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Die Erfindung betnfft ein Verfahren zur dynamischen Festigkeitsprüfung von Wellen, auf die im rotierenden Betrieb quer zu ihrer Achse gerichtete Kräfte und gegebenenfalls Drehmomente ein- wirken. Dabei ist insbesondere an in Getrieben und Verbrennungsmotoren vorkommende Wellen gedacht, etwa an Kurbelwellen, oder Ausgleichswellen, oder - ganz besonders - an Nockenwellen.
Wellen werden im allgemeinen auf Torsion und Biegung beansprucht. Die Biegebeanspruchung ist besonders bei fliegend angeordneten Zahn- oder Kettenrädern (man denke wieder an eine Nok- kenwelle) erheblich.
Die Funktions- und Dauerfestigkeitsprüfung von dynamisch hoch belasteten Wellen wird übli- cherweise entweder eingebaut und in Betrieb oder mit fremdangetriebenem rotierendem Prüfling auf speziellen Prüfständen mit zeitverkürzenden Programmen durchgeführt. Ersteres ist naturge- mäss teuer und zeitaufwändig, sodass man heute die zweite Methode anwendet. Aber auch die speziellen Prüfstände sind sehr aufwändig. Sie brauchen nämlich nicht nur einen Fremdantrieb, sondern auch einen Bremsmotor, die beide steuerbar sein müssen und gemeinsam viel Energie vernichten ; weiters erfordern sie rotierende Messdatenübertragungsvorrichtungen.
Die Investitions- und Betriebskosten solcher Anlagen sind sehr hoch und ihre Anwendung ist stark eingeschränkt; so können zum Beispiel nur Wellen geprüft werden, an denen die Drehmomente nur an den Enden angreifen, wodurch sie etwa für Getriebewellen unbrauchbar sind. Ausserdem kann man einen rotierenden Prüfling nicht beobachten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung vorzu- schlagen, die diese Nachteile vermeiden. Sie soll bei minimalen Investitionskosten möglichst universell verwendbar sein und einfacher zu besseren Messdaten verhelfen.
Erfindungsgemäss besteht das Verfahren darin, dass aus den im Betrieb wirkenden Kräften um- laufende Prüfkräfte ermittelt werden, indem ihnen die relative Winkelgeschwindigkeit der Welle überlagert wird, dass diese umlaufenden Prüfkräfte sodann in ihre Komponenten zerlegt und dass diese Komponenten von rechnergesteuerten ortsfesten Kraftelementen in die nicht rotierende Welle eingetragen werden. Im Betrieb bedeutet im Gegensatz zur Prüfung, dass sich die Welle in ihrer natürlichen Umgebung, also zum Beispiel in ihrem Motor eingebaut, dreht. Es wird also die Rotation der Welle durch eine rotierende Prüfkraft ersetzt. Dadurch braucht sich die Welle nicht mehr zu drehen. So können die Prüfkräfte von stationären Kraftquellen eingetragen und die Mess- resultate ohne Drehübertragungen abgenommen werden.
Ersteres gibt grosse Gestaltungsfreiheit bei der Eintragung der Prüfkräfte. So können mehrere Kräfte und/oder Drehmomente an verschie- denen Stellen eingetragen werden.
Die Investitions- und Betriebskosten sind bei Anwendung dieses Verfahrens wesentlich gerin- ger, dadurch entscheidende Reduktion der Entwicklungskosten. Weiters gewinnt man grössere Betriebssicherheit und die Möglichkeit, den Prüfling zu beobachten.
Die dadurch erzielte Vereinfachung wird besonders deutlich, wenn im Betrieb in einer unverän- derlichen Richtung wirkende Kräfte auftreten. Dann werden diese bei der Prüfung als mit der Winkelgeschwindigkeit w umlaufende Kräfte durch ihre variablen Komponenten in festgelegten Richtungen dargestellt (Anspruch 2). Insbesondere können quer zur Achse der Welle gerichtete umlaufende Kräfte durch zwei Kraftelemente ausgeübt werden, deren Wirkungsrichtungen in einer Normalebene zur Achse liegende festgelegte Richtungen sind, die miteinander einen Winkel ein- schliessen (Anspruch 3), der vorzugsweise ein rechter Winkel ist (Anspruch 4).
So kann beispiels- weise eine im Betrieb konstante und in einer unveränderlichen Richtung wirkende Kraft durch zwei um 90 Winkelgrade phasenverschoben sinusförmig verlaufenden Kräfte in festgelegten Richtungen dargestellt werden.
Wenn, wie fast immer, auch Drehmomente darzustellen sind, so werden sie an der Stelle, an der sie auch im Betrieb eingetragen werden, über ein rechnergesteuertes Kraftelement eingetragen und die Welle an einer anderen Einspannvorrichtung drehfest und Querkraftfrei eingespannt ist (Anspruch 5). Da sich das Kraftelement an der Grundplatte abstützt, können deren mehrere an verschiedenen Abschnitten der Welle angebracht sein. Insbesondere und typisch für die Prüfung einer Nockenwelle wird das Drehmoment an einem Ende eingetragen und ist das andere Ende drehfest eingespannt (Anspruch 6).
Die Erfindung handelt auch von einer für die Ausführung des Verfahrens bestimmten Vorrich- tung zur dynamischen Festigkeitsprüfung von Wellen. Diese besteht aus einem Prüfbett oder einer Grundplatte oder einem Fundament worauf angebracht sind:
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a) eine drehfeste Einspannvorrichtung für die zu prüfende Welle, b) mindestens ein Stützlager, in dem die Welle drehbar gelagert ist, c) ein erstes Krafteinleitungselement, in dem die Welle drehbar gelagert ist und an welchem auf dem Prüfbett abgestützte rechnergesteuerte erste Kraftelemente angreifen, d) ein von einem zweiten rechnergesteuerten Kraftelement mit einem Drehmoment beauf- schlagbares zweites Krafteinleitungselement.
Dabei ist die von den Kraftelementen ausgeübte Kraft von einem Steuergerät vorgebbar (An- spruch 7). a) ist das Widerlager für das von d) eingetragene Drehmoment, b) entspricht der Lage- rung der Welle im Betrieb, hier (wie auch bei c)) hat die drehbare Lagerung nur den Zweck, die Torsion der Welle durch das Drehmoment nicht zu behindern ; unterliegt also keinem Ver- schleiss und braucht praktisch keine Schmierung. Bei der Prüfung einer im Betrieb mehrfach gelagerten Welle (etwa einer Nockenwelle) sind ebenso viele Stützlager gemäss b) vorzusehen (Anspruch 9). Mittels c) werden die quer zur Welle wirkenden Kräfte in ihrem erfindungsgemäss transformierten Verlauf eingetragen. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung sind somit viel kom- plexere Belastungszustände darstellbar als bei rotierendem Prüfling.
Zur weiteren Verbesserung der Messergebnisse wird die Einspannvorrichtung gemäss a) von einer geeigneten Kupplung querkraftfrei gehalten (Anspruch 8). Eine solche wäre eine Faltenbalg- kupplung oder eine Oldham-Kupplung. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die rechnerge- steuerten ersten Kraftelemente gemäss c) servohydraulische Zylinder (Anspruch 10). Diese sind von Fahrwerksprüfständen, in denen ganze Lastkollektive repetitiv durchgespielt werden, bewährte Elemente, die auch sehr schnelle Laständerungen erlauben.
Vorzugsweise sind zur Aufnahme der Kraftsignale, die als Rückführsignal für die Servosteue- rung benötigt werden, Kraftmessdosen zwischen den servohydraulischen Zylindern und den ersten Krafteinleitungselementen angeordnet, die mit dem Steuergerät signalverbunden sind (Anspruch 11). So werden die Kraftsignale nicht durch die Trägheitskräfte der servohydraulischen Zylinder verzerrt.
Vorzugsweise ist auch das zweite rechnergesteuerte ein Drehmoment erzeugende Kraftele- ment gemäss d) ein Servomotor (Anspruch 12). In manchen Fällen ist es günstiger, jedenfalls aber billiger, dass das zweite rechnergesteuerte Kraftelement gemäss d) mindestens ein (aus Symme- triegründen aber besser zwei) servohydraulischer Zylinder ist (sind), der über einen Kurbelarm ein Drehmoment erzeugt (Anspruch 13). Hier ist in ähnlicher Weise zwischen dem zweiten Kraftele- ment und dem zweiten Krafteinleitungselement ein Drehmomentsensor angeordnet, der mit dem Steuergerät signalverbunden ist (Anspruch 14).
In einer Weiterbildung umfasst das Steuergerät gemäss e) eine Recheneinheit und je eine Steu- ereinheit für ein Kraftelement, wobei die Recheneinheit eine im Betrieb auftretende quer zur Welle wirkende Kraft in eine mit der relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen der Welle und dieser Kraft umlaufende Kraft (die Prüfkraft) umrechnet und diese in zwei Komponenten in festgelegten Richtungen zerlegt und die Steuereinheit die Kraftelemente entsprechend diesen Komponenten ansteuert (Anspruch 15). Ein so weitergebildetes Steuergerät kann auch eine im Betrieb mit einer von der Drehzahl der Welle verschiedenen Drehzahl umlaufende quer zur Welle wirkende Kraft in eine entsprechende Prüfkraft umformen.
Schliesslich zeichnet sich die erfindungsgemässe Vorrichtung noch dadurch aus, dass zumin- dest eines der Elemente a) bis d) auf der Grundplatte je nach Gestalt und Belastungsfall des Prüflings in geeigneter Anzahl und Lage anordenbar ist (Anspruch 16). So kann eine Prüfvorrich- tung immer wieder für sehr verschiedene Prüflinge verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar : Fig. 1 : EinAusführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 : Schema zur Illustration des Verfahrens.
In Fig. 1 ist die Grundplatte der erfindungsgemässen Vorrichtung mit 1 bezeichnet. Sie hat bei- spielsweise T-Nuten für die einstellbare Anbringung einer drehfesten Einspannvorrichtung 3 und einer Anzahl (hier fünf) von Stützlagern 4,4'. Die drehfeste Einspannvorrichtung 3 ist über eine querkraftfreie Kupplung 6 (beispielsweise eine Faltenbalgkupplung oder eine Oldhamkupplung) mit einer zu prüfenden Welle 10 verbunden. Hier ist der Prüfling eine Nockenwelle. Die querkraftfreie Kupplung 6 besteht aus zwei Kupplungshälften 7,8, die in Umfangsrichtung eine starre
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Verbindung herstellen, deren Achsen jedoch gegeneinander parallel verschiebbar sind. Die erste Hälfte 7 ist fest mit der Einspannvorrichtung 3 verbunden, die zweite Hälfte spannt fest ein Ende des Prüflings 10.
Die Stützlager 4 sind hier horizontal geteilt und nehmen jeweils ein Lager auf ; kann ein Wälzlager oder ein Gleitlager und eines davon auch ein Spurlager sein. Die Verdrehung in diesen Lagern ist nur gering, sie ist nur die durch die Momentenbelastung hervorgerufene Torsi- on der Welle.
An dem anderen Ende der Nockenwelle ist ein erstes Kraftleitelement 15 vorgesehen, an dem zwei Kraftelemente in zwei miteinander einen rechten Winkel einschliessenden Richtungen eine Kraft ausüben können. Die Kraftelemente sind hier servohydraulische Zylinder (16,17). In vertikaler Richtung ist ein Zylinder 16, dessen Kolbenteil nach oben ragt und über eine Kraftmessdose 17 auf das erste Krafteinleitelement wirkt. Der Zylinder 16 stützt sich an einem Fuss 19 ab, der auf der Grundplatte 1 befestigt sein kann, jedenfalls aber ebenfalls raumfest ist. Von dem Zylinder 16 führt eine Rückführsignalleitung 18 zu einem Steuergerät 30. In analoger Weise wirkt der horizontale Zylinder 26 über eine Kraftmessdose 27 in horizontaler Richtung auf das erste Krafteinleitelement 15. Auch von dieser Kraftmessdose 27 führt eine Signalleitung 28 zum Steuergerät 30.
Weiters greift an diesem Ende des Prüflings 10 ein zweites Krafteinleitungselement 35 an, auf das ein zweites Kraftelement 36 wirkt. Das zweite Krafteinleitungselement 35 ist mit Vorteil wieder eine querkraftfreie Kupplung, ähnlich der Kupplung 6 an der drehfesten Einspannvorrichtung 3.
Das zweite Kraftelement ist hier ein Servomotor, der ein Drehmoment erzeugt und auf das ihm zugekehrte Ende des Prüflings ausübt. Ein Drehmomentsensor 37 und eine Leitung 38 zum Steu- ergerät 30 sind auch wieder angedeutet. Ebenso ist angedeutet, dass das Steuergerät 30 aus einer Recheneinheit 40 und einer Steuereinheit 41 besteht.
Die Recheneinheit rechnet eine im Betrieb auftretende quer zur Welle wirkende Kraft in eine mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle umlaufende Kraft um und zerlegt diese Kraft in zwei Komponenten in festgelegten Richtungen, das sind hier die Wirkungsrichtungen der servohydrauli- schen Zylinder 16,26. Dabei ergeben sich beispielsweise bei einer im Betrieb der Welle in Betrag und Richtung konstanten Kraft eine mit dieser Winkelgeschwindigkeit bezüglich der bei der Prüfung stillstehenden Welle umlaufende Kraft konstanter Grösse. Diese wird sodann in ihre Komponenten in horizontaler und vertikaler Richtung zerlegt. Diese Komponenten folgen bei diesem Beispiel Sinuskurven, die um 90 Winkelgrade phasenverschoben sind. Diese pulsierenden und gegenein- ander phasenverschobenen Kräfte werden von den servohydraulischen Zylindern 16,26 erzeugt.
Dazu werden diese von dem Steuerteil 41 des Steuergerätes 30 entsprechend beaufschlagt.
Die Einleitung des auf den Prüfling 10 wirkenden Drehmomentes durch das zweite Kraftele- ment 36 stellt an das Steuergerät 30 geringere Ansprüche. Das von diesem ausgeübte Drehmo- ment wird ebenfalls von der Steuereinheit als Funktion der Zeit gesteuert, sodass zum Beispiel auch die in einem Verbrennungsmotor auftretenden Drehmomentschwankungen simuliert werden kön- nen.
In Fig. 2 ist das Prinzip der Erfindung symbolisch dargestellt. In Fig. 2a befindet sich der Prüf- ling 10 in der fertigen Maschine im Betrieb. Sie dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Omega, auf ihn wirkt eine in Richtung und Grösse konstante Kraft F. Der erste Denkschritt führt zu Fig. 2b, die Welle 10 steht still, was in der üblichen Weise angedeutet ist und die Kraft F* ist gleich gross der Kraft F, rotiert aber ihrerseits mit einer Winkelgeschwindigkeit Omega, im entgegengesetzten Sinn.
Der zweite Denkschritt führt dann zu Fig. 2c. Er besteht darin, dass die umlaufende Kraft F* in zwei nicht umlaufende, dafür aber pulsierende Komponenten F*v und F*h zerlegt wird. Man sieht, dass in Fig. 2c keinerlei mechanische Rotation mehr stattfindet, von einer geringfügigen Torsion durch das aufgebrachte Drehmoment abgesehen.
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