Gerät zur Prüfung des Profils der Oberfläche eines Zahnes an einem Zahnrad mit Evolventenverzahnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Prüfung des Profils der Oberfläche eines Zahnes an einem Zahnrad mit Evolventenverzahnung.
Es ist bekannt, transportable Geräte zum Prüfen und Messen des Zahnprofiles von Zahnrädern mit Evolventenverzahnung in bezug auf feste Koordinatenachsen zu verwenden, wobei die gemessenen Koordinatenwerte mit berechneten Werten verglichen werden. Dieses Verfahren ist langwierig und ergibt nicht leicht Messwerte des ganzen Profiles eines jeden Zahnes. Ausserdem zeitigt dieses Messverfahren keinerlei Angaben über die Oberflächenbeschaffenheit eines Zahnes. Die Messgenauigkeit selber hängt von der Genauigkeit der Einstellung der Koordinaten gegen über dem Zahnrad ab. Aber solche Vorrichtungen sind transportabel und können für grosse Zahnräder ebenfalls Verwendung finden.
Bei einem Messgerät von anderem Typ wird ein Stab ohne Schlupf über einen Zylinder gerollt, der so gearbeitet ist, dass er den Grundradius der Evolventenoberfläche des Zahnes besitzt, und an den Zahn des Zahnrades gesetzt wird, wobei der Abstand zwischen einem festen Punkt des Stabes und dem Zahn mittels eines Tastorgans gemessen wird. Geräte dieser Art sind im allgemeinen so eingerichtet, dass sie eine Aufzeichnung auf eine Rauchglasplatte bewirken.
Die Abweichung der Aufzeichnung von einer geraden Linie parallel zur Grundlinie der Platte zeigt die Abweichung des Profils von der Evolventenform an. Die Aufzeichnung ist leicht zu interpretieren und auch eine Angabe über die Oberflächenbeschaffenheit lässt sich gewinnen. Doch ist ein solches Gerät normalerweise nicht transportabel.
Es ist ein weiteres Gerät bekannt, das das Prinzip der Evolventenerzeugung benutzt. Es bildet eine Evolvente von zylindrischen Bändern, die am Ende der Zähne auf den Basisradius des Zahnrades gearbeitet sind. Profile in Ebenen nahe bei diesen Bändern können sehr leicht gemessen werden, doch treten Messfehler auf, wenn beim Messen weiter abstehender Ebenen das Tastorgan an einem überhängenden Arm gehalten werden muss, der sich durchbiegen kann.
Ein solches Gerät ist schwer und lässt sich nicht leicht transportieren.
In der Praxis ist dagegen ein Gerät erforderlich, das eine fortlaufende Aufzeichnung von dem gemessenen Zahnprofil ergibt und sowohl für grosse als auch kleine Zähne wie auch für gerad- und schrägverzahnte Zahnräder (Schräg- und Geradzahnräder) mit Evolventenverzahnung verwendet werden kann, ob das Zahnrad in Gebrauch ist oder nicht.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein leichtes, genügend festes Gerät für die Prüfung der Profile von Zähnen an Schräg- und Geradzahnrädern mit Evolventenverzahnung zu schaffen, wobei das neue Gerät die Nachteile bisheriger Geräte vermeidet.
Das erfindungsgemässe Gerät zur Prüfung des Profils der Oberfläche eines Zahnes an einem Zahnrad mit Evolventenverzahnung, das ein über die Zahnoberfläche bewegbares Tastorgan und Mittel aufweist, um die Abweichungen zwischen dem Weg des Tastorganes und einem Bezugskreis feststellen zu können, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Tastorgan auf einer verstellbaren Verlängerung eines Gliedes eines Gelenkmechanismus in Parallelogrammanordnung befestigt und so angeordnet ist, dass es, sofern es nicht durch das Zahnprofil abgelenkt wird, sich über einen Bogen des Bezugskreises bewegt, dessen Mittelpunkt auf dem Umfang des Grundkreises der Evolventenzahnoberfläche liegt, und wobei das Tastorgan und der Gelenkmechanismus in einer Ebene liegen, die rechtwinklig zur Zahnoberfläche im Berührungspunkt des Tastorgans steht.
In der beigefügten Zeichnung sind Bestimmungsmethoden von Messgrössen und ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht, die nachfolgend beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema für den Entstehungsvorgang für eine Evolventenkurve,
Fig. 2 ein Schema für den Entstehungsvorgang der Evolventenoberfläche eines Zahnrades mit Schrägverzahnung,
Fig. 3 schematisch die Bestimmung der Richtung der Zahnradachse aus der Ausbildung der Zähne,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Geräts nach dieser Erfindung,
Fig. 5 A und 5 B schematisch das Prinzip eines Details des Gerätes nach dieser Erfindung,
Fig. 6 eine allgemeine Ansicht des Geräts nach dieser Erfindung zum Messen der Profile von Zähnen eines Schrägzahnrades mit Evolventenverzahnung,
Fig.
7 eine Aufzeichnung der Abweichung eines Zahnprofiles vom Umfang des Messkreises und vom berechneten Profilverlauf,
Fig. 8 einen Teil einer Prüfeinrichtung als Teil des Gerätes nach dieser Erfindung und
Fig. 9 Aufzeichnungslinien auf einem Aufzeichnungsblatt, wie sie bei Verwendung der in Fig. 8 gezeigten Einrichtung erhalten werden können.
Fig. 1 zeigt ein Band, das von einem Grundkreis mit dem Radius Rb abgewickelt wird. Das freie Ende des Bandes beschreibt eine Evolventenkurve XY. Abgesehen von Ungenauigkeiten und beabsichtigten Aenderungen der Grundform sind die Profile von Evolventen-Zahnradzähnen Stücke von Evolventenkurven, wie z. B. XY.
Die Bildung von Zahnoberflächen bei einem schrägverzahnten Zahnrad (Schraubenzahnrad, Schrägzahnrad) ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. In dieser Figur wird das ebene Blatt ABCD von einem Grundzylinder mit dem Radius Rb abgewickelt und die gleiche Linie AB, die schräg zur Achse des Zylinders verläuft, ist die Erzeugende der Zahnoberflächen eines Schrägzahnrades. AB ist die Erzeugende. Der Winkel e zwischen der Linie AB und der Linie CD, die parallel zur Achse verläuft, ist der Grundsteigungswinkel.
Das hier zu beschreibende Gerät misst das Zahn Profil in einer Messebene, wie beispielsweise der Ebene EFHJ, die zur Ebene ABCD und damit zur Linie AB senkrecht steht. Bei bekannten Messinstrumenten wurde das Profil in einer Ebene senkrecht zur Achse des Grundzylinders gemessen. Solche Instrumente neigen dazu, grosse Fehler in dem Messwert zu bringen, wenn das Tastorgan etwas von der Messebene abweicht, da die Wirkung des Steigungswinkels dann beträchtlich ist. Diese grossen Fehler werden bei Benutzung des Gerätes nach den noch zu beschreibenden Prinzipien vermieden.
Die Prinzipien des hier beschriebenen Gerätes bestehen darin, dass ein Zahnprofil durch ein Tastorgan gemessen und mit einem Kreisbogenstück eines Kreises in der Ebene EFRJ vom Radius r mit dem Mittelpunkt beim Punkt 0 auf der Linie DC verglichen wird, wobei OP gleich r ist und rechtwinklig zu AB verläuft und P der Punkt des gemessenen Teiles des Zahnprofils ist. OP liegt also in der Ebene EFHJ.
Der Unterschied zwischen dem wirklichen Zahnprofil und dem Bogen des Bezugskreises wird über die ganze Zahnoberfläche gemessen und mit berechneten Werten verglichen. Die Messebene EFHJ ist genau senkrecht zur Erzeugungslinie AB in nur einer der unendlichen Anzahl von Stellungen, die die Linie AB bei der Erzeugung einer Zahnoberfläche einnimmt. Doch ist der in die Messung eingehende Fehler sehr klein und wird bei der Berechnung des genauen Wertes der Unterschiede berücksichtigt.
Aus obigem ergibt sich, dass das zu beschreibende Gerät Mittel enthalten muss, um die Messebene festzulegen, und Mittel, um den Bezugskreis zu bilden, d. h. den Kreisradius OP und den Mittelpunkt am Umfang des Grundkreises in der Messebene. Die Messebene bildet zur Achse des Zahnrades und des Grundzylinders einen Winkel
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In dem zu beschreibenden Gerät wird die Messebene mit genügender Genauigkeit in folgender Weise an den Zähnen selber bestimmt. Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Schrägzahnrades. Die Zähne haben in axialer Richtung einen Abstand pa, d. h. gleich der Zahnteilung.
Wenn zwei gleiche Kugeln K an ihren Mittelpunkten starr befestigt und mit den Mittelpunkten in einem Abstand gehalten werden, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen der axialen Steigung (npa) ist, dann passen sie in Zahnzwischenräume, wie das in Fig. 3 gezeigt ist, und die Verbindungslinie L der Kugelmittelpunkte liegt parallel zur Achse des Zahnrades. Die Zahnoberflächenerzeugende AB bildet dann mit der Mittelpunktlinie L der Kugeln einen Winkel e und die Messebene ist senkrecht zur Linie A-B. Es können nach bereits bekannten Prinzipien auch andere Verfahren angewandt werden.
Die Mittel zur Erzeugung des Bezugskreises können meist sehr einfach erklärt werden, wenn man als Beispiel ein Geradzahnstirnrad betrachtet. In diesem Falle ist die Messebene eine Querebene senkrecht zur Zahnradachse, d. h. der Winkel e ist null. Ein Schnitt quer zu einem Geradzahnstirnrad ist in Fig. 4 schematisch veranschaulicht. Der Bezugskreis ist ein Kreis mit dem Radius r um den Mittelpunkt 0, wobei 0 der Punkt der Berührung der Linie O-P durch den Teilungspunkt P mit dem Grundkreis vom Radius Rb ist. 0 liegt im Material des Zahnrades. Um den Bezugskreis zu bilden, muss ein virtueller Drehmittelpunkt geschaffen werden. Bei dem zu beschreibenden Gerät wird das mittels der in Fig. 4 angegebenen, an den Gelenkpunkten j, m, 1 und k nach Art eines Parallelogramms miteinander verbundenen Glieder M und N, die einen Parallelogramm-Aufbau bilden, erreicht.
Das Tastorgan nt wird in Fig. 4 mit der Spitze n auf dem Punkt P aufsitzend gezeigt und muss offensichtlich so eingestellt werden, dass die Abstände in und mO gleich sind. Der Abstand mO kann aus dem Kopfkreisradius W' (Fig. 5 A) des Kreises W und dem Radius Rb berechnet werden. Eine weitere offensichtliche Bedingung ist, dass jm in radialer Richtung liegt. Rp ist der Teilkreisradius.
Der Parallelogramm-Aufbau MN kann genau gebildet und seine Arbeitsweise in folgender Weise geprüft werden. In Fig. 8 ist ein Metallblock 21 mit einem quer durch den Block 21 verlaufendes Loch 22 versehen, in das ein genau passender Zylinderstab 23 so eingesetzt ist, dass er auf beiden Seiten des Blocks aus diesem herausragt. Der Stab 23 fasst dicht sitzend in das Loch 22 und ist an jedem Ende mit einer Ausnehmung versehen, wobei diese Ausnehmungen mit dem Stab gleichachsig sind. An jedem der Enden 24 und 25 des Blockes sind kreiszylindrische Endflächen gebildet, indem der Block um Drehpunkte in den Ausnehmungen am Ende des Stabes 23 gedreht und durch Abschleifen gekrümmt ausgebildet wurde. Die gekrümmten Oberflächen 24, 25 besitzen also einen Drehmittelpunkt, der auf der Achse des Stabes 23 liegt.
Ein Loch 26 wird alsdann von der Oberfläche 27 des Blockes so in den Block gebohrt, dass es in das Loch 22 mündet. Der Abstand von der Oberfläche 27 bis zum Umfang des Stabes 23 wird in diesem Loch gemessen und, wenn der Radius des Stabes 23 ebenfalls genau bestimmt ist, wird ein genauer Wert des Abstandes von der Oberfläche 27 zur Achse des Stabes 23 und damit der Mittelpunkt des Kreisbogens der Oberflächen 24, 25 erhalten. Der Radius der Krümmung der Oberfläche 24 wird gleichfalls durch Messung ermittelt. Um den Parallelogramm Aufbau zu eichen, wird er auf dem Block 21 aufgesetzt, wobei die als Schneidekante Si ausgebildete untere Kante des Stützorgans 31 auf der Oberfläche 27 des Blockes 21 sitzt. Das Glied jm erstreckt sich vorzugsweise radial vom Block 21 weg.
Die Gelenkverbindungen an den Punkten j, k, 1 und m gestatten ein beliebiges Verdrehen der Glieder M und N gegeneinander, so dass die Form des Parallelogramms geändert werden kann.
Wenn nun der Parallelogramm-Aufbau richtig aufgesetzt ist und der Radius des Kreises, auf welchem sich der Aufzeichnungsstift p bewegt, gleich ist dem Radius der Krümmung der Oberfläche 24, so zeigt die Aufzeichnung auf einem Blatt Registrierpapier gemäss Fig. 9, in Uebereinstimmung mit der Bewegung des Aufzeichnungsstiftes über die Oberfläche 24, und sofern das Glied j m feststeht und um das Glied k 1 p bewegt wird, eine gerade Linie, die parallel zur Bewegungsrichtung des Papiers verläuft, wie mit dem Pfeil angezeigt ist. Die Gerade 32 wird erzeugt, weil bei korrekter Einstellung der Parallelogrammanordnung die Ablenkung des Stiftes in allen Stellungen die selbe ist. Ist dagegen das Parallelogramm nicht genau einreguliert, so entsteht eine gegen die Horizontale geneigte Linie 33, die gegenüber der Richtung der Papierbewegung einen Winkel bildet.
Wenn eine Linie 32 gezeichnet wurde, wird der Parallelogrammaufbau so angeordnet, dass der Stift p einen Kreis mit einem Radius zieht, der gleich dem Radius des Kreisbogens der Oberfläche 24 ist, und mit einem Mittelpunkt in einem Abstand von der Kante St des Blockes 21, der gleich dem Abstand des Mittelpunktes des Stabes 23 von der Fläche 27 ist, Masse, die alle genau bestimmt worden sind. Um das Parallelogramm so aufzubauen, dass der Stift p um einen Mittelpunkt sich dreht, der gleich dem Punkt O ist (siehe Fig. 4), wird der Abstand mO berechnet und dann der Aufzeichnungsstift p mit einem Abstand bewegt, der gleich der Differenz zwischen dem Abstand mO und dem Abstand zwischen der Oberfläche 27 und der Achse des Stabes ist. Der Radius des Kreises, der durch den Schreibstift aufgezeichnet wird, wird in ähnlicher Weise eingestellt.
Für eine zweite Prüfung des korrekten Arbeitens des Parallelogrammaufbaues kann der Block 21 durch einen ähnlichen Block, aber mit ebenen, sich quer erstreckenden Endflächen statt der gekrümmten Oberflächen 24, 25 ersetzt werden. Wenn der Stift über eine solche Endfläche bewegt wird und der Aufbau richtig erfolgt ist, ergibt sich als aufgezeichnete Linie ein Kreis.
Eine radiale Richtung kann mit genügender Genauigkeit gefunden werden, wenn man nach den in Fig. 5 A und 5 B veranschaulichten Grundsätzen vorgeht. In Fig. 5 A ist ein auf ein Zahnrad montierter Spiegel qr gezeigt. (Die Zähne des Zahnrades sind weggelassen, da nur der Kopfkreis W für die Erklärung erforderlich ist.) Der Spiegel mag, wie Fig. 5 B zeigt, zwei versilberte reflektierende Oberflächen S und einen mittleren Teil T besitzen, der lichtdurchlässig ist. Dann sieht das Auge A in der in Fig. 5 A gezeigten Stellung gleichzeitig die Teile des Zahnrades an beiden Seiten der Spiegelebene. Wenn die Linien V1 und V2 für die gleichzeitig gesehenen Teile des Zahnrades an beiden Seiten der Spiegelebene, also z. B.
V 1 für Teile, die auf der gleichen Seite des Spiegels sind, und V2 für Teile, die auf der anderen Seite des Spiegels liegen, sich nicht decken (in Fig. 5 B z. B. keine durchlaufende Gerade bilden), dann fällt die Spiegelebene nicht mit der Achse des Zahnrades zusammen. Wenn die Linien sich, wie in Fig. 5 B durch die durchgehende Gerade U angedeutet ist, zusammenfallen, dann fällt die Spiegelebene mit der Achse des Zahnrades zusammen, d. h. der Spiegel nimmt eine radiale Lage ein. Um Ungenauigkeiten infolge Brechungsfehlern im Glas des Spiegels zu vermeiden, können zwei verschiedene Konstruktionen gewählt werden.
Einmal kann der Spiegel eine vorderseitig versilberte Glasplatte sein, die in der Mitte einen durchsichtigen Streifen T besitzt, wobei das Ganze durch eine zweite Glasplatte der gleichen Dicke bedeckt wird, die sowohl den versilberten S wie den durchsichtigen Abschnitt T überdeckt, so dass der Lichtstrahl sowohl bei der Reflexion wie beim Durchtreten im Glas Wege gleicher Länge zurücklegt. Diese Konstruktion bietet gleichzeitig einen Schutz für die versilberte Oberfläche S. Zum andern kann der Spiegel aus zwei vorderseitig versilberten Glasplatten mit einem Luftspalt zwischen den beiden Glasplatten bestehen. Diese Konstruktion bietet keinen Schutz für die versilberten Oberflächen, die leicht verkratzt werden, und weist keine Wegstrecke durch Glas auf, weder bei der Reflexion noch bei dem den Spalt durchtretenden Strahl.
Statt, wie beschrieben, kann der Spiegel auch eine einzige, reflektierende Oberfläche aufweisen, die nach einem der oben genannten Gesichtspunkte ausgebildet ist und bei der der reflektiert betrachtete Teil des Zahnrades mit den beidseits der reflektierenden Fläche direkt gesehenen Teile zusammenfällt.
Für die Messung eines Schrägzahnrades wird jm mittels des Spiegels in radialer Richtung eingestellt und die Ebene des Parallelogramms jklm in einen Winkel von
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zur Achse des Zahnrades eingestellt, indem das Parallelogramm gegenüber der Mittellinie des kugelförmigen Fusses, der in dem Zwischenraum zwischen den Zähnen liegt, um diesen Winkel gedreht wird.
Eine praktische Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 6, in welcher die Stäbe 8 in den Elementen 14 und 9 schwenkbar gelagert sind und ein Parallelogramm j, k, 1, m bilden, welches mit dem in Fig. 4 gezeigten Parallelogramm j, k, 1, m übereinstimmt.
Das Element 14 besitzt eine Grundplatte 4, welche um den Block 5 geschwenkt werden kann, während das Element 9 längs dem Gleitführungsteil 12 mittels der Motoreinheit 13 zum Abtasten der Zahnoberfläche auf und ab bewegt werden kann. Der Block 5 pendelt auf den Köpfen der Zähne hin und her, wobei der Bezugskreis sein Zentrum auf der Achse hat, um welche der Block 5 pendelt, und welche Achse gemäss Fig. 4 auf dem Kopfkreis liegt.
Um sicherzustellen, dass das Parallelogrammgestänge in einer Ebene liegt, welche rechtwinklig zur Zahnachse im Berührungspunkt des Tasters steht, ist die Gleitführung 12 auf einer Grundplatte 15 montiert. Die horizontalen Rahmen stäbe 3 erstrecken sich durch die Grundplatte 4 und Grundplatte 15, sowie durch den Block 2. Block 2 ist sowohl längs verschiebbar als auch mittels einem der Rahmenstäbe 6, die sich vom Block 16 nach aufwärts erstrecken, vertikal justierbar.
Der Block 16 ist durch kugelförmige Füsse 1 geführt, welche auf einer Achse liegen, die parallel zur Zahnradachse verläuft, und liegen wie gezeigt, um zwei Zahnteilungen auseinander. Der Block 2 ist gegenüber dem Block 16 um einen Winkel e verschoben, ebenso ist die Grundplatte 4 auf Block 5 um den selben Winkel verschoben. Daher liegen die Blöcke 16 und 5 auf Achsen, die mit der Linie DC in Fig. 2 übereinstimmen, während die Blöcke 2, 15 und Grundplatte 4 längs solchen Achsen liegen, die mit der Linie AB übereinstimmen, womit das Parallelogramm in einer solchen Ebene liegt, welche senkrecht zur Zahnoberfläche im Berührungspunkt des Tastorgans steht.
Auf einer Verlängerung des Blockes 5 ist ein Spiegel aufgesetzt. Durch Justierung des Blockes 2 auf den horizontalen Rahmenstäben 3 und mittels eines der vertikalen Rahmen stäbe 6 kann der Spiegel und damit der Block 5 in seiner radialen Stellung justiert werden, wie dies oben mit Bezug auf die Fig. 5a und 5b beschrieben ist. Der die Verlängerung eines Gliedes des Gelenkmechanismus bildende Fühlerkopf 10 ist verstellbar so in einem Ansatz an dem Block 9 gelagert, dass der Abstand des Tastorgans 11 vom Verschwenkungspunkt I des Blockes 9 eingestellt werden kann, um diesen Abstand dem Abstand Om (Fig. 4) gleichzumachen, um den der Grundzylinder unterhalb des betreffenden Verschwenkungspunktes m am Lagerblock 4 liegt.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das Tastorgan das Profil mit Bezug auf einen Kreis vom Radius r misst, wobei der Mittelpunkt auf der Fläche des Grundzylinders liegt und diese Fläche in einem Winkel von (900-8) zur Achse des Zahnrades verstellt ist.
Eine fortlaufende Aufzeichnung des Profils mit Bezug auf den Kreis wird dadurch erreicht, dass das Tastorgan eine Aufzeichnungsfeder betätigt und der Motor synchron mit dem Aufzeichnungsstreifen bewegt wird. Auf diese Weise wird eine Aufzeichnung erhalten, wie sie Fig. 7 veranschaulicht. Die Aufzeichnung Z' kann mit einer berechneten Kurve Z verglichen werden, wobei der Verlauf der Kurve Z mit dem Bezugskreis übereinstimmt. Wenn das Gerät an Stellen benutzt werden soll, wo keine geeignete Stromquelle zur Verfügung steht, kann die Ablenkung des Tastkopfes mechanisch gemessen und die Stellung des Tastkopfes an einem Zeiger des Antriebs abgelesen werden. Die Ablenkung des Tastkopfes kann alsdann als Funktion der Stellung des Tastkopfes aufgezeichnet werden.
Die obige Messmethode macht die Berechnung des Zeichnungsprofils erforderlich. Diese Berechnung ist sehr leicht durchzuführen und für eine grosse Klasse grosser Zahnräder ist die Abweichung des Zeichnungsprofils vom Kreis mit dem Radius r kleiner als 2,5:10-9 mm.
In solchem Falle ist die Berechnung des Zeichnungsprofils nicht erforderlich, da ein genauer Zahn auf dem Aufzeichnungsstreifen eine Gerade mit einer Genauigkeit innerhalb von 2, 54 10-3 mm ergibt.
Das Gerät soll arbeiten, indem es, wie Fig. 6 zeigt, in der Hauptsache horizontal angeordnet ist. Es kann aber auch dahin abgeändert werden, dass es in vertikaler Stellung oder in beliebigem Winkel arbeiten kann, damit es benutzt werden kann, um die Profile von Zahnrädern mit vertikaler Achse zu messen. Der Motor ist ebenso vorzugsweise so angeordnet, dass der bewegliche Kopf 9 seitlich ausgeglichen ist.
Das Gerät nach dieser Erfindung kann natürlich benutzt werden, um die Zähne von Zahnrädern zu messen, die in Gebrauch sind, so dass die Abnutzung der Zähne festgestellt werden kann, oder um Zähne zu messen, die gerade hergestellt werden, um eine Kontrolle der Herstellung zu haben.