DE3436268C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein
Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagervorspannung
gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 9.
Eine solche Einrichtung und ein solches Verfahren sind aus
DE-AS 15 25 256 bekannt.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere auch im
Bereich der Feinmechanik, werden an die Güte der Lagerung
von drehbeweglichen Bauteilen besonders hohe Anforderungen
gestellt. Im vorliegenden Fall werden unter dem Begriff
der Lagergüte u. a. Eigenschaften wie Spielfreiheit,
Schwingungsfreiheit, ein eng toleriertes Losbrechmoment
und ein ruhiger Lagerlauf verstanden. Allgemein kann man
davon ausgehen, daß die zueinander relativ beweglichen
Elemente, d. h. eine Spindel und eine Trommel, üblicherweise
zweifach, häufig durch Kugellager gelagert sind.
Dazu ist z. B. aus "Die Wälzlagerpraxis", R. Oldenbourg
Verlag München Wien, 1978, S. 315 bekannt, die Kugellager
bei definiertem Übermaß auf die Spindel bzw. in die Trommel
mit einer mechanischen oder hydraulischen Presse zu
pressen.
Beim heutigen Stand der Fertigungstechnik muß zwischen
den Elementen des Lagers, d. h. Außenring, Innenring und
Kugeln eine Verformung von mindestens 10-1 µm erzielt
werden, um Spielfreiheit zu sichern. Eine noch enger tolerierte
Ausrichtung von Innenring zu Außenring des Lagers
ist konstruktiv nicht durchführbar, denn dann können
Verhältnisse auftreten, bei denen die elastische Verformbarkeit
des Lagermaterials bei Überschreiten einer zulässigen
Vorspannkraft in Verbindung mit schwellender Belastung
schon eine wesentliche Rolle spielt.
Auch der Begriff der Schwingungsfreiheit der Lagerung muß
relativiert werden, denn absolute Schwingungsfreiheit ist
praktisch nicht realisierbar. Qualitativ hochwertige Lagerungen
werden daher konstruktiv derart ausgelegt, daß
Lagereigenfrequenzen erster und höherer Ordnung in einen
vom Anwendungsfall abhängigen Frequenzbereich fallen, der
zumindestens eindeutig über dem Nenndrehzahlbereich liegt.
Wenn die erste Eigenfrequenz bereits hoch genug liegt,
werden die Eigenfrequenzen höherer Ordnung in ihrer Amplitude
so klein, daß sie für den Normalbetrieb der Bauteile
praktisch keine Rolle mehr spielen.
In diesem Zusammenhang ist auf ein aus DE-AS 22 22 000 bekanntes
Verfahren zur Laufprüfung hinzuweisen, das sich
für die Durchführung einer Endkontrolle eines Kugellagers
eignet, bevor es im eigentlichen Montagevorgang auf die
Spindel bzw. in die Trommel gepreßt wird. Bei diesem Verfahren
läuft der eine Kugellagerring um und der andere Kugellagerring
ist axial belastet und steht mit einem Körperschall-
Schwingungsaufnehmer in Berührung. Während der
Laufprüfung dreht sich der axial belastete Kugellagerring
vorzugsweise mit niedriger Drehzahl und wird bezüglich
des anderen Kugellagerringes entsprechend den Betriebsbedingungen
in größtmöglicher Weise verkantet. Damit läßt
sich zwar die Schwingungsneigung eines einzelnen Kugellagers
messen. Nach dieser bekannten technischen Lehre ist
aber kein Montagevorrichtung zum Einstellen der spielfreien
Lagerung eines drehbeweglichen Bauteiles durchführbar, da
dieses Verfahren insbesondere darauf beruht, die beiden
Kugellagerringe zueinander axial zu verkanten.
Weiterhin wird es vom Anwendungsfall abhängen, wie das
statische Losbrechmoment, d. h. das gerade ausreichende
Moment, mit dem das Bauteil aus der Ruhelage heraus in
Drehbewegung versetzt wird, ausgelegt ist. Dabei sind sowohl
Anwendungsfälle mit einem gegen Null gehenden Losbrechmoment
denkbar, damit bereits kleinste ausgeübte
Drehmomente eine entsprechende Drehbewegung auslösen, als
auch Anwendungsfälle, bei denen dieses Losbrechmoment dem
jeweiligen normalen Antriebsmoment angepaßt ist. Diese Anpassung
liegt dann darin, daß das Losbrechmoment hoch genug
gewählt wird, damit die Lagerung nicht zum Schwingen
neigt. Dabei kann auch berücksichtigt sein, daß eine gewisse
Größe des statischen Losbrechmomentes toleriert
wird, um durch Längenänderungen am Bauteil hervorgerufene
Änderungen in den Lagerstellen die entsprechenden Lagervorspannkräfte
nicht bereits zu Null gehen zu lassen.
Schließlich ist die Laufruhe einer Lagerstelle einerseits
durch die Formgenauigkeit der Einzelteile des Lagers,
d. h. also im wesentlichen der Laufbahnen im Innen- bzw.
Außenring und bei Kugellagern die einheitliche Größe und
Form der Kugellager und andererseits durch die exakte Zuordnung
dieser Teile im justierten Lager bestimmt. Nur
durch das Zusammenspiel entsprechender Maßnahmen wird erreicht,
daß alle Wälzelemente beim Lauf des Bauteiles im
Nenndrehzahlbereich gleichmäßig belastet sind. Jede Unsymmetrie
führt hier zu schwankenden Lagerbelastungen und
resultiert damit in einem unruhigen Lagerlauf. Nur bei
ausreichenden Werten für die genannten Größen ist eine
Lageranordnung von gewünschter Güte definiert.
Um ein solches Konstruktionsziel zu verwirklichen, sind
eine Reihe von konventionellen Lösungen bekannt. Man kann
zunächst sogenannte Duplexlager verwenden, die nach Spezifikation
des Anwenders genau auf den Anwendungsfall abgestimmt
sind und nach Vorschrift des Lagerherstellers
eingebaut werden. Diese Lösung für das Problem der Lageranordnung
ist konstruktiv sehr aufwendig und damit in
vielen Anwendungsfällen aus Kostengründen nicht vertretbar,
darüber hinaus möglicherweise auch aus anderen konstruktiven
Gründen nicht geeignet.
Viel häufiger werden auch für qualitativ hochwertige Lageranordnungen
Standardkugellager eingesetzt und einzelne
Lagerpaare durch Messung der kritischen Lagerabmessungen
ausgewählt und zusammengestellt. Für den Aufbau einer
spielfreien Lagerung bieten sich dann grundsätzlich zwei
Konstruktionsformen an. In der einen Form besteht eine
doppelte Lagerung einer Trommel auf einer Spindel, aus
einer Kombination von einem Loslager mit einem Festlager.
Dabei ist das Festlager mit dem Innenring auf die Spindel
aufgepreßt und mit dem Außenring mit Preßsitz in die
Trommel eingeschoben. Beim Loslager ist einer der beiden
Lagerringe gegenüber dem entsprechenden Lagerring des
Festlagers in einem vorgegebenen Abstand fest und der andere
Lagerring mit einem eng tolerierten Spiel angeordnet.
Auf den mit Spielpassung angeordneten Lagerring des Loslagers
wird z. B. durch eine vorgespannte Feder eine
Kraft ausgeübt, die diesen Lagerring gegenüber dem zugeordneten,
mit Festsitz angeordneten Lagerring verschiebt
und damit in gleicher Weise auch die Lagerringe
des Festlagers zueinander ausrichtet. Für die konstruktive
Auslegung des Federelementes sind eine ganze Reihe
von konstruktiven Deteillösungen bekannt. Jedoch sind
eine Reihe von Anwendungsfällen bekannt, bei denen es
aus bestimmten konstruktiven Gründen unzweckmäßig erscheint,
eine derartige Kombination von Los- und Festlager
einzusetzen.
Deshalb besteht eine zweite Konstruktionsform darin, beide
Lager einer doppelseitigen Lageranordnung als Festlager
auszubilden und die zur Spielfreiheit notwendige Verspannung
der Lager durch genau angepaßte Distanzhülsen
sicherzustellen. Bei dieser Konstruktionsform besteht offensichtlich
die Notwendigkeit eine aufgrund der allgemeinen
Lagertoleranzen vorgegebene individuelle Lageranordnung
zu schaffen. Da beide Lagerstellen fest angeordnet
sind, müssen vor der Montage der Lager Toleranzberechnungen
ausgeführt werden. Dabei sind zunächst eine
Reihe von Messungen durchzuführen, um die einzelnen Elemente
dieser Lageranordnung miteinander paaren zu können.
In Bezug auf die zu verwendenden Lager sind Innen- und
Außendurchmesser, sowie Lagerüberstand und Radialluft
festzustellen: Für jede Lagerstelle sind dann sowohl
Außendurchmesser der Spindel als auch Innendurchmesser
der Trommel festzustellen. Schließlich muß auch die Länge
der Distanzhülse, die zwischen den Innenringen angeordnet
wird, bekannt sein. Aufgrund dieser Messungen werden
Paarungen zusammengestellt, um sicherzustellen, daß
ein gewisses Übermaß in radialer Richtung, sowie ein minimales
Spiel in axialer Richtung nach dem Einpressen der
Teile gewährleistet ist. Wenn alle Einflußfaktoren
bekannt sind, und eine bestimmte Vorspannkraft für
die Lageranordnung definiert ist, kann aus dem Übermaß,
dem Überstand, dem Radialspiel und der Länge der inneren
Distanzhülse die Länge der äußeren Distanzhülse in bekannter
Weise errechnet werden. Allerdings ist dies nur
eine Toleranzberechnung aufgrund der genannten Größen. In
die konventionelle Berechnung gehen Form- und innere Lagertoleranzen
nicht ein. Außerdem sind Ausgangsgrößen
für diese Berechnung gemessene Werte, daher also auch
fehlerbehaftet. Alle diese Einflußgrößen führen zu einer
gewissen Unsicherheit des Rechenergebnisses, die insbesondere
bei niedrigen Vorspannkräften so kritisch wird,
daß eine serienmäßige Fertigung einer solchen Lageranordnung
ausschußfrei fast nicht möglich ist.
Ein Lösungsversuch, aufgrund individueller Paarung von
Wälzlagern und Messung einer sich aus einer solchen Paarung
ergebenden Einstellgröße, eine Lagereinrichtung mit definierter
Vorspannung zu schaffen, ist - wie eingangs erwähnt - aus DE-AS 15 25 256
bekannt. Bei dem daraus bekannten Verfahren wird das dynamische
Reibmoment ermittelt, das einer gewünschten Vorspannkraft,
die auf ein Paar von gegeneinander anzustellenden
Wälzlagern aufgebracht werden soll, entspricht. Dazu
wird unter Benutzung einer der endgültigen Einbauanordnung
gleichartigen Versuchsanordnung der betreffenden
Wälzlager die gewünschte Vorspannkraft aufgebracht und
das ihr entsprechende Reibungsmoment gemessen. Nach der
bekannten technischen Lehre wird also zunächst in einer
Versuchsanordnung der endgültige Einbau simuliert, dabei
ein der gewünschten Vorspannkraft entsprechender Wert einer
Einstellgröße simuliert und im endgültigen Einbau die
Lagerpaarung mit diesem Wert der Einstellgröße entsprechend
eingestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren
der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden,
daß sie bei doppelseitigen
Lageranordnungen unter Verwendung von als Festlager
ausgebildeten Wälzlagern ungeachtet einer nicht
immer ausreichend genauen, rein rechnerischen Ermittlung
von Lagerpaarungen auch bei hohen Anforderungen an die
Qualität der Lageranordnung eine unmittelbare Lagermontage
und Prüfung der Lageranordnung im montierten Zustand
gestatten.
Bei einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die
im Kennzeichen dieses Patentanspruches beschriebenen Merkmale
gelöst. Bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 9 wird diese Aufgabe durch dessen kennzeichnende
Merkmale gelöst.
Auch bei der erfindungsgemäßen Lösung kann zwar nicht
darauf verzichtet werden, die wesentlichen, den Sitz der
Lager bestimmenden Größen, d. h. Innen- und Außendurchmesser
der Kugellager und die zugeordneten Größen, die
Außendurchmesser der Spindel an beiden Lagerstellen bzw.
den Innendurchmesser der Trommel an den entsprechenden
Stellen zu messen. Die Montage der Lager und ihre endgültige
Einstellung beruhen jedoch nicht mehr auf einer alle
Einflußgrößen nur unzureichend berücksichtigenden theoretischen
Berechnung, sondern auf einer Justierung der Lager
aufgrund von individuell ermittelten Meßergebnissen,
mit deren Hilfe der Justierungsvorgang gesteuert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung besagt im Prinzip, daß bei der
Lagermontage zunächst in einem ersten Schritt die gewünschte
und vorgegebene Lagervorspannung unter Zuhilfenahme eines
statischen Losbrechmomentes für das drehbewegliche Bauteil
eingestellt wird. Im anschließenden zweiten Schritt
wird im dynamischen Betrieb das Schwingungsverhalten des
montierten Bauteiles gemessen und gegebenenfalls die Lagereinstellung
literativ an die Meßergebnisse angepaßt.
Bei dem Verfahren nach dem Patentanspruch 9
wird deutlich,
daß der Justierungsvorgang für die Lager auch iterativ
unter Berücksichtigung zwischenzeitlicher Meßergebnisse
durchgeführt werden kann und damit im Ende eine Lageranordnung
erzielt wird, die weitgehend im Toleranzbereich
vorgegebener Meßgrößen, wie z. B. einer vorgegebenen Vorspannkraft
für die Lager, einem bestimmten statischen
Losbrechmoment und einem vorgegebenen Toleranzbereich
der Amplitude der Eigenschwingungen liegt.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden
der Einstellvorgang und der Prüfvorgang bei unterschiedlichen
Temperaturen der Lager ausgeführt. Damit wird erreicht,
daß eine geprüfte Lageranordnung im praktischen
Betrieb ihre Funktion in einem angestrebten Temperaturbereich
voll erfüllt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines drehbeweglichen Bauteiles
mit einer Spindel, auf der doppelseitig über gegeneinander
verspannte Lager eine Trommel rotatorisch beweglich
angeordnet ist,
Fig. 2 und 3 je eine Vorder- bzw. Seitenansicht einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Einrichtung zum Verspannen
der Lager des Bauteiles und zum Prüfen der Lagereigenschaften
unter Verwendung eines Beschleunigungssensors
als Signalgeber und eines Frequenzanalysators als Auswerteeinrichtung,
Fig. 4 eine weitere Ansicht dieser Einrichtung mit einer
Anordnung zum Bestimmen des statischen Losbrechmomentes
für das Bauteil,
Fig. 5 ein Schaubild, das in Abhängigkeit von der Frequenz
das Amplitudenspektrum des von dem Signalgeber abgegebenen
Prüfsignales für eine bestimmte Lageranordnung erläutert
und
Fig. 6 und 7 je ein Schaubild eines analysierten Prüfsignales
aufgetragen über der Zeitachse, wobei das in Fig. 6
gezeigte Schaubild noch unzulässige Spannungsspitzen
als Beispiel für eine nicht ausreichend vorgespannte bzw.
nicht spielfreie Lageranordnung illustriert und das Schaubild
von Fig. 7 einen Signalverlauf mit nur geringfügig
aus dem "weißen Rauschen" herausragenden Signalspitzen
demonstriert.
Aus einer Vielzahl von möglichen Anwendungsfällen ist ein
besonders einfaches Beispiel für ein drehbewegliches Bauteil
ausgewählt und in Fig. 1 schematisch dargestellt,
bei dem auf einer Spindel 1 zwei Kugellager 2 mit ihren
Innenringen 200 mit Festsitz angeordnet sind. Es sind Kugeln
210 der Kugellager angedeutet, die sich auf dem Innenring
200 abstützen und den entsprechenden Außenring
220 tragen, der seinerseits in einer Trommel 3 festgelegt
ist. Die Lagerstellen sind durch Dichtscheiben 4
nach außen abgedichtet. Die schematische Darstellung verdeutlicht,
daß die Innenringe 200 der Kugellager 2 enger
zusammenstehen als die entsprechenden Außenringe 220. Die
Lager 2 sind daher mit einer bestimmten in axialer Richtung
wirkenden und durch Pfeile angedeuteten Vorspannkraft
K gegeneinander verspannt. Daraus resultiert ein
nach innen gerichteter Druckwinkel α, der sich aus der
Lage der Berührungspunkte der Kugeln 210 mit den Laufschalen
des Innen- und Außenringes 200 bzw. 220 ergibt.
Üblicherweise spricht man bei einer solchen, innen liegende
Druckwinkel α aufweisenden Lageranordnung von einer
sogenannten O-Anordnung. Ebensogut hätte jedoch auch eine
X-Anordnung gewählt werden können, bei der dann die entsprechenden
Lager in der umgekehrten Funktionsrichtung
zueinander verspannt sind, so daß die Druckwinkel α außen
liegen. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung für ein
drehbeweglich gelagertes Bauteil bedeutet daher keine Beschränkung.
Außerdem wird wohl deutlich, daß die schematische
Darstellung eines solchen Bauteiles keineswegs bedeutet,
daß die Trommel 3 immer das umlaufende Element
sein müssen und auch nicht ausgebildet sein könnte
als, wie hier dargestellt, ein einfacher Hohlzylinder.
Die Vorderansicht einer Einrichtung zum Einstellen der
spielfreien Lagerung für ein solches drehbar gelagertes
Bauteil ist in Fig. 2 dargestellt. Die in dieser
Fig. enthaltene Schnittlinie III-III kennzeichnet die
Schnittebene für eine Seitenansicht, die in Fig. 3 dargestellt
ist. Beide Ansichten werden daher im folgenden
gemeinsam beschrieben. Diese Einrichtung soll biegesteif
ausgebildet sein und ist möglichst schwingungsfrei zu
lagern, um Meßfehler zu vermeiden. Sie steht daher auf
einem massiven Fundament 5, das auch noch stoßgedämpft
ausgeführt sein kann. Die Einrichtung selbst besteht in
ihrem mechanischen Teil aus einer Presse mit Bodenplatte
6, die auf dem Fundament 5 aufsitzt, mit Seitenstützen 7
und einer von diesen Seitenstützen getragenen Deckplatte
8. In einer Zentralbohrung 81 dieser Deckplatte ist ein
Stempel 9 geführt, der hier als Zahnstange ausgebildet
ist und über ein Ritzel 10 in vertikaler Richtung ausgelenkt
wird. Das Ritzel 10 ist auf einer Welle 11 gelagert,
die in einer Führung der Deckplatte horizontal
geführt ist und auf deren einer Seite seitlich heraussteht.
An diesem herausstehenden Wellenende ist ein Arm
12 angelenkt, der zur Bodenplatte 6 hinunterreicht und
sich auf dem Umfang eines Exzenterrades 13 abstützt, das
parallel zur entsprechenden Seite der Bodenplatte 6 angeordnet
ist.
Mit der Längsachse des Stempels 9 fluchtend, ist innerhalb
des beschriebenen Rahmens eine Aufnahmevorrichtung
für das Bauteil mit seinen zu justierenden Lagerstellen
angeordnet. Um die vom Stempel 9 ausgeübte Kraft eindeutig
und gleichmäßig auf das Bauteil zu übertragen, besteht
die Aufnahmevorrichtung aus einer horizontal liegenden
Traverse 14 mit zwei seitlichen Stützen 15, die
als Hohlzylinder ausgebildet sind und auf je einem auf
der Oberseite der Bodenplatte 6 fest angeordneten Führungsbolzen
16 laufen. Der Stempel 9 greift zentral auf
der Oberseite der Traverse 14 an, die an dieser Stelle
zur besseren Kraftübertragung eine noppenförmige Erhebung
17 aufweist. Zwischen der Unterseite der Traverse 14 und
der Oberseite der Bodenplatte 6 ist nun das Bauteil über
Andruckbüchsen 18 eingespannt. Diese Andruckbüchsen 18
sind über die entsprechenden Enden der Spindel 1 geschoben
und drücken gegen die Innenringen 200 der Kugellager 2.
Die vom Stempel 9 über die Traverse 14 auf die Andruckbüchsen
18 übertragene Einpreßkraft wird von dem Exzentertrieb
bestehend aus Exzenterrad 13 und Arm 12 beim
Drehen des Exzenterrades 13 aufgebracht. Dazu ist das
Exzenterrad 13 über eine in Fig. 2 schematisch dargestellte
schaltbare Kupplung 19 mit einem Stellmotor 20
verbunden. Dieser Exzenterantrieb erlaubt es, eine bestimmte
Drehzahl des Stellmotors 20 zugrundegelegt, eine
gleichmäßige ansteigende Einpreßkraft für die Justierung
der Kugellager 2 des vormontierten Bauteiles aufzubringen.
Dabei sorgt die abschaltbare Kupplung 19 für eine
schnelle Entlastung des Exzentertriebes, sobald dies erforderlich
wird.
Die diesem mechanischen Aufbau zugeordneten Meßeinrichtungen
bestehen zunächst aus einer an der Traverse 14
festgelegten µm-Meßuhr 21, die sich auf einem Anlagedorn
22 abstützend die vertikale Auslenkung der Traverse 14
anzeigt. Weiterhin ist seitlich an der Bodenplatte 6 ein
Antriebsmotor 23 angeordnet, der im eingeschalteten Zustand
über einen Riementrieb 24 die Trommel 3 des Bauteiles
mit einer vorbestimmten Montagedrehzahl anzutreiben
gestattet. Diesem Antriebsmotor 23 kann eine in Fig. 2
schematisch angedeutete elektrische Ansteuerungsschaltung
25 zugeordnet sein. Sie besteht aus einer Stromquelle 251
und einem in den Stromkreis seriell eingeschalteten Amperemeter
252. Sie kann weiterhin einen Stromwandler 253
aufweisen, an den sekundärseitig ein Schwellwertglied 254
angeschlossen ist. Das Schwellwertglied soll dann so ausgebildet
sein, daß bei Unterschreiten einer Mindeststromaufnahme
des Antriebsmotors 23 ein Ausgangssignal abgegeben
wird, das, wie schematisch angedeutet, einen Schalter
26 zum Abschalten der Kupplung 19 betätigt. Die Wirkungsweise
dieser Anordnung wird später im Zusammenhang mit
der Beschreibung eines Einstellvorganges für die Lager
des Bauteiles im einzelnen näher erläutert.
Eine weitere Meßeinrichtung besteht aus einem Beschleunigungssensor
27, der Schwingungen des Bauteiles während
des Einstellvorganges aufnimmt und dessen Ausgangssignal
über einen Verstärker 28 einem schematisch dargestellten
Frequenzanalysator 29 zugeführt wird. Mit Hilfe dieses
Frequenzanalysators werden die beim Umlaufen der Trommel
3 des Bauteiles auftretenden Beschleunigungsspitzen, die
vom Beschleunigungssensor 27 in elektrische Signale umgesetzt
werden, sowohl in einem Amplitudenspektrum als auch
in einem Phasenspektrum sichtbar gemacht, wie noch im
einzelnen zu erläutern sein wird.
In Fig. 4, die nochmals eine Ansicht der beschriebenen
Einrichtung zeigt, ist eine weitere Meßanordnung dargestellt,
die zur Messung des statischen Losbrechmomentes
verwendet wird. Schematisch ist hier dargestellt, daß auf
die Trommel 3 des Bauteiles eine Schnur 30 aufgewickelt
ist, an deren freiem Ende, über eine möglichst leichtgängige
Rolle 31 laufend, ein Satz von Gewichten 32 befestigt
ist. Mit dieser wahlweise verwendeten Einrichtung
läßt sich durch schrittweises Erhöhen des Belastungsgewichtes
für jeden Zustand einer Lagervorspannung das zugehörige
statische Losbrechmoment der Lageranordnung messen,
d. h. dasjenige Moment, das an der ruhenden Trommel
3 angreifend diese gerade noch aus der Ruhelage heraus
bewegt.
Nachfolgend wird die bisher beschriebene Einrichtung in
ihrer Wirkungsweise im Hinblick auf einen bestimmten Anwendungsfall
im einzelnen näher erläutert. Das erläuterte
und in Fig. 1 schematisch dargestellte drehbeweglich gelagerte
Bauteil kann als die Lagerung für einen Drehpositionierer
eines Plattenspeichergerätes aufgefaßt werden.
In diesem Anwendungsfall ist das drehende Teil die Trommel
3, sie führt im normalen Betriebsfall eine oszillierende
Bewegung in einem beschränkten Winkelbereich aus,
dabei soll die Achslage beliebig sein und trotzdem in dem
Arbeitsbereich eine nicht wiederholbare Rundlaufungenauigkeit
von weniger als 1 µm erreicht werden. Die Betriebsfrequenz
liegt in einem Bereich von ca. 20 Hz und für den
normalen Betrieb ist ein Temperaturbereich von etwa 10°C
bis 55°C angenommen.
Als vorbereitende Arbeiten für den Lagereinbau werden die
angelieferten Teile, Spindel und Trommel einerseits und
Kugellager andererseits, gemessen und entsprechend ihren
Toleranzen zum Paaren vorsortiert. Ist die Fertigung dieser
Teile ausreichend abgestimmt, d. h. die entsprechenden
Durchmesser auf ein definiertes Übermaß toleriert,
dann erübrigt sich sogar dieses Paaren. Dabei ist jedoch
zu beachten, daß in jedem Fall noch eine definierte Lagerluft
erforderlich ist, um einen ausreichenden Druckwinkel
α der Lagerung zu erzielen.
Sodann werden die Lager vormontiert. Aus den obengenannten
Gründen ist es dabei zweckmäßig, die Einpreßkraft zu
messen, da sie eine Bewertungsgröße für das Übermaß darstellt.
Im gewählten Anwendungsfall liegt die Einpreßkraft
beispielsweise zwischen 500 und 1000 N. Die Obergrenze
ergibt sich aus der Forderung, daß beim Montieren
der Lager noch keine Formänderungen an der Trommel 3 auftreten
dürfen, während die Untergrenze dadurch bedingt
ist, daß die Lager später unter bleibender Vorspannung
stehen sollen und die Vorspannkräfte, aber auch mögliche
Erschütterung der Lagerung z. B. Stoßbeanspruchungen
nicht zu einer Dejustage der Lagerstellen zueinander führen
dürfen. Im vormontierten Zustand sind die Kugellager
2 noch nicht vorgespannt.
Das insoweit vorbereitete Bauteil wird mit aufgeschobenen
Andruckbüchsen 18 in die beschriebene Einrichtung eingesetzt
und wird gegebenenfalls zunächst vorjustiert. Bei
dieser Vorjustage wird die Trommel 3, wie in Fig. 2 dargestellt,
über den Riemenantrieb 24 durch den Antriebsmotor
23 angetrieben. Zweck dieser Drehbewegung ist es, den
normalen Betriebsfall für das drehbar gelagerte Bauteil
zu simulieren. Die Drehzahl muß auf jeden Fall hoch genug
liegen, um die Eigendämpfung der Lageranordnung zu
überwinden, im gewählten Anwendungsfall beträgt sie etwa
1000 U/min. Mit Hilfe des Stellmotors 20 wird dann über
den Exzenterantrieb 13, 12 langsam eine Justagekraft aufgebracht,
die über den Stempel 9 und die in bezug auf die
Anlageflächen der Andruckbüchsen 18 planparallel geführte
Traverse 14 gleichmäßig auf die Innenringe 200 der Kugellager
2 übertragen wird.
Dabei werden die Kugellager 2 durch das Verschieben der
Innenringe langsam vom entlasteten Zustand in den vorgespannten
Zustand übergeführt. Bei diesem Übergang in den
vorgespannten Zustand treten normalerweise charakteristische
Schwingungen in Verbindung mit erhöhter Geräuschemission
auf, die dann schnell abklingen. Mit dem Abklingen der Geräuschemission geht
zugleich
die Stromaufnahme des Antriebsmotors 23 zurück. Schrittweise
wird diese Stromaufnahme bei einer Meßkraft von
10 N, d. h. weitgehender Entlastung des drehbeweglich gelagerten
Bauteiles, gemessen. Diese Vorjustage ist abgeschlossen,
sobald die Stromaufnahme einen vorbestimmten
unteren Grenzwert erreicht. Dieser Grenzwert ist selbstverständlich
abhängig von der Ausführung der Lagerung,
z. B. insbesondere der Viskosität der Schmierung, aber
auch der Ausführungsform der Einrichtung; er ist also ein
individueller Wert, der empirisch ermittelt werden muß.
Zusätzlich lassen sich die während dieser Vorjustage auftretenden
Lageänderungen der Innenringe 200 der Kugellager
2 mit Hilfe der µm-Meßuhr 21 überwachen. Ein erfahrener
Bediener kann auch aufgrund der durch den simulierten
Betrieb hervorgerufenen Lagergeräusche Rückschlüsse auf
die Lagereinstellung ziehen, da ein Kugellager mit zuviel
Radialluft Lagergeräusche abgeben kann, die mit dem Erreichen
der richtigen Vorspannung abklingen. Zugleich erreicht
auch die Stromaufnahme für den Antriebsmotor 23
den unteren Grenzwert unter der Voraussetzung, daß die
vorgeschriebene geringe axiale Meßlast wirksam wird.
Die beschriebene Vorjustage ist jedoch nicht in allen
Fällen erforderlich. Vielmehr kann es auch ausreichen,
sofort mit der eigentlichen Justage der Lager 2 zu beginnen,
die bei einer vorbestimmten Lagertemperatur von beispielsweise
30°C durchgeführt wird. Bei diesem Vorgang
wird die Trommel 3 nicht angetrieben, stattdessen wird
die in Fig. 4 dargestellte Meßeinrichtung 30, 31, 32 benutzt.
Diese dient dazu, die statische Losbrechkraft wiederum
bei einer Meßlast von 10 N zu prüfen. Dabei werden
schrittweise die Gewichte 32 aufgesetzt, bis sich die
Trommel 3 aus der Ruhelage herauszubewegen beginnt. Im
vorgegebenen Anwendungsfall soll die statische Losbrechkraft
0,16 N mit einer Abweichung von 1,5% betragen. Die
statische Losbrechkraft ist für einen gegebenen Anwendungsfall
ein gutes Maß für die wirksame Vorspannkraft
der Kugellager 2. Deshalb werden die Innenringe 200 der
Kugellager schrittweise solange unter Aufbringen der Justagekraft
weiter zusammengeschoben, bis die vorbestimmte
Losbrechkraft erreicht ist. Dabei kann wiederum die Verschiebung
der Innenringe 200 über die µm-Meßuhr 21 verfolgt
werden. Die Verschiebung sollte unter Einbeziehung
der trotz einer biegesteifen Ausführung immer noch vorhandenen
Durchbiegung der Einrichtung etwa in Schritten
von 1 µm erfolgen.
Dabei kann es nun vorkommen, daß die Kugellager 2 bei
dieser Feineinstellung trotz des iterativen Vorgehens zu
stark vorgespannt werden und dann die statische Losbrechkraft
den vorgeschriebenen Wert übersteigt. Da diese Lagerkonstruktion
ohne Distanzhülsen auskommt, ist die Lagervorspannung
reversibel, d. h. die Lager können durch
Zusammendrücken der Außenringe 220 wieder entlastet und
dann erneut fein eingestellt werden. Eine solche Korrekturmöglichkeit
ist bei einem konventionellen Lageraufbau
mit Distanzhülsen nicht gegeben.
Daran schließt sich nun ein Prüfvorgang für die eingestellte
Lageranordnung an, der wiederum bei einer Lagerbelastung
mit der Meßlast von 10 N, nun aber mit einer
Lagertemperatur von beispielsweise 10°C erfolgt. Wie ersichtlich
werden die Justage und der Prüfvorgang bei unterschiedlichen
Temperaturen vorgenommen. Damit wird der
praktische Betrieb simuliert, die gewählten Lagertemperaturen
hängen demzufolge auch von den Einsatzbedingungen
ab.
Bei diesem Prüfvorgang wird die Trommel 3 wieder angetrieben,
die Drehzahl beträgt z. B. 400 U/min und es
wird nochmals die Stromaufnahme des Antriebsmotors 23 geprüft,
die mit geringer Abweichung den beschriebenen unteren
Grenzwert haben soll. Weiterhin werden bei diesem
Prüfvorgang vor allem aber an der Spindel 1 des drehbeweglich
galagerten Bauteiles auftretende mechanische
Schwingungen über den Beschleunigungssensor 27 aufnommen
und mit dem Frequenzanalysator 29 dargestellt und ausgewertet.
Vorzugsweise wird dieser Prüfvorgang für beide
Drehrichtungen durchgeführt, bei denen die gleichen Ergebnisse
auftreten sollen. Die Meßeinrichtung 27, 28, 29
ist dabei mit handelsüblichen Meßgeräten zu realisieren,
wie sie z. B. von Brüel und Kjaer angeboten werden. Mit
dem Frequenzanalysator 29 wird zunächst ein Amplitudenspektrum
der über den Beschleunigungssensor 27 aufgenommenen
Schwingungen aufgezeichnet. Für den gegebenen Anwendungsfall
ist ein solches Amplitudenspektrum in dem
Schaubild von Fig. 5 über der Frequenz f aufgetragen.
Dieses Spektrum zeigt ein erstes Maximum bei einer Frequenz
f 1, dies ist die Lagereigenfrequenz, die in diesem
Beispiel etwas über 2 KHz liegt. Ein zweites Maximum
tritt bei einer Frequenz f 2 ≈ 12 KHz auf, dies ist die
Lagervorspannfrequenz. Das Schaubild von Fig. 5 soll im
wesentlichen zeigen, daß die Lagervorspannfrequenz f 2
weit höher als die Lagereigenfrequenz f 1 gelegt ist. Die
Lagervorspannfrequenz f 2 ist u. a. auch ein Maß für den
zulässigen Temperaturbereich der Lageranordnung, ist im
wesentlichen durch die Wahl der Lagervorspannkraft bedingt
und kann durch steigende Vorspannkraft höher gelegt
werden. Im gegebenen Anwendungsfall entspricht der Lagervorspannfrequenz
f 2 im Bereich von etwa 12 KHz einer Lagervorspannung
in der Größenordnung von 150 N.
Wenn aus Toleranzgründen einer Wälzkörper nicht vorgespannt
ist, so schlägt dieser an den Laufflächen bzw. am Käfig ankontrolliert
an, daraus resultiert ein unruhiger Lagerlauf. Dieser
sporadisch auftretende Vorgang läßt sich in der Praxis nur
sehr schwer mit der Frequenzanalyse, jedoch sehr wohl mit
einem Zeitschaubild erfassen. Deshalb wird weiterhin
mit dem Frequenzanalysator 29, in Fortsetzung
des Prüfvorganges, das über den Beschleunigungssensor
27 aufgenommene Schwingungssignal bewertet und im
zeitlichen Verlauf dargestellt. Zwei entsprechende Zeitschaubilder
sind in Fig. 6 bzw. 7 gezeigt, die einen Signalverlauf,
aufgetragen über der Zeitachse t, zeigen. Die
beiden Schaubilder sind einander direkt gegenübergestellt,
um unter Ausschaltung einer variablen Empfindlichkeit des
Frequenzanalysators 29 je ein Beispiel für eine Lageranordnung
mit unzulässigen bzw. zulässigen Werten für das
Zeitsignal zu zeigen. Das Zeitschaubild von Fig. 6 weist
weit über das weiße Rauschen hinausgehende Spannungsspitzen
auf, die von einem unruhigen Lagerlauf herrühren. In
diesem Fall muß die Ursache ermittelt und gegebenenfalls
die Lagerjustage mit den beschriebenen Schritten nochmals
durchgeführt werden, bis die in den Schaubildern 5 bzw. 7
dargestellten Bedingungen erfüllt sind. Andernfalls ist
die Lageranordnung zumindestens mit der gegebenen Kombination
von Bauteilen nicht akzeptabel.
An diesen Prüfvorgang schließt sich die Endmontage an,
bei der noch die Dichtungsscheiben 4 aufgesetzt werden
und ein Probelauf zum Einlaufen der Lager durchgeführt
wird. Danach kann es zweckmäßig sein, die oben beschriebenen
Prüfungen für die fertig montierte und eingelaufene
Anordnung nochmals durchzuführen.
Bezugszeichenliste:
Fig. 1:
1 Spindel
2 Kugellager
200 Innenring
210 Kugel
220 Außenring
3 Trommel
4 Dichtungsscheiben
K Vorspannkraft
α Druckwinkel
2 Kugellager
200 Innenring
210 Kugel
220 Außenring
3 Trommel
4 Dichtungsscheiben
K Vorspannkraft
α Druckwinkel
Fig. 2 und 3:
5 Fundament
6 Bodenplatte
7 Seitenstützen
8 Deckplatte
81 Zentralbohrung der Traverse
82 Führung der Traverse
9 Stempel
10 Ritzel
11 Welle
12 Arm
13 Exzenterrad
14 Traverse
15 Stützen
16 Führungsbolzen
17 noppenförmige Erhebung
18 Andruckbüchsen
19 schaltbare Kupplung
20 Stellmotor
21 µm-Meßuhr
22 Anlagedorn
23 Antriebsmotor
24 Riementrieb
25 elektrische Ansteuerungsschaltung
251 Stromquelle
252 Amperemeter
253 Stromwandler
254 Schwellwertglied
26 Schalter
27 Beschleunigungssensor
28 Verstärker
29 Frequenzanalysator
6 Bodenplatte
7 Seitenstützen
8 Deckplatte
81 Zentralbohrung der Traverse
82 Führung der Traverse
9 Stempel
10 Ritzel
11 Welle
12 Arm
13 Exzenterrad
14 Traverse
15 Stützen
16 Führungsbolzen
17 noppenförmige Erhebung
18 Andruckbüchsen
19 schaltbare Kupplung
20 Stellmotor
21 µm-Meßuhr
22 Anlagedorn
23 Antriebsmotor
24 Riementrieb
25 elektrische Ansteuerungsschaltung
251 Stromquelle
252 Amperemeter
253 Stromwandler
254 Schwellwertglied
26 Schalter
27 Beschleunigungssensor
28 Verstärker
29 Frequenzanalysator
Fig. 4:
30 Schnur
31 Rolle
32 Satz von Gewichten
31 Rolle
32 Satz von Gewichten
Claims (11)
1. Einrichtung zum Einstellen einer definierten Lagervorspannung
bei einem Bauteil mit
einer auf einer Spindel über gegeneinander verspannte
Wälzlager gelagerten Trommel, unter Verwendung einer
Spannvorrichtung, mit der durch Aufbringen einer stufenlos
verstellbaren Einpreßkraft die über die Spindel geschobenen
Wälzlager gegeneinander verspannbar sind und
unter Verwendung einer Motoranordnung zum wahlweisen Antreiben
der Trommel gegenüber der dabei feststehenden
Spindel mit einer vorgegebenen Drehzahl, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung (30, 31,
32) zum Messen des statischen Losbrechmomentes beim Einstellen
der Lager (2), und durch eine dynamische Prüfeinrichtung
mit einem Beschleunigungssensor (27), der am
Bauteil befestigbar ist und einer an den Beschleunigungssensor
angeschlossenen Einrichtung (28, 29) zur Frequenzanalyse,
die das Schwingungsspektrum bzw. den zeitlichen
Verlauf dieser Schwingungen für ein voreingestelltes Bauteil,
das mit einer vorgegebenen Drehzahl umläuft, aufzeichnet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannvorrichtung als
Presse mit einem durch Aufbringen einer Einpreßkraft stufenlos
verstellbaren Stempel (9) und einer starren Bodenplatte
(6) ausgebildet ist, zwischen denen das Bauteil
(1, 2, 3) über die Spindel (1) geschobene, auf jeweils
einander entsprechende Lagerringe (200 bzw. 220) einwirkende Büchsen
(18) einspannbar ist und ein Getriebe (12,
13) zum Übertragen der Einpreßkraft auf den Stempel (9),
sowie eine weitere Motoranordnung (19, 20) aufweist, die
an die Antriebsseite des Getriebes angeschlossen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe als Exzenterantrieb
mit einer angetriebenen Exzenterscheibe (13)
und einem davon ausgelenkten, den Stempel (9) in Preßrichtung
bewegenden Hebelarm (12) ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die weitere Motoranordnung
einen Stellmotor (20) und eine schaltbare Kupplung
(19) aufweist, die zwischen dem Stellmotor und dem
Getriebe (12, 13) angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Motoranordnung
neben einem Antriebsmotor (23) und einem Riementrieb (24)
eine Einrichtung zum Messen des aufgenommenen Motorstromes
(25) enthält, um die Einpreßkraft bei Erreichen eines
vorbestimmten Wertes für den Motorstrom zurückzunehmen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Messen
des aufgenommenen Motorstromes (25) an eine der Kupplung
(19) zugeordnete Schalteinrichtung (26) zum Ausrasten
der Kupplung bei Abfall des aufgenommenen Motorstromes
auf einen vorbestimmten Wert angeschlossen ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß an der
Presse (9, 14) eine Meßuhr (21) zum Anzeigen der Stempelverschiebung
während des Einpreßvorganges angeordnet ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Presse auf einem schwingungsfrei gelagerten Fundament
(5) angeordnet ist.
9. Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagervorspannung
bei einem Bauteil mit einer auf einer Spindel
über gegeneinander verspannte Wälzlager gelagerten Trommel,
unter Verwendung einer Spannvorrichtung, mit der
durch Aufbringen einer stufenlos verstellbaren Einpreßkraft
die über die Spindel geschobenen Wälzlager gegeneinander
verspannbar sind und unter Verwendung einer Motoranordnung
zum wahlweisen Antreiben der Trommel gegenüber
der dabei feststehenden Spindel mit einer vorgegebenen
Drehzahl unter Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte:
- a) an dem im vormontierten Zustand in diese Einrichtung eingespannten Bauteil wird schrittweise die Einpreßkraft verändert und zwischenzeitlich das statische Losbrechmoment ermittelt, bei dem das Bauteil gerade eben beginnt, sich aus der Ruhelage herauszubewegen,
- b) dieser Schritt a) wird solange fortgesetzt, bis das bei einer axialen Lagerbelastung mit einer vorgegebenen Meßlast auftretende Losbrechmoment einen vorgegebenen Wert annimmt und
- c) zum Prüfen und Protokollieren der Charakteristik der so eingestellten Lagervorspannung wird das Bauteil nun mit einer vorbestimmten Drehzahl angetrieben und dabei werden über den an den Frequenzanalysator (29) angeschlossenen Beschleunigungssensor (27) gegebenenfalls noch verbliebene, durch Laufunruhe der Lager (2) am Bauteil hervorgerufene Schwingungen gemessen und mit dem Frequenzanalysator in Form eines Amplitudenspektrums sowie eines Zeitdiagrammes dargestellt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Einstellvorgang an den
Lagern (2) bei einer ersten Lagertemperatur und der Prüfvorgang
für die Lagerung bei einer zweiten von der
ersten abweichenden Lagertemperatur vorgenommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Voreinstellen
der Lagervorspannung das Bauteil mit einer
vorbestimmten Drehzahl angetrieben und zugleich eine ansteigende
Einpreßkraft auf einander entsprechende Lagerringe
(200) der Lager (2) solange ausgeübt wird, bis ein
vorbestimmter Wert der sich in Abhängigkeit von der Lagervorspannung
ändernden Antriebsdrehmomentes erreicht
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843436268 DE3436268A1 (de) | 1984-10-03 | 1984-10-03 | Einrichtung und verfahren zum einstellen der spielfreien lagerung eines drehbeweglichen bauteiles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843436268 DE3436268A1 (de) | 1984-10-03 | 1984-10-03 | Einrichtung und verfahren zum einstellen der spielfreien lagerung eines drehbeweglichen bauteiles |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3436268A1 DE3436268A1 (de) | 1986-04-03 |
DE3436268C2 true DE3436268C2 (de) | 1990-01-04 |
Family
ID=6247004
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19843436268 Granted DE3436268A1 (de) | 1984-10-03 | 1984-10-03 | Einrichtung und verfahren zum einstellen der spielfreien lagerung eines drehbeweglichen bauteiles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3436268A1 (de) |
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DE102010009634A1 (de) | 2010-02-27 | 2011-09-01 | Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg | Verfahren zur Einstellung und Messung einer Vorspannung einer radial zwischen einem Planetenrad und einem Planetenträger angeordneten Lageranordnung |
WO2012097962A2 (de) | 2011-01-17 | 2012-07-26 | Fm Energie Gmbh & Co.Kg | Hydraulisch vorspannbares wälzlager |
CN106248379A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-12-21 | 北京航空航天大学 | 一种固体润滑轴承加速寿命试验载荷谱设计方法 |
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- 1984-10-03 DE DE19843436268 patent/DE3436268A1/de active Granted
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CN106248379B (zh) * | 2016-08-19 | 2018-08-21 | 北京航空航天大学 | 一种固体润滑轴承加速寿命试验载荷谱设计方法 |
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DE3436268A1 (de) | 1986-04-03 |
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