DE10035340B4 - Verfahren zum dynamischen rechnergesteuerten Auswuchten einer Welle - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum dynamischen rechnergesteuerten Auswuchten einer Welle, bei welchem
die Welle (10) zur Festlegung einer simulierten Drehachse zwischen
zwei Halterungen (Spannzangen 22, 24) angeordnet und mit einer vorgewählten Drehzahl
gedreht, während
dieser Drehung die Größe und die
Winkelausrichtung einer Unwucht der Welle (10) mittels Sensoren
(40, 41) an jedem der beiden Wellenenden (10a, 10b) ermittelt und
die Unwucht mit einem Laserstrahl durch wiederholte punktuelle Materialentfernung
an einer an jedem Wellenende (10a, 10b) vorgesehenen Flanschausbildung
(Flansch 12,14) abwechselnd oder gleichzeitig bis zum Erreichen
eines für den
Rundlauf der Welle (10) vorgewählten
Toleranzbereiches vorgenommen wird, wobei der Laserstrahl durch
das Leiterende eines mit Glasfilamenten ausgebildeten Lichtleiters
(62, 64) parallel zu der simulierten Drehachse der Welle (10) gegen
eine zu der Drehachse senkrechte Auftrefffläche (12a, 14a) jeder Flanschausbildung
(Flansch 12, 14) ausgerichtet wird.
Description
- Zum Auswuchten insbesondere einer Antriebswelle bei einem Kraftfahrzeug ist es 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 es 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 an der Welle angebracht wird. Diese Folge von aufeinanderfolgenden Messungen und einem jeweils anschließenden Anbringen einer weiteren Masse wird solange wiederholt, bis die ausgewuchtete Welle innerhalb einen vorgewählten Toleranzbereich fällt. Dieses bekannte Auswuchten einer Welle ist ersichtlich sehr zeitaufwändig und ergibt für das Produkt eine beträchtliche Kostenerhöhung.
- Aus
DE 27 05 217 A1 ist ein Verfahren zum dynamischen Auswuchten eines Rotors unter Verwendung eines Impulslaserstrahles bekannt, der von einem Laseroszillator erzeugt und unmittelbar auf wenigstens eine integrierte seitliche Endfläche des drehenden Rotors ausgerichtet wird. Im Strahlengang des Lasers ist für eine Bündelung der Laserstrahlen ein Kondensorsystem angeordnet, das mit wenigstens einer Kondensorlinse ausgebildet und optimal mit reflektierenden Spiegeln ergänzt ist. Die Einbeziehung solcher reflektierender Spiegel in das Kondensorsystem soll dabei auch eine Weiterleitung der mit den Kondensorlinsen gebündelten Laserstrahlen an eine zu einer integrierten ersten seitlichen Endfläche des Rotors axial gegenüberliegende zweite Endfläche ermöglichen, um mit den Laserstrahlen gleichzeitig oder auch aufeinanderfolgend verschiedene Materialentfernungen an dem Rotor durchzuführen, für den während einer vorhergehenden Drehung bei einer vorgewählten Drehzahl die Größe und die Winkelausrichtung einer Unwucht mittels Sensoren ermittelt wurde. Die integrierten seitlichen Endflächen des Rotors werden dabei jedoch nicht als die ausschließlich bevorzugten Orte für die bis zum Erreichen eines vorgewählten Toleranzbereiches während eines Rundlaufes der Welle punktuelle durchgeführten Materialentfernungen berücksichtigt, vielmehr wird dafür bsp. auch die Umfangsfläche des Rotors als weitere Alternative in Betracht gezogen und wird schließlich auch angegeben, dass jede Materialentfernung punktuell verknüpft werden sollte mit einem gleichzeitigen Anblasen jeder Kontaktstelle der Laserstrahlen mit Sauerstoff, um auf diese Weise eine rasche Oxidation des von dem Rotor abzutragenden Metalls zu erhalten. - Eine mit diesem bekannten Verfahren übereinstimmende und ersichtlich relativ aufwändige Anwendungstechnik ist daneben auch bekannt aus
DE 39 18 618 C2 sowie auch ausUS 4 037 076 , wobei dort jedoch der Hinweis auf ein gleichzeitiges Anblasen der Kontaktstellen des Laserstrahls mit Sauerstoff nicht aufgenommen ist. Die gleiche Technik wurde auch bereits für die Bearbeitung von Kurbelwellen gemässJP 60116944 A JP 60114735 A DE 41 33 787 A1 ist außerdem ein Verfahren zum Auswuchten von elastischen Rotoren auf dafür eingerichteten kraftmessenden Auswuchtmaschinen bekannt, bei dem zwei Messstellen an den beiden Lagerenden des Rotors und wenigstens eine weitere Messstelle zur Ermittlung von Unwuchten in wenigstens drei Ausgleichsebenen bei unterschiedlich vorgegebenen Drehzahlen vorgesehen werden, um in Abhängigkeit von somit wenigstes drei Unwuchtmesswerten in solchen mehrfa chen Ausgleichsebenen die korrespondierenden Ausgleichsmassen an dem Rotor für eine Kompensierung eines wellenelastischen Verhaltens des Rotors anzubringen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein dynamisches Auswuchten einer Welle ein rationelleres Verfahren bereitzustellen, das sich insbesondere zur Anwendung bei Hohlwellen, wie bsp. einer Antriebswelle bei einem Kraftfahrzeug, eignet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Anspruch 2 angegeben.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit für das Auswuchten einer Welle eine punktuelle Materialentfernung an Hilfsflächen vorgenommen, die für die beiden Wellenenden vorgesehen sind und die doppelte Funktion erfüllen, nicht nur bei der Ermittlung einer Unwucht während einer Drehung der Welle mitzuwirken, sondern auch bestimmend zu sein für einen letztlich gewünschten Rundlauf der Welle, der mit einer rechnergesteuerten Hinführung eines Laserstrahls zu den Kontaktstellen von solchen Hilfsflächen angestrebt wird. Die Einbeziehung der Hilfsflächen ist dabei insbesondere für das Auswuchten von Hohlwellen von besonderer Bedeutung, weil auf diese Weise eine Materialschwächung des eigentlichen Wellenkörpers vermieden wird und daher mit der Wandstärke dieses Wellenkörpers eine Annäherung an die Grenzwerte einer Festigkeitsberechnung ohne Rücksicht darauf angestrebt werden kann, dass bei einer abschließenden Ermittlung von Unwuchten der Welle noch Materialentfernungen einer zuvor unbekannten Größe zu berücksichtigen sind. Das erfindungsgemäße Auswuchten einer Welle ist dabei auch im Umfang eines an solchen Hilfsflächen geübten Arbeitens mit einem Laserstrahl reichlich unkompliziert und lässt ein verhältnismäßig rasches Erreichen eines vorgewählten Toleranzbereiches für die um die simulierte Drehachse gedrehte Welle erwarten, sodass mit der Einhaltung des ent sprechend günstigen Zeitfaktors auch eine vorteilhafte Kostenverringerung erreichbar ist.
- Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zum dynamischen Auswuchten einer Welle zeigt.
- Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Auswuchtvorrichtung
20 ist bsp. zum Auswuchten einer Kardanwelle als Welle10 für den Hinterradantrieb eines Kraftfahrzeuges eingerichtet, wobei die Welle aus Stahl, Aluminium oder einem anderen Material bestehen kann. Die Welle10 ist mithin als ein rohrförmiger Körper ausgebildet, der in der Nähe seiner beiden Wellenenden10a und10b mit als Ringflansche ausgebildeten Flanschen12 und14 versehen ist. Die Wellenenden10a und10b sind mit Kreuzzapfen13 und15 versehen, mittels welcher die Welle10 an Spannzangen22 und24 oder anderen Halterungen der Auswuchtvorrichtung20 montiert werden kann. Gleiche Kreuzzapfen werden auch verwendet, um die Welle10 zwischen dem Getriebe und dem Differential des Hinterradantriebes eines Fahrzeuges anzuordnen, wie es allgemein bekannt ist, sodass bei der Auswuchtvorrichtung20 die Anordnung der Welle10 simuliert wird. Diese Simulierung der Anordnung wird dahin erweitert, dass die Welle10 an der einen Spannzange22 über eine drehbar gelagerte Welle26 durch einen Elektromotor28 gedreht wird, wobei diese Drehung durch eine entsprechend drehbare Lagerung auch der anderen Spannzange24 über eine zugeordnete Lagerwelle25 ermöglicht wird. Die beiden Spannzangen22 ,24 , die Lagerwellen25 ,26 und der Elektromotor28 sind an einem Ständer21 der Auswuchtvorrichtung20 angeordnet. Diese Anordnung entspricht grundsätzlich derjenigen bei einer bekannten Auswuchtmaschine, die bsp. von der Firma Schenck Turner Inc. mit dem Modell 528 RBRQ angeboten wird. - Die Welle
10 wird durch die beiden Spannzangen22 ,24 mit einer Anordnung festgelegt, welche die Berücksichtigung einer simulierten Drehachse ergibt. Die Welle wird bei eingeschaltetem Elektromotor28 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 Auswuchtvorrichtung wird dann bsp. zuerst eine für das eine Wellenende10a neben dem Flansch12 festgestellte Unwucht ausgeglichen und anschließend eine Unwucht, die für das andere Wellenende10b neben dem Flansch14 festgestellt wurde. - Für die Beseitigung solcher Unwuchten an den beiden Wellenenden wird die Größe und die Winkelausrichtung jeder Unwucht mittels Sensoren
40 und41 ermittelt, die an den beiden Wellenenden angeordnet sind. Diese Sensoren sind zur Erfassung von Wellenschwingungen ausgebildet, die durch eine Seitenbelastung der Spannzangen22 ,24 an den Wellenenden erzeugt werden. Die Sensoren erzeugen Spannungssignale, deren Größe mit der Amplitude der Wellenschwingungen übereinstimmt. Mit diesen Spannungssignalen kann in einem angeschlossenen Rechner50 die Größe und auch die Winkelausrichtung einer maximalen Unwucht an jedem Wellenende berechnet werden, deren Erscheinungsort auch an einem Display42 mit einer gleichzeitigen Angabe der Größe der Unwucht bsp. in Gramm – Zentimeter zur Abbildung gebracht werden kann. Als Sensoren können bei der Auswuchtvorrichtung20 die Sensoren übernommen werden, die bei der bekannten Auswuchtmaschine vorhanden sind, jedoch ist deren Übernahme keinesfalls zwingend. Mittels des Rechners50 wird im übrigen als Bezugsgröße die Drehung der Welle10 mittels eines Wandlers32 erfasst, der auf einen Magneten30 an der Lagerwelle26 der Spannzange22 anspricht. - Durch den Rechner
50 wird ein Laser60 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 Steuersignal des Rechners50 beeinflusst werden und kann jeweils mit einem festen oder mit einem veränderlichen Wert vorgegeben sein in Abhängigkeit von der Materialmenge, die an dem betreffenden Wellenende zur Beseitigung der Unwucht entfernt werden soll. Das von dem Rechner50 an den Laser60 gelieferte Steuersignal wird dabei mit einem Algorithmus erhalten, welcher die Wellenschwingung respektive die mit den Sensoren übersetzten Spannungssignale mit der Größe und der Ausrichtung der ermittelten Unwucht vergleicht und das Ausmaß der Materialentfernung bestimmt, die zur Beseitigung der ermittelten Unwucht benötigt wird. Die punktuelle Lenkung des Laserstrahls wird dabei mit dem Magne ten30 an der Lagerwelle26 im Zusammenwirken mit dem Wandler32 gestuert. Die Anzahl der Drehungen der Welle10 , während welcher eine Materialentfernung von der Welle vorgenommen wird, kann dabei für die Dauer der Materialentfernung verändert werden, sofern nicht mit einer veränderlichen Stärke und Dauer des Laserstrahls gearbeitet wird, sondern stattdessen für den Laserstrahl feste Werte vorgegeben sind. Der Rechner50 weist zweckmäßig ein integriertes digitales Auslese-Steuersystem auf und ist auf den Algorithmus programmiert, mit welchem die von den Sensoren40 ,41 erhaltenen Spannungssignale abgestimmt werden auf das Ausmaß der Materialentfernung, die für eine Beseitigung von Unwuchten an den Wellenenden durchzuführen ist. - Diese Materialentfernung an den Wellenenden wird speziell an den Flanschen
12 und14 durchgeführt, gegen welche der von dem Laser60 erzeugte Laserstrahl über Lichtleiter62 und64 ausgerichtet wird. Als Lichtleiter sind Glasfilamente verwendet, welche die von der Lichtquelle des Lasers60 erzeugten Strahlen hin zu einer seitlichen Auftrefffläche12a bzw.14a der Flansche12 ,14 leiten. Das Vorhandensein der Flansche12 ,14 für die mit dem Laserstrahl bewirkte Materialentfernung ist dabei so zu erklären, dass durch die Flansche ein bestimmter Abstand von der Mantelfläche10c der Welle10 eingehalten werden kann, sodass mit dem Laserstrahl zum Zeitpunkt der damit bewirkten und mit einer stärkeren Wärmeentwicklung verbundenen Materialentfernung nur an den Flan schen12 ,14 keine Beschädigung der Welle und auch kein Wärmeverzug erhalten wird. Die Flansche12 ,14 können daher auch andere Ausbildungen erfahren, wobei nur wichtig ist, dass die Lichtleiter62 ,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 Kohlendioxidlaser 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 Rechner50 gesteuerten Ausmaß durchzuführen. - Um eine Welle
10 an den beiden Wellenenden10a und10b auszuwuchten, wird durch den Rechner50 eine somit automatisch ablaufende Materialentfernung an diesen Wellenenden gesteuert, wobei eine Folge von aufeinanderfolgenden punktuellen 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 Flanschen12 ,14 während dieser Wiederholungen verändern kann und häufig auch verändern wird, wenn bsp. eine vorhandene Unwucht zuerst an dem einen Wellenende und anschließend an dem anderen Wellenende beseitigt wird. Die automatische Steuerung der Auswuchtvorrichtung kann daher alternativ auch so aussehen, dass gleichzeitig an beiden Wellenenden eine Materialentfernung durchgeführt wird, wobei dafür auch mehrere Laserstrahlen eingesetzt werden können, die dann lediglich eine entsprechend mehrheitliche Anordnung von Lichtleitern mit einem Anschluss an eine gemeinsame Lichtquelle eines Lasers erfordern.
Claims (2)
- Verfahren zum dynamischen rechnergesteuerten Auswuchten einer Welle, bei welchem die Welle (
10 ) zur Festlegung einer simulierten Drehachse zwischen zwei Halterungen (Spannzangen22 ,24 ) angeordnet und mit einer vorgewählten Drehzahl gedreht, während dieser Drehung die Größe und die Winkelausrichtung einer Unwucht der Welle (10 ) mittels Sensoren (40 ,41 ) an jedem der beiden Wellenenden (10a ,10b ) ermittelt und die Unwucht mit einem Laserstrahl durch wiederholte punktuelle Materialentfernung an einer an jedem Wellenende (10a ,10b ) vorgesehenen Flanschausbildung (Flansch12 ,14 ) abwechselnd oder gleichzeitig bis zum Erreichen eines für den Rundlauf der Welle (10 ) vorgewählten Toleranzbereiches vorgenommen wird, wobei der Laserstrahl durch das Leiterende eines mit Glasfilamenten ausgebildeten Lichtleiters (62 ,64 ) parallel zu der simulierten Drehachse der Welle (10 ) gegen eine zu der Drehachse senkrechte Auftrefffläche (12a ,14a ) jeder Flanschausbildung (Flansch12 ,14 ) ausgerichtet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die punktuelle Materialentfernung an der Auftrefffläche (
12a ,14a ) jeder Flanschausbildung (Flansch12 ,14 ) der beiden Wellenenden (10a ,10b ) mit mehreren, jeweils über einen Lichtleiter (62 ,64 ) zugeführten Laserstrahlen gleichzeitig, abwechselnd oder aufeinanderfolgend zuerst an dem einen Wellenende (10a ) und dann an dem anderen Wellenende (10b ) vorgenommen wird.
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