DE10035340A1 - Verfahren und Vorrichtung zum dynamischen Auswuchten einer Welle - Google Patents

Abstract

Für ein dynamisches Auswuchten einer Welle wird eine vorhandene Unwucht durch eine Materialentfernung mittels eines Laserstrahls beseitigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum dynamischen Auswuchten einer Welle, wie insbesondere der Antriebswelle bei einem Kraftfahrzeug.

Zum Auswuchten bsp. einer Antriebswelle bei einem Kraftfahrzeug ist es bis jetzt üblich, die Welle mit einer vorgewählten Drehzahl zu drehen und während der Drehung die Größe und den Ort einer Unwucht der Welle zu messen. Wenn die Messung beendet ist, dann wird die Drehung der Welle angehalten und wird an dem für die Unwucht ermittelten Ort eine zusätzliche Masse angebracht, um damit die Unwucht zu verringern. Die ausgewuchtete Welle wird dann erneut auf die vorgewählte Drehzahl gebracht für ein wiederholtes Messen einer dann noch vorhandenen restlichen Unwucht, worauf die Welle dann wieder angehalten und eine weitere Masse angebracht wird, wobei diese Folge solange wiederholt wird, bis die ausgewuchtete Welle innerhalb einen vorgewählten Toleranzbereich fällt.

Das bekannte Auswuchten einer Welle entsprechend dem vorgeschilderten Vorge­ hen, welches auch an anderen rotierenden Komponenten durchgeführt wird, ist ersichtlich sehr zeitaufwendig und ergibt für das Produkt eine beträchtliche Ko­ stenerhöhung. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein rationelleres Verfahren für ein dynamisches Auswuchten einer Welle bereitzustellen sowie auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren, welches die Gestaltungsmerkmale des Patentanspruches 1 aufweist, wobei dieses Verfahren mit den Merkmale vorteilhaft ausgebildet sein kann, die durch die weiteren Ansprü­ che unter Einbeziehung auch der Vorrichtung angegeben sind, die zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens vorgesehen ist.

Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Auswuchten einer Welle unter Verwen­ dung eines Laserstrahls ist es auf einfachste Art und Weise möglich, jede an einer drehenden Welle in Bezug auf eine simulierte Drehachse festgestellte Unwucht über den umgekehrten Weg einer punktuellen Materialentfernung äußerst präzise auszuwuchten. Dabei erlaubt dieses Arbeiten mit einem Laserstrahl auch ein reichlich unkompliziertes und verhältnismäßig rasches Erreichen eines vorgewähl­ ten Toleranzbereichs für die um die simulierte Drehachse gedrehte Welle, da die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung mit der Integrierung eines angepaßten Steuersystems für einen vollständig automatischen Verfahrens­ ablauf ausgebildet werden kann. Für die Einhaltung eines günstigen Zeitfaktors und damit auch einer vorteilhaften Kostenverringerung ist dabei noch von besonderer Bedeutung, daß die Welle während des gesamten Auswuchtens erst wieder ange­ halten werden muß, wenn der vorgewählte Toleranzbereich erreicht ist, da alle Zwischenstufen des Verfahrensablaufs automatisch angesteuert werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zum dynamischen Auswuchten einer Welle zeigt.

Für das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Auswuchten der Propellerwelle 10 für den Hinterradantrieb eines Kraftfahrzeuges betrachtet, wobei die Welle aus Stahl, Aluminium oder einem anderen Material bestehen kann. Die Welle 10 besteht aus einem rohrförmigen Körper, der in der Nähe seiner beiden Enden 10a, 10b mit Ringflanschen 12 und 14 versehen ist. Die Wellenenden 10a und 10b sind mit Kreuzzapfen 13, 15 versehen, mittels weicher die Welle an Spannzangen oder anderen Halterungen 22, 24 einer Auswuchtvorrichtung 20 montiert werden können. Gleiche Kreuzzapfen werden auch verwendet, um die Welle 10 zwischen dem Getriebe und dem Differential des Hinterradantriebes eines Fahrzeuges anzuordnen, wie es allgemein bekannt ist, sodaß hier bei der Vorrich­ tung 20 die Anordnung der Welle 10 simuliert wird. Diese Simulierung der Anord­ nung wird dahin erweitert, daß die Welle 10 an der Spannzange 22 über eine drehbar gelagerte Welle 26 durch einen Elektromotor 28 gedreht wird, wobei diese Drehung auch durch eine entsprechend drehbare Lagerung auch der Spannzange 24 über eine zugeordnete Lagerwelle 25 ermöglicht wird. Die beiden Spannzangen 22, 24, die Lagerwelle 25, 26 und der Elektromotor 28 sind an einem Ständer 21 der Vorrichtung 20 angeordnet, wobei diese Anordnung derjenigen bei einer be­ kannten Auswuchtmaschine entspricht, die bsp. von der Firma Schenck Turner Inc. mit dem Modell 528 RBRQ angeboten wird.

Die Welle 10 wird durch die beiden Spannzangen 22, 24 in einer Anordnung fest­ gelegt, welche die Berücksichtigung einer simulierten Drehachse ergibt. Die Welle wird bei eingeschaltetem Motor 28 um diese Drehachse mit einer vorgewählten Drehzahl gedreht, wie dargestellt mit dem Pfeil A, wobei die Drehzahl abgestimmt ist auf einen vorbestimmten Bereich der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, nämlich bsp. einer Geschwindigkeit zwischen etwa 95 und 130 km/h. Bei der Benutzung der Vorrichtung wird dann bsp. zuerst eine für das eine Wellenende 10a neben dem Flansch 12 festgestellte Unwucht ausgeglichen und anschließend eine Unwucht, die für das andere Wellenende 10b neben dem Flansch 14 festgestellt wurde.

Für die Beseitigung solcher Unwuchten an den beiden Wellenenden wird die Größe und die Winkelausrichtung jeder Unwucht mittels Sensoren 40 und 41 ermittelt, die an den beiden Wellenenden angeordnet sind. Diese Sensoren sind zur Erfassung von Wellenschwingungen ausgebildet, die durch eine Seitenbelastung der Spannzangen 22, 24 an den Wellenenden erzeugt werden. Die Sensoren erzeugen andererseits Spannungsignale, deren Größe mit der Amplitude der Wellenschwin­ gungen übereinstimmt, sodaß mit diesen Spannungssignalen in einem angeschlos­ senen Rechner 50 die Größe und auch die Winkelausrichtung einer maximalen Unwucht an jedem Wellenende berechnet werden kann, deren Erscheinungsort auch an einem Display 42 mit einer gleichzeitigen Angabe der Größe der Unwucht bsp. in Gramm - Zentimeter zur Abbildung gebracht werden kann. Als Sensoren können bei der Vorrichtung ebenfalls die Sensoren übernommen werden, die bei der bekannten Auswuchtmaschine vorhanden sind, jedoch ist deren Übernahme für die Vorrichtung 20 keinesfalls zwingend. Mittels des Computers 50 wird im übrigen als Bezugsgröße die Drehung der Welle 10 mittels eines Wandlers 32 erfaßt, der auf einen Magneten 30 an der Lagerwelle 26 der Spannzange 22 anspricht.

Durch den Rechner 50 wird ein Laser 60 gesteuert, mit welchem ein Laserstrahl punktuell auf die für ein Wellenende ermittelte Unwucht ausgerichtet wird. Die Stromstärke und/ oder die Dauer des Laserstrahls kann dabei durch das Steuersi­ gnal des Rechners 50 beeinflußt werden und kann jeweils mit einem festen oder mit einem veränderlichen Wert vorgegeben sein in Abhängigkeit von der Material­ menge, die an dem betreffenden Wellenende zur Beseitigung der Unwucht entfernt werden soll. Das von dem Rechner 50 an den Laser 60 gelieferte Steuersignal wird dabei mit einem Algorithmus erhalten, welcher die Wellenschwingung respektive die mit den Sensoren übersetzten Spannungssignale mit der Größe und der Aus­ richtung der ermittelten Unwucht vergleicht und das Ausmaß der Materialentfer­ nung bestimmt, die zur Beseitigung der ermittelten Unwucht benötigt wird. Die punktuelle Lenkung des Laserstrahls wird dabei mit dem Magneten 30 an der Lagerwelle 26 im Zusammenwirken mit dem Wandler 32 gesteuert, wobei noch anzugeben ist, daß die Anzahl der Drehungen der Welle 10, während welcher eine Materialentfernung von der Welle vorgenommen wird, für die Dauer der Materia­ lentfernung verändert werden kann, sofern nicht mit einer veränderlichen Stärke und Dauer des Laserstrahls gearbeitet wird, sondern stattdessen für den Laser­ strahl feste Werte vorgegeben sind. Der Rechner 50 weist zweckmäßig ein inte­ griertes digitales Auslese-Steuersystem auf und ist auf den Algorithmus program­ miert, mit welchem die von den Sensoren 40, 41 erhaltenen Spannungssignale abgestimmt werden auf das Ausmaß der Materialentfernung, die für eine Beseiti­ gung von Unwuchten an den Wellenenden durchzuführen ist.

Diese Materialentfernung an den Wellenenden wird speziell an den Flanschen 12 und 14 durchgeführt, gegen welche der von dem Laser 60 erzeugte Laserstrahl über Lichtleiter 62 und 64 ausgerichtet wird. Als Lichtleiter sind bsp. Glasfilamente verwendet, welche die von der Lichtquelle des Lasers 60 erzeugten Strahl hin zu einer seitlichen Auftrefffläche 12a bzw. 14a der Flansche 12, 14 leiten. Das Vor­ handensein der Flansche 12, 14 für die mit dem Laserstrahl bewirkte Materialent­ fernung ist dabei so zu erklären, daß durch die Flansche ein bestimmter Abstand von der Mantelfläche 10c der Welle 10 eingehalten werden kann, sodaß mit dem Laserstrahl zum Zeitpunkt der damit bewirkten und mit einer stärkeren Wärmeent­ wicklung verbundenen Materialentfernung nur an den Flanschen 12, 14 keine Beschädigung der Welle und auch kein Wärmeverzug erhalten wird. Die Flansche 12, 14 können daher auch andere Ausbildungen erfahren, wobei nur wichtig ist, daß die Lichtleiter 62, 64 eine entsprechend präzise Ausrichtung erhalten, die senkrecht zu einer Auftrefffläche und damit parallel zu der simulierten Drehachse der Welle verlaufen muß. Diese Ausrichtung kann mit einer passenden Befestigung der Lichtleiter erhalten werden. Für die Lieferung eines Laserstrahls kann bsp. ein Nd:YAG Laser, ein Kohlendioxydlaser oder jeder beliebig andere Laser verwendet werden, wobei nur Voraussetzung ist, daß der von dem Laser gelieferte Lichtstrahl eine genügende Stärke besitzt, um eine Materialentfernung in dem von dem Rech­ ner 50 gesteuerten Ausmaß durchzuführen.

Um eine Welle 10 an den beiden Wellenenden 10a und 10b auszuwuchten, wird durch den Rechner 50 eine somit automatisch ablaufende Materialentfernung an diesen Wellenenden gesteuert, wobei ein Folge von aufeinanderfolgenden punktu­ ellen Ausrichtungen des Laserstrahls solange wiederholt wird, bis bei einer dafür fortgesetzten Drehung der Welle ein vorgewählter Toleranzbereich für eine dann fertig ausgewuchtete Welle erhalten ist. Dabei versteht sich, daß sich die punktuelle Ausrichtung des Laserstrahls an den Flanschen 12, 14 während dieser Wiederho­ lungen verändern kann und häufig auch verändern wird, wenn bsp. eine vorhande­ ne Unwucht zuerst an dem einen Wellenende und anschließend an dem anderen Wellenende beseitigt wird. Die automatische Steuerung der Vorrichtung kann daher alternativ auch so aussehen, daß gleichzeitig an beiden Wellenenden eine Mate­ rialentnahme durchgeführt wird, wobei dafür auch mehrere Laserstrahlen einge­ setzt werden können, die dann lediglich eine entsprechend mehrheitliche Anord­ nung von Lichtleitern mit einem Anschluß an eine gemeinsame Lichtquelle eines Lasers erfordern.

Claims (12)

1. Verfahren zum dynamischen Auswuchten einer Welle, wie insbesondere einer Antriebswelle bei einem Kraftfahrzeug, bei welchem die Welle zur Festlegung einer simulierten Drehachse zwischen zwei Halterungen angeordnet und mit einer vorgewählten Drehzahl gedreht wird, wobei während dieser Drehung die Größe und die Winkelausrichtung einer Unwucht ermittelt und die Unwucht bis zum Erreichen eines vorgewählten Toleranzbereichs beseitigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Unwucht für ein Vorhandensein an wenig­ stens einem Wellenende (10a, 10b) ermittelt und mit einem auf die Unwucht ausgerichteten Laserstrahl eine punktuelle Materialentfernung solange wieder­ holt wird, bis der vorgewählte Toleranzbereich erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem für jedes der beiden Wellenenden (10a, 10b) ein Vorhandensein einer Unwucht ermittelt und die punktuelle Mate­ rialentfernung mit dem Laserstrahl abwechselnd oder gleichzeitig an den bei­ den Wellenenden vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die punktuelle Materialentfer­ nung an jedem Wellenende (10a, 10b) mit mehr als einem Laserstrahl gleich­ zeitig, abwechselnd oder aufeinanderfolgend zuerst an dem einen Wellenende (10a) und dann an dem anderen Wellenende (10b) vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem eine gemeinsame Lichtquelle eines Lasers (60) für ein gleichzeitiges Aussenden von mehr als ei­ nem Laserstrahl an die beiden Wellenenden (10a, 10b) vorgesehen ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die punktuelle Ma­ terialentfernung am einer an jedem Wellenende (10a, 10b) vorgesehenen Flanschausbildung (12, 14) od. dgl. vorgenommen wird, an welcher der oder jeder Laserstrahl mit einer zu der simulierten Drehachse der Welle (10) paral­ lelen Ausrichtung auf eine zu der Drehachse senkrecht ausgerichtete Auf­ trefffläche (12a, 14a) auftrifft.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die oder jede Un­ wucht mittels eines Sensors (40, 41) erfaßt wird, der auf eine Seitenbelastung der zugeordneten Halterung (22, 24) anspricht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Sensor (40, 41) für eine Erzeu­ gung von Spannungssignalen in Abhängigkeit von einer durch ihn erfaßten Wellenschwingung ausgebildet ist und die Spannungssignale in einem Rech­ ner (50) für die Bestimmung der Größe und der Winkelausrichtung einer vor­ handenen Unwucht ausgewertet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem der Rechner (50) mit einem Algorithmus programmiert ist, welcher die Spannungssignale des Sensors (40, 41) in Steuersignale für den Laser (60) umsetzt, um eine zu der Größe und der Winkelausrichtung einer ermittelten Unwucht verhältige Mate­ rialentfernung zu erhalten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem mit dem Steuersignal des Rechners (50) die Stärke und die Dauer des von dem Laser (60) erzeugten Laserstrahls oder die Drehzahl der Welle (10) variabel verändert werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem zwei Halterungen für eine drehbare Lagerung der um eine si­ mulierte Drehachse mit einer vorgewählten Drehzahl gedrehten Welle vorge­ sehen sind und mit einem Sensor ein Vorhandensein einer Unwucht ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Steuersignal des Sensors (40, 41) gesteuerter Laser (60) vorhanden ist, der für die Ausrichtung eines Laser­ strahls gegen die ermittelte Unwucht für eine wiederholte punktuelle Material­ entnahme bis zum Erreichen eines vorgewählten Toleranzbereichs bei der Be­ seitigung der Unwucht angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der Laser (60) für das Aussenden eines Laserstrahls an jedem Wellenende (10a, 10b) über Lichtleiter (62, 64) zu den Wellenenden hin angeschlossen ist, wobei jeder Lichtleiter ein zu der si­ mulierten Drehachse der Welle paralleles Leiterende aufweist für ein Auftreffen des Laserstrahls auf eine senkrecht zu der Drehachse ausgerichtete Auf­ trefffläche (12a, 14a) an dem jeweiligen Wellenende (10a, 10b).

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher der Laser (60) über mehre­ re Lichtleiter (62, 64) an die beiden Wellenenden (10a, 10b) angeschlossen ist.