspruch 6).Between the hard material and the stator material, there is a region which establishes the mechanically strong connection, which can be obtained in three ways. If a part of the housing material is displaced in the bearing area with a mechanical pressing operation, an immediate mechanically strong connection leads to the holding of the bearing component in the sense that after insertion a mechanically fixed connection of the bearing component to the stator exists and the bearing component is precisely aligned (claim 6) ).
Eine alternative Variante zur Herstellung der mechanisch festen Verbindung besteht in der zeitlich vor sich gehenden Aushärtung eines Füllwerkstoffs, der in einen Spalt eingefügt wird, welcher zwischen dem Lagerbauteil und dem etwas größeren Innenmaß des Aufnahmeabschnitts des Stators besteht (Anspruch 5). Dieser Spalt kann im Bereich zwischen 20 µm und 70 µm, insbesondere unterhalb 100 µm liegen. Nach dem Aushärten liegt ein Verbund von Werkstoffen vor, der mechanisch stabil, langfristig belastbar und lagegenau hergestellt ist. Zudem ist die Realisierung der so gebildeten zumindest einen Lagerstelle kostengünstig.An alternative variant for the production of the mechanically strong connection consists in the temporally proceeding curing of a filler material which is inserted into a gap which exists between the bearing component and the slightly larger inner dimension of the receiving portion of the stator (claim 5). This gap can be in the range between 20 μm and 70 μm, in particular below 100 μm. After curing, there is a composite of materials that is mechanically stable, durable and durable. In addition, the realization of the thus formed at least one bearing point is inexpensive.
Eine dritte Variante liegt in der Kombination der beiden zuvor beschriebenen Verfahren, wenn zwei axial beabstandete Lager vorgesehen werden (Anspruch 3). Dann kann zu einem Einpressen bei einem mechanischen Preßvorgang mit mechanischer unmittelbarer fester Verbindung zum Halten des ersten Lagerbauteils eine Aushärtung eines Füllwerkstoffs zwischen dem zweiten Lagerbauteil und dem Stator hinzugezogen werden.A third variant lies in the combination of the two methods described above, when two axially spaced bearings are provided (claim 3). Then, for press-fitting in a mechanical pressing operation with direct mechanical fixed connection for holding the first bearing component, hardening of a filler material between the second bearing component and the stator can be used.
Zunächst wird das erste Lager mechanisch den weichen Werkstoff verdrängend eingepresst (Anspruch 8). Anschließend wird das zweite Lager zunächst lose in den Stator eingelegt, gestützt von dem mechanisch bereits festen Lager, dessen Mitte axial beabstandet ist. Eine anschließende Lagepositionierung des zweiten Lagers gegenüber dem ersten Lager und damit auch die absolute Positionierung des zweiten Lagers gegenüber dem Stator folgt und ein aushärtender Füllwerkstoff sorgt nach Einbringen zwischen dem zweiten Lager und dem Stator für das zeitlich vor sich gehende Aushärten und Fixieren (Anspruch 9). Die Adhäsionswirkung bildet sich dabei in einem Spalt, der zwischen dem zweiten Lager und dem Stator belassen wird, wie zuvor beschrieben.First, the first bearing is pressed mechanically displacing the soft material (claim 8). Subsequently, the second bearing is first loosely inserted into the stator, supported by the already mechanically fixed bearing whose center is axially spaced. A subsequent position positioning of the second bearing relative to the first bearing and thus also the absolute positioning of the second bearing relative to the stator follows and a hardening filler ensures after introduction between the second bearing and the stator for the temporally going to hardening and fixing (claim 9) , The adhesion action forms in a gap which is left between the second bearing and the stator, as described above.
Bevorzugt ist die erste Lagerstelle die mechanisch durch Verdrängung eines Oberflächenabschnitts des Statorwerkstoffs positioniert wird, diejenige einer Welle, wobei der äußere Durchmesser der die Lagerstelle bildenden Hülse einen kleineren Durchmesser aufweist, als diejenige Hülse, welche die anschließend festgelegte zweite Lagerstelle bildet, die durch Aushärten eines Füllwerkstoffes lagegenau festgelegt wird (Anspruch 4 oder 11 oder 12).Preferably, the first bearing point which is mechanically positioned by displacement of a surface portion of the stator, that of a shaft, wherein the outer diameter of the bearing forming the sleeve has a smaller diameter than the sleeve which forms the subsequently defined second bearing point by curing a Filling material is accurately positioned (claim 4 or 11 or 12).
Die Verdrängung oder die Auffüllung mit einem aushärtenden Werkstoff ist derjenige Bereich, der als "Unpassung" beschrieben werden soll (Merkmal (a), Anspruch 7). Die Unpassung wird beim Herstellvorgang zu einer Passung. Entweder wird die Unpassung durch eine mechanische Verdrängung eines Teils des Statorwerkstoffs erreicht (Anspruch 5,6), oder aber die Unpassung wird zu einer mechanisch festen Verbindung durch Schaffung eines aushärtenden Zwischenwerkstoffs, der als Füllwerkstoff die mechanisch feste Verbindung erreicht (Anspruch 9).The displacement or filling with a hardening material is the area which is to be described as "non-conformity" (feature (a), claim 7). The mismatch becomes a fit during the manufacturing process. Either the mismatch is achieved by a mechanical displacement of a part of the stator material (claim 5,6), or the mismatch becomes a mechanically strong connection by providing a hardening intermediate material which reaches the mechanically strong connection as filler material (claim 9).
Beim Eindrücken wird der Lagerkörper während des gesamten Preßvorganges hochgenau geführt, um eine lagegenaue Aufnahme im Stator sicherzustellen. Beim mechanischen Führen und bei dem Verdrängungsvorgang wird zumindest die Oberfläche des Statorabschnitts, der den Lagerbauteil aufnimmt, verändert, insbesondere mehr als die Oberfläche, oder ein radiales Stück verdrängt (Anspruch 6).When pressing in, the bearing body is guided with high precision during the entire pressing process in order to ensure a positionally accurate recording in the stator. During mechanical guiding and during the displacement process, at least the surface of the stator section which receives the bearing component is changed, in particular more than the surface, or a radial piece is displaced (claim 6).
Ohne eine Verdrängung arbeitet die Aushärtung des Füllwerkstoffs (Anspruch 5,9), wobei das Lagerbauteil während der Aushärtung lagegenau gehalten wird, um die mechanisch feste Verbindung zu einer lage-genauen präzisen Verbindung werden zu lassen.Without displacement, the curing of the filler works (claim 5.9), wherein the bearing member is held accurately during curing in order to make the mechanically strong connection to a precise positional precise connection.
Der zumindest eine Lagerkörper, der vor Abschluß der Fertigung ein vom Stator gesonderter Lagerkörper aus einem anderen Werkstoff war, wird durch eine mechanische Feinbearbeitung der Innenfläche, beispielsweise ein Schleifen, Honen oder Läppen, so bearbeitet, daß eine geeignete Lagerfläche für die Welle oder den Außenrotor entsteht. Besonders rotationssymmetrische Lagerkörper sind für Schleifoperationen, wie Spitzenlosschleifen, geeignet und vergleichsweise kostengünstig in der notwendigen Präzision herzustellen. Das Schleifen ermöglicht zudem die Bearbeitung der harten Werkstoffe ohne Einschränkung, wodurch die Werkstoffauswahl nicht eingeschränkt ist. Nach der hochgenauen Herstellung der Lagerflächen wird die mechanische Verbindung mit dem Stator vorgenommen, wobei die Einführung der Lagerhülsen und ihre gegenseitige Ausrichtung, insbesondere durch Verkleben oder Einpressen, mit einer gesonderten Vorrichtung geschieht, welche die Lage und Orientierung der einen, bevorzugt von zwei exzentrischen Lagerstellen (Anspruch 2,14) definiert und die notwendigen Toleranzen mit vergleichsweise geringem Aufwand erreicht.The at least one bearing body which was a separate bearing body made of a different material before completion of the production, is machined by a mechanical fine machining of the inner surface, such as grinding, honing or lapping, that a suitable bearing surface for the shaft or the outer rotor arises. Particularly rotationally symmetrical bearing body are suitable for grinding operations, such as centerless grinding, and comparatively inexpensive to produce the necessary precision. The grinding also allows the machining of hard materials without restriction, whereby the choice of materials is not limited. After the high-precision production of the bearing surfaces, the mechanical connection is made with the stator, wherein the introduction of the bearing sleeves and their mutual alignment, in particular by gluing or pressing, done with a separate device, which Location and orientation of the one, preferably defined by two eccentric bearings (
Vor einem Aushärten des beispielsweise Lots oder Klebers als aushärtbarem Werkstoff kann die durchgeführte Justage der Hülsen zueinander erfolgen, so daß diese sich zunächst in dem mit aushärtbarem Werkstoff gefüllten Spalt schwimmend bewegen und ausrichten.Before curing of, for example, solder or adhesive as a curable material, the adjustment carried out the sleeves can be made to each other, so that they initially move floating in the filled gap with curable material and align.
Mit einer Haltevorrichtung wird die Lage stabilisiert und während des fortschreitenden Aushärtens des Lots oder des Klebstoffs gesichert.With a holding device, the layer is stabilized and secured during the progressive hardening of the solder or adhesive.
Das Herstellverfahren schränkt vorteilhaft die Teilevielfalt bei einem Baukastensystem mit unterschiedlichen Rotorgrößen der Zahnringpumpe ein, da bei unterschiedlichen Verzahnungen - definiert durch eine Exzentrizität und die Verzahnungsparameter - die gleichen Lagerkörper eingesetzt werden können.The manufacturing method advantageously restricts the variety of parts in a modular system with different rotor sizes of the gerotor pump, since with different gears - defined by an eccentricity and the toothing parameters - the same bearing body can be used.
Beim Einpressen wird mit einer leichten Preßpassung gearbeitet, bei der die Fertigungstoleranz eines "nicht ausreichend präzisen", beispielsweise spanend (unter Spanbildung) hergestellten Stators das Übermaß der Passung definiert. Da die Toleranz der Lage der Negativform im Gehäuse in der Regel nicht der vorgegebenen Lage der entsprechenden Lagerkörper entspricht, wird beim Einpreßvorgang der Werkstoff verdrängt (Anspruch 8). Dieser Vorgang erfolgt in den meisten Fällen asymmetrisch und wird durch die Rauheit bzw. einen definiert geringen Traganteil der Oberfläche der Negativform möglich. Die Rauheit der herzustellenden Oberfläche ist so eingestellt, daß Spitzen der Oberfläche, die den einzupressenden Lagerkörper tragen, relativ leicht verdrängt werden können. Alternativ wird die Oberfläche auch durch eine definierte axiale oder radiale Struktur (vergleichbar einem Holzdübel) ermöglicht. Der auszugleichende Radialversatz kann zwischen Lagerkörper und dem ihn aufnehmenden Abschnitt des Stators etwa 10µm bis 20µm betragen.When pressing is carried out with a slight interference fit, in which the manufacturing tolerance of a "not sufficiently precise", for example, machined (under chip formation) produced stator defines the excess of the fit. Since the tolerance of the position of the negative mold in the housing usually does not correspond to the predetermined position of the corresponding bearing body, the material is displaced during the pressing process (claim 8). This process is asymmetric in most cases and is made possible by the roughness or a defined low contact ratio of the surface of the negative mold. The roughness of the surface to be produced is adjusted so that tips of the surface carrying the bearing body to be pressed in can be displaced relatively easily. Alternatively, the surface is also made possible by a defined axial or radial structure (comparable to a wooden dowel). The radial offset to be compensated can amount to approximately 10 μm to 20 μm between the bearing body and the section of the stator receiving it.
Das Prinzip der Lagerung kann auch auf weitere mechanische Systeme mit definierten Lagerungen, wie Außenzahnradpumpen etc. übertragen werden, so daß nicht zwingend nur exzentrisch Achsen mit zwei Lagerstellen von der Erfindung betroffen sind (Anspruch 2).The principle of storage can be transferred to other mechanical systems with defined bearings, such as external gear pumps, etc., so that not necessarily only eccentric axes with two bearing points are affected by the invention (claim 2).
Die grobe Vorgabe der Lage der Lagerkörper wird preisgünstig durch spangebende Verfahren (Drehen, Fräsen oder ähnlichem) oder urformend (z.B. durch Spritzguß), umformend oder in anderen Herstellverfahren vorgegeben. Die Ausnehmungen (die Negativformen) haben dabei nur begrenzt genaue Maße, können also größere Toleranzen aufweisen, als direkt eingebrachte Lagerstellen. Bereits hier werden Anteile von Fertigungskosten eingespart, um anschließend die präzise und genaue Lage der Lagerkörper zueinander mit Hilfe der Montagevorrichtung zu erreichen, die hochgenau die harten Lagerkörper in den vergleichsweise weichen Stator plaziert und gegeneinander in Lage und Ausrichtung mikrometergenau festlegt.The rough specification of the position of the bearing body is inexpensively by cutting processes (turning, milling or the like) or urformend (eg by injection molding), deforming or predetermined in other manufacturing processes. The recesses (the negative forms) have only limited accuracy, so they can have greater tolerances than directly introduced bearings. Already here shares of manufacturing costs are saved to then achieve the precise and accurate position of the bearing body to each other by means of the mounting device, the highly accurate placed the hard bearing body in the comparatively soft stator and sets micrometer accurate against each other in position and orientation.
Eine gesondert wesentliche Montagevorrichtung, die im weiteren auch beschrieben ist, hat bei allen Montageoperationen maßgebenden Einfluß. Sie definiert durch ihre mikrometerexakte Geometrie die exzentrische Lage der beiden Hülsenachsen zueinander und stabilisiert diese Lage während des Montageprozesses, entweder beim Einpressen, oder aber während der Haltezeit beim Aushärten des Fügewerkstoffs.A separately essential mounting device, which is also described below, has a decisive influence on all assembly operations. It defines the eccentric position of the two sleeve axes to each other by their mikrometerexakte geometry and stabilizes this position during the assembly process, either during pressing, or during the holding time during curing of the joining material.
Die Ausführung einer Lagerung entspricht einer sog. fliegenden (einseitigen) Lagerung. Die einseitige Lagerstelle ist dabei näher dem Antrieb, als der abgewandte Teil der Lagerung, der vom Mikrosystem eingenommen wird. Mit der einseitigen Lagerung wird die Anzahl der Genauigkeit erfordernden Lagerstellen reduziert. So kann durch die Verwendung einer den Rotor (Außenrotor, Innenrotor oder Welle) aufnehmenden Lagerhülse die radiale Lagerung des rotierenden Funktionselements sichergestellt werden. Werden zwei Lagerungen vorgesehen, die exzentrisch zueinander angeordnet sind, dient der Lagerkörper für die Bildung der Wellenlagerung als axiale Abstützung für den Außenrotor des Mikrosystems. Dazu ist der Innendurchmesser des Lagerkörpers für die Welle kleiner als der Innendurchmesser des Lagerkörpers für den Außenrotor des Mikrosystems. Dadurch, daß auch der Außendurchmesser des Lagerkörpers für die Welle größer als der Innendurchmesser des Lagerkörpers für den Außenrotor ist, entsteht eine axiale Lagerfläche. Der Außenrotor (und auch der Innenrotor) liegen damit auf der axialen Stirnfläche des den kleinsten Innendurchmesser aufweisenden Lagerbauteils an. Es bildet sich zwischen den beiden Lagerbauteilen ein Streifen, der in umfänglicher Richtung keine konstante Breite aufgrund der Exzentrizität aufweist.The execution of a storage corresponds to a so-called. Flying (one-sided) storage. The one-sided bearing is closer to the drive, as the remote part of the storage, which is occupied by the microsystem. With one-sided storage, the number of bearings requiring accuracy is reduced. Thus, by the use of a rotor (outer rotor, inner rotor or shaft) receiving bearing sleeve, the radial bearing of the rotating functional element can be ensured. If two bearings are provided, which are arranged eccentrically to one another, the bearing body serves for the formation of the shaft bearing as an axial support for the outer rotor of the microsystem. For this purpose, the inner diameter of the bearing body for the shaft is smaller than the inner diameter of the bearing body for the outer rotor of the microsystem. The fact that the outer diameter of the bearing body for the shaft is larger than the inner diameter of the bearing body for the outer rotor, creates an axial bearing surface. The outer rotor (and also the inner rotor) are thus on the axial end face of the smallest inner diameter having bearing member. It forms between the two bearing components, a strip which has no constant width in the circumferential direction due to the eccentricity.
Die exzentrischen Hülsen liegen entlang ihres gesamten Umfangs (an zumindest einer Innenfläche) aneinander an und sind insbesondere an einem axialen Endabschnitt, also an einer Stirnfläche des Stators angebracht. Am anderen Ende des Stators ist eine Kupplungsvorrichtung vorgesehen, die zu einer Motoreinrichtung im Sinne eines Antriebs eine Verbindung schafft.The eccentric sleeves abut one another along their entire circumference (on at least one inner surface) and are in particular attached to an axial end section, that is to say on an end face of the stator. At the other end of the stator, a coupling device is provided which creates a connection to a motor device in the sense of a drive.
Wenn von einer radial versetzten Lagerung und von einer axial versetzten Lagerung die Rede ist, kann auf die jeweiligen Mitten Bezug genommen werden. Bei der radialen Versetzung werden die Achsen zueinander versetzt, wofür der Parameter "dr" steht. Eine axiale Versetzung entspricht einem Abstand der Mitten der Lagerstellen, wobei der Abstand mit dL bezeichnet ist. Die beiden Lagerstellen selbst haben aber eine endliche axiale Länge, und sie sind eng benachbart, insbesondere unmittelbar angrenzend aneinander.When talking about a radially offset bearing and an axially offset bearing, reference may be made to the respective centers. In the radial displacement, the axes are offset from each other, for which the parameter "dr" stands. An axial offset corresponds to a distance of the centers of the bearings, wherein the distance is denoted by dL. However, the two bearings themselves have a finite axial length, and they are closely adjacent, especially immediately adjacent to each other.
Die nur räumlich begrenzte Abmessung der Lagerstellen erlaubt auch die Verwendung hochspezieller und teurer Werkstoffe für die Lagerstellen, ohne das Gesamtsystem unbotmäßig zu verteuern.The limited spatial dimension of the bearings also allows the use of highly specific and expensive materials for the bearings without unduly increasing the cost of the overall system.
Bei der mechanischen Feinbearbeitung, bezogen auf das gesonderte Lagerbauteil, das vor dem Einsetzen eine als innere Lagerfläche geeignete Oberfläche aufweist, kann auch eine Rechtwinkligkeit dieser inneren Lagerfläche gegenüber einer Stirnseite des Lagerbauteils beachtet werden. Eine Rechtwinkligkeit ist vorteilhaft für eine zusätzliche Hilfslagerung im Sinne einer mechanischen Stützstelle bei der Montage der Lagerstellen (Anspruch 14).In the mechanical finishing, based on the separate bearing component, which has a suitable inner bearing surface before insertion, a perpendicularity of this inner bearing surface relative to an end face of the bearing component can be observed. A perpendicularity is advantageous for an additional auxiliary bearing in the sense of a mechanical support point during assembly of the bearing points (claim 14).
Eine weitere Justiermöglichkeit bietet sich in axialer Richtung dann, wenn von einer fertigen ersten Stützstelle als erste Lagerstelle schon ausgegangen werden kann (Anspruch 11 bis 13). Die Höhe (in Axialrichtung gemessen) der Lagerstelle für die Aufnahme des Rotors, also der zweiten Lagerstelle, kann dabei fertigungstechnisch exakt gegenüber dem Stator so eingestellt werden, daß ein definiertes Stirnspiel erreicht werden kann. Das Stirnspiel bezieht sich auf den später eingesetzten Rotor, der in der zweiten Lagerstelle drehgelagert wird. Mit dem Stirnspiel kann Reibung und fluidische Lagerung vorgegeben werden. Die inneren Öffnung des Stators, in welche die zumindest eine Lagerstelle, vorzugsweise zwei axial beabstandeten Lagerstellen eingesetzt werden, weist zwei Abschnitte auf, welche jeweils eine nach innen weisende Oberfläche bilden. Diese Oberflächen sind die zur Lagerung noch nicht geeigneten Flächenabschnitte, an denen durch Kleben, Pressen oder eine Kombination dieser Verbindungstechniken die Lagerstellen durch die fertigungstechnisch genaueren Lagerhülsen angebracht werden. Diese beiden Oberflächenabschnitte des Rohlagers sind bereits exzentrisch zueinander ausgerichtet, um eine jeweilige Achse zu bilden, die einen Achsabstand in radialer Richtung von "dr" besitzen.A further adjustment possibility is provided in the axial direction when it can already be assumed that the first bearing point is a finished first support point (claims 11 to 13). The height (measured in the axial direction) of the bearing for receiving the rotor, so the second bearing point, while manufacturing technology can be adjusted exactly opposite the stator so that a defined frontal play can be achieved. The front play refers to the rotor used later, which is rotatably mounted in the second bearing. With the front play friction and fluidic storage can be specified. The inner opening of the stator, in which the at least one bearing point, preferably two axially spaced bearing points are used, has two sections, which each form an inwardly facing surface. These surfaces are not yet suitable for storage surface sections on which by gluing, pressing or a combination of these joining techniques, the bearings are mounted by the manufacturing technology more accurate bearing sleeves. These two surface portions of the stock are already aligned eccentrically to each other to form a respective axis having a center distance in the radial direction of "dr".
Die innere Aufnahme hat damit zwei funktionelle Abschnitte, zur Aufnahme von zwei funktionell unterschiedlichen Lagerstellen mit jeweiligem Lagerkörper. Eine Ausgleichsfunktion durch Einpressen oder Kleben wirkt dann in einem nur sehr kleinen Maßbereich, wobei eine Exzentrizität verzahnungsabhängig ist, beispielsweise 180 µm, in welchem Beispiel ein Klebespalt eine Größenordnung von maximal 70 µm besitzt und eine Pressung dann etwa 10 µm Übermaß besitzt.The inner receptacle thus has two functional sections, for receiving two functionally different bearing points with respective bearing body. A Compensation function by pressing or gluing then acts in a very small range, with an eccentricity is gear-dependent, for example, 180 microns, in which example, an adhesive gap has a magnitude of not more than 70 microns and a pressure then has about 10 microns oversize.
Ausführungsbeispiele erläutern und ergänzen die beanspruchte Erfindung.
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Figur 1 - veranschaulicht in Originalgröße mit einem Maßstab 1:1
das vollständige Mikrosystem 1, bestehend aus einen Fluidanschluß F, der eigentlichen fluiddurchsetzten Mikrokomponente M, z.B. als Pumpe mit motorischem Antrieb A, oder als fluidischer Motor M mit Antriebsobjekt A. - Figur 1a
- veranschaulicht in starker Vergrößerung eine Explosionsdarstellung der Figur 1 mit allen im folgenden näher zu beschreibenden Komponenten, wobei die Mikrokomponente M aus einem Innenrotor 3 und einem Außenrotor 2 besteht, welcher Innenrotor auf einer
Welle 40 aufgesetzt ist. Diese Mikrokomponente ist in der eingangs beschriebenen WO-Schrift näher erläutert und soll daher im folgenden als Gerotor-System bzw. als innenverzahntes Zahnringsystem mit miteinander kämmenden Zähnen bei der Drehbewegung bezeichnet werden. -
Figur 2 - ist eine Schnittdarstellung entlang der Hauptachse der Figur 1a und veranschaulicht den Zusammenbau des Zahnringsystems mit allen Komponenten.
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Figur 3 - veranschaulicht einen Schnitt entlang der Mittelachse des in den vorigen Figuren bezeichneten Systems, wobei nur der
Stator 30 als Gehäuse schematisch dargestellt ist, zur Veranschaulichung der hier eingesetzten Hülsen 10,11 als Lagerstellen. - Figur 3a
- veranschaulicht die Oberflächen 30i und
10a von Lagerhülse 10und Stator 30 vor und nach dem Einsetzen der Hülse. - Figur 4
- veranschaulicht ein Stütz-
und Positioniersystem 50 für die 10,11Einbringung der Hülsen von Figur 3. - Figur 5
- veranschaulicht perspektivisch die
Figur 3 mit dem Stator und davon noch beabstandet, also vor dem Einsetzen das erste Hülsenteil 10 und das zweite Hülsenteil 11 zur Aufnahme derWelle 40 im Wellenraum W und des Außenrotors des Mikrosystems im Rotorraum R. Beide Teile werden in Richtung s in den dafür vorgesehenen Innenraum 31 des Stators eingesetzt. - Figur 6
- veranschaulicht eine alternative Justage und Befestigung der Hülsen 10,11 von Figur 5, verglichen mit Figur 3a.
- Figur 7
- veranschaulicht eine Aufsicht in Achsrichtung auf die
Figur 3, noch ohne eingesetzten Rotor und ohne eingesetzteWelle 40, zur Veranschaulichung der axialen Lager-und Stützfläche 10b.
- FIG. 1
- illustrates in full scale scale 1: 1 the
complete microsystem 1, consisting of a fluid port F, the actual fluid-penetrated micro-component M, eg as a pump with motor drive A, or as a fluid motor M with drive object A. - FIG. 1a
- FIG. 1 is an enlarged exploded view of FIG. 1 with all the components to be described in more detail below, wherein the microcomponent M consists of an
inner rotor 3 and anouter rotor 2, which inner rotor is mounted on ashaft 40. This microcomponent is explained in more detail in the WO document described above and is therefore to be referred to below as a gerotor system or as an internally toothed ring gear system with intermeshing teeth in the rotary motion. - FIG. 2
- is a sectional view along the main axis of Figure 1a and illustrates the assembly of the toothed ring system with all components.
- FIG. 3
- illustrates a section along the central axis of the system referred to in the previous figures, wherein only the
stator 30 is shown as a housing schematically, to illustrate the sleeves used here 10,11 as bearings. - FIG. 3a
- illustrates the
30i and 10a of bearingsurfaces sleeve 10 andstator 30 before and after insertion of the sleeve. - FIG. 4
- FIG. 3 illustrates a support and
positioning system 50 for the insertion of the 10, 11 of FIG. 3.sleeves - FIG. 5
- 3 illustrates in perspective the figure 3 with the stator and still spaced apart, ie before insertion, the
first sleeve part 10 and thesecond sleeve part 11 for receiving theshaft 40 in the shaft space W and the outer rotor of the microsystem in the rotor space R. Both parts are in direction s in used for the designatedinterior 31 of the stator. - FIG. 6
- FIG. 3 illustrates an alternative adjustment and attachment of the
10, 11 of FIG. 5, compared with FIG. 3a.sleeves - FIG. 7
- illustrates an axial view of the figure 3, still with no rotor inserted and without inserted
shaft 40, for illustrating the axial bearing andsupport surface 10b.
Das Mikrosystem von Figur 1 in einer Originalgröße zeigt die Anforderungen an die Miniaturisierung sowie die Notwendigkeit, in diesem System vorgesehene Lager mit hochgenauer Präzision zu fertigen und ihre Beständigkeit und Abriebfestigkeit sicherzustellen.The microsystem of Figure 1 in its original size shows the requirements for miniaturization and the need to manufacture bearings provided in this system with high precision and to ensure their durability and abrasion resistance.
Die Figuren 1a und 2 sollen gemeinsam beschrieben werden, um einen Einblick in das in Figur 1 veranschaulichte Mikrosystem zu erhalten. FIGS. 1a and 2 shall be described together in order to obtain an insight into the microsystem illustrated in FIG.
Den größten Abschnitt nimmt ein Antriebssystem A ein, das über einen Flanschbereich mit der Mikrokomponente gekoppelt ist. Eine Welle des Motors wird über eine Kupplung 23 an die Welle 40 der Mikrokomponente drehstarr oder drehfest gekoppelt. Der dafür vorgesehene Innenraum 32 wird von einer Hülse 21 begrenzt, die sich axial länger erstreckt, als die Kupplung 23 an Länge aufweist. Im Bereich der Welle 40 ist eine erste hutförmige Dichtung 24 mit kragenförmig abstehendem dünnen Flanschabschnitt vorgesehen, welche Dichtung 24 eine Öffnung zum Durchgriff der Welle 40 aufweist. Die Dichtung sitzt in einem axialen Innenraum 31, in dem auch eine erste Lagerhülse 10 plaziert ist, die ebenfalls eine Innenöffnung aufweist, in der die Welle 40 für ihre Drehung geeignet gelagert ist.The largest section is occupied by a drive system A, which is coupled to the microcomponent via a flange area. A shaft of the motor is coupled via a
Oberhalb der ersten Hülse 10 ist eine zweite, vom Außendurchmesser her größere Hülse 11 vorgesehen, die eine größere Innenöffnung aufweist, zur Aufnahme des Rotors oder der Rotoren 2, 3 des Mikrosystems M, von denen einer auf der Welle 40 über einen Stift 40a drehfest plaziert ist.Above the
Bei einer Drehung der Welle drehen beide innenverzahnten Rotoren ebenfalls mit, wofür die äußere Lagerung des äußeren Zahnrings an der zweiten Hülse 11 vorgesehen ist.Upon rotation of the shaft, both internally toothed rotors also rotate, for which purpose the outer bearing of the outer toothed ring is provided on the
Die zweite Hülse 11 hat eine axial deutlich kürzere Erstreckung, aber eine größere radiale Innenausnehmung, während die erste Hülse 10 eine für die Welle geeignete kleine Bohrung aufweist, aber auf einer axial größeren Länge.The
Die beschriebene Mikrokomponente ist generell mit M bezeichnet, besteht aber aus den beiden in Figur 1a dargestellten innenverzahnten Rotoren 2 und 3.The microcomponent described is generally designated M, but consists of the two internally
Die genannten Hülsen 10, 11, die Dichtung 24 und die Welle 40 werden in einem Stator 30 aufgenommen, der als ein Abschnitt des Gehäuses angesehen werden kann. Er hat einen sich lang erstreckenden Flanschabschnitt 30b, der sich über die Distanzhülse 21 außen erstreckt und randseitig am Antrieb A zur Fixierung eingreift, und einen weiter oben liegenden Abschnitt 30a, in dem die Lagerung des Mikrosytems M und der Welle 40 erfolgt. Der Stator 30 ist mit dem Motor direkt verschraubt. Elektrische Kleinmotoren besitzen hierfür ein einheitliches Gewinde bzw. Anschlußlöcher, über die sonst üblicherweise Motorgetriebe befestigt werden.Said
Die Innenöffnung der zweiten Hülse 11 zur Aufnahme des Mikrosystems M ist im Stator an dessen Stirnseite angeordnet. Die Hülse kann bündig zur Stirnseite des Stators 30 montiert werden. Vorzugsweise kann auch ein geringer Überstand vorgesehen werden, um eine bessere Dichtwirkung an den Rotoren zu erzielen, wenn der darüberliegende Abschnitt 29 29', der die Fluidführung zu den Anschlüssen F enthält, mit einem stärkeren Druck über einen Schraubflansch 28 an den Stator 30 mit zwischenliegendem Dichtungsring 25 und einer Nierenplatte 25a angedrückt wird. Hierzu ist zwischen dem Schraubflansch 28 und dem Stator 30 vorzugsweise ein Linksgewinde vorgesehen, das außenseitig angeordnet ist. Die Verschraubung wird mit einem speziellen Klauenschlüssel vorgenommen, der in eine seitliche Bohrung eingreift. Hierdurch kann ein unbefugtes Öffnen verhindert werden. Der Abschnitt 29 29' enthält die fluidischen Ansteuerungskonturen (Einlaßöffnung und Außlassöffnung) und wird mit seinem unteren Abschnitt 29' über einen Zylinderstift 22 zum Eingriff in eine Passöffnung 22a im Stator 30 sowie ggf. einen Bund am Stator 30 exakt (radial und umfänglich) ausgerichtet.The inner opening of the
Die beschriebene bündige Anlage des unteren Abschnitts 29' des Fluidführungsabschnitts 29, 29' mit seiner zum Antrieb ausgerichteten Oberfläche an den Rotoren des Fluidsystems M wird verbessert, wenn ein Ausgleichsring 27 zwischen der Spannanordnung 28 und dem Fluidführungsabschnitt 29 ringförmig vorgesehen ist. Dieser Ausgleichsring 27 ist aus einem weichen Material, beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Kunststoff und sorgt dafür, daß der Abschnitt 29' planparallel und bündig an dem ebenfalls mit einer O-förmigen Dichtung 25 oder einer Zusatzscheibe 25a mit fluid-führenden Nieren versehenen Stator anliegt, insbesondere auch an den nach außen weisenden Stirnflächen der Rotoren, um hier eine bessere Dichtwirkung zu erzielen. Durch die höhere Flächenpressung (das sattere Anliegen) des Fluidführungsabschnitts 29' gegen die zweite Hülse 11, wird die bessere Dichtwirkung erzielt, die durch den weichen Ausgleichsring 27 begünstigt wird.The described flush bearing of the lower portion 29 'of the
Aus der vorgenannten Beschreibung sind drei konstruktive Abschnitte zu erkennen. Der Fluidführungsabschnitt F mit den ebenfalls als Stator anzusehenden Komponenten 28,29,29'. Der eigentliche Stator 30 im Abschnitt 30a zur Aufnahme des Mikrosystems mit anschließendem Kupplungsbereich 23 der Welle 40 im Abschnitt 30b. An diesen Bereich schließt sich der Antriebsbereich A an.From the above description, three structural sections can be seen. The fluid guide section F with the likewise to be regarded as a
Hervorzuheben ist, daß im Stator eine von der Montage her vorgesehene Trennung des Fluidführungsabschnitts 28,29,29',F von dem Mikrosystem erfolgt und diese Trennung an der der Lagerungsseite abgewandten Stirnseite der Rotoren des Mikrosystems befindlich ist. Mit anderen Worten ist der Stator 30 so aufgebaut, daß die Lagerung bündig an der vom Antrieb A wegweisenden Stirnseite plaziert ist, so daß ein Aufsetzen des Fluidführungsabschnitts 29,29' unmittelbar an die fluidische Mikrokomponent angrenzt und mit einer vorgesehenen Fluidführungs-Struktur aus Nieren und Bohrungen ein Durchleiten und das funktionelle Betreiben der Mikrokomponente M sicherstellt.It should be emphasized that a separation of the fluid-guiding
Die oben gegebene Übersicht soll das Einfühlungsvermögen erhöhen, wie ein Mikrosystem nach Figur 1 konstruktiv aufgebaut wird. Im folgenden werden Details erläutert, die insbesondere die Anbringung und Montage der ersten und zweiten Hülse 10,11 aus Figur 2 beschreiben, wozu auf Figur 3 verwiesen wird.The overview given above is intended to increase the empathy, as a microsystem of Figure 1 is constructed constructively. In the following, details are explained, which describe in particular the attachment and assembly of the first and
Figur 3 ist ein Schnitt durch die Achse des Systems von Figur 2, wobei zwei gegeneinander versetzte Achsen 100 und 101 ersichtlich sind. Die Achsversetzung ist mit dr bezeichnet. Die Achse 100 ist diejenige Achse der ersten Hülse 10, die eine Länge L10 aufweist. Die Hülse ist aus einem harten Werkstoff gefertigt, beispielsweise Hartmetall oder Keramik. Sie ist zunächst nicht in den Stator 30 eingesetzt, der für ihre Aufnahme eine langgestreckte Öffnung 31 aufweist, deren untere Abschnitt eine innere Oberfläche 30i besitzt. Diese innere Oberfläche ist schematisch an Figur 3a (im unteren Halbbild) zu ersehen. Sie weist eine große Rauheit auf, die bei einem spangebenden Verfahren entstehen kann. Sie muß keine besondere Genauigkeit besitzen und kann sogar größer ausgestaltet sein, wie aus Figur 6 erkennbar ist. Figure 3 is a section through the axis of the system of Figure 2 showing two
In gleicher Weise ist ein weiterer, axial oberhalb liegender Aufnahmeabschnitt im Stator 30 als Teil der Öffnung 31 vorgesehen, zur Aufnahme der zweiten Hülse 11, die auch aus einem harten Werkstoff, wie Keramik oder Hartmetall gefertigt sein kann. Auch sie ist zunächst nicht eingesetzt.In the same way, another, axially above receiving portion in the
Die Verwendung von harten Werkstoffen, gegenüber den "weichen" Werkstoffen des Stators 30 sichert die Lagerhülsen gegen Abrieb. Sie sind dabei räumlich von einer geringen Erstreckung, so daß auch teure Werkstoffe Verwendung finden können. Die Lagerhülsen sind vornehmlich als Hohlzylinder ausgestaltet und weisen einen jeweiligen Innenraum auf, zur Aufnahme des jeweiligen "Rotors".The use of hard materials, compared to the "soft" materials of the
Die erste Hülse 10 hat einen Innenraum mit einer inneren Oberfläche 10i, zur Aufnahme der Welle 40. Der innere Raum ist mit W bezeichnet und hat eine Längserstreckung entsprechend der Hülsenlänge L10.The
Die axial sich daran anschließende zweite Hülse 11 ist zur Aufnahme und Lagerung des äußeren Rotors 2 vorgesehen. Sie besitzt dafür eine Rotoraufnahme R, deren Durchmesser d11i größer ist, als derjenige Durchmesser d10i des Wellenraums W. Die innere Oberfläche 11i ist so gestaltet, daß eine Lagerung des Rotors möglich ist. Die innere Oberfläche 10i des ersten Hülsenteils 10 ist ebenfalls so gestaltet, daß eine Lagerung der Welle 40 möglich istThe axially adjoining
Beide Oberfläche sind hochgenau und für ihre jeweilige Lagerfunktion durch Schleifen, Erodieren, Honen oder Läppen ausgebildet.Both surfaces are highly accurate and designed for their respective bearing function by grinding, eroding, honing or lapping.
Das Einsetzen der beiden Lagerhülsen in den entsprechenden Axialabschnitt der Öffnung 31 des Stators 30 mit der inneren Oberfläche 30i bzw. der radial größeren inneren Oberfläche 30i' wird mit der Einsetzvorrichtung von Figur 4 vorgenommen.The insertion of the two bearing sleeves in the corresponding axial portion of the
Hier werden die beiden Hülsen 10,11 durch Platzhalter 53,52 räumlich geometrisch zueinander ausgerichtet, was die hohe Präzision sicherstellt. Beide Platzhalter 52,53 sind gegenüber einer Tragplatte 51 räumlich fixiert. Der Platzhalter 52 für den Außenrotor nimmt die zweite Hülse 11 auf, wobei der Platzhalter die Rotorgeometrie des Rotorraumes R ausfüllt. Der zweite Platzhalter 53 für die Welle 40 ist axial länger. Er übernimmt die Ausfüllung des Wellenraumes W und plaziert die erste Hülse 10 räumlich geometrisch so, daß die zwei beabstandeten Achsen 100,101 für die exzentrische Lagerung des aus zwei Rotoren bestehenden Mikrosystems M erhalten wird. Ein nicht dargestellter Stift an der Tragplatte 51 erlaubt ihre absolute Lagefestlegung gegenüber dem Stator 30, zum Eingriff in die Ausnehmung 22a.Here, the two
Nachdem die Hülsen 10,11 auf die Einsetzvorrichtung 50 und ihre beiden um "dr" radial versetzten Platzhalter 52,53 aufgesetzt sind, wird die Einsetzvorrichtung mit einer mechanischen Anordnung (die nicht dargestellt ist) geometrisch und von den Massen her präzise, sogar hochpräzise in die vorgesehene Öffnung 31 des Stators 30 axial eingeschoben. Der hierbei entstehende Schubweg s bzw. die Schubrichtung s ist in den Figuren 5 und 3a gezeigt. Aufgrund der Maßdimensionierung und der Oberflächenstruktur der beiden Hülsen 10,11 sowie der inneren Oberflächen 30i' und 30i des Stators findet eine Veränderung zumindest der Innenflächen des Stators 30 statt, was aus Figur 3a vor dem Einsetzen und nach dem Einsetzen des Hülsenteils 10 ersehen werden kann. Die rauhe Oberfläche der nicht hochpräzis gefertigten Innenflächen wird eingeebnet oder sogar abgetragen bzw. verdrängt, wobei der weiche Werkstoff an der Oberfläche verändert wird, gleichzeitig aber mechanische Kräfte aufbringt, zur räumlich geometrischen Fixierung der eingedrückten Hülsen 10,11, die als Lagerstücke dienen.After the
Die inneren Oberflächen 11i, 10i der beiden Hülsen sind hochpräzise, durch Einsetzen dann auch geometrisch genau festgelegt, um ihrer Lagerfunktion gerecht zu werden.The
Die äußeren Oberflächen 10a und 11a der beiden Hülsen gehen mit den inneren Oberflächen 30i' und 30i des Stators eine mechanische Verbindung ein, wenn die Einsetzvorrichtung 50 durch Druck axial eingeschoben wird.The
Eine alternative Festlegung kann durch eine aushärtende Substanz 12 erfolgen, wenn die inneren Oberflächen 30i' und/oder 30i in ihrer räumlichen Geometrie etwas größer ausgestaltet sind, als die äußeren Oberflächen 11a und/oder 10a der Hülsen 10 und/oder 11, wie Figur 6 veranschaulicht. Die Einsetzvorrichtung übernimmt dann die Zuordnung der exzentrisch versetzten Achsen 100,101 der beiden Hülsen und plaziert diese so lange in dem Innenraum 31 mit den zwei exzentrischen Abschnitten 30i, 30i' des Stators 30, bis eine eingebrachte aushärtende Substanz 12 den Spalt 13 fixierend ausfüllt und die Hülsen mechanisch festlegt.An alternative determination can be made by a hardening
Als aushärtende Substanz kann ein Lot oder ein Kleber Verwendung finden; erstes härtet durch Absinken der Temperatur, zweites durch eine chemische Reaktion aus.As a hardening substance, a solder or an adhesive can be used; the first hardens by lowering the temperature, the second by a chemical reaction.
Die Einsetzvorrichtung hat dabei einmal die Aufgabe, die mechanische Zuordnung während des axialen Einpressens zu übernehmen. Bei der Variante der Festlegung mit einer aushärtbaren Substanz im Spalt 13 (auch als unregelmäßiger Zwischenraum), der eine Größe von zwischen 20µm und 70µm besitzt, übernimmt sie die geometrische Festlegung der Hülsen während des Aushärtens, braucht also beim Einsetzen in Richtung s keine zusätzliche mechanische Kraft aufzubringen.The insertion once has the task to take over the mechanical assignment during the axial pressing. In the variant of the definition with a curable substance in the gap 13 (also as an irregular space), which has a size of between 20μm and 70μm, it assumes the geometric definition of the sleeves during curing, so it needs no additional mechanical when inserting in the direction s To apply force.
Die zweite Hülse 11 ist axial kürzer und weist eine axiale Länge L11 auf. Die gesamte Statorlänge ist L. Nachdem der Stator 30 die axiale Länge L aufweist, ist die Summe der beiden Hülsenlängen L11 und L10 noch immer kürzer als die Statorlänge. Der Abstand der Mitten der beiden Hülsen ist dL, was einen axialen Versatz darstellt, wobei aber die Stirnflächen der beiden Hülsen 10,11 aneinander anliegen. Diese Anlage der beiden Stirnflächen soll anhand der Figur 7 erläutert werden.The
Figur 7 veranschaulicht eine Aufsicht in Achsrichtung 100,101 von oben (gesehen aus Figur 3 oder Figur 6), wobei die Innenräume R und W für Außenrotor und Welle noch offen sind, also noch keine Welle 40 und noch kein Rotor 2 oder 3 des Mikrosystems M eingesetzt ist. Es ist dabei eine stimseitige Lagerfläche 10b ersichtlich, die auch in Figur 3 sowie in Figur 6 eingezeichnet ist. Sie besitzt eine Breite b, die umfänglich nicht konstant ist, was durch die Versetzung dr oder Δr der beiden Achsen 100,101 zustandekommt, und auch durch die Wahl der beiden Durchmesser der Hülsen, hier des Außendurchmessers d10a der längeren Hülse 10 und des Innendurchmessers d11i der kürzeren Hülse 11. Die Durchmesser bzw. die zugehörigen Radien als jeweilige hälftige Durchmesser, sowie der radiale Versatz (Exzentrizität) sind so gewählt, daß einer der harten Lagerbauteile 10,11 eine außerhalb der Fläche 10b liegende ringförmige axiale Stützfläche 10c bildet, die auch umfänglich gänzlich durchgehend ist und auf der das andere harte Lagerbauteil 11 aufliegt. Figure 7 illustrates a top view in the axial direction 100,101 from above (seen from Figure 3 or Figure 6), the interiors R and W for the outer rotor and shaft are still open, so no
Bei Beachtung des radialen Versatzes dr ist der Außendurchmesser d10a von der Hülse 10 um soviel größer, als der Innendurchmesser d11i der Hülse 11, daß an keiner umfänglichen Stelle der weiche Werkstoff des Stators 30 als Teil der Stützfläche 10b für den Rotor 2 aus Figur 1a und ggf. auch den Innenrotor 3 aus Figur 1a - betrachtet in axialer Richtung - zum Vorschein oder Tragen kommt. Der Rotor oder die Rotoren werden - eingesetzt in den Rotorenraum R - dann axial sicher gestützt, geometrisch präzise festgelegt und es ergibt sich eine gute Dichtung an der Fläche 10b, während der Ringabschnitt 10c, der die Hülsen 10 und 11 zueinander stützt und orthogonal ausrichtet, nicht mehr von außen sichtbar ist.Taking into account the radial offset dr, the outer diameter d10a of the
Die inneren Oberflächen 11i und 10i bilden Lagerflächen für die Welle 40 und den Außenrotor der fluidischen Mikrokomponente M, um als Gleitlager zu dienen. Die Ringflächen 10c und 10b zusammen bilden die axial weisende Stirnfläche des gesamten Lagerbauteils 10, das für die Welle vorgesehen ist. Der innere Abschnitt 10b dient dem Stützen und Ausrichten des Mikrosystems und der darum herumliegende äußere Abschnitt 10c, der auf derselben Ebene liegt, dient dem Ausrichten und Stützen des zweiten Lagerbauteils 11.The
Die Aufsicht in der Figur 7 veranschaulicht dabei auch den Spalt 13 aus Figur 6, der hier bereits mit einem Klebstoff oder einem Lot 12 aufgefüllt ist, um die eingesetzte Hülse 11 gegenüber dem weicheren Werkstoff des Stators 30 festzulegen. Bevor das Lot oder der Klebstoff aushärtet wurde die Hülse 11 an der äußeren Ringfläche 10c der unteren Hülse 10 durch Anliegen ausgerichtet, so daß auch ihre Achse 101 genau parallel zu der Achse 100 ausgerichtet ist. Die genaue Ausrichtung ergibt sich aus einer hochgenauen Fertigung der Stirnflächen, die genau senkrecht zu den Achsen verlaufen und damit mittelbar auf die Positionierung und Lagegenauigkeit Einfluß nehmen können. In einem Ausführungsbeispiel von spezifischen Maßen, die aber nicht einschränkend zu verstehen sind, wurde die Hülse 10 mit einem Außendurchmesser von 5mm gefertigt und besaß einen Innendurchmesser von 1,2mm. Der Außenrotor 2 besaß ein Außenmaß von 3,8mm und liegt damit - auch unter Berücksichtigung der gewählten Exzentrizität der beiden Achsen 100,101 innerhalb des Außenmaßes von 5,0mm der ihn axial zur Bereitstellung eines Drehlagers stützenden Hülse 10. Aus diesem Maß ist auch das Innenmaß d11i der zweiten Hülse 11 zu ersehen, entsprechend dem Außenmaß des Rotors, um ihn radial mit einem Ringlager auch Insoweit zu stützen. Beide senkrecht zueinander stehenden Lager, die Innenwandfläche 11i und die axial weisende Stützfläche der Hülse 10 sorgen für eine genaue Ausrichtung und präzise Lagerung des Rotorbauteils 2.The plan view in FIG. 7 also illustrates the
Der in Figur 7 in einem Übermaß zur Verdeutlichung dargestellte Spalt 13 ergibt sich aus dem Differenzmaß zwischen dem Radius der inneren Fläche 30i' des Stators 30, siehe dazu Figur 3, und dem Außenmaß der Außenfläche 11 a der harten Lagerhülse 11. Sein Maß liegt für eine Verklebung bevorzugt zwischen 50µm und 70µm, was maßstabgerecht bei der Darstellung nach Figur 7 nicht erkennbar wäre, wenn es nicht wesentlich vergrößert dargestellt worden wäre.The
Aus Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht beim Einsetzen der beiden Lagerhülsen 10,11 ersichtlich, verwendet bei einer mit einer Klebesubstanz vorgesehenen Montage und Justage der Hülsen. Die Klebesubstanz 12 ist in den Spalt 13 eingebracht, der zwischen 20µm und 70µm beträgt, bezogen auf den jeweiligen Innendurchmesser des Stators 30 an den Oberflächen 30i und 30i'. Der Innenraum 31 zur Aufnahme der ersten Hülse 10 ist länger, als die Lagerhülse 10. Die entsprechende Differenz ist - wie aus Figur 2 ersichtlich - von der Radialwellen-Dichtung 24, die gegen den Motor A durch die Distanzhülse 21 festgelegt ist, eingenommen. Ein Einsetzweg s der beiden Lagerhülsen 10,11, gestützt von der Einsetzvorrichtung 50 nach Figur 4 führt zur genauen Plazierung. Nach dem Einfüllen der Klebesubstanz 12, die auch vor dem Einsetzen schon an den Innenflächen entsprechend Figur 5 plaziert sein kann, wird die räumlich geometrische Zuordnung und absolute Plazierung der Hülsen 10,11 zumindest für eine Dauer des Aushärtens der Klebesubstanz oder des Lotes beibehalten, bis die mechanische Verfestigung eintritt. FIG. 5 shows a perspective view when inserting the two bearing
Ersichtlich ist an Figur 5 auch die Aufnahme 22a, in die der Positionierstift 22 von Figur 2 beim Aufsetzen des Fluidführungsabschnitts 28,29,29' eingreift. Eine radial dagegen versetzte Stufenbohrung 22b jeweils an der Innenseite der Oberfläche 30i' und 30i des Stators 30 ist vorgegeben. Sie bietet umfänglich beabstandet von der Aufnahme 22a eine Möglichkeit, das Fluid in einer kleinen Menge nach dem Einsetzen und Anbringen der Lagerhülsen 10,11 beim Betrieb des Systems M als Gleitlagerschmierung oder im Ringfluß zu verwenden. Die Bohrung 22b hat eine Mindesttiefe L10 + L11. Die Stufenbohrung 22b, die auch aus Figur 1 a ersichtlich ist, liegt mit einem Abschnitt ihrer Bohrungstiefe im Oberflächenbereich 30i' (vgl. dazu Figur 3) und mit einem weiteren Abschnitt im Oberflächenbereich 30i. Mit ihr wird der Ringfluß für das Fluid erreicht, welches das Wellenlager durchströmt. Durch die Stufenbohrung wird eine Ableitung des zwischen Dichtung und Wellenlager befindlichen Fluids zur Saugseite eines Mikrosystems erreicht, das in diesem Beispiel als Pumpe ausgebildet ist. Das Fluid aus der insoweit als Kanal für das Fluid arbeitenden Stufenbohrung 22b wird im Fluidführungsabschnitt 28,29,29', hier im zum Mikrosystem gewandten Abschnitt 29' durch Überdeckung des Kanals wieder aufgenommen und in das Mikrosystem 2,3 zurückgeführt.Also visible in Figure 5, the
Es sollte erwähnt sein, daß die räumlich geometrisch hochgenaue Lagerung nur einseitig erfolgt, hinsichtlich der Welle W aber auch eine zweite Lagerung in dem Fluidführungsteil 29 vorgesehen sein kann, die aber keine solche Präzision aufweisen muß, wie die erste Lagerung in der Hülse 10, die zudem auf einer axial größeren Länge L10 wirksam ist.It should be noted that the spatially geometrically highly accurate storage takes place only on one side, with respect to the shaft W but also a second bearing may be provided in the
Die Lagerteile können als Hülsen rotationssymmetrisch einfach hergestellt sein. Sie können auch eine im Außendurchmesser anderweitige Geometrie aufweisen, nur ihr Innendurchmesser und ihre innere Oberfläche muß so ausgerichtet sein, daß die Rotoren 40,2 (Wellen und Außenrotor des Mikrosystems) geometrisch genau und abriebfest gelagert werden können.The bearing parts can be made rotationally symmetrical simple as sleeves. You may also have a different outer diameter in the geometry, only its inner diameter and its inner surface must be aligned so that the
Die beschriebenen Arten des Einsetzens und Positionierens können auch kombiniert werden.The described types of insertion and positioning can also be combined.
Es kann eine weniger feste mechanische Verbindung beim Einsetzen durch Eindrücken der Hülsen 10, 11 vorgesehen sein, bestimmt durch die entsprechende Anpassung der Durchmessergeometrien von Innenraum und Außendurchmesser der Hülsen. Nach erfolgtem Einpreßvorgang kann über eine zusätzliche Vorrichtung eine Ausrichtung und anschließend eine Verklebung erfolgen, so daß beide Verfahren auch kombiniert verwendet werden können.There may be a less strong mechanical connection when inserted by pressing in the
Die kombinierte Art des Einsetzens kann auch zeitlich nacheinander erfolgen. Die erste Aufnahme mit der inneren Oberfläche 30i im ersten Abschnitt der Öffnung 31 des Stators kann mit einem mechanischen Einpreßvorgang verbunden werden, bei dem die Hülse 10 lagegenau positioniert wird, wie Figur 3a zeigt. Gegenüber der so festgelegten ersten Hülse, die dann als ein Hilfslager oder eine Hilfseinrichtung dienen kann, kann mit der Anordnung nach Figur 4 die zweite Lagerstelle (hier mit der Hülse 11) im Abschnitt L11 positioniert werden, wobei ein in Figur 6 gezeigter Spalt 13 am Umfang zwischen der äußeren Oberfläche 11a und der inneren Oberfläche 30i' mit einer Klebesubstanz 12 gefüllt wird. Bei einem festen Sitz der ersten Hülse 10 kann die zweite Hülse relativ dazu und somit auch relativ zum Stator positioniert und eingeklebt werden. Alternativ zum Einkleben kann auch beim zweiten Vorgang ein Preßvorgang stattfinden, was der zuvor beschriebenen Variante entspricht, nur zeitlich nacheinander. Die Vorrichtung nach Figur 4 kann für alle diese Varianten Anwendung finden.The combined type of insertion can also take place in succession. The first receptacle with the
Die Kombination eines Pressens und eines Klebens hat sich als besonders genau herausgestellt. Zunächst wird die erste Hülse 10 in den Stator 30 eingepreßt, wobei die beiden Öffnungsabschnitte 30i, 30i' als zwei exzentrisch zueinander angeordnete Abschnitte der Gesamtausnehmung 31 vorgesehen sind. Nach dem Einpressen wird anschließend die zweite Lagerstelle 11 gebildet, in dem die hochgenau gefertigte Lagerhülse in das Gehäuse eingesetzt wird, wobei sie plan auf der ersten Hülse aufliegt, und zwar an dem Stirnflächenabschnitt 10c. Es wird anschließend die Position der zweiten Hülse gegenüber der ersten Hülse definiert, wozu die Vorrichtung nach Figur 4 Verwendung finden kann. Anschließend läßt man einen Klebstoff 12 in den Spalt 13 an der äußeren Oberfläche 11a der zweiten Hülse einziehen und aushärten, um diese Lagerstelle festzulegen, also fest mit dem Stator 30 zu verbinden.The combination of pressing and gluing has proven to be particularly accurate. First, the
Die Rechtwinkligkeit der vorhergehenden mechanischen Feinbearbeitung der Hülse 11 bzw. auch der Hülse 10 kann dafür sorgen, daß zwei Hilfslagerstellen bei der Positionierung und Festlegung helfen. Eine axiale Stützfläche 10c und die umfängliche innere Oberfläche 10i, die mittelbar über die Vorrichtung nach Figur 4 auch Einfluß auf die Lagegenauigkeit der zweiten eingesetzten Hülse 11 nehmen kann.The squareness of the previous mechanical finishing of the
Die beiden Hülsen 10 und 11 können in der Reihenfolge des Anbringens auch vertauscht werden. Zunächst die im Durchmesser größere Hülse 11, dann - axial gestützt über den Stützflächenabschnitt 10c - die längere Hülse 10 für die Welle 40. Die zweite Hülse 10 wird dann von dem Kupplungsraum 32 her in den unteren Aufnahmeabschnitt der Ausnehmung 31 eingesetzt.The two
Es soll angemerkt sein, daß die mechanisch genaue Positionierung im Sinne von räumlich geometrischer Festlegung zwei maßgebliche Maße betrifft. Einmal den Betrag des Exzentrizitätsvektors "dr" als radialen Versatz. Zum anderen die korrekte absolute Positionierung der beiden Lagerhülsen 10,11 im Stator 30, also ihre Position/Lage zum Gehäuse. Diese Lage wird über einen Stift, der in die Platte 51 der Vorrichtung 50 von Figur 4 eingesetzt ist und anstelle des Stiftes 22a bei der Montage der Lagerhülsen 10,11 in das Gehäuse eingreift, sichergestellt. Dieser Stift ist in Figur 4 nicht dargestellt, er erschließt sich aber aus dem Zusammenhang und der räumlich/geometrischen Anordnung der Aufnahme 22a von Figur 2, in welcher der die Fertigmontage übernehmende Stift 22 eingezeichnet ist. Er übernimmt die umfängliche Festlegung des Fluidführungsabschnitts 28,29,29' gegenüber dem Gehäuse 30, das als Stator bezeichnet ist.It should be noted that the mechanically accurate positioning in terms of spatial geometric definition relates to two significant dimensions. Once the amount of the eccentricity vector "dr" as a radial offset. On the other hand, the correct absolute positioning of the two bearing
Claims (14)
- A microsystem for a fluid throughput, which microsystem has a first section for the inlet or outlet of fluid (F) and, in a second section, is provided with at least one bearing point (10, 11), wherein
a rotor (40, 2) is rotationally mounted with respect to a stator (30) via at least one or two bearing bodies (10, 11), which bearing bodies are premanufactured from a hard material, characterised in that
the stator (30), which comprises of a material which is softer than the one or two bearing body or bodies has one or two inner surface sections (30i, 30i') receiving the bearing body or bodies (10, 11). - A microsystem according to claim 1, wherein the two bearing bodies are arranged radially offset with respect to one another in the stator in such a way that the centre lines (100, 101) of the bearing bodies (10, 11) have a radial spacing from one another (dr).
- A microsystem according to claim 1, comprising two axially offset (dL) but closely adjacent bearing points as separate bearing bodies (10, 11) in the stator (30).
- A microsystem according to claim 1, wherein the stator (30) has a receiver (30i', 30i), as the inner section, initially not suitable for the at least one bearing body (10, 11).
- A microsystem according to claim 4, wherein the initially not suitable inner section and the at least one bearing body (10, 11) form a gap with a size greater than zero during an insertion of the bearing body into the not suitable section and a hardening joining material is introduced into the gap (13) for fixing the bearing body relative to the stator after hardening of the joining material (12), especially as a solder or adhesive substance.
- A microsystem according to claim 4, wherein the initially not suitable inner section is an underdimension of the receiver (30i', 30i) of the stator, into which a bearing body (10, 11), which is radially greater than the receiver, is pressed in mechanically, wherein the bearing body, which is harder with respect to the material, displaces a part of the receiving section of the stator (30), but at least changes it with respect to its surface structure.
- A method for producing, adapting and/or adjusting at least one bearing point in a fluidic mini to microsystem (M), which system has a stator (30) and at least one rotor (40, 2), the rotor being rotatably mounted at the at least one bearing point (L10, L11) with respect to
the stator, characterised in that the stator, prior to the insertion of at least one separate bearing body, has a section (30i, 30i') which is not suited for mounting, made of a softer material than the bearing body (10, 11); and in that
the not suited section, by insertion, especially pressing in or bonding in, of the bearing body made of a material which is harder than the material of the stator, becomes a mechanical mounting and adjustment point, in order to fix the inner surface (11i, 10i) defined by the bearing body, highly precisely spatially/geometrically, as a bearing face for the rotational mounting of the rotor (40, 2). - A method according to claim 7, wherein the pressing in takes place with displacement, but at least with deformation of an inner surface (30i) of the not suited section.
- A method according to claim 7 or claim 8, wherein a hardenable material (12) is introduced into a gap or, following the mechanical displacement, into remaining interstices, in order to obtain a mechanical fixing and spatial/geometric positioning of the bearing body as a bearing point after hardening of the filler (12).
- A method according to any one of claims 7 to 9, wherein the bearing component (10, 11) has an external diameter of less than 15 mm, especially less than 10 mm and/or an internal diameter of less than 5 mm, especially less than 2 mm, for mounting the outer rotor (2) especially a shaft (40).
- A method according to claim 7, wherein two bearing points (L10, L11), are fixed successively with respect to time, one by pressing in (10a, 10i) and a further one by soldering, bonding in (11a, 11i) or pressing in.
- A method according to claim 11, wherein, firstly, pressing in and then bonding in take place.
- A method according to claim 11 or claim 12, wherein the pressed-in first bearing point is used as an auxiliary bearing point which is fixed relative to the stator (30), in order to position the second bearing point (L11) spatially/geometrically, before it is fixed by the hardening material (12).
- A method according to claim 11 or claim 13, wherein the second bearing point (11; 11a, 11i) is positioned in the axial (10b) and/or radial (10i, 11i) direction, supported from the first bearing point (10).
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