-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einbringung
von Schmiermittel in den Lagerspalt zwischen Welle und Wellenaufnahme
eines hydrodynamischen Lagers.
-
Hydrodynamische
Lager (Fluidlager) werden beispielsweise zur Drehlagerung von Hochpräzisionsspindelmotoren
eingesetzt, wie sie in Festplattenlaufwerken verwendet werden. Hydrodynamische Lager
weisen im Vergleich mit Kugellagern eine hohe Laufgenauigkeit (geringe
Exzentrizität)
und Laufruhe bei sehr viel höherer
Schockfestigkeit (Robustheit) auf. Sie arbeiten nahezu geräuschlos
und verschleißfrei,
da während
des Betriebs mit Nenndrehzahl kein direkter Körperkontakt mit Festkörperreibung
zwischen den relativ zueinander rotierenden Lagerteilen vorliegt.
-
Zwischen
der Welle und der Wellenaufnahme befindet sich dabei eine dünne Schmiermittelschicht
beispielsweise eines Schmieröls.
-
Aus
der
US 5,778,948 A ist
ein Verfahren zum Einführen
eines Fluids in ein Lager bekannt, wobei das Lager ein festes Teil
und ein rotierendes Teil hat. In einer Niederdruckumgebung wird
das Lagerfluid in einen Raum zwischen dem festen Teil und dem rotierenden
Teil eingeführt.
-
Aus
der
US 6,305,439 B1 ist
ein Öleinführverfahren
in ein Lager bekannt, bei dem eine abgemessene Menge an Öl in einer
Wellenaufnahme plaziert wird und anschließend die Welle eingefügt wird.
-
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, mittels welcher eine optimierte Einbringung von Schmiermittel
in den Lagerspalt ermöglicht
wird.
-
Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß ein Lagerspaltbereich
zwischen Welle und Wellenaufnahme und/oder ein Bereich, welcher
mit dem Lagerspalt in fluidwirksamer Verbindung steht, gesteuert
mit Schmiermitteltropfen beaufschlagt wird, wobei die Schmiermitteltropfenerzeugung
bezüglich der
Tropfengröße und/oder
der Tropfengeschwindigkeit und/oder der Tropfenerzeugungsrate und/oder der
Tropfenmenge gesteuert wird.
-
Durch
die gesteuerte Beaufschlagung mit Schmiermitteltropfen läßt sich
der Lagerspalt mit Schmiermittel befüllen, ohne daß Kontakt
zwischen dem Beaufschlagungsbereich und einer Schmiermittelquelle
vorliegt. Dadurch wird der Rückfluß von Schmiermittel
und eine damit verbundene Verunreinigung des Schmiermittels in der
Schmiermittelquelle durch rückfließendes Schmiermittel
vermieden.
-
Über die
gesteuerte Beaufschlagung mittels Schmiermitteltropfen läßt sich
der Befüllungsvorgang zeitlich,
räumlich
und volumetrisch mit hoher Reproduzierbarkeit steuern und eine Befüllung des
Lagerspalts bis zu einem gewünschten
definierten Pegel erreichen. Weiterhin lassen sich Lufteinschlüsse in dem
in den Lagerspalt eingebrachten Schmiermittel vermeiden. Dadurch
wiederum werden die Eigenschaften eines entsprechend befüllten Lagers
optimiert.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist reinraumtauglich, so daß die
Befüllung
des Lagers im Reinraum stattfinden kann.
-
Die
Schmiermitteltropfen lassen sich einzeln erzeugen und nacheinander
emittieren. Dadurch läßt sich
eine Kontaminierung eines Arbeitsraums durch Schmiermittel minimieren.
-
Insbesondere
ist vorgesehen, daß die Schmiermitteltropfenerzeugung
in einem räumlichen Abstand
zu dem beaufschlagten Bereich erfolgt. Dadurch läßt sich eine gezielte berührungslose Schmiermittelbeaufschlagung
erreichen. Weiterhin wird eine Verunreinigung von Schmiermittel
durch Rücklauf
von Schmiermittel verhindert, da eine solche Rückflußverbindung entfällt.
-
Bevorzugterweise
werden die Schmiermitteltropfen von einem Schmiermitteltropfen-Generator in
den beaufschlagten Bereich gerichtet. Auf diese Weise lassen sich
auch Lagerspalte mit sehr kleinem hydraulischen Durchmesser befüllen. Durch
Steuerung der Anzahl der Tropfen läßt sich ein definierter Füllstand
in dem Lagerspalt erreichen.
-
Insbesondere
ist es vorgesehen, daß der
beaufschlagte Bereich nicht in fluidwirksamem Kontakt mit einer
Schmiermittelquelle steht, um so eine Verunreinigung von Schmiermittel
in der Schmiermittelquelle durch rückfließendes Schmiermittel zu verhindern.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schmiermitteltropfenerzeugung
bezüglich
der Tropfengröße gesteuert
wird, um so auch bei Lagerspalten mit kleinem hydraulischen Durchmesser
eine Befüllung
zu erreichen. Es läßt sich
dann bei entsprechend gewählter
Tropfengröße ein Schmiermittelfilm in
einem definierten Bereich an der Welle und der Wellenaufnahme ausbilden, über den
dann wiederum eine optimale Befüllung
des Lagerspalts erreichbar ist.
-
Insbesondere
werden dabei Mikrotropfen erzeugt, deren mittlerer Tropfendurchmesser
im Bereich zwischen 50 μm
und 150 μm
liegt und insbesondere im Bereich zwischen 75 μm und 95 μm liegt, wenn beispielsweise
Ester-Öl
als Schmieröl
verwendet wird.
-
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der Beaufschlagungsbereich der Schmiermitteltropfen
räumlich
vorgegeben wird. Es läßt sich
so insbesondere erreichen, daß sich
ein Schmiermittelfilm bildet, der den Lagerspalt zwischen Welle
und Wellenaufnahme überdeckt;
dieser Schmiermittelfilm ist dann beispielsweise unter Druckbeaufschlagung
in den Lagerspalt einbringbar. Dadurch läßt sich auch bei sehr kleinen
Lagerspalten (mit geringem hydraulischen Durchmesser) eine Befüllung erreichen,
ohne daß direkt
in den Lagerspalt hinein oder zumindest tief in den Lagerspalt hinein
eine Tropfeninjektion durchgeführt
werden muß.
-
Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn dafür gesorgt
wird, daß sich
eine geschlossene Schmiermittelschicht um die Welle bildet, welche
den Lagerspalt nach außen
hin abdeckt. Dadurch ist der Bereich des Lagerspalts, welcher unterhalb
des Schmiermittelfilms liegt, gasdicht von einem Außenraum
getrennt. Wird dann beispielsweise unter Einfluß des Atmosphärendrucks
das Schmiermittel in den Lagerspalt gedrückt, dann ist sichergestellt,
daß keine
Luft in den Lagerspalt mit eingesaugt wird, so daß Lufteinschlüsse im Schmiermittel
im Lagerspalt vermieden werden. Weiterhin läßt sich auf diese Weise ein
zusammenhängender
Schmiermittelfilm ausbilden, dessen Volumen so bemessen ist, daß der gewünschte Befüllungspegel
in dem Lagerspalt erreicht wird. Durch Steuerung der Tropfenmenge
läßt sich
das Schmiermittelvolumen des Schmiermittelfilms einstellen.
-
Es
kann ferner vorgesehen sein, daß die Schmiermitteltropfenerzeugung
bezüglich
der Tropfengeschwindigkeit gesteuert wird. Dadurch läßt sich ein
optimaler Wert der Geschwindigkeit einstellen; diese wird so eingestellt,
daß die
Tropfen den gewünschten
Beaufschlagungsbereich erreichen, ohne daß auf die Schmiermittelschicht
auftreffende Tropfen beispielsweise den Schmiermittelfilm unterbrechen
oder aufreißen.
-
Weiterhin
ist es günstig,
wenn die Schmiermitteltropfenerzeugung bezüglich der Tropfenerzeugungsrate
gesteuert wird. Dadurch läßt sich
eine volumetrische Steuerung der Tropfenbeaufschlagung erreichen,
d. h. es läßt sich
eine Mengensteuerung der Tropfen erreichen, welche auf den Beaufschlagungsbereich
treffen. Dadurch wiederum läßt sich
ein gewünschter
Befüllungspegel
des Schmiermittels im Lagerspalt einstellen.
-
Zur
volumetrischen Steuerung der Tropfenbeaufschlagung ist es insbesondere
vorgesehen, daß die
Anzahl der erzeugten Tropfen gezählt
wird. Dies kann auf elektronische Weise und/oder optische Weise
erfolgen. Bei der optischen Zählung
kann insbesondere die Anzahl der Tropfen, welche den gewünschten
Beaufschlagungsbereich erreichen, ermittelt werden.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Tropfenbeaufschlagung in
einem Arbeitsraum unter Vakuumbedingungen erfolgt, wobei insbesondere der
Druck zumindest zeitweise unter 1 mbar liegt. Unter diesen Bedingungen
läßt sich
auch ein einseitig geschlossenes Lager, dessen Lagerspalt lediglich von
einer Stirnseite der Wellenaufnahme zugänglich ist, unter Vermeidung
von Lufteinschlüssen
mit Schmiermittel befüllen;
der Lagerspalt wird hierzu vor der Befüllung evakuiert. Diese lufteinschlußfreie Befüllung läßt sich
dadurch erreichen, daß dafür gesorgt wird,
daß sich
in einem Kehlbereich zwischen Welle und Wellenaufnahme zunächst eine
Schmiermittelanhäufung
ausbildet, aus der Schmiermittel um die Welle herum fließt und dann
einen in sich geschlossenen Schmiermittelring bildet, welcher wiederum den
Lagerspalt abdeckt und damit auch abdichtet. Anschließend wird
der Arbeitsraum belüftet,
so daß der äußere Luftdruck
das Schmiermittel vom Schmiermittelring in den Lagerspalt drückt und
dadurch die Befüllung
des Lagerspalts erfolgt. Dieses Befüllungsverfahren läßt sich
dabei auch für
Lagerspalte mit sehr kleinem hydraulischen Durchmesser anwenden,
ohne daß die
Gefahr von Lufteinschlüssen
besteht.
-
Es
erfolgt also eine Beaufschlagung mit einer Schmiermittelmenge (vor
Belüftung
des Arbeitsraums) entsprechend dem gewünschten Befüllungsgrad des Lagerspalts.
-
Die
eingangs genannte Aufgabe wird ferner bei der eingangs genannten
Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß der
Schmiermittel-Generator so ausgebildet ist, daß erzeugten Schmiermitteltropfen
ein solcher kinetischer Impuls erteilt wird, daß der definierte Beaufschlagungsbereich
mit Schmiermitteltropfen belegt wird.
-
Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert.
-
Insbesondere
ist dabei ein evakuierbarer Arbeitsraum zur Aufnahme des Lagers
vorgesehen, um so unter Vakuumbedingungen einen Schmiermitteltropfenzusammenhang
erzeugen zu können,
wobei dann nach Belüftung
durch Atmosphärendruck Schmiermittel
in den Lagerspalt eindringt und diesen vollständig ohne Lufteinschlüsse bis
zum gewünschten
Pegelstand füllt.
-
Weiterhin
ist es günstig,
wenn das Lager und der Schmiermitteltropfen-Generator relativ zueinander
positionierbar sind und insbesondere zueinander beweglich sind.
Dadurch läßt sich
mittels des Schmiermitteltropfen-Generators, über welchen sich ein räumlich definierter
Beaufschlagungsbereich mit hoher Reproduzierbarkeit einstellen läßt, eine
definierte Befüllung
des Lagerspalts erreichen. Insbesondere ist es ermöglicht,
einen geschlossenen Schmiermittelfilm um die Welle an dem Lagerspalt
zu erzeugen, der dann in den Lagerspalt bringbar ist.
-
Weiterhin
ist es günstig,
wenn der Schmiermitteltropfen-Generator in einem Abstand zu dem
Lager positioniert ist, um so insbesondere einen Schmiermittelrückfluß zu vermeiden,
wodurch wiederum die Gefahr der Schmiermittelverunreinigung vermieden
ist.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfaßt
der Schmiermitteltropfen-Generator einen Düsenkopf mit einem Piezoaktuator. Über einen
solchen Piezoaktuator läßt sich
in einer Schmiermittel-Flüssigkeitssäule ein
Impuls erzeugen, welcher die Flüssigkeit
beschleunigt; mittels dieser Beschleunigung läßt sich die Abschnürung eines
Mikrotropfens erreichen, wobei die Tropfenerzeugung beispielsweise
bezüglich Tropfengröße steuerbar
ist. Die Tropfenerzeugung läßt sich
auch zeitlich steuern. Ferner läßt sich
die Tropfengeschwindigkeit steuern und durch entsprechende Positionierung
des Dosierkopfs zum Lagerspalt läßt sich
die Schmiermitteltropfen-Richtung zur Beaufschlagung des Lagers
einstellen.
-
Günstig ist
es, wenn eine Einrichtung zur Zählung
von erzeugten Schmiermitteltropfen vorgesehen ist. Dadurch läßt sich
eine Mengensteuerung (volumetrische Steuerung) der Schmiermitteltropfenbeaufschlagung über Bestimmung
der Tropfenzahl erreichen. Die Zählung
kann beispielsweise elektronisch und/oder optisch erfolgen.
-
Beispielsweise
kann eine Zähleinrichtung dem
Schmiermitteltropfen-Generator zugeordnet sein. Dabei kann es sich
um eine elektronische Zählung
(beispielsweise über
Zählung
der tröpfchenerzeugenden
Impulse eines Piezoaktuators) oder um eine optische Zählung handeln.
-
Bei
einer optischen Zählung
ist insbesondere eine Kamera vorgesehen, beispielsweise CCD-Kamera
(die auch in einem Abstand zum Generator angeordnet sein kann).
-
Ferner
ist es vorteilhaft, wenn eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
vorgehen ist, mittels welcher die Schmiermitteltropfenerzeugung und
Schmiermitteltropfenbeaufschlagung des Lagers steuerbar und/oder
regelbar ist. Zusätzlich
günstig
ist es, wenn diese Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eine
gesteuerte und/oder geregelte Änderung
des Druckes in dem Arbeitsraum ermöglicht, in welchem der Schmiermittelbefüllungsprozeß stattfindet.
Eine solche, vorzugsweise automatisch ablaufende Schmiermittelbefüllung des
hydrodynamischen Lagers stellt sicher, daß der gewünschte Befüllungspegel auf reproduzierbare
Weise eingehalten wird, ohne daß es
zu Lufteinschlüssen
kommt.
-
Günstig ist
es, wenn eine Schmiermittelquelle in einem evakuierten Raum und
insbesondere in dem Arbeitsraum angeordnet ist. Dadurch wird das Entgasen
des flüssigen
Schmiermittels gefördert
und dadurch wiederum gewährleistet,
daß die
Tropfenerzeugung nicht abbricht.
-
Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit
der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht
eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Einbringung von Schmiermittel in den Lagerspalt zwischen Welle
und Wellenaufnahme eines fluiddynamischen Lagers;
-
2 eine perspektivische Schnittansicht
einer Ausführungsform
eines Dosierkopfes eines Schmiermitteltropfen-Generators und
-
3(a) bis 3(d) vergrößerte Darstellung des Bereichs
A gemäß 1 als Momentaufnahmen des
Verfahrensablaufs bei der Einbringung des Schmiermittels in zeitlicher
Reihenfolge.
-
Bei
hydrodynamischen Lagern (die auch als Fluidlager bezeichnet werden)
ist in den Lagerspalt zwischen Welle und Wellenaufnahme (Lagerhülse) ein
Schmiermittelfilm eingebracht. Dieser Schmiermittelfilm ermöglicht ein
Aufschwimmen des rotierenden Lagerteils (der Welle, wenn diese drehfest
mit einem Rotor verbunden ist, oder der Lagerhülse, wenn diese drehfest mit
dem Rotor verbunden ist) beim Hochlaufen beispielsweise eines Elektromotors.
Die entsprechende Druckerzeugung erfolgt berührungsfrei, das heißt es liegt
keine Festkörperreibung
vor.
-
Verwirbelungsstrukturen,
die durch entsprechende Riffelmuster gebildet sind und auf entsprechenden
Oberflächen
der Welle und/oder der Lagerhülse
angeordnet sind, lassen im Schmiermittelfilm Zonen hydrodynamischen
Drucks entstehen. Die lokalen Druckradienten sind im wesentlichen
umgekehrt proportional zur Spaltdicke des Lagerspalts, so daß Verschiebungen
zwischen Wellen und Wellenaufnahme sofort selbstregelnd kompensiert
werden. Es läßt sich
dadurch eine stabile konzentrische Ausrichtung zwischen Welle und
Wellenaufnahme gewährleisten.
-
Hydrodynamische
Lager weisen aus diesem Grund eine besonders hohe Laufgenauigkeit
und Rotationsgenauigkeit auf. Sie arbeiten nahezu verschleißfrei. Sie
zeichnen sich durch Geräuscharmut und
Schockresistenz aus.
-
Fluiddynamische
Lager werden bevorzugt zur Drehlagerung von Hochpräzisionsspindelmotoren
für Festplattenlaufwerke
eingesetzt.
-
Bei
der Herstellung eines hydrodynamischen Lagers muß der Lagerspalt nach dem Zusammenbau der
Komponenten mit dem Schmiermittel befüllt werden. Ein typisches Beispiel
für ein
Schmiermittel ist Ester-Öl.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Einbringung von Schmiermittel in den Lagerspalt 10 zwischen
einer Welle 12 und einer Wellenaufnahme 14 (Lagerhülse) eines
hydrodynamischen Lagers 16 ist in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes
mit 18 bezeichnet.
-
Die
Vorrichtung 18 umfaßt
eine luftdicht verschließbare
Kapsel 20, in welcher ein Arbeitsraum 22 zur Aufnahme
des zu befüllenden
Lagers 16 gebildet ist. Der Arbeitsraum 22 ist
evakuierbar, so daß ein Befüllungsvorgang
unter Vakuumbedingungen erfolgen kann.
-
Dazu
ist der Arbeitsraum 22 über
ein steuerbares Ventil 24 mit einer Pumpe 26 verbunden,
mittels welcher ein Unterdruck gegenüber dem äußeren Atmosphärendruck
in dem Arbeitsraum 22 erzeugbar ist. Insbesondere läßt sich
ein Druck kleiner als 1 mbar in dem Arbeitsraum 22 erreichen.
-
Ferner
ist ein steuerbares Ventil 28 vorgesehen, über welches
sich der Arbeitsraum 22 zeitlich gesteuert belüften läßt, um insbesondere
in dem Arbeitsraum 22 Atmosphärendruckbedingungen erzeugen
zu können.
-
Das
zu befüllende
Lager 16, welches in dem Arbeitsraum 22 positioniert
ist, ist an einem Ende 30 der Wellenaufnahme 14 durch
ein Widerlager 31 gasdicht verschlossen.
-
Am
gegenüberliegenden
Ende ist eine Aufweitung 33 vorgesehen, durch die dort
die Breite des Lagerspalts 10 vergrößert wird. Die Aufweitung 33 kann
an der Wellenaufnahme gebildet sein, indem diese beispielsweise
eine hohlkegelstumpfförmige Ausnehmung
umfaßt
und/oder ist durch eine Einschnürung
an der Welle 12 gebildet.
-
Die
Befüllung
des Lagerspalts 10 erfolgt über die offene Seite der Wellenaufnahme 14.
Innerhalb des Lagerspalts 10 bildet sich ein dünner zusammenhängender
Schmiermittelfilm aus. Die in diesem Schmiermittelfilm wirksamen
Kapillarkräfte
und die Adhäsionskräfte zwischen
Schmiermittel und metallischen Lageroberflächen (auf der Welle 12 und
auf der der Welle 12 zugewandten inneren Oberfläche der
Wellenaufnahme 14) sorgen für die Stabilität des Schmiermittelfilms.
Diese Kräfte
verhindern auch ein Austreten des Schmiermittelfilms aus dem Lagerspalt 10.
-
In
dem Arbeitsraum 22 ist zur Befüllung des Lagerspalts 10 mit
Schmiermittel ein Schmiermitteltropfen-Generator 32 (Tropfendispenser)
angeordnet, mit dem sich gesteuert Schmiermitteltropfen erzeugen
lassen und gesteuert auf den Lagerspalt 10 hin richten
lassen.
-
Aufgrund
ihres kinetischen Impulses fliegen die Schmiermitteltropfen auf
den Lagerspalt 10 zu, so daß sie zu diesem gewissermaßen geschossen
werden.
-
Der
Schmiermitteltropfen-Generator 32 ist mit einer Schmiermittelquelle 34 verbunden,
so daß der
Schmiermittelnachschub gewährleistet
ist. Der Schmiermitteltropfen-Generator 32 selber ist zu
dem Lager 16 beabstandet und steht insbesondere nicht in
fluidwirksamem Kontakt mit dem Lager 16. Damit steht auch
die Schmiermittelquelle 34 nicht in fluidwirksamem Kontakt
mit dem Lager 16. Es existiert also keine Rückflußverbindung
zwischen dem Lager 16 und der Schmiermittelquelle 34,
so daß eine
Verunreinigung durch rückfließendes Schmiermittel
ausgeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird nur soviel Schmiermittel
gefördert,
wie zur Befüllung
des Lagerspalts 10 benötigt
wird.
-
Die
Schmiermittelquelle 34 ist vorzugsweise in einem evakuierten
Raum und beispielsweise in dem Arbeitsraum 22 angeordnet.
Wenn ein Unterdruck an der Schmiermittelquelle 34 entsteht,
dann wird dort das Entgasen gefördert.
Dadurch wiederum wird die Funktionsfähigkeit der Tropfenerzeugung gesichert.
-
Der
Schmiermitteltropfen-Generator 32 umfaßt, wie beispielhaft in 2 gezeigt, einen Dosierkopf 36 mit
einer Düse 38,
mittels welchem sich gezielt Schmiermitteltropfen zum Lagerspalt 10 hin
richten lassen. Der Dosierkopf 36 ist dabei relativ zu
dem Lager 16 positionierbar, um so einen definierten Beaufschlagungsbereich
mit Schmiermitteltropfen belegen zu können.
-
Insbesondere
sind dabei der Dosierkopf 36 und das Lager 16 relativ
zueinander beweglich. Es ist auch möglich, daß diese relativ zueinander
rotierbar sind, so daß der
Lagerspalt 10 über
eine Umfangsrichtung befüllbar
ist.
-
In
der Praxis hat sich gezeigt, daß man
eine gleichmäßige Befüllung um
den Umfang auch ohne Relativbewegung erreicht, da die Fließeigenschaften des
Schmieröls
ausreichen.
-
Bei
einer Ausführungsform
des Dosierkopfes 36 ist ein Piezoaktuator 40 vorgesehen,
welcher in einem Gehäuse 42 angeordnet
ist. Der Piezoaktuator 40 steht über eine Flüssigkeitsleitung 44 mit
der Schmiermittelquelle 34 in Verbindung.
-
Die
Düse 38 sitzt
an einem Kapillarrohr 46 oder ist einstückig mit diesem gebildet. In
dem Kapillarrohr 46 befindet sich eine Flüssigkeitssäule des flüssigen Schmiermittels.
Aufgrund der Ausbildung eben als Kapillarrohr tritt bei inaktivem
Piezoaktuator 40 keine Flüssigkeit aus der Düse 38 aus.
-
Bei
Aktivierung des Piezoaktuators 40 erhält diese Flüssigkeitssäule einen mechanischen Impuls, welcher
die Flüssigkeit
beschleunigt. Dadurch kommt es an dem düsenseitigen Ende der Flüssigkeitssäule zu der
Abschnürung
eines einzelnen Tropfens gegen die Oberflächenspannung und dieser Tropfen
verläßt dann
den Dosierkopf 36.
-
Über den
Piezoaktuator 40 läßt sich
die Tropfenbildung in weiten Bereichen beeinflussen. Über den
Dosierkopf 36 ist eine Steuerung der Tropfenbildung bezüglich Tropfenmenge
(volumetrische Steuerung) und zeitlicher und örtlicher Tropfenbeaufschlagung
möglich.
Emittierte Schmiermitteltropfen lassen sich mit hoher Reproduzierbarkeit
in einem gewünschten
Beaufschlagungsbereich an dem Lager 16 plazieren, so daß ein gezielter
Befüllungsvorgang des
Lagerspalts 10 ermöglicht
wird.
-
Es
kann dabei noch eine Düsenheizung 48 vorgesehen
sein, durch die infolge Erwärmung
die Viskosität
des Schmiermittels verringert werden kann, um so die Schmiermitteltropfenerzeugung
beeinflussen zu können.
-
Zur
Steuerung der Tropfenbildung und Tropfenbeaufschlagung kann eine
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 50 vorgesehen
sein (1), über welche
insbesondere der Piezoaktuator 40 steuerbar ist und welche
außerdem
auf die Steuerventile 24 und 28 einwirken kann.
-
Über die
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 50 läßt sich
elektronisch über
die Impulsbeaufschlagung des Piezoaktuators 40 die Schmiermittelmenge,
mit welchem das Lager 16 beaufschlagt wird, ermitteln.
Es kann zusätzlich
oder alternativ eine Zähleinrichtung 52 vorgesehen
sein, mittels welcher die Schmiermitteltropfenbeaufschlagung des Lagers 16 optisch
ermittelt wird. Diese Zähleinrichtung 52 kann
an dem Dosierkopf 36 angeordnet sein oder in einem Abstand
zu diesem. Beispielsweise umfaßt
die Zähleinrichtung 52 eine
CCD-Kamera.
-
Bei
einer Variante einer Ausführungsform umfaßt der Dosierkopf 36 eine
integrierte Stroboskop-Leuchtdiode, um die Tropfenemission beobachtbar
machen zu können
und mit einer Zähleinrichtung 52 die
Tropfenbeaufschlagung registrieren zu können.
-
Insbesondere
steht die Zähleinrichtung 52 in Verbindung
mit der Steuerungs- und/oder
Regelungseinrichtung 50, um so eine gezielte Steuerung bzw.
Regelung der Schmiermittelbefüllung
des Lagers 16 zu erreichen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Einbringen von Schmiermittel in den Lagerspalt 10 zwischen
Welle 12 und Wellenaufnahme 14 funktioniert wie
folgt:
In dem Arbeitsraum 22 werden der Dosierkopf 36 und das
zu befüllende
Lager 16, welches an dem Lagerspalt 10 zu einer
Seite hin offen ist, positioniert, wobei der Dosierkopf 36 auf
diese offene Seite ausgerichtet wird (3(a)).
-
Der
Arbeitsraum 22 wird evakuiert und dabei insbesondere unterhalb
einen Druck von 1 mbar gebracht.
-
Über den
Dosierkopf 36 werden dann unter Vakuumbedingungen Schmiermitteltropfen
zum Lagerspalt 10 hin emittiert ("geschossen"). Der Durchmesser dieser Mikro-Schmiermitteltropfen
ist u. a. abhängig
von der Viskosität
des Schmiermittels. Bei der Verwendung von Ester-Öl liegt
der Durchmesser typischerweise zwischen ca. 75 μm und 95 μm.
-
Der
Schmiermitteltropfen-Generator 32 wird aktiviert und aus
der zu dem Lagerspalt 10 beabstandeten Düse 38 treten
die Schmiermitteltropfen mit hoher Geschwindigkeit aus und fliegen
in Richtung des Lagerspalts 10. Sie treffen in dem Lagerspaltbereich 54 auf
und/oder in einem Kehlbereich 56 zwischen der Welle 12 und
einer Stirnseite 57 der Wellenaufnahme 14. Es
bildet sich dann vor allem in diesem Kehlbereich 56 eine
Schmiermittelansammlung, die bei genügender Schmiermitteltropfenbeaufschlagung
zu der Ausbildung eines den Lagerspalt 10 überdeckenden
Flüssigkeitsrings 58 führt, der
in diesem Bereich die Welle 12 umgibt (3(b)).
-
Dadurch,
daß aufgrund
der Ausrichtung der Düse 38 auf
den Lagerspalt 10 hin alle Schmiermitteltropfen im Lagerspaltbereich 54 bzw.
im Kehlbereich 56 auftreffen, ist sichergestellt, daß im wesentlichen
die vollständige,
auf die Beaufschlagungsbereiche 54, 56 gerichtete
Schmiermittelmenge zur Befüllung
des Lagerspalts 10 genutzt wird.
-
Es
hat sich gezeigt, daß sich
der Schmiermittelring 58 selbst ausbildet. Es kann aber
auch vorgesehen sein, daß der
Dosierkopf 36 und das zu befüllende Lager 16 relativ
zu einander bewegt werden, um in dem die Welle 12 umschließenden Kehlbereich 56 einen
in sich geschlossenen Flüssigkeitsring 58 zu
bilden, der wiederum den Lagerspaltbereich 54 vollständig überdeckt.
-
Es
kann auch vorteilhaft sein, eine Mehrzahl von um die Welle 12 verteilt
angeordneten Dosierköpfen 36 vorzusehen.
-
Die
Steuerung der Beaufschlagung des zu befüllenden Lagers 16 mit
Schmiermitteltropfen erfolgt derart, daß sich im Kehlbereich 56 um
die Welle 12 der geschlossene Flüssigkeitsring 58 ausbilden kann;
dieser Schmiermittelring 58 wiederum bildet einen Meniskus
aus, dessen konvexe Oberfläche
den Lagerspalt 10 vollständig überdeckt (3(b)). Der Lagerspalt 10 unterhalb
dieses Schmiermittelrings 58 ist dabei entsprechend den
Vakuumbedingungen im Arbeitsraum 22 evakuiert, wobei der
Schmiermittelring 58 auch noch zumindest teilweise in den
Bereich 54 des Lagerspalts 10 hinein reichen kann.
-
Die
Tropfenbeaufschlagung ist derart mengengesteuert, daß das Volumen
des Schmiermittelrings 58 so bemessen ist, daß der Lagerspalt 10 bis zu
einer gewünschten
Füllhöhe befüllt wird.
-
Nach
Beendigung des Tropfentransfers von der Düse 38 zu dem Lagerspalt 10 wird
der Arbeitsraum 22 belüftet
(3(c) und 3(d)). Dadurch wird die den
Schmiermittelring 58 ausbildende Schmiermittelmenge aufgrund
des Druckanstiegs im Arbeitsraum 22 in den Lagerspalt 10 hingedrückt. Da
der Schmiermittelring 58 den Lagerspalt 10 vollständig überdeckt,
ist der Einschluß von
Luftblasen beim Eindringen des Schmiermittels in den Lagerspalt 10 sicher
verhindert.
-
Unter
Atmosphärenbedingung,
also bei Normaldruck, ist der gesamte Lagerspalt 10 vollständig befüllt. Auch
der Lagerspaltbereich 33 ist bis zu der erwünschten
Füllhöhe, wie
in 3(d) angedeutet, befüllt.
-
Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung und
das erfindungsgemäße Verfahren,
welches sich mit dieser Vorrichtung durchführen läßt, lassen sich auch Lagerspalte
mit sehr kleinem hydraulischen Durchmesser ohne Lufteinschlüsse definiert
befüllen.
-
- 10
- Lagerspalt
- 12
- Welle
- 14
- Wellenaufnahme
- 16
- hydrodynamisches
Lager
- 18
- Vorrichtung
- 20
- Kapsel
- 22
- Arbeitsraum
- 24
- Ventil
- 26
- Pumpe
- 28
- Ventil
- 30
- Ende
- 31
- Widerlager
- 32
- Schmiermitteltropfen-Generator
- 33
- Aufweitung
- 34
- Schmiermittelquelle
- 36
- Dosierkopf
- 38
- Düse
- 40
- Piezoaktuator
- 42
- Gehäuse
- 44
- Flüssigkeitsleitung
- 46
- Kapillarrohr
- 48
- Düsenheizung
- 50
- Steuerungs-
und/oder Regelungseinrichtung
- 52
- Zähleinrichtung
- 54
- Lagerspaltbereich
- 56
- Kehlbereich
- 57
- Stirnseite
- 58
- Flüssigkeitsring