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Einrichtung und Verfahren zum Einstellen der spielfreien
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Lagerung eines drehbeweglichen Bauteiles Die Erfindung bezieht sich
auf eine Einrichtung zum Einstellen der spielfreien Lagerung eines Bauteiles gemäß
dem Oberbegriff des Hauptanspruches und auf ein entsprechendes Verfahren zur Lagereinstellung
unter Verwendung dieser Einrichtung.
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Bei einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere auch im Bereich der
Feinmechanik, werden an die Güte der Lagerung von drehbeweglichen Bauteilen besonders
hohe Anforderungen gestellt. Im vorliegenden Fall werden unter dem Begriff der Lagegüte
Eigenschaften wie Spielfreiheit, Schwingungsfreiheit, ein eng toleriertes Losbrechmoment
und ein ruhiger Lagerlauf neben anderen Lagereigenschaften verstanden. Um diese
Eigenschaften zu erreichen, kann man im allgemeinen davon ausgehen, daß die zueinander
relativ beweglichen Elemente, d. h. eine Spindel und eine Trommel, üblicherweise
doppelt gelagert sind, wobei die Lager selbst häufig als Kugellager ausgebildet
sind.
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Beim heutigen Stand der Fertigungstechnik wird man von einem spielfrei
eingestellten Kugellager dann sprechen, wenn das Spiel zwischen den Elementen des
Lagers, d. h.
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Außenring, Innenring und Kugeln sich nur noch in einem Toleranzbereich
von etwa 10 um bewegt. Eine noch enger tolerierte Ausrichtung von Innenring zu Außenring
des Lagers ist konstruktiv nicht durchführbar, denn dann können Verhältnisse auftreten,
bei denen die elastische Verformbarkeit des Lagermaterials bei Überschreiten einer
zuläs-
sigen Vorspannkraft in Verbindung mit schwellender Belastung
schon eine wesentliche Rolle spielt.
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Auch der Begriff der Schwingungsfreiheit der Lagerung muß relativiert
werden, denn absolute Schwingungsfreiheit ist praktisch nicht realisierbar. Qualitativ
hochwertige Lagerungen werden daher konstruktiv derart ausgelegt, daß Lagereigenfrequenzen
erster und höheret Ordnung in einen vom Anwendungsfall abhängigen Frequenzbereich
fallen, der zumindestens eindeutig über dem Nenndrehzahlbereich liegt.
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Wenn die erste Eigenfrequenz bereits hoch genug liegt, werden die
Eigenfrequenzen höherer Ordnung in ihrer Amplitude so klein, daß sie für den Normalbetrieb
der Bauteile praktisch keine Rolle mehr spielen.
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Ebenso wird es vom Anwendungsfall abhängen, wie das statische Losbrechmoment,
d. h. das gerade ausreichende Moment, mit dem das Bauteil aus der Ruhelage heraus
in Drehbewegung versetzt wird, ausgelegt ist. Dabei sind sowohl Anwendungsfälle
mit einem gegen Null gehenden Losbrechmoment denkbar, damit bereits kleinste ausgeübte
Drehmomente eine entsprechende Drehbewegung auslösen, als auch Anwendungsfälle,
bei denen dieses Losbrechmoment dem jeweiligen normalen Antriebsmoment angepaßt
ist. Diese Anpassung liegt dann darin, daß das Losbrechmoment hoch genug gewählt
wird, damit die Lagerung nicht zum Schwingen neigt. Dabei kann auch berücksichtigt
sein, daß eine gewisse Größe des statischen Losbrechmomentes toleriert wird, um
durch Längenänderungen am Bauteil hervorgerufene Änderungen in den Lager stellen
die entsprechenden Lagervorspannkräfte nicht bereits zu Null gehen zu lassen.
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Schließlich ist die Laufruhe einer Lagerstelle einerseits durch die
Formgenauigkeit der Einzelteile des Lagers, d. h. also im wesentlichen der Laufbahnen
im Innen- bzw.
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Außenring und bei Kugellagern die einheitliche Größe und
Form
der Kugellager und andererseits durch die exakte Zuordnung dieser Teile im justierten
Lager bestimmt. Nur durch das Zusammenspiel entsprechender Maßnahmen wird erreicht,
daß alle Wälzelemente beim Lauf des Bauteiles im Nenndrehzahlbereich gleichmäßig
belastet sind. Jede Unsymmetrie führt hier zu schwankenden Lagerbelastungen und
resultiert damit in einem unruhigen Lagerlauf. Nur bei ausreichenden Werten für
die genannten Größen ist eine Lageranordnung von gewünschter Güte definiert.
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Um ein solches Konstruktionsziel zu verwirklichen, sind eine Reihe
von konventionellen Lösungen bekannt. Man kann zunächst sogenannte Duplexlager verwenden,
die nach Spezifikation des Anwenders genau auf den Anwendungsfall abgestimmt sind
und nach Vorschrift des Lagerherstellers eingebaut werden. Diese Lösung für das
Problem der Lageranordnung ist konstruktiv sehr aufwendig und damit in vielen Anwendungsfällen
aus Kostengründen nicht vertretbar, darüber hinaus möglicherweise auch aus anderen
konstruktiven Gründen nicht geeignet.
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Viel häufiger werden auch für qualitativ hochwertige Lageranordnungen
Standardkugellager eingesetzt und einzelne Lagerpaare durch Messung der kritischen
Lagerabmessungen ausgewählt und zusammengestellt. Für den Aufbau einer spielfreien
Lagerung bieten sich dann grundsätzlich zwei Konstruktionsformen an. In der einen
Form besteht eine doppelte Lagerung einer Trommel auf einer Spindel, aus einer Kombination
von einem Loslager mit einem Festlager.
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Dabei ist das Festlager mit dem Innenring auf die Spindel aufgepreßt
und mit dem Außenring mit Preßsitz in die Trommel eingeschoben. Beim Loslager ist
einer der beiden Lagerringe gegenüber dem entsprechenden Lagerring des Festlagers
in einem vorgegebenen Abstand fest und der andere Lagerring mit einem eng tolerierten
Spiel angeordnet.
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Auf den mit Spielpassung angeordneten Lagerring des Los-
lagers
wird z. B. durch eine vorgespannte Feder eine Kraft ausgeübt, die diesen Lagerring
gegenüber dem zugeordneten, mit Festsitz angeordneten Lagerring verschiebt und damit
in gleicher Weise auch die Lagerringe des Festlagers zueinander ausrichtet. Für
die konstruktive Auslegung des Federelementes sind eine ganze Reihe von konstruktiven
Detaillösungen bekannt. Jedoch sind eine Reihe von Anwendungsfällen bekannt, bei
denen es aus bestimmten konstruktiven Gründen unzweckmäßig erscheint, eine derartige
Kombination von Los- und Festlager einzusetzen.
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Deshalb besteht eine zweite Konstruktionsform darin, beide Lager einer
doppelseitigen Lageranordnung als Festlager auszubilden und die zur Spiel freiheit
notwendige Verspannung der Lager durch genau angepaßte Distanzhülsen sicherzustellen.
Bei dieser Konstruktionsform besteht offensichtlich die Notwendigkeit eine aufgrund
der allgemeinen Lagertoleranzen vorgegebene individuelle Lageranordnung zu schaffen.
Da beide Lagerstellen fest angeordnet sind, müssen vor der Montage der Lager Toleranzberechnungen
ausgeführt werden. Dabei sind zunächst eine Reihe von Messungen durchzuführen, um
die einzelnen Elemente dieser Lageranordnung miteinander paaren zu können.
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In Bezug auf die zu verwendenden Lager sind Innen- und Außendurchmesser,
sowie Lagerüberstand und Radialluft festzustellen. Für jede Lagerstelle sind dann
sowohl Außendurchmessser der Spindel als auch Innendurchmesser der Trommel festzustellen.
Schließlich muß auch die Länge der Distanzhülse, die zwischen den Innenringen angeordnet
wird, bekannt sein. Aufgrund dieser Messungen werden Paarungen zusammengestellt,
um sicherzustellen, daß ein gewisses Übermaß in radialer Richtung, sowie ein minimales
Spiel in axialer Richtung nach dem Einpressen der Teile gewährleistet ist. Wenn
alle genannten Einflußfaktoren bekannt sind, und eine bestimmte Vo-rspannkraft für
die
Lageranordnung definiert ist, kann aus dem Übermaß, dem Überstand, dem Radialspiel
und der Länge der inneren Distanzhülse die Länge der äußeren Distanzhülse in bekannter
Weise errechnet werden. Allerdings ist dies nur eine Toleranzberechnung aufgrund
der genannten Größen. In die konventionelle Berechnung gehen Form- und innere Lagertoleranzen
nicht ein. Außerdem sind die Ausgangsgrößen für diese Berechnung gemessene Werte,
daher also auch fehlerbehaftet. Alle diese Einflußgrößen führen zu einer gewissen
Unsicherheit des Rechenergebnisses, die insbesondere bei niedrigen Vorspannkräften
so kritisch wird, daß eine serienmäßige Fertigung einer solchen Lageranordnung ausschußfrei
fast nicht möglich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, doppelseitige Lageranordnungen
mit Hilfe von Festlagern unter Ausschaltung einer nicht immer sicheren Lagerberechnung
auch bei hohen Anforderungen an die Qualität der Lageranordnung zu erreichen.
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Bei einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 beschriebenen
Merkmale gelöst.
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Auch bei der erfindungsgemäßen Lösung kann zwar nicht darauf verzichtet
werden, die wesentlichen, den Sitz der Lager bestimmenden Größen, d. h. Innen- und
Außendurchmesser der Kugellager und die zugeordneten Größen, die Außendurchmesser
der Spindel an beiden Lagerstellen bzw.
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den Innendurchmesser der Trommel an den entsprechenden Stellen zu
messen. Die Montage der Lager und ihre endgültige Einstellung beruhen jedoch nicht
mehr auf einer alle Einflußgrößen nur unzureichend berücksichtigenden theoretischen
Berechnung, sondern auf einer Justierung der La-
ger aufgrund von
individuell ermittelten Meßergebnissen, mit deren Hilfe der Justierungsvorgang gesteuert
wird.
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Besonders deutlich werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
in Verbindung mit einer ihrer Weiterbildungen bei einem Verfahren zum Einstellen
der spielfreien Lagerung eines drehbeweglich gelagerten Bauteils unter Verwendung
der beschriebenen Einrichtung, das durch die im Kennzeichen des Patentanspruches
8 im einzelnen beschriebenen Schritte bestimmt ist. Hierbei wird deutlich, daß der
Justierungsvorgang für die Lager auch iterativ unter Berücksichtigung zwischenzeitlicher
Meßergebnisse durchgeführt werden kann und damit im Ende eine Lageranordnung erzielt
wird, die weitgehend im Toleranzbereich vorgegebener Meßgrößen, wie z. B. einer
vorgegebenen Vorspannkraft für die Lager, einem bestimmten statischen Losbrechmoment
und einem vorgegebenen Toleranzbereich der Amplitude der Eigenschwingungen liegt.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden der Einstellvorgang
und der Prüfvorgang bei unterschiedlichen Temperaturen der Lager ausgeführt. Damit
wird erreicht, daß eine geprüfte Lageranordnung im praktischen Betrieb ihre Funktionen
in einem angestrebten Temperaturbereich voll erfüllt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines drehbeweglichen
Bauteiles mit einer Spindel, auf der doppelseitig über gegeneinander verspannte
Lager eine Trommel rotatorisch beweglich angeordnet ist, Fig. 2 und 3 je eine Vorder-
bzw. Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung zum Verspannen
der
Lager des Bauteiles und zum Prüfen der Lagereigenschaften unter Verwendung eines
Beschleunigungssensors als Signalgeber und eines Frequenzanalysators als Auswerteeinrichtung,
Fig. 4 eine weitere Ansicht dieser Einrichtung mit einer Anordnung zum Bestimmen
des statischen Losbrechmomentes für das Bauteil, Fig. 5 ein Schaubild, das in Abhängigkeit
von der Frequenz das Amplitudenspektrum des von dem Signalgeber abgegebenen Prüfsignales
für eine bestimmte Lageranordnung erläutert und Fig. 6 und 7 je ein Schaubild eines
analysierten Prüfsignales aufgetragen über der Zeitachse, wobei das in Fig.
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6 gezeigte Schaubild noch unzulässige Spannungsspitzen als Beispiel
für eine nicht ausreichend vorgespannte bzw.
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nicht spielfreie Lageranordnung illustriert und das Schaubild von
Fig. 7 einen Signalverlauf mit nur geringfügig aus dem "weißen Rauschen" herausragenden
Signalspitzen demonstriert.
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Aus einer Vielzahl von möglichen Anwendungsfällen ist ein besonders
einfaches Beispiel für ein drehbewegliches Bauteil ausgewählt und in Fig. 1 schematisch
dargestellt, bei dem auf einer Spindel 1 zwei Kugellager 2 mit ihren Innenringen
200 mit Festsitz angeordnet sind. Es sind Kugeln 210 der Kugellager angedeutet,
die sich auf dem Innenring 200 abstützen und den entsprechenden Außenring 220 tragen,
der seinerseits in einer Trommel 3 festgelegt ist. Die Lagerstellen sind durch Dichtscheiben
4 nach außen abgedichtet. Die schematische Darstellung verdeutlicht, daß die Innenringe
200 der Kugellager 2 enger zusammenstehen als die entsprechenden Außenringe 220.
Die Lager 2 sind daher mit einer bestimmten in axialer Rich-
tung
wirkenden und durch Pfeile angedeuteten Vorspannkraft K gegeneinander verspannt.
Daraus resultiert ein nach innen gerichteter DruckwinkelS , der sich aus der Lage
der Berührungspunkte der Kugeln 210 mit den Laufschalen des Innen- und Außenringes
200 bzw. 220 ergibt.
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Üblicherweise spricht man bei einer solchen, innen liegende Druckwinkel«;
aufweisenden Lageranordnung von einer sogenannten O-Anordnung. Ebensogut hätte jedoch
auch eine X-Anordnung gewählt werden können, bei der dann die entsprechenden Lager
in der umgekehrten Funktionsrichtung zueinander verspannt sind, so daß die DruckwinkelOC
außen liegen. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung für ein drehbeweglich gelagertes
Bauteil bedeutet daher keine Beschränkung. Außerdem wird wohl deutlich, daß die
scnematische Darstellung eines solchen Bauteiles keineswegs bedeutet, daß die Trommel
3 immer das umlaufende Element sein müsse und auch nicht anders ausgebildet sein
könnte als, wie hier dargestellt, ein einfacher Hohlzylinder.
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Die Vorderansicht einer Einrichtung zum Einstellen der spielfreien
Lagerung für ein solches drehbar gelagertes Bauteil ist in Fig. 2 dargestellt. Die
in dieser Figur enthaltene Schnittlinie III-III kennzeichnet die Schnittebene für
eine Seitenansicht, die in Fig. 3 dargestellt ist. Beide Ansichten werden daher
im folgenden gemeinsam beschrieben. Diese Einrichtung soll biegesteif ausgebildet
sein und ist möglichst schwingungsfrei zu lagern, um Meßfehler zu vermeiden. Sie
steht daher auf einem massiven Fundament 5, das auch noch stoßgedämpft ausgeführt
sein kann. Die Einrichtung selbst besteht in ihrem mechanischen Teil aus einer Presse
mit Bodenplatte 6, die auf dem Fundament 5 aufs-itzt, mit Seitenstützen 7 und einer
von diesen Seitenstützen getragenen Deckplatte 8. In einer Zentralbohrung 81 dieser
Deckplatte ist ein Stempel 9 geführt, der hier als Zahnstange ausgebildet ist und
über ein Ritzel 10 in vertikaler Richtung ausge-
lenkt wird. Das
Ritzel 10 ist auf einer Welle 11 gelagert, die in einer Führung 82 der Deckplatte
horizontal geführt ist und auf deren einer Seite seitlich heraussteht. An diesem
herausstehenden Wellenende ist ein Arm 12 angelenkt, der zur Bodenplatte 6 hinunterreicht
und sich auf dem Umfang eines Exzenterrades 13 abstützt, das parallel zur entsprechenden
Seite der Bodenplatte 6 angeordnet ist.
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Mit der Längsachse des Stempels 9 fluchtend, ist innerhalb des beschriebenen
Rahmens eine Aufnahmevorrichtung für das Bauteil mit seinen zu justierenden Lagerstellen
angeordnet. Um die vom Stempel 9 ausgeübte Kraft eindeutig und gleichmäßig auf das
Bauteil zu übertragen, besteht die Aufnahmevorrichtung aus einer horizontal liegenden
Traverse 14 mit zwei seitlichen Stützen 15, die als Hohlzylinder ausgebildet sind
und auf je einem auf der Oberseite der Bodenplatte 6 fest angeordneten Führungsbolzen
16 laufen. Der Stempel 9 greift zentral auf der Oberseite der Traverse 14 an, die
an dieser Stelle zur besseren Kraftübertragung eine noppenförmige Erhebung 17 aufweist.
Zwischen der Unterseite der Traverse 14 und der Oberseite der Bodenplatte 6 ist
nun das Bauteil über Andruckbüchsen 18 eingespannt. Diese Andruckbüchsen 18 sind
über die entsprechenden Enden der Spindel 1 geschoben und drücken gegen die Innenringe
200 der Kugellager 2.
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Die vom Stempel 9 über die Traverse 14 auf die Andruckbüchsen 18 übertragene
Einpreßkraft wird von dem Exzentertrieb bestehend aus Exzenterrad 13 und Arm 12
beim Drehen des Exzenterrades 13 aufgebracht. Dazu ist das Exzenterrad 13 über eine
in Fig. 2 schematisch dargestellte schaltbare Kupplung 19 mit einem Stellmotor 20
verbunden. Dieser Exzenterantrieb erlaubt es, eine bestimmte Drehzahl des Stellmotors
20 zugrundegelegt, eine gleichmäßig ansteigende Einpreßkraft für die Justierung
der
Kugellager 2 des vormontierten Bauteiles aufzubringen. Dabei sorgt die abschaltbare
Kupplung 19 für eine schnelle Entlastung des Exzentertriebes, sobald dies erforderlich
wird.
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Die diesem mechanischen Aufbau zugeordneten Meßeinrichtungen bestehen
zunächst aus einer an der Traverse 14 festgelegten ,um-Meßuhr 21, die sich auf einem
Anlagedorn 22 abstützend die vertikale Auslenkung der Traverse 14 anzeigt. Weiterhin
ist seitlich an der Bodenplatte 6 ein Antriebsmotor 23 angeordnet, der im eingeschalteten
Zustand über einen Riementrieb 24 die Trommel 3 des Bauteiles mit einer vorbestimmten
Montagedrehzahl anzutreiben gestattet. Diesem Antriebsmotor 23 kann eine in Fig.
2 schematisch angedeutete elektrische Ansteuerungsschaltung 25 zugeordnet sein.
Sie besteht aus einer Stromquelle 251 und einem in den Stromkreis seriell eingeschalteten
Amperemeter 252. Sie kann weiterhin einen Stromwandler 253 aufweisen, an den sekundärseitig
ein Schwellwertglied 254 angeschlossen ist. Das Schwellwertglied soll dann so ausgebildet
sein, daß bei Unterschreiten einer Mindeststromaufnahme des Antriebsmotors 23 ein
Ausgangssignal abgegeben wird, das, wie schematisch angedeutet, einen Schalter 26
zum Abschalten der Kupplung 19 betätigt. Die Wirkungsweise dieser Anordnung wird
später im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Einstellvorganges für die Lager
des Bauteiles im einzelnen näher erläutert.
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Eine weitere Meßeinrichtung besteht aus einem Beschleunigungssensor
27, der Schwingungen des Bauteiles während des Einstellvorganges aufnimmt und dessen
Ausgangssignal über einen Verstärker 28 einem schematisch dargestellten Frequenzanalysator
29 zugeführt wird. Mit Hilfe dieses Frequenzanalysators werden die beim Umlaufen
der Trommel 3 des Bauteiles auftretenden Beschleunigungsspitzen, die vom Beschleunigungssensor
27 in elektrische Signale umge-
setzt werden, sowohl in einem Amplitudenspektrum
als auch in einem Phasenspektrum sichtbar gemacht, wie noch im einzelnen zu erläutern
sein wird.
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In Fig. 4, die nochmals eine Ansicht der beschriebenen Einrichtung
zeigt, ist eine weitere Meßanordnung dargestellt, die zur Messung des statischen
Losbrechmomentes verwendet wird. Schematisch ist hier dargestellt, daß auf die Trommel
3 des Bauteiles eine Schnur 30 aufgewickelt ist, an deren freiem Ende, über eine
möglichst leichtgängige Rolle 31 laufend, ein Satz von Gewichten 32 befestigt ist.
Mit dieser wahlweise verwendeten Einrichtung läßt sich durch schrittweises Erhöhen
des Belastungsgewichtes für jeden Zustand einer Lagervorspannung das zugehörige
statische Losbrechmoment der Lageranordnung messen, d. h. dasjenige Moment, das
an der ruhenden Trommel 3 angreifend diese gerade noch aus der Ruhelage heraus bewegt.
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Nachfolgend wird die bisher beschriebene Einrichtung in ihrer Wirkungsweise
im Hinblick auf einen bestimmten Anwendungsfall im einzelnen näher erläutert. Das
erläuterte und in Fig. 1 schematisch dargestellte drehbeweglich gelagerte Bauteil
kann als die Lagerung für einen Drehpositionierer eines Plattenspeichergerätes aufgefaßt
werden.
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In diesem Anwendungsfall ist das drehende Teil die Trommel 3, sie
führt im normalen Betriebsfall eine oszillierende Bewegung in einem beschränkten
Winkelbereich aus, dabei soll die Achslage beliebig sein und trotzdem in dem Arbeitsbereich
eine nicht wiederholbare Rundlaufgenauigkeit von weniger als 1 pm erreicht werden.
Die Betriebsfrequenz liegt in einem Bereich von ca. 20 Hz und für den normalen Betrieb
ist ein Temperaturbereich von etwa 10°C bis 550C angenommen.
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Als vorbereitende Arbeiten für den Lagereinbau werden die
angelieferten
Teile, Spindel und Trommel einerseits und Kugellager andererseits, gemessen und
entsprechend ihren Toleranzen zum Paaren vorsortiert. Ist die Fertigung dieser Teile
ausreichend abgestimmt, d. h. die entsprechenden Durchmesser auf ein definiertes
Übermaß toleriert, dann erübrigt sich sogar dieses Paaren. Dabei ist jedoch zu beachten,
daß in jedem Fall noch eine definierte Lagerluft erforderlich ist, um einen ausreichenden
Druckwinkels der Lagerung zu erzielen.
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Sodann werden die Lager vormontiert. Aus den obengenannten Gründen
ist es dabei zweckmäßig, die Einpreßkraft zu messen, da sie eine Bewertungsgröße
für das Übermaß darstellt. Im gewählten Anwendungsfall liegt die Einpreßkraft beispielsweise
zwischen 500 und 1000 N. Die Obergrenze ergibt sich aus der Forderung, daß beim
Montieren der Lager noch keine Formänderungen an der Trommel 3 auftreten dürfen,
während die Untergrenze dadurch bedingt ist, daß die Lager später unter bleibender
Vorspannung stehen sollen und die Vorspannkräfte, aber auch mögliche Erschütterungen
der Lagerung z. B. Stoßbeanspruchungen nicht zu einer Dejustage der Lagerstellen
zueinander führen dürfen. Im vormontierten Zustand sind die Kugellager 2 noch nicht
vorgespannt.
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Das insoweit vorbereitete Bauteil wird mit aufgeschobenen Andruckbüchsen
18 in die beschriebene Einrichtung eingesetzt und wird gegebenenfalls zunächst vorjustiert.
Bei dieser Vorjustage wird die Trommel 3, wie in Fig. 2 dargestellt, über den Riementrieb
24 durch den Antriebsmotor 23 angetrieben. Zweck dieser Drehbewegung ist es, den
normalen Betriebsfall für das drehbar gelagerte Bauteil zu simulieren. Die Drehzahl
muß auf jeden Fall hoch genug liegen, um die Eigendämpfung der Lageranordnung zu
überwinden, im gewählten Anwendungsfall beträgt sie etwa 1000 U/min. Mit Hilfe des
Stellmotors 20 wird dann über
den Exzenterantrieb 13, 12 langsam
eine Justagekraft aufgebracht, die über den Stempel 9 und die in bezug auf die Anlageflächen
der Andruckbüchsen 18 planparallel geführte Traverse 14 gleichmäßig auf die Innenringe
200 der Kugellager 2 übertragen wird.
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Dabei werden die Kugellager 2 durch das Verschieben der Innenringe
langsam vom entlasteten Zustand in den vorgespannten Zustand übergeführt. Bei diesem
Übergang in den vorgespannten Zustand treten normalerweise charakteristische Schwingungen
in Verbindung mit erhöhter Geräuschemission auf, die dann schnell abklingen. Zugleich
geht die Stromaufnahme des Antriebs motors 23 zurück. Schrittweise wird diese Stromaufnahme
bei einer Meßkraft von 10 N, d. h. weitgehender Entlastung des drehbeweglich gelagerten
Bauteiles, gemessen. Diese Vorjustage ist abgeschlossen, sobald die Stromaufnahme
einen vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht. Dleser Grenzwert ist selbstverständlich
abhängig von der Ausführung der Lagerung, z. B. insbesondere der Viskosität der
Schmierung, aber auch der Ausführungsform der Einrichtung; er ist also ein individueller
Wert, der empirisch ermittelt werden muß.
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Zusätzlich lassen sich die während dieser Vorjustage auftretenden
Lageänderungen der Innenringe 200 der Kugellager 2 mit Hilfe der um-Meßuhr 21 überwachen.
Ein Verfahren ner Bediener kann auch aufgrund der durch den simulierten Betrieb
hervorgerufenen Lagergeräusche Rückschlüsse auf die Lagereinstellung ziehen, da
ein Kugellager mit zuviel Radialluft Lagergeräusche abgeben kann, die mit dem Erreichen
der richtigen Vorspannung abklingen. Zugleich erreicht auch die Stromaufnahme für
den Antriebsmotor 23 den unteren Grenzwert unter der Voraussetzung; daß die vorgeschriebene
geringe axiale Meßlast wirksam wird.
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Die beschriebene Vorjustage ist jedoch nicht in allen Fällen erforderlich.
Vielmehr kann es auch ausreichen,
sofort mit der eigentlichen Justage
der Lager 2 zu beginnen, die bei einer vorbestimmten Lagertemperatur von beispielsweise
30 C durchgeführt wird. 8ei diesem Vorgang wird die Trommel 3 nicht angetrieben,
stattdessen wird die in Fig. 4 dargestellte Meßeinrichtung 30, 31, 32 benutzt. Diese
dient dazu, die statische Losbrechkraft wiederum bei einer Meßlast von 10 N zu prüfen.
Dabei werden schrittweise die Gewichte 32 aufgesetzt, bis sich die Trommel 3 aus
der Ruhelage herauszubewegen beginnt. Im vorgegebenen Anwendungsfall soll die statische
Losbrechkraft 0,16 N mit einer Abweichung von 1,5 % betragen. Die statische Losbrechkraft
ist für einen gegebenen An-wendungsfall ein gutes Maß für die wirksame Vorspannkraft
der Kugellager 2. Deshalb werden die Innenringe 200 der Kugellager schrittweise
solange unter Aufbringen der Justagekraft weiter zusammengeschoben, bis die vorbestimmte
Losbrechkraft erreicht ist. Dabei kann wiederum die Verschiebung der Innenringe
200 über die um-Meßuhr 21 verfolgt werden. Die Verschiebung sollte unter Einbeziehung
der trotz einer biegesteifen Ausführung immer noch vorhandenen Durchbiegung der
Einrichtung etwa in Schritten von 1 um erfolgen.
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Dabei kann es nun vorkommen, daß die Kugellager 2 bei dieser Feineinstellung
trotz des iterativen Vorgehens zu stark vorgespannt werden und dann die statische
Losbrechkraft den vorgeschriebenen Wert übersteigt. Da diese Lagerkonstruktion ohne
Distanzhülsen auskommt, ist die Lagervorspannung reversibel, d. h. die Lager können
durch Zusammendrücken der Außenringe 220 wieder entlastet und dann erneut fein eingestellt
werden. Eine solche Korrekturmöglichkeit ist bei einem konventionellen Lageraufbau
mit Distanzhülsen nicht gegeben.
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Daran schließt sich nun ein Prüfvorgang für die eingestellte Lageranordnung
an, der wiederum bei einer Lager-
belastung mit der Meßlast von
10 N, nun aber mit einer Lagertemperatur von beispielsweise 10°C erfolgt. Wie ersichtlich
werden die Justage und der Prüfvorgang bei unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen.
Damit wird der praktische Betrieb simuliert, die gewählten Lagertemperaturen hängen
demzufolge auch von den Einsatzbedingungen ab.
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Bei diesem Prüfvorgang wird die Trommel 3 wieder angetrieben, die
Drehzahl beträgt z. B. 4000 U/min und es wird nochmals die Stromaufnahme des Antriebsmotors
23 geprüft, die mit geringer Abweichung den beschriebenen unteren Grenzwert haben
soll. Weiterhin werden bei diesem Prüfvorgang vor allem aber an der Spindel 1 des
drehbeweglich gelagerten Bauteiles auftretende mechanische Schwingungen über den
Beschleunigungssensor 27 aufnommen und mit dem Frequenzanalysator 29 dargestellt
und ausgewertet. Vorzugsweise wird dieser Prüfvorgang für beide Drehrichtungen durchgeführt,
bei denen die gleichen Ergebnisse auftreten sollen. Die Meßeinrichtung 27, 28, 29
ist dabei mit handelsüblichen Meßgeräten zu realisieren, wie sie z. B. von Brüel
und Kjaer angeboten werden. Mit dem Frequenzanalysator 29 wird zunächst ein Amplitudenspektrum
der über den Beschleunigungssensor 27 aufgenommenen Schwingungen aufgezeichnet.
Für den gegebenen Anwendungsfall ist ein solches Amplitudenspektrum in dem Schaubild
von Fig. 5 über der Frequenz f aufgetragen.
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Dieses Spektrum zeigt ein erstes Maximum bei einer Frequenz fl, dies
ist die Lagereigenfrequenz, die In diesem Beispiel etwas über 2 KHz liegt. Ein zweites
Maximum tritt bei einer Frequenz 2 zu 12 KHz auf, dies ist die Lagervorspannfrequenz.
Das Schaubild von Fig. 5 soll im wesentlichen zeigen, daß die Lagervorspannfrequenz
f2 weit höher als die Lagereigenfrequenz fl gelegt ist. Die Lagervorspannfrequenz
f2 ist u. a. auch ein Maß für den zulässigen Temperaturbereich der Lageranordnung,
ist im
wesentlichen durch die Wahl der Lagervorspannkraft bedingt
und kann durch steigende Vorspannkraft höher gelegt werden. Im gegebenen Anwendungsfall
entspricht der Lagervorspann frequenz 2 im Bereich von etwa 12 KHz einer Lagervorspannung
in der Größenordnung von 150 N.
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Weiterhin wird mit dem Frequenzanalysator 29, in Fortsetzung des Prüfvorganges,
das über den Beschleunigungssensor 27 aufgenommene Schwingungssignal bewertet und
im zeitlichen Verlauf dargestellt. Zwei entsprechende Zeitschaubilder sind in Fig.
6 bzw. 7 gezeigt, die einen Signalverlauf aufgetragen über der Zeitachse t zeigen.
Die beiden Schaubilder sind einander direkt gegenübergestellt, um unter Ausschaltung
einer variablen Empfindlichkeit des Frequenzanalysators 29 je ein Beispiel für eine
Lageranordnung mit unzulässigen bzw. zulässigen Werten für das Zeitsignal zu zeigen.
Das Zeitschaubild von Fig. 6 weist weit über das weiße Rauschen hinausgehende Spannungsspitzen
auf, die von einem unruhigen Lagerlauf herrühren. In diesem Fall muß die Ursache
ermittelt und gegebenenfalls die Lagerjustage mit den beschriebenen Schritten nochmals
durchgeführt werden, bis die in den Schaubildern 5 bzw. 7 dargestellten Bedingungen
erfüllt sind. Andernfalls ist die Lageranordnung zumindestens mit der gegebenen
Kombination von Bauteilen nicht akzeptabel.
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An diesen Prüfvorgang schließt sich die Endmontage an, bei der noch
die Dichtungsscheiben 4 aufgesetzt werden und ein Probelauf zum Einlaufen der Lager
durchgeführt wird. Danach kann es zweckmäßig sein, die oben beschriebenen Prüfungen
für die fertig montierte und eingelaufene Anordnung nochmals durchzuführen.
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10 Patentansprüche 7 Figuren
Bezugszeichenliste
Fig.
1 1 Spindel 2 Kugellager 200 Innenring 210 Kugel 220 Außenring 3 Trommel 4 Dichtungsscheiben
K Vorspannkraft Druckwinkel Fig. 2 und 3 5 Fundament 6 Bodenplatte 7 Seitenstützen
8 Deckplatte 81 Zentralbohrung der Traverse 82 Führung der Traverse 9 Stempel 10
Ritzel 11 Welle 12 Arm 13 Exzenterrad 14 Traverse 15 Stützen 16 Führungsbolzen 17
noppenförmige Erhebung 18 Andruckbüchsen 19 schaltbare Kupplung 20 Stellmotor 21
um-Meßuhr 22 Anlagedorn
23 Antriebsmotor 24 Riementrieb 25 elektrische
Ansteuerungsschaltung 251 Stromquelle 252 Amperemeter 253 Stromwandler 254 Schwellwertglied
26 Schalter 27 Beschleunigungssensor 28 Verstärker 29 Frequenzanalysator Fi. 4 30
Schnur 31 Rolle 32 Satz von Gewichten